CN102216737B - 基于相位的感测 - Google Patents
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Abstract
基于相位的换能器的询问是通过在时间上重叠和干涉来自该换能器的单一脉冲输出而得以执行，以确定用相位变化表示的被测变量随时间的变化率。相位变化的变化率、或者导数，通常具有比信号本身小得多的幅度，因此导数测量具有减小的敏感度。用这种方式，否则可能经受过缩放效应的大幅度信号可被更有效地测量。
Description
技术领域
本发明涉及利用询问信号的相位变化确定被感测参数的传感器，尤其涉及但不限于光纤干涉测量感测。本发明寻求在地震勘测领域的特定应用。
背景技术
某些类型的光纤传感器使用一定长度的光纤，该光纤被以如此方式布置使得被感测的参数引起要施加在该光纤上的应变。通常该光纤被布置成线圈，然而其他布置也是可能的。这种应变引起在该光纤中的光信号传播的相位的变化，这种变化可通过干涉测量技术检测到。以前已经提出了这类换能器的多种不同布置，其中许多布置具有卷绕在可变形的芯或心轴上的光纤线圈，其响应于被感测的参数(比如被感测的震动)而经历径向的膨胀或收缩。
这种光纤传感器能够呈现极高的灵敏度，并具有完全无源的优势，在该感测换能器处不使用电力。这种传感器还被证明在需要大的传感器阵列的应用中是受欢迎的，因为它们相对容易被多路复用(multiplex)。
这种应用的一个示例是油气勘探行业中的地震勘测，其中包含数百或者甚至数千个振动传感器和/或水中听音器的大的时分多路复用阵列可被用于感测来自海底下的地质构造的入射脉冲的反射。以有规律的周期对这种阵列采样提供有关现有或潜在的新的储量的3D时间推移(timelapsed)数据。
更详细来说，高振幅地震源(通常是气枪)被拖动跨越已知或潜在的油田的顶部，以有规律的间隔发射该源，并使用传感器监视从该源反射的返回，其中该传感器是与该源一起拖动的或者被定位在该海底上。期望能够直接测量在信号首次到达该传感器时来自该气枪的直接信号、以及从该区域内的地下特征反射的地震返回，该地震返回具有明显更低的振幅。
利用这种方案进行感测所经历的一个问题是，对于给定的采样率，高于某幅度阈值的信号使得基于相位的感测信号变得扭曲，并可能引起解调过程的失败。这种效应(通常被称为过载或过缩放(overscaling))依赖于被测信号的频率。在地震系统中，随着入射脉冲的直接到达这可能导致特定的问题，特别是当靠近该传感器产生那个脉冲时(所述脉冲通常由水面船只所拖曳的气枪在其经过所述阵列上方时生成)。期望能够在没有由所述过缩放所产生的失真的情况下记录该入射脉冲。
申请人的共同待决的国际专利申请PCT/GB2008/000830描绘了用于确定由换能器(或换能器的多路复用阵列)对询问信号施加的相位相对于时间的导数的装置和技术。这种技术被称为导数传感器技术(DST)。
该相位的变化率(或导数)通常具有比信号本身小得多的幅度，因为测量信号的两个时间之间的差将通常比被测量的信号的周期小得多。因此，DST提供了一种减小的敏感度测量。例如，对于其大部分能量集中在约800Hz处的信号，在两次测量时间之间的时间段为200ns时，那个信号的导数通常将被衰减至少60dB。
PCT/GB2008/000830描述了通过使用不同的光学返回方法和架构、利用具有不同间隔的光脉冲对来产生具有不同幅度的导数信号的多种工具，其中该间隔的长度决定了该信道的幅度。这可能导致具有在800Hz处低约50dB(描述为“中等(medium)DST”)和在800Hz处低38dB(描述为“长DST”)的水平(level)的导数输出。
导数信号的水平与脉冲经过该传感器时的时间差成比例。减少这个时间差减少了该导数信号的水平但是增加了能被测量的动态信号的最大水平。然而，对在上述多路复用阵列中的脉冲对之间的最小时间差有实际极限。
发明内容
本发明的一个目标是提供改进的感测方法和装置，本发明的某些实施方式的一个目标是提供使用多路复用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，提供一种询问基于相位的换能器的方法，所述换能器响应于所感测的参数而提供信号传播的相位的变化，所述方法包含接收传播通过所述换能器的单脉冲信号频率；将该单脉冲信号的延时版本和未延时版本组合；并从所述组合确定相位随着所述信号的时间的变化率的数值。
导数信号的水平与脉冲经过该传感器时的时间差成比例。减少这个时间差减少了该导数信号的水平但是增加了能被测量的动态信号的最大水平。因此，为了测量非常大的动态信号，将必须具有非常短的时间间隔。
在以前提出的用于获得导数信号的技术中，如上所述，脉冲对被输入到阵列，且该脉冲之间的时间间隔能够确定所产生的敏感度水平。出于多种实际考量，经常需要该光脉冲具有为100ns量级的最小宽度。因此，脉冲之间的最小时间差也是100ns，否则输出干涉仪不能被用于重新对准这两个脉冲。
然而，在本发明中，只需要从传感器或传感器阵列接收单脉冲，而减小了由脉冲对的布置所施加的约束。同样地，所接收的信号可与已被延时了仅一段很短时间的版本相组合，并且小于100ns或小于50ns的延时是能够实现的。在下面所述的示例中，使用10ns或更小的延时。
在典型的实施方式中所接收的信号基本上是方波脉冲。该脉冲可以是脉冲序列的一部分，但是每个所接收的脉冲能够被少量延时从而它与它所组合的无延时版本在时间上重叠。换句话说，该延时小于该脉冲持续时间，从而同一脉冲在时间上不对准的版本被组合起来。
在实施方式中该脉冲将包含单一频率。在实施方式中，为了方便提取代表导数信息的动态信号，延时版本的频率相对于未延时版本的频率被偏移。其中干涉仪被用于延时和组合所接收的信号，不同的频率偏移可被施加到在该干涉仪的相应臂中的信号上。
所感测的参数的实际值可通过对所测量的导数值进行积分而得以重建。然而，如果噪声下限是由系统噪声决定的，那么该噪声下限对于该相位信息及其导数两者来说是基本上相同的，该导数信号经受较低的SNR。
如同下面更详细地描述的，当该换能器的输出的瞬时频率(其依赖于相位的变化率)落在由这个信号被采样的速率所确定的奈奎斯特频率范围之外时，过载发生。落在该奈奎斯特范围之外的任何瞬时频率将围绕该范围的极限被折叠回其上。根据所感测的信号的幅度和频率，该信息可围绕该奈奎斯特频率极限被折叠或包绕(wrap)许多次。本发明的发明人已经发现，在当前信息的实施方式中所测量的导数信息可被用于确定该信息已被包绕了多少次，或者该信息超出该奈奎斯特极限的系数。然后这允许直接测量的参数值被校正以提供与通过对所测量的导数信号进行积分而提供的SNR相比具有改进的SNR的信号。
本发明延伸到基本上如本文中参考附图所描述的方法、装置和/或用途。
本发明的一个方面中的任何特征可被应用于本发明的其它方面，以任何适当的组合。尤其是，方法方面可被应用于装置方面，并且反之亦然。
附图说明
现在参考附图，纯粹以示例方式描述本发明的优选特征，在附图中：
图1显示了一种已知类型的光纤传感器组件(package)；
图2是适于图1的组件的询问波形；
图3描绘了来自图1中显示的类型的组件的典型响应；
图4显示了根据本发明的一个方面用于询问光纤组件的系统；
图5描绘了能够从图4的系统中获得的输出；
图6显示了根据本发明的一个实施方式的布置；
图7描绘了图6的布置的输出；
图8显示根据本发明的进一步的实施方式的布置；
图9描绘了能够产生多个输出的布置；
图10描绘了图9的系统的一部分的功能。
具体实施方式
参考图1，示意性地显示了一种已知类型的光纤传感器组件，总体用102指示，包括四个由单一长度的光纤13形成并串联布置的单独的光纤传感线圈104、106、108、110。光纤112的一部分充当组件输入/输出(i/o)光纤。光纤耦合的镜子114、116、118、120、122沿光纤13在相应位置耦合于该光纤13使得每个线圈具有耦合在其每一端处的光纤耦合镜。可以使用反射来自每个传感器之前和之后(比如在光纤Bragg光栅中)的光的一部分的其它手段来代替光纤耦合的镜子。可以把这些组件的大规模阵列耦合在一起，并且利用多路复用对其进行周期性询问，以便例如提供时间推移地震成像。
参考图2，图1的组件102的询问可以通过将一对询问光脉冲202、204引入到组件i/o光纤112中而被执行。脉冲202、204具有相应的频率ω1、ω2而脉冲204相对于脉冲202延时τ＝2L/c，其中L是在该传感器中的线圈的长度而c是光脉冲在该光纤中的速度。
图3通过考虑每对输入脉冲形成的输出而描绘了该组件的光学输出响应。在图3a中，到达该组件的第一脉冲202被从5个光纤耦合镜的每一个反射掉以产生五个输出脉冲301、302、303、304和305(相对于任意时间基准所测量的)。类似地，参看图3b，脉冲204产生相对于相同的任意时间基准的五个被时间延迟的输出脉冲322、323、324、325和326。因为输入脉冲被延迟通过单个线圈的行程时间(timeofflight)的两倍，并且因为该脉冲存在于同一光纤上，所以该两组输出被重叠以产生图3c中显示的六个脉冲331、332、333、334、335和336。将要理解，脉冲332到335(用阴影显示)对应于已经(两次)经过两个相邻的镜子之间的线圈的脉冲和还没有经过的脉冲的组合。而且，由于输入脉冲202和204具有不同频率，所以被组合的脉冲具有不同的频率。被组合的脉冲之间的频率差的影响是载频的产生，其中相位信息被调制到该载频上。因此相位检测能被用于确定由那个线圈所施加的相位变化，并因此如本领域公知的那样获得所感测参数的数值。
如果是所感测的参数，则从光电检测器获得的、则从被用来测量从上述类型的传感器返回的一系列脉冲的光电检测器所获得的信号可以被写成即，所感测的信息被表示为叠加在频率为ωc的载波信号上的相位变化。然后本领域技术人员公知的技术能被用于从载波解调相位信号。该载波频率通常被选择为奈奎斯特频率的一半，而奈奎斯特频率又是采样频率的一半。在每个返回光脉冲中进行一次采样是常见的，因此，采样频率是脉冲对被传输到该阵列中的速率。举例来说，采样频率可以是约320kHz，给出约160kHz的奈奎斯特频率和约80kHz的载波频率。该采样频率通常具有一个现实上限，该上限除了其它因素之外取决于一个或多个传感器的类型和布置。
当经过相位调制的载波的瞬时频率落于奈奎斯特带之外时，即当或当(其中ωN和ωc分别是奈奎斯特频率和载波频率)时，出现过缩放状况。这在实践中会导致把瞬时频率混叠回到奈奎斯特带中，这是通过围绕其中一个极限在频率空间中发生折叠或包绕而实现的。根据所感测的参数的量值(magnitude)和频率，该瞬时频率可被包绕回多次。如果所感测的参数被近似建模为则对于ωN＝2ωc的常见状态、不发生过缩放的条件有时被表示为
图4描绘了如PCT/GB2008/000830描绘的传感器组件的询问。通过由声光调制器404产生的一对脉冲询问组件402。输出脉冲序列在接合点406处被抽出，经过隔离器(isolator)408，并到达由410标示的输出干涉仪。在图4的方案中，输入脉冲之间的延迟被布置为是光通过输出干涉仪的延迟线圈412的行程时间的两倍。尽管所述实施方式使用迈克尔逊干涉仪，然而精通本技术的读者将会意识到同样可以使用在其中一个臂中具有延迟线圈的Mach-Zehnder型干涉仪。在这种情况下，将输出脉冲之间的间隔布置为正好是通过该干涉仪的一个臂中的延迟线圈的行程时间将允许进行等效测量。
图5描绘了从干涉仪410输出的分量脉冲列。脉冲列502代表从镜子B到E的超前输入脉冲的输出(用下标1标示)，这是由该干涉仪的延迟臂产生的(用Y标示)。脉冲列504代表从镜子B到E的滞后输入脉冲的输出(用下标2标示)，这是由干涉仪的未延迟臂产生的(用X标示)。可以看出，用这种方式，干涉仪410在时间上对准并干涉脉冲对，两个都经过组件402的相同的一个或多个感测线圈，但是在不同时间经过的。换句话说，从光纤耦合的镜子B到E反射掉(从镜子A反射掉的脉冲还没有经过感测线圈)并采集关于相关感测线圈的信息的每个脉冲被与经历相同光径、采集相同信息、但是在稍后的时间的脉冲相组合。脉冲的对准使得每个所组合的对中的一个是从超前输入脉冲的反射(下标1)，而另一个是从滞后输入脉冲的反射(下标2)。同样，成对的脉冲具有频率差，如同上面指出的，该频率差使得相位被调制到载波信号上。
因此干涉仪的输出代表相位值的导数，和通常直接测量的相位的真实值形成对比。因此使用上述术语，如果从换能器返回的信号是其中是所感测的参数的数值，则图4中描述的系统导出代表的值，或者所返回信号的瞬时频率。
考虑到以t＝1中心的组合的输出脉冲，应该理解，这代表在两个不同时间处从镜子B反射(即经过感测环路AB)的两个脉冲的组合。由线圈AB感测的参数的导数因此被包含在此脉冲内并可从此脉冲确定。以类似方式，在t＝2处来自该干涉仪的脉冲输出将是脉冲的组合，其两者都已经两次经过了感测环路AB和BC。一旦从此脉冲提取出导数值，通过减去感测环路AB的导数值(上面获得的)，得到了感测环路BC的导数值。用这种方式，可以获得组件402中每一个感测环路的导数值。
在图6中，从换能器或换能器阵列返回的单一脉冲经过隔离器602并进入输出干涉仪(总体用604标示)。在该干涉仪的一个臂中的延迟606产生延迟了小于该脉冲的持续时间的量的脉冲版本。这种经过延迟的版本与在该干涉仪中的未延迟版本(来自该干涉仪的另一个臂)组合，并在608输出所产生的信号以进行解调。
图7描绘了图6的装置的效果。以持续时间为100ns的输入脉冲为例。用于这种脉冲的合适的干涉仪延迟是约10ns，这可以用1m的延迟线圈来实现。由该干涉仪的未延迟臂所产生的脉冲被显示在702，而相应的经过延迟的脉冲被显示在704。可以看出，因为该延迟比脉冲持续时间小，所以脉冲在时间上重叠。如果我们考虑在时刻t对两个脉冲之间的干涉进行测量，则将能理解，经过延迟的脉冲的采样部分已经在它现在所干涉的未延迟的等效物的采样部分之前的10ns经过了换能器。
在参考图4和5描述的方法中，通过具有细微频率差(通常约为50kHz)的两个脉冲的干涉捕获相位。当脉冲干涉时，这种频率差引起要被产生的然后由该动态信号调制的载波信号，使得更容易提取该动态信号。然而，对于图6和7中显示的布置，两个相干涉的脉冲具有相同的频率，因为它们是只具有单一频率的单一脉冲的版本。因此没有载波信号，使得动态信号的提取更加困难。
图8描绘了解决这种困难的布置。输出干涉仪804在两个臂中都包括声光调制器(AOM)810和812。AOM之一由在f1的连续RF信号驱动，而另一个由在f2的连续RF信号驱动。光每次经过AOM时，它的频率被偏移RF驱动频率。当光两次经过AOM时，从两个臂返回的脉冲在频率上相差2(f1-f2)。如果f1-f2＝25kHz，则两个输出脉冲将相差50khz，并因此将像常用的那样产生50kHz的载波。
导数信号的水平与脉冲经过传感器的时刻之间的时间差成比例。在上面的示例中，基于10ns的时间延迟产生导数信号，其中该10ns的时间延迟比上面参考图4和5描述的导数技术实际上实现的最小值短。因此，可以测量更大的动态信号。通过将1m的路径差减小到较小的值(因此也减小延迟)，测量更加较大的信号也是可能的。
尽管提供了动态信号的增加的水平，本发明的实施方式将经历减小的SNR，当法向信号(normalsignal)刚刚过载时SNR特别低。该法向信号的直接重建(如例如PCT/GB2008/000830描述的)则可能是有问题的，并因此提出图9的布置。
图9的系统适于接收来自一系列传感器的输出，每个感测线圈包含40m的光纤。在这种情况下，光两次经过各传感器将花去大约400ns。频率相差为50khz的一系列的光脉冲对被传输到该阵列中，其中脉冲对中的两个脉冲的间隔是200ns。从该传感器返回的光在分离器902被分离。返回的光的一半传给干涉仪904，其包括20m(～200ns)的路径失衡(imbalance)905，随后被输出到光电检测器906以测量法向(normal)和标准导数信号。
干涉仪904如PCT/GB2008/000830中所描述的那样工作以产生如在图10中描绘的脉冲列(其中标识X和Y分别指示该干涉仪的未延迟臂和延迟臂)。
超前或滞后(用下标1和2标示)脉冲的从换能器组件的相同反射器(标示为A、B……)的反射被对准并干涉(以与参考图5所述的方式基本相同的方式)，如同从脉冲列1004和1006可以看出的。因此，这为每个传感器线圈(累积地)提供了导数或“低敏感度”信息。另外，超前和滞后脉冲的从该组件的相邻反射器的反射被对准和干涉，如同从脉冲列1002和1008可以看出的，脉冲列1002和1008的形式与图3中显示的形式基本相同，并且被组合以形成载有直接的或“高敏感度”的参数值的输出脉冲。因此干涉仪904产生以交叉的脉冲列形式的具有两个不同敏感度的输出。具有频率差的脉冲被如此干涉以便所感测的信息被调制到50Hz载频上并可用已知方式直接提取。
返回的光的另一半从分离器902传到干涉仪908，该干涉仪908包含两个AOM912和914和1m的路径失衡916，基本上如参考图6所述的那样，然后到达光电检测器910上。
在经过任何干涉仪之前，从成对的两个光脉冲的反射不重叠，因此它们可以被当作单一返回脉冲对待，且干涉仪908像前面描述的那样运作以产生调制到50Hz载波上的“非常低的敏感度”的导数相位。这描绘了一个原理：尽管只使用单一脉冲提取非常低敏感度信息，但这不排除将两个脉冲输入到换能器组件。所有的信号是经过调制的50kHz载波，因此它们每个都可使用相同的方法被解调。
结果，图9的布置产生代表同一换能器组件所感测的参数的3个输出，但是所有的输出都具有不同的敏感度，这使得能够测量很宽范围的信号幅度。这个结果是从包含在时间上间隔开的脉冲对的单一询问波形实现的。
将能理解，上面纯粹使用示例的方式描述本发明，且可以在本发明的范围内进行细节的修改。
尽管已经描述了适用于地震勘测的光纤传感器组件，然而技术人员可以领会，本发明同样适用于在替代应用中使用的其它类型的基于相位的换能器。示例包括在有源声纳系统中的光纤水听器的使用和使用自由空间光学干涉仪测量表面振动。
可独立地或以任何适当地组合提供在说明书和(在适当情况下)权利要求书以及附图中公开的每个特征。
Claims (20)
1.一种询问基于相位的换能器的方法，所述换能器响应于所感测的参数而提供信号传播的相位的变化，所述方法包括：
传输单一脉冲通过所述换能器，以及在相位检测器处接收所述单一脉冲；
在相位检测器中将所述单一脉冲信号的延迟版本和未延迟版本相组合，所述延迟版本和未延迟版本都传输通过了所述换能器；
从所述组合确定所述信号的相位随着时间的变化率的数值。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括相对于所述未延迟版本的频率偏移所述延迟版本的频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括将所述信号传输通过输出干涉仪。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所接收的单一脉冲信号是一系列脉冲的一部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述延迟版本被延迟小于所述脉冲的持续时间的时间段。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述延迟版本被延迟小于100ns。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述单一脉冲信号包括单一频率。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包含基于所述相位的变化率获得相位值。
9.根据权利要求1所述的方法，其中从所述换能器接收的信号具有载波频率，且其中所述信号的峰值瞬时频率的量值小于所述载波频率的量值。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述基于相位的换能器是水中听音器、地震检波器或加速度计之一。
11.根据权利要求1用于询问多路复用的光纤地震阵列的方法。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述换能器包括至少一个本征光纤传感器。
13.一种用于询问基于相位的换能器的系统，所述换能器响应于所感测的参数而提供信号传播的相位的变化，所述系统包括：
用于接收包括传输通过所述换能器的单一脉冲的输出信号的相位检测器，所述相位检测器包括用于产生所述输出信号的延迟版本的延迟器，并适于将所述输出信号与所述经过延迟的输出信号相组合以确定所述输出信号的相位变化率的数值，其中所述延迟器具有小于所述单一脉冲信号的持续时间的时间段，所述延迟版本和未延迟版本都传输通过了所述换能器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述相位检测器包括用于相对于所述未延迟版本的频率偏移所述延迟版本的频率的频率偏移器。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所接收的单一脉冲信号是一系列脉冲的一部分。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述延迟器具有小于100ns的时间段。
17.根据权利要求13所述的系统，进一步包含用于向所述换能器提供输入信号的信号源。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述输入信号包含一系列单一频率脉冲。
19.根据权利要求17所述的系统，其中所述输入信号包含一系列在时间上间隔开的脉冲对。
20.一种询问基于相位的换能器的方法，所述换能器响应于所感测的参数而提供信号传播的相位的变化，所述方法包括：
传输具有单一频率的单一脉冲通过所述换能器，以及在相位检测器处接收所述单一脉冲；
在所述相位检测器中将所接收的单一频率信号的延迟版本和未延迟版本相组合，所述延迟版本和未延迟版本都传输通过了所述换能器；
从所述组合确定所述信号的相位随着时间的变化率的数值。
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