BRPI0507829B1 - Fiber optical sensor system, seismic sensor system, marine and optical sensor system - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA SENSOR DE FIBRA ÓTICA, SISTEMA SENSOR SÍSMICO MARINHO E SISTEMA SENSOR ÓTICO".

Antecedentes da Invenção Campo Da Invenção A invenção é relativa, genericamente, ao campo de sistemas de telemetria com fibra ótica e sistemas sensores com fibra ótica. Mais especificamente, a invenção é relativa a sistemas de telemetria multiple-xados em divisão de comprimento de onda para um sistema de sensores de fibra ótica.

Antecedentes da Técnica Sensores de fibra ótica conhecidos na técnica incluem um elemento sensor de fibra ótica, tipicamente na forma de uma bobina de fibra ótica que é arranjada de tal modo que o comprimento e/ou índice de refração do elemento sensor de fibra ótica é trocado pela ação do parâmetro físico que está sendo medido pelo sensor. Por exemplo, um sensor acústico de fibra ótica tem uma bobina sensora de fibra enrolada ao redor de um cilindro, cuja forma muda pela ação de uma onda de pressão ou de uma onda acústica que atinge o cilindro. A deformação do cilindro muda o comprimento de acordo com a bobina sensora. Luz a partir de uma fonte, tal como um diodo a laser é passada através de acordo com a bobina sensora e é simultaneamente passada através de um elemento de referência, ou bobina de fibra ótica. O elemento de referência é arranjado de modo que ele não é afetado fisicamente pelo parâmetro físico que está sendo medido. Luz que deixa ambos, o elemento sensor e o elemento de referência, é então combinada em qualquer um de uma quantidade de tipos de interferòmetro ótico. Um padrão de interferência ótica é gerado no interferòmetro, o qual está relacionado à mudança em comprimento do eiemento sensor, e assim à fase de acordo com a luz que atravessa o elemento sensor. Um fotodetector é opcional mente acoplado à saída do interferòmetro e pode ser utilizado para gerar um sinal elétrico que corresponde à intensidade de acordo com a luz que alcança o fotodetector, a qual está relacionada ao padrão de interfere- cia, e assim corresponde ao parâmetro físico que afeta o elemento sensor. No caso de um sensor acústico de fibra ótica, o sinal elétrico a partir do foto-detector corresponde à mudança em pressão ou à amplitude de acordo com a onda acústica que se choca na bobina sensora.

Sensores de fibra ótica têm provado serem muito úteis devido à sua imunidade relativa à interferência eletromagnética entre outros fatores, particularmente quando sinais são transmitidos sobre longas distâncias em forma ótica. Devido às vantagens relativas de sensores de fibra ótica, esforços foram feitos para substituir sensores de fibra ótica em aplicações tais como sistemas sensores sísmicos marinhos. Sistemas sensores sísmicos marinhos convencionais conhecidos na técnica incluem, tipicamente, uma pluralidade de sensores acústicos geradores de sinal elétrico, tipicamente hidrofones magneto-estrictivos ou piezoelétricos, colocados em localizações espaçadas separadas ao tongo de um cabo reforçado, adaptado para ser rebocado em um corpo de água. Tipicamente, tal sistema de sensor sísmico inclui diversos dispositivos de processamento de sinal colocados em localizações selecionadas ao longo do cabo, os quais detectam amplificam e digitalizam os sinais elétricos gerados por cada um dos sensores. Os sinais digitalizados são incluídos em telemetria de sinal elétrico para transmitir sinais a partir de cada um dos sensores, de tal maneira que o sinal a partir de cada sensor pode ser identificado de maneira exclusiva, gravado e processado. Sistemas de telemetria elétrica conhecidos na técnica são projetados para minimizar o número de condutores elétricos necessários para transmitir sinais a partir de um número selecionado de sensores, e para minimizar a distorção de sinal entre os sensores e um dispositivo de gravação. Também ê conhecido na técnica, converter os sinais elétricos digitalizados em sinais óticos e utilizar telemetria ótica para transmitir os sinais óticos a partir de um ponto de conversão elétrico/ótico para um receptor de sinal ótico.

Sensoriamento ótico e telemetria de sinal são desejáveis para utilizar em sistemas sensores sísmicos marinhos uma vez que, como explicado anteriormente, eles são menos suscetíveis a diversas formas de interferência e perda de sinal ao longo do cabo. Para substituir de maneira mais efetiva sensores elétricos por sensores óticos em um sistema sensor sísmico marinho, é desejável ter um sistema de teiemetria inteiramente ótico para transmitir sinais a partir de cada sensor ótico para um sistema de gravação de sinal sísmico. O sistema de teiemetria deve possibilitar a identificação e gravação exclusivas dos sinais a partir de cada sensor sísmico ótico individual. Um tipo de sistema sensor de fibra ótica de um sistema de teiemetria ótico estão descritos na Patente U.S. N° 6.285.808 B1 concedida a Kersey e outros. O sistema sensor descrito na Patente de Kersey e outros, inclui uma pluralidade de bobinas sensoras de fibra, oticamente acopladas em série ao longo de uma linha de sinal ótico. Cada bobina de sensor de fibra é seguida ao longo de acordo com a linha de sinal por uma fibra de gradeamento Bragg adaptada para refletir uma porção de acordo com a luz que a atravessa de volta através de acordo com a linha de sina! ótico. Luz a partir de uma fonte tal como um d iodo laser é modulada para uma sequência binária (ou de bits) pseudo-randômica (PBRS) e é acoplada à tinha de sinal. Um gerador de código que produz a PBRS é também acoplado a um circuito de atraso de tempo. A linha de sinal é também acoplada a um fotodetector. Grupos dos sensores são interrogados por meio de correlação de acordo com a luz refletida de volta ao longo de acordo com a linha de sinal pelos gradeamentos Bragg â luz de entrada modulada. A correlação é realizada com relação ao atraso de tempo adicionado pelo circuito de atraso. O atraso de tempo é específicamente selecionado para interrogar segmentos ao longo do comprimento de acordo com a linha de sinal a partir de acordo com a extremidade de entrada de luz, até um ponto final selecionado em uma das bobinas sensoras. O sinaf correlacionado inclui os efeitos de todos os sensores a partir de acordo com a extremidade de entrada de luz até o ponto final selecionado. Sinais sensores individuais podem ser determinados por subtração de sinais correlacionados que representam diferentes comprimentos selecionados de acordo com a linha de sinal. Uma vantagem objetivada do sistema descrito na Patente 806 de Kersey e outros, é que nenhum acoplamento ótico é necessário entre os sensores individuais e a linha de sinal, com perdas consequentes de amplitude de luz. O sistema descrito na Patente de Kersey e outros é especificamente adaptado para operar em um único comprimento de onda de luz.

Um outro tipo de sistema sensor está descrito na Patente U.S. N° 5,206.924 concedida a Kersey, que inclui uma fonte de luz acoplada a um derivador de feixe de polarização. Uma saída do derivador de feixe de polarização é acoplada a um ou mais sensores de fibra ótica ao longo de uma linha sensora. Os sensores individuais são acoplados à linha sensora em série, e cada sensor ê seguido em série por uma linha de atraso ótico. Cada um dos sensores inclui uma bobina de referência e uma bobina sensora. As extremidades de entrada de cada bobina sensora e de cada bobina de referência são acopladas oticamente à linha de sinal por meio de um acoplador ótico. As extremidades de saída de cada bobina sensora e de cada bobina de referência são terminadas em um rotator Faraday e um espelho. Quando luz passa através do rotator Faraday, seu estado de polarização é girado 45°. Nos sensores do sistema descrito na Patente 924 de Kersey, o espelho em cada terminação de bobina retorna a luz através do mesmo rotator Faraday, novamente girando o estado de polarização/45 Luz retorna através de acordo com a bobina sensora e de acordo com a bobina de referência tendo estados de polarização girados por um total de 90° antes que a luz seja retornada para a linha sensora através do acoplamento ótico. O acoplamento ótico realiza a função de um interfero metro. Padrões de interferência a partir dos acoplamentos óticos ao longo de acordo com a linha sensora são transmitidos de volta para um fotodetector acoplado a uma entrada do derivador de feixe de polarização. Sensores individuais são interrogados por pulsação apropriada de acordo com a luz de entrada para criar um esquema de telemetria em divisão de tempo. Uma vantagem buscada do sistema mostrado na Patente 924 de Kersey é a eliminação substancial de amortecimento de polarização ao longo de acordo com a linha de sinal, sem necessidade de fibras caras de bi-refringêncía elevada “preservadoras de polarização”.

Ainda um outro sistema sensor ótico está descrito na Patente U.S. N° 5.140.154 concedida a Yurek e outros. O sistema descrito na Paten- te 154 inclui um sistema sensor acústico de fibra ótica em linha. O sistema inclui primeira e segunda unidades sensoras de fibra ótica para sensoriar uma propriedade desejada. As primeira e segunda unidades sensoras são conectadas em um sistema linear de tal modo que cada unidade sensora incorpora um sensor funcional completo, e as duas unidades sensoras são separadas uma de acordo com a outra por meio de um elemento de atraso intermediário que responde a ambas, à propriedade desejada que está sendo medida e a tensão ambiental conectada entre os primeiro e segundo sensores para fornecer separação em tempo entre sinais que correspondem à propriedade de medida desejada produzida pelas primeira e segunda unidade sensoras, e sinais produzidos peto sistema em resposta â tensão ambiental que se imprime no elemento de atraso. Cada sensor de fibra ótica produz um feixe de luz coerente modulado em resposta a uma propriedade física medida desejada que se imprime. O elemento de atraso produz um feixe de luz coerente modulado em resposta a ambas, uma propriedade medida desejada que se imprime e tensões ambientais. Feixes de luz coerente modulados produzidos por cada sensor de fibra ótica são separados em tempo de feixes de luz coerente modulados produzidos por meio do elemento de atraso adjacente. Técnicas convencionais de processamento de sinal que discriminam tempo são utilizadas para interrogar apenas as unidade sensoras ou para, de outra forma, eliminar sinais elétricos que correspondem ao feixe de luz coerente modulado produzido pelo elemento de atraso, desacoplando assim tensões ambientais dos sinais elétricos que estão sendo processados.

Continua haver uma necessidade para melhorar o isolamento de sinais sensores individuais em um sistema sensor de fibra ótica, para melhorar a amplitude e fidelidade dos sinais sensores devolvidos para uma unidade de gravação e para minimizar o número de fibras óticas necessárias em qualquer sistema sensor particular de fibra ótica.

Sumário de acordo com a Invenção Um aspecto de acordo com a invenção é um sistema sensor ótico. Um sistema sensor ótico, de acordo com este aspecto de acordo com a invenção, inclui um primeiro sensor ótico que tem uma primeira fibra sensora e um primeiro refletor seletivo de comprimento de onda em uma extremidade de acordo com a primeira fibra sensora. A outra extremidade de acordo com a primeira fibra sensora é acoplada a uma linha de sinal ótico. O sistema inclui um segundo sensor ótico que tem uma segunda fibra sensora e um segundo refletor seletivo de comprimento de onda em uma extremidade de acordo com a segunda fibra sensora. A outra extremidade de acordo com a segunda fibra sensora acoplada à linha de sinal ótico. Os primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda operam em diferentes comprimentos de onda de luz um do outro.

Um outro aspecto de acordo com a invenção é um sistema sensor de fibra ótica. Um sistema sensor de fibra ótica, de acordo com este aspecto de acordo com a invenção, inclui uma primeira fibra sensora e uma primeira fibra de referência acoplada em uma sua extremidade a um lado de um primeiro acoplamento ótico. Um primeiro refletor seletivo de comprimento de onda é acoplado à outra extremidade de cada uma de acordo com a primeira fibra sensora e de acordo com a primeira fibra de referência, Uma segunda fibra sensora é acoplada em uma extremidade a um lado de um segundo acoplamento ótico. O outro lado do segundo acoplamento ótico ê a-coplado a um lado oposto de um dos primeiros refletores seletivos de comprimento de onda de um lado à primeira fibra sensora e à primeira fibra de referência. O sistema também inclui um segundo refletor seletivo de comprimento de onda acoplado à outra extremidade de cada uma de acordo com a segunda fibra sensora e de acordo com a segunda fibra de referência. Os segundos refletores seletivos de comprimento de onda são operacionais em um comprimento de onda diferente de um comprimento de onda operacional dos primeiros refletores seletivos de comprimento de onda.

Um outro aspecto de acordo com a invenção é um sistema sensor sísmico marinho que inclui um navio sísmico adaptado para rebocar no mínimo uma serpentina. O sistema inclui no mínimo uma serpentina sísmica acoplada ao navio. A no mínimo uma serpentina inclui nela no mínimo um sistema sensor. O no mínimo um sistema sensor inclui uma primeira fibra sensora e uma primeira fibra de referência acoplada em uma sua extremida- de a um lado de um primeiro acoplamento ótico. O no mínimo um sistema sensor ainda inclui um primeiro refletor seletivo de comprimento de onda acoplado à outra extremidade de cada uma de acordo com a primeira fibra sensora e de acordo com a primeira fibra de referência. O no mínimo um sistema sensor também incluí uma segunda fibra sensora acoplada em uma extremidade a um lado de um segundo acoplamento ótico. O outro lado do segundo acoplamento ótico é acoplado a um lado oposto de um dos primeiros refletores seletivos de comprimento de onda acoplado em um lado à primeira fibra sensora e à primeira fibra de referência. O no mínimo um sistema sensor também incluí um segundo refletor seletivo de comprimento de onda acoplado à outra extremidade de cada uma de acordo com a segunda fibra sensora e de acordo com a segunda fibra de referência. Os segundos refletores seletivos de comprimento de onda são operacionais em um comprimento de onda diferente de um comprimento de onda operacional dos primeiros refletores seletivos de comprimento de onda.

Outros aspectos e vantagens de acordo com a invenção serão evidentes a partir de acordo com a descrição a seguir e das reivindicações anexas.

Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 mostra uma modalidade exemplo de um sistema sensor de acordo com a invenção. A Figura 2 mostra um sistema de aquisição sísmica marinho que utiliza sensores de acordo com a invenção. A Figura 3 mostra uma modalidade alternativa de um módulo fonte de luz/detector em mais detalhe. A Figura 4 mostra uma modalidade de um sistema sensor ótico de ielemetria combinada FDM/WDM. A Figura 5 mostra uma modalidade de um sistema sensor ótico de telemetria combinada WDM/TDM.

Descrição Detalhada Uma modalidade de um sistema sensor de fibra ótica e sistema de telemetria está mostrada de maneira esquemática na Figura 1. O sistema inclui um módulo fonte se de iuz/detector 11.0 módulo 11 inclui uma fonte de luz 10 que pode ser uma pluralidade de diodos laser ou outro tipo de fonte de luz capaz de emitir luz em uma pluralidade de comprimentos de onda individuais λτλη para saída combinada para uma linha fonte de luz 16. A linha fonte de luz 16 se conecta a uma entrada de um primeiro acoplamento ótico IC1. O primeiro acoplamento ótico IC1 é um acoplamento ótico convencional que inclui dois terminais de entrada e, nesta modalidade, pode incluir um terminal de saída a 10% e um terminal de saída a 90%.

Na presente modalidade, o terminal de saída a 90% pode ser acoplado a uma extremidade de uma primeira libra sensora S1. A primeira fibra sensora St pode ser na forma de uma bobina e, em algumas implementações, pode ser uma bobina sensora acústica ou sísmica. O terminal de saída a 10% pode ser acoplado a uma fibra de referência R1, que também pode ser na forma de uma bobina. Alternativamente, a saída a 10% pode ser acoplada a uma fibra sensora diferente que é arranjada para conduzir luz na direção oposta, ou operar em conjunto com uma primeira fibra sensora S1 em um arranjo assim chamado equilibrado (push-pult). A outra extremidade de acordo com a primeira fibra sensora S1 é terminada em um primeiro refletor seletivo de comprimento de onda REF1. O primeiro refletor seletivo de comprimento de onda REF1 é adaptado para refletir tuz em um primeiro comprimento de onda selecionado λι e para passar a luz em outros comprimentos de onda. Exemplos de um refletor seletivo de comprimento de onda são gradeamentos Bragg e filtro/espelhos de filme fino. Outros tipos de refletores seletivos de comprimento de onda são conhecidos na técnica e incluem, por exemplo, espelhos seletivos de comprimento de onda. Em uma modalidade o refletor seletivo de comprimento de onda REF1 pode ser um espelho rotator Faraday seletivo de comprimento de onda (que pode ser feito de um rotator Faraday acoplado a um espelho ou como um elemento único) que é utilizado para reduzir ou eliminar substancialmente amortecimento de polarização no interferômetro. Em algumas modalidades para reduzir ruí-dos/perdas de polarização, um derivador de feixe de polarização 12 pode ser interposto entre a fonte 10 e a linha fonte 16. Se o derivador de feixe de po- larização 12 é utilizado, apenas uma saída de estado de polarização é tipicamente acoplada à linha fonte 16, A outra extremidade de acordo com a primeira fibra de referência R1 é terminada em um segundo refletor seletivo de comprimento de onda REF2, O segundo refletor seletivo de comprimento de onda REF2 opera substancialmente no mesmo comprimento de onda At como o primeiro refletor seletivo de comprimento de onda REF1. Luz no comprimento de onda selecionado Ai que é refletida pelos primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda REF1 e REF2 é passada de volta através de acordo com a primeira fibra sensora S1 e primeira fibra de referência R1, respectivamente, para o primeiro acoplamento ótico S1, O primeiro acoplamento ótico atua como um ínterferômetro para a luz que retorna através de acordo com a primeira fibra sensora S1 e primeira fibra de referência R1, Luz que retoma através do primeiro acoplamento ótico S1 é atenuada em quantidades opostas às atenuações de luz que passa através do primeiro acoplamento ótico em uma direção para longe de acordo com a fonte de luz 10. Assim, a amplitude de acordo com a luz de acordo com a luz refletida é substancialmente equilibrada entre luz refletida de volta através de acordo com a primeira fibra sensora S1 e a primeira fibra de referência R1.

Luz refletida que deixa o segundo terminal de entrada do primeiro acoplamento ótico IC1 pode ser multiplexada tal como através de um a-coplamento ótico de retorno RC1, para uma linha de retorno de sinal 18. Um padrão de interferência gerado no primeiro acoplamento ótico IC1 corresponde a um sinal físico que se choca na primeira fibra sensora S1. A primeira fibra de referência Rt permanece substancialmente não afetada pelo sinal físico. O sinal físico é relacionado à propriedade ou parâmetro que está sendo medido petos sensores no sistema, Na presente modalidade, a primeira fibra sensora S1, e a primeira fibra de referência R1, seus respectivos refletores seletivos de comprimento de onda REF1 e REF2 e o primeiro acoplamento ótico IC1 formam um primeiro sensor ótico SU1. Na presente modalidade as fibras S1 e R1 podem ser arranjadas de tal modo que o primeiro sensor SU1 é um hidrofone de fibra ótica. O primeiro sensor ótico SU1 retor- na para a linha de retorno 18 um padrão de interferência no primeiro comprimento de onda de luz selecionado λι. O lado do primeiro refletor seletivo de fibra ótica REF1 oposto ao lado acoplado à primeira fibra sensora S1 é acoplado à entrada de luz de um segundo sensor ótico configurado de maneira similar SU2. O segundo sensor ótico SU2 inclui uma fibra ou bobina sensora $2, uma fibra de referência bobina R2 e um acoplamento ótico IC2 similar em configuração àqueles do primeiro sensor SU1. O que é diferente no segundo sensor SU2 são os terceiro REF3 e quarto REF4 refletores seletivos de comprimento de onda acoplados às outras extremidades das bobinas S@, R2, respectivamente. Os terceiro REF3 e quarto REF4 refletores refletivos seletivos de comprimento de onda refletem, cada um, luz em um segundo comprimento de onda diferente À2 do que os primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda REF1, REF2, respectivamente. Assim, a saída do segundo sensor SU2, que pode ser multiplexada para a linha de retorno 18 por meio de um segundo acoplamento de retomo RC2 inclui um padrão de interferência de luz no segundo comprimento de onda, e que corresponde a sinais detectados pela segunda bobina sensora 52. Luz refletida pelos refletores seletivos de comprimento de onda REF3, REF4 no segundo sensor SU2 pode ser multiplexada para a linha de retorno 18 por meio de um segundo acoplamento de retomo RC2. O lado oposto do terceiro refletor seletivo de comprimento de onda REF3 pode ser acoplado à entrada no acoplamento IC3 de um terceiro sensor ótico SU3 em uma maneira similar à entrada no acoplamento IC2 do segundo sensor SU2 que é acoplado ao lado oposto ao do primeiro refletor seletivo de comprimento de onda REF1. O terceiro sensor SU 3 inclui uma bobina sensora S3, bobina de referência R3 e refletores seletivos de comprimento de onda REF5, REF6 que refletem luz em um terceiro comprimento de onda fa. De maneira similar, sensores adicionais (não mostrado na Figura 1) podem ser incluídos, cada um refletido internamente um comprimento de onda diferente λ4-λη, e multiplexando um padrão de interferência sobre a linha de retomo 18 por meio de um acoplamento de retomo associado (não mostrado).

Em algumas modalidades» um isolador ótico 11, 12 pode ser interposto entre a saída de acordo com a fonte de luz (o outro lado do refletor seletivo de comprimento de onda REF1, REF2, REF3 acoplado a cada bobina sensora S1, S2 S3) de cada bobina sensora e a saída de luz do sensor ótico seguinte para impedir que qualquer luz refletida a jusante penetre no sensor ótico de montante, Â modalidade mostrada na Figura 1 inclui a saída a 90% de cada acoplamento ótico conectado IC1, 1C2, IC3 à fibra sensora correspondente S1, S2 , S3 e a extremidade de saída de cada refletor seletivo de comprimento de onda correspondente REF1» REF3» REF5 5 é acoplada à entrada do acoplamento ótico sucessivo, O terminal de saída a 10% de cada acoplamento ótico IC1, IC2, IC3 é acoplado à fibra de referência correspondente R1, R2, R3. Deveria ser entendido que um sistema de acordo com a invenção também irá trabalhar se os terminais de saída de luz de cada acoplamento ótico IC1» IC2, IC3 forem invertidos, e a entrada sucessiva de cada acoplamento ótico fosse acoplada aos refletères seletivos de comprimento de onda REF2, REF4, REF6 no lado de jusante de cada fibra de referencia RI, R2, R3. A linha de retomo de sinal 18 pode ser acoplada através dos acoplamentos seletivos de comprimento de onda 14D, 14E, 14F, ou filtros a fotodetectores 14A, 14B, 14C. Cada fotodetector gera um sinal elétrico correspondente à amplitude de luz em um dos comprimentos de onda ÁrAn e assim ao parâmetro físico que está sendo medido por cada sensor SU1, SU2, SU3.

Em algumas modalidades, um primeiro rotator Faraday F1, F3, F5 pode ser interposto entre a outra extremidade de cada fibra sensora S1, S2, S3eo refletor seletivo de comprimento de onda correspondente REF1» REF2, REF3. Um rotator Faraday similar F2» F4, F6 pode ser acoplado como mostrado na Figura 1 à extremidade de saída de cada fibra de referência R1, R2, R3. Em tais modalidades o rotator Faraday preferivelmente gira o estado de polarização de acordo com a luz por cerca de 45o» de tal modo que luz que retoma para as respectivas fibras S1-S3, R1-R3 têm polarização substancialmente ortogonal à luz que penetra em cada fibra. Em tais modalidades a linha de retorno de sinal 18 pode ser acoplada ao terminal de saída do derivador de feixe de polarização 12 que é ortogonal ao terminal de saída acoplado à linha de entrada 16. A segunda entrada do derivador de feixe de polarização 12 pode ser acoplada através de acoplamentos seletivos de comprimento de onda 14D, 14E, 14F, ou filtros, a um fotodetector correspondente 14Ά, 14B, 14C. Cada fotodetector gera um sinal elétrico que corresponde à amplitude de luz em um dos comprimentos de onda ArAn e assim ao parâmetro físico que está sendo medido por cada sensor SU1, SU2, SU3. Uma vantagem possível de utilizar espelhos rotatórios Faraday quando os elementos de reflexão como os elementos de reflexão é eliminar substancialmente amortecimento de polarização na unidade sensora SU1-SU3 e linha de retorno 18. Tais vantagens estão explicadas na Patente U.S. N° 5.206.924 concedida a Kersey, a qual é aqui incorporada para referência. Um sistema sensor feito como explicado com referência à Figura 1 pode ser utilizado em um número de aplicações de sistemas sensores. Uma tal aplicação é sensoriamento sísmico, como será explicado com referência à Figura 2. Uma outra aplicação possível são sensores permanentemente colocados em um furo de poço perfurado através de formações de acordo com a Terra.

Uma modalidade de um sistema de aquisição sísmica marinho que utiliza o sistema sensor de acordo com a invenção está mostrada na Figura 2. O sistema inclui um navio sísmico 20 adaptado para rebocar uma ou mais serpentinas sísmicas 28 em um corpo de água 22. A serpentina é um cabo reforçado, adaptado para ser rebocado através de acordo com a água 22, e pode incluir uma ou mais fibras óticas (não mostrado) e um ou mais condutores elétricos (não mostrado). O navio 20 ou um outro navio (não mostrado) pode rebocar uma fonte de energia sísmica 26 que pode ser um canhão de ar, ou um sistema de tais canhões. O navio sísmico 20 pode incluir um sistema de gravação 24 que inclui equipamento de navegação para determinar a posição geográfica do navio 20 e cada um de acordo com a fonte 26 e uma pluralidade de sensores sísmicos 30A-30D em uma ou mais serpentinas 28. O sistema de gravação pode incluir um dispositivo para detectar e gravar sinais gerados por cada um dos sensores 30A-30H, indexados com relação ao tempo de atuação de acordo com a fonte 26. O navio 20 pode incluir dentro do sistema de gravação 24 um controlador de fonte para sincronizar de maneira precisa a atuação de acordo com a fonte.

Os sensores 30A-30H podem ser configurados substancialmente como mostrado e como explicado com referência à Figura 1, onde cada sensor 30A-30H inclui refletores seletivos de comprimento de onda operacionais em diferentes comprimentos de onda. O número de sensores mostrado na Figura 2 é apenas significativo para ilustrar a configuração genérica de um sistema de sensor sísmico, e não tem a intenção de limitar o escopo de a-cordo com a invenção.

Em operação, a fonte 26 é atuada periodicamente, e energia sísmica viaja genericamente para fora a partir de acordo com a fonte. A e-nergia sísmica penetra no fundo de acordo com a água 32 até que seja refletida em um ou mais limites de ímpedância acústicos (não mostrado) na sub-superfície 34. Energia sísmica refletida detectada pelos sensores 30A-30H. Sinais correspondentes à energia sísmica detectada podem ser processados de acordo com qualquer um de diversos métodos bem conhecidas na técnica. A Figura 3 mostra uma modalidade alternativa do módulo fonte de luz/detector 11A que incluí multiplexação em divisão de frequência para possibilitar a interrogação de mais sensores individuais que utilizam o mesmo número de linhas fonte e de linhas de retorno de sinal. O módulo 11Ά inclui o mesmo tipo de fonte de luz 10 como na modalidade precedente, a saber, uma pluralidade de d iodos laser ou fonte similar que imprimem comprimentos de onda individuais de luz combinados para a linha fonte 16 na Figura. Na presente modalidade, a saída de luz de acordo com a fonte 10 é modificada por um modulador 13. A modulação inclui variar a saída de luz de acordo com uma frequência e forma de onda selecionadas. Uma técnica de modulação adequada está divulgada na Patente U.S.N°4.648.083 concedida a Giallorenzi, e aqui incorporada para referência. Tais técnicas de modulação são referidas como multipiexação em divisão de frequência. Um gerador de sinal (não mostrado de maneira separada) faz parte do modulador 13 e também aciona um desmodulador 15A, 15B, 15C acoplado à saída elétrica de cada um dos fotodetectores 14A, 14B, 14C. Os fotodetectores 14A, 14B, 14C são substancialmente como explicado com referência à Figura 1 e fornecem uma saída de sinal para cada comprimento de onda λι-λπ. O desmodulador fornece uma saída de sinal separada para cada frequência de modulação YrYn- Um sistema que tem um módulo fonte de iuz/detector como mostrado na Figura 3. pode interrogar tanto os sensores individuais quanto o produto do número de frequências e o número de comprimentos de onda.

Uma modalidade de exemplo de um sistema sensor que utiliza telemetria combinada multiplexada em divisão de freqüência/multiplexada em divisão de comprimento de onda, está mostrada na Figura 4. Luz a partir de acordo com a fonte 10 na Figura 3 que foi modulada em uma pluralidade de diferentes frequências portadoras é transmitido ao longo de uma linha de entrada 16A, 16B para cada frequência Y1-Y2 respectivamente. Os subsiste-mas sensores que incluem acopladores de entrada IC, sensores S, espelhos rotatórios Faraday seletivos de comprimento de onda F, referências Rea-copladores de retorno R, podem ser feitos substancialmente como explicado acima com referência à Figura 1. Luz retomada na linha de retomo irá consistir em diversas frequências de modulação como mostrado em 18A na Figura 4.

Uma outra implementação utiliza telemetria multiplexada em divisão de comprimento de onda (WDM) combinada com telemetria multiplexada em divisão de tempo (TDM). Um exemplo de tal implementação está mostrado na Figura 5. Uma fonte de luz 10A incluí um modulador (não mostrado) de forma separada para fazer com que a fonte 10A emita pulsos de luz a uma taxa de pulso selecionada e largura de pulso selecionada. A fonte 10A inclui uma pluralidade de comprimentos de onda óticos, mostrados como somente dois comprimentos de onda (γι e y2) para simplicidade de acordo com a ilustração. O sistema inclui duas unidades sensoras SUA e SUb cada uma das quais inclui acopiadores de entrada IC, sensores S, bobinas de referência R» refletores seletivos de comprimento de onda F e acoplado-res de retorno RC. As unidades sensores SUA e SUb podem ser feitas substancia Imente como explicado com referência à Figura 1 para que uma pluralidade de comprimentos de onda de luz possam ser muítiplexados ao longo de uma única linha de entrada de luz 16 e retornados em uma única linha 18. O pulso de luz na linha de entrada 16 alcança SUA e ê atrasado em tempo antes de alcançar SUb utilizando uma linha de atraso D que pode ser formada a partir de um comprimento de fibra ótica. Na linha de retorno 18, luz a partir de SUb será atrasada por uma quantidade selecionada de tempo antes de alcançar a segunda unidade sensora SUA. A luz de retorno pode ser desmultiplexada em um desmultiplexador 32 que é referenciado em tempo à fonte 10A, de tal modo que sinais a partir de cada unidade sensora SUA e SUb podem ser separados. Sinais sensores individuais são assim identificados com relação à unidade sensora com base no atraso de tempo e no comprimento de onda individual, como mostrado na Figura 5, Embora a invenção tenha sido descrita com relação a um número limitado de modalidades, aqueles versados na técnica, que têm o benefício desta divulgação, irão apreciar que outras modalidades podem ser previstas, as quais não se afastam do escopo de acordo com a invenção como aqui divulgada. Consequentemente, o escopo de acordo com a invenção deveria ser apenas limitado pelas reivindicações anexas.

REIVINDICAÇÕES

Claims (40)

1. Sistema sensor de fibra ótica que compreende: uma primeira fibra sensora (S1) e uma primeira fibra de referência (R1), cada uma acoplada em uma sua extremidade a um lado de um primeiro acoplamento ótico (IC1); um refletor seletivo de comprimento de onda (REF1) operacional em um primeiro comprimento de onda acoplado à outra extremidade de cada uma de acordo com a primeira fibra sensora (S1) e de acordo com a primeira fibra de referência (R1); uma segunda fibra sensora (S2) acoplada em uma extremidade a um lado de um segundo acoplamento ótico (IC2), caracterizado pelo fato de que o outro lado do segundo acoplamento ótico (IC2) acoplado ao lado oposto de um dos primeiros refletores seletivos de comprimento de onda (REF1) acoplado em um lado à primeira fibra sensora (S1) e de acordo com a primeira fibra de referência (R1); e um refletor seletivo de comprimento de onda (REF3, REF4) operacional em um segundo comprimento de onda acoplado à outra extremidade de cada um de cada uma da segunda fibra sensora (S2) e da segunda fibra de referência (R2), os refletores seletivos de comprimento de onda (REF3, REF4) operacionais em um comprimento de onda diferente do comprimento de onda operacional dos primeiros refletores seletivos de comprimento de onda (REF1).

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os primeiro (IC1) e o segundo (IC2) acoplamentos óticos formam, cada um, um interferômetro ótico com relação às primeira e segunda fibras sensoras e fibras de referência.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma linha de retorno de sinal (18) acoplada a um lado do primeiro acoplamento ótico (IC1) e acoplada a um lado do segundo acoplamento ótico (IC2).

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um isolador ótico (11) interposto entre o outro lado do segundo acoplamento ótico (IC2) e um dos primeiros refletores seletivos de comprimento de onda oticamente acoplados ao segundo acoplamento ótico (IC2).

5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma fonte de luz de diversos comprimentos de onda (10) acoplada ao outro lado do primeiro acoplamento ótico (IC1).

6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um modulador de frequência (13) acoplado operacionalmente à fonte de luz (10) para possibilitar multiplexação de sinais em divisão de frequência.

7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma pluralidade de sensores adicionais, cada sensor adicional compreendendo uma fibra sensora (S), uma fibra de referência (R), um acoplamento ótico (IC) e um refletor seletivo de comprimento de onda (F) acoplado a uma extremidade de cada fibra sensora (S) e fibra de referência (R), os refletores seletivos de comprimento de onda (f) para cada sensor operacional em um comprimento de onda diferente do comprimento de onda operacional dos outros sensores no sistema.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores adicionais é dividida em uma pluralidade de grupos sensores (16A, 16B), cada grupo incluindo pelo menos dois dos sensores, pelo menos dois dos grupos acoplados um ao outro através de uma linha de atraso ótico (D), o sistema ainda compreendendo um modulador (13) acoplado à fonte de luz (10), o modulador (13) adaptado para pulsar a fonte de luz (10) para possibilitar detecção de sinal múltiplex em divisão de tempo a partir de cada um dos pelo menos dois grupos sensores.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um derivador de feixe de polarização (12) interposto entre uma fonte de luz (10) e outro lado do primeiro acoplamento ótico (IC1).

10. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira fibra de referência (R) compreende uma fibra sensora (S) que tem um trajeto de luz operacional na direção oposta a um trajeto de luz operacional na primeira fibra sensora (S1).

11. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um dos primeiro (REF1) e segundo (REF2) refletores seletivos de comprimento de onda compreendem um gradeamento Bragg.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos primeiro (REF1) e segundo (REF2) refletores seletivos de comprimento de onda compreende um espelho seletor de comprimento de onda.

13. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro (REF1) e segundo (REF2) refletores seletivos de comprimento de onda compreendem espelhos rotatórios Faraday.

14. Sistema sensor sísmico marinho que compreende: um navio sísmico (20) adaptado para rebocar pelo menos um streamer (28); e pelo menos um streamer (28) sísmico acoplado ao navio, o pelo menos um streamer incluindo pelo menos nela um sistema sensor (30A), o pelo menos um sistema sensor (30A) compreendendo uma primeira fibra sensora (S1) e uma primeira fibra de referência (R1) acopladas em uma sua extremidade a um lado de um primeiro acoplamento ótico (IC1), um refletor seletivo de comprimento de onda (REF1, REF2) operacional em um primeiro comprimento de onda acoplado à outra extremidade de cada uma das primeira fibra sensora (S1) e a primeira fibra de referência (R1), uma segunda fibra sensora (S2) e uma segunda fibra de referência (R2) cada qual acoplada em uma extremidade a um lado de um segundo acoplamento ótico (IC2), caracterizado pelo fato de que o outro lado do segundo acoplamento ótico (IC2) acoplado a um lado oposto de um dos primeiros refletores seletivos de comprimento de onda (REF1, REF2) acoplado em um lado à primeira fibra sensora (S1) e à primeira fibra de referência (R1) e um refletor seletivo de comprimento de onda (REF2) operacional em um segundo comprimento de onda acoplado à outra extremidade de cada uma das segunda fibra sensora (S2) e segunda fibra de referência (R2), os segundos refletores seletivos de comprimento de onda (REF2) operacionais em um comprimento de onda diferente de um comprimento de onda operacional dos primeiros refletores seletivos de comprimento de onda (REF1).

15. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que os primeiro (IC1) e segundo (IC2) acoplamentos óticos formam, cada um, um interferômetro ótico com relação às primeira e segunda fibras sensoras e fibras de referência.

16. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma linha de retorno de sinal (18) acoplada a um lado do primeiro acoplamento ótico (IC1) e acoplada a um lado do segundo acoplamento ótico (IC2).

17. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um isolador ótico (11) interposto entre o outro lado do segundo acoplamento ótico (IC2) e um dos primeiros refletores seletivos de comprimento de onda (REF1, REF2) oticamente acoplado ao segundo acoplamento ótico (IC2).

18. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma fonte de luz de diversos comprimentos de onda (10) acoplada ao outro lado do primeiro acoplamento ótico (IC1).

19. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um modulador de frequência (13) operacionalmente acoplado à fonte de luz (10) para possibilitar multiplexação de sinais em divisão de frequência.

20. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma pluralidade de sensores adicionais, cada sensor adicional compreendendo uma fibra sensora (S), uma fibra de referência (R), um acoplamento ótico (IC) e um refletor seletivo de comprimento de onda (REF) acoplado a uma extremidade de cada fibra sensora e fibra de referência, os refletores seletivos de comprimento de onda (REF) para cada sensor adicional operacionais a um comprimento de onda diferen- te do comprimento de onda operacional dos outros sensores no sistema.

21. Sistema de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores adicionais é dividida em uma pluralidade de grupos sensores (SUA, SUB), cada grupo incluindo pelo menos dois dos sensores, pelo menos dois dos grupos acoplados um ao outro através de uma linha de atraso ótico (D), o sistema ainda compreendendo um modulador (13) acoplado à fonte de luz (10), o modulador adaptado para pulsar a fonte de luz (10) para possibilitar detecção de sinal multiplexado em divisão de tempo a partir de cada um dos pelo menos dois grupos sensores.

22. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que ainda compreendendo um derivador de feixe de polarização (12) interposto entre uma fonte de luz (10) e outro lado do primeiro acoplamento ótico (IC1).

23. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a primeira fibra de referência (R) compreende uma fibra sensora que tem um trajeto de luz operacional (18) na direção oposta de um trajeto de luz operacional na primeira fibra sensora.

24. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda (REF1, REF2) compreende um gradeamento Bragg.

25. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda compreende um espelho seletivo de comprimento de onda.

26. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda compreendem espelhos rotatores Faraday.

27. Sistema sensor ótico, compreendendo: um primeiro sensor ótico que inclui uma primeira fibra sensora (S) e um primeiro refletor seletivo de comprimento de onda (F) em uma extremidade da primeira fibra sensora (S), a outra extremidade de acordo com a primeira fibra sensora (S) acoplada a uma linha de sinal ótico (18); e um segundo sensor ótico que inclui uma segunda fibra sensora (S) e um segundo refletor seletivo de comprimento de onda (F) em uma extremidade de acordo com a segunda fibra sensora (S2), caracterizado pelo fato de que a outra extremidade de acordo com a segunda fibra sensora (S) acoplada à linha de sinal ótico (18), os primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda operacionais em diferentes comprimentos de onda de luz um do outro.

28. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que cada um dos primeiro e segundo sensores óticos compreende uma fibra de referência (R), cada fibra de referência e cada uma das primeira e segunda fibra sensoras (S), respectivamente, acopladas a um primeiro e um segundo interferômetro (IC).

29. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um dos primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda compreende um gradeamento Bragg.

30. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda compreende um espelho seletivo de comprimento de onda.

31. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma linha de retorno de sinal acoplada a um lado do primeiro sensor ótico e acoplada a um lado do segundo sensor ótico.

32. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que ainda compreendendo um isolador ótico (11) interposto entre o primeiro sensor ótico e o segundo sensor ótico, os primeiro e segundo sensores óticos acoplados em série ao longo de acordo com a linha de sinal ótico.

33. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um modulador de frequência (13) acoplado operacionalmente à fonte de luz (10) para possibilitar multiplexação de sinais em divisão de frequência.

34. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma pluralidade de sensores adicionais, cada sensor adicional compreendendo uma fibra sensora, uma fibra de referência, um acoplamento ótico e um refletor seletivo de comprimento de onda (REF) acoplado a uma extremidade de cada fibra sensora e fibra de referência, os refletores seletivos de comprimento de onda para cada sensor adicional operacionais a um comprimento de onda diferente do comprimento de onda operacional dos outros sensores no sistema.

35. Sistema de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores adicionais é dividida em uma pluralidade de grupos sensores (SUA, SUB), cada grupo incluindo pelo menos dois dos sensores, pelo menos dois dos grupos acoplados um ao outro através de uma linha de atraso ótico (D), o sistema ainda compreendendo um modulador (13) acoplado à fonte de luz (10), o modulador (13) adaptado para pulsar a fonte de luz para possibilitar detecção de sinal multiplexado em divisão de tempo a partir de cada um dos pelo menos dois grupos sensores.

36. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um derivador de feixe de polarização (12) interposto entre uma fonte de luz (10) e o outro lado do primeiro acoplamento ótico (IC1).

37. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que a primeira fibra de referência (R) compreende uma fibra sensora que tem um trajeto de luz operacional na direção oposta a um trajeto de luz operacional na primeira fibra sensora.

38. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda compreende um gradeamento Bragg.

39. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda compreende um espelho seletivo de comprimento de onda.

40. Sistema de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo refletores seletivos de comprimento de onda compreendem espelhos rotatórios Faraday.