CN102124373A

CN102124373A - 基于相位进行感测

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Publication number: CN102124373A
Application number: CN2009801325313A
Authority: CN
Inventors: R·I·克里克莫尔; J·迪夫雷塔斯; P·J·纳什
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2009-06-15
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2029-06-15
Also published as: US20110096623A1; US8797824B2; WO2010004249A3; EP2291681A2; EP2291681B1; CN102124373B; GB0810977D0; WO2010004249A2; JP5670323B2; JP2012500965A

Abstract

一种利用基于相位的转换器进行感测的方法，其中在灵敏度的多个不同水平提供转换器响应。灵敏度的不同水平被用来产生横跨信号水平的宽范围不超标度的输出。这对于结合用于地震测量的光纤传感器的多路复用阵列的使用是特别有用的。还描述了传感器校正和噪声减小的方法。

Description

基于相位进行感测

本发明涉及传感器，其利用询问信号的相位变化来确定所感测的参数，具体地但非唯一地，本发明涉及光纤干涉感测。本发明特别适用于地震测量和成像领域。

光纤传感器使用一段光纤，以所感测的参数产生要施加在光纤上的应力的方式来布置所述光纤。尽管其他的布置也是可以的，但光纤通常以线圈形式布置。这种应力引起在该光纤中传播的光学信号的相位变化，这种变化能够由干涉测量技术检测到。之前已经提议过用于这种转换器的多种不同布置，这些布置中的多数具有缠绕在可变形的芯或心轴上的光纤的线圈，所述芯或心轴响应于诸如感测到的振动等被感测参数而经历径向膨胀或收缩。

这种光纤传感器能够表现出极高的灵敏度，并且具有完全无源、不使用感测转换器处的功率的优点。由于在多路复用(multiplex)时相对容易，这种传感器还已经证明在需要大规模传感器阵列的应用中是受欢迎的。

这种应用的示例是油气开采行业中的地震测量，其中包括数百个或者甚至数千个振动传感器和/或水听器(hydrophone)的大时间多路复用阵列能够被用来感测来自海床下方的地质构造的入射脉冲的反射。以固定的周期对这种阵列进行采样提供了关于现有储量或潜在的新储量的3D的时间流失的数据。

更详细地，高幅震源(通常为气枪)被拖曳经过(已知的或潜在的)油田的顶部，以固定的间隔朝震源射击，并且利用与震源一起被拖曳或者定位在海床上的传感器来监测来自震源的反射回波。所期望的是，能够直接测量当来自气枪的直接信号首次撞击传感器时的该信号(非常高的振幅)，和从油田内的地下特征所反射的地震回波(振幅低得多)。传感器输出与时间之间的关系的两个示例示出在图1中。气枪在上部曲线中比在下部曲线中更靠近传感器，并且信号的振幅相应地更大。在曲线图的左手侧，传感器输出的较大变化表示来自撞击在传感器上的震源的直接信号。在很小活动的短间隔之后，在右手侧的较小变化的传感器输出表示来自传感器检测到的地下构造的地震回波(seismic return)。

利用该方法来进行感测所经历的问题在于，对于给定的采样率，在某个振幅阈值以上的信号使基于相位感测到的信息变得失真，并能引起解调过程的故障。这种效应(通常称为过载或超标度(overscale))取决于被测信号的频率。在地震系统中，这能够引起与入射脉冲的直达波(direct arrival)相关的特定问题，其中入射脉冲被用来确定传感器相对于震源的方位。这在脉冲已经靠近传感器产生时特别真实，然而在更大的范围处，即使是直达波也不会超标度。理想的是，能够在没有超标度能产生的失真的情况下，记录该入射脉冲。

本发明的总目的是提供改进的用于感测和处理传感器信号的方法和装置，并且本发明的某些实施例的目的是提供利用多路复用的光纤传感器阵列进行感测的改进的方法和装置。

根据本发明的第一方面，提供了一种利用基于相位的转换器进行感测的方法，所述方法包括提供多个表示转换器响应的信号，所述多个信号具有不同的灵敏度，利用所述信号中的至少一个确定转换器响应的幅值，以及基于所述值，使用一个或多个具有不同灵敏度的信号来提供所感测的输出。

通过以这种方式提供具有变化的灵敏度的大量不同信号，能够产生合成信号，该合成信号允许地震回波和直达波两者的所有相位和振幅，对横跨信号水平的全范围所需的精度是已知的。在如上所述的地震测量的情况下，在所有实际范围的直达波和地震回波都能够被解析。

在某些实施例中，多个灵敏度信号从单个感测元件获得。在例如水听器或加速计的情况下，对于对应于每个光纤感测线圈的感测输出的信号，基本同时获得多个灵敏度。这种实施例允许从每个传感器元件获得随时间变化的数据输出，其具有在每个时间时刻的多个不同灵敏度的数据。这是在无需在每个传感器位置提供对应于多个所需灵敏度的多个感测元件的情况下所获得的。已经发现，本发明的具有三个或更多个、或者甚至四个或更多个不同灵敏度的实施例是有利的。

本发明的另外的方面提供了一种校正传感器布置的方法，所述传感器布置适于感测从信号源发射、穿过传播介质的信号，所述方法包括：

(a)提供初始传感器灵敏度

(b)基于信号的标记和已知的传播条件，确定来自具有所述灵敏度的传感器的输出将超标度的范围。

(c)确定最低传感器灵敏度，该最低传感器灵敏度将在所述范围提供所需的SNR

(d)重复步骤(b)和(c)，直至达到最小的所需范围。

本发明扩展到基本如在此参照附图所描述的方法、装置和/或用途。

本发明的一个方面中的任何特征可以任何适当的组合应用到本发明的其他方面。特别地，方法方面可以应用到装置方面，反之亦然。

另外，以硬件实现的特征可以通常可以软件实现，反之亦然。在此对软件和硬件特征的任何参照应当被相应地解释。

现在将参照附图仅通过示例的方式对本发明的优选特征进行描述。

超标度(overscale)通常能定义为当任何相位检测系统的测量带宽被超过时，该系统中的相位跟踪的损失。超标度可以出现在任何基于相位的系统中，但是这里是参照光学系统进行描述，具体而言，是用于地震测量的光纤传感器系统。在光学系统中，超标度可以不同的方式表现它自己，这取决于系统如何多路复用。

在频分多路复用(frequency multiplexed)系统中，许多传感器被以不同的载波频率连续地询问。来自频率多路复用系统的返回如图2所示。要检测的信号作为每个载波频率周围的相位调制被输送。每个信号的容许带宽等于载波频率fc。每个信号占据的频率带宽随着该信号的振幅和频率增加而增加。如果带宽超过容许的系统带宽，则将发生超标度。在这种情况下，超标度将以振幅失真和传感器之间潜在地串扰的组合的方式表现其自身。

在时分多路复用(time multiplexed)光学系统中，以固定的时间间隔(通常由物理传感器装置设定)光学采样每个传感器。在典型的系统中，样本之间的时间间隔可以是5微秒左右。对于要完全保持相位追踪的系统，连续的光学样本之间的光学相位变化需要小于π/2。如果该阈值被超过，则将引入相位模糊，并且将出现超标度状况。

能够使用多种技术来提供不同灵敏度的传感器输出信号。

一种方法是将已经通过机械方式设计为具有不同相位灵敏度的大量传感器通过光学方式多路复用在一起。在加速计的情况下，不同灵敏度的光学设备能够通过使用具有相同尺寸但是不同地震块(seismic mass)的传感器来构建(加速计的灵敏度与加速计的地震块成正比)。例如，如果加速计A使用钨块，而加速计B除了使用密度大约是钨的1/5的铝块，其它方面与加速度计A相同，则传感器A的灵敏度将是传感器B的5倍。如果光学传感器是水听器，则灵敏度可以通过改变光纤缠绕在其上的心轴(管)的厚度和/或材料属性来改变。灵敏度的改变是由由此所产生的硬度变化引起的。然后，可以通过利用已被很好理解的技术(例如，时间和频率多路复用)以光学方式将不同灵敏度的传感器多路复用在一起来组合它们。

一种替代技术是平衡传感器技术。构建具有输出的光学传感器是可能的，所述传感器能够以不同的方式组合在一起，以有效地产生具有两个灵敏度的传感器。这种传感器示出在图3中。

该传感器是包括包套302的加速计，包套302容纳地震块304，地震块304放置在附接于包套的顶部和底部的两个弹簧306、308之间(例如，柔性筒)，弹簧306、308上各缠绕有光纤线圈310、312。如果该包套受到具有至少沿弹簧轴线的分量的振动，那么一个弹簧将被压缩，而另一个弹簧将膨胀。光纤线圈中的一个也将因此而长度相应地被压缩而另一个将伸长。如果光学信号314、316独立地穿过每个线圈，那么光学信号中的一个将在输出318处经历负相移，而光学信号中的另一个将在输出320处经历相等的正相移，或反之亦然。如果这两个光学相移被相减，那么两个光学信号之间的净相移是一个线圈中的相移的两倍——如果它们被相加，则相移为零(假设两个弹簧都以完全一样的方式工作)。通过在弹簧的硬度方面引入微小的差别，所添加的两个线圈的输出将是很小但是非零的相移。在相减之前以电子方式调节光学信道中的一个的标度来产生非零输出，也是可能的。

因此，如果两个输出被相减，则可能产生具有高灵敏度的传感器，而如果两个输出被相加，则可能产生具有低灵敏度的传感器，并且其中能够通过调节弹簧的相对硬度来定制灵敏度。为了防止低灵敏度型超标度，相移的相加必须在光学信号被取样之前进行。

申请人的共同未决的专利申请WO 2008/110780和WO 2009/007694描述了通过提供具有减小的灵敏度的输出来解决时分多路复用光纤感测系统中的超标度问题的技术。所描述的技术涉及提供

形式的响应的传感器，其中

是被感测的参数，即：所感测的信息表示为叠加在频率ω_c的载波信号上的相位变化。然后可使用本领域普通技术人员众所周知的技术来从载波解调相位信号。时分多路复用脉冲干涉光纤传感器阵列的示例被提供在上文所引用的申请中。

载波频率通常选择为尼奎斯特频率的一半，尼奎斯特频率则是采样频率的一半。通常，在每个回程光学脉冲中进行一次采样，因此采样频率是脉冲对发送到阵列中的速率。作为示例，采样频率可以是大约320KHz，从而提供了大约160KHz的尼奎斯特频率和大约80KHz的载波频率。除了其他因素之外，采样频率典型地将具有取决于一个传感器或多个传感器的类型和布置的实际上限。

当相位调制载波的瞬时频率落在尼奎斯特频带之外时，即当

或者当

时，发生超标度状况，其中ω_N和ω_c分别是尼奎斯特频率和载波频率(单位为弧度/秒)。在实际中，这导致通过绕频率空间中的其限度(limit)之一折叠(fold)或包绕，瞬时频率往回混叠到尼奎斯特频带中。取决于所感测的参数的大小和频率，瞬时频率能够往回包绕多次。如果感测的参数被近似建模为则对于ω_N＝2ω_c的通常条件，不发生超标度的条件有时表达为

图4示出了对如WO2008/110780中描述的传感器包的询问。包402由通过声光调制器404产生的一对脉冲来询问。输出的一系列脉冲在交叉点406处被分接，穿过隔离器408，并且到410指代的输出干涉仪。在图4的方案中，输入脉冲之间的延迟设置为光穿过输出干涉仪的延迟线圈412的飞行时间的两倍。尽管所描述的实施例使用Michelson干涉仪，但是本领域读者将认识到，也能够等同地使用在臂之一中具有延迟线圈的Mach-Zehnder型干涉仪。在这种情况下，将输入脉冲之间的间距恰好设置为穿过干涉仪的一个臂中的延迟线圈的飞行时间将使得等同的测量能够被进行。

能够看到，通过这种方式，干涉仪410与脉冲对临时地对齐并干涉该脉冲对，所述脉冲对都已经穿过包402的相同的感测线圈(一个或多个)，但是在不同的时间。换句话说，从光纤耦接镜B反射到E(从镜子A反射开的脉冲不穿过感测线圈)并且收集关于相关的感测线圈的信息的每个脉冲，与经历了相同的光学路径并收集相同信息(但是时间稍晚)的脉冲相组合。因此，与通常直接测量的相位实际值相比，干涉仪的输出表示相位值的导数。因此，使用上文的术语，如果从转换器返回的信号是

其中是被感测参数的量度，那么图4中描绘的系统得到表示

的值，或者所返回的信号的瞬时频率。

相位的变化率或相位变化的导数通常具有比信号本身小得多的振幅，因为测量信号的两个时间之差通常将比信号测量时期小的多。因此，导数传感器技术(DST)提供了降低的灵敏度测量。

WO 2008/110780描述了正常(高灵敏度)传感器输出以及是光学信号的导数(变化率)的输出两者如何能够被同时提供。该导数信号具有比正常光学信号低得多的振幅，并且由于其是正常信号的变化率的量度，所以具有作为频率的函数并有效地增加振幅的响应。正常的信道和导数信道之间的精确的振幅差别取决于用来产生导数信号的两个光学脉冲的间距，但是对于典型的参数组，在800Hz下，导数信号的振幅比正常信号低66dB，然后以每倍频程6dB的速度减小，从而在100Hz低84dB。

WO 2008/110780还描述了通过利用不同的光学返回结构并使用具有不同间距的光学脉冲产生具有不同振幅的导数信号的其他装置，其中间距的长度决定信道的振幅。这能够导致具有在800Hz下低大约56dB(描述为“中等DST”)以及在800Hz下低大约38dB(描述为“长DST”)的水平的导数输出。

因此，存在一类DST技术，其中的每种技术都能够产生具有不同灵敏度的光学信号。这些技术中的一些能够被同时实施。例如，图5示出了这样的光学结构，其中：光学输入信号在光学发射阶段502产生，并输入到包括多个光纤传感器线圈的传感器包504。包的光学输出由长DST干涉仪506和短DST干涉仪508构成。干涉仪输出进入允许同时执行长DST和短DST的输出阶段510，并提供相对不灵敏的短DST和相对灵敏的长DST以及高度灵敏的正常信道(从干涉仪输出中的一个得到)，作为并行的时分多路复用数据流。这三个具有不同灵敏度的信号能够被处理，以提供将在下面描述的单个输出512。

注意到在WO 2009/007694中，进行询问的波长越大，则返回的相位值越小，并且因此对超标度问题的灵敏度越低。然而，对能够通过光纤传播的波长的值存在实际限度，其中光纤是本发明的优选应用。然而，通过由两个或更多个明显较小的波长分量产生合成的波长，提供了具有减小的灵敏度的合成相位测量。

WO 2009/007694提出了一种将脉冲输入到转换器中的合成波长技术(SWT)，所述转换器包含至少两个不同波长的分量。通过这种方式，转换器能够被认为是响应于所述两个不同输入波长的组合所产生的合成波长而工作，从而产生合成的相位输出。通过将合成波长设置为显著地大于两个分量波长中的任一个，合成相位相对小些，并因此对超标度的灵敏度较小。另外还描述了方法和装置以允许伴随着合成波输出一起产生正常输出(基于单个进行询问的波长)。

与DST技术不同，对于SWT，合成波长输出是正常信号的真实地降低了灵敏度的版本(不是导数)，因此具有独立于频率但是与两个波长之差有关的灵敏度。对于典型的容许波长，合成波长技术将横跨所有频率给出比正常信号低60dB的输出。再一次，通过对每个具有不止两个波长的传感器进行询问来同时产生具有灵敏度列的传感器输出是可能的。

上文所描述的DST和SWT的优点在于，能够使用传统的光纤包(或者这种包的阵列)，在对该包具有几乎很小或没有改变的情况下来提供多灵敏度信号。对询问脉冲的定时和所描述的波长的特定操作使得各个传感器元件的表观灵敏度能够改变。这些技术都使用能够在不是特别适于或不是意在用来提供多个灵敏度的已有或老式(legacy)传感器硬件上工作的方法和装置，并且因此这些技术在实用性方面特别具有吸引力。

很多地震系统使用电传感器而非光学传感器。存在大量产生不同灵敏度的传感器输出列的可能方式，它们中的一些方式与已经针对光学传感器所描述的那些相似。例如，可以在每个传感器位置使用许多具有不同灵敏度的不同传感器。可替代地，可以与上述平衡光学传感器相似地设计平衡加速计，其中两个电输出可以被相加从而给出高灵敏度传感器，而两个电输出可以被相减从而给出低灵敏度传感器。

超标度恢复过程应当精确地重建直达信号(并且还有地震反射)的相位和振幅。直达信号用于计算传感器相对于震源的方位，并且相位和振幅测量必须足够精确以使得该方位测量能够被进行。

上面描述的各种技术使得多个(2个或更多个)变化灵敏度的传感器输出同时可用。通常，期望的是使用最高灵敏度传感器输出，其自身将不在最近的范围超标度。对于时分多路复用系统，除了即使在靠近震源的范围，我们需要确保低灵敏度信号上的光学相位的连续样本之间的相位变化也将小于pi/2。

然而，如果仅仅使用最低灵敏度传感器输出(例如，短DST方法)，则我们可能不能够实现所需的信号/噪声比，从而允许直达波被重建到对方位和其他处理目的来说所需的精度。因此，在最长的范围，我们可能需要使用较高灵敏度传感器输出，其不适于在较短的范围使用(因为它可能超标度)，但是却在源不过载的较长范围给出了所需的信号/噪声比。在甚至更长的范围，即使正常(最高灵敏度)的传感器输出也不超标度，因此能够被直接使用。

因此，在大多数情况下，我们需要至少两个(并且可能更多个)具有变化的灵敏度的传感器输出，并且随着震源越靠近接收器而使用连续降低的灵敏度输出。在图6中示出了通用的原理。这里，示出了响应于入射信号的变化的灵敏度的四个输出。系统的设计应当使得在所有重要的范围处，都有至少一个不超标度并且实现了所需的信号/噪声比的输出可用。

图7是示出能够计算超标度水平(即，连续的样本之间的相位变化超过pi/2的次数)和所有可能类型的传感器输出上的信噪比的校正方法的流程图。该方法基于对震源的标记的先验知识、我们正在使用的每个底部传感器类型的频率响应、以及海洋中的声学传播条件。

确定对于给定的应用所需的传感器信道输出的数量和灵敏度的方法，可以描述如下：

1.在直达波将使正常信号(最高灵敏度S₁)过载的最大范围处，计算产生不超标度并且具有所需的信号/噪声的输出所需的传感器输出灵敏度S₂。如果出现过载的最大范围大于所关注的最大范围，则该最大范围被用于计算。

2.随着对震源的范围减小，计算使用作为范围的函数的输出灵敏度S₂的超标度水平。当使用S₂的超标度水平达到1时，计算将不超标度并将实现所需的信号/噪声比的甚至更低的输出灵敏度S₃。

3.重复步骤2，直至达到来自气枪的最小所需范围。

步骤1至3将产生传感器灵敏度输出S₁...S_n的列，其中S₁是正常(最高灵敏度)信号而S_n是最低灵敏度信号，其将被靠近气枪使用。这些输出能够应用到传感器装置(或传感器装置的输出)以产生系统，以及具有适当灵敏度的所感测的输出以产生期望的地震信息。

应当注意，利用各种用于产生上述不同传感器输出的方法来在实际中产生完全具有所述方法所确定的灵敏度的传感器输出可能是不可行的，因此在实际中我们需要确定能够实现哪些接近理论上的所需灵敏度的灵敏度，并且基于(based around)这些设计系统。

例如，如果使用图5所示的正常DST、短DST和长DST的组合，则建模显示这三个传感器信道输出将对于一般的气枪和传感器频率响应，在所有有用的范围提供所需的性能。图5的输出阶段510适应性地组合了不同灵敏度的信号。

对于震源的任何特定射击，图5的输出阶段510都确定不同灵敏度信号的适当组合，以提供适当的输出。对单个传感器可以总结过程如下，但是将被理解到，相同的方法可以等同地应用于多个传感器。

参照图1，在实际中，对于地震回波，正常信道S1将始终不超标度，并且对于所有的地震回波，将选择正常信道，这将始终给出最大的信号/噪声比。对于直达波期间的时期，正常信道可能超标度，也可能不超标度。在该时期期间，较低灵敏度输入中最高的那个(其不超标度)被选择。

根据上面的校正方法，系统被设有每个传感器N个输入，设有灵敏度S₁...S_N，其中S₁＞S₂＞S_N，并且其中S₁是“正常”的传感器输出。如果在最低灵敏度输出S_N上测量相位的变化率，则该变化率然后可被用来确定在所有的其他输出上，相位的变化率将是多少，并因此确定连续的光学样本dfn之间的相位变化是多少(知道S₁、S₂等之间的相对振幅关系)。

选择最高灵敏度输出，对于该最高灵敏度输出，dfn＜π/2(在dfn＝π/2处的点可以定义为1的超标度水平)。更高的超标度水平对应于π/2的更大倍数。

所述方法示出在图8中。所述方法针对3个传感器输出而示例出，其中S₃是最低灵敏度，S₂是中等灵敏度，而S₁是最高灵敏度(正常信道)。然而，相同的过程可以被扩展到任何数量的传感器信道输入。

如果存在大量的灵敏度输出，则最低灵敏度输出(S_N)的SNR可能不足以精确地计算灵敏度高得多的输出是否过载。一种替代方法将是使用S_N输出来确定S_N-1输出是否将超标度，并且如果S_N-1输出不超标度，则其能被用来计算S_N-2输出是否超标度。然后重复该过程，直到灵敏度输出S_X预测到下一个较高灵敏度输出S_X-1将超标度，在这种情况下，使用S_X输出。

下面的过程可以被用于利用所选的较低灵敏度信道来恢复超标度信道。

第一种选择是使用所选择的具有最佳灵敏度水平的较低灵敏度信号来确定超标度信号的变化率，并因此允许重建超标度信号。超标度出现在时分多路复用系统中，因为关于瞬时频率处于哪个尼奎斯特频带中，存在着模糊性。因为不超标度的低灵敏度信道和超标度的信道之间的关系是已知的，所以使用不超标度信道来确定超标度信号实际上应当处于哪个尼奎斯特频带中，然后重建超标度信道(这是公知的频率展开)是可能的。

可替代地，对于正常信号在其处为超标度的每个点，所选择的低灵敏度信号能够在样本接样本的基础上替代超标度的信号。与使用不超标度的信道来重建超标度的信道不同，能够直接使用不超标度的信道，并且通过等于两个信道的灵敏度之差的振幅因子来对其增加标度(upscale)(如果正在使用导数信道，这将涉及导数信号的积分，对于其他方法，可以是简单的刻度改变)。该过程可以在样本接样本的基础上被执行，因此对于每次采样(一般以200kHz的采样率)，该过程将确定正常信道是否超标度，并且如果超标度，则替换最高的可用不超标度信道。在DST的情况下，还可以在不进行积分的情况下使用导数信号——这将导致对正在使用的地震信号的导数的使用。

不同于基于样本接样本地执行上文所概述的替换过程，所述替换可以对于每个样本在第一超标度点之后执行固定时间段。从信号的建模中得知，超标度仅仅可能在初至波(first arrival)期间出现，并且在首次超标度后的固定时间段内，不会再出现更多的超标度。然后，直接替换较低灵敏度信号(对于DST信号，或者是积分形式，或者是导数形式)一个固定的时间段(一般地，可以是首次发生超标度后大约100ms)可能更简单。一种替代方法是估算震源射击后在其期间超标度将出现的时期(例如，大约50ms)，并且因此使用震源的射击作为使用较低灵敏度信道的触发器，同样是使用一个固定的时间段。

另一种方法是使用低灵敏度输出来确定较高灵敏度输出超标度的首次和最后时间，然后在这两个限度之间的所有时间都使用较低灵敏度输出。

已经描述了这样的技术和装置，其中：对于一个或多个传感器的相位输出由用于已经被“缝合”在一起的不同时间部分的不同灵敏度读数构成。其中，导数信号用来测量由脉冲加速信号产生的相位(例如由于气枪脉冲的直达波导致的加速)，能进行噪声的估算以为该导数信号改进SNR，以及改进能够从中得到的积分信号。

如果假设导数信号中的噪声能够由下式近似得到：

n＝a+2bt (1)

其中，t＝0是在时间t＝±r之间出现的直接声学脉冲的中点的处的时间。

直接脉冲的开始和结束时的加速度可以假定为零，并且因此脉冲期间加速度的导数的平均值必然也是零。因此，如果导数信号的平均值非零，则等式(1)中的a的值必然等于该非零的值。这使得能够从导数信号中减去该噪声项，留下剩余的噪声为

n₂＝2bt (2)

因此，能够从导数信号中去除用于导数信号中的稳定状态噪声的估算。

如果对等式(2)进行积分以给出加速中的噪声，则得到：

n_a＝k+bt² (3)，

其中，k是任意常数。

来自能在直接脉冲之前和之后使用的正常信号的噪声水平比从对导数信号进行积分所获得的噪声水平低得多，并且因此能被假定为零。这提供了边界条件，并且为了避免直接脉冲的开始和结束时的噪声不连续，需要k＝-br²。加速噪声然后可以写为：

n_a＝b(t²-r²)，-r＜t＜+r(3a)

n_a＝0，否则

还知道，在直接脉冲的开始和结束时速度必须为零，这意味着事件期间的平均加速度必须为零。如果平均加速度不为零，则剩余的噪声被估算为等式(3a)中给定的形式，其中b选择为使得在该噪声项被减去之后，加速度的平均为零。

这样，通过将边界条件施加在传感器或传感器阵列的输出部分的开始和结束处来计算恒定噪声项并且然后减去该项，基于导数测量的所述部分能够经受噪声减小。信号然后被积分，以提供加速度值，并且然后能够计算二阶噪声项(再次基于所施加的边界条件)，并减去该项。

尽管由等式(3a)所给出的对噪声的估算在时间t＝±r时是连续的，但其导数却不是。为了避免这种情况，应用某种形式的窗口函数来估算并消除t＝±r处的急剧过渡将是可能的。

应当理解，尽管噪声的初始估算仅仅包括一阶时间变化项，但是能通过将附加项添加到等式(1)中而进一步扩展该方法，使得导数信号的噪声由下式近似计算：

n＝a+2bt+3ct² (4)

直接脉冲期间的加速计的净位移也为零这一事实可被用来获得c的值。

因此，提供了一种减少通过将各自从不同灵敏度的传感器响应所得到的至少两个输出部分组合而形成的传感器输出中的噪声的方法，所述方法包括提供对所选择的部分中的噪声的估算以及在所述选择的部分的限度处施加边界条件。然后，噪声估算能从输出或其导数中被减去，以给出具有改进的SNR的结果。能结合本发明的其他方面使用该方法，以提供改进的传感器输出。

噪声估算能够基于对正被测量的信号的属性的认知，并且不同形式的噪声估算将适用于不同的传感器构造。例如，尽管由于压力与速度成比例而使等式(4)中的c项不能够使用(因为在脉冲为零期间，对平均位移没有物理要求)，但是相同的技术还可以用来校正来自水听器的导数信号。

在SWT的情况下，低灵敏度信号与正常信号而非其导数成正比。虽有这种差别，但是应用上述技术并使用适当的边界条件，能够进行合成波长信号中的噪声估算。对于加速计，噪声仍然可以由等式(1)描述，但是在这种情况下，其指的是加速信号中的噪声而非其导数中的噪声。

应当理解，以上仅仅是通过示例的方式描述了本发明，而在本发明的范围内能够进行细节的改动。

说明书以及权利要求和附图(适当的位置)中所公开的每个特征都可以独立地或以任何适当组合的形式提供。

Claims

1.一种利用基于相位的转换器进行感测的方法，包括：

提供表示转换器响应的多个信号，所述多个信号具有不同的灵敏度；

利用所述信号中的至少一个确定所述转换器响应的幅值；以及

基于所述值，利用具有不同灵敏度的一个或多个信号提供感测的输出。

2.如权利要求1所述的方法，其中具有三个或更多个不同灵敏度的信号被提供。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中最低可用灵敏度信号被用来确定转换器响应的所述值。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中从单个转换器感测元件获得多灵敏度信号。

5.如权利要求4所述的方法，包括利用脉冲询问信号来询问所述转换器，以及对返回的脉冲进行处理，以提供不同的灵敏度。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述询问信号包括多波长的分量。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述转换器包括复合传感器，并且来自所述复合传感器的部分信号在对输出信号进行采样之前被组合，以便提供不同的灵敏度。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，包括由所述幅值对在每个灵敏度水平的信号，确定超标度的水平。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中不经受超标度的最高灵敏度信号被选择用来提供所述感测的输出。

10.如权利要求9所述的方法，包括利用所述选择的信号来确定较高灵敏度信号已经超标度的程度，以及重建所述较高灵敏度信号以提供所述感测的输出。

11.如权利要求9所述的方法，包括对所述选择的信号增加标度以对应于经受超标度的较高灵敏度，以及用所述已增加标度的信号替代经受超标度的所述较高灵敏度信号。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述已增加标度的信号在样本接样本的基础上被替代。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述已增加标度的信号在超标度状况出现后被替代一段指定的时期。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述已增加标度的信号在待感测的源启动后被替代一段指定的时期。

15.如权利要求11所述的方法，其中所述已增加标度的信号在所述较高灵敏度信号首次超标度和最后超标度之间的所有时间都被替代。

16.一种询问基于相位的转换器的系统，包括：

用于对所述转换器的输入提供询问信号的源；

用于接收来自所述转换器的响应于所述询问信号的信号输出的检测器；以及

信号处理器，其用于提供表示转换器响应的多个信号并且适应性地利用所述多个信号来提供横跨所感测的信号水平的全部范围的输出，所述多个信号具有不同的灵敏度。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述处理器提供具有至少三个不同灵敏度的信号。

18.如权利要求16或17所述的系统，其中所述处理器包括用于选择所述多个信号中的一个并基于所述选择的信号确定输出值的装置。

19.如权利要求16、17或18所述的系统，其中所述基于相位的转换器包括光纤传感器的阵列。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述传感器的阵列是时分多路复用的。

21.如权利要求16所述的系统，其中所述基于相位的转换器是多路复用的光纤地震阵列。

22.一种校正适于感测从信号源发射穿过传播介质的信号的传感器装置的方法，所述方法包括：

(a)提供初始传感器灵敏度；

(b)基于信号的标记和已知的传播条件，确定来自具有所述灵敏度的传感器的输出将超标度的范围；

(c)确定将在所述范围提供所需SNR的最低传感器灵敏度；

(d)重复步骤(b)和(c)，直至达到最小的所需范围。

23.如权利要求22所述的方法，还包括根据在步骤(c)中确定的值设定所述传感器装置的灵敏度。

24.如权利要求22或23所述的方法，其中所述传感器系统包括多路复用光纤地震阵列。

25.如权利要求22至24中任一项所述的方法，其中所述信号源是高振幅地震源，优选为气枪。

26.如权利要求22至25中任一项所述的方法，其中所述传播介质为海水，并且其中利用已知的海洋传播条件执行步骤(b)。

27.如权利要求22至26中任一项所述的方法，其中如果从所述初始灵敏度确定的范围大于最大的所需范围，则最大的所需范围是来自步骤(b)的输出。

28.一种输出信号处理器，其适于接收基于相位的传感器阵列的输出并提供多个表示所感测的参数的不同灵敏度的信号，其中根据权利要求22确定输出的数量和灵敏度。

29.一种传感器系统，包括：

光输入；

光纤传感器的多路复用阵列，其适于接收所述光输入并产生相位调制光输出；

用于接收所述光输出的检测器，所述检测器包括根据权利要求28所述的输出信号处理器。

30.一种操作地震阵列的方法，其中：

从每个传感器接收具有不同灵敏度的多个输出；

基于所述多个信号中的一个或多个确定所述传感器输出的第一值；

基于所确定的所述传感器输出的第一值，选择所述多个信号中的一个或多个；

基于所述一个或多个所选择的信号，得到所述传感器输出的最终值；以及

使用来自所述阵列中的传感器的传感器输出的最终值来产生地震信息。

31.一种减少通过将各自从具有不同灵敏度的传感器响应得到的至少两个输出部分组合起来而形成的传感器输出中的噪声的方法，所述方法包括提供所选择部分中的噪声的估算以及将所述估算限定为横跨输出部分连续。

32.如权利要求31所述的方法，还包括从所选择的部分中减去所述限定的噪声的估算。