CN106537094B - 干涉式光纤传感器系统和询问方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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。本发明进一步涉及一种干涉式光纤传感器系统。

Description

干涉式光纤传感器系统和询问方法
本申请基于并且要求2014年4月28日提交的欧洲专利申请No.14166237.9以及2015年4月28日提交的国际专利申请No.PCT/EP2015/059257的权益，这两者的内容以它们的整体通过引用并入本文。
技术领域
本发明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。
背景技术
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US 7,366,055(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US 7,764,363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。
US 2012/0174677A1(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。
本发明的另外的目的是提供对现有技术的替换物。
发明内容
因此，上述目的和若干其他目的被意图为在本发明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。这导致了根据本发明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。
在本发明的实施例中，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。
在本发明的实施例中，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。
在本发明的实施例中，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。
在根据本发明的方法的实施例中，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。
在根据本发明的方法的实施例中，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，而导致改进的信噪(S/N)比(参见例如US2012/0174677A1“Hill”中所公开的基于瑞利的分布式传感器系统)，这由于光延迟测量中减少的相位噪声而使能被测变量的改进的分辨率。在本上下文中，分立反射器将被理解为具有大于从该反射器远离的传感器阵列的平均背向散射水平的反射率(诸如，大约为来自10m光纤的背向散射水平的2到5个数量级倍数)的传感器阵列的局部化特征。此外，局部化将被理解为具有小于0.5倍的光传感器系统的空间分辨率的沿着传感器阵列的光传播方向的广度(extent)，诸如小于0.2倍的空间分辨率，或者甚至小于0.1倍的空间分辨率，或者甚至大约为0.01倍的空间分辨率。换言之，分立反射器可以具有沿着传播方向的纵向广度，但是该广度基本上未被传感器系统分辨。
在根据本发明的方法的实施例中，(多个)分立反射器为或包括光纤布拉格光栅FBG。FBG允许关于反射率、反射带宽、反射频带的波长等的大程度的可修整性。此外，多个FBG可以被内接在连续长度的光纤中，因此防止或限制由反射器引入的光纤的机械强度的损失。
在备选的实施例中，第一和/或第二反射器基于来自一个长度的光纤的瑞利背向散射。
在根据本发明的方法的实施例中，扫描带宽SBW被选择为小于光接收器的带宽。这使得有可能仅利用一个LO频率(如下面所讨论的，除了在变迹交叠时段期间的LO频率的可能复制之外)实现全部传感器通道的连续询问。它还使得有可能使用一个单扫描信号用于传感器询问信号和LO信号这两者。
在根据本发明的方法的实施例中，光接收器包括平衡检测器。
在一种实施例中，接收器为IQ接收器，包括被布置为检测与具有不同相位偏移的LO的干扰的多个检测器，这些检测器的输出线性地被组合(投射)以提取正交的I分量和Q分量。以这种方式，正频率分量和负频率分量可以被区分并且因此允许连续询问，即使是在LO信号跨与所反射的询问信号相同的频率范围被扫描的情况下。
注意，如果使用包括至少两个光检测器的复IQ接收器，则可以有可能具有等于每个物理检测器的带宽两倍的可使用带宽，因为可使用带宽在这种情况下包括正频率和负频率这两者。因此，扫描带宽可以相应地被选择。
在根据本发明的方法的实施例中，本地振荡器光信号由激光源生成。例如，LO光信号可以从询问光信号被分出或生成。或者，LO光和询问光可以源于相同激光器但由不同的电光调制器调制，或者信号中的一个信号可以根本不在激光器外部被调制。
在备选的实施例中，本地振荡器光信号与询问光分开被生成。
在一个实施例中，其中本地振荡器光未被扫描为询问光，并且返回光信号与LO之间的差拍信号因此在时间上不恒定，解调射频信号包括利用模数转换器来采样电射频信号并且将产生的数字信号与复合成扫描信号相混合，合成扫描信号被生成为具有与询问信号相同但具有相反符号的扫描速率。因此，混合信号的频率在时间上将是恒定的，除了当扫描询问信号或合成扫描信号被重置时在两个频率通道之间的跳跃(即，每扫描时段的两个跳跃)之外。
在根据本发明的方法的实施例中，本地振荡器光信号为扫描询问光信号的一部分。因为LO光在这一实施例中也被扫描，所以反射信号与LO光之间的拍频在时间上将是恒定的，除了当开始新LO扫描时和当反射信号从一个扫描进行到下一扫描时之外。
在根据本发明的方法的实施例中，扫描持续时间tsw被选择为大于Nts，其中Nts为从第一传感器到最后传感器的返回时间，N为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。以这种方式，在来自单独扫描和单独反射器的反射信号之间在接收器处在光频域中的交叠被避免。
在方法的实施例中，扫描持续时间tsw被选择为大于3Nts。以这种方式，由LO和来自反射器的直接初级反射之间的干扰引起的期望信号频率与由不同初级反射(即，没有LO)之间的干扰引起的不想要的拍频之间在RF频域中的交叠可以被避免。
在一种实施例中，传感器阵列的反射器沿着阵列以与整数个返回时间延迟时段ts相对应的间隔被定位，并且其中第一反射器与最后反射器之间的返回延迟为Nts。因此，针对每个整数值的延迟ts不必然找到反射器，但是任何存在的反射器被定位(在生产公差内)在这种整数点处。以这种方式，例如使用如由相同申请人在US 7,206,075B2中所描述的剥层(layer-peeling)，可以修正由阵列中的多个反射引起的串扰，该文献在此至少为了描述剥层的目的而通过引用被并入。
在一种实施例中，传感器阵列的反射器沿着阵列以与整数个返回时间延迟时段ts±50cm(诸如，±10cm或者甚至±1cm)相对应的间隔被定位。
在根据本发明的方法的实施例中，扫描带宽SBW被选择为小于大约200MHz，诸如小于大约100MHz，或者甚至小于大约20MHz。
在根据本发明的方法的实施例中，扫描速率r被选择为在大约0.1-100GHz/ms的范围中，诸如大约0.5-50GHz/ms，或者甚至大约1.0-10GHz/ms。
在根据本发明的方法的实施例中，解复用电射频信号的步骤进一步包括：对电射频信号进行滤波以分离正频带和负频带。在这一实施例中，该方法进一步包括：通过与具有复恒定频率的混合器信号进行混合来频移正频带和/或负频带，该复恒定频率被计算为使得正频带和负频带在频率上交叠。最后，这一实施例中的方法包括：将经频移的频带加和成组合信号以用于解调。以这种方式，负频带和正频带可以被组合以允许传感器相位响应的连续检测。
在根据本发明的方法的实施例中，滤波使用具有时间依赖响应的滤波器，该时间依赖响应被适配用于分别在正频带或负频带中在没有信号的时间间隔中抑制噪声。因此，当没有信号存在于一个频带中并且另一频带正被监测时，来自该频带的噪声贡献可以被滤除。
在根据本发明的方法的实施例中，滤波使用具有时间和频率依赖响应的滤波器，该时间和频率依赖响应被配置为在正频带和负频带通过加和被组合之前向正频带和/或负频带应用时间和频率依赖的相移。以这种方式，可以在组合频带中实现负频带之间的相位匹配。
在根据本发明的方法的实施例中，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，扫描询问光信号的光场振幅被变迹从变迹的开始至结束的变迹持续时间Tapod，以便减少频带之间在被组合时的串扰。这通过抑制否则非常宽带的差拍信号(其将由从一个扫描到下一扫描的接近瞬时的跳频生成)被实现。
在根据本发明的方法的实施例中，变迹持续时间Tapod在0.8·1/SBW至10·1/SBW的范围中，诸如0.9·1/SBW至5·1/SBW，或者大于1/SBW。
在根据本发明的方法的实施例中，完成的扫描的结束变迹和后续扫描的开始变迹在时间上交叠。因此，来自两个扫描的询问光信号将在与交叠有关的转变期间被同时发射到传感器系统中。
在根据本发明的方法的实施例中，变迹被配置以使得完成的扫描和后续扫描的光场振幅的加和贯穿变迹持续时间基本上恒定。
在一个实施例中，用于结束的扫描的扫描询问光信号由第一激光源来提供，而用于后续扫描的扫描询问光信号由第二激光源来提供。以这种方式，例如简单地通过对来自第一和第二激光源的输出分离地进行强度调制，可以实现两个扫描的简单变迹。
在一个实施例中，两个信号的强度调制由被供给有形成两个同时扫描信号的两个控制信号的加和的单个AOM来实现。
在另一实施例中，两个信号的强度调制由被供给有形成两个同时扫描信号的两个控制信号的加和的一个单边带铌酸锂调制器来实现。备选地，每个光信号可以利用单独的调制器被强度调制。
根据本发明的第二方面，本发明此外对于获得一种用于基本上连续的数据获取的干涉式光纤传感器系统是有利的。该系统包括用于发出在频率v处的询问光的激光源。该系统进一步包括至少第一光调制器，该至少第一调光器可操作用于在扫描带宽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询问光以具有频率v1＝v+f1。该系统另外包括传感器阵列，该传感器阵列具有输入端、远端，并且包括至少第一和第二反射器，其中传感器阵列被布置为经由输入端接收从至少第一光调制器输出的光，传感器阵列进一步被布置为在输入端处向外耦合返回信号。相干接收器被布置为将本地振荡器(LO)信号与来自传感器阵列的返回信号混合，以产生电射频信号。最后，该系统包括处理器，该处理器被配置用于将电射频信号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，以用于将第一和第二信号通道中的每个信号通道连续地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，并且用于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，干涉式光纤传感器系统被配置为根据询问传感器系统的上述方法来进行动作。因此，上面针对方法所描述的优点也适用于该系统。
处理器可以以不同的方式来实施，诸如使用模拟处理或者在软件中。还可以使用组合，以使得使用模拟处理进行一个或多个步骤，而剩余步骤在软件中被执行。
在根据本发明的系统的实施例中，该系统进一步包括第二光调制器，第二光调制器用于线性地频率扫描从激光器发出的光以具有频率v2＝v+f2，其中第二光调制器与第一光调制器并联连接。该系统进一步包括光空间开关，该光空间开关被适配用于将来自第一光调制器或来自第二光调制器的光选择性地发射到传感器光纤中。另外，该系统包括参考光耦合器，该参考光耦合器用于耦合来自第一光调制器的输出光连同来自第二光调制器的光，以引起将被耦合到相干接收器的经调制的参考信号。
在根据本发明的系统的实施例中，激光源为连续波(CW)激光器。
在根据本发明的系统的实施例中，激光源为高度相干单频激光器。以这种方式，可以实现特别低的频率噪声的激光信号，这对增大测量范围并且对改进测量分辨率是有利的。
在一种实施例中，激光源包括光纤激光器。在优选实施例中，激光源包括光纤分布式反馈(DFB)激光器。
在根据本发明的系统的实施例中，激光器为WDM源，或者是被布置为在不同WDM通道处进行发射的多个激光器。在这一上下文中，WDM源将被理解为在对应于不同WDM通道的不同波长处同时发出多个激光信号的源。
在根据本发明的系统的实施例中，第一和/或第二反射器为分立反射器。
在根据本发明的系统的实施例中，分立反射器中的一个或多个分立反射器为或包括光纤布拉格光栅(FBG)。
在根据本发明的系统的实施例中，传感器阵列包括第一波分复用(WDM)反射器组，第一WDM反射器组包括被配置用于反射第一波长范围内的光并且基本上不反射第二波长范围内的光的一个或多个第一反射器，传感器阵列进一步包括第二WDM反射器组，第二WDM反射器组包括被配置用于反射第二波长频带内的光并且基本上不反射第一波长范围内的光的一个或多个第二反射器。以这种方式，可以询问增大的测量范围和/或增大数目的传感器。注意，沿着传感器阵列可以包括多于两个WDM反射器组，并且每个数目的WDM反射器组可以包括多个反射器。进一步注意，每个WDM反射器组中的反射器的数目不要求跨不同的组相同。
在根据本发明的系统的实施例中，调制器为声光调制器(AOM)。在传感器系统的另一实施例中，激光源能够被直接调制以生成扫描询问光信号。
在一个实施例中，激光源是被布置为在不同波长处发出光的多个激光源的组件。
在根据本发明的系统的实施例中，LO信号由第一光调制器来调制。
在根据本发明的系统的实施例中，LO信号由第一光调制器和第二光调制器两者来调制。
在根据本发明的系统的实施例中，光纤传感器系统为地震传感器系统。
在根据本发明的系统的实施例中，光纤传感器系统为海底地震传感器系统。
在根据本发明的系统的实施例中，光纤传感器系统为准分布式声传感器(DAS)系统。
在根据本发明的系统的实施例中，调制器包括相位调制器，例如在遵循离散时间模2π或整数倍2π的二次函数的离散时间间隔处切换光相位的电光铌酸锂相位调制器。这将导致相对离散时间的连续重复的线性频率扫描。相位切换间隔通常可以等于τs。强度调制器可以被添加以针对接近每个切换实例的短时间间隔(通常<0.5τs)关闭光强度，以抑制相位转变的不理想效应。
根据第三方面，本发明此外对于获得另一种用于基本上连续的数据获取的干涉式光纤传感器系统是有利的。与根据第二方面的系统相比，这一系统包括直接调制激光器，并且因此减轻了对于用于生成扫描询问光信号的第一光调制器的需要。在这一系统的一些实施例中，可以包括一个或多个调制器，例如用以变迹来自激光器的扫描询问光信号，和/或一般用以创建用于传感器询问和用于本地振荡器的不同信号。
本发明的第一、第二和第三方面可以被组合。本发明的这些和其他方面从后文中所描述的实施例来看将是明显的，并且参考后文中所描述的实施例被阐明。
附图说明
现在将关于附图更详细地描述根据本发明的询问方法和干涉式光纤传感器系统。附图示出了实施本发明的一种方式，并且不解释为被限制于落在所附权利要求组的范围内的其他可能实施例。
图1是根据本发明的方法的流程图。
图2图示了根据本发明的传感器系统的实施例的配置、以及根据询问传感器系统发明的方法的实施例的细节。
图3图示了根据本发明的传感器系统的实施例的配置、以及根据询问传感器系统发明的方法的实施例的细节。
图4图示了询问方法的实施例的细节。
图5图示了询问方法的实施例的细节。
图6图示了与询问光信号有关的光场的变迹。
具体实施方式
图1图示了根据本发明的询问干涉式光纤传感器系统的方法1。首先，利用源激光生成询问光2。激光可以为连续波(CW)类型。询问光以如上文所定义的连续且重复方式被频率调制4，以产生扫描询问光信号。频率调制4的步骤可以以不同方式被执行，诸如激光源的直接调制或在激光源外部的调制。外部调制可以优选地利用声光调制器(AOM)来执行。扫描询问光信号然后被发射6到包括至少两个反射器的光纤传感器阵列中。因此，所发射的光由于扫描将具有取决于发射时间的频率。因此，从沿着传感器阵列的不同位置处的反射器反射的光将具有不同的频率，因为反射器将具有不同的往返延迟。为了在来自个体反射器的返回光之间进行区分，总的返回光信号与本地振荡器(LO)信号混合8到包括接收器的检测器上。以这种方式，利用返回光信号与本地振荡器之间的拍频处的频率分量来产生射频信号10。注意，取决于LO信号，用于单个反射器的拍频可以随着时间而变化(例如，在LO具有在扫描期间恒定的频率的情况下)或者为恒定拍频(在利用与询问光信号相同的扫描速率来扫描LO的情况下)。因此，所检测信号的进一步处理可以在与光域相对的电域中被执行。这例如在这里所图示的最后两个步骤中进行，即解复用个体的传感器信号11，以及解调每个传感器信号以从RF信号获得传感器响应12。
图2a示出了根据本发明的并且被适配用于执行本发明的方法的实施例的传感器系统100的实施例。以频率v在激光器102中生成激光，在此之后，分光器将光划分为去往AOM2 105的本地振荡器信号，而该分光的另一部分为询问光，利用AOM1 104来频率扫描该询问光。分光器的分光率优选地被选择或调整为产生具有0.1mW-10mW范围内的光功率的LO信号，以导致散粒噪声受限检测。因此，分光率不限于50％分光，而是可以例如基于应用中所涉及的光功率电平被选取。AOM1 104由数字控制器(未示出)来控制，数字控制器生成被数模(DA)转换并且用来驱动RF信号生成器的信号。以这种方式，AOM1被操作为将线性频移应用到询问光。为了探测传感器阵列110的两个正交偏振态，偏振交织器106被部署。这里，利用偏振分束器(PBS)将光相等地耦合到两个偏振，Y偏振被延迟以分离两个偏振中的询问频率，并且X和Y偏振在发射到传感器阵列110中之前再次被组合。在这里所示出的实施例中，系统包括传感器阵列中(即，从偏振交织器106的第二PBS到接收器侧的PBS 112)的标准单模光纤(SMF)。相对照地，贯穿LO路径并且从PBS 112到接收器的在激光器与偏振交织器106之间使用的光纤包括偏振维持光纤(PMF)。仪器与传感器阵列110的反射器之间的光纤电缆的长度通常称为“引入电缆”。阵列具有沿着长度基本上等间隔的多个反射器，其中任何两个相邻反射器之间具有延迟τs。这里，前两个反射器R1和R2在附图中被指示为形成在反射器之间具有已知的且基本上恒定的长度或间隔的参考传感器REF。以这种方式，来自参考传感器的所检测信号可以被用来修正来自其他传感器的所检测信号，这有关于由来自激光源和调制器的扫描频率信号中的频率波动引起的共同相位波动、或者由于引入光纤路径或LO光纤路径中的环境引发的相位波动而引起的多普勒引发的频率噪声。背向反射信号(或返回光)经由环行器108朝向接收器116被定向，接收器116包括一个或多个检测器。使用偏振分束器(PBS)112和两个2×2耦合器114的组合，返回光在到达接收器116之前与LO信号相混合。返回光的两个偏振态由偏振分束器112投射到两个正交的接收器偏振通道Sx和Sy中。由偏振交织器106施加的延迟上的差异确保了来自输入偏振x和y的响应在与LO信号混合之后将在接收器通道上在RF频率中被分离。在Sx接收器处，来自输入x和输入y的响应分别被命名为Sx.x和Sx.y，而在Sy接收器处，它们被命名为Sy.x和Sy.y。这四个分量的复振幅集合表示从偏振交织器106到PBS 112的传输路径的复琼斯矩阵，并且因此允许传感器阵列的偏振态的完整偏振分辨的特性描述。因此，通过分析由各种所检测频率的复振幅给出的琼斯矩阵，可以检测传感器相位上的改变和传感器双折射上的改变这两者。此外，因为复琼斯矩阵对于每个时间步长是已知的，所以由传感器阵列内的多个反射引起的串扰可以例如通过(如由相同申请人在US 7,206,075B2中所描述的，也如在上文所提及的)剥层法被去除。为了抑制所反射信号之间的光强度噪声和不想要的直接干扰，系统在这里被图示为使用平衡接收器用于每个偏振，其中来自两个检测器的信号相减。最后，来自接收器116的射频电信号在模数转换器(ADC)集合中被转换成数字信号、被解复用120以分离来自阵列110的每个反射器的信号并且解调为相位。图2c图示了针对每个反射器的所检测的差拍信号。通过将如图2c中所图示的电信号与具有与扫描询问信号相同r但具有相反符号的所合成LO相混合，则拍频的时间依赖性可以被去除并且复振幅可以被提取。
传感器阵列的反射器一般可以被定位在沿着阵列的任意位置处。然而，如果反射器全部落在作为整数数目的所选取周期的位置处，则数据处理(诸如，如上文所提及的剥层)被简化。
作为一种示例，假定周期被选取为10m。在这种情况下，不需要在例如针对每10m的每个位置处具有反射器，但是存在于阵列中的反射器应当定位在周期的整数倍数处(例如，10m、20m、…100m、110m、…，而不是15m、25m、…)。技术人员将理解，其他的周期值可以取决于系统规格被选取。
图2b图示了扫描询问信号f1和LO信号f2。询问信号以扫描速率r＝SBW/tsw被扫描，其中SBW为扫描带宽并且tsw为扫描持续时间。一般而言，可取的是具有高调谐速率r＝dv/dt(询问光频率v的时间导数)。传感器通道频率间隔或带宽可以被定义为B＝rts，其中ts为单个传感器的传感器延迟。发明人已经发现，大带宽B(高达例如500kHz)允许i)大动态范围、ii)大解调带宽、以及iii)对通道间隔频率附近的激光相位噪声的降低的敏感度。B＝500kHz和ts＝100ns对应于r＝50GHz/ms。
延迟分辨率被tres>2/SBW(其中因数2归因于偏振交织器)所限制。对于100ns传感器延迟(10m传感器光纤)，需要仅20MHz的SBW。这比聚焦于获得毫米分辨率的典型OFDR系统中所需要的小得多。
发明人已经发现，结合AOM快速扫描移频器来使用光纤激光器允许了所需要的高r、必需的SBE、以及超低频率噪声。因此，将有可能利用典型的传感器长度(～10m)来获得大动态范围和低噪声(高S/N比)这两者。发现了有可能利用光纤激光器的直接应变调谐(具有增大的SBW和trep，其中trep为扫描重复时间，即从一个扫描开始到下一扫描开始的时间)来获得类似的r。备选地，可以使用其他类型的频率调制器，诸如单边带抑制载波调制器。适合的单边带抑制载波调制器的一个示例包括铌酸锂(LiNb)调制器。
为了避免在来自不同传感器的所反射(初级)信号之间在光时频域中的交叠，扫描重复时间必须大于从第一传感器到最后传感器的返回时间N*ts(假定反射器之间的恒定间隔为ts或其倍数)。为了避免在初级反射信号与来自在前扫描的3(或5)阶反射之间的交叠，扫描重复时间必须大于2*N*ts(或相应地大于3*N*ts)。通过保持扫描重复时间>3*N*ts，还有可能避免检测器上的初级传感器频率与源于初级光反射之间的直接干扰(不涉及本地振荡器的干扰)的频率之间的交叠。这在图4中进一步详细地被图示。
在一种备选的实施例(未示出)中，AOM1 104和AOM2 105这两者被用来扫描询问光信号，并且两个所扫描的信号被使用作为LO信号。扫描在AOM1 104上被发起并且被发动到光纤阵列中，直到简单地通过将开关从第一输入切换到第二输入而对来自AOM2 105的调制光重新开始扫描为止。然而，在切换之后，来自第一扫描的返回光将仍然返回一段时间。因此，来自AOM1的扫描被维持以使用作为LO，直到来自该扫描的全部返回光已经返回为止。以这种方式，即使对于具有用于大多数遥远反射器的对应的长传感器延迟的长阵列，也可以实现连续测量。在传感器光纤长于利用单个接收器询问的反射器阵列(即，在相同光纤上利用覆盖不同波长带的FBG的WDM复用)的情况下，增加的扫描重复时间将有助于消除与来自传感器光纤的利用另一中心波长询问的部分的瑞利散射和FBG边带反射的干扰。注意，在这种情况下，因为LO信号利用与询问光信号相同的扫描速率被扫描，所以接收器信号将在固定频率处。
图3图示了传感器系统的另一实施例。该实施例与上面关于图2所讨论的实施例有关。因此，这里将仅讨论关于那些实施例的差异。所看到的是，已经省略了之前的AOM2。通过使用两个2×3耦合器来混合LO信号与返回光，具有120度相位差的三个复分量可以被检测。基于这三个分量，平衡的I通道和Q通道通过线性相加和相减而被生成。这一实施方式的优点是仅需要一个AOM。所需要的ADC的数目加倍，但是针对每个ADC的所需带宽以因数二被减小。此外，从反射器获得恒定频率响应，而消除来自接收器的时域串扰。这一实施例中还图示了光纤延迟111(通常为光纤线圈的形式)被引入到环行器108与PBS 112之间的光路中。以这种方式，相比于LO信号，来自阵列的所反射信号被延迟，这再次导致增大的频率差异并且因此导致这两个信号之间的拍频。光纤延迟111还可以被引入在LO臂中、或者交织器106与环行器108之间。优选地，到阵列中的第一反射器的往返延迟被选择为比LO臂的传播时间加上扫描重复时间段的可选整数倍数长大约Nts，同时扫描重复时间被保持>3Nts。这对应于图4中所图示并且在下面进一步描述的情况。以这种方式，拍频从不想要的干扰分离。注意，光纤延迟111还可以出于相同原因被包括在图2中所示出的实施例中。
图4图示了所检测的由传感器阵列产生的干扰类型。在图4a中，LO信号被指示。进一步到右边，初级(想要的)反射被看到，并且被标记1…N以指示它们源于哪个反射器。所看到的下一组信号是最低阶的多个反射(即，第三阶)，其将具有≤2Nts的往返延迟。最后，看到下一组多个反射(即，第五阶)，具有≤3Nts的延迟。图4b示出了在与所扫描的LO信号混合之后观察到的拍频。所看到的是，不同类型的差拍信号由不想要的干扰引起，即在来自反射器1和反射器N(没有LO)的信号之间的直接干扰，或者在第3或第5阶反射与LO之间的干扰。通过在LO与来自反射器1的反射之间引入延迟Nts，期望的初级拍频将发生在SBW/3与2SBW/3之间、以及-SBW/3与-2SBW/3之间的频带中。如图4b中所指示的，不想要的拍频分量将落在这些范围以外。
在图4b中，来自每个传感器通道的信号在正和负频带之间交替。图5图示了正频带131和负频带132中的信号如何可以组合成具有连续传感器通道频率信号的单个频带。这可以通过以下来进行：通滤波将正频带与负频带在频域中分离，然后通过与具有恒定频率的复混合器信号进行混合在频率上位移频带中的至少一个频带以使频带在频率上交叠，最后加和两个经频移的频带。所使用的滤波器可以具有时间依赖响应以在相应频带中没有信号的时间间隔中抑制噪声。滤波可以对电射频信号电气地执行，或者可以在AD转换之后数字地执行。
为了确保在组合频带之间的转变时的恰当相位匹配，必须仔细地调节最后分段的复混合器信号的相位，这引起频带的频移以及组合信号的频偏。如果扫描重复速率为1/SBW的倍数，同时全部反射器延迟以标称传感器延迟τs(其也是1/SBW的倍数)的倍数被分离，则相位匹配将更容易。然而，如果这些条件没有被满足，则恰当的相位匹配仍然可以通过在频带被组合之前向频带中的每个频带应用时间和频率依赖的相移而被实现。
如果询问传感器阵列的扫描信号或LO从最大频率到最小频率的转变几乎为瞬时的，则在图5上部分中的频带131和频带132之一内的每个传感器通道频率信号的开始和停止将是非常宽带的。在一个频带(例如，正频带)中的“开-关”或“关-开”转变时生成的频率分量然后可以与相对频带(例如，负频带)交叠，导致了在频带被组合之前不能被滤除的不想要的串扰。为了避免这种串扰，由AOM 104生成的扫描信号可以在扫描的开始和结束时被变迹(apodize)。通常将需要从变迹开始到变迹结束的变迹持续时间Tapod>1/SBW以避免频带之间的串扰。如果负频带132的顶部和正频带131的顶部靠近在一起，即如果扫描重复时间显著地短于3*N*ts，则使Tapod甚至更大(诸如若干倍的1/SBW)可能是可取的。
变迹可以以这样的方式来进行：在接着的扫描在该变迹开端处开始增大至零以上之前，完成的扫描的振幅在变迹结束时被带到零。然而，这将导致组合频带133的个体通道振幅中的相对时间的狭窄下降，其将加宽通道频谱并且其可能促进不合意的通道串扰。
为了避免这一问题，如图6中所图示的，来自AOM的后续扫描的变迹可以被设计为交叠。结束的扫描的光场的光场振幅(绝对值)134在这里在变迹持续时间Tapod期间从满振幅被带到零，而后续扫描的振幅135从零被带到满振幅。变迹可以优选地(如这里所图示的)被设计为使得两个振幅的加和相对时间基本上恒定。频率扫描速率应当优选地在针对两个扫描的变迹时段期间在r处被保持恒定。作为结果，归因于扫描转变，个体通道频率信号振幅中将没有相对时间的下降，并且通道串扰将因此被避免。使用交叠的扫描，通过上面所描述的变迹技术，因此使得没有串扰惩罚的连续相位解调成为可能。
在一个实施例中，用于结束的扫描的扫描询问光信号由第一激光源来提供，而用于后续扫描的扫描询问光信号由第二激光源来提供。以这种方式，例如简单地通过对来自第一和第二激光源的输出分离地进行强度调制，可以实现两个扫描的简单变迹。在一个实施例中，这两个信号的强度调制由被供给有形成两个同时扫描信号的两个控制信号的加和的单个AOM来实现。
在另一实施例中，这两个信号的强度调制由被供给有形成两个同时扫描信号的两个控制信号的加和的一个单边带铌酸锂调制器来实现。备选地，每个光信号可以利用单独的调制器被强度调制。
虽然已经关于指定的实施例描述了本发明，但是本发明不应当以任何方式被解释为限于所提出的示例。本发明的范围由所附权利要求组来阐述。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包括有”不排除其他可能的元件或步骤。此外，对诸如“一”或“一个”等参考的提及不应当被解释为排除多个。权利要求中关于附图中所指示的元件的参考符号的使用也不应该被解释为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中所提及的个体特征可以可能地有利地被组合，并且不同权利要求中的这些特征的提及不排除特征组合不是可能的和有利的。

Claims (10)

1.一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，
-检测分别由所述第一反射器和所述第二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，其中所述扫描带宽SBW被选择为小于所述光接收器的带宽。
3.根据权利要求1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。
4.根据权利要求1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
-将经频移的所述正频带和/或所述负频带加和成组合信号以用于解调。
5.根据权利要求4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。
6.根据权利要求4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。
7.根据权利要求4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，以便减少所述正频带和所述负频带之间在被组合时的串扰。
8.一种用于基本上连续的数据获取的干涉式光纤传感器系统，包括：
-激光源，用于发出频率v处的询问光，
-至少第一光调制器，可操作用于在扫描带宽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所述询问光以具有频率v1＝v+f1，
-传感器阵列，具有输入端、远端并且包括至少第一反射器和第二反射器，其中所述传感器阵列被布置为经由所述输入端接收从所述至少第一光调制器输出的光，所述传感器阵列进一步被布置为在所述输入端处向外耦合返回信号，
-相干接收器，被布置为将本地振荡器(LO)信号与来自所述传感器阵列的所述返回信号混合，以产生电射频信号，以及
-处理器，被配置用于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，以用于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，并且用于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。
9.根据权利要求8所述的传感器系统，其中所述系统进一步包括：
-第二光调制器，用于线性地频率扫描从所述激光源发出的所述光以具有频率v2＝v+f2，其中所述第二光调制器与所述第一光调制器并联连接，以及
-光空间开关，被适配用于将来自所述第一光调制器或来自所述第二光调制器的光选择性地发射到传感器光纤中，
-参考光耦合器，用于耦合来自所述第一光调制器的输出光连同来自所述第二光调制器的光，以引起将被耦合到所述相干接收器的经调制的参考信号。
10.根据权利要求8所述的传感器系统，其中所述传感器阵列包括第一波分多路复用(WDM)反射器组，所述第一WDM反射器组包括被配置用于反射第一波长范围内的光并且基本上不反射第二波长范围内的光的一个或多个第一反射器，所述传感器阵列进一步包括第二WDM反射器组，所述第二WDM反射器组包括被配置用于反射所述第二波长频带内的光并且基本上不反射所述第一波长范围内的光的一个或多个第二反射器。
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