本發(fā)明涉及光纖和應(yīng)力、彎曲等方面在光纖上的分布的測(cè)量技術(shù)，特別是一種相干光時(shí)域反射裝置和分布式光纖傳感器。
背景技術(shù)：
：光纖在使用中會(huì)受到彎曲、受力和內(nèi)應(yīng)力的影響。例如，用于光網(wǎng)絡(luò)或者光通信網(wǎng)絡(luò)連接，都會(huì)受到光纖彎曲或應(yīng)力損失，這些都會(huì)對(duì)光纖的可靠性和壽命造成影響。這種彎曲或受力目前普遍都是通過目前市場(chǎng)上商用的1310nm或1550nm的光時(shí)域反射計(jì)(OTDROpticalTimeDomainReflectometer)等設(shè)備來測(cè)量。眾所周知，在光通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化采用的單模光纖或者光纜，用于光傳感和光檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，接收到的聲音或震動(dòng)或受力等各種信號(hào)，可以通過光時(shí)域反射計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量波長(zhǎng)一般為1550nm，或者在通信常用的波長(zhǎng)1250～1650nm之間，在測(cè)量中區(qū)分聲音或者震動(dòng)或者受力來自什么樣的侵入，例如人為噪聲、人跑動(dòng)或走動(dòng)引起的震動(dòng)、車輛行駛引起震動(dòng)、機(jī)器挖掘等等，采用已知波長(zhǎng)，通過測(cè)量不同距離和位置的光纖中的光相位或光程的不同信息來感知到。該傳統(tǒng)的技術(shù)還可進(jìn)一步用于石油或天然氣勘測(cè)中的地震震源測(cè)量等。這種測(cè)量方法的一個(gè)主要原理，是基于干涉儀的方法，因而對(duì)于多數(shù)已經(jīng)安裝的電信光纖來說，震動(dòng)、聲音和受力信號(hào)都可以包含在光相位或光程差當(dāng)中。雖然傳統(tǒng)的OTDR測(cè)量方法，能夠分辨光纖損耗和光纖長(zhǎng)度，但是不能在傳感光纖上提供聲音或震動(dòng)或受力特征，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的OTDR設(shè)備測(cè)量光的相位或延遲相干性不足，不能測(cè)量高頻的聲音或震動(dòng)或受力，例如10Hz到幾kHz的頻率。為了恰當(dāng)?shù)乇硎緜鞲泄饫w上的聲音或震動(dòng)或受力信號(hào)，很重要的一點(diǎn)是光纖局部的相位和光程、信號(hào)振幅、頻率等；比如說用于通信傳感光纖光纜，采用G.652或G.657，或任意單模光纖(SMF)甚至多模光纖(MMF)；都是可以準(zhǔn)確的判斷沿著或者閉合光纖上任何聲音或震動(dòng)或受力信號(hào)的；然而，傳統(tǒng)OTDR測(cè)量技術(shù)無法實(shí)施這樣的測(cè)量。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：基于此，有必要針對(duì)傳統(tǒng)OTDR測(cè)量技術(shù)無法對(duì)傳感光纖提供聲音或震動(dòng)或受力特征的問題，提供一種相干光時(shí)域反射裝置和分布式光纖傳感器，其中，所述一種相干光時(shí)域反射裝置，包括：相干光源單元，用于產(chǎn)生相干探測(cè)光；耦合到被測(cè)光纖鏈路的一端的光學(xué)耦合單元，用于將所述相干探測(cè)光引導(dǎo)到所述被測(cè)光纖鏈路中，并接收來自所述被測(cè)光纖鏈路的反射探測(cè)光；光學(xué)檢測(cè)單元，耦合到所述光學(xué)耦合單元以接收所述反射探測(cè)光，所述光學(xué)檢測(cè)單元包括光學(xué)干涉儀和光學(xué)探測(cè)器，所述光學(xué)干涉儀沿著不同光路處理所述反射探測(cè)光，使之形成由于反射光沿不同路徑不同光程而不同的光輸出信號(hào)；所述光學(xué)探測(cè)器分別在不同的光路中接收來自所述光學(xué)干涉儀的所述光輸出信號(hào)；設(shè)備控制器，其耦合到所述光學(xué)檢測(cè)單元，用于從所述光學(xué)探測(cè)器接收探測(cè)器輸出信號(hào)，并處理所述探測(cè)器輸出信號(hào)，以提取關(guān)于聲音或振動(dòng)或應(yīng)變相關(guān)特性的空間分布的信息，作為沿所述被測(cè)光纖鏈路的與距離相關(guān)的分布參數(shù)。本發(fā)明所提供的相干光時(shí)域反射裝置，使用相干光源單元、光學(xué)耦合單元，光學(xué)檢測(cè)單元和設(shè)備控制器，將所述光學(xué)耦合單元其連接用于測(cè)量的傳感光纖(S-FUT)，用來將探測(cè)光導(dǎo)入所述傳感光纖S-FUT，并在同一端接收和探測(cè)從S-FUT返回來的探測(cè)光，通過設(shè)備控制器提取關(guān)于聲音或振動(dòng)或應(yīng)變相關(guān)特性的空間分布的信息，作為沿所述被測(cè)光纖鏈路的與距離相關(guān)的分布參數(shù)，用來計(jì)算聲音或震動(dòng)或受力與所述傳感光纖有關(guān)的特性，并獲取有關(guān)測(cè)量信息。附圖說明圖1是一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1A是另一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1B是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1C是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1D是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1E是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1F是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1G是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1H是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1I是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1J是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3A是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3B是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4A是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。基于傳統(tǒng)技術(shù)中傳統(tǒng)OTDR測(cè)量技術(shù)無法對(duì)傳感光纖提供聲音或震動(dòng)或受力特征的問題，需要一種用于表征作為沿著感測(cè)光纖電纜(S-FUT)的距離的參數(shù)的，表征聲音或振動(dòng)或應(yīng)變相關(guān)的光纖特性的新方法，例如，傳感光纖的末端，可用于光傳感網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、測(cè)試和測(cè)量，例如沿油管或天然氣管道或井等。一種測(cè)量光纖聲音或震動(dòng)或受力的方法是：測(cè)量其引起的光纖長(zhǎng)度或者光學(xué)相位或光程延遲變化或震動(dòng)，其中光纖長(zhǎng)度或光相位能夠通過光纖震動(dòng)或活動(dòng)或受拉或受壓而引發(fā)，而且是和聲音或震動(dòng)或拉力成比例，也和這些事件的頻率有關(guān)；因此可知被測(cè)對(duì)象的振幅和頻率。而傳統(tǒng)的測(cè)試方法只能確定相關(guān)信號(hào)強(qiáng)度，例如以正弦函數(shù)不能準(zhǔn)確提供信號(hào)頻率和振幅，傳統(tǒng)的方法會(huì)限制激光器一致性會(huì)因干擾而降低信號(hào)以至于信噪比很差。本專利公開了用于測(cè)量分布式光相位或光程長(zhǎng)度或光程的變化，以及聲振動(dòng)或張力的分布式測(cè)量，包括聲音或震動(dòng)的強(qiáng)度、頻率信息等；在光纖上至少兩個(gè)不同距離點(diǎn)(也就是位置)之間，就構(gòu)成了光傳播的光程，例如一段用于光傳感或光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖或光纜。本文公開的例子使用一個(gè)光輸入單元和一個(gè)光輸出單元，其一端連接一個(gè)用于測(cè)量的傳感光纖(S-FUT)，用來將探測(cè)光導(dǎo)入S-FUT，并在同一端接收和探測(cè)從S-FUT返回來的探測(cè)光。所公開的技術(shù)包括一個(gè)光輸入單元連接到S-FUT，用來發(fā)射至少一種波長(zhǎng)的兩個(gè)或更多光脈沖進(jìn)入到S-FUT，一個(gè)光輸出單元連接到S-FUT同一端，用來接收來自S-FUT的光信號(hào)并提取傳感信息。收到的光被分析并提取包含輸出光功率或光相位或光延遲的信息，并處理接收的光轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電子信號(hào)，以獲得沿著上S-FUT每個(gè)位置的信息。一個(gè)處理單元可用來計(jì)算來自S-FUT不同距離的與光脈沖相關(guān)的不同光功率或光相位或光延遲參數(shù)的差別，例如，脈沖數(shù)n+k和脈沖數(shù)n，分別地，這里n和k可以是任何整數(shù)值；測(cè)量到的脈沖對(duì)對(duì)應(yīng)的功率或相位或延遲的參數(shù)對(duì)應(yīng)著光纖上聲音或震動(dòng)或受力特征。處理單元也可用來計(jì)算聲音或震動(dòng)或受力與S-FUT有關(guān)特性(例如，聲音或震動(dòng)或受力的強(qiáng)度等)，包括至少一種上述光纖擾動(dòng)事件參數(shù)值預(yù)定的函數(shù)或預(yù)先設(shè)定的結(jié)果，例如基于振幅、頻率和一個(gè)處理單元對(duì)聲音或震動(dòng)或受力有關(guān)光纖特性更進(jìn)一步的計(jì)算。本專利提供的技術(shù)實(shí)施例，還包括光纖聲音或震動(dòng)或受力或光相位或延遲長(zhǎng)度的信息的儀器校準(zhǔn)或使用校正操作，用來準(zhǔn)確測(cè)量S-FUT的聲音或震動(dòng)或受力有關(guān)特征，并獲得有關(guān)測(cè)量信息。另一方面，本發(fā)明技術(shù)可用于對(duì)沿著S-FUT光路來自被測(cè)聲音或震動(dòng)或受力原因的識(shí)別，例如判斷是由于人為挖掘、走路、車輛以及工程或其他原因引起的震動(dòng)；可通過采用在一端連接到S-FUT上的光輸入單元和光輸出單元，在S-FUT上附加已知的參考信息，該測(cè)量應(yīng)用可以用于探測(cè)石油和天然氣勘探中地震源引起的震動(dòng)。在另一個(gè)方面，本發(fā)明技術(shù)通過采用高靈敏度和嵌入高背向反射傳感器設(shè)計(jì)，可以用來提供一個(gè)沿著傳感光纖路徑來自測(cè)量聲音或震動(dòng)相關(guān)信息高可靠性增強(qiáng)識(shí)別方法；例如將線內(nèi)光纖布拉格光柵用于傳感光纖。在一些安裝中，嵌入的高反射反射率可以從-10dB到-70dB。本發(fā)明提供的一個(gè)相干光時(shí)域反射裝置的實(shí)施例，包括：相干光源單元，用于產(chǎn)生相干探測(cè)光脈沖；耦合到被測(cè)光纖鏈路的一端的光學(xué)耦合單元，用于將所述相干探測(cè)光脈沖引導(dǎo)到所述被測(cè)光纖鏈路中，并接收來自所述被測(cè)光纖鏈路的反射探測(cè)光脈沖；光學(xué)檢測(cè)單元，耦合到所述光學(xué)耦合單元以接收所述反射探測(cè)光脈沖，所述光學(xué)檢測(cè)單元包括光學(xué)干涉儀和光學(xué)探測(cè)器，所述光學(xué)干涉儀沿著不同光路處理所述反射探測(cè)光脈沖，使之形成由于反射光脈沖沿不同路徑不同光程而不同的光脈沖輸出信號(hào)；所述光學(xué)探測(cè)器分別在不同的光路中接收來自所述光學(xué)干涉儀的所述光脈沖輸出信號(hào)；設(shè)備控制器，其耦合到所述光學(xué)檢測(cè)單元，用于從所述光學(xué)探測(cè)器接收探測(cè)器輸出信號(hào)，并處理所述探測(cè)器輸出信號(hào)，以提取關(guān)于聲音或振動(dòng)或應(yīng)變相關(guān)特性的空間分布的信息，作為沿所述被測(cè)光纖鏈路的與距離相關(guān)的分布參數(shù)。具體的，所述光學(xué)檢測(cè)單元中的光學(xué)干涉儀可以是各種干涉儀配置，包括具有兩個(gè)光路的馬赫-曾德爾干涉儀。在后續(xù)的實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)光相位調(diào)制器或光學(xué)延遲裝置可以插入在光學(xué)干涉儀內(nèi)的一個(gè)或兩個(gè)光路中，以修正或者調(diào)節(jié)干涉儀的不同光路之間的光相位或延遲差。本發(fā)明所提供的相干光時(shí)域反射裝置，使用相干光源單元、光學(xué)耦合單元，光學(xué)檢測(cè)單元和設(shè)備控制器，將所述光學(xué)耦合單元其連接用于測(cè)量的傳感光纖(S-FUT)，用來將探測(cè)光導(dǎo)入所述傳感光纖S-FUT，并在同一端接收和探測(cè)從S-FUT返回來的探測(cè)光，通過設(shè)備控制器提取關(guān)于聲音或振動(dòng)或應(yīng)變相關(guān)特性的空間分布的信息，作為沿所述被測(cè)光纖鏈路的與距離相關(guān)的分布參數(shù)，用來計(jì)算聲音或震動(dòng)或受力與所述傳感光纖有關(guān)的特性，并獲取有關(guān)測(cè)量信息。圖1是一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)高分空間辨率相干OTDR，用于解調(diào)光相位、補(bǔ)償激光器相位噪聲和消除偏振衰減。圖1A是另一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)類似于圖1的高分空間辨率相干OTDR，沒有參考光纖。圖1B是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)類似于圖1A的高分空間辨率相干OTDR，沒有相位調(diào)制。圖1C是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)類似于圖1B的高分空間辨率相干OTDR，使用了1×2和2×3耦合器。圖1D是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)類似于圖1A的高分空間辨率相干OTDR，使用了偏振調(diào)制或偏振控制器。圖1E是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)類似于圖1A的高分空間辨率相干OTDR，使用了偏振調(diào)制或偏振控制器和延遲調(diào)節(jié)，用來控制干涉儀時(shí)間或光程延遲。圖1F是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)高分空間辨率相干OTDR，用于解調(diào)光相位，補(bǔ)償了激光器相位噪聲和兩個(gè)(或更多)探測(cè)器偏振差異，并消除偏振衰減。圖1G是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)高分空間辨率相干OTDR，用于解調(diào)光相位，補(bǔ)償了激光器相位噪聲和消除偏振衰減。圖1H是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供用來測(cè)量光相位信號(hào)、補(bǔ)償光源相位噪聲的低成本高空間分辨率清晰OTDR。圖1I是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)低成本高空間分辨率相干OTDR，用于測(cè)量光相位信號(hào)和補(bǔ)償光源相位噪聲。圖1J是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)低成本高空間分辨率相干OTDR，用來測(cè)量光相位信號(hào)和補(bǔ)償光源相位噪聲，通過采用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡來消除來自補(bǔ)償器的任何偏振衰減，低成本設(shè)計(jì)，使用耦合器作為進(jìn)入探測(cè)器的功率輸入連接。圖2是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)本發(fā)明高空間分辨率相干OTDR，解調(diào)光相位和補(bǔ)償光相位噪聲和消除偏振衰減，其中采用可編程光延遲和光偏振擾偏。圖2A是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)本發(fā)明高空間分辨率相干OTDR，解調(diào)光相位和補(bǔ)償光相位噪聲和消除偏振衰減，其中采用可編程光延遲，并使用法拉第反射鏡來消除來自補(bǔ)償器的任何偏振衰減。圖3是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)高空間分辨率相干OTDR，通過使用金屬管子中的傳統(tǒng)光纖(FIMT)來測(cè)量聲音或震動(dòng)或受力信號(hào)。圖3A是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)高空間分辨率相干OTDR，采用傳統(tǒng)光纖來測(cè)量聲音或震動(dòng)或受力信號(hào)，或被監(jiān)測(cè)的任何震動(dòng)，例如石油或天然氣輸送管道。圖3B是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)測(cè)量聲音或震動(dòng)或受力高空間分辨率相干OTDR，通過使用沿著圓桶或類似形狀的材料的光纖環(huán)。圖4是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)測(cè)量聲音或震動(dòng)或受力高空間分辨率相干OTDR，通過采用沿著金屬管道中的光纜分布光纖光柵(FBG)。圖4A是再一個(gè)實(shí)施例的相干光時(shí)域反射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一個(gè)測(cè)量聲音或震動(dòng)或受力高空間分辨率相干OTDR，通過采用光纖光柵(FBG)傳感，其中兩個(gè)光纖光柵之間的光纜是被沿著圓桶或類似形狀的材料分布的。本發(fā)明所公開的技術(shù)可以將高空間分辨的聲或振動(dòng)或應(yīng)變相關(guān)特性，作為沿著感測(cè)光纖電纜從單端距離的分布參數(shù)，并可以根據(jù)測(cè)量或監(jiān)測(cè)的信號(hào)的幅度和/或頻率等來區(qū)分事件類型。在附圖中，不同圖里相同或相近的部件具有相同的參考編號(hào)，以突出各個(gè)圖之間的不同之處。所公開的技術(shù)的各個(gè)方面，和各自的實(shí)施方案，都是基于測(cè)量聲音或震動(dòng)或受力的特性。這些方面的實(shí)施例可以有利地用于單端光學(xué)傳感光纖聲學(xué)或振動(dòng)或應(yīng)變信號(hào)的測(cè)量，例如用于管道，安全，油和井氣體測(cè)試，測(cè)量和監(jiān)測(cè)應(yīng)用。所公開的示例提供了包括(i)光源控制器，(ii)檢測(cè)和解調(diào)單元，(iii)將模擬和數(shù)字信號(hào)合并的單個(gè)控制單元設(shè)備；其中所有組件的測(cè)量?jī)x器都位于傳感光纖的一端。不同的實(shí)施例包含了不同的特點(diǎn)。例如，在所公開的技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，相干光時(shí)域反射裝置可以被構(gòu)造為包括：一個(gè)相干光源，其產(chǎn)生某一光波長(zhǎng)的相干探測(cè)光脈沖；一個(gè)光耦合單元，耦合到被測(cè)光纖鏈路的一端，用于將相干探測(cè)光脈沖引導(dǎo)到被測(cè)光纖鏈路中，并接收來自被測(cè)光纖鏈路的反射探測(cè)光脈沖；一個(gè)光學(xué)檢測(cè)單元，耦合到所述光學(xué)耦合單元以接收所述反射的探測(cè)光脈沖，所述檢測(cè)單元包括一個(gè)光學(xué)干涉儀，其沿著兩個(gè)不同光學(xué)路徑處理所述反射的探測(cè)光脈沖，并由于干涉儀中反射探測(cè)光脈沖沿著不同光路徑形成不同的光輸出信號(hào)，光探測(cè)器被放置在不同光路徑中，用來接收來自光干涉儀的輸出光信號(hào)；一個(gè)控制器耦合到所述光學(xué)檢測(cè)單元用來接收來自光學(xué)探測(cè)器接收探測(cè)輸出信號(hào)，并處理所述探測(cè)器信號(hào)，以提取關(guān)于聲或振動(dòng)或應(yīng)變相關(guān)特性的空間分布的信息作為沿著所述光纖鏈路的距離的分布參數(shù)。高空間分辨相干光時(shí)域反射計(jì)(C-OTDR)如圖1所示。包括來自CW高相干光源(20)和調(diào)制器(22)輸出的至少一個(gè)脈沖或調(diào)制的相干光源，其中所述CW光源可以具有10Hz至10MHz的線寬，并且所述測(cè)量將針對(duì)至少兩個(gè)不同的時(shí)間，例如t1和t2，并且最好這種測(cè)量可以重復(fù)數(shù)十到數(shù)千和/或數(shù)千和/或秒(分鐘)，或者用戶自定義測(cè)量時(shí)間和/或秒(分鐘)。所述光源20包括激光器20，所述激光器20可以是分布反饋(DFB)激光器，外腔激光器(ECL)，光纖DFB激光器等，例如沿著1550nm，或者從1250nm到1650nm的匹配波長(zhǎng)，以及可選的光纖放大器(OFA)24可以將脈沖光放大到高功率水平，例如從-10dBm到40dBm，并且可選地，第一濾波器為圖中的濾波器26可以減少或去除來自第一光纖放大器圖中的光纖放大器24的ASE光，以及第一光環(huán)形器圖中的光環(huán)行器28作為一個(gè)背反射光提取器，可在返回路徑中選用一個(gè)OFA32以放大那些返回變?nèi)醯谋撤瓷涔?，以及可選地通常用于濾除大部分ASE光噪聲的濾波器34，特別是非常窄的帶通濾波器可以用于改善光信號(hào)信噪比。值得注意的是，如果檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)這些背反射光足夠敏感，則可不必應(yīng)用第二光纖放大器，圖中的光纖放大器32和第二濾波器圖中的濾波器34。探測(cè)還可以包括光相位解調(diào)方法，例如使用3x3耦合器40，其中一個(gè)相位調(diào)制裝置可以用于干涉儀型光相位解調(diào)方案中。值得注意的是，相位解調(diào)耦合器40可以是任何分束比例和/或具有任何端口號(hào)，例如。N'×N耦合器，其中N和N'可以是任何整數(shù)，其中優(yōu)選地使用1x3或3x3耦合器作為相位解調(diào)器設(shè)備40，解調(diào)設(shè)備40可以跟隨零個(gè)或一個(gè)或多于一個(gè)的偏振控制器41A，41B，41C和零個(gè)或一個(gè)或多于一個(gè)的起偏器42A，42B，42C，用于減少或完全消除偏振衰減。具有光學(xué)延遲的干涉儀型光相位解調(diào)方案也可以補(bǔ)償激光器相位噪聲，以便使用較短的相干長(zhǎng)度激光器，其中光學(xué)延遲長(zhǎng)度典型地等于光脈沖長(zhǎng)度，但是其仍然可以是任何光學(xué)延遲長(zhǎng)度。光學(xué)探測(cè)器，包括檢測(cè)裝置44A，44B，44C可以是至少一個(gè)或多個(gè)光電探測(cè)器。采樣控制單元200執(zhí)行信號(hào)采樣，和或在不同時(shí)間一個(gè)或多個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，這個(gè)采樣和平均與經(jīng)由采樣控制單元200的脈沖源同步。光脈沖從連接器(例如光纖)被發(fā)射到傳感測(cè)試光纖(S-FUT)100中，例如，F(xiàn)C/APC或任何類型的連接器，其也接收來自感測(cè)光纖100的由瑞利散射或任何類型的光背反射引起的相應(yīng)背反射光，并且在一些情況下經(jīng)由連接器或光纖布拉格光柵接收離散(菲涅爾)反射。采樣控制單元200除了采樣之外，控制或選擇返回的反向反射光脈沖以用于不進(jìn)行平均或部分平均或平均，和用于性能信號(hào)處理。更具體地，對(duì)于激光脈沖的每個(gè)設(shè)置k，控制單元200使得被測(cè)量的背向反射功率保證至少一對(duì)時(shí)間t1和t2的緊密間隔可以相互分開可分辨。時(shí)間對(duì)的中間時(shí)間點(diǎn)被定義為兩個(gè)實(shí)際峰值的平均值，即tm＝(t1+t2)/2。一對(duì)時(shí)間中的功率差是在時(shí)間t1和t2之間的感測(cè)光纖探測(cè)的聲學(xué)或振動(dòng)或應(yīng)變信號(hào)的變化。可以針對(duì)許多不同時(shí)間對(duì)的許多不同的OTDR蹤跡對(duì)來執(zhí)行相同的計(jì)算。值得注意的是，可以應(yīng)用其他信號(hào)處理，例如，采用用戶定義的時(shí)間段以它們的絕對(duì)值或均方根(RMS)均值來平均這些信號(hào)差。也可采用如圖1A，1B，1C，1D和1E所示的其它不同實(shí)施例。圖1A是一個(gè)如圖1的高空間分辨率相干OTDR的示意圖，但是沒有圖1中的參考光纖30，如果被測(cè)試光纖的類型或者甚至沒必要知道光纖類型，則可能不需要參考。圖1B是如圖1A的高空間分辨率相干OTDR的示意圖，但沒有相位調(diào)制38，如不需要精確相位測(cè)量，或者可以通過工廠或用戶校準(zhǔn)來完成，就不用相位調(diào)制。圖1C是如圖1A的高空間分辨率相干OTDR的示意圖，但是使用1x2耦合器37和2x3耦合器41作為示例，可以使用這種類型的耦合器，但是不限于這兩種類型的耦合器。圖1D是如圖1A的高空間分辨率相干OTDR的示意圖，但是使用偏振調(diào)制或偏振控制器52來控制探測(cè)器之前的輸出SOP(偏振狀態(tài))。圖1E是如圖1A的高空間分辨率相干OTDR的示意圖，但是使用偏振調(diào)制或偏振控制器52和延遲調(diào)制器54來控制光學(xué)干涉儀的延遲時(shí)間或延遲長(zhǎng)度。還有如前圖所示的其它不同實(shí)施例，如圖1F，1G，1H，1I和1J；其中1F，1G，來自三個(gè)44A，44B和44C或四個(gè)探測(cè)器的測(cè)量功率在采樣之前相加在一起，圖1A示出了用于消除偏振衰減的兩個(gè)，三個(gè)，四個(gè)或更多個(gè)探測(cè)器通道的偏振差異探測(cè)器(PDD)，但是在圖1C中，僅使用一個(gè)探測(cè)器44。為了從干涉儀類型延遲中去除任何偏振問題，如圖1H所示，用兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡50A和50B反射激光，其中耦合器36可以是任何比率耦合器，例如，2x2或3x3或1x3或2x3耦合器或任何類型的光纖耦合器，或甚至自由空間光束分束器，也可以使用光學(xué)路由器，即光學(xué)循環(huán)器或耦合器，來自耦合器36的另一個(gè)未使用的輸入端口可以在檢測(cè)器44之前用作光路由器。值得注意的是，圖1H，1I和1J，可以使用一個(gè)探測(cè)器，但優(yōu)選使用至少兩個(gè)或三個(gè)探測(cè)器用于光相位解調(diào)。在另一種設(shè)計(jì)配置中，為了減少或消除偏振衰減，可以在耦合器和探測(cè)器之間插入起偏器，并且可以使用至少兩個(gè)探測(cè)器，也可以使用三個(gè)或四個(gè)探測(cè)器來完全消除任何偏振衰減，并維持高光信噪比(OSNR)。在圖2中，使用了偏振控制和延遲控制(圖中是38和54)用于兩個(gè)耦合器之間光路中的偏振控制和光延遲調(diào)節(jié)，并取消了探測(cè)器前面的起偏器和偏振控制器，任何其它方面都與圖1中相同。在圖2A中基于光干涉儀的補(bǔ)償器的偏振效應(yīng)可以通過使用FRM50A和50B去除。實(shí)際上，在這種情況下，仍然存在來自傳感光纖的偏振衰減，但是它依賴于傳感長(zhǎng)度空間分辨率和干涉儀延遲長(zhǎng)度100，因此如果可以使用短脈沖長(zhǎng)度，則其偏振衰減可以非常小或甚至不存在，例如從1ns至10,000ns，并且事實(shí)上對(duì)于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電信光纖如G.652和G.657單模光纖確實(shí)如此。圖3提供了用于現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)或監(jiān)測(cè)的真實(shí)測(cè)試服務(wù)示例，其中使用相干分布式聲傳感器(DAS)(即C-OTDR)300儀器用于將連續(xù)光脈沖發(fā)射到傳感光纖100中，并作為接收器和解調(diào)器以測(cè)量或監(jiān)測(cè)由于聲或振動(dòng)或應(yīng)變信號(hào)撞擊傳感光纖100，從而檢測(cè)到來自傳感光纖的弱RBS光引起的光相位或干涉的光信號(hào)變化。圖3A提供了高空間分辨率相干OTDR，通過使用常規(guī)光纖，在諸如油或氣體管道等監(jiān)測(cè)對(duì)象中測(cè)量聲和/或振動(dòng)和/或應(yīng)變信號(hào)或任何振動(dòng)和/或聲信號(hào)。傳感光纖可以沿著氣體或油管線纏繞或直線連接。如圖3B所示，傳感光纖可以沿著圓管120卷繞排列以提高傳感光纖檢測(cè)靈敏度。此外，如圖4所示，傳感光纖140可以刻上一系列光纖布拉格光柵(FBG)，具有-70dB至-10dB的反射系數(shù)，從而增加背向反射的光強(qiáng)度，以提高DAS測(cè)量靈敏度和精度。實(shí)際上，傳感光纖140的這種傳感設(shè)計(jì)可以減少DAS300設(shè)計(jì)復(fù)雜度，以便降低其成本，甚至顯著地提高測(cè)量精度。圖4A進(jìn)一步將線內(nèi)FBG含有的傳感光纖在圓柱管160上進(jìn)行纏繞，以便改善傳感光纖檢測(cè)靈敏度，但仍保持高空間分辨率。下面描述本發(fā)明(C-OTDR)用于感測(cè)光纖長(zhǎng)度(距離)上的光纖聲學(xué)或振動(dòng)或應(yīng)變的分布式測(cè)量的操作。使用者首先使本發(fā)明裝置C-OTDR系統(tǒng)初始化，特別是初始化脈沖光源20和22，DAS檢測(cè)和處理部分，獲取N(N≠2)和(高)空間分辨C-OTDR在N個(gè)不同時(shí)間的不同跡線，以便在至少兩個(gè)不同時(shí)間的至少一個(gè)監(jiān)測(cè)感測(cè)光纖位置處，測(cè)量或監(jiān)測(cè)聲或振動(dòng)或應(yīng)變感生的光纖長(zhǎng)度或光相位振動(dòng)。應(yīng)當(dāng)理解的是，這樣的DAS數(shù)據(jù)處理過程，可根據(jù)使用者需要的周期設(shè)定，例如少于1秒到幾天，幾周，幾個(gè)月或甚至幾年。對(duì)于來自聲音或振動(dòng)或應(yīng)變信號(hào)引起的光纖長(zhǎng)度延遲或光學(xué)相位改變?cè)矫舾校瑴y(cè)量聲音或振動(dòng)或應(yīng)變的敏感度就越高。否則，如果沒有任何聲音或振動(dòng)或應(yīng)變信號(hào)引起的光纖長(zhǎng)度或光學(xué)相變，則不可能表征任何聲音或振動(dòng)或應(yīng)變性質(zhì)，例如人的跑動(dòng)，機(jī)械施工或任何三方侵入，油或氣體泄漏等。對(duì)于大多數(shù)市場(chǎng)上在售的OTDR，一般使用InGaAsAPD。而且，可以使用具有TEC冷卻器的高靈敏度InGaAsAPD，使得其可以對(duì)檢測(cè)到的光更敏感，例如，在1550nm波長(zhǎng)。對(duì)于C-OTDRDAS，優(yōu)選地使用高相干激光器，隨后使用光開關(guān)，例如任何一種CW相干激光器加上包括半導(dǎo)體光放大器(SOA)的任何類型的光調(diào)制器。也可以使用任何其它激光器和檢測(cè)器，例如脈沖DFB，脈沖ECL，脈沖DFB光纖激光器或任何CW相干激光器加上任何類型的光學(xué)調(diào)制器，包括具有能夠檢測(cè)超過波長(zhǎng)1700nm或<1200nm的光的任何相關(guān)光電探測(cè)器的半導(dǎo)體光放大器。實(shí)際上，這種激光器和光電探測(cè)器是可市場(chǎng)上買到的。本發(fā)明裝置以分布的方式計(jì)算由傳感光纖由于聲音或振動(dòng)或應(yīng)變信號(hào)引起的光纖長(zhǎng)度或延遲變化或光學(xué)相位變化，例如空間分辨光纖長(zhǎng)度從0.1μm至10,000μm。如果在不同的任何兩個(gè)C-OTDR測(cè)量時(shí)間點(diǎn)之間，在傳感光纖上存在光相位或光纖長(zhǎng)度或應(yīng)變差，則可以確定傳感光纖(S-FUT)上的聲或振動(dòng)信號(hào)幅度或頻率，但是要保證這種測(cè)量可以維持長(zhǎng)達(dá)用戶需求的時(shí)間長(zhǎng)度。如果僅做一個(gè)測(cè)量，則仍然可以確定聲學(xué)或振動(dòng)信號(hào)，但是需要與參考裝置進(jìn)行比對(duì)，例如參考光纖。本發(fā)明裝置還會(huì)根據(jù)測(cè)量的光纖長(zhǎng)度或光學(xué)相位變化來執(zhí)行信號(hào)的幅度和頻率的計(jì)算，并且可以精確地確定這種光纖長(zhǎng)度或光學(xué)相位變化，例如通過使用校準(zhǔn)過的相位或?qū)崟r(shí)校準(zhǔn)調(diào)制器38，這樣的調(diào)制器可以以非常低的頻率操作，例如，0.01Hz至100Hz。兩次測(cè)量多于一個(gè)被測(cè)光纖長(zhǎng)度或光學(xué)相位更有利于準(zhǔn)確確定聲學(xué)或振動(dòng)或應(yīng)變特性。因此，可以分別通過使用來自事件的(例如：來自人工作或車輛行駛或機(jī)器挖掘的示例的聲音或振動(dòng)或應(yīng)變強(qiáng)度和頻率)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定或其他的已知特征做參考，來估計(jì)這樣的事件特性。最后一步是計(jì)算沿著傳感光纖(S-FUT)的距離(z)和測(cè)量時(shí)間與聲音或振動(dòng)或應(yīng)變特性的分布參數(shù)，然后可以在顯示器上繪制用于測(cè)量或監(jiān)測(cè)反映如任何三方入侵的二維圖像?，F(xiàn)在描述空間域的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的示例。在OTDR數(shù)據(jù)采集之后或者在針對(duì)至少兩個(gè)不同的感測(cè)光纖位置的OTDR數(shù)據(jù)采集的FFT(快速傅里葉變換)操作之后，可獲取新的矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(表1)，其包括作為距離的分布參數(shù)的K個(gè)不同時(shí)間tn的K個(gè)OTDR軌跡組(z)，每個(gè)由對(duì)應(yīng)于一個(gè)激光器中心波長(zhǎng)的距離zn的N個(gè)值的N個(gè)點(diǎn)組成，其中n＝1...N，對(duì)于總共K個(gè)不同波長(zhǎng)的激光器：表1：t1P1(t1,z1)......P1(t1,zn)......P1(t1,zN)...........................tkPk(tk,z1)......Pk(tk,zn)......Pk(tk,zN)...........................tKPK(tK,z1)......PK(tK,zn)......PK(tK,zN)分布式聲學(xué)或振動(dòng)測(cè)量的信號(hào)或成像處理在通過OTDR測(cè)量承載聲音或振動(dòng)或應(yīng)變信號(hào)的背反射光功率(例如，來自瑞利背散射)之后，可以獲得在兩個(gè)不同光纖距離zn和zn+1之間的傳感光纖的應(yīng)變。如果在光纖上存在聲音或振動(dòng)或應(yīng)變信號(hào)，則這樣的應(yīng)變信號(hào)可能由于環(huán)境變化而產(chǎn)生，并且可以與其它信號(hào)例如溫度信號(hào)等區(qū)分開。優(yōu)選地，對(duì)于每個(gè)所述群組在指定距離z處的空間分辨信號(hào)的測(cè)量包括具有基本上所規(guī)定中心距離的距離對(duì)，并且所述與聲音或振動(dòng)相關(guān)的S-FUT傳感特性，是位置相關(guān)信號(hào)值在至少兩個(gè)不同的傳感光纖長(zhǎng)度或距離之間。在計(jì)算聲音或振動(dòng)或應(yīng)變信號(hào)引起空間分辨測(cè)量參數(shù)之后，可以計(jì)算聲音或振動(dòng)或應(yīng)變信號(hào)以提取其振幅，頻率等，然后可以根據(jù)參考測(cè)量判斷活動(dòng)事件。優(yōu)選地，至少一個(gè)聲音或振動(dòng)或應(yīng)變或壓力相關(guān)的光纖特性被計(jì)算為一個(gè)預(yù)定函數(shù)，該函數(shù)是沿著光纖路徑的所述至少一個(gè)聲音或振動(dòng)或應(yīng)變或壓力相關(guān)的S-FUT特性與時(shí)間之間的函數(shù)。以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3