[发明专利]光学感测系统及检测光学感测光纤中应力的方法

说明书

用于感测光学感测光纤中的变化的系统和方法，其主要用于检测应力变化。处于间隔开Δf的不同光学频率(f₁,f₂,..f_n)下的多个光学探测脉冲被发送到感测光纤。从光学感测光纤反向散射的光可以与频移△f+f_m的延迟的反向散射混合，其中，f_m是外差频率。可以检测到反向散射的或混合的光以确定感测光纤中的变化。可以选择Δf以优化性能。

技术领域

本公开涉及光学传感器，且具体地，涉及利用基于光导纤维的传感器的分布式声感测。

背景技术

已知基于光纤的传感器用于通过光纤中的应力变化检测各种参数，包括声信号。系统能够被概括的表征为利用离散式或分布式传感器。离散式传感器通常将光纤内的光学共振腔定位在所需的传感器位置处。光纤应力变化导致光学共振腔的物理长度变化，且因此，腔的光学相位长度针对在腔中传播的光学信号而变化。对来自光学共振腔的输出信号的检测允许推断相位长度变化，且因此，检测到感兴趣的参数。每个光纤可提供若干感测位置以允许对多个位置的同时测量。离散式传感器的缺点在于传感器的位置和计量长度是固定的，因此降低了灵活性。这种传感器的普通应用是在海床上检测地震事件，且因此，重新定位传感器来改变具体感测位置是不现实的。

分布式光学传感器不具有限定的计量长度或传感器位置，但使用对返回的信号的分析来推断沿着光纤的长度的相位变化，且因此，检测信号(通常是声信号)。例如，瑞利(Rayleigh)反向散射可用作返回的信号。

图1示出通常已知为分布式声传感器(DAS)的常规分布式光学传感器的示意图。询问器10将探测光脉冲11发射到测量光纤12的第一端中。测量光纤12铺设在需要感测的区域中。由于光纤的低损耗带来的光学传感器的优点是能够将不同位置中的询问器定位到感测位置。因此，会存在显著长度的测量光纤12，其提供从询问器10 到其中不进行测量的测量区域的引入线。

随着脉冲11传播通过光纤，光纤中的散射部位散射一部分光。该散射光的一部分被光纤的数值孔径捕获并朝向询问器10回传。感兴趣的主要的散射机制是Rayleigh散射，由于与散射部位(散射体 )的弹性碰撞，该Rayleigh散射得到与传播光相同的频率的反向散射。

在询问器处接收到反向散射脉冲14。询问器处的到达时间与从询问器到沿着光纤的点的往返距离成比例。由于损耗随着距离增加而增加，导致脉冲随时间衰退。通过在特定时刻对脉冲14采样，可以确定来自沿着光纤的特定位置的反向散射。光纤的干扰影响其物理结构(在微观层面)以及传播光的速度，且因此，影响反向散射脉冲 14。这种变化可用来推断干扰光纤的信号。典型的DAS可具有沿着 1-40km长的光纤的1-20m的分辨率。

在典型的系统中，探测脉冲可以是10ns的相干脉冲，且在典型的光纤中具有约2m的物理长度。

图2示出典型的询问器10的示意图。发送器20发射探测脉冲，且接收器21包括用于检测反向散射脉冲的光学传感器和采样系统。光学循环器22将来自发送器20的探测脉冲耦合到测量光纤12以及将返回的反向散射脉冲耦合到接收器21。

尽管有可配置的计量长度和传感器位置的优点，分布式光学传感器也还是有明显的缺点。由于返回信号取决于弱散射事件而非强的限定的反射器，分布式光学传感器的灵敏度明显低于离散式传感器。这种灵敏度的缺少能够使得没有足够的灵敏度确定应力以及因此检测声或其他参数。系统可具有对导致相位测量(且因此测量的应力) 的失真和非线性的返回反向散射幅度的交叉灵敏度。

反向散射发生自若干散射体，且来自每个散射体的散射光相干相加以形成反向散射脉冲。由于散射体位置是随机的，因此，这种相加能够是相消的且导致无返回信号。此外，散射体位置能够随时间变化，这导致相加的变化且因此导致信号随时间衰落。衰落还能够发生自双折射效应。

因此需要改善的分布式光学传感器系统。下面描述的实施例不限于解决已知系统的任一或所有缺点的实施方式。

发明内容