CN103597328B - 一种用于传感的传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明通过适用于传感一个或多个结构的一个或多个特性的传感器来实现这些目标，该传感器包括：第一光学传播路径，其被配置成与特性待被传感的结构配合；第二光学传播路径，其被配置成与特性待被传感的结构配合；第三光学路径；用于放大在第三光学传播路径中传播的信号的装置，以使信号在沿第二光学传播路径传播前被放大；以及避免信号从第二光学传播路径向第三光学传播路径传播的装置。本发明进一步提供了对应的传感方法。

Description

一种用于传感的传感器和方法
技术领域
本发明涉及一种传感的传感器和方法，且特别地但不唯一地涉及使用布里渊散射技术测量一个或多个结构特性的传感的传感器和方法。
背景技术
在如输油管线、电缆或海底电缆等很多应用领域中，使用测量仪器连续监控结构上和/或功能上的参数众所周知。测量仪器也可用于土木工程领域，且特别是在大尺寸结构建筑领域。
测量仪器通常用于管理各自结构的温度或应变的时间趋势，即变形或伸长的几何测量，该变形或伸长为应力导致且确定沿光纤延伸或压缩的总量。更详细的是，这些测量仪器适用于提供局部特性的信息，因此可用其作为时间的函数监控与工程结构的多个部分或组成部分相关的温度或应变，提供结构在泄露、地面移动、变形等方面的有用信息。
在用于监控工程或建筑结构状态的测量仪器中，基于光纤的光电设备有很大重要性。特别是，这些仪器通常包括需要配备通常大约几十公里数量级的光纤探针的电子测量设备。在使用中，这个光纤稳定连接到各自的物理参数需要监控的工程结构的部分或部件、且与工程结构的部分或部件保持充分接触。例如，光纤可以沿着石油输送管线的管道延伸，或嵌入建筑的混凝土柱，因此可用光线显示这些结构局部的温度或应变趋势。换句话说，这些光电设备由光纤传感器构成，即，将光纤用作传感元件的传感器。光纤传感器可以是：
-点传感器，其中只使一个沿光纤的位置对温度和/或应变敏感；
-半分布式传感器或多路复用传感器，其中很多点传感器通过光纤彼此连接，且通过对于每一个传感器使用不同波长的光来多路复用该光纤长度；或
-分布式或全分布式传感器，其中光纤是一个长的连续的线型传感器。
这些基于光纤的测量仪器可以根据其适合测量的一个/多个物理特性和用于探测该/这些数量的物理原理来细分为各种类型。
当一个波长λ0（或频率v0=c/λ0其中c是光速）的大功率光脉冲（又叫泵浦）沿着光纤传播时，由于光纤中的局部不均匀性，小部分入射功率分散到各个方向。如果光纤是单模光纤（SMF），即纤维设计为仅输送单个光束（模式），那么因为没有引导在其他方向的散射光，仅向前和向后散射有意义。需要特别关注向后散射，因为它传播回光纤末端，该处是激光最初进入光纤的位置。
散射过程源于材料不纯（瑞利散射）、热激发声波（布里渊散射）或原子或分子振动（拉曼散射）。
分布式传感技术依赖于对沿光纤不同位置产生的向后散射信号的分析。
瑞利散射是光脉冲和材料杂质的相互作用。在二氧化硅光纤中，它是三种向后散射信号里最大的，且和入射光有相同的波长。瑞利散射是光时域反射计（OTDR）背后的物理原理。
布里渊散射是光脉冲和热激发声波（也叫声子）的相互作用。通过弹光效应，声波轻微的、局部的且周期性的修改折射率。对应的活动光栅反射回小部分入射光，且因为多普勒效应而变换它的频率（或波长）。此变换取决于光纤中的声速，同时其信号取决于行进声波的传播方向。因此，布里渊向后散射在入射光附近产生两个不同频率，叫做斯托克斯和反斯托克斯分量。在二氧化硅光纤中，布里渊频移在10GHz范围（在1550nm波长范围内0.1nm）内，且取决于温度和应变。
拉曼散射是光脉冲和热激发原子或分子振动（光学声子）的相互作用，且在强度上是三种向后散射信号中最小的。拉曼散射在二氧化硅光纤中通常呈现13THz的大频移，对应于在波长1500nm时100nm。拉曼反斯托克斯分量强度取决于温度，然而斯托克斯分量几乎对温度不敏感。
图1示意性地示出了当激光射入光纤时沿光纤的每一点处产生的向后散射光的光谱。在波长λ0处、与单模激光的波长对应的较高峰值是来源于材料杂质的瑞利峰。所谓斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别是位于瑞利峰右侧和左侧的峰值。反斯托克斯拉曼峰来源于原子和分子振动，具有取决于温度T的振幅。斯托克斯和反斯托克斯布里渊峰由热激发声波引起，具有取决于温度T和应变ε的频率。
布里渊频移（相对于原始激光的波长位置）是光纤材料固有的物理特性，且提供关于光纤经受的应变和温度分布的重要信息。
可利用布里渊向后散射光的频率信息测量沿光纤的局部温度或应变信息。标准或特定的单模电信光纤和光缆可用作传感元件。测量局部温度或应变的技术就称为基于频率的技术，因为温度或应变信息包含在布里渊频移中。它在本质上比任何基于强度的技术（例如对衰减的漂移、损失和变化敏感的拉曼效应）更可靠且更稳定。结果，基于布里渊的技术提供长时间的稳定性和大的对衰减免疫。另外，布里渊散射必须满足使相互作用表现为窄光谱响应的非常精确的相位条件，以实现精确的测量。把这个将光脉冲传送进光纤和测量向后散射信号的过程称为自发布里渊散射(SPBS)：这是导致低强度散射光的微弱过程。
假设探针满足特定条件，布里渊散射过程有一个特性，除产生散射的第一光学信号（叫做泵浦）之外，其可通过第二光学信号（称为探针）激发。这个特性在传感应用中尤其受关注，且通过使用关于泵浦传播的探针计数器可以实现。当泵浦和探针的频率（或波长）被布里渊频移完全分开时，激励最大化。在这种情况下，从泵浦到探针（或反过来，取决于选择的斯托克斯/反斯托克斯向后散射信号）的能量传输导致非常大的向后散射强度和因而更大的信噪比(SNR)。当共振条件达到时，即当泵浦和探针的频率差异匹配局部布里渊频率时，以泵浦消耗产生探针功率放大，这被视为共振现象。
如后续所讨论，在已知解决方案中，泵浦由一个或多个纳秒长的光学脉冲组成，且探针由连续波-CW光组成。
将基于激发布里渊向后散射（SBS）的光电测量设备称为布里渊光学时域分析仪或BOTDA；与基于自发布里渊向后散射(SPBS)的布里渊光学时域反射计（BOTDR）相反。
基于BOTDA的光电测量设备通常执行频域分析和时域分析。
频域分析：将温度/应变信息编码进布里渊频移。扫描关于泵浦的探针频率，同时监控向后散射信号的强度允许发现布里渊增益峰，以及对应的布里渊频移，从中可以计算出温度或应变。这可以通过使用两个光源实现，如激光器，或创建泵浦信号和探针信号的单光源。在这种情况下，使用光学调制器（通常是通信元件）以受控模式来扫描探针频率。
时域分析：由于泵浦的脉冲特性，泵浦/探针的相互作用在不同时间，发生在沿光纤的不同位置。对任意给定位置，经过两倍于从光纤输入到指定位置的传送时间的时延后，与泵浦相互作用的部分探针信号到达探测器。
因此，监控与时间相关的向后散射强度，同时知道光纤中的光速，给出散射发生位置的信息。
典型的基于BOTDA的商业光电子测量设备能够以1m的空间分辨率测量超过30km的光纤的温度/应变（等同于30,000个单独的独立传感器）。温度分辨率通常<1k，且应变通常为20με。
任何基于激发布里渊散射的传感系统受到两个根本限制，其限制最大传感范围和测量精度。
第一个限制是不可避免的光纤固有损失，在标准单模光纤中，在波长1550nm时表现为典型值0.2db/km。因此，在通过传感光纤传播时，用于传感的光波遭受不可忽视的功率衰减。布里渊泵浦的强度Ip表达为：
I p ( z ) = I p o e - &alpha;z
其中，是在光纤入口处的泵浦功率，α是光纤衰减，z是沿光纤的位置。所以，布里渊增益G-eG表示经过SBS作用后的信号功率净增益，其关于沿传感光纤的位置减小：
G = g B L eff I p o e - &alpha;z
其中，gB是布里渊增益的峰值，Leff是有效的光纤长度。可以清楚看到，由于泵浦功率衰减，探测到的信号在距离上降低的对比。
作为对光纤损耗的补偿方案，可以将入射的泵浦功率提高。然而，相关的非线性现象，例如调制不稳定和由于高强度的拉曼放大，会损耗泵浦自身且限制最大输入泵浦功率。实际上，这将可以发生传感的范围限制到大约30km到50km。
第二个限制由大增益情况下泵浦损耗导致，这是在短距离上发生且使测量偏移的泵浦功率到探针功率的非线性转移。为在信噪比（SNR）方面获得高质量的信号，因此，在传感系统中要求更大的测量范围、高的信号功率。然而，结果证明，这个结构导致会使传感系统非线性的泵浦损耗，因此不适于某些应用。
以前，有三种技术被证明是改进传感测量范围和测量精度的鲁棒性解决方案。
第一，可以将两个不同的基于布里渊散射的光学反射计从一个监控站安装到远程目标和从另一监控站安装到相同目标，由于这种类型传感系统的单端访问特性，因此测量范围提高了两倍。这也使成本增加了两倍。同样地，当可访问传感距离中点时，在每一方向，可使用一个设备来测量一半距离；然而，其使测量时间增加了两倍。
第二，将编码技术应用到典型的布里渊传感系统中。编码技术的核心优势依靠没有泵浦损耗的高信号增益，以便大幅增加信噪比。伴随标准光纤损失，这已经相当于测量在50km光纤上的温度/应变。这个示例基于通常用于工程中的其它领域的、称为SIMPLEX的编码。这种编码的应用不需要设备硬件的调整，只要驱动设备软件中的变化和大量计算中的开销，因此可将其看做很少附加成本的升级。然而，当由比限制其实用性的“非归零”（NRZ）信号”更难控制的“归零”（RZ）信号”组成时，SIMPLEX编码是高效的。
最后，使用拉曼放大来完全补偿光纤固有损失，以便使传感光纤对信号波完全透明。然而，拉曼放大器中产生的自发噪声可能损害传感系统。
不管这些技术困难，提供具有100km范围和度量空间分辨率的光电测量设备很重要。
在任何光通信链路中，把光纤固有损失作为当前不可避免的瓶颈。当从一个点到另一点传输信息的链路长度超过一个固定值（通常>80km）时，信号功率变的太小从而不能可靠地被探测到。这导致差拍错误比率（beat-error-ratio）（BER）显著提高，因此信号保真度下降。
例如在基于布里渊的传感应用中，对应的效果在通过传感光纤传播时，泵浦信号的功率逐渐指数递减；这导致向后散射信号振幅的减小，以致向后散射信号变得太弱而不能传送可靠的信息。
在光学通信系统中，光学放大器常用于光纤损失补偿，如图2所示。
图2示出了发射器2和接收器4之间的已知光学通信链路1，周期性实施放大在光学通信链路1中传播的信号以补偿光纤损失的光学放大器3。然而，对布里渊传感/传感器，需要放大系统的调整，因为安装的放大器必须只放大泵浦信号（在图中从左到右行进），并不放大用于激发布里渊向后散射的探针信号（在图中从右向左行进）。另外，放大的探针会导致泵浦信号的损耗，且导致泵浦信号的非线性行为。
图3描述了布里渊泵浦中继器5的原理图。布里渊泵浦中继器5主要包括光学放大器7和两个光学循环器9。简单的光学循环回路11可以由两个光学循环器构成。光学回路11的作用是只允许放大器7放大布里渊泵浦信号，同时保证探针信号在其他方向没有放大的通过布里渊泵浦中继器5传输。换句话说，布里渊泵浦中继器对泵浦信号充当光放大器，但其对探针信号完全透明。另外，必须在放大器后放置光学滤波器，来完全抑制放大器（没有示出）产生的自发放大噪声。
布里渊泵浦中继器可用于补偿布里渊泵浦通过传感光纤传播时功率的逐渐指数递减，但布里渊泵浦中继器并不足以使得在长距离上传感。
在基于激发布里渊散射的传感器中，探针信号也产生向后传送的自发布里渊斯托克斯和非反斯托克斯波，以在光纤中和泵浦信号共同传播。这两个波和泵浦信号在频谱上接近，以致几乎不可能使用商业光滤波器过滤出来。因此，通过布里渊泵浦中继器，探针产生的自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波连同泵浦信号一起放大。对于设置在放大器后的传感系统部分，放大的自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波会成为不利噪声源。事实上，通过提高非线性参数过程，例如附加的激发布里渊相互作用和四波混合过程，放大的自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波导致对传感器系统功能的严重损伤。
本发明旨在避免，或减轻，至少一些之前提及的缺点。
发明内容
根据本发明，通过传感器可以实现这些目标，传感器适合传感一个或多个结构的一个或多个特性，传感器包含：
第一光学传播路径，其可配置成与其特性待被传感的结构配合；
第二光学传播路径，其可配置成与其特性待被传感的结构配合；
第三光学传播路径；
放大在第三光学传播路径里传播信号的装置，以使在信号沿着第二光学传播路径传播前将信号放大；以及
避免信号从第二光学传播路径到第三光学传播路径传播的装置。
有利地，在泵浦信号开始沿第二光学传播路径传播前，在光学传播路径中传播的泵浦信号可以通过用于放大的装置来放大；这个放大可以补偿发生在泵浦信号沿第三光学传播路径时的损失。因此，泵浦信号在开始沿第二光学传播路径传播时会有更大功率。因为泵浦信号在开始沿第二光学传播路径传播时会有更大功率，布里渊散射导致的向后散射信号有更大功率。因此，可以实现更精确传感与定义第二光学传播路径的光纤配合的结构的特性。此外，可以在较长的结构长度上来传感结构特性。
避免信号从第二光学传播路径向第三光学传播路径传播的装置保证避免沿第二光学传播路径的探针信号传播到第三传播路径。因为阻碍探针信号沿第三传播路径传播，探针信号造成的非自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波在第三传播路径中产生。因此，在第三传播路径中传播的泵浦信号不受自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波产生的噪声影响。
因此，在第三光学传播路径中传播的泵浦信号频谱纯净（即没有反向传播探针产生的斯托克斯/反斯托克斯分量）。这个频谱纯净的信号可以被放大，且可以将其作为第二光学传播路径的泵浦信号提供给第二光学传播路径，能够更精确的传感一个或更多结构的特性。
传感器可以进一步包括避免信号从第一光学传播路径向第二光学传播路径传播的装置。可以将这个装置进一步配置，允许信号从第二光学传播路径向第一光学传播路径和从第三光学传播路径向第二光学传播路径传播。
避免信号从第一光学传播路径向第二光学传播路径传播的装置保证避免信号在第一光学传播路径中产生的噪声传播到第二光学传播路径。此外，该装置被配置成避免由放大的装置将在第一光学传播路径中传播的信号放大；因此不会将探针信号在第一光学传播路径中产生的布里渊斯托克斯和反斯托克斯波放大，且如前所述不会传播到第二光学传播路径。因此，沿第二光学传播路径传播的放大的、频谱纯净的泵浦信号不会受第一光学传播路径中产生的噪声影响。
避免信号从第二光学传播路径向第三光学传播路径传播的装置可以由循环器回路组成。避免信号从第一光学传播路径向第二光学传播路径中传播的装置可以由循环器回路组成。避免信号从第一光学传播路径向第二光学传播路径传播，但是允许信号从第二光学传播路径向第一光学传播路径传播和从第三光学传播路径向第二光学传播路径传播的装置，可以由循环器回路组成。
传感器可以进一步包含循环器回路，该循环器回路被构造成其可操作来保证只将泵浦信号通过放大的装置放大。循环器回路进一步被构造成使得其可操作来避免探针信号被放大的装置放大。循环回路被构造成将沿第三光学传播路径传播的泵浦信号送往用于放大的装置。循环器回路被构造成避免沿第二光学传播路径传播的探针信号传播到用于放大的装置。循环器回路被构造成避免在第一光学传播路径传播的信号传播到用于放大的装置。
设置放大装置从而在泵浦信号到达循环器回路前放大泵浦信号。
放大装置被构造成放大在第一方向传播的信号，且阻止在第二方向传播的信号。因此，放大装置可以是单向系统。这会保证当第一泵浦信号在第二方向传播时，即使在第一光学传播路径传播的第一泵浦信号会向放大装置传播，第一泵浦信号也不会被放大；但当在第一方向传播时，在第三光学传播路径中传播的第二泵浦信号会被放大装置放大。
第三光学传播路径可被构造成远离一个或多个结构设置，以使在第三光学传播路径中传播的信号不会受结构的特性影响。
传感器可进一步包括向第一光学传播路径提供第一泵浦信号的装置、向第三光学传播路径提供第二泵浦信号的装置、和向第二光学传播路径提供探针信号的装置，以使可以实施一个或多个分布式传感技术来判定一个或多个结构的特性。传感器可进一步包括向第一光学传播路径提供第一泵浦信号的装置、向第三光学传播路径提供第二泵浦信号的装置、和向第二光学传播路径提供探针信号的装置，从而提供可用于判定一个或多个结构的特性的激发布里渊散射。
向第一光学传播路径提供第一泵浦信号的装置、向第三光学传播路径提供第二泵浦信号的装置、和向第二光学传播路径提供探针信号的装置，可集成到相同设备中。
向第一光学传播路径提供第一泵浦信号和向第三光学传播路径提供第二泵浦信号的装置、和向第二光学传播路径提供探针信号的装置，可以包含布里渊分析仪、布里渊光学时域分析仪中的至少一个；布里渊光学频域分析仪；布里渊光学相干域分析仪。
向第一光学传播路径提供第一泵浦信号和向第三光学传播路径提供第二泵浦信号的装置，可以包含耦合装置，该耦合装置被构造成分离主泵浦信号从而提供第一泵浦信号和第二泵浦信号。
可将第一泵浦信号构造成使其具有比第二泵浦信号更高的功率。
第一光学传播路径和第三光学传播路径可以通过耦合装置耦合，以使可将主泵浦信号分离来提供第一泵浦信号和第二泵浦信号。
耦合装置可包括耦合器。
第三光学传播路径被构造成使得信号沿第三光学传播路径的长度传播的时间至少与信号沿第一光学传播路径传播的时间相等。第三光学传播路径被构造成使其具有与第一光学传播路径相同的特性。第三光学传播路径被构造成使其具有至少与第一光学传播路径相等的长度。优选地，第三光学传播路径被构造成使其具有比第一光学传播路径更大的长度。
第三光学传播路径可以包括延迟装置，其可用于延迟通过第三光学传播路径传播的信号。延迟装置可以与第三光学传播路径成整体。
用于放大信号的装置可以包括光学放大器。
用于放大信号的装置可以包括掺杂光纤放大器和提供信号的装置，该提供信号的装置可以和掺杂光纤放大器配合来配置掺杂光纤放大器以提供预定放大率。用于放大的装置也可以是基于非光纤的放大器。
用于放大信号的装置可以包括光参量放大泵浦，当泵浦信号和放大信号传播时，该泵浦提供可以与泵浦信号耦合来放大泵浦信号的放大信号。当泵浦信号通过第二光学传播路径传播时，可配置光参量放大泵浦来生成光参量增益谐振，具有可设计的光谱带宽和净增益值。光参量放大泵浦的中心频率可以使得泵浦信号准确置于光参量放大增益谐振的中心。
用于放大信号的装置可以包括拉曼放大器，该放大器提供与泵浦信号配合放大泵浦信号的拉曼信号。
传感器可以包括多个串联的第一光学传播路径和第二光学传播路径；多个第三光学传播路径；多个用于放大在第三光学传播路径中传播的信号的装置，以使信号在开始沿每个第二光学传播路径传播前被放大；以及多个避免信号从每一第二光学传播路径向每一第三光学传播路径传播的装置。
根据本发明，进一步提供了由多个串联的以上提及的传感器组成的传感器设备。
根据本发明的又一个方面，提供了一种使用根据上述传感器中的任何一个的传感器传感一个或几个结构特性的方法，该方法包括步骤：
设置与特性待被传感的结构配合的第一光学传播路径；
设置与特性待被传感的结构配合的第二光学传播路径；以及
沿第一光学传播路径传播第一泵浦信号和沿第三光学传播路径传播第二泵浦信号；
只放大第二泵浦信号以便在第二泵浦信号沿第二传播路径传播前放大第二泵浦信号；
提供沿第一和第二光学传播路径传播的探针信号以在第一光学传播路径传播的第一泵浦信号和在第二光学传播路径中传播的第二泵浦信号中激发布里渊散射；
避免探针信号沿第三光学传播路径传播；
使用布里渊散射造成的向后散射信号来判定一个或多个结构的特性。
可以将第一和第二光学传播路径与相同的结构（例如相同结构的不同部件或部分），或与不同的结构（如第一和第二结构）配合设置。
该方法可进一步包括将第三光学传播路径远离一个或多个结构设置的步骤，以便在第三光学传播路径中传播的信号不受一个或多个结构的特性影响。
该方法可以进一步包括阻碍信号从第一光学传播路径到第二光学传播路径传播的步骤。
该方法可以进一步包括延迟第二泵浦信号在第三光学传播路径中传播的步骤。
该方法可以进一步包括分离主泵浦信号来提供第一和第二泵浦信号的步骤。
该方法可以进一步包括耦合第一和第三光学传播路径的步骤，以便分离主泵浦信号来提供第一和第二泵浦信号。
该方法可以进一步包括远程控制第二泵浦信号放大率的步骤。
该方法可以进一步包括提供控制信号的步骤，该控制信号控制由可操作放大泵浦信号的放大器提供的放大率。
该方法可以进一步包括当第二泵浦信号沿第三光学传播路径传播时，放大第二泵浦信号的步骤。该方法可以进一步包括当第二泵浦信号沿第三光学传播路径传播时，提供放大第二泵浦信号的增益的步骤。该增益可由信号提供。
该方法可以进一步包括使用拉曼信号提供可放大第二泵浦信号的增益的步骤。
该方法可以进一步包括调谐光参量放大泵浦中心频率的步骤，以便第二泵浦信号在频谱上位于光参量放大泵浦提供的放大信号增益谐振的中心。当放大信号和泵浦信号传播时，光参量放大泵浦提供的放大信号可以和泵浦信号耦合来放大泵浦信号。
该方法可以进一步包括串联的一个或多个传感器。
附图说明
借助示例方式给出及附图示出的实施例的描述，可以更好的理解本发明，在附图中：
图1示意性地显示了当激光射入光纤时在沿光纤每一点产生的向后散射光的频谱；
图2示出了在发射器和接收器之间的已知光通信链路，具有补偿光纤损失的光学放大器的周期实施；
图3示出了现有技术中已知的布里渊泵浦中继器的原理图；
图4阐释了根据本发明一个可能实施例的传感器；
图5阐释了根据本发明另一可能实施例的传感器；
图6阐释了根据本发明另一可能实施例的传感器；
图7阐释了根据本发明另一可能实施例的传感器。
具体实施方式
图4图解了根据本发明一个可能实施例的传感器20。该传感器20适用于传感一个或多个结构的一个或多个特性；在该具体例子中，使用传感器20来传感第一和第二管道21、37的温度和应变。
传感器20包括第一光纤24定义的第一光学传播路径23。第一光纤24被固定在第一管道21的表面25，来保证第一管道21的温度和应变变化会影响第一光纤24的传播特性。进一步提供第二光纤29定义的第二光学传播路径26。第二光纤26被固定在第二管道37的表面28，来保证第二管道37的温度和应变变化会影响第二光纤24的传播特性。
传感器20进一步包括第三光纤27定义的第三光学传播路径30。将第三光纤27远离第一和第二管道21、37设置。
设置第三光纤27以便信号沿第三光纤传播路径30的整个长度传播需要的时间至少和信号沿第一光学传播路径23传播需要的时间相等。这可以通过很多不同方式实现；例如通过确保第一和第三光纤24、27有相同的特性且第三光纤27和第一光纤24至少长度相同；或者，可以设置第三光纤27使其包含可以延迟在第三光纤中传播的元件，例如光学延迟设备或光学延迟线。在图4中示出的具体例子中，传感器20包含光学延迟线39，该光学延迟线被设置为定义第三光学传播路径30的一部分。在这个具体例子中，光学延迟线与第三光纤27成整体，因此延迟由光纤自身提供；然而应该理解可使用其他延迟装置。光学延迟线39会延迟信号沿第三光学传播路径30的传播。这将保证从两个管道中获取的两个不同的信息踪迹不会被部分叠加，使获取的信息失真，也就是在第二光学传播路径26中产生的布里渊向后散射信号不会被叠加在第一光学传播路径23中产生的布里渊向后散射信号上。
传感器20包括循环器回路31形式的装置，来避免信号从第一光学传播路径23向第二光学传播路径26传播，和以及从第二光学传播路径26向第三光学传播路径30传播，但是允许信号从第二光学传播路径26向第一光学传播路径23传播，以及从第三光学传播路径向第二光学传播路径26传播。
进一步提供用于放大在第三光学传播路径30中传播的信号的装置，以便信号在开始沿第二光学传播路径26传播前放大该信号。在这个具体例子中，用于放大的装置是位于第一、第二和第三光纤24、29、27结合点处33的光学放大器32。
传感器20包括耦合装置35，其光学耦合第一光学传播路径23和第三光学传播路径30。可使用任何合适的耦合装置。更合适的耦合装置35可以是非对称耦合比的2×2光纤耦合器（例如95%在第一光学传播路径23且5%在第三光学传播路径30）。配置耦合装置35以便其可操作从而分离主泵浦信号来提供在第一光学传播路径23中传播的第一泵浦信号和在第三光学传播路径30中传播的第二泵浦信号。
传感器进一步包括向第一光学传播路径23提供第一泵浦信号和向第三光学传播路径30提供第二泵浦信号的装置，以及向第二光学传播路径26提供探针信号的装置，以便提供可用于判定结构特性的激发布里渊散射。可使用任何合适的装置来提供第一和第二泵浦信号和探针信号。在这个具体例子中，布里渊分析器34（一个或多个布里渊光学时域分析仪；布里渊光学频域分析仪；布里渊光学相干域分析仪）提供探针信号，也提供分离以形成第一和第二泵浦信号的主泵浦信号：布里渊分析仪34产生主泵浦信号，主泵浦信号沿着其被耦合装置35接收的第一光学传播路径23传播；耦合装置35分离主泵浦信号来提供沿第一光学传播路径23传播的第一泵浦信号和沿第三光学传播路径30传播的第二泵浦信号。因此，在图4示出的例子中，提供第一和第二泵浦信号的装置包括提供主泵浦信号的布里渊分析仪和耦合装置35，耦合装置35被设置成分离接收的主泵浦信号从而形成第一泵浦信号和第二泵浦信号。
在这个具体例子中，可配置耦合装置35来分离布里渊分析仪34提供的主泵浦信号，从而提供比第二泵浦信号更高功率的第一泵浦信号。
循环器回路31被构造成避免第一泵浦信号从第一光学传播路径23向第二光学传播路径26和第三传播路径30传播，但是允许探针信号从第二光学传播路径26向第一光学传播路径23传播。因此，光学回路31会阻碍第一泵浦信号的传播，确保第一泵浦信号不会传播越过第一光学传播路径23。
光学回路31也可以被构造成允许第二泵浦信号从第三光学传播路径30向第二光学传播路径26传播，以及避免探针信号从第二光学传播路径26向第三光学传播路径30传播。
光学回路31控制信号传播的方向。当第一泵浦信号不能通过光学回路31时，第一泵浦信号不会传播越过第一光学传播路径23，且因此不会传播到第二光学路径26中；同样当探针信号通过第一光学传播路径23传播时，探针信号产生的自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波也不会向第二光学传播路径26传播。与此相反，当第二泵浦信号从第三光学传播路径30向第二光学传播路径26传播时，第二泵浦信号因此通过光学回路31和放大器32传播，以便在开始沿第二光学传播路径26传播前放大第二泵浦信号。应该注意的是，优选地，放大器32可以默认为单向系统；因此即使没有光学回路31，在第一光学传播路径23中传播的第一泵浦信号不会被放大器32放大。
在使用中，布里渊分析仪34提供主泵浦信号，主泵浦信号被耦合装置35接收。同时，布里渊分析仪34提供沿第二光学传播路径26传播的探针信号。
一旦主泵浦信号被耦合装置35接收，耦合装置35分离主泵浦信号以提供比第二泵浦信号功率更高的第一泵浦信号。第一泵浦信号沿第一光学传播路径23传播，第二泵浦信号沿第三光学传播路径30传播。第一和第二泵浦信号传播到光学回路31。光学延迟线39会延迟第二泵浦信号沿第三光学传播路径30的传播，因此确保第一泵浦信号产生的向后散射信号和第二泵浦信号在第二光学传播路径26中传播时产生的向后散射信号，可以在不同时间被布里渊分析仪34接收；因此两个向后散射信号没有混合从而更容易分析信号。光学延迟线39也会确保光学回路31在第二泵浦信号前接收第一泵浦信号。
探针信号沿第二光学传播路径26传播，且被光回路31接收。光回路31会阻碍探针信号从第二光学传播路径26向第三光学传播路径30传播，但会允许探针信号从第二光学传播路径26向第一光学传播路径23传播。因此，探针信号可以仅和在第一光学传播路径23中传播的第一泵浦信号配合，但不与在第三光学传播路径30中传播的第二泵浦信号配合。
当第一泵浦信号沿第一光学传播路径23传播时，第一管道21中的温度和应变变化会导致布里渊散射，布里渊散射产生布里渊向后散射信号。沿第一光学传播路径23传播的探针信号会与沿第一光学传播路径23传播的第一泵浦信号配合，来激发布里渊向后散射信号；因此提供更高信噪比的布里渊向后散射信号。可以测量布里渊向后散射信号的布里渊散射特性来判定第一泵浦21中的应变和温度变化。
此外，当通过第一光学传播路径23传播时，探针信号在第一光学传播路径23中产生自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波；自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波是有害噪声源。当探针信号被阻止沿第三传播路径30传播时，在探针信号传播时产生的自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波，不会在第三传播路径30产生。因此，在第三传播路径30中传播的第二泵浦信号不受自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波产生的噪声影响。
一旦第一泵浦信号已沿第一光学传播路径23传播，由于探针信号产生的自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波，第一泵浦信号会包括噪声。光学回路31会阻止第一泵浦信号从第一光学传播路径23向第二光学传播路径26和第三传播路径30传播。因此，光学回路31会阻碍有噪声的第一泵浦信号的传播，来确保第一泵浦信号不会传播越过第一光学传播路径23，且特别是不会传播进第二和第三光学传播路径26、30。
有利地，避免探针信号从第二光学传播路径26向第三光学传播路径30传播确保了，当在光学回路31接收时，第二泵浦信号频谱纯净（也就是没有反向传播探针产生的斯托克斯/反斯托克斯分量），且有较少量噪声。此外，光学回路31阻碍有噪声的第一泵浦信号，以使其不能从第一光学传播路径23向第二光学传播路径26传播，但是允许第二泵浦信号从第三传播路径30向第二光学传播路径26传播，频谱纯净的泵浦信号从第三光学传播路径30传播进第二光学传播路径26。因此，在第二泵浦信号开始沿第二光学传播路径26传播前，第二泵浦信号频谱纯净。
频谱纯净的第二泵浦信号在其开始沿第二光学传播路径26传播前被放大器32放大。第二光学泵浦信号的放大补偿了第二泵浦信号沿第三光学传播路径30传播时的光纤损失。优选地，在第一光学泵浦信号开始沿第一光学传播路径23传播前，第二光学泵浦信号的放大使得第二光学泵浦信号和第一光学泵浦信号相比，至少有相同的功率，或有更大的功率。光学回路31把现在放大的、频谱纯净的第二泵浦信号送往第二光学传播路径26，且避免有噪声的第一泵浦信号和在第一光学传播路径23中产生的自发布里渊斯托克斯和反斯托克斯波传播到第二光学传播路径26中。因此，只有频谱纯净的、放大的第二泵浦信号在第二光学传播路径26中传播；这能够高质量传感测量在第二个管道37中的温度和应变。
当第二泵浦信号沿第二光学传播路径26传播时，在第二个管道37中的温度和应变以与第一泵浦信号类似的方式，影响第二光纤26中的布里渊散射；布里渊散射产生布里渊向后散射信号。沿第二光学传播路径26传播的探针信号会与沿第二光学传播路径26传播的第二泵浦信号配合，来激发布里渊向后散射信号；因此提供有更高信噪比的布里渊向后散射信号。可测量布里渊向后散射信号的布里渊散射特性来判定第二个管道37中的应变和温度变化。因为有噪声的第一泵浦信号被阻止向第二光学传播路径26传播，布里渊向后散射信号不受在第一光学传播路径23中产生的噪声影响；因此，只有很少噪声存在于在第二光学传播路径26中传播的布里渊向后散射信号中，因此能够高质量传感测量第二管道37中的温度和应变。
因此，产生两个布里渊向后散射信号；第一布里渊向后散射信号在第一光学传播路径23中产生，且第二布里渊向后散射信号在第二光学传播路径26中产生。可以测量第一布里渊向后散射信号的布里渊散射特性，来判定第一泵浦21中的应变和温度变化。可以测量第二布里渊向后散射信号的布里渊散射特性来判定第二管道37中的应变和温度变化。
对每一个布里渊向后散射信号，可以利用布里渊向后散射光的频率信息来测量沿光纤24、26的局部温度或应变信息；因此能够测量分别与光纤24、37配合的管道21、37的局部温度或应变信息。
在每一个布里渊向后散射信号上执行频域分析和时域分析。可使用时域分析来判定沿管道21、37的一个或多个位置/地点，且可使用频域分析来判定在一个或多个位置/地点的温度和应变值。
在频域分析中，将温度/应变信息编码进布里渊频移。当监控向后散射信号的强度时，扫描关于泵浦的探针频率可找到布里渊增益峰值，从而找到对应的布里渊频移，从该频移可以计算出温度或应变。这可以通过使用两个光源（例如激光）或单个光源来实现，从该光源产生泵浦信号和探针信号。在这种情况下，使用光学调制器（通常是远程通信元件）来以可控的方式扫描探针信号频率。
在时域分析中，由于泵浦的脉冲特性，在不同时间沿光纤不同位置泵浦/探针发生相互作用。对任意给定的位置，在经过两倍从光纤入口到特定位置行进时间的延时后，与泵浦相互作用的部分探针信号到达探测器。因此，监控关于时间的向后散射强度，同时已知光纤中的光速，提供散射发生位置的信息。
能够控制来自远距离的第二泵浦信号的放大率是有利的。特别是用于海底应用的实例，例如，是否使用传感器20来传感海底管线的特性。对第二泵浦信号放大率的远程控制允许用户从陆地控制第二泵浦信号的放大率。可以通过控制由传感器中的放大器提供的增益来实现对第二泵浦信号放大率的控制；提供较高增益的放大器会比提供较低增益的放大器对第二泵浦信号放大更多。
图5提供了显示根据本发明另一实施例的传感器40的示意图。在图5中示出的实施例和在图4中示出的实施例有很多相同的特性，类似特征标以相同的参考数字。图5示出的特定实施例中，提供了放大装置，其包括提供控制信号的光泵浦41和增益取决于光泵浦41提供的控制信号的放大器从动装置43。进一步提供了耦合器45，其可操作将控制信号和沿第三光学传播路径30传播的第二泵浦信号耦合；因此，第二泵浦信号和控制信号可以同时沿第三光学传播30传播。
例如放大器从动装置43可以位于海底，光泵浦41可以位于陆地，且通过调整光泵浦41提供的控制信号，用户可以控制放大器从动装置43提供的增益。
在该特定实施例中，光泵浦41是提供波长为1480nm的信号的泵浦；放大器从动装置43是掺铒光学放大器（EDFA），其可通过使用远程光泵浦源操作；且耦合器45是WDM耦合器。然而，应该理解，可以使用任何其他合适的光泵浦41、放大器从动装置43和耦合器45。
图6示出了根据本发明另一实施例的传感器50。图6示出的实施例具有很多与图4示出的实施例相同的特性，类似的特征标以相同的附图标记。在图6中示出的特定实施例中，提供了一个放大装置，其包括可提供光参量化放大信号的光参量化放大（OPA）泵浦53。进一步提供了耦合器52，其可将光参量化放大信号和沿第三光学传播路径30传播的第二泵浦信号耦合；因此，第二泵浦信号和光参量化放大信号耦合，且同时沿第三光学传播路径30传播。耦合器52可以采用任何合适的形式。
当通过第三光学传播路径30传播时，光参量化放大信号产生具有可设计的光谱带宽和净增益值的光参量化增益谐振。当调谐光参量化放大信号的中心频率以使第二泵浦信号的频率在光参量化增益谐振的中心时，那么当两个信号沿第三光学传播路径30传播时，通过光参量化放大信号将第二泵浦信号放大。
通常，光参量化放大信号提供的光参量化增益谐振的空间分布趋向于沿第三光学传播路径30成指数地增长。因此，光参量化放大信号提供的增益补偿第二泵浦信号由于光纤固有损失遭受的渐变指数的损失。因此，事实上，第三光学传播路径30对第二泵浦信号是透明的。
此外，通过增加光参量化放大信号的功率，可将第二泵浦信号强烈的放大；可在第二泵浦信号开始沿第二光学传播路径26传播前，增大光参量化放大信号的功率，从而确保将在第三光学传播路径30中传播的第二泵浦信号放大，使其具有足够的功率。第二泵浦信号具有足够的功率，如果其有充足的功率沿第二光学传播路径26的整个长度传播，且功率没有降低到预先设定的功率阈值水平之下。优选地，在第一光学泵浦信号开始沿第一光学传播路径23传播前，第二光学泵浦信号的放大率会使第二光学泵浦信号具有和第一光学泵浦信号相比至少相同的功率，或更高的功率。
图7示出了根据本发明的另一实施例的传感器60。图7示出的实施例具有和图4示出的实施例相同的特性，类似的特征标以相同的附图标记。在该特定实施例中，提供了放大装置，其包括提供拉曼放大信号的拉曼放大（RA）泵浦62。进一步提供了耦合器62，其可操作将拉曼放大信号和沿第三光学传播路径30传播的第二泵浦信号耦合；因此，第二泵浦信号和拉曼放大信号可以同时沿第三光学传播路径30传播。耦合器62可采取任意合适的形式。
优选地配置拉曼放大（RA）泵浦62从而提供具有和第二泵浦信号相同频率的拉曼增益；在这种情况下，当沿第三光学传播路径30传播时，拉曼增益会放大第二泵浦信号。
在不偏离本发明附属权利要求所定义的发明范围的情况下，描述的本发明实施例的各种调整和变化对本领域的技术人员是显而易见的。尽管本发明以特定选择的实施例来描述，应该理解所要求的发明不应过度限制到这些特定实施例。

Claims (15)

1.一种传感器，其适用于传感一个或多个结构的一个或多个特性，所述传感器包括：
第一光学传播路径，其被配置为与结构配合，所述结构的特性将被传感；
第二光学传播路径，其被配置为与结构配合，所述结构的特性将被传感；
第三光学传播路径；
用于放大在所述第三光学传播路径中传播的信号的装置，以使在所述信号沿所述第二光学传播路径传播前被放大；以及
避免信号从所述第二光学传播路径向所述第三光学传播路径传播的装置，
其中所述第一光学传播路径的第一端连接到用于提供泵浦信号的装置，所述第一光学传播路径的第二相对端被连接到所述第一光学传播路径的第一端连接到的用于提供泵浦信号的所述装置，以避免信号从所述第二光学传播路径传播到所述第三光学传播路径，并且
其中所述第三光学路径的第一端被连接到用于提供泵浦信号的装置，所述第三光学传播路径的第二相对端被连接到所述第三光学路径的第一端被连接到的用于提供泵浦信号的所述装置，以避免信号从所述第二光学传播路径传播到所述第三光学传播路径。
2.根据权利要求1所述的传感器，进一步包括避免信号从所述第一光学传播路径向所述第二光学传播路径传播的装置。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述避免信号从所述第一光学传播路径向所述第二光学传播路径传播的装置进一步配置成允许信号从所述第二光学传播路径向所述第一光学传播路径传播以及从所述第三光学传播路径向所述第二光学传播路径传播。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述避免信号从所述第二光学传播路径向所述第三光学传播路径传播的装置包括循环器回路。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第三光学传播路径被配置成远离所述一个或多个结构设置，以使在所述第三光学传播路径中的信号传播不受所述一个或多个结构的特性的影响。
6.根据权利要求1所述的传感器，进一步包括：向所述第一光学传播路径提供第一泵浦信号的装置、向所述第三光学传播路径提供第二泵浦信号的装置、和向所述第二光学传播路径提供探针信号的装置，从而能够实施一个或多个分布式传感技术来判定所述一个或多个结构的特性。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述第一泵浦信号被配置成使其具有比所述第二泵浦信号更高的功率。
8.根据权利要求6所述的传感器，其中，向所述第一光学传播路径提供第一泵浦信号的装置和向所述第三光学传播路径提供第二泵浦信号的装置包括耦合装置，所述耦合装置被配置成分离主泵浦信号，以提供所述第一泵浦信号和所述第二泵浦信号。
9.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第三光学传播路径被配置成使得信号沿所述第三光学传播路径的长度传播的时间至少与信号沿所述第一光学传播路径的长度传播的时间相等。
10.一种使用根据权利要求1-9中任一项所述的传感器来传感一个或多个结构的特性的方法，所述方法包括以下步骤：
设置所述第一光学传播路径，所述第一光学传播路径与结构配合，所述结构的特性将被传感；
设置所述第二光学传播路径，所述第二光学传播路径与结构配合，所述结构的特性将被传感；
沿所述第一光学传播路径传播第一泵浦信号，并沿所述第三光学传播路径传播第二泵浦信号；
只放大所述第二泵浦信号，以便在所述第二泵浦信号沿所述第二光学传播路径传播前放大所述第二泵浦信号；
提供沿所述第一光学传播路径和所述第二光学传播路径传播的探针信号，从而在沿所述第一光学传播路径传播的所述第一泵浦信号和沿所述第二光学传播路径传播的所述第二泵浦信号中激发布里渊散射；
避免所述探针信号沿所述第三光学传播路径传播；
使用由所述布里渊散射产生的向后散射信号来判定所述一个或多个结构的特性。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括阻止信号从所述第一光学传播路径向所述第二光学传播路径传播的步骤。
12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括延迟所述第二泵浦信号在所述第三光学传播路径中传播的步骤。
13.根据权利要求10所述的方法，进一步包括分离主泵浦信号来提供所述第一泵浦信号和所述第二泵浦信号的步骤。
14.根据权利要求10所述的方法，进一步包括远程控制所述第二泵浦信号的放大的步骤。
15.根据权利要求10所述的方法，进一步包括提供控制信号的步骤，所述控制信号控制能用于放大泵浦信号的放大器所提供的放大率。
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