CN101910810A - 用于扩展光纤分布式温度传感(dts)系统的范围的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了用于扩展光纤DTS系统的范围的系统和方法。在一个方面，方法可提供步骤：在第一时间段内通过光纤传输在第一能量水平的光信号，收集背向散射信号作为第一传输的结果，将第一能量水平调节到第二能量水平，在另外的时间段内通过光纤传输经调节的光信号，收集背向散射信号作为经调节的传输的结果，以及使用作为第一传输的结果的所收集的背向散射的一部分和作为另外的传输的结果的所收集的背向散射的一部分，确定一个或多个参数分布例如温度分布。

Description

用于扩展光纤分布式温度传感(DTS)系统的范围的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年1月18日提交的美国临时序列号61/022,225的利益。

背景

本公开通常涉及分布式温度传感(DTS)系统，尤其是涉及用于扩展光纤DTS系统的范围的方法和系统。

在几年内，光纤传感器特别是DTS系统提供了较高的带宽、内在地安全的操作(不产生电火花)和对参数测量的防止EMI(电磁干扰)的抗扰性。

例如，温度分布参数和沿着光纤的其它参数分布可被监控。因而产生的分布式测量相当于部署多个传统点式传感器，这将需要更多的设备并增加操作成本。每个传统电气的点式传感器将需要多个电引线，且这将在点式传感器的数量增加时添加大和昂贵的电缆束。

当光纤使用具有中心波长λ的激光激发时，大部分光被传输。然而，小部分入射光λ和其它受激分量沿着光纤前后散射。其它受激分量的振幅取决于在中心波长λ处的光的强度和光纤的特性。在使用拉曼散射的分布式温度的测量中，三个分量特别有意义。这三个分量是具有与原始激光波长类似的波长λ的瑞利背向散射光、具有比原始波长λ更长和更短的波长的拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯分量。这三个分量可由光纤分离并被光电探测器接收以将光转换成电信号。温度敏感的拉曼反斯托克斯强度与温度不敏感瑞利或很大程度上温度不敏感拉曼斯托克斯强度之间的比率形成基于拉曼的分布式温度测量的基础。

当前系统和技术的一个问题是在延长的距离上测量这些参数分布的能力，其中光信号往往由于沿着光纤的衰减而劣化。在基于传统光纤拉曼的DTS系统中，作为例子，当输入光的强度增加时，光纤中的相应的拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯功率也增加。这种现象称为自发拉曼散射。当光源的输入功率进一步增加到一阈值水平之上时，受激散射可能由于布里渊散射或拉曼散射而出现。一旦达到布里渊阈值，受激布里渊散射就通过产生携带大部分输入能的向后传播的布里渊斯托克斯波而显现。阈值水平取决于光源特性例如峰值功率和谱宽以及光纤特性例如光纤的化学成分、数值孔径和模场直径。一旦达到布里渊阈值，增加的向后传播的非线性受激布里渊斯托克斯光就可能使探测器饱和，同时限制向前传播的光的振幅。由于这些原因，通过增加激光功率来增加光能不是增加传统DTS系统的可达距离的可行方法，因为信号能量的增加被背向散射。受激布里渊散射常常是限制可使用窄线宽高功率激光器传输到光纤中的最大功率的原因。

类似地，受激布里渊散射以从中心光波长λ到拉曼斯托克斯分量的非线性方式传输能量。作为结果，拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯之间的比率在没有温度变化的情况下改变，因而产生温度计算中的误差。在非线性受激交互作用出现的光纤长度处获取的数据往往在温度计算中产生相当多的误差。

Hartog等人公开了基于传感系统的方案(美国专利7,304,725)，该传感系统由具有不同的数值孔径的两个连续的物理上不同的光纤组成，以避免这种效应。他们还公开了另一系统，其中光放大器(更准确地，在一段传感光纤中的一段掺稀土光纤)被置于两个传感光纤之间，以利于衰减的输入光能来达到更远的距离。

这样的方法在设计和操作上引入成本和复杂性。因此，希望有保证扩展光纤DTS系统的范围而没有在传感光纤设计和部署上的过分复杂性的系统和方法。

本发明的简要概述

在这里所描述的扩展光纤DTS系统的范围的方法和装置基于通过可变光衰减器或通过直接改变激光功率来主动地调节输入光的能量水平。这个新的方案可适用于任何光纤传感系统，同时在测量下的整个长度上部署常见和连续的传感光纤。

该方案包括用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的方法，其包括步骤：在第一时间段内通过光纤传输在第一能量水平的第一光信号；收集背向散射信号作为第一传输的结果；在至少一个另外的时间段内通过光纤传输在另外的能量水平的另外的光信号；收集背向散射信号作为另外的传输的结果；以及使用作为第一传输的结果的所收集的背向散射的一部分和作为另外的传输的结果的所收集的背向散射的一部分，确定一个或多个参数分布。

该方法的一个方面是第一光信号的第一传输相应于光纤的第一长度，而另外的光信号的另外的传输相应于光纤的另外的长度。

该方法的另一方面是每个另外的能量水平大于它前面的能量水平。

该方案还包括用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的系统，其包括：光源；光纤；可变光衰减器；以及处理器，其耦合到可变光衰减器，其中所述处理器配置成：在第一时间段内调节可变光衰减器以从光源产生通过光纤的、第一光能水平的第一传输；收集相应于第一传输的背向散射信号；在至少一个另外的时间段内调节可变光衰减器以从光源产生通过光纤的另外的光能水平的另外的传输；收集相应于每个另外的传输的背向散射信号；以及至少根据相应于第一传输和另外的传输的所收集的背向散射信号来确定参数分布。

附图的简要说明

为了更彻底地理解本公开，现在参考下面的附图，其中：

图1是传统光纤DTS系统的结构图。

图2是散射信号的曲线。

图3是根据本公开的实施方式的可扩展范围的光纤DTS系统的结构图。

图4A到4D是根据本公开的实施方式的时序图。

图5是根据本公开的实施方式的温度分布的图。

图6是根据本公开的实施方式的相应于图5的温度分布的温度分辨率的图。

图7是根据本公开的实施方式的用于扩展测量参数分布的范围的方法的流程图。

本发明的详细描述

在下面的详细描述中，参考示出本发明的实施方式的附图。这些实施方式被足够详细地描述，以使本领域普通技术人员能够在没有过度实验的情况下实践本发明。然而应理解，这里所述的实施方式和例子仅作为例子而不是所为限制给出。可进行各种替换、更改、添加和重排，而不偏离本发明的精神。因此，接下来的描述并不在限制的意义上被理解，且本发明的范围仅由所附权利要求限定。

图1示出传统DTS系统，其包括光源10、导向光纤11、分光器和光组合器12、导向光纤13和15、传感光纤14、光谱分离器16、瑞利分量17、布里渊斯托克斯分量18、布里渊反斯托克斯分量19、拉曼斯托克斯分量20、以及拉曼反斯托克斯21散射和参考光纤线圈22。光源10通过导向光纤11提供光信号，其可通过分光器/光组合器12、参考光纤线圈22和导向光纤13到达传感光纤14。在光信号传输到传感光纤14期间，光的一部分可被散射并可通过导向光纤15和分光器/光组合器12传播回光谱分离器16。来自传感光纤的背向散射光可包括可通过光谱分离器16分离的光分量，例如瑞利分量17(与注入光的中心波长相同)、布里渊斯托克斯分量18和布里渊反斯托克斯分量19、拉曼斯托克斯分量20、以及拉曼反斯托克斯分量21。拉曼斯托克斯20和拉曼反斯托克斯21(所收集的拉曼散射)可从光信号的输入波长偏移并具有在瑞利分量17周围成像的镜像，如图2所示。

DTS系统的参考光纤线圈22可对传感光纤的整个温度分布用作参考分布。对于其它分布，参考光纤线圈22可用作参考点以比较或分析所测量的点。

在一个实施方式中，拉曼分量可用于确定参数分布，例如温度分布。拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯带一般分开多于数十纳米，而布里渊分量18和19近得多—离瑞利带宽少于0.1纳米，如图2所示。特别是，温度可与拉曼斯托克斯分量20的强度/拉曼反斯托克斯分量21的强度成反比。

由于光纤的性质，所传输的光能在通过光纤传播时降低(或衰减)。作为结果，信噪比降低，这可引起温度分辨率朝着光纤的远端降低。解决这个问题的一种方法是发射较高功率的激光，以增加光能。然而，如早些时候讨论的，这产生受激散射并引起非线性，非线性降低了DTS系统的精度和/或分辨率。

图3示出根据本公开的实施方式的可扩展范围的光纤DTS系统300的结构图，其可提供传感光纤的温度测量范围的扩展而不需要额外的光或电放大器，并同时最小化或实质上消除了非线性效应。DTS系统300可包括光源302、可变光衰减器(VOA)304、分光器组合器306、传感光纤308、光谱分离器310、光电探测器312和处理器314。参考光纤线圈在该图中被省略。

光源302可为配置成通过导向光纤316、可变光衰减器(VOA)304、分光器/组合器306将光信号(例如，光)传输到传感光纤308的任意电磁辐射源。在一个实施方式中，光源302可为1064纳米或980纳米激光源。可使用在不同波长处工作的其它激光源。光源302可产生恒定能量的信号，且导向光纤316的输入能量水平可由VOA 304控制。VOA 304可为基于电光、电磁或声光工作原理的任何市场上可买到的或定制设计的可变光衰减设备。VOA 304可用于调节光源302的输出功率水平，这可扩展检测、识别和处理各种参数分布的范围(例如，距离)。

分光器组合器306可用于将光源302的输出传输到传感光纤308。任何背向散射可由分光器组合器306收集并转发到光谱分离器310，其过滤各种相关的背向散射光分量(例如，包括瑞利分量、拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯分量)。可为光电二极管的光电探测器312可用于检测经过滤的背向散射分量并向处理器314提供所检测的分量。

处理器314可为配置成处理来自背向散射分量的信息并确定参数分布包括例如温度分布的任何系统和装置。例如，处理器314可为可操作来计算、分类、处理、传输、接收、取回、发起、切换、存储、显示、显现、检测、记录、再现、操纵或利用任何形式的信息、情报或数据的、用于商业、科学、控制或其它目的的工具或工具的集合。例如，处理器314可为个人处理器、网络存储设备、控制器或任何其它适当的设备，并可在尺寸、形状、性能、功能和价格上变化。处理器314可包括随机存取存储器(RAM)、一个或多个处理源例如中央处理单元(CPU)或硬件或软件控制逻辑、ROM和/或其它类型的非易失性存储器。处理器314的额外部件可包括一个或多个磁盘驱动器、用于与外部设备进行通信的一个或多个网络接口、以及各种输入和输出(I/O)设备例如键盘、鼠标和/或视频显示器。处理器314还可包括可操作来传输在各种硬件部件之间的通信的一个或多个总线。

参考图4A到4D，示出了根据本公开的实施方式的用于增加测量参数分布的范围的时序图。在一个实施方式中，仍然参考图4A，传感光纤308可分成两个相等的部分L_-1/2和L_+1/2。虽然如此，注意，传感光纤308可分成具有相等或不等长度部分的多个部分，每个部分可相应于一个时间段和/或特定的功率传输。

在一个实施方式中，参数测量可在至少两段时间t₁和t₂内执行，如图4A所示。在第一段时间t₁内，VOA 304可增加所应用的衰减的水平，其中具有第一功率水平401的光信号可通过导向光纤316传输。光功率水平被调节成使得散射效应在L_-1/2中被维持在自发状态，因而在光纤长度L_-1/2中产生精确的温度测量。当信号进入光纤长度L_+1/2时，信噪比可能降低，因而引起沿着光纤长度L_+1/2的温度分辨率的降低。在第二段时间t₂，VOA304可减小所应用的衰减的水平，这增加了光信号的功率或能量水平。具有可能大于功率水平401的第二功率水平403的光信号可通过导向光纤316传输到传感光纤308。光信号能量水平于是在光纤长度L_-1/2的一部分内可大于非线性阈值，但当光信号进入光纤长度L_+1/2时，信号水平衰减，使得散射效应在自发状态中。光纤长度L_+1/2中的光信噪比于是比在测量时期t₁内好得多。通过合并在时期t₁内来自光纤长度L_-1/2的温度数据与在时期t₂内来自光纤长度L_+1/2的温度数据，可实现扩展的拉曼DTS。功率水平和光纤段可被选择成使得光纤段有重叠部分，其中信号在不同的测量时期内在自发状态中。这可允许例如光纤长度L_-1/2的一部分是光纤长度L_+1/2的参考段。

在时间段t＝t₁期间，光源302通过导向光纤316传输的光信号的能量可由VOA 304调节到第一功率水平401。可选地，第一功率水平可为光源302的正常操作功率，而不进行调节。在相同或可选的实施方式中，功率水平可在光源302进行直接调节。

图4B示出从在第一功率水平401处的光信号的传输产生的相应的斯托克斯带405。该带在光纤长度L_-1/2中比在光纤长度L_+1/2中有更高的强度，因为光信号往往由于沿着光纤的衰减而降低。斯托克斯带405连同其它信息一起可用于确定温度分布，例如由图4C所示的407A和407B组成的分布。由于光纤长度L_+1/2中的内在较低的信噪比，温度分布407B现在展示较差的分辨率。处理器314可在可接受的情况下使用总分布，或在备选实施方式中可只保持具有较高分辨率的温度分布407A。

在一个实施方式中，为了对失真部分获得更好的分辨率分布，可调节光源302的功率水平。在下一时期t＝t₂期间，光源302通过导向光纤316传输的光信号的能量可由VOA 304调节到第二功率或能量水平403，其中第二功率或能量水平403高于第一功率水平401。为了实现这个特征，可参照斯托克斯和反斯托克斯分布之间的分布比率或DAF(微分衰减因子)以控制VOA 304。在相同或可选的实施方式中，可调节光源302传输具有比功率水平401高的功率水平的第二光信号。在校准DTS系统时，在自发散射(或较低能量模式)下测量的DAF可用作对第二半传感长度的能量水平参考。高能量模式的第二段的DAF可在与较低能量操作的光纤的第一段类似的范围内被调节。

与具有第二功率水平403的光信号的传输相关的斯托克斯带409可用于确定温度分布。如图4B所示，由于受激散射现象，斯托克斯带409的能量现在以非线性方式在第一段(L_-1/2)中增长。然而，部分地由于衰减因子以及部分地由于第一光纤段中的受激散射，信号能量在光纤的第二段(L_+1/2)中降低。第二光纤段于是有图4C所示的正常(或自发)散射和正常温度分布411B。在这种情况下，处理器314可保留分布的一部分，即，411B，并丢弃部分411A。

传感光纤308的第二部分的起始温度可被第一部分的一部分的计算平均值参考。最后，温度分布407A和411B可按时间顺序连续地合在一起，以显示整段传感光纤的温度响应，如图4D所示。

图5和6示出根据本公开的实施方式从实验结果获得的温度分布及其分辨率。光源302是1064纳米半导体激光器，其中第一功率对光纤中的前9000米(t＝t₁)为大约300μW，并随后对下一5000米(t＝t₂)被调节到1mW。注意，所使用的功率可至少根据光纤的类型变化(例如，多模光纤的特征可从一个制造商到另一制造商变化)。

图5示出因而产生的温度分辨率对前9000米在大约+/-1℃内。对于后面5000米的温度分辨率可小于大约+/-1℃。如在本公开中所述的，通过增加能量水平，可在光纤的第二部分中获得更好的结果。在图6中对于两分钟测量时间以一米的空间分辨率绘制出使用20点标准偏差指示的温度分辨率。

现在转到图7，示出了根据本公开的实施方式的用于扩展测量范围的方法的流程图。为了清楚起见，对相应于两个光纤长度的两个不同的激光功率输出示出流程图。实际上，该方法对多个时间、光信号功率水平、因而对多个光纤长度段起作用。在步骤702，光源的能量可被调节以输出具有第一功率或能量水平的第一光信号通过光纤，其中第一光信号可用于确定第一长度的光纤的温度分布。第一光信号的传输可在两个部分中引起自发拉曼散射效应。在步骤704，可收集相应的拉曼散射分量和瑞利分量作为传输的结果。特别是，可保留相应于光纤的第一部分的、与背向散射分量相关的温度分布的某个部分。

在步骤706，光源可被调节以输出具有第二功率水平的另一光信号，其中这个另外的光信号可用于确定光纤的另外部分的温度分布。在一个实施方式中，第二功率水平可大于第一功率水平。光信号强度的这个调节可通过调节可变光衰减器来完成，或它可通过改变光源的操作条件来完成。在步骤708，可收集相应的拉曼散射作为第二传输的结果，并可保留相应的温度分布的一部分。

在步骤710，可处理所收集的背向散射，更具体地，可处理相应于来自步骤704和708的所收集的背向散射的温度分布。在一个实施方式中，所选择的部分可按时间顺序和在一起，并可用于在步骤712确定参数，例如温度。所收集的斯托克斯分量可用于识别沿着光纤的出现自发和受激散射的位置。该信息可用于合并沿着传感光纤的温度迹线的相关部分。

图7的流程图的步骤中的一些或全部可使用系统300或可操作来实现该方法的任何其它系统实现。在某些实施方式中，图7所示的方法可部分地或完全在体现在有形计算机可读介质中的软件中实现。如在本公开中使用的，“有形计算机可读介质”意指可在一段时间内保留数据和/或指令的任何工具或工具的集合。非限制性地，有形计算机可读介质可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、PCMCIA卡、闪存、直接存取存储器(例如，硬盘驱动器或软盘)、顺序存取存储器(例如，磁带磁盘驱动器)、光盘、CD-ROM、DVD、和/或易失性和/或非易失性存储器和/或虚拟存储资源的任何适当的选择。

虽然详细描述了本发明的某些实施方式及其优点，应理解，可进行各种变化、替换和变更，而不偏离如所附权利要求所限定的发明的精神和范围。而且，本发明的范围并非旨在受限于这里描述的进程、机器、制造、装置、方法和步骤的特定实施方式。如本领域普通技术人员将从本公开中容易认识到的，根据本发明可利用目前存在或以后将发展的实质上执行与这里所述的相应实施方式相同的功能或获得相同的结果的其它进程、机器、制造、装置、方法和步骤。因此，所附权利要求旨在包括在这样的进程、机器、制造、装置、方法和步骤的范围内。

Claims (12)

1.一种用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的方法，包括步骤：

a.在第一时间段内通过光纤传输在第一能量水平的第一光信号；

b.收集作为所述第一传输的结果的背向散射信号；

c.在至少一个另外的时间段内通过所述光纤传输在另外的能量水平的另外的光信号；

d.收集作为所述另外的传输的结果的背向散射信号；以及

e.使用作为所述第一传输的结果的所收集的背向散射的一部分和作为所述另外的传输的结果的所收集的背向散射的一部分，确定一个或多个参数分布。

2.如权利要求1所述的用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的方法，其中所述第一光信号的所述第一传输相应于所述光纤的第一长度，而所述另外的光信号的所述另外的传输相应于所述光纤的另外的长度。

3.如权利要求1所述的用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的方法，其中每个所述光信号能量水平被调节成大于它前面的光信号的能量水平。

4.如权利要求3所述的用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的方法，其中将每个水平调节到更大的能量水平包括调节可变光衰减器。

5.如权利要求3所述的用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的方法，其中将每个水平调节到更大的能量水平包括通过改变光源的操作条件来调节所述光源的传输能量。

6.如权利要求1所述的用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的方法，其中使用作为所述第一传输的结果的所收集的背向散射的一部分和作为每个另外的传输的结果的所收集的背向散射的一部分包括合并作为所述第一传输的结果的所收集的背向散射信号的一部分和作为每个另外的传输的结果的所收集的背向散射信号的一部分。

7.如权利要求1所述的用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的方法，其中所述一个或多个参数分布包括温度分布。

8.一种用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的系统，包括：

a.光源；

b.光纤；

c.可变光衰减器；以及

d.处理器，其耦合到所述可变光衰减器，其中所述处理器配置成：

i.在第一时间段内调节所述可变光衰减器以从所述光源产生通过所述光纤的具有第一光能水平的第一传输；

ii.收集相应于所述第一传输的背向散射信号；

iii.在至少一个另外的时间段内调节所述可变光衰减器以从所述光源产生通过所述光纤的具有另外的光能水平的另外的传输；

iv.收集相应于每个另外的传输的背向散射信号；以及

v.至少根据相应于所述第一传输和另外的传输的所收集的背向散射信号来确定参数分布。

9.如权利要求8所述的用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的系统，其中所述光源是恒定功率光源。

10.如权利要求8所述的用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的系统，其中所述处理器配置成收集相应于所述第一传输的斯托克斯和反斯托克斯带以及相应于每个另外的传输的斯托克斯和反斯托克斯带。

11.如权利要求8所述的用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的系统，其中所述处理器配置成至少部分地根据相应于所述第一传输和另外的传输的所收集的背向散射信号的一部分来确定温度分布。

12.如权利要求8所述的用于扩展光纤分布式温度系统的距离范围的系统，其中所述处理器配置成将相应于所述第一传输的所收集的背向散射信号的一部分添加到相应于每个另外的传输的所收集的背向散射信号的一部分。

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