CN102197284B - 光纤光学声感测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测固体介质中的P波和S波的光纤光学分布式声感测。通过将光脉冲发射到光纤中且检测从中瑞利反向散射的辐射，可以使用未经修改的光纤来实现分布式声感测。通过分析在分析仓中的返回，可以在光纤的多个分立纵向片段中检测到声干扰。本发明把这种光纤分布式声感测延伸对S波和P波的检测。

Description

光纤光学声感测

技术领域

本发明涉及光纤光学（fibre optic）声感测，且更具体地涉及光纤光学分布式声感测。

背景技术

各种基于光纤光学的声传感器是已知的。很多这种传感器使用复杂的干涉测量技术和/或沿着光纤的长度布置的光纤光学点传感器或反射部位来提供声感测。

近来，提出了来自连续长度的光纤光学线缆的本征散射的使用，即使用标准光纤光学线缆而没有诸如光纤（fibre）布拉格光栅等的有意引入的反射部位。GB专利申请公开号2,442,745描述了一种系统，其中通过将多组脉冲调制电磁波发射到标准光纤中来感测声振动。一组内的一个脉冲的频率不同于该组中的另一脉冲的频率。来自光纤内的本征反射部位的光的瑞利（Rayleigh）反向散射以组中的脉冲之间的频率差被采样且解调。使用N个不同的分析仓（bin），每一个与特定长度的光纤相关联，且各个分析仓中的声干扰可以被检测。

已提出了使用这种光纤分布式声感测系统来进行油或气体传输管线的周界监控或监控。然而一般地，这种声系统已知用于检测特定分析仓中的声事件，例如用于指示被监控的周界在特定点处已相交。

发明内容

本发明的目的是提供光纤分布式声感测系统的新应用以及与这种应用中使用的光纤分布式声感测相关的方法和设备。

在本发明的第一方面中，提供一种在固体介质中检测P波和S波的方法，该方法包含：将至少第一光脉冲和第二光脉冲重复地发射到至少部分地位于所述固体介质内的光纤（optic fibre）中，其中第一和第二脉冲具有第一光频率差；检测从光纤瑞利反向散射的光；分析反向散射的光以确定针对光纤的多个分立纵向感测部分中的每一个的干扰的测量；以及分析分立纵向感测部分中的干扰的演变以检测P波和S波。

本发明的该第一方面因此提供一种检测经过诸如地面或由诸如混凝土等的材料形成的结构的固体介质传播的P波和S波的方法。

P波和S波代表可以根据激励的属性而传播经过材料的不同类型的波。有时被称为初波或者压力波的P波是可以行进经过固体、液体和气体的压缩波。有时被称为次波或剪切波的S波是横波且仅在固体材料中发生。注意，如此处使用的术语固体仅仅用于与液体和气体区分且不意味着暗示某种连续材料。固体材料可以是集合体或诸如盐、沙、淤泥等的胶质混合物。

该方法使用光纤，该光纤例如可以是诸如将用于电信类型应用的未经修改的光纤，其至少部分地位于固体介质内，即至少一些光纤位于材料内。方便地，所有或大部分光纤位于介质内。

该方法涉及分布式声感测。至少两个光脉冲被发射到光纤中且瑞利反向散射辐射被检测。为了确保辐射是瑞利反向散射辐射，使脉冲的光纤功率保持低于光纤的非线性阈值，即低于超过其将发生非线性光学效应的功率阈值。检测的辐射被分析以确定针对光纤的多个分立纵向感测部分中的每一个的干扰的测量。确定的干扰是在光纤的该特定部分处影响光纤的机械振动的测量。光纤实际上用作沿着光纤的长度以规则间隔分布的一系列独立声传感器。

如上所述，已知分布式声感测在如下情形中使用：期望在光纤的感测部分处定位特定声事件。

然而一般地，在这种已知的分布式声感测（DAS）系统中，该处理查询在光纤的感测部分内发生的具有大于阈值的幅度的声事件。

本发明部分地在于如下实现：DAS系统可以提供足够的信息以允许对行进经过介质的P波和S波的检测。常规的DAS系统不涉及对P波和S波二者的检测。在常规的DAS系统中，被监控的干扰可以是使得不生成具有大幅度的S波。

本发明的该方面的方法使用由DAS系统检测的干扰的演变来识别P波和S波。P波和S波具有经过材料的不同传输属性且一般地S波比P波慢一个相对因子，尽管绝对速度取决于这些波传播所经过的确切材料。因而，如果远程事件生成P波和S波二者，则P波将在S波之前入射。本发明的该方面利用这一事实以允许对P波和S波的检测和识别。对于光纤的任何给定感测部分，由P波导致的干扰将在由S波导致的干扰之前发生。在常规的DAS系统中，在P波之后不久到达的任何入射S波将被看作是整体声干扰的一部分，且不将被视为不同的体波。

该方法因此可以包含在光纤的多个分立纵向感测部分中识别第一系列干扰，接着是第二相关系列干扰。换句话说，该方法包含检测由P波导致的干扰，接着是由S波导致的干扰。第二系列干扰与第一系列干扰相关之处在于：在第一和第二系列的每一个中，基本相同的分立纵向感测部分以基本相同的顺序经历干扰。换句话说，如果来自特定源的P波撞击到光纤上，则它可以以特定顺序导致光各个纤片段中的干扰。例如，设想P波从侧面入射的线性光纤。在第一时间周期中，P波可以撞击到第一感测部分上，其中在该点处检测所得到的相对大幅度干扰。在接着的时间周期中，P波可以到达在第一感测部分的任何一侧的光纤片段。在后续的时间周期中，该波可以撞击到越来越远离第一片段的片段。在某一点处，S波将到达且撞击到第一片段上，导致第一片段处的另一大干扰。S波然后将渐进地撞击到相邻片段以及然后更远离的片段上且因此将发生类似系列干扰。本发明利用这种特性的系列干扰来识别P波和S波。

上述简单示例没有考虑到可能应用于入射波的不同部分的传播速度的变化。例如，对于经过地面行进的P波和S波，这些波行进所经过的岩石或者其他材料的类型将影响这些波的传播速度。因而，当P波的一些部分比如（say）可能行进经过不同的材料到P波的其他部分时，波前可以具有上面指示的更复杂形式。而且，P波的波前可能不同于S波的波前。然而一般地，基本相同的分立感测部分将由于P波和由于S波而以基本相同的顺序受到影响。本发明的该方面因此使用若干不同分立感测部分中的干扰的检测来检测和识别特定事件（在这种情况下为P波和S波的入射）。

因为S波比P波传播得慢，所以第二系列干扰具有比第一系列干扰更慢的演变，即与对于由于P波引起的干扰相比，对于由于S波引起的干扰，在一个感测部分与另一远程感测部分处检测的干扰之间的时间差将更长。干扰的演变速率中的这种变化还可以用于识别由于P波和S波引起的干扰。

显然，经历由于P波和S波引起的干扰的光纤感测部分的数目将取决于当P波和S波到达光纤时它们的相对强度以及感测部分的空间尺寸。分立感测部分的空间尺寸由发射到光纤中的脉冲限定。最小空间尺寸部分地取决于光纤的长度。脉冲在功率方面受到限制以便不会导致光纤中的非线性效应，且对于给定脉冲宽度，将存在超过其就不能可靠检测反向散射辐射的最大长度。分立感测部分的空间尺寸在很多实施例中可以小于或等于30m，且在某些实施例中小于或等于20m或10m。在某些实施例中，光纤被询问以提供大于或等于20km的距离上的感测数据，并且在其他实施例中大于或等于30km或40km的距离是可实现的。

该方法可以包含分析分立纵向感测部分的干扰演变以及每个分立纵向感测部分的位置以识别第一波前接着是第二较慢波前。换句话说，如果已知分立感测部分的相对位置，则可以确定P波和S波的实际波前。P波和S波将一般地预期具有类似形状的波前，但是它们将以不同的传播速率前进。该方法可以包含确定第一波前和第二波前之一或二者的弯曲度的步骤。如果光纤以直线布置来布置，则分立感测部分的相对位置简单地对应于相关感测部分的范围。然而，其他光纤布置是可能的，诸如环形或曲线布置，且在这种情况下光纤的几何形状可以存储在存储器或查找表等中。

该方法可以包含分析检测的P波和S波以确定P波和S波的来源的另外步骤。本发明的该方面因此提供一种用于通过检测和识别由于声事件或地震事件引起的P波和S波且然后使用所述P波和S波以确定事件的位置来检测声事件或地震事件的来源位置的方法。

P波和S波到达两个或更多不同分立纵向感测部分的时间差可以用于确定P波和S波的来源。尽管绝对速度取决于波传播所经过的材料，但S波一般地以P波速度的约0.6倍的速度传播。如果在第一分立感测部分处P波的检测以及S波的后续检测之间存在第一时间差，且P波和S波到达第二分立部分的时间之间存在第二时间差，则第一和第二时间差的比率可以假设为也是第一和第二感测部分与来源的距离之间的比率。通过查看来自很多不同感测部分的时间差，可以确定P波和S波的来源。然而应当理解，如果光纤是基本直线的，则来源的确定可能具有与之相关联的某种不定性。该方法还可以包含使用第一和第二波前中的至少一个的形状来确定P波和S波的来源。

尽管在询问光纤和处理采集的数据方面描述了方法，但是数据不需要实时地或者在光源和检测器的位置处被处理。数据可以被记录以进行稍后分析和/或传输到远程位置以进行处理。

在本发明的第二方面中，提供一种处理分布式声传感器数据以检测P波和S波的方法，该方法包含以下步骤：在将在其之间具有光频率差的至少第一和第二光脉冲重复地发射到至少部分地包含在固体介质中的光纤中之后，取得对应于作为瑞利反向散射的检测光的多个测量的数据；分析所述数据以确定针对光纤的多个分立纵向感测部分中的每一个的干扰的测量；以及分析分立纵向感测部分中的干扰的演变以检测P波和S波。

该处理方法可以利用关于本发明的第一方面的上述所有实施例，且还受益于所有相同的优点。

本发明还提供一种用于实施此处描述的任何方法和/或用于体现此处描述的任何设备特征的计算机程序和计算机程序产品、以及其上存储有用于实施此处描述的任何方法和/或用于体现此处描述的任何设备特征的程序的计算机可读介质。合适编程的计算机可以控制光源且从合适的光检测器接收数据。计算机程序可以以传输信号体现。

本发明还涉及一种用于检测P波和S波的设备。因而，在本发明的另外方面中，提供一种用于检测固体介质中的P波和S波的设备，该设备包含：光纤，至少部分地位于所述介质内；光源，配置成将至少第一光脉冲和第二光脉冲发射到光纤中，其中第一和第二脉冲具有第一光频率差，脉冲的光功率低于非线性阈值；光检测器，配置成检测来自光纤的瑞利反向散射；以及处理器，配置成分析反向散射光以确定针对光纤的多个分立纵向感测部分的干扰的测量并且分析分立纵向感测部分中的干扰的演变以检测P波和S波。

根据本发明的该方面的设备可以包含适于执行本发明的第一或第二方面的方法的处理器。本发明的该方面的设备提供所有相同的优点且可以实施为利用上述任何实施例。具体地，处理器可以布置为确定P波和S波相对于光纤的来源。

光纤可以是诸如标准电信光纤等的连续的、未经修改的光纤。换句话说，不向光纤提供分离的点传感器或特定反射部位等。

一般地，本发明涉及P波和S波的检测。本发明的另一方面是使用光纤光学分布式声传感器来检测和识别固体介质中的P波和S波。如上所述，常规的光纤光学DAS仅已用于检测各个声事件且不认为试图使用DAS系统来检测材料中的P波和S波是可能的或者优选的。分布式声传感器优选地是使用光学时域反射测量术而使用未经修改的光纤来提供多个独立声信道的传感器。

本发明延伸到基本如此处参考附图所描述的方法、设备和/或用途。

在本发明的一个方面中的任何特征可以以任何合适的组合应用于本发明的其他方面。具体地，方法方面可以应用于设备方面，且反之亦然。

而且，以硬件实现的特征一般可以以软件实现，且反之亦然。此处对软件和硬件特征的任何引用应当被相应地理解。

附图说明

现在将参考附图，仅仅通过示例的方式描述本发明的优选特征，其中：

图1说明分布式光纤光学传感器的基本部件；

图2a示出掩埋在地面中的分布式声传感器系统；

图2b示出装在结构中的分布式声传感器系统；

图3示出由于P波和S波的入射引起的由分布式声传感器检测的干扰的理想化图；以及

图4a和4b示出从分布式声传感器系统获得的数据。

具体实施方式

图1示出分布式光纤光学感测布置的示意图。一段长度的感测光纤104在一端处连接到询问器106。来自询问器106的输出被传送到信号处理器108以及可选地到用户接口110，该用户接口实际上可以由合适指定的PC实现。

感测光纤104在长度方面可以是很多公里，且在该示例中约为40km长。感测光纤方便地是标准的、未经修改的光纤，诸如在电信应用中使用的单模光纤。在使用中，感测光纤至少部分地包含在希望监控的介质内。例如，如图2a所示，光纤104可以掩埋在地面200中以提供周界的监控或诸如管线等的掩埋物质的监控。如图2b所示，光纤可以至少部分地装在结构202的一部分内以提供结构监控。

在操作中，询问器106向感测光纤中发射询问光学信号，该询问光学信号例如可以包含具有选定频率模式的一系列脉冲。光脉冲可以具有如GB专利公开GB2,442,745中描述的频率模式，该专利公开的内容由此通过对其引用被并入。如GB2,442,745所述，瑞利反向散射的现象导致到光纤中的某一部分光输入被反射回到询问器，在那里它被检测以提供代表光纤附近的声干扰的输出信号。询问器因此方便地包含至少一个激光器112和至少一个光学调制器114以用于产生由已知光频率差分离的多个光脉冲。询问器还包含布置为检测从光纤104内的本征散射部位反向散射的辐射的至少一个光电检测器116。

来自光电检测器的信号被信号处理器108处理。诸如GB2,442,745所述，信号处理器基于光脉冲之间的频率差而方便地解调返回的信号。如GB2,442,745所述，信号处理器还可以应用相位展开算法。

光学输入的形式和检测的方法允许把单个连续光纤在空间上分解成分立感测长度。即，在一段感测长度处感测的声信号可以基本独立于相邻长度处的感测信号被提供。本示例中的空间分辨率约为10m，导致采取4000个独立数据信道的形式的询问器的输出。

以这种方式，单个感测光纤可以提供感测数据，这类似于布置在线性路径中的相邻独立传感器的多路复用阵列。

在本发明的一个实施例中，信号处理器108配置成分析收集的数据以检测P波和S波。

如本领域技术人员将意识到P波和S波是可以在介质内发生的不同类型的体波。例如，诸如由对地面或主体的显著震动生成的地震波可以包含P波和S波。常被称为初波或压力波的P波是通过在波的行进方向上压缩材料而传播的纵波或压缩波。P波可以行进经过固体以及气体和液体。常被称为次波或剪切波的S波是仅可以传播经过固体材料的横波。

P波和S波以不同速度行进经过材料，其中在任何给定介质中S波的传播速度约为P波的传播速度的0.6倍。尽管绝对传播速度取决于介质，但是在大多数材料中相对速度保持大致恒定。因而，从生成P波和S波二者的任何远程事件开始，P波将首先到达。

本发明人已发现，如上所述的光纤光学分布式声传感器能够检测入射的P波和S波二者的效应且可以分离地检测P波和S波的到达。而且，P波和S波之间的到达时间差不仅可以用于检测和识别P波和S波而且还可以用于估计P波和S波及来源的方向以及到来源的范围。

假定P波比S波传输得更快，P波将首先入射到光纤上。P波的通过将使得光纤的各个片段振动，这将被检测为声干扰。典型地，P波将具有弯曲的波前，且因此根据光纤几何形状将在不同时间入射到光纤的不同片段上。设想P波从侧面入射的线性光纤。波前首先将在某一位置X处遇到光纤且因此对应于位置X的光纤的感测部分将首先经历由于P波引起的干扰。随着时间前进，波前将到达渐进更远离位置X的片段。

图3示出分布式声光纤的理想化响应。图3的x轴示出沿着光纤的位置，且y轴示出时间。轨迹301说明对入射p波的理想化响应。声干扰首先在位置X处被登记，且随着时间继续，干扰到达光纤的其他片段。

S波将跟随在P波之后。因为P波和S波一般共享共同来源，所以S波将再次可能首先在位置X处入射到光纤上。因此可以看出类似的响应。首先是位置X处的干扰，稍后接着是沿着从位置X扩展开的光纤的干扰。然而因为S波具有较慢的传播，所以干扰的演变将较慢。这在图3中通过由于S波引起的轨迹302的斜率具有较陡的梯度的事实说明。

图4a和4b示出来自分布式声光纤的信号返回的实际图。图4a和4b示出相同的数据，但是在图4b中，由于S波引起的返回被突出显示。图4a和4b二者均示出瀑布图，其中时间绘制在y轴上，沿光纤的距离绘制在x轴上且声幅度由数据点的强度说明。从图4a可以看出，P波的入射可以显然区分为在2400附近信道处最初检测的第一系列干扰。因为在该实例中每个信道代表10m的光纤片段，这对应于沿光纤长度约24km的距离。随着时间前进，干扰然后扩展到邻近信道。从该图的左手侧可以看出，干扰的开始遵循大致恒定梯度的线。

S波在P波效应仍明显时达到，这说明在区分P波和S波的效应中的难度。然而，S波可以被辨别出为随时间影响传感器的若干信道的强度变化。不幸的是，这不如黑白图4a和4b中显然地表现。不过，第二系列干扰可以被辨别出且到达的该次波前在图4b中已被突出显示。从这些图可以看出，S波具有光纤上相同的一般入射点且以与P波一般相同的方式扩展，但是S波的斜率较陡以指示较慢的传播。

因此，信号处理器适于通过以下方式来检测P波和S波：检测以特定顺序影响光纤的信道的第一系列声干扰，短时间之后接着是影响光纤的基本相同信道且以基本相同顺序但是具有较慢时间演变的第二系列声干扰，即第二系列干扰扩展得更慢。从图4a和4b将显然的是，由于P波，S波在增加的声活动的周期中到达且因而第二系列声干扰代表声幅度中的一系列变化。

利用对P波和S波的入射的特性响应的知识，可以经过合适的信号处理来识别不同的P波和S波。

一旦识别出S波和P波，在光纤的各个位置处的到达时间可以用于确定P波和S波的来源相对于光纤的方向和/或范围。针对P波和S波之一或二者的波前可以被确定且用于基于波前的曲率和关于波行进所经过的介质的任何现有知识来给出点来源的指示。

此外或备选地，P波和S波的相对到达时间可以用于确定到来源的方向和/或范围。这利用了这一事实：P波和S波具有大致恒定的相对速度。因而，如果在光纤上的第一位置处P波的到达和S波的后续到达之间的时间差是T₁且在光纤上的第二位置处P波的到达和S波的后续到达之间的时间差是T₂，则可以假设第一位置到来源的距离与第二位置和来源的距离的比率是T₁:T₂。通过查看沿着光纤的若干位置处的相对时间差，可以估计来源的相对位置。P波和S波的到达的实际时间差也可以与传播速度的估计一起用于估计来源点。

本发明因此涉及使用光纤光学感测来检测在固体中传播的P波和S波，且涉及布置为检测P波和S波且使用P波和S波的检测来确定其来源的DAS系统。

应当注意，说明书以及（视情况而定）权利要求和附图中公开的每个特征可以独立地或以任何合适组合被提供。

Claims (12)

1.一种在固体介质中检测P波和S波的方法，包含：

将至少第一光脉冲和第二光脉冲重复地发射到至少部分地位于所述固体介质内的光纤中，其中第一光脉冲和第二光脉冲具有第一光频率差；

检测从光纤瑞利反向散射的光；

分析反向散射的光以确定针对光纤的多个分立纵向感测部分中的每一个的干扰的测量；以及

分析分立纵向感测部分中的干扰的演变以检测P波和S波，其中，分析分立纵向感测部分中的干扰的演变包含识别该多个分立纵向感测部分中的第一系列干扰，接着是较慢第二相关系列干扰。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该第二相关系列干扰通过以基本相同的顺序影响基本相同的分立纵向感测部分而与该第一系列干扰相关。

3.根据权利要求2所述的方法，其中该第二相关系列干扰具有比该第一系列干扰更慢的传播。

4.根据前述任一权利要求所述的方法，其中该方法包含分析分立纵向感测部分的干扰的演变以及每个分立纵向感测部分的位置以识别第一波前，接着是第二较慢波前。

5.根据权利要求4所述的方法，包含确定第一波前和第二较慢波前之一或它们二者的弯曲度的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，包含分析检测的P波和S波以确定P波和S波的来源的另外步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中P波和S波到达两个或更多不同分立纵向感测部分的时间差被用于确定P波和S波的来源。

8.根据权利要求6所述的方法，包含分析检测的P波和S波以确定P波和S波的来源的另外步骤，其中第一波前和第二较慢波前中的至少一个的形状被用于确定P波和S波的来源。

9.根据权利要求4所述的方法，包含分析检测的P波和S波以确定P波和S波的来源的另外步骤，并且其中P波和S波到达两个或更多不同分立纵向感测部分的时间差和第一波前和第二较慢波前中的至少一个的形状被用于确定P波和S波的来源。

10.一种用于在固体介质中检测P波和S波的设备，包含：

光纤，至少部分地位于所述介质内；

光源，配置成将至少第一光脉冲和第二光脉冲发射到光纤中，其中第一光脉冲和第二光脉冲具有第一光频率差，脉冲的光功率低于非线性阈值；

光检测器，配置成检测来自光纤的瑞利反向散射；以及

处理器，配置成：

分析反向散射的光以确定针对光纤的多个分立纵向感测部分的干扰的测量；并且

通过识别该多个分立纵向感测部分中的第一系列干扰、接着是较慢第二相关系列干扰，来分析分立纵向感测部分中的干扰的演变以检测P波和S波。

11.根据权利要求10所述的设备，其中该光纤是连续的、未经修改的光纤。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的设备，其中该处理器被布置为确定P波和S波相对于光纤的来源。