[发明专利]光学传感器及使用方法

说明书

发明领域

本发明涉及光学传感器，特别地，涉及一种干涉仪及使用方法。

发明背景

已在许多感测应用中证明了光纤的益处。两个主要领域是：(i)分布式光纤传感器，和(ii)多路复用点传感器阵列。

分布式传感器利用反向散射光的强度，并利用光信号中的拉曼(Raman)峰值和/或布里渊(Brillouin)峰值来测量温度、张力或压力。分布式传感器提供了许多优点，包括沿光纤的全部长度连续感测，和传感器的灵活性及简易性，这可能是标准的电信光纤。例如，分布式传感器可以1m的空间分辨率沿10km的光纤提供10000个测量点。因此分布式传感器系统提供了较低的安装成本和所有权成本。

然而，由于其缓慢的响应，分布式传感器通常仅使用在可接受在数秒至数小时内进行测量的应用中。最常见的这种类型的传感器是分布式温度传感器(DTS)，分布式温度传感器由许多公司制造。DTS的典型性能是在10km范围在60秒内具有1m的空间分辨率和1℃的温度分辨率。

如在第6,555,807号美国专利[1]或第WO98/27406号专利[2]中所描述的，通过利用在反射光或反向散射光中的布里渊偏移，分布式传感器还被用来测量张力。所述布里渊偏移的频率大约是1MHz/10με以及其线宽大约为30MHz。使用所描述的窄频扫描方法可以确定沿着光纤的张力在10με的量级。然而，使用这些方法，扫描率比脉冲重复率慢很多，且测量时间通常在几秒至几分钟的范围内。

最近，一种利用布里渊频率偏移的快速测量技术已在第7,355,163号美国专利[3]中提出。这种技术使用频率-振幅转换器，其可以是在输出端具有3×3个耦合器的光纤马赫曾德尔干涉仪的形式。然而，应变分辨率受到布里渊光的线宽的限制，因此在干涉仪中的光路长度差应该保持在布里渊光的相干长度内。另外，在干涉仪的两个光路之间的偏振衰减、光电探测器接收机的偏移和增益变化将极大地限制张力测量。具有50με应变分辨率的在大约0.1秒(10Hz)的测量时间最近已经被报道使用了此技术。

对于许多应用，如声波感测，需要更高的灵敏度和在1毫秒(1kHz)，0.1毫秒(10kHz)或0.01毫秒(100kHz)的量级的更快的测量时间。

多路复用点传感器提供具有高灵敏度的快速测量并被用于如水听器阵列中。这些在能源市场中的主要应用是用于拖拽阵列和海底地震阵列。然而，与分布式传感器不同，当需要全面覆盖时不能使用多路复用点传感器。感测元件的大小和位置是固定的，并且在单个光纤上多路复用的传感器的数量通常被限制在50至100个元件。另外，该传感器设计依赖于附加的光纤部件，这导致庞大且昂贵的阵列结构。也做出了相当大的努力来增加可以有效地多路复用在单根光纤上的传感器的数量。

光时域反射仪(OTDR)是一项众所周知的用于测试光纤通讯电缆的技术。为了减少相干反向散射干扰(有时被称为相干瑞利噪声(Coherent Rayleigh Noise))的影响，通常使用宽带光源。然而，在第5,194,847号美国专利[4]中还提出通过检测在相干反向散射瑞利信号中的快速变化而使用相干OTDR来感测侵入。另外，Shatalin等人[5]描述了使用相干瑞利作为分布式光纤报警传感器。

第WO 2008/056143号专利[6]描述了类似于第5,194,847号美国专利[4]中的使用半导体分布式反馈激光源的扰动传感器。优选地7.5GHz的光纤布拉格光栅滤波器被用来除去带外啁啾光，因此，提高了发送到光纤内的激光脉冲的相干性。然而，这需要激光波长与窄带光学滤光器的匹配，与使用第5,194,847号美国专利所提出的非常高的相干源的系统相比较，这导致信号可见度变化减少。

类似的技术也在检测埋藏的光纤通信电缆(例如在WO 2004/102840[7]中)，在边界安全中(GB 2445364[8]和第2009/0114386号美国专利[9])以及井底振动监测(WO 2009/056855[10])中提出。然而，这些相干瑞利反向散射系统的响应已受到许多参数的限制，所述参数诸如偏振和信号衰减现象；反向散射光的随机变化；以及非线性相干瑞利响应。因此这些技术主要用于事件检测并不提供定量测量，例如在较宽的频率范围和动态范围的声波振幅、频率以及相位的测量。

发明概述

本发明提供用于快速定量测量沿着一段光纤传输、反射和/或散射的光场的扰动的新颖的装置及方法。

本发明可以用于分布式传感器、点传感器、或两者的结合。