光学传感器及使用方法技术

描述了一种用于光纤系统的干涉仪装置及其使用方法。干涉仪包括光耦合器和光纤，光纤限定第一光路和第二光路。在第一光路和第二光路中传播的光被反射回光耦合器以产生干涉信号。第一、第二和第三干涉信号分量被引导朝向相应的第一、第二和第三光电探测器。第三光电探测器通过非互易的光学器件连接到光耦合器，并被配置成测量朝向输入光纤被引导回来的第三干涉信号分量的强度。也描述了在监测声扰动的应用中使用的方法以及校准方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光学传感器，特别地，涉及一种干涉仪及使用方法。
技术介绍
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Im的空间分辨率沿IOkm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IOkm范围在60秒内具有Im的空间分辨率和I °C的温度分辨率。如在第6，555，807号美国专利或第W098/27406号专利中所描述的，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ΙΜΗζ/ΙΟμ ε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10 μ ε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3X3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50 μ ε应变分辨率的在大约O. I秒(IOHz)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I毫秒(IkHz)，0. I毫秒(IOkHz)或O. 01毫秒(IOOkHz)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号专利描述了类似于第5，194, 847号美国专利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中)，在边界安全中(GB 2445364和第2009/0114386号美国专利)以及井底振动监测(W02009/056855)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。专利技术概述本专利技术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。本专利技术可以用于分布式传感器、点传感器、或两者的结合。具体地，这种技术可以应用于分布式传感器同时显著地提高速度和灵敏度以允许检测沿一段光纤的任何地方的声波扰动，同时实现良好的空间分辨率。本专利技术在广范围的声波感测和成像应用中提供了独特的优势。典型的用途是用于监测油井和气井，用于诸如分布式流量测量和/或成像；地震成像，监测较长的电缆和管道；在大型容器内部的声波成像，以及安全应用等应用中。本专利技术的一个目的是提供用于以高度灵敏且快速定量测量沿一段光纤传输、反射或散射的光的相位、频率和振幅的装置。在现有技术中，光耦合器已被用在迈克尔逊或马赫曾德尔干涉仪配置中，其中需要谨慎控制在干涉仪的两个臂之间的偏振。本专利技术中的新颖的干涉仪允许使用非互易器件如法拉第旋转镜和光循环器来利用mXm耦合器，以提供可以在光耦合器的所有端口测量并快速(如几十kHz)分析的具有给定的相移的补偿的光干涉。本专利技术的实施方式可以用于多路复用声学点传感器、分布式传感器或两者的结合。在分布式传感器的情况下，光脉冲被注入到光纤中并以几十kHz的频率沿着光纤测量反向散射光的相位调制。光纤可以是标准的通信光纤和/或电缆。使用在此描述的技术，感测系统因此可以检测沿着光纤的声场以提供分布式声传感器，其中可以通过组合地调节光脉冲的调制、在干涉仪中的光路长度以及感测光纤配置来选择感测元件的长度。沿着光纤收集的数据自动地同步以及这些数据可被组合以提供相干场图像。依据本专利技术的第一方面，提供了用于光纤系统的干涉仪装置，所述装置包括光稱合器,其具有输入端口和与光纤稱合的第一端口和第二端口，所述光纤限定第一光路和第二光路；第一反射器和第二反射器，其分别布置在所述第一光路和所述第二光路中以将在所述第一光路和所述第二光路中传播的光反射回所述光耦合器以产生干涉信号；其中所述光耦合器被配置成将第一干涉信号分量和第二干涉信号分量分别引导至第一探测器端口和第二探测器端口，并被配置成朝向所述输入端口弓I导第三干涉信号分量，以及所述装置包括用于在所述第一干涉信号分量、所述第二干涉信号分量和所述第三干涉信号分量之间引入相移的工具；第一光电探测器和第二光电探测器，其分别连接到所述光耦合器的所述第一探测器端口和所述第二探测器端口，且被配置成测量具有各自的相移的所述第一干涉信号分量和所述第二干涉信号分量的强度；以及其中所述装置包括第三光电探测器，所述第三光电探测器与非互易光学器件连接，并且其被配置成测量朝向输入光纤被引导回来的所述第三干涉信号分量的强度。用于在所述第一干涉信号分量、所述第二干涉信号分量和所述第三干涉信号分量之间引入相移的工具可以是所述光耦合器，优选地，所述光耦合器是mXm光耦合器，其中m > 3。所述非互易光学器件可以是光循环器。所述光纤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传播的光的偏振或为其提供偏振补偿。所述反射器可以是法拉第旋转镜(FRM)，其允许使用标准(非偏振保持本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：马哈茂德·法哈蒂罗山，汤姆·理查德·帕克，谢尔盖·沙塔林，
申请(专利权)人：希里克萨有限公司，
类型：发明
国别省市：