干涉式光纤传感器系统和询问方法技术方案

本发明专利技术涉及一种询问干涉式光纤传感器系统的方法。该系统包括用于生成询问光的激光源和传感器阵列，该传感器阵列具有至少第一和第二反射器并且具有传感器延迟，传感器延迟为分别从第一和第二反射器反射的光的传播时间上的差异。该方法包括：在扫描带宽SBW内，在扫描持续时间tsw期间，以基本上恒定的扫描速率r＝SBW/tsw连续地且重复地频率扫描来自激光源的询问光，以产生扫描询问光信号。扫描询问光信号被发射到传感器阵列中。该方法进一步包括：检测分别由反射器中的每个反射器从传感器阵列返回的反射信号，其中检测包括将来自阵列的返回光信号与本地振荡器LO信号混合到光接收器上以产生电射频信号。电射频信号然后被解复用到分别对应于第一和第二反射器的第一和第二信号通道中。第一和第二信号通道中的每个信号通道被解调为来自第一反射器的第一相位响应和来自第二反射器的第二相位响应。最后，该方法包括：从第二相位响应减去第一相位响应以获得传感器相位信号。本发明专利技术进一步涉及一种干涉式光纤传感器系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及干涉式光纤传感器系统和询问干涉式光纤传感器系统的方法。
技术介绍
光纤传感器系统由于它们的一般分布式性质已经被部署在许多不同的应用中。这种系统使得能够可以使测量为分布式的或者准分布式的，即在沿着光纤的潜在大量点处进行测量。此外，光纤传感器一般使它们自身沿着单个光纤被复用，因此潜在地减少光纤数目和复杂度以及笨重的引入电缆等。一类准分布式光纤传感器系统基于沿着阵列中的一个或多个光纤布置的一系列反射器。反射器可以例如是光纤布拉格光栅(FBG)、接头、或者沿着光纤产生大于固有背向散射水平的反射比的其他类型的光纤微扰。来自反射器的所反射信号可以例如被使用在干涉式传感器布置中，以推断到反射器的或反射器集合之间的距离或距离上的变化。基于沿着传感器光纤的FBG反射器的干涉式传感器阵列通常利用由相同申请人的US7,366,055(其由此通过引用被并入)中所描述的波分复用WDM(具有在不同波长处的FBG)和/或时分复用TDM(使用脉冲式询问来询问基于等波长FBG阵列的干涉仪)而被询问。增大沿着相同光纤的时间复用传感器的数目通常将需要与传感器数目成反比缩放的减小的脉冲占空比。这将由于接收器处的更低时间平均光功率而减小动态范围和传感器相位分辨率。利用沿着单个光纤的非常大数目的干涉式传感器区段来获得分布式感测的一种方式是，例如US7,764,363中所描述的，使用在时间上将沿着光纤的传感器区段分离的脉冲式询问来利用光纤中的瑞利背向散射。一种备选的询问技术是使用相干光频域反射计(C-OFDR)方法，其通常被用于光纤和组件中的衰减和背向散射的高空间分辨率特性描述。这里，频率扫描激光被发射到被测光纤中，并且返回的光通过在接收器处将所反射的光与参考信号相混合而相干地被检测。因此，从不同纵向位置背向散射的光将在接收器处在频域中被分离。US2012/0174677A1(Hill)公开了一种基于C-OFDR的传感器系统，其用于基于沿着的光纤的瑞利散射的分布式干涉式感测，以用于测量机械参数，特别是沿着光纤的机械振动。基于光纤的瑞利散射的分布式干涉式感测由于反射回到接收器的非常低的光功率电平而提供有限的传感器相位分辨率。因此，改进的光纤传感器系统将是有利的，并且特别是询问光纤传感器系统的更高效和/或改进的方法将是有利的。本创新的一个目的是克服所提出的现有技术中的限制。特别地，一个目的是提供沿着光纤的大数目干涉式传感器的复用，而同时获得高传感器相位分辨率和大动态范围。本专利技术的另外的目的是提供对现有技术的替换物。
技术实现思路
因此，上述目的和若干其他目的被意图为在本专利技术的第一方面中通过提供一种询问干涉式光纤传感器系统的方法来获得。该系统包括用于生成询问光激光源和传感器阵列，该传感器阵列具有至少第一和第二反射器并且具有传感器延迟，该传感器延迟为分别从第一和第二反射器反射的光的传播时间上的差异。该方法包括：在扫描带宽SBW内，在扫描持续时间tsw期间，以基本上恒定的扫描速率r＝SBW/tsw连续地且重复地频率扫描来自激光源的询问光，以产生扫描询问光信号。扫描询问光信号被发射到传感器阵列中。该方法进一步包括：检测分别由反射器中的每个反射器从传感器阵列返回的反射信号，其中检测包括将来自阵列的返回光信号与本地振荡器LO信号混合到光接收器上以产生电射频信号。电射频信号然后被解复用到分别对应于第一和第二反射器的第一和第二信号通道中。第一和第二信号通道中的每个信号通道被解调为来自第一反射器的第一相位响应和来自第二反射器的第二相位响应。最后，该方法包括：从第二相位响应减去第一相位响应以获得传感器相位信号。以这种方式，可以实现传感器阵列的连续且空间分辨的询问。空间分辨率(即，来自多个空间分布式传感器的响应的分离)是可能的，因为在任何时间点处来自个体反射器的反射信号将在频率上被分离。相干检测(即，返回光信号与LO的混合)具有多个优点，尤其是实现量子噪声受限检测的潜力。在这种情况下，检测噪声将被由混合信号的个体传入光子的离散性质产生的散粒噪声所主导。混合信号的振幅一般与返回光信号电场的强度和LO电场强度的乘积的平方根成比例。当返回光信号一般为弱时，LO的强度可以直接被控制。因此，通过选择足够大的LO强度，混合信号的强度可以显著地大于返回光信号的强度。结果是，与直接检测方案相比，可以增大接收器系统的灵敏度。在本文的上下文中，“连续且重复”扫描将被理解为所发出的光频从扫描带宽的第一极限到扫描带宽的第二极限在时间上线性地被调制，此后新扫描立即被发起。然而，技术人员将理解，在终止旧扫描之后重启新扫描可能需要短切换时间，其中短切换时间相对于扫描持续时间tsw被视为例如<tsw的20％，诸如<tsw的10％，或者甚至<tsw的5％。因此，操作包括这种短切换时间的方法的系统仍然被认为是连续地扫描。以这种方式，在来自第二扫描的光被发射到干涉式传感器阵列中的同时，来自第一扫描的来自一个或多个反射器的反射信号仍然可以朝向接收器传播回来。在一些情况下，由第二扫描引起的来自第一反射器的反射信号甚至可以与由第一扫描引起的来自最后反射器的反射信号同时但在另一频率处被检测。连续询问允许接近于1的占空比，即使是在长传感器阵列跨度上(例如，2-10km或者甚至更长)。此外，它减轻了关于相变的2π模糊度的问题，这些问题否则可能在没有询问的时段期间发生在大相变的情况下。这导致了根据本专利技术进行操作的系统的改进的动态范围(即，扫描速率和转换速率)。传感器阵列可以被配置在若干不同的拓扑中，诸如线性拓扑、星形拓扑等。传感器阵列的传感器一般包括换能器，换能器被配置为将被测变量上的变化转换成传感器阵列的传感器节段的光路延迟上的改变。一个这种光改变是传感器节段的长度改变。备选地，折射率或双折射上的改变可以导致这种光路延迟改变。被测变量例如可以为压力变化，诸如声信号、应变变化、或加速度。在本专利技术的实施例中，传感器节段被定义为两个连续反射器之间中的光纤的节段。在本专利技术的实施例中，传感器节段被定义为分离光纤中的两个反射器之间的路径上的差异。在本专利技术的实施例中，传感器阵列包括在两个反射器之间定义并且对被测变量基本上不敏感的参考传感器。以这种方式，可以获得参考信号，参考信号将包含一些由与剩余传感器相同但对被测变量不敏感的源波动(诸如由激光源引起的相位和强度波动)引起的噪声分量。如此，这一参考信号可以被用来针对由源波动引起的噪声补偿来自传感器的所测量信号。在根据本专利技术的方法的实施例中，干涉式传感器阵列包括在第二反射器之后的一个或多个另外的反射器，以便包括多个反射器。任何反射器对之间的光纤区段因此可以形成传感器，因此允许多个传感器。在典型配置中，仅两个连续反射器之间的光纤区段被定义为传感器。使用这种方法，大数目的反射器并且因此干涉式传感器可以在维持高占空比、大动态范围的同时被询问。因为使用了连续波(CW)系统，所以可以避免脉冲式系统中所需要的高光峰值功率，因此使关于阵列中的非线性效应的问题最小化。在包括另外的反射器的实施例中，另外的反射器标称上与第一和/或第二反射器相同。在根据本专利技术的方法的实施例中，第一和/或第二反射器为分立反射器。分立反射器的使用使能比分布式瑞利反射器更高的反射率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种询问干涉式光纤传感器系统的方法，所述系统包括激光源和传感器阵列，所述激光源用于生成询问光，所述传感器阵列具有至少第一反射器和第二反射器并且具有传感器延迟，所述传感器延迟是分别从所述第一反射器和所述第二反射器反射的光的传播时间上的差异，所述方法包括：‑在扫描带宽SBW内，在扫描持续时间tsw期间，以基本上恒定的扫描速率r＝SBW/tsw连续地且重复地频率扫描来自所述激光源的所述询问光，以产生扫描询问光信号，‑将所述扫描询问光信号发射到所述传感器阵列中，‑检测分别由所述反射器中的每个反射器从所述传感器阵列返回的反射信号，其中检测包括将来自所述阵列的返回光信号与本地振荡器LO信号混合到光接收器上以产生电射频信号，‑将所述电射频信号解复用到分别对应于所述第一反射器和所述第二反射器的第一信号通道和第二信号通道中，‑将所述第一信号通道和所述第二信号通道中的每个信号通道连续地解调为来自所述第一反射器的第一相位响应和来自所述第二反射器的第二相位响应，以及‑从所述第二相位响应减去所述第一相位响应以获得传感器相位信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.28 EP 14166237.91.一种询问干涉式光纤传感器系统的方法，所述系统包括激光源和传感器阵列，所述激光源用于生成询问光，所述传感器阵列具有至少第一反射器和第二反射器并且具有传感器延迟，所述传感器延迟是分别从所述第一反射器和所述第二反射器反射的光的传播时间上的差异，所述方法包括：-在扫描带宽SBW内，在扫描持续时间tsw期间，以基本上恒定的扫描速率r＝SBW/tsw连续地且重复地频率扫描来自所述激光源的所述询问光，以产生扫描询问光信号，-将所述扫描询问光信号发射到所述传感器阵列中，-检测分别由所述反射器中的每个反射器从所述传感器阵列返回的反射信号，其中检测包括将来自所述阵列的返回光信号与本地振荡器LO信号混合到光接收器上以产生电射频信号，-将所述电射频信号解复用到分别对应于所述第一反射器和所述第二反射器的第一信号通道和第二信号通道中，-将所述第一信号通道和所述第二信号通道中的每个信号通道连续地解调为来自所述第一反射器的第一相位响应和来自所述第二反射器的第二相位响应，以及-从所述第二相位响应减去所述第一相位响应以获得传感器相位信号。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述干涉式传感器阵列包括所述第一反射器与所述第二反射器之间的一个或多个另外的反射器，以便包括多个反射器。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一反射器和/或所述第二反射器为分立反射器。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述分立反射器为光纤布拉格光栅FBG或者包括光纤布拉格光栅FBG。5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一反射器和/或所述第二反射器基于来自一个长度的光纤的瑞利背向散射。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述扫描带宽SBW被选择为小于所述光接收器的带宽。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述本地振荡器光信号由所述激光源生成。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述本地振荡器光信号为所述扫描询问光信号的一部分。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述扫描持续时间tsw被选择为大于Nts，其中Nts为从所述第一反射器到最后反射器的返回时间，N为所述阵列中的反射器的数目，并且ts为两个相邻反射器之间的平均往返时间间隔。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中解复用所述电射频信号的步骤进一步包括：-对所述电射频信号进行滤波以分离正频带和负频带，-通过与具有恒定频率的复混合器信号进行混合来频移所述正频带和/或所述负频带，所述恒定频率被计算为使所述正频带和所述负频带在频率上交叠，以及-将经频移的所述频带加和成组合信号以用于解调。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述滤波使用具有时间依赖响应的滤波器，所述时间依赖响应被适配用于分别在所述正频带或所述负频带中没有信号的时间间隔中抑制噪声。12.根据权利要求10或11所述的方法，其中滤波使用具有时间和频率依赖响应的滤波器，所述时间和频率依赖响应被配置为在所述正频带和所述负频带通过加和被组合之前向所述正频带和/或所述负频带应用时间和频率依赖的相移。13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中在与一个频带有关的完成的扫描结束时，并且在与另一频带有关的后续扫描的开始时，所述扫描询问光信号的光场振幅被变迹从所述变迹的开始至结束的变迹持续时间Tapod，以便减少所述频带之间在被组合时的串扰。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述变迹持续时间Tapod在0.8·1/SBW至10·1/SBW的范围内，诸如0.9·1/SBW至5·1/SBW，或者大于大约1/SBW。15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述完成的扫描的结束变迹和所述后续扫描的开始变迹在时间上交叠。16.根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其中所述变迹被配置以使得所述完成的扫描的光场振幅和所述后续扫描...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·洛内克莱夫，O·H·瓦加德，
申请(专利权)人：光电普兰公司，
类型：发明
国别省市：挪威;NO