CN100520305C - 产生并传输用于长距离测量的高能光脉冲的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明说明一种产生并传输高能光脉冲的方法及设备。分布式温度传感器，通常使用光纤中的Raman散射，作为确定温度的手段。这里需指出，来自激光光源的光沿光纤发送，然后分析被散射回光源的少量光。随着光纤长度的增加，温度和损耗测量的分辨率变得更低劣。这是因为光纤中存在引起信号衰减的损耗。这一问题的一个解决方案，是把更强的光注入光纤来补偿损耗，但是，能注入多少光，是受受激Raman散射限制的。本发明通过使用脉冲变换方法，使得到的脉冲能量最大化，同时把功率保持在SRS阈值以下，解决了这一问题。

Description

产生并传输用于长距离测量的高能光脉冲的方法及设备

技术领域

本发明涉及感测系统，涉及一种产生并传输高能光脉冲的方法及设备，用于感测，特别是用于长距离测量，更具体说，是用于被测量对象，诸如温度及长距离上损耗的分布式光纤测量，还涉及用于该种系统的发射器、用于该种系统的接收器、和用于该种系统产生脉冲的设备及方法。

背景技术

工业上需要测量长距离上的所有点的温度。典型的用途是监控长的光缆及管道。因为这些结构可以非常长，所以需要能在非常长的距离上工作的感测系统。在通信和感测中需要测量沿光纤的损耗。因为这些光纤非常长，所以需要一种工作在非常长距离上的损耗测量系统。

分布式温度传感器通常使用光纤中的Raman散射，作为确定温度的手段。这里需指出，来自激光光源的光沿光纤发送，然后分析被散射回光源的少量光。通过使用脉冲光并测量作为时间函数的返回信号，能够确定沿光纤所有点上产生的后向散射光。该后向散射光包含在频率上从光源向上频移和向下频移的分量(分别是Raman及Brillouin的反Stokes光和Stokes光)，和弹性散射光(Rayleigh光)。返回的Raman及Brillouin信号的功率，与温度有关，于是从这些分量的分析可以得到温度。通常用Raman Stokes和反Stokes信号确定温度，但是有时用Rayleigh光作参考，有时还用Brillouin分量。Rayleigh光，和有时是Raman Stokes光，常常用于测量沿光纤的损耗。

一个例子可以从涉及光纤侵入感测的US专利5,194,847了解。在该例子中，为使感测侵入预定的周长，把相干的脉冲光注入沿预定周长放置的光感测光纤。响应该相干光脉冲的接收，产生后向散射光，并耦合进光接收光纤。后向散射光由光电检测器检测，且侵入可以由后向散射光中的变化检测。为增加设备的灵敏度，还可以采用参考光纤和干涉仪。

随着光纤长度的增加，温度和损耗测量的分辨率变得更低劣。这是因为光纤中存在引起信号衰减的损耗。随着光纤长度的增加，在光纤长度上的整个损耗也增加，于是，从远端返回的信号更小，结果导致更大的噪声。一个显而易见的解决该问题的方案，是把更强的光注入光纤来补偿损耗，但是，能注入多少光，是存在极限的。这是因为，当沿光纤发送高功率的光时，非线性效应随光纤长度的增加而变得更显著。这些非线性效应中最成问题的是受激Raman效应。该受激Raman效应，从光源的光吸收功率，并使光向Raman Stokes信号的波长频移。通常正是该受激Raman散射(SRS)，限制该种类型分布式传感器可以工作的长度。已经知道，为尝试缓解该问题，“OpticalTime Domain Reflectometry”，Hartog，Arthur，Harold，和1997年1月8日的WO 1998 GB 0000028，提出一种使SRS阈值出现在更高输入功率的光纤，以便更多的功率可以用在这种光纤中。但是，这种解决途径是有限制的，因为它要求的技术是在可能很昂贵的、专门的光纤中使用。该解决途径还不允许系统在业已安装的普通光纤上使用。

温度和损耗的分辨率，随光纤长度的增加而变得更低劣的另一个原因，是每一脉冲更长的往返行程延时。通常，任何时候在光纤中只能有一个脉冲才是有用的，否则不可能确定返回的信号产生在何处(多个脉冲的后向散射信号将重叠)。光脉冲沿光纤传播的时间，与光纤长度成正比，所以，随光纤长度的增加，能够注入的脉冲之间的时间，必需增加。因为通常需要求许多平均，才能以合理的精度来测量信号，所以，降低脉冲重复率的必要性表明，随着感测长度的增加，测量的精度变得更低。但是，SRS阈值不能无限提高，而脉冲重复率仍然受脉冲通过光纤全部长度的往返行程时间的限制。

另一个误差来源是不同波长上的微分损耗。这是最普通类型光纤的一种性质，并且是误差的来源，因为温度的计算涉及确定不同波长上返回的光功率的比值。Raman Stokes和反Stokes分量频移到不同波长上，从而经受不同的损耗量。随着沿光纤需要测量的点的距离的增加，这一误差来源变得更显著。有些时候，可能要通过选择注入的波长，使对给定光纤的微分损耗最小，来降低该误差。也可能要使用两个光源或单个可调谐光源，在两种不同波长上发射，用来自一个光源的Stokes波长和来自另一个光源的反Stokes波长进行测量，以抵消微分损耗。这种方法见US专利4,767,219。这种方法能抵消微分损耗误差，但要确保两个光源有充分相同的工作寿命，不致引入其他的误差，将是困难或昂贵的。单个可调谐光源较为不实际，因为难以调谐和使该光源产生脉冲。

EP0502422示出：OTDR设备具有用于产生脉冲的激光器、用于利用非线性效应、单模光纤中的感应Raman散射来对脉冲的波长进行偏移的光纤。衰减器用于控制在向感测光纤中发射之间的输出功率。接收器用于感测后向散射以检测沿着感测光纤的每个点的损耗。

发明内容

本发明的一个目的，是提供改进的设备和方法。按照本发明的第一方面，是提供：

一种感测系统，用于沿波导发送电磁信号，以感测沿波导一个或多个感测位置上的状态，本系统包括发射器装置，用于发射适当功率和脉冲长度的脉冲，通过在到达感测位置前的受激非弹性散射过程，引起该脉冲的受控变换，变换为不同的波长，所述发射装置具有脉冲整形器，用于使脉冲沿光纤发送前，把脉冲加长，本系统包括接收装置，用于接收从感测位置返回的信号，并根据接收的信号，确定这些状态。

本系统巧妙地利用了非线性效应，该非线性效应是迄今避免发生或使之降至最小的。在经过短的转变长度之后，所有原先的光被变换到该新的波长上，然后用该新波长照射光纤剩余的长度。一个优点是，本系统对给定的感测精度或分辨率，能提高该距离极限，因为注入的功率可以大得多，因而能够检测沿光纤从更大距离返回的返回光信号。另一个优点是，本系统能提供一种自优化过程，因为随着距离的增加，光频移到更长波长，而更长的波长导致更低的光纤散射损耗。该电磁信号可以是光信号或其他波长。该形状是指例如功率对时间曲线的形状。峰值功率是形状的一部分，它对控制SRS波长变换发生的地点有强烈的影响，但脉冲宽度及传输媒体的特性，也有部分影响。

作为附加的特征，可以配置注入功率，使光纤的不同部分被多于一种不同波长照射，还可以配置接收装置，使它区分每一不同波长上返回的光信号。配置该接收装置的一个优点是，它能实现在同一时间使多于一个脉冲沿光纤传播。可以对这些脉冲定时，使当第一脉冲已经变换到不同波长时，发送后继的脉冲。现在，通过适当的滤波，能够在接收器上，区分从后继脉冲的后向散射，和从第一脉冲在不同的波长上需要的后向散射。对给定精度和空间分辨率，该区分能力可以增加脉冲的重复率，通过实现更多的平均或允许更快的感测，进一步改进感测的精度。

作为又一个附加的特征是，使发射装置调整注入的功率，把发生变换的转变长度，移至光纤的不同部分。这对避免因转变长度引起的感测覆盖区空隙，是有用的。

作为又一个附加的特征是，再令接收装置接收变换前从一个或多个另外的感测位置返回的信号。这样可用变换前更高功率的脉冲，实施更短距离的感测，又可用波长已变换的脉冲实施更长距离的感测。

作为又一个附加的特征是，配置感测系统补偿不同的光纤损耗。作为又一个附加的特征，发射装置包括产生脉冲的源、用于把脉冲分解为两个或更多脉冲流的分解器、和在沿光纤发送两个脉冲流之前变换脉冲流之一波长的变换器，以实现微分光纤损耗的补偿。

作为又一个附加的特征是，配置接收装置检测从第一波长上的脉冲之一返回的向上频移分量，和检测从第二波长上发射的脉冲之一返回的向下频移至第一波长的向下频移分量，对微分损耗进行补偿。这表明，该两个分量已经经受相同的损耗，与微分损耗的量无关，因此，这两个分量的比值将抵消任何微分损耗。

作为又一个附加的特征是，系统有控制器，用于控制脉冲的重复率。该控制器对重复率的最大化，例如，达到在任何时间各转变区之间每一段有一个脉冲的极限，是有用的。如果改变功率，以引起沿光纤更多的波长变换，那么，该控制器有助于利用更高重复率的可能性。

其他特征可以包括发射装置，作为感测系统的一部分，用于沿光纤发送和接收光信号，以便感测沿光纤的状态，该发射装置有产生脉冲流的源、用于把脉冲分解为两个或更多脉冲流的分解器、和在沿光纤发送两个脉冲流前，变换脉冲流之一的波长的变换器。

从单个源创建两个脉冲流的优点是，不需要精确控制两个激光器的波长间距，能精确校正微分光纤损耗。

每一脉冲流可以有足够的功率，以便信号波长能被SRS变换，并在至少两种不同波长上照射感测光纤，对微分光纤损耗实施测量和校正，其中，该至少两种不同波长是被其他波长的Stokes波长频移分开的。

作为附加的特征，该源及分解器用于为到达变换器的脉冲提供足够的功率，以便通过受激非弹性散射，实施变换。

作为附加的特征，该发射装置还包括脉冲整形器，用于在沿光纤发送之前，使脉冲加长。

作为附加的特征，该脉冲整形器包括色散单元。这是获得脉冲扩展，以便控制峰值功率及脉冲宽度，同时保持脉冲能量的一种方法。更长的脉冲宽度降低空间分辨率，但更高的脉冲能量可改进检测及感测精度，或例如对给定精度改进距离。该色散单元是可供选择地纳入变换器内，以便使单元数量保持最少。

作为附加的特征，该脉冲整形器包括脉冲串发生器和色散单元，该脉冲串发生器用于把每一脉冲变换为脉冲串，该色散单元用于对脉冲串整形。本特征的一个优点是，对给定色散量，能够使脉冲在时间上扩展得更宽。这样能够产生更平坦地扩展的脉冲，并降低在需要大量色散时引起的费用、延时、和损耗。对给定功率电平，宽扩展的脉冲对给出更多能量从而更远的距离是有用的。

其他特征包括如下设备，用于启动一个或多个受激Raman光的产生，使光纤的不同部分被不同波长照射，以便可以使用高的输入功率，并使光纤中有多于一个的脉冲；本设备还用于测量后向散射光不同分量的功率，以便实现长距离上温度和/或损耗的分布式测量，本设备包括：至少一根提供散射媒体的光纤、光源、光学滤波装置、和把光信号变换为电信号的装置，该变换装置可以包括单个检测器或检测器阵列。

本方面提供的是一种感测系统，用于沿光纤发送及接收光信号，以便感测沿光纤的状态，本系统有发射装置和接收装置，该发射装置用于启动一个或多个受激Raman光的产生，使光纤的不同部分能被不同波长照射，还用于同时发射多于一个的脉冲，送进光纤；该接收装置用于测量后向散射光不同分量的功率，以便在长距离的光纤上进行感测，该接收装置有光学滤波装置和一个或多个检测器，用于把光信号变换为电信号。

作为从属权利要求的附加的特征，该接收装置用于区分从前向传播脉冲向后散射的Raman Stokes或Raman反Stokes或Rayleigh波长。这些分量能够用于校正光纤的损耗，和计算沿感测光纤的温度。

作为又一个附加的特征，该接收装置有滤波器，配置该滤波器是用于在波长变换之前，在比发射的脉冲波长稍稍偏移的波长上，收集需要的后向散射信号。该滤波器有助于避免反Stokes波长与Rayleigh散射之间的串扰，该反Stokes波长是在变换后从脉冲返回的，该Rayleigh散射是在相同波长上，从仍在传播的启动脉冲任何剩余部分变换之前返回的。

作为又一个附加的特征，是以不同脉冲功率重复测量，并用测量结果校正非线性。

作为又一个附加的特征，本系统包括光纤。

作为又一个附加的特征，是使本系统控制脉冲的功率，改变发生波长变换的转变长度沿光纤的位置。

作为又一个附加的特征，该发射装置包括激光器、用于从激光器输出产生脉冲的调制器、和用于放大脉冲的光放大器。这些装置有助于使脉冲整形更容易控制。

作为又一个附加的特征，该接收装置有滤波器，用于从一段光纤后向散射的Raman Stokes、和/或Raman反Stokes、和/或Rayleigh信号中，收集不与从其他段后向散射的等价分量显著重叠的信号分量。

作为又一个附加的特征，该接收装置，用于比较返回的RamanStokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信号分量之一、之二、或全部，以校正信号中的任何非线性。

作为又一个附加的特征，该接收装置，使用与被感测状态关系处于饱和、非线性区的返回的Raman Stokes和Raman反Stokes分量的组合，来补偿非线性。

本发明的其他方面，是使用脉冲变换方法，优化最后的脉冲能量，同时保持功率在SRS阈值以下。对如上所述利用SRS波长变换的系统，该脉冲变换方法是有用的。

按照本发明的本方面，是提供对光输入脉冲整形的脉冲整形器，其用于输出适合于在远程感测系统中发射的一个脉冲或多个脉冲，该整形器有用于从输入光脉冲产生脉冲串的脉冲串发生器和位于该发生器前面或后面的色散单元，该发生器包括用于把在两个或多个有不同延时的路径之间输入的光脉冲分解以产生延时脉冲的分解器和组合器，该组合器把延时的脉冲组合，产生脉冲串；而该色散单元分别把输入脉冲或脉冲串扩展。

这能使光脉冲为各种用途修改自己的形状(例如在不同时间或距离上的功率曲线方面)。这比试图控制光源以产生需要的形状，常常更容易实施。特别是在脉冲必须是高功率的且有严格控制的波长的情形。产生脉冲串的一个优点是，对给定的色散量，输入脉冲能够在时间或空间上扩展得更宽。这样能够产生更平坦地扩展的脉冲，并降低在需要大量色散时引起的费用、延时、和损耗。对给定功率电平，宽扩展的脉冲对给出更多能量从而更远的距离是有用的。

作为附加的特征，该整形器有一个或多个光开关，用于选择以哪一种延时脉冲形成脉冲串。这是一种控制脉冲串形成，以便控制输出形状，例如脉冲串的长度的方式。

SRS极限取决于脉冲功率而不是能量，而返回的信号取决于脉冲能量而不是功率。为了不必使用SRS波长变换来扩展感测长度，则必须使脉冲能量最大，同时把脉冲功率保持在SRS阈值以下。这一要求可以通过使用长的、低功率脉冲达到。支配脉冲的最大有用长度的因素，是系统的空间分辨率。脉冲宽度必须不超过要求的空间分辨率的两倍。因此，为了对给定SRS极限使返回信号最大，脉冲宽度应等于要求的空间分辨率的两倍，且脉冲功率不得超过SRS阈值。

另一方面，SRS功率阈值随脉冲持续时间的下降而增加。原因是SRS要求输入光与Raman Stokes光共同传播。这些分量有不同的波长表明，由于光纤中玻璃的色散，这些分量在玻璃中以不同的速度传播。如果输入脉冲是短的，那么该脉冲将在一定距离上“离散”并不再重叠。于是受激Raman过程停止增长。

虽然，对短的脉冲，SRS功率阈值可以更高，但当脉冲宽度明显比空间分辨率更短时，脉冲能量不是最佳的。该第四方面通过使用包括一系列短脉冲的长脉冲串，能够克服这一限制。该方面的优点是，有长的脉冲串宽度，所以有大的能量，还有优点是，有允许离散出现的短的分量脉冲。

按照本发明该方面，是再提供一种产生并传输高能光脉冲的设备，使激发的光能量最大化，同时抑制受激Raman光，并测量后向散射光不同分量的功率，以便能在长距离上实现温度和/或损耗的分布式测量，本设备包括至少一根提供散射媒体的光纤；光源；通过调制装置、把单个高功率脉冲变换为脉冲串的脉冲选择装置或变换装置；光学滤波装置；和把光信号变换为电信号的一个或多个检测器。

在本系统中脉冲串的使用，在扩展感测距离方面有优点，因为能够降低SRS效应，下面还要解释。短脉冲的串，可以通过直接或从外部调制激光光源的光产生。然后，可以用光放大器把脉冲串放大，使最后的脉冲功率对给定的测量长度优化。另外，可以使用有脉冲选择器的锁模激光器来选择快速脉冲的串。

但是，使用Q开关技术的高功率、短脉冲的激光器，更容易得到。这些激光器通常产生非常高的峰值功率，能够在非常短的距离上产生SRS。在现有技术中，是通过显著衰减激光器的功率来抑制SRS的。这表明，大量可用的脉冲能量没有被利用，从而降低能够有效地达到的距离。

在单个高功率脉冲被变换为低功率脉冲串的情形，脉冲串中每一个将不超过SRS阈值，虽然可能降低了功率，但脉冲能量是相同的，被浪费的光最小。该脉冲串的长度应接近要求的空间分辨率的两倍。对短的输入脉冲，可以通过允许脉冲串中分量脉冲之间存在间隔，进一步抑制SRS。这种方法，是通过允许离散的出现和通过允许Raman散射光在遇到脉冲串中下一个脉冲前显著衰落，来抑制SRS的。

作为从属权利要求的附加的特征，该光纤包括不同长度的光纤，用于提供沿长度的不同的Raman频移，或用于改变传播光的模态特性。这样能在接收装置上，区分从不同长度来的后向散射，或能减少干扰量。这样，一次能把多与一个的脉冲引进光纤、增加脉冲重复率、和从而在给定的测量时间内增加精度。

作为另一个这种附加的特征，是变换输入光脉冲，使产生的脉冲串的持续时间与要求的空间分辨率匹配。

作为另一个这种附加的特征，该脉冲变换装置包括一组或多组分解和再组合装置，其中每一组把输入光脉冲沿两条或更多条不同光学长度的路径发送，并把光组合成脉冲串。这是产生脉冲串的一种方式，在某些情形中，这比在光源产生各脉冲更为实际。

作为另一个这种附加的特征，该脉冲变换装置包括光纤和光纤部件。这种部件可以是坚固的并相对便宜的。

作为另一个这种附加的特征，从脉冲变换得到的脉冲串持续时间和脉冲串模式，可以是固定的，也可以通过使用光开关控制，这些光开关选择或淘汰使用的脉冲变换装置数，和/或脉冲变换装置中使用的路径数。

作为另一个这种附加的特征，当导出温度和/或损耗数据或其他感测状态时，可以改变脉冲串宽度和/或模式和/或能量，以帮助校正非线性。

作为另一个这种附加的特征，当计算温度和/或损耗时，可以比较返回的Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信号分量之一、之二、或全部，以校正信号中的任何非线性。

其他特征可以包括波导，该波导包括许多有不同特性的段，使脉冲的后向散射有不同的光学性质，该接收装置利用这些不同的光学性质，区分不同段的后向散射。

本系统的优点是，能使不同段的后向散射在接收装置上被区分，或能降低不同段的后向散射之间的干扰量。这样能更精确感测，或能一次把多于一个的脉冲引进光纤，增加脉冲重复率、和从而在给定的测量时间内增加精度。

作为从属权利要求的附加的特征，这些段有提供不同Raman频移的波导，用于在不同波长上提供后向散射分量。这些波长差能够在接收装置上相对容易地区分，无需昂贵的附加部件。

作为另一个这种附加的特征，这些段有导致传播光模态特性不同变化的波导，以不同的模态特性提供后向散射分量。作为另外的或与其他方式组合，这是另一种获得相同优点的方式。

一般说，现有感测系统为了保持在SRS极限之内，抛弃激光器脉冲输出90％的能量。通过在接收装置上提供波长鉴别滤波，能够允许在波导的某些长度中的功率，超过SRS极限，同时降低通常会引起的干扰。例如，在更长的距离上进行测量，可以这样设置功率，使初始的10km为非线性，而读出则在后面的1-5km上进行。

作为附加的特征，是设置定时门，用于区分沿波导需要位置返回的后向散射。在接收器上，与波长鉴别结合的定时门的优点是，能够使用更高的重复率，改进信号的平均处理过程。

其他的特征包括，用已知温度的参考段来接收散射分量和校准散射分量的振幅。

其他的特性还包括，用开关把脉冲发送到至少两根感测光纤和或发送到感测光纤的两端。校准传输波长及开关的模态依赖性的手段，例如使用至少一段已知温度的参考段，也可以用来改进不同感测光纤之间温度测量的精度。

其他的方面包括，使用这种设备进行感测的相应方法、提供感测服务的方法、制造感测系统的方法、和产生感测信号的方法。

对本领域熟练人员，特别对涉及本发明人不熟识的其他现有技术的熟练人员，本发明的其他优点是显而易见的。本领域熟练人员自然清楚，本发明的任何附加特征可以组合在一起并与本发明的任何方面组合。

附图说明

下面参照附图，通过举例方式，说明本发明的买施例和如何买施这些实施例，附图有：

图1和2画出本发明包括SRS波长变换的实施例，

图3和4画出本发明的实施例，表明发射装置的配置，

图5画出产生脉冲的激光器的可能配置，

图6按照一个实施例，画出接收装置的视图，供图1或2或3或其他实施例的系统使用，

图7按照本发明的一个实施例，画出表示接收装置工作原理的示意图，

图8、9、和10画出本发明在把脉冲串沿光纤发送前，用变换把一个脉冲变换为脉冲串的实施例，和

图11和12示意画出一个脉冲如何整形，或变换为脉冲串后如何整形。

具体实施方式

图1

图1画出本发明一个实施例。发射装置22与感测光纤30耦合，并沿光纤发送λ₁的脉冲。脉冲有足够的功率，使沿光纤建立SRS，并在λ转变长度34上引起波长变换。用常规技术，把感测光纤所有点的后向散射与向前行进的光分离，并馈送至接收装置20。该后向散射具有从两种向前行进的波长λ₁和λ₂衍生的Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh分量。

接收装置的首要目的，是输出沿感测光纤给定距离上的感测位置36的感测值或状态值，这些值是从后向散射信号导出的。这一步需要区分后向散射光的有用部分并计算感测的值。在画出的例子中，光接收器24有光滤波器，用于从其他不需要的后向散射中分离出λ₂的后向散射。

电输出从接收器输出到定时门26。从感测光纤每一点来的后向散射，经历不同的时间后，返回接收器。可以把定时门的开始及结束的定时，精细地对照相应脉冲的注入时间，以便只让来自需要感测的位置的后向散射通过。如图所示，下面还要更详细说明，用处理器28从被滤波和被选择的后向散射分量计算感测值。通常，这一步需要对许多脉冲信号求平均，以降低噪声影响。可以设想这种配置原理上的许多变化。例如，如果任何时候光纤中只有一个脉冲，那么光接收器可以不必用滤波器。有了滤波器，能使后继脉冲很快注入，因为在转变长度之前可以有一脉冲，和在其后可以有一脉冲，而该滤波器能从每一脉冲中分离后向散射分量。

图2

图2画出本发明另一个实施例的简图，其中使用了脉冲激光器，且只接入光纤的一端。图上画出SRS如何以不同波长光照射光纤的不同部分。功率、脉冲重复率、和脉冲持续时间可以控制的脉冲激光器光源(1)，与诸如光耦合器的分解装置(3)连接。可以用光放大器和/或衰减单元(2)，控制进入系统的光功率量。可以用光电检测器(4)监控该光功率，以便监控输入的功率。光电检测器(4)可以有可变的增益。来自分解装置(3)的光，被送进一定长度的光纤(5)，该光纤可以是单模的或多模的，也可以是偏振保持的，还可以包括不同光纤连接的长度。初始时，光纤(5)中前向传播的光的波长，与光源的光相同，即λ₁(10)。在光纤的某些距离上，起动SRS，并在一些转变距离(11)上，前向传播的光转移到新的波长λ₂。然后，前向传播的光继续以波长λ₂通过光纤传播(12)。

在一些更远的点上，SRS可以在一些转变距离(13)上再次被起动，产生新波长的前向传播光(14)。由光纤(5)中全部前向传播分量产生的后向散射光，返回分解装置(3)，然后被发送到衰减器和/或放大器(6)。这个光随后被发送到滤波单元(7)，该滤波单元是从许多滤波器中，选出一个放进光路径的设备。被滤波单元选择的光由光电检测器(8)检测，光电检测器可以有可变的增益。处理单元(9)分析从信号光电检测器(8)来的信号，并控制滤波单元(7)选择的滤波器。处理单元还可以分析从监控光电检测器(4)来的信号，和/或控制监控光电检测器的增益，和/或控制信号光电检测器(8)的增益，和/或控制激光器(1)的功率、和/或重复率、和/或脉冲宽度，和/或控制放大和/或衰减单元(2和6)两者之一和/或两者的放大和/或衰减量。

使用时，激光器把脉冲送进光纤，在光纤至少一个位置中产生SRS。对滤波单元选择的每一波长，收集并记录作为时间函数的返回信号。每一选择的波长，与后向散射频谱中感兴趣的信号对应，并通过分析这些信号，确定沿所有点上的温度和/或损耗。

使用光纤中的非线性效应，能够把整个光纤产生的弱信号的测量优化。随着输入光功率的增加，在光纤中一些点，经过一定互作用长度之后，SRS把输入光转移至更长的波长上。这个过程可以沿光纤再次重复，使光纤不同部分被不同波长照射。沿光纤的转变点，可以通过改变输入功率调整。

激光器的脉冲光，经过分解装置的发送，进入光纤。这个光沿光纤传播，并且在它传播时，它产生Raman Stokes及反Stokes，和Rayleigh后向散射光。该后向散射光，例如用滤波器、波分复用耦合器、或耦合器与滤波器的组合，分开成它的频谱分量，然后被检测和分析。数据的分析，能导出沿光纤的温度分布和/或损耗分布或其他状态。

在光纤的一定距离上，Raman过程变成非线性的，而向前传播的Stokes光变成受激的。这里要指出，经过一段短的转变长度后，光源的光功率被转移至Stokes波长上，然后该Stokes波长照射光纤剩余的长度。然后，设备如同对光源的光那样处理该新的波长，并收集和分析该新的第二代光的Raman Stokes及反Stokes、和Rayleigh波长。新的向前传播的Stokes信号本身，可以变成受激的，如此在光纤更远的地方重复该过程。在那里，新波长如同光源那样被处理，并收集和分析该新波长的Raman Stokes及反Stokes、和Rayleigh波长。这一过程可以沿光纤长度重复许多次。

按此方式，光纤事实上被分割，使每一分割部分有不同的波源波长。因此，只要求在每一分割部分中只有一个脉冲(与整个光纤中有一个脉冲相反)，即能避免或减少干扰。理想的是，从每一分割部分独立地收集数据，但应指出，只在当前考察的分割部分中有一个脉冲才必须这样做。同样，因为故意使系统超过SRS极限，返回的信号比不超过SRS极限有更高的功率。

当光从初始波长频移到新的Stokes波长时(该Stokes波长现在变成新的波源)，初始的波长现在与新的反Stokes波长重合。这样会导致新的反Stokes波长，与任何仍在传播的初始光源光的Rayleigh散射发生干扰。这种干扰能够在接收器中通过选择适当滤波器消除，在本例中，该滤波器在比老的Rayleigh信号略微不同的波长上，收集新的反Stokes信号。这一解决途径能够起作用，是因为尽管受激Stokes光在频谱上变得非常窄，但低得多功率驱动的自发发光，在频谱上则非常宽。如有必要，只需在该频谱的某些部分收集光，于是可以选择不与后向散射信号另一个分量重叠的部分。

后向散射分量的功率，将取决于产生该后向散射分量的位置上的温度、光源光的衰减度、和信号本身任何非线性的增长。可以用算法组合Raman Stokes及Raman反Stokes、和Rayleigh信号，对这些效应解除卷积，以便确定温度和/或损耗数据。在对温度和/或损耗数据的解除卷积中，分析收集的不同输入功率的数据，是有用的。在Stokes信号变成受激的区域(这些区域通常相对地短)，可能难以可靠地使用这些算法。为消除这一困难，可以通过改变输入功率，沿光纤移动这些区域。通过以不同输入功率进行许多测量，本系统可以由此校正非线性，从而可靠地获得温度和/或损耗数据。

光纤可以是单模的、多模的，也可以是用于不同波长的单模与多模的混合，还可以有特别指定的掺杂水平，或有不同的掺杂层，使互作用优化。

当导出温度数据和改变光纤中Stokes信号变成受激的一个位置或多个位置时，为帮助校正非线性，可以改变光源功率。可以选择滤波作用，以便从光纤每一段的Stokes和/或反Stokes和/或Rayleigh信号中，收集不与其他段产生的等价分量显著重叠的信号分量。

可以比较返回的Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信号之一、之二、或全部，以校正信号中的任何非线性，和校正来自一个分割部分的信号与来自另一分割部分的信号之间的任何重叠，并计算温度和/或损耗。

图3

图3以示意形式画出另一个实施例，表明用在图1或2实施例的发射装置例子。应当指出，为在两种或多种波长上发射脉冲，需在接收装置中校正光纤内的微分损耗。微分损耗表示不同波长沿光纤的不同损耗，它在长距离的情形，例如涉及数公里光纤，和在感测依赖于多于一个波长的后向散射的情形，微分损耗是显著的。例如，感测温度就是这种情形，此时，温度值是从单个向前行进波长的后向散射分量计算的，这些后向散射分量包括任何两个或多个Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh后向散射分量。

为校正这类微分损耗，使用两个或多个波长的脉冲。如果把更长波长脉冲的Raman Stokes后向散射分量，与更短波长脉冲的Raman反Stokes后向散射分量比较，那么能够抵消各自的损耗分量。因此，可以消除微分损耗带来的误差。要产生两个或多个波长的脉冲，可以使用两个分开的光源，例如两个波长的微芯片激光器，但图3画出的例子表明，如何用单个激光器产生两个波长的脉冲。激光器110在脉冲定时控制部分100的控制下产生脉冲。该定时控制部分可以用常规电子电路，如微处理器实现。产生的脉冲有相对高的功率，例如10kW峰值功率、<1nsec长、并在该区域中的能量为10μJ，用于起动SRS变换。该脉冲被分解器120分解为两个脉冲流。能量的90％传给第一脉冲流，10％传给第二脉冲流。这样做是为了克服变换器与整形器130引起第一脉冲流更大的损耗。

该变换器与整形器用于把第一脉冲流的脉冲波长，从λ₁变换到λ₂。如在其他实施例所述，这些波长可以分别是1054nm和1115nm。变换器可以作为一定长度，例如500m的光纤实施，或者是足以使SRS发生的任何长度，该长度除其他因素外，将取决功率和光纤特性。脉冲整形是为了把脉冲扩展，使它更长并在脉冲中以较低峰值功率保持更多的能量。这种脉冲整形可以用提供模态色散的色散单元实施，换句话说，对不同的正在传播的传输模产生不同的延时。色散单元可以纳入同一光纤的特性内，或者遵照已有的实践，通过设置诸如阶跃折射率多模光纤单元。滤波器140可供选择地放在两个脉冲流被组合器组合之前或之后，该组合器可以是开关150的形式，也可以是其他类型的组合器。滤波器对选择散射波长和除去其他不需要的分量是有用的。

该组合器的输出是两种不同波长的脉冲流。这些脉冲应有相同的功率和其他特性。开关能按各种方式控制脉冲序列，各波长应有相等的脉冲数，而接收装置120应对该序列报警，并通过例如图示的定时控制部分100，对各脉冲定时。可以设想还有其他的方式。有些部分图上没有画出或可供选择。例如，没有画出的有，控制脉冲功率电平的衰减器。该衰减器可以安装在光路径中任何地方，并由例如微处理器控制。单个光源的优点是，两种或多种波长脉冲的定时和功率有内在的关联。无需匹配或校正激光器特性中长期和短期的变化，得到更简单和更低廉成本效益的装置，或更高质量的输出。

分出输出脉冲的一小部分，用于定时触发。这一小部分的输出脉冲，可以如图所示，馈送至接收装置，使接收装置中的定时门同步。可供选择地，这一小部分输出脉冲可以在其他地方分出，或由脉冲控制装置在电上驱动，但用发射装置中光信号分量后面的光学分接头，能够更精确，也避免必需计及发射装置中的延时。光学分接头能够向后馈送至脉冲控制装置，在需要时提供有关输出脉冲的定时及形状一些反馈，用于监控或控制的目的。

图4

图4按照一个实施例，画出发射装置的另一种配置。目的仍然是提供两种波长的脉冲，使接收装置(未画出)能校正微分损耗。在本例中，设置两个激光器110，在脉冲控制装置100的控制下，输出脉冲光。该脉冲控制装置可以用例如常规的微处理器实现。开始时，脉冲在相同的波长上，但提供的变换器和整形器130改变脉冲流之一的波长。如同图3所示，能够可供选择地提供滤波器140，清除不需要的散射分量信号。然后，为对脉冲整形，提供脉冲串发生器220和整形器单元135。脉冲串发生器通过一系列分解器、延时器、和组合器，把每一脉冲变换为脉冲串。下面还要参照图8到12更详细说明。这一步使脉冲在时间上扩展。然后，整形器可以使脉冲串中的每一脉冲扩展，把这些脉冲再融合成单个长脉冲。目的仍然是使脉冲加长，使它能保持更多的能量，或者供SRS极限以下的感测光纤使用，或者供如图1所示的系统使用。借助脉冲串产生装置的使用，整形器需要进行的扩展较小，使它的光学色散特性不致于太极端。因此，整形器可以更容易制作和/或最后的脉冲更平坦。如图3所示，设置开关，用于把两个脉冲流组合。如前面所示，分出光学定时触发信号。

把通常小于1nsec的短脉冲，扩展为数十nsec的脉冲，是不寻常的步骤，但有助于使用短脉冲固态微芯片激光器。这种激光器在高效地产生足够的峰值功率(如10kW)方面是优良的，但腔短，表明它难以产生长脉冲。另一种是使用主动Q开关激光器而不是被动装置。但更推荐使用被动装置，因为它更坚固也更便宜。

图5

图5画出外部调制激光器的一个例子。这种外部调制激光器，能用作另一种产生脉冲的直接调制微芯片激光器。为从连续波输出形成脉冲，要设置调制器220，由例如图3或4的脉冲控制部分100控制。在调制器的输出上设置光放大器230，以增加功率并主动控制功率电平，保证功率在两种波长上相同。把脉冲定时信号馈送至调制器，同时脉冲功率在原理上可以通过三个组成部分的任一部分控制。虽然图5的配置比较复杂，但它在脉冲形状容易控制方面有一些优点。

图6、7

图6和7分别画出接收装置一种可能的实施方案的配置和接收装置的操作步骤。进入的光的后向散射信号，被馈送至WDM(波分复用)分用装置300。该分用装置通过波长来分离各种分量。这些装置可以用普通可购得的装置实施。图上画出四个分开的输出，尽管可以有更多输出。四个输出能对两种不同波长的脉冲的3个后向散射分量实现分离。衰减器310用于衰减Rayleigh分量，因为它比其他分量亮得多，以免损坏检测器。衰减器可以根据要接收的何种波长脉冲而开关。

O/E 320对每一波长通过光电检测器执行光到电的变换。模拟的电信号，在馈送到数字变换器及定时门340之前，被放大器330放大。数字变换器及定时门，在由发射装置发送的定时触发信号设定的时间窗中，输出按给定瞬间抽样的数字值，抽样频率至少是信号最高频率的两倍。数据的数字流被发送至缓冲器和/或求平均部分350，该部分350把值或平均值馈送至处理器360。处理器例如能够以PC(个人计算机)形式实现，也可以用位于本机或远程的其他常用硬件电路实现。处理器输出例如感测值和测量置信度指示。

如图7所示，在步骤400，发送λ₁的脉冲。在步骤410或更早，切换衰减器，确保只有λ₁被衰减。在步骤420，检测返回的在λ₀、λ₂的Raman Stokes和Raman反Stokes分量。在步骤430到450，相应的步骤是对λ₂的脉冲，和在λ₁、λ₃上的Raman Stokes和Raman反Stokes分量进行检测。这些步骤全部重复，以获得后向散射分量的平均值。这些测量可以在不同脉冲功率电平上重复，以便对某些非线性实现一些校正。

在步骤470，用处理器获得λ_{1来自λ2的脉冲}对λ_{2来自λ1的脉冲}的比值。如上所述，该比值能以抵消的微分损耗确定温度。处理器同样能确定其他比值或进行计算。例如，如果脉冲功率足够高，使后向散射分量按非线性方式变化，那么按相反方式变化的两个分量，能够在数学上组合，给出与要测量的状态确实有近似线性关系的值。按此方式，在步骤480，输出根据上述比值的温度值或其他状态值，并校正各种误差，如非线性误差。

在步骤490，可供选择地，可以确定第二比值，以便估计误差程度，如微分损耗量。该第二比值对判断光纤或其他部件是否变坏，和对输出测量的置信度，是有用的。对光纤不可接入的情形，和对例如为了安全的原因，测量成为危险的情形，特别有用。为达到该目的，例如可以使用λ_{1来自λ2的脉冲}对λ_{0来自λ1的脉冲}的比值。

图8

图8画出本发明一个用于分布式测量的实施例，其中，来自激光器光源的光，被变换为脉冲串，且只接入光纤的一端。激光器光源(51)连接至脉冲变换装置(52)，后者把输入光转换为脉冲串。该脉冲串然后发送到分解装置(54)，例如光耦合器，分解装置可以纳入脉冲变换设备中。可以用光放大器和/或衰减器单元(53)，控制进入系统的光功率量。可以用光电检测器(55)监控该光功率，以便监控输入的功率。光电检测器(55)可以有可变的增益。来自分解装置(54)的光，被送进一定长度的光纤(56)，该光纤可以是单模的或多模的，也可以是偏振保持的，还可以包括不同光纤连接的长度。光纤(56)中前向传播的脉冲串产生的后向散射光，返回分解装置(54)，还可以发送至衰减器和/或放大器单元(57)。

这个光然后被发送到滤波单元(58)，该滤波单元可以是从许多滤波器中，选出一个放进光路径的设备，或者可以包括例如耦合器的分解装置，该分解装置把光分解为两条路径，以便分开进行滤波和检测。被滤波单元选择的光由一个或多个光电检测器(59)检测，光电检测器可以有可变的增益。处理单元(60)分析该一个或多个信号光电检测器(59)来的信号，还可以控制由滤波单元(58)选择的滤波器。处理单元还可以分析监控光电检测器(55)来的信号，和/或控制监控光电检测器(55)的增益，和/或控制一个或多个信号光电检测器(59)的增益，和/或控制激光器(51)的功率、和/或重复率、和/或脉冲宽度，和/或控制放大和/或衰减单元(53和57)两者之一和/或两者放大和/或衰减的量，和/或用脉冲变换(52)控制脉冲串的宽度和形状。

使用时，激光器的光被送进脉冲变换装置，脉冲变换装置产生脉冲串，这些脉冲串被送进感测光纤，这些脉冲串在光纤中产生后向散射信号。对被滤波单元选择的每一波长的后向散射信号，被作为时间函数收集并记录。每一被选择的波长，与后向散射频谱中感兴趣的信号对应，并且，通过分析这些信号，确定沿所有点上的温度和/或损耗。

通过把输入光脉冲送进分解装置，该分解装置把光的一小部分引进两条或多条各有不同长度的路径，可以有效地产生脉冲串。然后，在组合装置上，沿这些路径传播的脉冲再组合，并引导到一共同路径。因为每一脉冲沿各自路径传播不同的距离，这些脉冲再组合后，形成脉冲串。通过改变长度差和路径数，可以在最后脉冲串的持续时间和形状方面，获得广阔的变化。此外，如这里说明的，可以把许多脉冲变换装置一个接一个地组合。这样做的优点是，由于可以使用分解装置的性质，脉冲在每一分解单元上可以沿更少的路径发送而达到相同的目的，这样可使再组合装置上的损耗变成最小。还有，可以在配置中包括光开关，使路径数和/或变换装置数可以选择，产生特别指定的最后脉冲串持续时间和形状。这样能使脉冲串宽度调整到与要求的空间分辨率匹配，也能在需要时，向脉冲串添加脉冲或从脉冲串中除去脉冲，例如，在脉冲之间增大间隔，可以进一步减弱SRS。还可以除去脉冲，使脉冲串有更复杂的脉冲模式。该模式例如可以反映待测量结构的某些已知周期性，给出比单个脉冲产生的信号功率更高的信号功率，但不增加任何测量的不确定性。

对分布式测量，激光器的光被变换为脉冲串，使脉冲串宽度对要求的空间分辨率优化。还可以形成这样的脉冲串，使分量脉冲之间存在允许离散的间隔。该脉冲串经过分解装置的发送，进入光纤。这个光沿光纤传播，并且在它传播时，它产生Raman Stokes及反Stokes，和Rayleigh后向散射光。该后向散射光，例如用滤波器、波分复用耦合器、或耦合器与滤波器的组合，分开成它的频谱分量，然后被检测和分析。数据的分析，能导出沿光纤的温度分布和/或损耗分布。

光纤可以是单模的或多模的，也可以有特别指定的掺杂水平，或许多不同的掺杂层，使互作用优化。光纤可以是偏振保持的，以提供更为可控的互作用。光纤可以包括不同光纤的各种长度，以便沿这些长度提供不同的Raman频移，或者改变传播光的模态特性。

分解装置的分解比，可以依赖于波长或依赖于模态，以便改进输入光与后向散射光的功率转移。返回光可以被放大和/或衰减，以增强检测的效果。光源可以是Q开关的、锁模的、直接形成脉冲的、和外部形成脉冲的。可以变换输入的光脉冲，使产生的脉冲串持续时间与要求的空间分辨率匹配。

脉冲变换装置可以包括一组或多组分解和再组合装置，其中每一组把输入光脉冲沿两条或更多条不同光学长度的路径发送，并把光组合成脉冲串。脉冲变换装置中使用的分解和再组合装置，可以是通常的耦合器、单模耦合器、多模耦合器、或偏振模耦合器之一，或是它们的组合。

脉冲变换装置可以包括光纤和光纤部件。从脉冲变换得到的脉冲串持续时间和脉冲串模式，可以是固定的，也可以用光开关控制，该光开关选择或淘汰该脉冲变换装置中使用的脉冲变换装置数和/或使用的路径数。可以选择脉冲串中脉冲间的间隔标志比，使受激Raman散射被脉冲与散射Raman光之间的感生离散进一步抑制。当导出温度和/或损耗数据时，为帮助校正非线性，可以改变脉冲串宽度和/或模式和/或能量。

光源的功率可以直接改变，或通过衰减或放大装置改变。滤波可以用光滤波器、可变光滤波器、波分复用耦合器、或耦合器及滤波器的组合获得。

当计算温度和/或损耗时，可以比较返回的Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信号之一、之二、或全部，以校正信号中的任何非线性。用从光纤两端的测量，能更好地校准光纤。光纤端部可以是折射率匹配的和/或角度解理的，防止端部反射。

用光电检测器、光电检测器阵列、雪崩型光电二极管、单光子计数检测器、或多光子计数检测器，把光信号变换为电信号，并把电信号馈进处理器和按需要形式记录。处理器可以控制该系统的部件的运行。

图9

图9画出用作脉冲整形器的脉冲变换装置的实施例。本例的脉冲整形器，可以用脉冲激光器作为光源，有两级串联的延迟线，把输入脉冲变换为四个脉冲的脉冲串。现在参考图7，高功率脉冲(21)被送至分解装置，例如光耦合器(22)，在这里，耦合器把光引进两条路径，其中之一(23)比另一条(24)有更长的光学路径长度。在这里，分解比可使输入光的相等部分被送进每一路径，且路径长度之差大于输入脉冲的长度。两条路径每一条中的光脉冲，高度是输入脉冲的一半，但有相同宽度(25和26)。这两个脉冲然后通过再组合装置(27)，在这里，该再组合装置是光耦合器。然后，该耦合器(27)把光分解，送进两条路径(28和29)，该过程对每一发射包括两个脉冲的脉冲串的路径重复，该两个脉冲的每一个有相同宽度，高度是输入脉冲的四分一(30和31)。现在，这两条路径长度的差，超过输入脉冲宽度的两倍，使当两条路径再组合时，得到的脉冲串(32和33)各包括四个脉冲，其中每一个有输入脉冲的宽度，而高度是输入脉冲的8分之一。得到的脉冲可以用再组合装置(36)组合在一起，送进一根光纤，该再组合装置(36)可以与再组合装置(34)相同，也可以是有效地把两条或更多路径的光组合的耦合器。例如，它可以是组合若干小纤心的输出，送进更大纤心的模态耦合器，或者，它可以是偏振光束耦合器。输出光纤(35)中得到的脉冲串(41)，高度是输入脉冲(21)的四分一，宽度比输入脉冲(21)宽度的四倍还宽。如有必要，可以使用比图2所示的两个更多的变换单元。此外，可以使用开关(37、38、39、和40)来阻止光通过一条或多条路径。其结果是，通过除去分量脉冲，可以控制脉冲串的宽度和/或改变脉冲串的形状。例如，如果开关(40)设置为阻挡光，那么变换设备的输出，将是高度为输入脉冲的四分一，而宽度大于输入脉冲宽度两倍的脉冲串。而如果开关(40)设置为透射光，那么输出将是高度为输入脉冲的四分一，而宽度超过输入脉冲宽度四倍的脉冲串。

图10

图10画出从单个输入脉冲创建脉冲串的脉冲整形器的另一个例子。在输入上使用单模光纤，并耦合到三根也是单模的光纤，使进入的脉冲分解为三个近似相等部分，在分开的路径上传播。当然，可以有更多的路径，取决于需要把脉冲扩展得多大。每一路径由延时器600、610、和620提供不同的延时。这些延时可以用不同长度光纤的形式实施，而且可供选择地能够排列成具有受控制的色散量，以便实现某些脉冲扩展。每一支路中设有光开关630。担任每一路径的单模光纤，耦合进一根多模光纤，使不同延时的脉冲再组合。这样能够控制光开关来控制脉冲串的长度，以及控制脉冲串的脉冲之间的重叠量或空隙。这种使用单模光纤和多模光纤的方式，能够以最小损耗实施分解和再组合。如有必要，通过在一些或所有支路中加上可控衰减器或放大器，能够获得脉冲形状的进一步控制。每一支路本身可以被分解为许多子支路，或者可以建立支路的级联。图9的配置可以与图10的配置组合，建立任何类型的级联的或子支路的布局。

图11和12

图11画出输入脉冲如何被色散单元的作用所扩展的曲线表示，这是大家已知的。扩展量是受限制的，输出不是平坦地扩展的，更多的功率集中在中心附近。图12以曲线表明，脉冲如何被图9和10的配置、或脉冲变换装置的其他实施例、或脉冲整形器扩展。图上作为第一步，画出建立脉冲串的分解、延时、和组合的作用。图上作为第二步，画出提供一些色散使脉冲扩展的作用。色散例如可以在分解前提供，或在分解后提供，或在组合后提供，最终的结果是相同的。在一个典型的例子中，小于1nsec宽度的输入脉冲，被变换为数十nsec宽度的脉冲。把各脉冲扩展，和融合它们，使脉冲串变换为单个长脉冲，都可以通过多模态效应，例如通过使用不同模式有不同路径的阶跃折射率多模光纤获得。通过填充脉冲串中所有空隙和形成单个长脉冲，为给定峰值功率提供比不填充空隙更多的能量。通过产生脉冲串，需要的扩展较小，所以，例如用只有500m光纤的色散单元，代替5km的光纤。这样可以降低体积及成本，也降低损耗。

结束语

虽然已经参照作为例子的光来说明，尽管清楚，但应当认为包括电磁频谱的其他部分，这些部分有类似的特性，能获得以上所述相同的那些优点。虽然已经参照温度或损耗的感测来说明，但显然，不应当认为仅限制在这些应用，可以相信，在其他应用中，也能使用本发明的各个方面。

已经说明用于产生和传输高能光脉冲的方法和设备。分布式温度传感器通常使用光纤中的Raman散射，作为确定温度的手段。这里要指出，来自激光器光源的光，沿光纤发送，并分析被散射回光源的少量光。随着光纤长度的增加，温度和损耗测量的分辨率变得更低劣。这是因为光纤中存在引起信号衰减的损耗。一个显而易见的解决该问题的方案，是把更强的光注入光纤来补偿损耗，但是，能注入多少光，是受受激Raman散射限制的。本发明通过使用脉冲变换方法，使得到的脉冲能量成为最大，同时把功率保持在SRS阈值以下，解决了这个问题。

Claims (27)

1.一种感测系统，用于沿波导发送电磁信号，并感测沿波导一个或多个感测位置(36)上的状态，本系统包括发射装置(1，22)，用于发射适当功率和脉冲长度的脉冲，通过在到达感测位置前的受激非弹性散射过程，使该脉冲发生受控变换，成为不同的波长，所述发射装置具有脉冲整形器，用于使脉冲沿波导发送前，把脉冲加长，本系统包括接收装置(6，7，8，20，24，26，28，120)，用于接收从感测位置返回的信号，并根据接收的信号，确定这些状态。

2.按照权利要求1的系统，脉冲的功率可使不同波长再次经受一次或多次变换，成为另外的不同波长，使波导的不同部分被不同波长照射，而该接收装置用于区分每一不同波长上返回的光信号。

3.按照权利要求1或2的系统，具有被耦合到发射装置的控制器，其被配置成与发射装置一起操作以便执行以下功能中的任何一项或者多项：调整脉冲功率，使变换发生的转变长度移动到光纤的不同部分；控制脉冲重复速率。

4.按照权利要求1或2的系统，有用于补偿不同波长上的微分损耗的布置。

5.按照权利要求4的系统，该发射装置包括：产生脉冲的光源、把脉冲分解为两个或多个脉冲流的分解器(22，120)、和在脉冲流沿光纤发送前使脉冲流之一变换波长的变换器(130)，该接收装置通过检测从第一波长上的脉冲之一返回的向上频移分量，和从更高波长上发射的脉冲之一返回的、向下频移至第一波长的向下频移分量，补偿微分损耗。

6.按照权利要求1、2和5中的任一项的系统，该接收装置还用于从一个或多个另外的感测位置，接收返回的变换之前的信号。

7.按照权利要求1、2和5中的任一项的系统，所述脉冲整形器(130)包括以下部件中的任意一个或者多个：用于把脉冲加长的色散单元；用于把脉冲加长的阶跃折射率多模光纤单元；以及用于把每一脉冲变换为脉冲串的脉冲串变换器(220)，该脉冲串变换器之后有用于对脉冲串整形的色散单元(135)。

8.按照权利要求1、2和5中的任一项的系统，所述发射装置用于启动一个或多个受激Raman光的产生，使光纤的不同部分能够被不同波长照射，并用于同时在光纤中发射多于一个的脉冲；以及所述接收装置具有用于区分后向散射光的不同分量的光学滤波装置(7)和用于将滤波的光分量变换成电信号的一个或多个检测器。

9.按照权利要求1、2和5中的任一项的系统，所述发射装置包括激光器(230)、用于从激光器输出中产生脉冲的调制器(240)以及用于放大脉冲的光放大器(250)。

10.按照权利要求1、2和5中的任一项的系统，该接收装置具有以下部件中的一个或多个：这样的滤波器(7，300)，用于在波长变换前，在比发射的脉冲波长稍稍偏移的波长上，收集需要的后向散射信号；这样的滤波器(7，300)，用于收集从一段光纤后向散射的Raman Stokes、和/或Raman反Stokes、和/或Rayleigh信号分量，这些信号分量不与从其他段后向散射的等价分量显著重叠；这样的非线性校正装置，用于比较返回的Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信号分量之一、之二、或全部，以校正信号中的任何非线性；以及这样的非线性校正装置，用于使用与被感测状态关系处于饱和、非线性区的返回的Raman Stokes和Raman反Stokes分量的组合，来补偿非线性。

11.按照权利要求中1、2和5中的任一项的系统，所述发射装置(1，22)具有用于产生脉冲流的电磁源(110)、把脉冲分解为两个或多个脉冲流的分解器(120)和在脉冲流沿波导发送前使脉冲流之一的波长发生受控变换的变换器(130)。

12.按照权利要求11的系统，该电磁源和分解器用于在脉冲到达变换器的过程中提供足够的功率，以便通过受激非弹性散射而实现变换。

13.按照权利要求11的系统，所述脉冲整形器位于与所述变换器相同的脉冲流中。

14.按照权利要求12的系统，所述脉冲整形器位于与所述变换器相同的脉冲流中。

15.一种脉冲整形器，用于对光输入脉冲整形，以及输出适合于在远程感测系统中发射的一个脉冲或多个脉冲，该脉冲整形器有用于从输入光脉冲产生脉冲串的脉冲串发生器和位于该发生器前面或后面的色散单元(130，135)，该发生器包括用于把在两个或多个有不同延时的路径之间输入的光脉冲分解以产生延时脉冲的分解器(120)和组合器(150)，该组合器把延时的脉冲组合，产生脉冲串；而该色散单元分别把输入脉冲或脉冲串扩展。

16.按照权利要求15的脉冲整形器，有一个或多个光开关，用于选择以哪一种延时脉冲形成脉冲串。

17.一种产生并沿着提供散射媒体的光纤传输高能光脉冲的设备，本设备包括：用于产生高能光脉冲的光脉冲产生器；包括根据权利要求15或16的脉冲整形器(120，130，125，140，150)的光学装置，用于使每个脉冲的持续时间加长以减小峰值功率，从而抑制受激Raman光，同时维持用于沿所述光纤传输的脉冲能量；以及接收器(120)，用于测量来自所述用于远程感测的光纤的后向散射光的不同分量。

18.按照权利要求17的设备，其中的光纤包括不同光纤的长度，以便沿长度提供不同的Raman频移，或改变传播光的模态特性。

19.按照权利要求17或18的设备，其中，所述加长的量对应于要求的空间分辨率。

20.按照权利要求17或18的设备，其中用于加长的装置包括以下部件中的任何一个或多个：色散单元；阶跃折射率多模光纤；脉冲串变换器(22，27，34，130，220)，用于将每个脉冲变换成低功率脉冲串，所述脉冲串变换器之后有用于将脉冲串整形为加长的脉冲的色散单元(135)，其中，脉冲串变换器(22，27，34，130，220)包括一组或多组分解器(22，27)和再组合器(27，34)以及光纤及光纤部件，所述一组或多组分解器(22，27)和再组合器(27，34)各把输入光脉冲沿两条或更多条不同光学长度的路径发送，并把光再组合，形成脉冲串，其中从脉冲变换得到的脉冲串持续时间及脉冲串模式可以是固定的也可以通过光开关(37，38，39，40)控制，这些光开关选择或淘汰使用的脉冲变换器数，和/或脉冲变换器中使用的路径数。

21.按照权利要求20的设备，其中的脉冲串宽度、模式和能量中的任何一个或多个可以改变，以便有助于校正非线性。

22.按照权利要求17或18的设备，其中，能够比较返回的RamanStokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信号中的任何一个或多个，以校正信号中的任何非线性。

23.按照权利要求1、2、5和12中的任一项的系统，该波导包括许多有不同特性的段(11，13)，使从脉冲的后向散射有不同的光学性质，该接收装置使用该不同的光学性质，区分来自不同段的后向散射。

24.按照权利要求23的系统，这些段有提供以下特性中的任何一个或多个的波导：用于提供在不同波长处的后向散射分量的不同Raman频移；以及传播光模态特性的不同变化，以便提供具有不同模态特性的后向散射分量。

25.按照权利要求23的系统，所述脉冲整形器是权利要求15或16中的脉冲整形器。

26.按照权利要求24的系统，所述脉冲整形器是权利要求15或16中的脉冲整形器。

27.一种感测沿波导一个或多个感测位置(36)上的状态的方法，具有如下步骤：发射适当功率和脉冲长度的脉冲，通过在到达感测位置前的受激非弹性散射过程，使该脉冲发生受控变换，成为不同的波长；使脉冲沿波导发送前，把脉冲加长；以及接收从感测位置返回的信号，并根据接收的信号，确定这些状态。

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