光學(xué)傳感器及使用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光學(xué)傳感器及使用方法。描述了一種用于光纖系統(tǒng)的干涉儀裝置及其使用方法。干涉儀包括光耦合器和光纖，光纖限定第一光路和第二光路。在第一光路和第二光路中傳播的光被反射回光耦合器以產(chǎn)生干涉信號。第一、第二和第三干涉信號分量被引導(dǎo)朝向相應(yīng)的第一、第二和第三光電探測器。第三光電探測器通過非互易的光學(xué)器件連接到光耦合器，并被配置成測量朝向輸入光纖被引導(dǎo)回來的第三干涉信號分量的強(qiáng)度。也描述了在監(jiān)測聲擾動的應(yīng)用中使用的方法以及校準(zhǔn)方法。
【專利說明】光學(xué)傳感器及使用方法
[0001 ] 本申請是申請日為2010年05月27日，申請?zhí)枮?01080032395.3，發(fā)明名稱為“光學(xué)傳感器及使用方法”的申請的分案申請。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及光學(xué)傳感器，特別地，涉及一種干涉儀及使用方法。
[0003]發(fā)明背景
[0004]已在許多感測應(yīng)用中證明了光纖的益處。兩個主要領(lǐng)域是:(i)分布式光纖傳感器，和(? )多路復(fù)用點傳感器陣列。
[0005]分布式傳感器利用反向散射光的強(qiáng)度，并利用光信號中的拉曼(Raman)峰值和/或布里淵(Brillouin)峰值來測量溫度、張力或壓力。分布式傳感器提供了許多優(yōu)點，包括沿光纖的全部長度連續(xù)感測，和傳感器的靈活性及簡易性，這可能是標(biāo)準(zhǔn)的電信光纖。例如，分布式傳感器可以Im的空間分辨率沿1km的光纖提供10000個測量點。因此分布式傳感器系統(tǒng)提供了較低的安裝成本和所有權(quán)成本。
[0006]然而，由于其緩慢的響應(yīng)，分布式傳感器通常僅使用在可接受在數(shù)秒至數(shù)小時內(nèi)進(jìn)行測量的應(yīng)用中。最常見的這種類型的傳感器是分布式溫度傳感器(DTS)，分布式溫度傳感器由許多公司制造。DTS的典型性能是在I Okm范圍在60秒內(nèi)具有Im的空間分辨率和10C的溫度分辨率。
[0007]如在第6，555，807號美國專利[1]或第￥098/27406號專利[2]中所描述的，通過利用在反射光或反向散射光中的布里淵偏移，分布式傳感器還被用來測量張力。所述布里淵偏移的頻率大約是ΙΜΗζ/ΙΟμε以及其線寬大約為30MHz。使用所描述的窄頻掃描方法可以確定沿著光纖的張力在ΙΟμε的量級。然而，使用這些方法，掃描率比脈沖重復(fù)率慢很多，且測量時間通常在幾秒至幾分鐘的范圍內(nèi)。
[0008]最近，一種利用布里淵頻率偏移的快速測量技術(shù)已在第7，355，163號美國專利[3]中提出。這種技術(shù)使用頻率-振幅轉(zhuǎn)換器，其可以是在輸出端具有3X3個耦合器的光纖馬赫曾德爾干涉儀的形式。然而，應(yīng)變分辨率受到布里淵光的線寬的限制，因此在干涉儀中的光路長度差應(yīng)該保持在布里淵光的相干長度內(nèi)。另外，在干涉儀的兩個光路之間的偏振衰減、光電探測器接收機(jī)的偏移和增益變化將極大地限制張力測量。具有50με應(yīng)變分辨率的在大約0.1秒(1Hz)的測量時間最近已經(jīng)被報道使用了此技術(shù)。
[0009]對于許多應(yīng)用，如聲波感測，需要更高的靈敏度和在I毫秒(IkHz)，0.1毫秒(I OkHz)或0.0I毫秒(I OOkHz)的量級的更快的測量時間。
[0010]多路復(fù)用點傳感器提供具有高靈敏度的快速測量并被用于如水聽器陣列中。這些在能源市場中的主要應(yīng)用是用于拖拽陣列和海底地震陣列。然而，與分布式傳感器不同，當(dāng)需要全面覆蓋時不能使用多路復(fù)用點傳感器。感測元件的大小和位置是固定的，并且在單個光纖上多路復(fù)用的傳感器的數(shù)量通常被限制在50至100個元件。另外，該傳感器設(shè)計依賴于附加的光纖部件，這導(dǎo)致龐大且昂貴的陣列結(jié)構(gòu)。也做出了相當(dāng)大的努力來增加可以有效地多路復(fù)用在單根光纖上的傳感器的數(shù)量。
[0011]光時域反射儀(OTDR)是一項眾所周知的用于測試光纖通訊電纜的技術(shù)。為了減少相干反向散射干擾(有時被稱為相干瑞利噪聲(Coherent Rayleigh Noise))的影響，通常使用寬帶光源。然而，在第5，194，847號美國專利[4]中還提出通過檢測在相干反向散射瑞利信號中的快速變化而使用相干OTDR來感測侵入。另外，Shatalin等人[5]描述了使用相干瑞利作為分布式光纖報警傳感器。
[0012]第WO 2008/056143號專利[6]描述了類似于第5，194,847號美國專利[4]中的使用半導(dǎo)體分布式反饋激光源的擾動傳感器。優(yōu)選地7.5GHz的光纖布拉格光柵濾波器被用來除去帶外啁啾光，因此，提高了發(fā)送到光纖內(nèi)的激光脈沖的相干性。然而，這需要激光波長與窄帶光學(xué)濾光器的匹配，與使用第5，194，847號美國專利所提出的非常高的相干源的系統(tǒng)相比較，這導(dǎo)致信號可見度變化減少。
[0013]類似的技術(shù)也在檢測埋藏的光纖通信電纜(例如在WO 2004/102840[7]中)，在邊界安全中(GB 2445364[8]和第2009/0114386號美國專利[9])以及井底振動監(jiān)測(W0 2009/056855 [ 10 ])中提出。然而，這些相干瑞利反向散射系統(tǒng)的響應(yīng)已受到許多參數(shù)的限制，所述參數(shù)諸如偏振和信號衰減現(xiàn)象;反向散射光的隨機(jī)變化；以及非線性相干瑞利響應(yīng)。因此這些技術(shù)主要用于事件檢測并不提供定量測量，例如在較寬的頻率范圍和動態(tài)范圍的聲波振幅、頻率以及相位的測量。
[0014]發(fā)明概述
[0015]本發(fā)明提供用于快速定量測量沿著一段光纖傳輸、反射和/或散射的光場的擾動的新穎的裝置及方法。
[0016]本發(fā)明可以用于分布式傳感器、點傳感器、或兩者的結(jié)合。
[0017]具體地，這種技術(shù)可以應(yīng)用于分布式傳感器同時顯著地提高速度和靈敏度以允許檢測沿一段光纖的任何地方的聲波擾動，同時實現(xiàn)良好的空間分辨率。本發(fā)明在廣范圍的聲波感測和成像應(yīng)用中提供了獨特的優(yōu)勢。典型的用途是用于監(jiān)測油井和氣井，用于諸如分布式流量測量和/或成像;地震成像，監(jiān)測較長的電纜和管道;在大型容器內(nèi)部的聲波成像，以及安全應(yīng)用等應(yīng)用中。
[0018]本發(fā)明的一個目的是提供用于以高度靈敏且快速定量測量沿一段光纖傳輸、反射或散射的光的相位、頻率和振幅的裝置。
[0019]在現(xiàn)有技術(shù)中，光耦合器已被用在邁克爾遜或馬赫曾德爾干涉儀配置中，其中需要謹(jǐn)慎控制在干涉儀的兩個臂之間的偏振。本發(fā)明中的新穎的干涉儀允許使用非互易器件如法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和光循環(huán)器來利用mXm親合器，以提供可以在光耦合器的所有端口測量并快速(如幾十kHz)分析的具有給定的相移的補(bǔ)償?shù)墓飧缮妗?br>[0020]本發(fā)明的實施方式可以用于多路復(fù)用聲學(xué)點傳感器、分布式傳感器或兩者的結(jié)合。在分布式傳感器的情況下，光脈沖被注入到光纖中并以幾十kHz的頻率沿著光纖測量反向散射光的相位調(diào)制。光纖可以是標(biāo)準(zhǔn)的通信光纖和/或電纜。使用在此描述的技術(shù)，感測系統(tǒng)因此可以檢測沿著光纖的聲場以提供分布式聲傳感器，其中可以通過組合地調(diào)節(jié)光脈沖的調(diào)制、在干涉儀中的光路長度以及感測光纖配置來選擇感測元件的長度。
[0021]沿著光纖收集的數(shù)據(jù)自動地同步以及這些數(shù)據(jù)可被組合以提供相干場圖像。
[0022]本發(fā)明主要涉及以下方面:
[0023](I)—種用于光纖系統(tǒng)的干涉儀裝置，所述裝置包括:
[0024]光親合器，其具有輸入端口和與光纖親合的第一端口和第二端口，所述光纖限定第一光路和第二光路；
[0025]第一反射器和第二反射器，其分別布置在所述第一光路和所述第二光路中以將在所述第一光路和所述第二光路中傳播的光反射回所述光耦合器以產(chǎn)生干涉信號；
[0026]其中所述光耦合器被配置成將第一干涉信號分量和第二干涉信號分量分別引導(dǎo)至第一探測器端口和第二探測器端口，并被配置成朝向所述輸入端口引導(dǎo)第三干涉信號分量，以及所述裝置包括用于在所述第一干涉信號分量、所述第二干涉信號分量和所述第三干涉信號分量之間引入相移的工具；
[0027]第一光電探測器和第二光電探測器，其分別連接到所述光耦合器的所述第一探測器端口和所述第二探測器端口，且被配置成測量具有各自的相移的所述第一干涉信號分量和所述第二干涉信號分量的強(qiáng)度；
[0028]以及其中所述裝置包括第三光電探測器，所述第三光電探測器與非互易光學(xué)器件連接，并且其被配置成測量朝向所述輸入端口被引導(dǎo)回來的所述第三干涉信號分量的強(qiáng)度。
[0029](2)如(I)所述的干涉儀裝置，其中用于在所述第一干涉信號分量、所述第二干涉信號分量和所述第三干涉信號分量之間引入相移的工具可以是所述光耦合器。
[0030](3)如(I)或(2)所述的干涉儀裝置，其中所述光耦合器是mXm光耦合器，其中m彡3。
[0031](4)如(1)-(3)中任一項所述的干涉儀裝置，其中所述非互易光學(xué)器件可以是光循環(huán)器。
[0032](5)如(1)-(4)中任一項所述的干涉儀裝置，其中所述光纖和所述反射器可被配置成保持在所述第一光路和所述第二光路中傳播的光的偏振或為其提供偏振補(bǔ)償。
[0033](6)如(5)所述的干涉儀裝置，其中所述反射器可以是法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(FRM)，其允許使用標(biāo)準(zhǔn)(非偏振保持)的光纖。
[0034](7)如(1)-(6)中任一項所述的干涉儀裝置，還包括光放大器，所述光放大器被配置成接收輸入光信號并將放大的光信號輸出至所述光耦合器。
[0035](8)如(1)-(7)中任一項所述的干涉儀裝置，還包括帶通濾波器，所述帶通濾波器被配置成濾除由所述光放大器產(chǎn)生的帶外的放大的自發(fā)輻射(ASE)噪聲。
[0036](9)如(7)或(8)所述的干涉儀裝置，其中所述非互易光學(xué)器件可以被配置成接收光信號并將該光信號傳輸至所述光耦合器的輸入端口。
[0037](10)如(1)-(9)中任一項所述的干涉儀裝置，其中所述的干涉儀裝置，其中所述光耦合器的第三輸出端口與第四光電探測器連接。
[0038](11)如(1)-(9)中任一項所述的干涉儀裝置，其中所述光耦合器的第三輸出端口與限定第三光路的光纖耦合，以及所述裝置包括被布置在所述第三光路中的第三反射器，所述第三反射器將在所述第三光路中傳播的光反射回所述光耦合器以產(chǎn)生干涉信號。
[0039](12)如(I)-(Il)中任一項所述的干涉儀裝置，在至少一個光路中包括頻移器或光調(diào)制器。
[0040](13)如(1)-(12)中任一項所述的干涉儀裝置，在所述第一光路和所述第二光路中包括頻移器或光調(diào)制器。
[0041](14)如(1)-(13)中任一項所述的干涉儀裝置，包括光開關(guān)，所述光開關(guān)被配置成允許選擇不同的光路。
[0042]這種布置提供了元件的經(jīng)濟(jì)型配置，其允許光耦合器的所有端口被有效地使用。這種布置提供了可被用來將多個干涉儀級聯(lián)在一起或耦合至附加的探測器或干涉儀臂的“備用”端口。
[0043](15) —種干涉儀系統(tǒng)，所述干涉儀系統(tǒng)包括如(1)-(14)中任一項所述的第一干涉儀裝置，及如(1)-(14)中任一項所述的第二干涉儀裝置，其中所述第一干涉儀裝置的光耦合器的第三輸出端口與所述第二干涉儀裝置的輸入端耦合。
[0044](16)如(15)所述的干涉儀系統(tǒng)，所述干涉儀系統(tǒng)可以包括多個干涉儀裝置，其中所述干涉儀裝置的子組的相應(yīng)的輸出端口被用作后續(xù)的干涉儀裝置的輸入端。
[0045](17)如(16)所述的干涉儀系統(tǒng)，其中所述多個干涉儀裝置以串聯(lián)和/或星型配置進(jìn)行級聯(lián)。
[0046](18)如(17)所述的干涉儀系統(tǒng)，其中不同的干涉儀裝置可能具有不同的光路長度差。這有助于在干涉儀系統(tǒng)的應(yīng)用中選擇不同的空間分辨率。
[0047](19)—種用于監(jiān)測光信號的光纖系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0048]光源；
[0049]光纖，其被布置在待監(jiān)測的環(huán)境中，并且其與所述光源耦合；
[0050]如(I)?(14)中任一項所述的干涉儀裝置，其被配置成接收來自所述光纖的反向散射光或反射光；
[0051]數(shù)據(jù)采集工具，其用于收集從所述干涉儀裝置的所述第一光電探測器、所述第二光電探測器和所述第三光電探測器輸出的數(shù)據(jù)。
[0052](20)如(19)所述的光纖系統(tǒng)，還包括數(shù)據(jù)處理裝置，所述數(shù)據(jù)處理裝置用于處理從所述第一光電探測器、所述第二光電探測器和所述第三光電探測器輸出的數(shù)據(jù)以獲得聲信號。
[0053](21)如(19)或(20)所述的光纖系統(tǒng)，其中所述光纖包括選自包含多模光纖、單模光纖、偏振保持光纖、單一偏振光纖和/或帶狀光纖的組的光纖。
[0054](22)如(19)-(21)的任一項所述的光纖系統(tǒng)，其中所述光纖是帶涂層的或包含在電纜中以提高或抑制其對聲擾動的靈敏度。
[0055](23)如(19)-(22)的任一項所述的光纖系統(tǒng)，其中所述待監(jiān)測的環(huán)境在地下。
[0056](24)如(23)所述的光纖系統(tǒng)，其中所述待監(jiān)測的環(huán)境包括鉆井孔。
[0057](25)如(19)-(23)的任一項所述的光纖系統(tǒng)，其中所述待監(jiān)測的環(huán)境包括管道。
[0058](26)如(19)-(25)的任一項所述的光纖系統(tǒng)，其中所述光纖被線性部署。
[0059](27)如(19)-(25)的任一項所述的光纖系統(tǒng)，其中所述光纖至少部分被部署在平面布置中以提供方向感測。
[0060](28)如(19)-(27)的任一項所述的光纖系統(tǒng)，其中所述光纖被部署成多維陣列。
[0061](29)如(19)-(28)的任一項所述的光纖系統(tǒng)，其中所述光纖的至少一部分被布置在連續(xù)路徑的表面區(qū)域上而沒有橫穿所述光纖的另一部分。
[0062](30)如(29)所述的光纖系統(tǒng)，其中所述光纖的至少一部分被布置成褶曲的三-歐米伽(Ω Ω Ω)構(gòu)型。
[0063](31)如(29)或(30)所述的光纖系統(tǒng)，其中所述光纖的至少一部分被布置成雙八
(88)構(gòu)型。
[0064](32) 一種監(jiān)測聲擾動的方法，所述方法包括:
[0065]提供光源，被布置在待監(jiān)測的環(huán)境中并與所述光源耦合的光纖，和被配置成接收來自所述光纖的脈沖光信號的干涉儀，所述干涉儀包括至少兩個光路和至少兩個光電探測器；
[0066]在所述干涉儀中接收來自所述光纖的反向散射光或反射光，以及產(chǎn)生干涉信號；
[0067]在所述干涉信號的第一干涉信號分量和所述第二干涉信號分量之間引入相移，并將所述第一干涉信號分量和所述第二干涉信號分量分別引導(dǎo)至第一光電探測器和第二光電探測器；
[0068]測量具有各自的相移的所述第一干涉信號分量和所述第二干涉信號分量的強(qiáng)度以提供第一強(qiáng)度數(shù)據(jù)和第二強(qiáng)度數(shù)據(jù)；
[0069]處理所述第一強(qiáng)度數(shù)據(jù)和第二強(qiáng)度數(shù)據(jù)以確定所述光信號的光學(xué)相位角和提供光學(xué)相位角數(shù)據(jù)；
[0070]處理所述光學(xué)相位數(shù)據(jù)以確定光學(xué)相位角調(diào)制數(shù)據(jù)，以及[0071 ]從所述光學(xué)相位角調(diào)制數(shù)據(jù)識別所述光纖受到的聲擾動。
[0072](33)如(32)所述的方法，其中識別所述光纖受到的聲擾動的步驟包括表征所述聲擾動。
[0073 ] (34)如(33)所述的方法，所述方法可包括從所表征的聲擾動產(chǎn)生聲輸出信號。
[0074](35)如(32)-(34)的任一項所述的方法，包括頻移或相位調(diào)制在所述干涉儀中傳播的光以提供外差信號。
[0075](36)如(35)所述的方法，包括:在第一操作模式中，將在所述至少兩個光路中的第一光路中傳播的光頻移第一頻率fi和將在所述至少兩個光路中的第二光路中傳播的光頻移第二頻率f2;以及在第二操作模式中，將在所述第一光路中傳播的光頻移不同于^的頻率和將在所述第二光路中傳播的光頻移不同于f2的頻率。
[0076](37)如(36)所述的方法，其中在所述第二操作模式中，在所述第一光路中傳播的光被頻移f2且在所述第二光路中傳播的光被頻移fi。
[0077](38)如(32)-(37)的任一項所述的方法，其中所述干涉儀包括第三光路，以及其中所述方法包括將在至少一個所述光路中傳播的光進(jìn)行頻移或相位調(diào)制以使允許將由通過所述干涉儀的各個不同的光路的光的重組合產(chǎn)生的干涉進(jìn)行分離。
[0078](39)如(35)-(38)的任一項所述的方法，包括將在所述干涉儀中傳播的光頻移或相位調(diào)制以提供來自所述至少兩個光路中的第一光路、第二光路和第三光路的外差信號。
[0079](40)如(35)-(39)的任一項所述的方法，包括將在所述干涉儀中傳播的光頻移足夠高的頻率以在所述光信號的單一脈沖內(nèi)產(chǎn)生所述外差拍信號的周期。
[0080](41)如(32)-(40)的任一項所述的方法，包括選擇需要光學(xué)相位角數(shù)據(jù)的空間分辨率間隔，并過采樣所述光電探測器的輸出以在所述空間分辨率間隔上提供多個光學(xué)相位角數(shù)據(jù)。
[0081](42)如(41)所述的方法，其中所述光電探測器的輸出在所述空間分辨率間隔上被采樣至少兩次。
[0082](43)如(41)或(42)所述的方法，包括:根據(jù)所述光電探測器在每一采樣點處的組合輸出確定可見度因數(shù);和根據(jù)所述可見度因數(shù)從所述空間分辨率間隔上的多個采樣點提供光學(xué)相位角數(shù)據(jù)的加權(quán)信號平均。
[0083](44)如(43)所述的方法，包括調(diào)節(jié)對所述光電探測器的輸出的數(shù)字化采樣的時間。
[0084](45)如(44)所述的方法，包括:根據(jù)所述光電探測器在每一采樣點處的組合輸出確定可見度因數(shù);和根據(jù)所述可見度因數(shù)調(diào)節(jié)對所述光電探測器的輸出的數(shù)字化采樣的時間。
[0085](46)如(43)-(45)的任一項所述的方法，其中所述可見度因數(shù)通過組合來自每一光電探測器的強(qiáng)度測量值的差的平方計算出。
[0086](47)如(32)-(46)的任一項所述的方法，其中所述光源是激光光源或?qū)拵Ч庠础?br>[0087](48)如(32)-(47)的任一項所述的方法，包括:通過將來自非相干光源的光輸入至所述干涉儀和測量所述光電探測器的輸出來確定光電探測器偏移的歸一化因數(shù)、光電探測器的相對增益、和/或所述干涉儀的光路的耦合比。
[0088](49)如(48)所述的方法，包括利用帶通濾波器過濾來自所述非相干光源的光，以使輸入至所述干涉儀的光具有在通過所述光纖傳播的透射光、反射光或反向散射光的頻率周圍的帶寬。
[0089](50)如(48)或(49)所述的方法，其中輸入至所述干涉儀的光具有短于所述干涉儀的光路長度的相干長度以使實質(zhì)上沒有干涉信號被檢測到。
[0090](51)如(48)-(50)的任一項所述的方法，包括:在第一條件下，根據(jù)所述光電探測器的輸出確定每一光電探測器的電氣光電探測器偏移，在所述第一條件中，通過所述光纖傳播的透射光、反射光或反向散射光與所述干涉儀解耦且關(guān)閉所述非相干光源以使沒有光信號輸入至所述干涉儀；以及在第二條件下，根據(jù)所述光電探測器的輸出確定光電探測器偏移、光電探測器的相對增益、和/或所述干涉儀的光路的耦合比，在所述第二條件中，通過所述光纖傳播的透射光、反射光或反向散射光與所述干涉儀解耦且開啟所述非相干光源以將光輸入至所述干涉儀。
[0091](52)如(48)-(51)的任一項所述的方法，包括:提供光放大器，所述光放大器被配置成接收通過所述光纖傳播的透射光、反射光或反向散射光并將放大的光信號輸出至所述干涉儀;以及利用所述光放大器的放大的自發(fā)輻射(ASE)作為所述非相干光源。
[0092](53)如(52)所述的方法，包括:按照第三條件操作所述干涉儀，在所述第三條件中，所述光放大器接收來自所述光源的輸入光信號并將放大的光信號輸出至所述干涉儀；以及利用所確定的歸一化因數(shù)來校正偏移并將在所述光電探測器檢測到的信號歸一化。
[0093](54)如(53)所述的方法，包括確定歸一化因數(shù)和校正偏移，以及將在光信號脈沖之間在所述光電探測器檢測到的信號歸一化。
[0094](55)—種操作光系統(tǒng)中的干涉儀的方法，所述方法包括:
[0095]提供干涉儀，所述干涉儀包括輸入端、至少第一光路和第二光路及多個光電探測器，所述輸入端被配置成接收來自第一光源的傳輸、反射或反向散射的光；
[0096]提供非相干光源，其被配置成將非相干光輸入至所述干涉儀；
[0097]通過將來自非相干光源的光輸入至所述干涉儀并測量所述多個光電探測器的輸出以確定光電探測器偏移的歸一化因數(shù)、光電探測器的相對增益、和/或所述干涉儀光路的親合比。
[0098](56)如(55)所述的方法，包括利用帶通濾波器過濾來自所述非相干光源的光，以使輸入至所述干涉儀的光具有在來自所述第一光源的光的頻率周圍的帶寬。
[0099](57)如(55)或(56)所述的方法，其中輸入至所述干涉儀的光具有短于所述干涉儀的光路長度的相干長度以使實質(zhì)上沒有干涉信號被檢測到。
[0100](58)如(55)-(57)的任一項所述的方法，包括:在第一條件下，根據(jù)所述多個光電探測器的輸出確定每一光電探測器的電氣光電探測器偏移，在所述第一條件中，所述第一光源與所述干涉儀解耦且關(guān)閉所述非相干光源以使沒有光信號輸入至所述干涉儀；以及在第二條件下，根據(jù)所述多個光電探測器的輸出確定所述光電探測器偏移、所述光電探測器的相對增益、和/或所述干涉儀的光路的耦合比，在所述第二條件中，所述第一光源與所述干涉儀解耦且開啟所述非相干光源以將光輸入至所述干涉儀。
[0101](59)如(55)-(58)的任一項所述的方法，包括:提供光放大器，所述光放大器被配置成接收來自所述第一光源的光并將放大的光信號輸出至所述干涉儀；以及利用所述光放大器的放大的自發(fā)輻射(ASE)作為所述非相干光源。
[0102](60)如(59)所述的方法，包括:按照第三條件操作所述干涉儀，在所述第三條件中，所述光放大器接收來自所述第一光源的輸入光信號并將放大的光信號輸出至所述干涉儀；以及利用所確定的歸一化因數(shù)來校正偏移，并將在所述多個光電探測器檢測到的信號歸一化。
[0103](61)如(60)所述的方法，其中所述第一光源產(chǎn)生脈沖，以及所述方法包括確定歸一化因數(shù)和校正偏移，以及將在脈沖之間在所述多個光電探測器檢測到的信號歸一化。
[0104](62)如(55)-(61)的任一項所述的方法，其中所述第一光源包括來自光纖的透射光、反射光或反向散射光。
[0105]附圖簡述
[0106]參照附圖通過實例的方式描述了本發(fā)明的實施方式以及如何將這些實施方式付諸于實踐，其中:
[0107]圖1、2、3和4示意性地示出了依據(jù)本發(fā)明的相關(guān)實施方式的新穎的干涉儀裝置，其包括循環(huán)器和具有穿過干涉儀、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和光電探測器的不同光路的多個光纖耦合器；
[0108]圖5和圖6示意性地示出了依據(jù)本發(fā)明的實施方式的干涉儀在串聯(lián)和/或星型配置中是如何被級聯(lián)的；
[0109]圖7示意性地示出了一個傳感器系統(tǒng)，該傳感器系統(tǒng)利用本發(fā)明的一個實施方式的干涉儀以快速測量來自光纖的散射光和反射光；
[0110]圖8示意性地示出了分布式傳感器系統(tǒng)，該分布式傳感器系統(tǒng)利用本發(fā)明的一個實施方式的干涉儀以產(chǎn)生每個脈沖均具有不同頻率的一系列脈沖；
[0111]圖9是表示依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的數(shù)據(jù)處理方法的方框圖；
[0112]圖10是表示依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的校準(zhǔn)干涉儀的方法的方框圖；
[0113]圖11示意性地示出了一個實施方式，在該實施方式中光纖可以被布置為線性傳感器、方向傳感器或傳感器的多維陣列。
[0114]優(yōu)選實施方式的詳細(xì)描述
[0115]圖1示出了測量光信號的光振幅、相位和頻率的新穎的干涉儀的第一實施方式，一般由100標(biāo)不O來自光源(未不出)的入射光優(yōu)選在光放大器101中被放大，并被傳輸至濾光器102。濾光器102濾除放大器101的帶外的放大的自發(fā)輻射噪聲(ASE)。然后所述光進(jìn)入與3X3光耦合器104連接的光循環(huán)器103中。所述光的一部分被引導(dǎo)至光電探測器112以監(jiān)測所述輸入光的光強(qiáng)度。所述光的其他部分沿著第一光路105和第二光路106被引導(dǎo)，且在這兩個光路之間具有光路長度差異。法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(FRM)107和108分別將所述光穿過第一光路105和第二光路106反射回來。法拉第旋轉(zhuǎn)鏡沿著光路105和106提供自偏振補(bǔ)償以使所述光的兩部分在所述3 X 3光耦合器104的每一端口有效地發(fā)生干涉。光耦合器104將O度，+ 120度和-120度的相對相移引入干涉信號，以使生成第一干涉信號分量、第二干涉信號分量和第三干涉信號分量，每一分量處于不同的相對相位。
[0116]第一干涉信號分量和第二干涉信號分量通過光耦合器104被引導(dǎo)至光電探測器113和114，光電探測器113和114測量相應(yīng)的干涉信號分量的強(qiáng)度。
[0117]光循環(huán)器103為所述輸入光和通過光耦合器104的相同端口返回的(第三)干涉信號分量提供有效的光路。入射到光循環(huán)器103上的干涉信號分量被朝向光電探測器115引導(dǎo)以測量干涉信號分量的強(qiáng)度。
[0118]光電探測器113、114和115的輸出被結(jié)合以測量所述入射光的相對相位，如以下參照圖7和圖9更詳細(xì)地描述的。
[0119]可選擇地，可以沿著所述光路105和106使用頻移器110和111和/或光調(diào)制器109以進(jìn)行外差信號處理。另外，頻移器110和111的頻率偏移可以分別從fl、f2交替到f2、fl以減少在穿過光路105和106傳播的所述光的兩部分之間的任何依賴于頻率的影響。
[0120]以上描述的實施方式提供了適用于快速定量測量光場的擾動的新穎的裝置，特別地該裝置可被用于具有高靈敏度和快速響應(yīng)時間的分布式傳感器和多路復(fù)用傳感器以滿足諸如聲波感測的應(yīng)用要求。
[0121]圖7示出了圖1的干涉儀應(yīng)用于分布式感測來自光系統(tǒng)700的光信號。顯然，盡管在分布式感測的上下文中描述了該應(yīng)用，例如通過接收來自與所述光纖耦合的一個或多個點傳感器的反射光，其還可以用于點感測。
[0122]在此實施方式700中，由激光器701發(fā)出的光通過脈沖信號702進(jìn)行調(diào)制。光放大器705用來增強(qiáng)所述脈沖激光，且其后由帶通濾波器706濾除所述放大器的所述ASE噪聲。然后所述光信號被送入光循環(huán)器707?？梢栽谒鲅h(huán)器707的一個端口處使用附加的濾光器708。所述光被送入感測光纖712，例如感測光纖是布置在需要監(jiān)測聲波擾動的環(huán)境中的單模光纖或多模光纖。一段光纖可能被隔離并被用作參考部分710，例如在一個“安靜”的位置或具有受控的參考信號。參考部分710可能形成在反射器之間或形成在分光器709與反射器711的結(jié)合處。
[0123]沿著感測光纖712產(chǎn)生的反射光和反向散射光被引導(dǎo)穿過循環(huán)器707并進(jìn)入干涉儀713。干涉儀713的詳細(xì)操作已在前面參照圖1描述過。在此實例中，使用快速低噪聲光電探測器112、113、114和115將所述光轉(zhuǎn)換成電信號。所述電信號被數(shù)字化，然后使用快速處理器單元714(將在下文描述)計算沿著參考光纖710和感測光纖712的相對光相位調(diào)制。所述處理器單元與脈沖信號702是時間同步的。在光路105和光路106之間的光路長度差定義了空間分辨率。可在給定的空間分辨率上進(jìn)行更多采樣來對光電探測器輸出進(jìn)行數(shù)字化。結(jié)合所述多個采樣以通過加權(quán)平均算法組合光電探測器輸出來提高信號可見度和靈敏度。
[0124]數(shù)據(jù)處理
[0125]圖9示意性地表示了方法900，通過該方法從光電探測器113、114、115的輸出確定光學(xué)相位角。在光路105和光路106之間的光路長度差限定了系統(tǒng)的空間分辨率?？稍诮o定的空間分辨率上進(jìn)行多個采樣以將光電探測器輸出數(shù)字化，例如將強(qiáng)度值進(jìn)行過采樣。結(jié)合所述多個采樣以通過加權(quán)平均算法組合光電探測器輸出來提高信號可見度和靈敏度。
[0126]在步驟902，將來自光電探測器113、114、115的三個強(qiáng)度測量值I1J2U3結(jié)合以計算來自感測光纖的反射光或反向散射光的相對相位和振幅。在每一采樣點計算相對相位(步驟904)，以及所述方法利用過采樣以使可用的數(shù)據(jù)點比所需的系統(tǒng)空間分辨率需要的數(shù)據(jù)點更多。計算來自干涉信號的三個相位偏移分量的相對相位和振幅的方法從文獻(xiàn)上可以得知。例如，Zhiqiang Zhao等人[12]和第5，946，429號美國專利[13]描述了解調(diào)在連續(xù)波多路復(fù)用應(yīng)用中的3X3耦合器的輸出的技術(shù)。所描述的技術(shù)可以被應(yīng)用于本實施方式的時間系列數(shù)據(jù)。
[0127]對于每一采樣點，在步驟906依據(jù)等式(I)根據(jù)來自光電探測器113、114、115的三個強(qiáng)度測量值為每一脈沖計算可見度因數(shù)V。
[0128]等式(I)V=(I1-12)2+(l2-l3)2+(l3-1i)2
[0129]在低可見度的點，在各個相移處的強(qiáng)度值是相似的，因此V值較小。依據(jù)V來表征采樣點允許確定相位角的加權(quán)平均(步驟908)，加權(quán)偏向于具有較好的可見度的采樣點。這種方法提高了相位角數(shù)據(jù)910的質(zhì)量。
[0130]可選擇地，可見度因數(shù)V還可以用于調(diào)節(jié)最大信號靈敏度位置的光的數(shù)字采樣的時間(步驟912)。此實施方式包括具有動態(tài)變化的時鐘周期的數(shù)字器，(動態(tài)變化的時鐘周期在此可稱為“iclock”)。所述動態(tài)變化的時鐘可以用于調(diào)節(jié)最大信號靈敏度位置和/或從具有較差可見度的位置偏移的位置的光電探測器輸出的數(shù)字化采樣的時間。
[0131]相位角數(shù)據(jù)對由感測光纖經(jīng)歷的聲波擾動是敏感的。當(dāng)聲波穿過光纖時，將導(dǎo)致玻璃結(jié)構(gòu)收縮和膨脹。這改變了從光纖中的兩個位置反射的反向散射光之間的光路長度(即沿著干涉儀中的這兩個光路傳播的光)，其作為相對相位變化在干涉儀中被測量。這樣，在步驟914，光學(xué)相位角數(shù)據(jù)能夠被處理以測量在光產(chǎn)生的點的聲信號。
[0132]在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，利用專用的處理器，如現(xiàn)場可編程門陣列執(zhí)行數(shù)據(jù)處理方法900。
[0133]傳感器校準(zhǔn)
[0134]為了精確的相位測量，測量光電探測器113、114和115的偏移信號和相對增益是重要的。這些可以通過參照圖10描述的方法1000進(jìn)行測量并校正。
[0135]每一光電探測器具有光電探測器的電氣偏移，即在沒有光入射到光電探測器上時光電探測器的電壓輸出(這可稱為“零-光電平(zero-light level)”偏移)。作為第一步驟(在步驟1002)關(guān)閉來自光纖的入射光和光放大器101。在關(guān)閉時，光放大器101作為一個有效的衰減器，允許較少的光到達(dá)光電探測器。在這種條件下光電探測器的輸出被測量(步驟1004)以確定電氣偏移，這形成了用于校準(zhǔn)的基準(zhǔn)電平。
[0136]在開啟光放大器101同時關(guān)閉輸入光(步驟1006)之后，在步驟1008可以測量光電探測器的相對增益。帶內(nèi)的自發(fā)輻射(即在帶通濾波器102的帶內(nèi)的放大的自發(fā)輻射)，其表現(xiàn)為一個非相干光源，然后可被用于確定歸一化因數(shù)和偏移校正(步驟1010)以校準(zhǔn)在干涉儀臂之間的耦合效率與光電探測器113、114和115的互阻抗增益的組合。此信號還可以被用于測量由帶內(nèi)的自發(fā)輻射導(dǎo)致的信號偏移。
[0137]便利地，光放大器，其是干涉儀的部件，被用作非相干光源而不需要輔助光源。所述光源的非相干性對于避免在光電探測器的干涉影響，即光的相干長度應(yīng)該短于干涉儀的光路長度而言是必要的。然而，為了精確的校準(zhǔn)，所述光源的頻段最好接近，或以來自所述光源的光的頻率為中心。因此選擇帶通濾波器102以濾除其頻率在放大的自發(fā)輻射所需的帶寬外的光。
[0138]當(dāng)用于脈沖系統(tǒng)中時，例如可用于分布式傳感器中，以上描述的方法可以被使用在來自所述光源的光脈沖之間，以在使用期間，在來自所述光源的每一(或所選定的)脈沖實質(zhì)上沒有中斷測量過程之前有效地校準(zhǔn)系統(tǒng)。以上描述的實施方式的變形均包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)，以及某些可替代的實施方式描述如下。圖2示出了新穎的干涉儀的另一個實施方式，一般由200標(biāo)示，其類似于在圖1中示出的實施方式，但是用附加的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡201代替光電探測器112。相似的部件由相似的參照數(shù)字標(biāo)示出。在此實例中，在可能具有不同的光路長度的不同光路之間的干涉可以被分開在三個拍頻fl、f2和(f2 — fI)。此實施方式的布置具有在操作中提供另外的靈活性的優(yōu)勢，例如不同的外差頻率能夠提供不同的操作模式以產(chǎn)生在不同的空間分辨率的測量值。
[0139]圖3示出了新穎的干涉儀的另一個實施方式，一般由300標(biāo)示，其類似于圖1的布置，且相似的部件由相似的參照數(shù)字標(biāo)示出。然而，此實施方式使用4X4耦合器314和附加的光路301，頻移器304，相位調(diào)制器303，法拉第旋轉(zhuǎn)鏡302和附加的光電探測器308。在此實例中，在可能具有不同的光路長度差的不同光路之間的干涉可以在三個拍頻(f2 — fl.)、(f3 — f2)和(fs — fi)分開?？蛇x擇地，法拉第旋轉(zhuǎn)鏡302可以由隔離器或光纖匹配端替換以使沒有光反射穿過光路301，因此只允許在光路105和光路106之間的干涉。
[0140]在本發(fā)明的其他的實施方式中，也可以使用產(chǎn)生在不同的相對相移的m個干涉信號分量的m Xm親合器。
[0141]圖4示出了干涉儀的另一個實施方式。在此實例中，通過插入法拉第旋轉(zhuǎn)鏡402代替光電探測器112將附加的光路引入在干涉儀中。
[0142]在所有以上描述的實施方式中，光開關(guān)可被用來改變和/或選擇穿過干涉儀的光路長度的不同組合。這有助于在不同的空間分辨率測量之間進(jìn)行切換(與所選定的光路長度的光路長度差相對應(yīng))。
[0143]圖5和圖6示出了被布置用于級聯(lián)或星型配置以允許測量不同的光路長度差的相對光學(xué)相位的干涉儀系統(tǒng)500、600的實施例。在圖5中，具有不同的光路長度差(因此具有不同的空間分辨率)的三個干涉儀501，502，503被串聯(lián)組合。在圖6中，具有不同的光路長度差(因此具有不同的空間分辨率)的四個干涉儀602、603、604和605被組合，其中干涉儀602、603、604并聯(lián)，以及干涉儀603和605串聯(lián)。在圖6中，干涉儀601是3X3的耦合器，其用于分離干涉儀之間的光。布置600也可以與波分復(fù)用部件相結(jié)合以提供針對不同的光波長的并行輸出。
[0144]圖11示出了分布式傳感器的一個實施方式，其中感測光纖702經(jīng)過不同的擾動場1102、1104和1107。所述感測光纖可以被用作線性傳感器1103和1104，被用作方向傳感器1105和1106或被用作多維陣列傳感器1108、1109和1110。因為所有的測量均是同步的，可以對它們進(jìn)行處理以提高信號靈敏度，實現(xiàn)較寬的動態(tài)范圍并利用光束形成技術(shù)提供場成像。
[0145]參照圖1?7和圖9?11描述的實施方式涉及用于快速定量測量沿著一段光纖傳輸、反射和/或散射的光場的聲波擾動的裝置及方法。本發(fā)明的各個方面可以通過其他的方式應(yīng)用或?qū)嵤绫O(jiān)測通過激光器產(chǎn)生的光信號，和/或監(jiān)測外差信號發(fā)生器的性能，和產(chǎn)生用于傳輸至光信號的光脈沖。參照圖8描述了一個實施例。
[0146]圖8示出了一個系統(tǒng)，一般由800標(biāo)示，其包括依據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的干涉儀801，其被用來產(chǎn)生一個相對于另一個頻移的兩個光脈沖。所述干涉儀通過光循環(huán)器103接收來自激光器701的輸入脈沖。一個3 X 3光耦合器104將所述輸入脈沖的一個分量引導(dǎo)至光電探測器，將其他的分量引導(dǎo)至所述干涉儀的臂。所述臂中的一個包括頻移器110和RF信號805。兩個脈沖之間的干涉由解調(diào)器802監(jiān)測。經(jīng)由法拉第旋轉(zhuǎn)鏡107和108反射的光使用延遲器803在耦合器809處結(jié)合以匹配所述干涉儀的光路長度，以使頻移的脈沖和輸入脈沖疊加。耦合器809將相對相移引入所述干涉信號，因此所述干涉儀監(jiān)測在相對相移處的三個外差頻率信號分量。光循環(huán)器103將所述兩個脈沖傳遞至所述感測光纖。
[0147]本發(fā)明的各個方面和實施方式的特征的回顧
[0148]在一個方面，本發(fā)明提供了一種光學(xué)干涉儀裝置，所述裝置能夠提供所述光信號之間的多個光路差，并提供在不同的光路之間的具有固定相移和/或可變相移的干涉信號。在新穎的配置中，所述干涉儀利用分光部件，循環(huán)器件和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。在所述干涉儀的輸出處的光信號被轉(zhuǎn)換成電信號，將所述電信號數(shù)字化以用于快速處理。所述電信號的偏移電平被去除且其振幅被歸一化。通過組合所述歸一化的電信號來精確地確定光信號的相對相移。
[0149]在另一方面，本發(fā)明涉及一種干涉儀裝置，所述裝置利用分光器和非互易器件以提供具有給定的相移和光路長度差的光干涉，所述光干涉可以在所述分光器的所有端口處被測量，其中所述光的相對相位調(diào)制可以被非常精確且快速地(如在每幾納秒)計算出。所述干涉儀可以使用光纖部件，如在其一個端口處連接至光纖循環(huán)器的m Xm融合的光纖耦合器;反射并同時給穿過所述干涉儀的不同光路傳播的光提供偏振補(bǔ)償?shù)姆ɡ谛D(zhuǎn)鏡，以及被用來測量干涉光信號的光電探測器。入射光可以使用光纖放大器被放大，以及優(yōu)選地所述干涉儀具有帶通濾光器以濾除帶外的放大的自發(fā)輻射噪聲(ASE)。所述干涉儀可以為沿著穿過所述干涉儀的不同光路傳播的光提供雙折射補(bǔ)償。這在所述干涉儀的輸出處提供了足夠高的可見度。
[0150]在其另一方面，本發(fā)明提供了一種用于補(bǔ)償光電探測器的偏移和增益，以及干涉儀臂的耦合比，以歸一化所生成的干涉信號的方法，所生成的干涉信號被用于測量在前述任一權(quán)利要求中所述的調(diào)制的輸入光的相對相位，其中探測器偏移通過關(guān)閉在反向散射光路中的所述光放大器來測量;然后通過開啟所述放大器同時關(guān)閉所述輸入光確定所生成的光電探測器的偏移和增益;然后所述光放大器的ASE作為一個獨立的非相干光源，并因此可以確定所述光電探測器的偏移和相對增益，且歸一化所探測的光信號。因此所述方法可以使用進(jìn)入所述干涉儀的輸入端的非相干光以歸一化在光電探測器的輸出處的相對信號振幅。例如，當(dāng)在所述干涉儀的輸入處使用光學(xué)前置放大器時，自發(fā)的光發(fā)射可以被用來測量所述干涉儀臂的分光比和光電探測器的相對增益的組合，并因此相應(yīng)地歸一化相對信號振巾畐O
[0151]本發(fā)明的另一附加特征是使用相位調(diào)制器和/或頻移器以偏移相對頻率和/或改變在所述干涉儀的光路之間的相位。頻移器和/或相位調(diào)制器可以被用來提供外差信號和/或?qū)⑺傻拇┻^所述干涉儀的不同光路的干涉光信號分開。
[0152]本發(fā)明的一個實施方式的附加特征是選擇足夠高的頻移器的頻率以使至少一個拍頻周期包含在一個光脈沖分辨率內(nèi)。可在所述干涉儀的不同光路之間使用不同的頻移以分開和/或外差探測不同的光路之間的相位?？山惶嬖诓煌墓饴分g的頻移以校正干涉儀輸出信號的任一頻率依賴性。
[0153]本發(fā)明的一個實施方式的附加特征是例如通過使用光開關(guān)選擇穿過所述干涉儀的不同光路。所述光開關(guān)可以被用來選擇穿過所述干涉儀的不同光路，并因此選擇不同的空間分辨率測量。本發(fā)明的另一方面涉及一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括以串聯(lián)配置或星型配置或兩者的結(jié)合級聯(lián)的許多干涉儀。
[0154]本發(fā)明還提供了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過以高靈敏度、高動態(tài)范圍和超過幾十kHz的高速率測量沿著一段光纖的反射光和/或反向散射光的相位調(diào)制來利用多路復(fù)用傳感器和/或分布式傳感器的光脈沖。采用這種方式，本發(fā)明可以提供多路復(fù)用和/或分布式聲感測系統(tǒng)。
[0155]本發(fā)明的一個實施方式的附加特征是在空間分辨率間隔上，至少兩次數(shù)字化所述干涉儀的輸出，或所述干涉儀的光電探測器的輸出。本發(fā)明的一個實施方式的附加特征是組合所述干涉儀的輸出以確定由所述光的任何信號衰減造成的不敏感的測量采樣點，以在給定的空間分辨率測量或間隔上丟棄和/或提供所述光的多個采樣的加權(quán)信號平均。本發(fā)明的實施方式使用具有動態(tài)變化的時鐘周期的數(shù)字器，(動態(tài)變化的時鐘周期在此可稱為“iclock”)，以調(diào)節(jié)在最大信號靈敏度位置的光的數(shù)字采樣的時間。所述動態(tài)變化的時鐘可以用來調(diào)節(jié)最大信號靈敏度位置和/或偏移開發(fā)生光信號衰減的位置的位置的光電探測器輸出的數(shù)字化采樣的時間。
[0156]本發(fā)明的實施方式可以使用激光光源或?qū)拵Ч庠?。具有相同的延遲的光的相干匹配導(dǎo)致干涉信號，所述干涉信號可以被用來測量沿著光纖的散射光或反射光的相對相位調(diào)制。本發(fā)明可以使用波分復(fù)用部件以利用具有不同波長的多個激光脈沖，以及，優(yōu)選地，改變每個光脈沖的時間偏移以控制所述光脈沖之間的交叉相位調(diào)制和允許處理在所述感測光纖中的多個脈沖，而無需允許所述系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的測量頻率響應(yīng)的橫向靈敏度。這可能是所述系統(tǒng)的聲頻率響應(yīng)，所述響應(yīng)提供不同的空間采樣分辨率和/或位置，和/或允許有效地丟棄具有低靈敏度的任何點。
[0157]本發(fā)明的一個實施方式的附加特征是選擇不同的空間分辨率，其中可以調(diào)節(jié)沿著所述感測光纖的靈敏度和頻率響應(yīng)，以及可以擴(kuò)大所述動態(tài)范圍。
[0158]所述感測光纖可以是單模光纖，偏振保持光纖，單一偏振光纖，多模光纖，和/或帶狀光纖，以及其可以是帶涂層的和/或用電纜縛住的以增強(qiáng)或抑制其靈敏度。
[0159]本發(fā)明的一個實施方式的附加特征是選擇所述光纖的不同配置以使在不同位置處的感測光纖的靈敏度、頻率和定向最佳。所述光纖可以被布置為線性傳感器、方向傳感器或多維陣列傳感器。所述光纖可以放置在表面區(qū)域上的連續(xù)路徑中，而沒有橫穿所述光纖的另一部分以提高靈敏度。
[0160]所述光纖可以被附著在容器的表面上以聽取產(chǎn)生于所述容器內(nèi)部的噪聲從而監(jiān)測在該過程中的變化，聲圖像，以及探測任何泄漏。
[0161]又一方面提供了一種使用聲學(xué)傳感器用于分布式流量測量和成像、井內(nèi)穿孔區(qū)監(jiān)測以及出砂監(jiān)測的裝置。例如，對于井內(nèi)應(yīng)用，聲學(xué)噪聲分布可以用來通過沿著所述井的每一位置進(jìn)行噪聲測井來測量流量。另外，噪聲頻譜可以用來識別流體的相位。進(jìn)一步地，噪聲頻譜相關(guān)技術(shù)可以使用在較長的井段上以確定聲音的速度以及跟蹤產(chǎn)生于流體內(nèi)部的漩渦以精確地確定流速。
[0162]傳感器系統(tǒng)可以用作分布式聲學(xué)傳感器，使確定分布式流量測量和成像、在油井、氣井和流線(flowline)中的穿孔區(qū)監(jiān)測及出砂監(jiān)測成為可能。分布式溫度測量和張力測量可以結(jié)合以提高所述分布式聲學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)闡釋。
[0163]另一方面提供了管道監(jiān)測裝置，其中感測光纖被布置在管道的內(nèi)部并由流體阻力沿著所述管道運送以為所述管道的診斷以及流體特性和/或成像提供噪聲流量的測量。
[0164]本發(fā)明的其他優(yōu)勢和應(yīng)用對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是明顯的。任何附加特征或可選特征可以組合在一起和與任一方面相組合，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是明顯的。
[0165]結(jié)語
[0166]如以上所描述的，公開了用于快速定量測量沿著一段光纖傳輸、反射和/或散射的光場的擾動的裝置及方法。特別地，本發(fā)明可以用于分布式感測，同時顯著地提高速度和靈敏度以允許檢測沿一段光纖的任何地方的聲波擾動同時實現(xiàn)良好的空間分辨率。本發(fā)明在較寬范圍的聲波感測和成像應(yīng)用中提供了獨特的優(yōu)勢。典型的用途是用于監(jiān)測油井和氣井，用于諸如分布式流量測量和/或成像，監(jiān)測較長的電纜和管道，大型容器的成像以及安全應(yīng)用等應(yīng)用中。
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[0180][13]US 5,946,429,Huang等人。
【主權(quán)項】
1.一種用于光纖感測系統(tǒng)的干涉儀裝置，所述裝置包括: 光耦合器，其包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口和所述第二端口與第一光路和第二光路耦合，在所述第一光路和所述第二光路之間具有光路長度差異，所述第三端口被布置為從光源接收輸入光，其中所述光親合器被布置為沿著所述第一光路和所述第二光路分別引導(dǎo)所述輸入光的第一部分和第二部分； 第一反射器和第二反射器，其分別與所述第一光路和所述第二光路耦合，并且被布置為沿著所述第一光路和所述第二光路將輸入光的所述第一部分和所述第二部分反射回所述光親合器，在所述光親合器內(nèi)所述輸入光的所述第一部分和所述第二部分干涉，以產(chǎn)生干涉信號，所述光耦合器還被布置為相移所述干涉信號以產(chǎn)生第一干涉信號分量、第二干涉信號分量和第三干涉信號分量;以及 第一光電探測器、第二光電探測器和第三光電探測器，其分別與所述第一端口、所述第二端口和所述第三端口耦合，并且被布置為接收所述第一干涉信號分量、所述第二干涉信號分量和所述第三干涉信號分量； 其中在所述第一光路和所述第二光路之間的所述光路長度差異限定所述光纖感測系統(tǒng)的空間分辨率。2.如權(quán)利要求1所述的干涉儀裝置，還包括光循環(huán)器，所述光循環(huán)器與所述光耦合器的所述第三端口耦合，并且被布置為將所述輸入光引導(dǎo)到所述光耦合器中以及將所述第三干涉信號分量引導(dǎo)至所述第三光電探測器。3.如權(quán)利要求1或2所述的干涉儀裝置，其中所述第一反射器和所述第二反射器是法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(FRM)，以沿著所述第一光路和所述第二光路提供自偏振補(bǔ)償。4.如權(quán)利要求1所述的干涉儀裝置，還包括光放大器，所述光放大器被配置成放大來自所述光源的所述輸入光以產(chǎn)生放大光信號并且將所述放大光信號輸出至所述光耦合器，并且所述干涉儀裝置還包括帶通濾波器，所述帶通濾波器被配置成濾除來自所述放大光信號的由所述光放大器產(chǎn)生的帶外的放大的自發(fā)輻射(ASE)噪聲。5.如權(quán)利要求1所述的干涉儀，還包括第一頻移器和第二頻移器，所述第一頻移器和所述第二頻移器分別與所述第一光路和所述第二光路耦合以偏移在所述第一光路和所述第二光路之間的相對頻率，以進(jìn)行外差信號處理，其中所述第一光路和所述第二光路之間的頻率偏移使用第一頻率和第二頻率交替。6.如權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中所述光耦合器與第四光電探測器耦合，所述第四光電探測器被布置為監(jiān)測來自所述光源的所述輸入光的強(qiáng)度。7.如權(quán)利要求6所述的干涉儀，其中所述第四光電探測器被法拉第旋轉(zhuǎn)鏡替換以產(chǎn)生第三光路，并且所述干涉儀裝置還包括多個光開關(guān)，所述多個光開關(guān)被布置為改變和/或選擇所述第一光路、所述第二光路或所述第三光路的不同組合，其中光路長度中的差異提供多空間分辨率操作。8.如權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中所述光耦合器還包括第四端口，所述第四端口與第三光路耦合，其中所述光耦合器被布置為分別沿著所述第一光路、所述第二光路和所述第三光路引導(dǎo)所述輸入光的第一部分、第二部分和第三部分。9.如權(quán)利要求8所述的干涉儀，其中所述第三光路與第三反射器耦合，所述第三反射器被布置為沿著所述第三光路將輸入光的所述第三部分反射回所述光耦合器，在所述光耦合器內(nèi)所述輸入光的所述第三部分利用輸入光的所述第一部分和第二部分產(chǎn)生干涉信號。10.如權(quán)利要求8或9所述的干涉儀，其中所述光耦合器與第四光電探測器耦合，所述第四光電探測器被布置為監(jiān)測來自所述光源的所述輸入光的強(qiáng)度。11.如權(quán)利要求8或9所述的干涉儀，還包括多個光開關(guān)，所述多個光開關(guān)被布置為改變和/或選擇所述第一光路、所述第二光路或所述第三光路的不同組合，其中光路長度中的差異提供多空間分辨率操作。12.如權(quán)利要求10所述的干涉儀，其中所述第四光電探測器被法拉第旋轉(zhuǎn)鏡替換以產(chǎn)生第四光路，并且所述干涉儀裝置還包括多個光開關(guān)，所述多個光開關(guān)被布置為改變和/或選擇所述第一光路、所述第二光路、所述第三光路或所述第四光路的不同組合，其中光路長度中的差異提供多空間分辨率操作。13.如權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中所述輸入光是具有多個波長的多個激光脈沖，并且其中所述系統(tǒng)還包括波分復(fù)用部件，所述波分復(fù)用部件用于多路傳輸所述多個光脈沖至所述光纖，并且其中所述多個光脈沖是關(guān)于彼此時間偏移的以控制所述多個光脈沖之間的交叉相位調(diào)制。14.一種干涉儀系統(tǒng)，其包括多個根據(jù)權(quán)利要求1中任一項所述的干涉儀，其中所述多個干涉儀被布置為串聯(lián)、并聯(lián)或兩者的組合，并且其中所述多個干涉儀具有不同的光路長度差異以提供多空間分辨率操作。15.如權(quán)利要求14所述的干涉儀系統(tǒng)，還包括第二光耦合器，所述第二光耦合器被布置為分離所述多個干涉儀之間的所述輸入光，其中所述多個干涉儀被布置為并聯(lián)。16.一種光纖感測系統(tǒng)，包括: 脈沖光源； 光纖，其被部署為在待監(jiān)測的環(huán)境中，并且被布置為從所述脈沖光源接收光的脈沖； 根據(jù)權(quán)利要求1的干涉儀，或根據(jù)權(quán)利要求14的干涉儀系統(tǒng)；以及處理器，其與所述脈沖光源是時間同步的，并且被布置為: i)從所述干涉儀或所述干涉儀系統(tǒng)的所述光電探測器接收強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并且由此，通過所述干涉儀或所述干涉儀系統(tǒng)確定從所述光纖接收的光中的任何光相位調(diào)制；以及 ii)根據(jù)所確定的光相位調(diào)制識別沿所述光纖的聲波擾動事件。17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還被布置為過采樣所述光電探測器的輸出以在所述光纖感測系統(tǒng)的所述空間分辨率上提供多光學(xué)相位角數(shù)據(jù)。18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還被布置為在所述空間分辨率上采樣所述光電探測器的所述輸出至少兩次。19.如權(quán)利要求17或18所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還被布置為: 根據(jù)所述光電探測器在每一采樣點處的組合輸出確定可見度因數(shù)；以及 根據(jù)所述可見度因數(shù)從所述空間分辨率上的多個采樣點提供光學(xué)相位角數(shù)據(jù)的加權(quán)信號平均。20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述處理器還被布置為: 根據(jù)所述光電探測器在每一采樣點處的組合輸出確定可見度因數(shù)；以及 根據(jù)所述可見度因數(shù)調(diào)節(jié)所述光電探測器輸出的所述采樣點的時間； 所述系統(tǒng)還包括具有動態(tài)變化的時鐘周期的數(shù)字器，其被布置為用于調(diào)節(jié)所述采樣點的時間。21.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述干涉儀被布置為接收來自所述光纖的反向散射光和/或反射光。22.—種用于光纖系統(tǒng)的干涉儀裝置，所述裝置包括: 光耦合器(104)，其具有輸入端口和與光纖耦合的第一端口和第二端口，所述光纖限定第一光路(105)和第二光路(106); 第一反射器(107)和第二反射器(108)，其分別被布置在所述第一光路和所述第二光路中以將在所述第一光路(105)和所述第二光路(106)中傳播的光反射回所述光親合器以產(chǎn)生干涉信號； 其中所述光耦合器(104)被配置成將第一干涉信號分量和第二干涉信號分量分別引導(dǎo)至第一探測器端口和第二探測器端口，并且被配置成朝向所述輸入端口引導(dǎo)第三干涉信號分量，以及所述裝置包括用于在所述第一干涉信號分量、所述第二干涉信號分量和所述第三干涉信號分量之間引入相移的工具； 第一光電探測器(113)和第二光電探測器(114)，其連接到所述光耦合器(104)的第一探測器端口和第二探測器端口，并且被配置成測量具有各自的相移的所述第一干涉信號分量和所述第二干涉信號分量的強(qiáng)度； 以及其中所述裝置包括第三光電探測器(115)，所述第三光電探測器(115)與非互易的光學(xué)器件連接并且被配置成測量朝向所述輸入端口被引導(dǎo)回來的所述第三干涉信號分量的強(qiáng)度； 所述裝置還包括: 非相干光源(101 )，其被布置為將光輸入至所述干涉儀裝置，以及 用于通過將來自所述非相干光源的光輸入至所述干涉儀并測量所述光電探測器的輸出來確定以下項中的一個或多個的工具:i)光電探測器偏移的歸一化因數(shù)，ii)光電探測器的相對增益，和/或iii)所述干涉儀的光路的耦合比。
【文檔編號】G01D5/353GK105910633SQ201610206234
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2010年5月27日
【發(fā)明人】馬哈茂德·法哈蒂羅山, 湯姆·理查德·帕克, 謝爾蓋·沙塔林
【申請人】希里克薩有限公司