CN104880209B - 具有两步式评估的分布式光学传感 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有用于确定沿着波导管的基本量的分布式光学传感装置。该分布式光学传感装置包含：适于将电磁辐射耦合到波导管中从而在波导管中(例如，通过与波导管的相互作用)生成第一响应辐射和不同的第二响应辐射的电磁辐射源；适于提供表示第一响应辐射的第一测量信号和表示第二响应辐射的第二测量信号的检测器装置；适于基于第一测量信号和第二测量信号获得第二值(例如，损耗)的评估单元；该评估单元进一步适于基于第二量以及第一测量信号和第二测量信号中的至少一个获得基本量。

Description

具有两步式评估的分布式光学传感
技术领域
本发明涉及分布式光学传感的领域。
背景技术
分布式光学传感系统为测量例如温度这样的基本量(primary quantity)的光电装置，其通过诸如起到线性传感器作用的光纤这样的光波导管的方式进行。举例来说，使用拉曼效应确定沿着在长度上可以为数千米的光纤的温度是已知的。
光学快报2010,Vo.18,No.10,p.9747ff.中的D.Hwang等人的文章―Novel auto-correlation method in a fiber-optic distributed-temperature sensor usingreflected AntiStrokes Raman Scattering”描述了一种方法，其用于使用反斯托克斯拉曼背散射及其出现的反射信号自动校正光纤光学分布式温度传感器。这个方法处理两个部分的测量信号，一个部分是正常的背散射反斯托克斯信号以及另一个部分为反射信号，其不仅消减了由于光纤的微小弯曲或损害导致的局部损失的效应而且消减了差分衰减。由于相同波长的光线被用于抵偿在传送介质中的局部变化，所以其不存在固有的差分衰减。该自动校正概念通过在不同的弯曲点上的弯曲试验来验证。
电气与电子工程师协会(IEEE)光子学技术快报,Vol.23,No.9,2011上的MarceloA.Soto等人的文章―High-Performance Raman-Based Distributed Fiber-OpticSensing Under a Loop Scheme UsingAnti-Strokes Light only”。光纤的两个端部都已经通过1×2的光开关连接到传感器，其允许脉冲在向前和向后的两个方向上可选择地发送。在向前和向后方向中的标准化的反斯托克斯痕量(trace)被计算。该回路方案被描述，其在反射镜方案上是有利的，其中该光脉冲由于在反射镜方案中的双向的光路径通过反射镜被反射，但是光纤的后端部必须通过传感器进入。
WO 2006/045340 A1涉及测量在测试的光学装置(DUT)的分布式物理特性(T(x))。因此，包含在传输波长上的一系列光学脉冲的探测信号被发射到DUT中，从DUT返回的相应的光学响应被检测并在第一响应Q波长范围上的至少第一响应信号从该光学响应中被分离，其中该第一响应波长范围不包含传输波长，第一相关函数由与第一响应信号相关的y以及该探测信号确定，以及该分布式物理特性在该第一相关函数的基础上确定。所描述的方法可以进一步包含在第二响应波长上分离第二响应函数以及通过关联该第二响应信号和该探测信号确定第二相关函数，以及基于第一相关函数和第二相关函数确定该分布式物理特性。
EP 0 692 705 B1号专利文件公开了一种方法，其用于评估用于确定背散射媒介的温度曲线的光学背散射信号。该光源的光线相对于时间在其振幅上被调制。该被评估的信号进行了傅里叶变换。
EP 0 300 529 A1号专利文件公开了一种测量温度的方法，其包含将光输入脉冲发射进入到温度传感元件中并获得在元件中的这个位置上的温度，其源于所述位置上的散射的光强度，元件的一部分被维持在已知的温度上以便于提供在元件的其他位置上进行温度测量的参考，从而避免执行该方法的装置的校准所产生的困难。
GB 2 400 906 A号专利文件公开了一种获得分布式测量的方法，其包含在感兴趣的测量区域中布置光纤，以及以第一波长和高能级发射第一光学信号进入光纤中，以第二波长发射第二光学信号进入光纤中，以及以第三波长和低能级发射第三光学信号进入光纤中。这些光学信号在该第二波长上产生背散射光，第二波长由表示被测量的参数的第一光学信号的拉曼散射引发，这些光学信号在该第一波长上产生背散射光，该第一波长由第一光学信号的瑞利散射引发，这些光学信号在第二波长上产生背散射光，该第二波长由第二光学信号的瑞利散射引发，以及这些光学信号在第一波长上产生背散射光，该第一波长由第三光学信号的瑞利散射引发。该背散射光被检测以产生四个输出信号，以及最终的输出信号通过将该拉曼散射信号归一化为函数得到，该函数来自于三个瑞利散射信号，其移除了波长依赖效应和非线性损耗。
WO 2009/092436 A1号专利文件涉及分布式温度传感，其使用不同于波导管的拉曼频移的两个波长。与常规的信号输入波长法相比，其中当传送到检测器时，与斯托克斯线和反斯托克斯线相关的光线经历相应的电磁辐射束的不同的衰减和传播速度(在时间上和/或在空间上)，示例性的实施例应用具有频率f1和f2的相继的激励信号，然而f2-f1大约为v，v为材料的拉曼频移。结果为，检测器―看到”对于两个测量值的本质上相同的衰减和传播速度，以及光纤的衰减和分散效应可以被至少部分地取消。
发明内容
考虑到以上所描述的状况，存在对分布式光学传感技术改进的需求，其能够提供所感兴趣的基本量(例如，温度)的高信号质量或精度，同时实质上避免或至少减少了已知的分布式传感技术的问题和缺点。这个需求可能通过按照独立权利要求的主题解决。此处所公开的主题的有利的实施例通过从属权利要求描述。此外，与一些方法相关联的增加的测量时间(双波长需要在第二波长上的测量值或者经典的分布式光学传感(例如，分布式温度传感，DTS)如果不是与反斯托克斯辐射记录同步完成的话则需要用于斯托克斯辐射记录的附加时间)还可以通过此处公开的主题的实施例减少。用于第二波长激光的需要的功率还可以被减少同时可以获得相似的或更好的噪声标准。于是此处所公开的主题的益处可以为在测量结果中的更好的信噪比，辐射源或其任意组合的较短测量时间或较低功率等级。辐射源(例如，激光器)的较低功率等级可以进一步降低系统的成本。在下文中―斯托克斯”被缩写为“S”以及“反斯托克斯”被缩写为“AS”。
根据此处公开的主题的第一方面的实施例，其提供了用于确定沿着波导管的基本量的分布式光学传感装置，该分布式光学传感装置包含：适于将电磁辐射耦合进入到波导管中从而在波导管中产生(例如，通过与波导管的相互作用)第一响应辐射和第二响应辐射的电磁辐射源，该第二响应辐射与该第一响应辐射不同；适于提供表示第一响应辐射的第一测量信号的检测装置；该检测装置进一步适于提供表示第二响应辐射的第二测量信号；评估单元，其适于基于该第一测量信号和第二测量信号获得第二量；该评估单元进一步适于基于该第二量以及第一测量信号和第二测量信号中的至少一个获得基本量。评估单元进一步适于对第一测量信号取样以基于第一测量信号生成多个第一值，适于对第二测量信号取样以基于第二测量信号生成多个第二值；其中第一值和第二值中的每个对应于波导管的空间区域。评估单元进一步适于基于第二量的值以及多个第一值中的第一值和多个第二值中的第二值中的至少一个获得基本量的值，其中第二量的值，第一值和第二值中的至少一个，以及由其中获得的基本量的值对应于波导管的相同的空间区域。并且评估单元进一步适于用于波导管的空间区域，将不同于基本量的第二量进行优化，其中基本量与第二量对应于波导管的空间区域。
根据此处公开的主题的第二方面的实施例，用于沿着波导管的基本量的间隙分布式确定的分布式光学传感方法被提供，该方法包含：将电磁辐射耦合到波导管中从而产生第一响应辐射和不同于第一响应辐射的第二响应辐射；提供表示第一响应辐射的第一测量信号以及表示第二响应辐射的第二测量信号；基于该第一测量信号和该第二测量信号获得第二量；以及基于该第二量和该第一测量信号和该第二测量信号中的至少一个获得基本量。获得基本量的步骤包含基于第二量的值和多个第一值中的第一值和多个第二值中的第二值获得基本量的值，其中第二量的值，第一值和第二值中的至少一个，以及由其获得的基本量的值对应于波导管的相同空间区域。该方法进一步包括用于波导管的空间区域，优化不同于基本量的值的第二量的值，该基本量的值和该第二量的值对应于波导管的空间区域。
根据此处公开的主题的第三方面的实施例，当在诸如计算机这样的数据处理系统上运行时，其提供了用于控制和执行根据此处公开的主题的一个或多个实施例的方法的计算机程序。
此处公开的主题的这些方面基于这样的想法，基本量的信号质量可以通过首先获得不同于基本量被优化的第二量来增加。举例来说，例如如果该第二量比该基本量在时间上变化的更慢，则该第二量可以在长于基本量的时段上被平均。
根据一个实施例，该第一测量信号表示沿着波导管的第一响应辐射产生的空间分布以及该第二测量信号表示沿着波导管的第二响应辐射产生的空间分布。
根据一个实施例，该电磁辐射为红外线辐射。然而，应当理解的是，电磁辐射的波长被选择以对用于该应用的相关参数进行优化。
根据一个实施例，该评估单元适用于对第一测量信号取样以便基于该第一测量信号产生多个第一值；以及该评估单元适用于对该第二测量信号取样以便基于该第二测量信号产生多个第二值；其中该第一值和第二值中的每一个与波导管的空间区域对应。
根据实施例，该评估单元适用于基于来自多个第一值的一个第一值以及基于来自多个第二值的一个第二值获得第二量的值，其中该第一值、第二值和由其获得的第二量对应于波导管的相同的空间区域。举例来说，根据实施例，根据对应于该相同的空间区域的第一值与第二值计算该第二量。
根据一个实施例，获得用于波导管的空间区域的第二量的值包括(i)计算对应于空间区域的第一值与第二值的比率；和/或(ii)计算对应于空间区域的第一值和第二值的差。根据一个实施例，获得该第二量的值包括在各个值的对数上执行前述的计算(i)和/或(ii)。
根据一个实施例，该第二量为与沿着(i)电磁辐射、(ii)该第一响应辐射以及(iii)该第二响应辐射中的至少一个的沿波导管的损耗相关或来源于该损耗的量。
根据一个实施例，该电磁辐射包括第一电磁辐射和在例如波长上不同于第一电磁辐射的第二电磁辐射。
根据一个实施例，在下文中也被称为双波长法，该第一值相当于来自第一波长的第一电磁辐射的第一响应辐射(例如，相当于AS响应)以及该第二值相当于来自第二波长的第二电磁辐射的第二响应辐射(例如，相当于S响应)，其中该第二波长可以被例如可选择地挑选以匹配来自于第一波长的AS波长(在WO 2009/092436A1中详细描述)。该第二量接着可以例如通过在线性空间(在对数空间对应于算术平均值)中的第一波长和第二波长上的光纤损耗的几何平均值来描述。该第二量可以作为由基本的拉曼理论产生的第一值和第二值之间(在线性空间中)的加权差分来计算。在这点上，考虑到例如对不同的激光功率、滤波器损耗或装置的检测器响应度，“加权”意味着第一值和第二值相互之间可以通过因数被归一化。该基本量(例如，温度)可以接着由第一值(例如，AS痕量)和第二量(例如，损耗痕量)来计算。
按照进一步的实施例，该评估单元适于基于第二量和(i)来自多个第一量中的一个第一量以及(ii)来自多个第二量中的一个第二量中的至少一个获得基本量的值，其中该第二量的值，第一值和第二值中的至少一个，以及从其中获得的基本量的值对应于波导管的相同空间区域。
根据一个实施例，获得用于波导管的空间区域的基本量的值包括基于与空间区域对应的第二量修正对应于空间区域的第一值和第二值中的至少一个，从而产生对应于空间区域的第一修正值和/或第二修正值。
根据一个实施例，修正第一值和第二值中的至少一个通过根据第一值和第二量计算第一修正值和/或通过根据第二值和第二量计算第二修正值(所有的都对应于空间区域)来计算。使用术语“修正”在此由于根据实施例，该第一值和第二值包括不期望的分量(component)，例如，损耗分量，其通过计算各自的修正的第一和/或第二值至少部分地被移除，从而进行第一值和/或第二值的“修正”。
根据一个实施例，获得用于波导管的空间区域的基本量包括根据对应于空间区域的第一修正量和对应于空间区域的第二修正量的至少一个计算基本量。
根据一个实施例，获得用于波导管的空间区域的基本量包括计算对应于空间区域的第一修正值和第二修正值的加权平均值，例如通过计算对应于空间区域的第一修正值和第二修正值的加权和或加权积。根据一个实施例，该加权值通过评估单元选择以便改进所产生的基本量的信噪比。在其他实施例中，该加权值在评估单元中被预编程。
根据一个实施例，该评估单元适于根据与各个第一值相关联的信号质量确定第一修正值的加权值，其中该第一修正值由各个第一值获得(例如，其与相同的空间区域相对应)和/或根据与各个第二值相关联的信号质量确定第二修正值的加权值，其中该第二修正值由各个第二值获得(例如，其与相同的空间区域相对应)。信号质量可以基于与各个第一/第二值的生成相关联的信号来确定或可以通过例如考虑信号处理链的部分或全部来估计(例如，基于光纤中的辐射的典型衰减)，以及可以包括噪声级、信噪比、各个值的信号强度中的至少一个。与各自的第一/第二值的产生相关联的噪声可以包括以下各项中的一个或多个：响应辐射噪声、检测器装置造成的噪声、放大器造成的噪声、数模转换器造成的噪声。根据实施例，与第一值关联的信号质量和/或与第二值关联的信号质量由数字信号(例如，由第一值和第二值)，例如通过评估各个值的强度(大小)，例如通过从各个值的强度(大小)预估信噪比来确定。根据一个实施例，该评估单元适于基于波导管中的位置计算第一值的加权值和第二值的加权值，其中该第一值和第二值相对应。
根据一个实施例，该评估单元适于获得基本量的值，基本量的值在第一持续时间被瞬时平均，以及该评估单元适于获得第二量的值，该第二量的值在第二持续时间被瞬时平均，其中该第一持续时间与该第二持续时间不同。举例来说，根据一个实施例，该第一持续时间小于该第二持续时间。由于在较长时间周期上求平均值，所以在第二量中的噪声可以被降低以及因此该基本量的信号质量可以提升。举例来说，根据一个实施例，该第一持续时间是按照秒的顺序，以及该第二持续时间为第一持续时间的两倍到十倍之间。举例来说，如果第一持续时间是十秒(10s)，则该第二持续时间可以为例如六十秒(60s)。
因此，应用上述的求平均值的方案，基本量变化的响应比第二量变化的响应更快。然而，举例来说，在基本量为例如被测量的温度以及第二量为例如与沿着波导管的损耗相关的量的实施例中，由于温度的改变通常比波导管的改变(例如，光纤变化)出现的更快，所以这是合乎情理的。可以理解的是，对于另一基本量和/或另一第二量，该求平均值(例如，该第一持续时间和第二持续时间)必须适于特定的应用。
对不同的持续时间求平均值可能出现在信号处理链的不同阶段。举例来说，根据一个实施例，第一(初始的)求平均值在第一值的产生过程中基于第一测量信号以及在第二值产生过程中基于第二测量信号被执行。举例来说，根据一个实施例，该评估单元适于根据预定数量的第一测量信号，例如，十个第一测量信号生成第一值。换句话说，根据一个实施例，该预定数量的第一测量信号(例如，十个第一测量信号)被平均以生成多个第一值。该第二值可以由例如预定数量的第二测量值相应地产生。根据一个实施例，该第一持续时间对应于需要采取预定数量的第一测量信号和预定数量的第二测量信号的持续时间。例如在以下情况下：由单个第一测量信号生成的多个第一值和由单个第二测量信号生成的第二值，该预定数量可以为一个(1)。
为了提供在(更长的)第二持续时间对第二量求平均值，根据一个实施例以及附加的求平均值步骤被引入，其仅与第二量相关。应当理解的是，在上述的示例性实施例中，在第一时间周期求平均值与这个实施例中的基本量和第二量相关联，基本量和第二量基于第一值和第二值获得。
在时间上求平均值可以以任何适当的方式实施。根据一个实施例，该评估单元进一步适于获得用于特定的空间区域的第二量的值(例如实际的最终值)，其通过基于对应于特定空间区域的第一值和第二值获得初始值(例如，实际的初始值)；以及该评估单元进一步适于利用对应于特定空间区域的第二量的至少一个更早获得的(例如，之前的)初始值，对第二值的(实际)初始值平均。利用第二量的至少一个更早获得的初始值对(实际)初始值求平均值可以间接地实施，根据一个实施例，其包括利用具有第二量的更早值(例如，更早的终值)对(实际)初始值平均。根据一个实施例，该实际的初始值考虑具有0.1(10％)的加权值以及该较早的终值被考虑具有0.9(90％)的加权值。然而，其他的权重比也是可能的，例如50/50。由于仅仅较早的终值必须被存储并被考虑以便于执行求平均值，所以考虑与存储需求和所需要的计算功率相关的较早的终值是有利的。考虑用于实施平均的较早的终值暗含考虑具有“寿命”减少的加权值的所有较早的初始值。按照这个求平均值的方案可以被称为指数平均。
按照另一实施例，利用至少一个较早获得的第二量的初始值对(实际)初始值平均可以被直接实施，包括利用较早获得的第二量的初始值对第二量的(实际)初始值平均。从上述实施例的意义上说，根据一个实施例，第二量的初始值根据一对第一值和第二值来计算，反之第二量的终值根据两对或多对第一值和第二值来计算，其中每对与同一空间区域相对应以及两对或多对与不同瞬间相对应。
对基本量的瞬时平均(如果完全实施的话)可以以模拟方式实施(例如通过将以上段落中的术语“第二量”替换为“基本量”来进行形式上的描述)。
根据此处所描述的实施例，该第二量可以为第一测量信号以及第二测量信号的不期望的分量，其从第一和第二测量信号上被分离(被确定)，其为长于基本量的所期望的时间分辨率的时间周期的平均，以及平均的第二量接着从第一和第二测量信号中的至少一个上被移除以因此确定该基本量。
根据一个实施例，第一响应辐射和第二响应辐射之间的差值存在于自各自的响应辐射起源的电磁辐射的传播方向中(这可以被称为双向法)。换句话说，根据实施例，该第一响应辐射源自于沿着波导管的第一方向传播的电磁辐射以及该第二响应辐射源自于以与第一方向相反的第二方向传播的电磁辐射。这可以通过任何适当的手段完成，例如，如以下示例性实施例所描述的。
按照示例性的实施例，该电磁辐射在不同的位置上被耦合到波导管之中。举例来说，根据实施例，该电磁辐射包含第一电磁辐射和第二电磁辐射，该电磁辐射源适于将第一电磁辐射在波导管的第一位置上耦合到波导管中从而生成第一响应辐射；以及电磁辐射源适于将第二电磁辐射在波导管的第二位置上耦合到波导管中从而生成第二响应辐射。根据实施例，该第二位置与该第一位置相间隔。在另一实施例中，该第一位置和第二位置是相同的，例如在双波长单端法的实施方式的情况下。应当理解的是，该第一电磁辐射和第二电磁辐射在以下至少一种情况下是不同的：(i)各个电磁辐射瞬时被耦合到波导管中，(ii)大小，(iii)频率(波长)等。根据实施例，该电磁辐射包括两个可选择的波长，例如用于双波长法。根据实施例，该波导管具有环形设置，其中该第一位置和第二位置被耦合到光学开关，该光学开关被配置用于将来自辐射源的电磁辐射选择性地耦合到第一位置和第二位置中的一个。
按照进一步的示例性实施例，该电磁辐射源适于将第一电磁辐射和第二电磁辐射耦合到具有时间补偿的波导管中，例如，用于将在第一电磁辐射之后的第二电磁辐射耦合到波导管中。根据实施例，该时间补偿适于通过检测器装置避免在第一响应辐射(和/或第二响应辐射)的检测上和因此在第一测量信号(和/或第二测量信号)的产生上的副作用。
根据实施例，该波导管具有第一位置和间隔的第二位置；该辐射源适于在第一位置上将电磁辐射耦合到波导管中；该波导管在第二位置上具有反射镜；以及该电磁辐射在通过反射镜反射之前生成第一响应辐射以及在通过反射镜反射之后生成第二响应辐射，该第二响应辐射通过反射镜传播到检测器装置。
根据实施例，该电磁辐射源适于提供脉冲电磁辐射。举例来说，根据实施例，该第一响应辐射通过电磁辐射的脉冲生成以及该第二响应辐射通过该电磁辐射的脉冲生成。该第一响应辐射和该第二响应辐射可以通过电磁辐射的相同脉冲或通过电磁辐射的不同脉冲生成。根据实施例，该第一响应辐射和/或该第二响应辐射通过电磁辐射的单个脉冲，电磁辐射的两个或多个脉冲，或具有已知模式或随时间调制的电磁辐射信号产生，这允许在WO 2006/045340A1描述的编码法或EP 0 692 705B1中的频域法的实施。
根据实施例，该第二量为辐射特性(一种例如电磁辐射、第一响应辐射、第二响应辐射的特性)，其不依赖于穿过波导管的辐射的传播方向。举例来说，根据实施例，该第二量为波导管的各向同性的特性或至少波导管的特性独立于辐射的传播方向。根据实施例，该第二量为与沿着波导管的电磁辐射、第一响应辐射以及第二响应辐射中的至少一个的损耗相关联或由其中至少一个的损耗获得的量。在这种意义上，损耗为在沿着辐射路径(包括例如耦合装置)的响应辐射(或测量信号、或基于测量信号获得的各自的值)的等级(例如大小)的改变，其不会由沿着辐射路径(或波导管)的基本量的改变而引发。根据实施例，此处描述的该术语“损耗”为沿着从电磁辐射源到波导管中的位置上的辐射路径出现的损耗，其中各自的响应辐射源自并回到检测器装置。该损耗可以被称为“累计损耗”以及可以为电磁辐射源和响应辐射来源的位置之间的10km距离的例如9dB的量级上。按照进一步的实施例，在此公开的术语“损耗”为用于S辐射的损耗和用于AS辐射损耗的损耗差或损耗比。该“累积的损耗——用于S辐射的损耗和用于AS辐射的损耗之间的差值”可以成为“差分损耗”并可以为电磁辐射源和响应辐射来源的位置之间的10km距离的例如2.7db的量级上。
根据实施例，该第一响应辐射和第二响应辐射由电磁辐射引起的荧光性、电磁辐射的散射、反射或衍射中的至少一个产生，尤其包括下列的一个或多个：瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射、布拉格散射和布拉格反射。根据实施例，该波导管可以包含光栅、分散粒子等。然而，按照其他实施例，该波导管可以没有人造的散射中心，诸如举例来说对于拉曼散射不需要的光栅或粒子。通常，各自响应辐射的“响应”可以存在于强度、偏振、相干度、频率等至少一个的变化中。
该基本量可以为对应于所期望的物理量的量(例如，其与所期望的物理量成比例或其为所期望的物理量)。根据实施例，该基本量对应于(例如与其成比例或与其相同)温度、张力、位移、物质浓度、或辐照强度(在波导管上撞击的外部辐射的强度)中的一个。
该装置或方法或计算机程序可以适于提供一个或多个前述实施例的功能和/或提供一个或多个前述实施例所需要的功能。
如此处所使用的，对于计算机程序的参考意在等同于对程序单元和/或包含控制计算机系统的指令的计算机可读介质的参考，以根据此处公开的主题的实施例影响和/或调整方法的实施。
该计算机程序可以由通过诸如举例来说JAVA,C++这样的任何适当的程序语言的使用并可以存储在计算机可读介质(可换式磁盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等)上的计算机可读指令编码来执行。该执行编码可操作地程序化计算机或任何其他的可编程装置以执行预期功能。该计算机程序可以从诸如万维网这样可用的网络上进行下载。该计算机程序可以为独立操作的程序或向现存的分布式光学传感装置进行了此处公开的主题的实施例的功能的更新的程序。
此处公开的主题可以分别通过计算机程序软件的方式实现。然而，此处公开的主题还可以分别通过一个或多个特定的电子电路硬件的方式实现。此外，此处公开的主题还可以以混合形式来实现，例如，以软件模块和硬件模块相结合的形式。
参考分布式光学传感装置及各自的方法以及计算机程序在此处公开的主题的示例性实施例已经在上文进行了描述并在下文将被描述。应当指出的是与此处公开的主题的不同方面相关的特征的任何组合也是可行的。尤其是，参考装置类型的实施例的一些特征已经被描述或将要被描述，反之，参考方法类型的实施例的其他特征已经被描述或将要被描述。然而，技术领域内的技术人员将从上下文的说明书中获得除了属于一个方面的特征的组合之外的其他与不同的方面和实施例相关的特征的任意组合，除非特别指出，举例来说甚至装置类型的特征以及方法类型实施例的特征的组合被考虑以此申请来公开。
此处公开的主题的以上限定的方面和实施例以及进一步的方面和实施例由下文中所描述的示例以及参考附图进行阐释是显而易见的，但其并非对本发明的限制。
附图说明
图1示出了根据此处公开的主题的实施例的分布式光学传感装置。
图2阐释了根据此处公开的主题的实施例的第一响应辐射的生成。
图3阐释了根据此处公开的主题的实施例的第二响应辐射的生成。
图4示出了根据此处公开的主题的实施例的另一分布式光学传感装置。
图5示出了在沿着波导管的位置X的示例性的实际温度TR。
图6在对数刻度上示出了在沿着波导管的位置X的第一响应辐射的强度I，获得图5中示出的温度分布TR。
图7示出了根据此处公开的主题的实施例的时间t上的前向(F)的测量值以及后向(B)测量值的结果的强度曲线。
图8示出了沿着波导管的位置X上的图7的强度I
图9示出了用于波导管上的循环设置的位置X的各自的强度I。
图10示出了前向和后向测量的拉曼痕量的附加的(结合的)强度I。
图11示出了图7中所示的强度曲线的噪声级别N。
图12示出了沿着波导管根据位置X重画的图11的噪声等级N。
图13示出了在结合(附加)在前向(F)和后向(B)测量的拉曼痕量之后的结合的噪声NC。
图14显示作为根据此处公开的主题的实施例的第二量，在沿着波导管的位置X上的对数空间的相对损耗L。
图15根据此处公开的主题的实施例示出了从单个组的第一和第二值获得的温度(包括超过十秒的初始平均)，而不对第二量进一步平均。
图16示出了根据此处公开的主题的实施例对第二量进一步(附加地)平均获得的温度T。
图17示出了根据此处公开的主题的实施例通过进一步(例如，再额外地)对第二量平均而获得的温度T。
附图标记：
100、200 分布式光学传感装置
102 波导管
103 辐射路径
104、204 电磁辐射源
105、205、305 波导管连接器
106 分流器
108 波长滤波器
110 波长滤波器
112 检测器装置(反斯托克斯、AS)
114 检测器装置(斯托克斯、S)
116 评估单元
117 处理系统(例如，处理器装置或计算机)
118 第一测量信号
120 第二测量信号
122 参考范围
124、224、324 电磁辐射
125 第一方向
126 散射位置
128 第一响应辐射
130 反射镜
131 热点(温度升高的位置)
132 第二方向
133 由于131的强度峰值
134 第二响应辐射
136 由于波导管连接器中的损耗的强度步骤
137 第一值
138 由于反射镜的损耗的强度步骤
139 第二值
140 温度中的双步骤
142 温度中的双步骤
148 波导管的第一位置
149 波导管的第二位置
150 光学开关
具体实施方式
对附图的阐释是概要性的。在不同的附图中应当注意的是，相似的或相同的元件具有相同的附图标记或仅第一数字中的相应的附图标记不同的附图标记。此外，相似的或相同的特征的说明在随后的附图说明中不再重复以便于避免不必要的重复。然而，应当理解的是在在先附图中的这些特征的说明对于随后的附图也是有效的，除非另有说明。
在分布式光学传感中，感兴趣的量在传感波导管(例如，传感光纤)的不同位置上被测量。一个示例为拉曼-OTDR(光时域反射计)，其中发射进入到光学光纤中的光脉冲包括已知的拉曼背散射，如对图1到图3所说明的。返回到该拉曼-OTDR装置的背散射信号(其为根据实施例的分布式光学传感装置)通过检测器在时间段上被记录，其造成时间上的振幅的“痕量”，或，考虑到传播路径长度上的传播速度。从该传播路径长度，沿着波导管的位置“X”的传播路径长度可以被计算。
通常，拉曼散射为光子的非弹性散射。拉曼散射具有两个贡献，一个是S波段，“S”被转变为与入射的电磁辐射相比更高的波长以及另一个是AS波段，“AS”转变为与入射的电磁辐射相比更低的波长。在S波段中的辐射被称为S辐射以及在AS波段中的辐射被称为AS辐射。
图1示出了根据此处公开的主题的实施例的分布式光学传感装置。根据实施例，在运行中，该分布式光学传感装置100被耦合到例如光纤这样的波导管中。根据实施例，该装置100包含电磁辐射源(RS)104，其适于将电磁辐射耦合进入到波导管102中。为此，该装置100可以包含用于将波导管102耦合到装置100的连接器105。当被耦合到连接器105时，该波导管102形成了电磁辐射的部分辐射路径103。在波导管102中，该电磁辐射与波导管102相互作用，从而生成第一响应辐射和不同的第二响应辐射。电磁辐射与波导管之间的相互作用可以为任何适当的相互作用，其取决于沿着利用装置100确定的波导管102的空间分布的基本量。举例来说，根据实施例，该第一响应辐射和第二响应辐射通过电磁辐射的拉曼散射产生。根据实施例，该第一响应辐射和第二响应辐射都为AS辐射，其具有比S辐射高的温度敏感度。在另一实施例中，该第一响应辐射和该第二响应辐射均为S辐射。为了确定诸如温度这样的基本量，仅仅AS辐射、S辐射或S以及AS辐射强度的比值可以被评估。
根据实施例，该装置100包含波长过滤器108、110，其用于分离各自的响应辐射，例如，从入射辐射中分离S辐射和AS辐射。根据实施例，分流器106被提供用于在波长滤波器108、110上引导来自波导管102的入射辐射。
由于拉曼散射强度取决于已知的来自拉曼散射理论的温度，所以拉曼散射适于检测作为沿着波导管102的基本量的温度。特别地，上升的温度增加了S振幅(例如，S辐射的振幅)以及AS振幅(例如，AS辐射的振幅)并反之亦然。根据实施例，该第一响应辐射来自于以第一方向沿着波导管传播的电磁辐射以及该第二响应辐射来自于以与第一方向相反的第二方向传播的电磁辐射。因此，两种(第一和第二)响应辐射可以在S波段和/或AS波段中被提供。
根据进一步的实施例，该装置100包含用于提供表示第一响应辐射的第一测量信号118和用于提供表示第二响应辐射的第二测量信号120的检测器装置112、114中的至少一个。根据实施例，该装置100包含例如用于检测AS辐射的第一检测装置112以及例如用于检测S辐射的第二检测装置。根据实施例，每个检测装置112、114提供第一测量信号118和第二测量信号120。
在进一步的实施例中(图1中未示出)，单个检测装置被提供以检测第一响应辐射和第二响应辐射并提供表示第一响应辐射的第一测量信号118以及表示第二响应辐射的第二测量信号120。
不考虑检测装置的数量，根据此处公开的主题的该第一测量信号和第二测量信号被评估。如果来自两个或多个检测装置(例如一个用于S辐射以及一个用于AS辐射)的超过一组的测量信号(包含第一测量信号和第二测量信号)是可用的，则然后附加组的测量信号可以用于改进准确度。举例来说，如果S辐射和AS辐射被检测以及各自的测量信号被提供，然后S/AS比率被确定。然而，仅适用AS辐射是更具成本效益的(例如，由于该S检测器不被需要)。
为了对第一测量信号和第二测量信号的评估，该装置100包含评估单元116。根据实施例，提供评估单元，其通过在诸如计算机这样的数据处理系统117上运行计算机程序。根据实施例，该装置100包含该数据处理系统117。
为简单起见及容易理解，在下述部分说明中，仅仅通过第一检测装置(检测AS辐射)产生的第一测量信号118和第二测量信号120的评估在以下进一步详细描述。然而，应当理解的是，通过第二检测装置114(从S辐射)提供的测量信号118、120可以以相似的方式处理并评估，从而还提供了所期望的基本量并尤其是其沿着波导管的空间分布。
为了更容易理解第一测量信号118和第二测量信号120的评估，基于由拉曼散射产生的响应辐射进行评估的示例性程序被描述以及相应地涉及S辐射和AS辐射。然而，所讨论的用于通过拉曼散射产生的响应辐射的概念和实施例对于任何其他适当的响应辐射是可用的并可以相应地使用不同的响应辐射应用于各自应用中。
在一些实施例中，以及尤其是用于提供例如温度这样的基本量的绝对值(以及不仅仅是在其中的相对值)，该辐射路径103包括参考范围122，其中该基本量处于已知的或以其他方式确定的值上，其可以作为对装置100的校准的参考。举例来说，根据实施例，例如负温度系数(NTC)电阻器(图1中未示出)这样的参考温度传感器可以被提供用于在参考范围122中确定温度，其可以用于该校准。
图2阐释了根据此处公开的主题的实施例的第一响应辐射的生成。
如图2中所示，电磁辐射124(以沿着波导管102的第一方向125远离辐射源104传播)在位置126上通过例如在位置126上的电磁辐射124的拉曼散射而生成第一响应辐射128。由于光的有限速度，在电磁辐射124从辐射源104的发射和在监测装置112(图2中未示出)上的第一响应辐射128的接收之间的持续时间为用于沿着波导管的位置126的位置X1的测量值。因此，通过考虑装置100的相关尺寸，该位置126的位置X1可以被计算(飞行时间法)。
图3示出了根据此处公开的主题的实施例的第二响应辐射的生成。
如上所述，根据实施例，该第二响应辐射源于以相反方向传播的电磁辐射。这可以通过图3中所示的反射镜130完成。图3示出了时间上瞬间的电磁辐射124，其中该电磁辐射124已经由反射镜130反射并因此以与第一方向125相反的第二方向132传播(见图2)。在位置126上，该反射的电磁辐射124生成第二响应辐射134，其朝向反射镜130反向传播并在被反射之后随后到达检测器装置112(图3中未示出)。由于该第二响应辐射134必须行进超过光源和反射镜130之间距离的距离，所以该第二响应辐射134被明确地限定以及通过其飞行时间可以从第一响应辐射128中区分。
根据实施例，如图2和图3所示，该第一响应辐射128和第二响应辐射134为背散射辐射，例如，其在与从来源传播的电磁辐射124相反的传播方向上传播。使用背散射辐射允许使用飞行时间法在接收响应辐射128,134以及源于波导管102上的位置X1之间的时刻之间的相关性。
取代如图2和图3所示的反射镜130，位于延长的波导管的相对端部上的两个辐射源可以用于生成以相对方向传播的电磁辐射。用于生成以相对方向传播的电磁辐射的另一选择为处于循环设置中的波导管，其中波导管的两个端部相互接近地设置。在这种情况下，单个的辐射源可以足以将电磁辐射耦合到波导管的两个端部(具有适当的时间补偿)。
根据实施例，处于不同波长上的两个辐射源生成第一和第二响应辐射(没有反射镜、单端型(例如，该电磁辐射仅仅在波导管的单个端部中被耦合到波导管))。
图4示出了根据此处公开的主题的实施例的另一分布式光学传感装置200。
根据实施例，电磁辐射源204适于将第一电磁辐射224在第一位置148上耦合到波导管102，该波导管102被耦合到装置200的第一连接器205，以及适于将第二电磁辐射324在第二位置上耦合到波导管102，该波导管102被耦合到第二连接器305。根据实施例，该第二位置149与第一位置148间隔。举例来说，如果波导管102以两个端部耦合到装置200，则图4中所示的波导管102以所谓的循环结构被连接到装置200，其中两个位置被间隔然而彼此间很接近。根据实施例，该第一电磁辐射224和第二电磁辐射324在瞬间的时间上是不同的，其中它们耦合到波导管102。按照其他附加的或可选择的实施例，该第一电磁辐射224和第二电磁辐射324在另一物理性能上是不同的。为了实现各个电磁辐射224、324耦合到具有时间补偿的波导管中，辐射开关150被提供，其能够选择性将第一电磁辐射224和第二电磁辐射324耦合到波导管102中。根据实施例，该辐射开关150通过评估单元116(图4中未示出)控制。
根据实施例，在第一位置148上耦合到波导管中的第一电磁辐射224并生成第一响应辐射128(图4中未示出)以及在第二位置149上耦合到波导管102的第二电磁辐射324并生成第二响应辐射134(图4中未示出)。按照进一步的实施例，该第一电磁辐射224和第二电磁辐射324以红外光脉冲的形式提供。
接下来，第一响应辐射和第二响应辐射或各自的第一测量信号和第二测量信号的评估被示例性地描述用于作为基本量的温度。
图5示出了在沿着波导管的位置x的示例性的实际温度TR。如可以从图2中看到的，实际温度TR为在除了在位置X0上的热点131之外的波导管的长度上的恒量。
在下文中，此处所公开的主题的示例性的实施例参考图5的温度TR的分布被描述并产生测量信号。然而应当理解的是，图5中所示的温度分布不是限定以及任何实际的温度分布，或者在更大的意义上任何沿着波导管的基本量的分布，以及各自的测量信号能够以此处所公开的而被评估。
图6在对数尺度上示出了第一响应辐射的强度I，其中该第一测量信号118在沿着波导管的位置x上对应于第一响应辐射并且被获得用于图5中所示的实际温度分布TR。在温度分布中的热点131引发第一响应辐射(在所示示例中的AS辐射)的测量峰值133。当AS辐射的强度在图6中示出时，S和AS辐射的比率也可以被使用。在所示的实施例中，观察到的量(例如，AS辐射，S/AS辐射比率)与虚拟温度相一致。在第一测量信号118的强度I中的步骤136是由于连接器105(见图1)中的损耗(或在S/AS辐射强度比率被使用的情况下的损耗)，其通过电磁辐射被耦合到例如光纤这样的波导管102中的这样的方式来实施。距离X上的强度I的衰减，造成图6中的第一测量信号118的斜率主要归因于光纤损耗(或者，更广泛地说，波导管的损耗或者，在使用S/AS辐射强度比率的情况下，S和AS辐射之间的损耗差值)。
通常，存在确定强度等级或沿着波导管的强度损耗的多个因子。像灯光脉冲强度或沿着与S和AS波长充分相似的波导管的损耗这样的一些因子通过计算以及使用S和AS痕量之间的比率而被很容易地互相抵消。像用于S和AS辐射的不同检测器灵敏度或用于在辐射路径上的S和AS的不同损耗或通过单个因子影响S和AS等级之间的比率(或与它们相关的量)的任何其他作用可以通过反馈沿着温度计算中的一个参考范围的已知的温度值而被考虑。该校准主要导致痕量在距离x上的强度的对数表示中的垂直移动。该参考范围可以作为图1中所示的参考范围122而处于波导管的起点或内在地处于装置100中。
其他因素不以这种方式使用。如果S/AS辐射比率被考虑，则一个例子是连接器的损耗，其使S和AS辐射不同地衰减以及其改变了连接器105之后的S和AS强度的比率。如果没有以某种方式补偿，则在连接器105上的S/AS强度中的步骤引发虚拟温度步骤。其可以通过在损耗差值(由其他源获得)上将信息反馈给测试系统而被补偿。
另一示例为波导管的距离上的衰减，其减少了在距离上的拉曼信号。由于色散，距离上的这个衰减通常为S和AS信号之间的差，以使强度(S/AS)的比率在距离上改变。如果忽视，则该效应将举例来说引发在波导管上的温度痕量中的虚拟斜率，即使在其长度上具有恒定的实际温度。该衰减比率常常可以被认为是用于所使用的波导管的恒量以及该斜率可以通过波导管衰减比率值馈送进入到温度(基本量)的计算而被补偿。在一些情况下，该衰减比率可以是未知的，例如，通过在一些环境中允许氢进入到光纤中而在时间上进行改变，其可以导致在温度确定上的准确度的降低。
克服衰减影响的一种可能性，对于S和AS信号的差别是双向法，其中拉曼痕量在两个方向上被测量，沿着波导管的前向(F)(对应于图2中的第一方向125)以及在相反的后向(B)上，对应于图3中的第二方向132。
图7根据此处公开的实施例在对数尺度上示出了随着时间t的用于前向(F)中的测量值的强度曲线(其为由第一测量信号118代表的第一响应辐射128的强度)以及用于后向(B)中的测量值的强度曲线(其为由第二测量信号120代表的第二响应辐射134的强度)。
图7中的强度曲线示出了由于在连接器105中损耗产生的步骤136以及由于在反射镜130(见图3)中的损耗产生的步骤138。
图8示出了沿着波导管的位置x上的图7的强度I。图7的强度曲线可以通过相对于与强度轴平行的轴并经过归因于反射镜130的步骤138的图7的曲线的反射获得。
根据实施例，F痕量与从第一测量信号118(见图2)获得的一组第一值对应(或由其组成)以及B痕量与从第二测量信号120(见图3)获得的一组第二值对应(或由其组成)，其中一对第一值和第二值与波导管的相同空间区域相对应。在图8中与相同的空间区域xi相符的这样的一对第一值137和第二值139被示例性地标识。根据实施例，其中F痕量和B痕量由从测量信号118、120抽取的多个单独离散值组成，F痕量的每个第一值与和相同的空间区域对应的B痕量的第二值相关。应当理解的是，根据此处公开的主题的实施例可以在单个对的与波导管的相同空间区域对应的第一值和第二值上实施。相应地，由计算引发的结果值还与相同的空间区域对应以及多个结果值形成了各自的结果痕量，例如，图4中所示的相对损耗痕量。
当处于反射镜结构(见图2，图3)中时，该强度在时间t上持续衰减(图7)并且因此用于前向(F)上的测量的强度高于用于后向(B)上的测量的强度(见图8)，在循环设置中，该前向上的测量和后向上的测量在相似的强度级上开始。
如图9中所示，其示出了在循环设置中波导管的位置x的各自的强度I，例如，电磁辐射从用于F痕量的一侧被耦合到波导管中并从用于B痕量的相对位置耦合到波导管中。除了强度曲线的垂直移动，用于图8和图9中的后向(B)的测量相互对应。例如取决于光线脉冲级别的整个拉曼痕量的任何垂直补偿可以通过考虑具有已知的参考温度的参考范围被抵消。
通过将在相反方向上测量的拉曼痕量相结合，例如，通过将用于前向(F)中测量的拉曼痕量和将用于后向(B)中测量的拉曼痕量相结合会影响在被抵消的距离上的波导管中的拉曼信号的衰减。这个双向法的优点在于在波导管中的拉曼信号的衰减不需要是已知的。
图10示出了在前向和后向中测量的拉曼痕量的附加的(结合的)强度IC，其与所期望的基本量温度T对应。如图10中看到的，该双向法通常适于如图5所示的从所测量的拉曼痕量重新生成实际的温度。
然而，双向法的一个缺点为噪声的增加，其增加了电磁辐射和响应辐射的传播路径长度。电磁辐射在波导管中传播的距离越远(并返回响应辐射)，信号级别变得越低，这将导致更差的信噪比(SNR)。
图11示出了图7中所示的强度曲线的示例性噪声级别N。该噪声在辐射源附近的(相对低的)第一等级n1上开始并随着电磁辐射传播的距离而增加直到响应辐射生成，例如，增加到第二级别n2。
图12示出了根据沿着波导管的位置x重画的图11的噪声级别N。当在双向法中结合拉曼痕量时，获得结合的噪声。
图13示出了在结合(附加)在前向(F)和后向(B)中在对数空间中所测量的拉曼痕量后的结合的噪声NC。通过结合两个痕量，具有更好SNR的值与具有更差SNR的值相结合，引发SNR的劣化，如图13中与单独具有更好的SNR的痕量值相比较示出的。特别地，拉曼痕量的结合将导致在波导管的开始处的噪声级别(例如，在低x值上，接近辐射源)远远超过了在前向中测量的对应的拉曼痕量的第一级别n1。
为了改进信噪比，根据实施例，在所记录的第一和第二测量信号(例如所记录的拉曼痕量)中的信息被用于在基于相同信息的附加计算的第二量的帮助下计算所感兴趣的基本量，但是在比所期望的基本量时间分辨率的时间周期更长的时间周期上被平均。如果第二量与所期望的基本量的时间分辨率相比改变的更慢，则其是特别适合的。第二量的附加的计算增加了所需要的计算能力，但是无论如何在相同的数据基础上提供了增加基本量的精度(例如不需要实施附加的测量)。
举例来说，该第二量可以为沿着波导管的第一响应辐射和/或第二响应辐射的衰减(例如，损耗)(还可以称为波导管衰减)。
作为示例，在下文中对于AS振幅(强度)的参考被做出。
随着根据此处公开的主题的实施例的第二量，图14示出了在沿着波导管的位置x的对数空间中的相对损耗L。根据实施例，这些损耗通过在对数空间中向前传播的痕量中提取向后传播的痕量来计算，除以2，获得相对损耗痕量。作为通过发生在F痕量和B痕量中的温度变化产生的任何AS振幅的改变的这个相对损耗痕量不取决于波导管温度，并因此当计算对数空间中的F痕量和B痕量的差值时相互抵消。由于log x–log y＝log(x/y)，代替计算对数空间中的F痕量和B痕量的差值，线性空间中的F痕量和B痕量的比率可以被计算。
根据实施例，如图14中所示，相对损耗痕量包括由连接器获得的逐步损耗的改变143。
根据实施例，这个相对低痕量由在波导管衰减充分恒定的时间内的多个较早的测量值(例如，在先的相对损耗痕量)进行平均。因此该平均的相对损耗痕量具有与单个相对损耗痕量相比更好的SNR。根据实施例，该基本量为波导管的温度。上述的相对低痕量可以用于修正分别前向和后向传播的AS痕量，前向和后向传播的AS痕量以相同方式中受到损耗的影响。根据实施例，为了实施这个修正，该平均的相对损耗痕量被加入到F痕量并在对数空间中从B痕量中减去。
以这种方式，该光纤损耗或分量损耗影响从AS痕量的每一个中移除，F和B，以及二者的痕量主要承受温度信息并因此如果该波导管处于恒定温度上时变平。
应当注意的是，在两个或多个痕量上的操作(例如，减法，计算比率)可以例如通过在痕量的相应值上实施操作来执行。
对于最终的温度计算，例如，对于基本量的计算，该F痕量和B痕量可以与平均的相对损耗痕量以任何适当的方式结合，例如，通常根据F痕量、B痕量以及平均的相对损耗痕量。举例来说，根据实施例，该最终温度仅通过取得F痕量来获得，通过平均的相对损耗来修正。按照进一步的实施例，F痕量和B痕量二者可以在不同位置上加上加权值以达到统计学上最好的SNR。此处的“修正”指的是从各个痕量将对不期望的分量(例如，损耗效应)的移除。F痕量的加权值f以及B痕量的加权值b可以根据噪声级别、信噪比、第一测量信号强度(由其获得F痕量)以及第二测量信号强度(由其获得B痕量)中的至少一个在波导管中的每个位置上来选择。加权值f和加权值b的示例为：
f＝1以及b＝0，其中F痕量具有与B痕量相比的优选值(例如较低噪声或较强信号)并反之亦然，
f＝Fn/(Fn+Bn)以及b＝Bn/(Fn+Bn)，其中n为任何适当的正数或负数。
F痕量和B痕量的加权的相加可能特别适用于循环设置，其中在B痕量开始处的噪声是相对低的。对于反射镜结构(见图3)，该F痕量提供了在波导管的整个长度上的较低噪声(见图11、图12)以及因此仅使用或主要使用F痕量在这种情况下获得基准值是有利的。
当在对上述实施例进行讨论时，对于“痕量”以及第一响应辐射(例如，F痕量)和第二响应辐射(例如，B痕量)的强度的参照被做出，应当理解的是，各个计算和组合可以通过评估单元116以任何适当的方式，例如以模拟域，实施。按照另一实施例，其在下文中被简要地提出，该第一响应辐射和第二响应辐射的评估可以在由第一测量信号和第二测量信号获得的离散值的基础上执行。举例来说，在实施例中，该评估单元适于对第一测量信号取样以生成多个第一值，其中每个都与波导管的空间区域对应(例如，沿着波导管的“位置”)。进一步，该评估单元适于为第二测量信号取样以生成多个第二值，其每个都与波导管的空间区域对应。根据实施例，波导管的空间区域的范围为大约1米。这就意味着第一值或第二值的每个都基于来源于空间区域的响应辐射。因此，当生成第一和第二值时，各个响应辐射在空间区域(例如，大约1米的范围)中被在空间上平均。用于生成第一和第二值的典型的取样率为大约80MHZ。
根据实施例，预定数量的第一测量信号(例如，十个第一测量信号)被平均以生成多个第一值以及预定数量的第二测量信号(例如，十个第二测量信号)被平均以生成多个第二值。取代在预定数量的测量信号上求平均值，测量信号的求平均值在预定时间间隔(例如，10秒)上实施。这个初始的求平均值减少了与生成的第一和第二值相关联的噪声。然而应当理解的是初始的求平均值可以在第一和第二测量信号的处理的不同阶段实施，例如，在第一和第二值生成之后。由于初始的求平均值，由第一和第二量获得的每个量(基本量或第二量)被特定瞬时的求平均值。
根据进一步的实施例，该第二量在比基本量更长的时间上被求平均。根据实施例，这通过在时间上对第二量进一步平均来完成，除了初始的平均之外。在时间上对第二量平均可以通过例如计算来自第一值和第二值的第二量的初始值来实施，第一值和第二值在第二瞬间上被及时采用，以及利用第二量的另一初始值对第二量求平均，该初始值已由另一第一值和另一第二值来计算，该另一第一值和另一第二值已经在先于第二瞬间的第一瞬间上被及时采用。为了进一步说明根据此处公开的主题的实施例的示例性的平均方案，在下文中沿着波导管的温度分布的变化的第一个三十秒被描述，其中该初始平均在十秒的时间上被实施：
1.十秒之后：第一AS痕量(包括第一F痕量和第一B痕量)被提供(在十秒的时间上对测量信号平均之后)，第一相对损耗痕量由第一F痕量和第一B痕量计算以及第一温度分布由例如第一F痕量和第一相对损耗痕量计算。应当注意的是，所描述的特定的示例中，该第一相对损耗痕量与第一初始相对损耗痕量和作为不再进一步用于平均的相对损耗痕量的第一最终相对损耗痕量对应。
2.二十秒后：第二AS痕量(包括第二F痕量和第二B痕量)被提供(在最后十秒的时间上对测量信号平均)，第二初始相对损耗痕量由第二F痕量和第二B痕量计算，该第二初始相对损耗痕量通过第一相对损耗痕量被平均以便于获得第二最终相对损耗痕量以及第二温度分布由例如第二F痕量和第二最终相对损耗痕量计算。
3.三十秒后：第三AS痕量(包括第三F痕量和第三B痕量)被提供(在最后十秒的时间上对测量信号求平均之后)，第三初始相对损耗值由第三F痕量和第三B痕量计算，该第三初始相对损耗通过利用最终相对损耗痕量被平均以便于获得第三最终相对损耗痕量以及第三温度分布由例如第三F痕量和第三最终相对损耗痕量计算。使用在先的(在此为第二)最终(以及并非初始的)相对损耗痕量与指数平均对应。根据实施例，在先的(在此为第二)的最终相对损耗值的加权值为0.9以及实际的(在此为第三)的初始相对损耗痕量的加权值为0.1。
4.在项目3(三十秒后)下描述的方法接着通过使用在先的最终相对损耗痕量和用于平均的实际的初始相对损耗痕量每10秒重复，引发实际的最终相对损耗痕量。此外，该实际的F痕量和实际的最终相对损耗痕量被用于计算更新的温度分布。
取代利用在先的最终相对损耗痕量(例如，在以上示例3中，第二最终相对损耗痕量)对实际的初始相对损耗痕量(例如，在以上示例3中，第三初始相对损耗痕量)平均，根据实施例，实际的初始相对损耗痕量利用一个或多个较早的初始相对损耗痕量被平均(例如，以第二初始相对损耗痕量)。
如以上及此处所描述的平均可以为算数平均值或几何平均值以及可以包括基于加权值(或加权痕量)计算平均值。举例来说，该(加权的)算数平均值接着按照以下方程式计算：
其中该总和在所有较早的初始值上被执行(由下标i表示)，其被考虑用于计算实际的最终值，由在先的初始值开始，以及其中w0代表用于实际初始值的加权值以及wi代表用于各个较早的初始值的加权值。加权值的总和为1(w0+∑i(wi)＝1)。根据实施例，被考虑到的较早的初始值的数量为预定的数量，例如，二、三、四等。按照另一实施例，所有较早的初始值被考虑。然而，应当理解的是，任何平均的方案可以被用来生成例如相对损耗的第二量的实际的最终(例如，平均的)值。
不参照整个痕量，而是以上序列还可以根据由AS痕量(或更普遍的，各自由第一和第二测量信号)生成的一对第一和第二值被指定。在这个意义上以及用于以上项目1的第一个十秒的示例，该序列可以分别被重述，其中术语―第一AS痕量”由“成对的第一和第二值”取代，该术语“第一相对损耗痕量”由“第一相对损耗值”取代以及术语“第一温度分布”由“第一温度值”取代。在以上项目2到4中的术语可以相应地被替换以获得相应的说明，其称为替代参照痕量的值。按照上述的替换，该第一值为部分第一F痕量以及第二值为部分第一B痕量，其中成对的第一值和第二值与波导管的特定空间区域相对应，该第一相对损耗值为第一相对损耗痕量的一部分并与特定的空间区域相对应以及该第一温度值为部分第一温度分布并与特定的空间区域的温度相对应。应当理解的是，当值被考虑替代痕量时，该序列必须在每对痕量的值上重复。
根据实施例，在以下示例中，该基本量未受到在时间上的进一步平均而是仅仅受到了在生成F痕量和B痕量的过程中的初始的平均(在第一持续时间上)。如果可能的话，例如如果在先的最终相对损耗痕量是可用的，则该第二量受到了进一步的、指数的平均。该指数的平均导致在第二持续时间上的第二量的平均(非固定的，而是与测量时间相对应)。
当实施在第一持续时间上的基本量平均以及在长于第一持续时间的第二持续时间上的平均时，所引发的基本量的信号质量可以增加，如图15、图16和图17的序列中，其中从根据此处公开的主题的实施例的测量信号获得的温度T(基本量)在波导管中的位置x上被示出。以图15到图17为基础的测量信号已经采用了如上文所述的特别是关于图3的反射镜的构造。应当注意的是，沿着波导管的该实际温度分布包含两个双步骤以及在其中的几乎恒温。实际温度分布的这些特征通过测量的温度痕量再现和双步骤被表示为140、142。
根据此处公开的主题的实施例，图15示出了由单个组的第一和第二值获得的温度T(包括在10秒上的初始平均)，而不进一步对第二量平均。由于没有对温度(基本量)和相对损耗(第二量)二者实施进一步的平均，所以这些量在相同的时间间隔上被平均。
图16根据此处公开的主题的实施例示出了通过对第二量进行进一步(附加的)平均获得的温度T。特别地，图16中的温度T由四组第一和第二值获得，其中进一步的平均在仅用于相对损耗的四组第一和第二值上实施。换句话说，该温度未被进一步地平均并因此与图15的温度具有相同的时间分辨率。然而，如图16中可以看到的，由于对相对损耗(第二量)平均，所以所获得的温度的噪声很大程度上被降低，尤其对于小的x值，例如接近辐射源的位置。如前所述，对于图11到图13，由于在反射镜结构中的B痕量的长的传播路径，用于小的x值的噪声增加以及因此引起B痕量的响应辐射的低强度。
图17根据此处公开的主题的实施例示出了通过对第二量的进一步的(例如，再另外地)平均获得的温度T。特别地，图17中的温度T通过在32组的第一和第二值与32组上对相对损耗进行相应的平均而从32组第一和第二值获得。相应地，该相应的损耗在第二持续时间上被平均，第二持续时间为第一持续时间的三十二倍，其中该温度在第一持续时间被平均。总之，该第一持续时间(其确定了温度的时间分辨率)对于图15、16和17是相同的，同时相对损耗被平均的该第二持续时间从用于图15的第一持续时间的1倍增加到用于图16的第一持续时间的四倍并最终增加到用于图17的第一持续时间的三十二倍。由图15、图16和图17中所示的温度痕量中的噪声可以容易地看到，根据此处公开的主题的实施例，该信号质量由于进一步的平均而被增加。
应当理解的是，虽然一些实施例参考用于权利要求中的一些特征的特定示例，例如，作为基本量的温度或作为第一和第二响应辐射的AS辐射等，应当理解的是，对于特定示例的这些参考中的每个(例如，温度，AS辐射)被认为含蓄地公开了对一般的术语的各自参考(基本量、响应辐射)。应当注意的是，对AS辐射或其的强度的参考被做出，根据其他实施例，S/AS辐射比率或其的强度被使用。此外，当此处描述的示例性实施例参考时域时(例如，在光学时域反射，OTDR)，可以理解的是，此处公开的主题同样可用于在频域中的测量信号的评估(例如，对于光学频域反射，OTDR)，其概念在EP 0 692705A1号专利文件中被描述。
通常，按照本发明的实施例，此处公开的任何适当的实体(例如，组件、单元、以及装置)至少部分地在各自的计算机程序(例如软件)中被提供，其使数据处理装置(例如，计算机)能够提供如此处公开的各自实体的功能。按照其他的实施例，此处公开的任何适当的实体在硬件中被提供。按照其他混合的实施例，一些实体可以在软件中被提供，同时其他的实体可以在硬件中被提供。
应当注意的是，此处公开的分布式光学传感装置的任何其他实体(例如，组件、单元以及装置)都不是对于在一些实施例中所描述的专用实体的限制。而是，此处公开的主题可以以各种方式以及以在装置水平或者软件模块水平上的各种间隔尺寸实施，同时仍提供特定功能。此外，应当注意的是，根据实施例，分离的实体(例如，软件模块、硬件模块或混合模块(结合的软件/硬件模块))被配置用于提供此处公开的两个或多个功能。仍然根据其他实施例，两个或多个实体(其每个可以为例如，组件、单元、子单元或装置)被配置用于共同提供此处公开的功能。
应当注意的是，术语“包含”并非排除其他元素或步骤以及“一”或“一个”并非排除多个。与不同实施例相结合的所描述的原件还可以被组合。还应当注意的是，在权利要求中的附图标记并非作为对权利要求书范围的限定。
此外，应当注意的是，当附图中的示例包括此处公开的主题的多个实施例的特定组合时，实施例的任何其他的组合也是可行的以及被认为以这种应用方式公开。
为了概括以上描述的本发明的一些实施例，可以说：
根据实施例，具有用于确定沿着波导管的基本量的分布式光学传感装置，该分布式光学传感装置包含：适于将电磁辐射耦合到波导管中从而在波导管中(例如，通过与波导管的相互作用)生成第一响应辐射和不同的第二响应辐射的电磁辐射源；适于提供表示第一响应辐射的第一测量信号和表示第二响应辐射的第二测量信号的检测器装置；适于基于第一测量信号和第二测量信号获得第二值(例如，损耗)的评估单元；该评估单元进一步适于基于第二量以及第一测量信号和第二测量信号中的至少一个获得基本量。

Claims (20)

1.一种分布式光学传感装置(100)，其用于确定沿着波导管(102)的基本量(T)，所述分布式光学传感装置包含：
电磁辐射源(104)，其适于将电磁辐射(124)耦合到所述波导管(102)从而在所述波导管(102)中生成第一响应辐射(128)和第二响应辐射(134)，所述第二响应辐射(134)不同于所述第一响应辐射(128)；
检测器装置，其适于提供表示所述第一响应辐射(128)的第一测量信号(118)；
所述检测器装置(112,114)进一步适于提供表示所述第二响应辐射(134)的第二测量信号(120)；
评估单元(116)，其适于基于所述第一测量信号(118)以及所述第二测量信号(120)获得第二量(L)；
所述评估单元(120)进一步适于基于所述第二量(L)以及所述第一测量信号(118)和第二测量信号(120)中的至少一个获得所述基本量(T)；
所述评估单元(116)进一步适于对所述第一测量信号(118)取样以基于所述第一测量信号(118)生成多个第一值(137)；
所述评估单元(116)进一步适于对所述第二测量信号(120)取样以基于所述第二测量信号(120)生成多个第二值(139)；
其中所述第一值(137)和所述第二值(139)中的每个对应于所述波导管(102)的相同的空间区域(xi)；
所述评估单元(116)进一步适于基于所述第二量(L)的值以及所述多个第一值中的第一值(137)和所述多个第二值中的第二值(139)中的至少一个获得所述基本量(T)的值，其中所述第二量(L)的所述值，所述第一值(137)和所述第二值(139)中的至少一个，以及由其中获得的基本量(T)的值对应于所述波导管(102)的所述相同的空间区域(xi)；并且
所述评估单元(116)进一步适于用于所述波导管(102)的所述空间区域(xi)，将不同于所述基本量的所述第二量进行优化，其中所述基本量与所述第二量对应于所述波导管(102)的所述空间区域(xi)。
2.如权利要求1所述的分布式光学传感装置，
所述评估单元(116)适于基于所述多个第一值的第一值(137)以及基于所述多个第二值的第二值(137)获得所述第二量(L)的值，其中，所述第一值(137)，所述第二值(139)和由其获得的所述第二量(L)对应于所述波导管(102)的所述相同的空间区域(xi)。
3.如权利要求1所述的分布式光学传感装置，其中，获得用于所述波导管的空间区域(xi)的所述第二量(L)的值包括：
(i)计算对应于所述空间区域(xi)的所述第一值(137)和所述第二值(139)的比率；
和/或
(ii)计算对应于所述空间区域(xi)的所述第一值(137)和所述第二值(139)之间的差值。
4.如权利要求1所述的分布式光学传感装置，
所述评估单元(116)适于获得在第一持续时间的时间上平均的基本量(T)的值并适于获得在第二持续时间上在时间上平均的第二量(L)的值，其中所述第一持续时间与所述第二持续时间不同。
5.如权利要求1所述的分布式光学传感装置，
所述评估单元(116)进一步适于通过基于对应于特定的空间区域(xi)的所述第一值(137)和所述第二值(139)获得所述第二量的初始值，而获得用于所述特定的空间区域(xi)的第二量(L)的值；以及
所述评估单元(116)进一步适于利用对应于所述特定的空间区域(xi)的所述第二量的至少一个先前获得的初始值来平均所述第二量的所述初始值。
6.如权利要求1所述的分布式光学传感装置，其中，获得用于所述波导管的空间区域(xi)的所述基本量(T)的值包括基于对应于所述空间区域(xi)的所述第二量(L)修正对应于所述空间区域(xi)的所述第一值(137)和所述第二值(139)中的至少一个，从而产生对应于所述空间区域(xi)的第一修正值和/或第二修正值。
7.如权利要求6所述的分布式光学传感装置，其中，获得用于所述波导管(102)的空间区域(xi)的基本量(T)包括：
根据对应于所述空间区域(xi)的所述第一修正值以及对应于所述空间区域(xi)的所述第二修正值中的至少一个来计算所述基本量(T)。
8.如权利要求7所述的分布式光学传感装置，其中，获得用于所述波导管(102)的空间区域(xi)的基本量(T)包括：
计算对应于所述空间区域(xi)的所述第一修正值和所述第二修正值的加权平均值。
9.如权利要求8所述的分布式光学传感装置，其中，计算对应于所述空间区域(xi)的所述第一修正值和所述第二修正值的加权平均值包括：
计算对应于所述空间区域(xi)的所述第一修正值和所述第二修正值的加权和或加权积。
10.如权利要求7所述的分布式光学传感装置，其中，所述评估单元(116)适于根据与各个第一值(137)相关联的信号质量确定所述第一修正值的加权值，所述第一修正值从所述各个第一值(137)获得，和/或，所述评估单元(116)适于根据与各个第二值(139)相关联的信号质量确定所述第二修正值的加权值，所述第二修正值从所述各个第二值(137)获得。
11.如权利要求1所述的分布式光学传感装置，所述第一响应辐射(128)源于在沿着所述波导管(102)的第一方向(125)传播的电磁辐射(124)以及所述第二响应辐射(134)源于在与所述第一方向(125)相反的第二方向(132)传播的电磁辐射(124)。
12.如权利要求1所述的分布式光学传感装置，
所述电磁辐射包含第一电磁辐射(224)和第二电磁辐射(324)；
所述电磁辐射源(204)适于在所述波导管(102)的第一位置(148)上将所述第一电磁辐射(224)耦合到所述波导管(102)中从而生成所述第一响应辐射(128)；
所述电磁辐射源(204)适于在所述波导管(102)的第二位置(149)上将所述第二电磁辐射(324)耦合到所述波导管(102)中从而生成所述第二响应辐射(134)。
13.如权利要求12所述的分布式光学传感装置，其中，所述第一电磁辐射的波长和所述第二电磁辐射的波长不同。
14.如权利要求12所述的分布式光学传感装置，所述电磁辐射源(204)适于以下情况中的至少一个：
通过时间补偿将所述第一电磁辐射(224)和所述第二电磁辐射(324)耦合到所述波导管(102)中；
所述第二位置(149)与所述第一位置(148)间隔。
15.如权利要求1所述的分布式光学传感装置，
所述波导管(102)具有第一位置和间隔开的第二位置；
所述辐射源(104)适于在所述第一位置上将所述电磁辐射(124)耦合到所述波导管(102)中；
所述波导管在所述第二位置上具有反射镜(130)；以及
所述电磁辐射(124)在通过所述反射镜(130)反射之前生成所述第一响应辐射(128)以及在通过所述反射镜(130)反射之后生成所述第二响应辐射(134)，所述第二响应辐射(134)通过所述反射镜(130)传播到所述检测器装置(112，114)。
16.如权利要求1所述的分布式光学传感装置，其中，所述第二量(L)为与以下量相关或由以下量获得的量：所述以下量为沿着所述波导管(102)的所述电磁辐射(124，224，324)，所述第一响应辐射(128)和所述第二响应辐射(134)中的至少一个。
17.如权利要求1所述的分布式光学传感装置，其中，所述第一响应辐射(128)和所述第二响应辐射(134)由通过所述电磁辐射产生的荧光性、所述电磁辐射的散射、反射或衍射中的至少一个产生。
18.如权利要求17所述的分布式光学传感装置，其中，所述第一响应辐射(128)和所述第二响应辐射(134)由下列现象的一个或多个产生：瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射、布拉格散射以及布拉格反射。
19.如权利要求1所述的分布式光学传感装置，其中，所述基本量(T)为温度、张力、位移、物质浓度、或辐照强度中的一个。
20.一种分布式光学传感方法，其用于空间上分布地确定沿着波导管(102)的基本量(T)，所述方法包含：
将电磁辐射(124，224，324)耦合到所述波导管(102)中从而生成第一响应辐射(128)和不同于所述第一响应辐射(128)的第二响应辐射(134)，
提供表示所述第一响应辐射(128)的第一测量信号(118)以及表示所述第二响应辐射(134)的第二测量信号(120)；
对所述第一测量信号(118)取样以基于所述第一测量信号(118)生成多个第一值(137)；
对所述第二测量信号(120)取样以基于所述第二测量信号(120)生成多个第二值(139)；
其中所述第一值(137)和所述第二值(139)中的每一个都对应于所述波导管(102)的相同的空间区域(xi)；
基于所述第一测量信号(118)和所述第二测量信号(120)获得第二量(L)；
基于所述第二量(L)和所述第一测量信号(118)和所述第二测量信号(120)中的至少一个获得所述基本量(T)；
其中，获得所述基本量(T)包含基于所述第二量(L)的值和所述多个第一值中的第一值(137)和所述多个第二值中的第二值(139)获得所述基本量(T)的值，其中所述第二量(L)的值，所述第一值(137)和所述第二值(139)中的至少一个，以及由其获得的所述基本量(T)的值对应于所述波导管(102)的相同空间区域(xi)；以及
其中，用于所述波导管(102)的所述空间区域(xi)，优化不同于所述基本量的值的所述第二量的值，所述基本量的值和所述第二量的值对应于所述波导管(102)的所述空间区域(xi)。
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