CN107003192A - 具有经调谐的横向灵敏度的光纤线缆 - Google Patents

Abstract

本申请涉及适合用作用于分布式声学感测的感测光纤并具有对横向压力波的改善的灵敏度的光纤线缆结构。本申请描述了具有纵向线缆轴线并包括至少一个光纤（301）的光纤线缆（300）。线缆也包括柔顺性芯材料（303），其可能经由缓冲物（302）机械地联接到（多个）光纤，使得作用在柔顺性芯材料上的纵向力在（多个）光纤中诱发纵向应变。至少一个可变形应变转换器（304）被联接到柔顺性芯材料并且被构造成使得沿横向于线缆轴线的方向作用在应变转换器上的力导致应变转换器的变形，从而向柔顺性芯材料施加纵向力。

Description

具有经调谐的横向灵敏度的光纤线缆

技术领域

本申请涉及光纤线缆及其制造的方法，所述光纤线缆适合用于光纤感测，尤其适合用于光纤分布式声学感测，并且具体地涉及具有对横向应变的调谐的灵敏度的光纤线缆结构。

背景技术

分布式声学感测（DAS）是一种已知类型的感测，其中光纤被部署为感测纤维并且用电磁辐射问询以提供对沿其长度的声学活动（即作用在感测纤维上的动态应变）的感测。通过分析从纤维内背散射的辐射，纤维能够有效地被分成可以是相接的（但不必须如此）多个离散感测部分。在每个离散的感测部分内，纤维的机械扰动（比如由于入射声波引起的动态应变）引起从该部分背散射的辐射的性质的变化。该变化能够被检测和分析并且被用于给出在该感测部分处纤维的扰动的强度的测量。因此，DAS传感器有效地充当光纤的声学感测部分的线性感测阵列。一些基于光纤的传感器依赖纤维内的被有意引入的特征，例如光纤布拉格光栅等，以诱发从纤维中的一点的反射。然而，在光纤分布式声学传感器中，检测从纤维内的固有散射部位背散射的辐射。因此感测功能贯穿整个纤维分布，并且各种感测部分的空间分辨率和设置取决于应用的问询辐射和处理的特性。

已经展示了各种类型的DAS传感器，包括基于根据感测纤维的相干光的瑞利散射的传感器。传输至光纤内的光将从光纤内的各种固有（即本征）散射部位被瑞利散射。作用在纤维上的机械振动或者动态应变（诸如由入射声波引起）将有效地改变散射部位的分布，从而导致瑞利背散射光的性质的可检测到的变化。分析这样的变化允许检测作用在光纤的感测部分上的振动/声学激励。

因此，这样的DAS传感器通常执行感测纤维的重复问询，其中每次问询均包括将相干光辐射的至少一个脉冲传输至光纤内，并且检测来自DAS传感器的感测纤维（也被称为通道）的多个感测部分中的每个的背散射光的强度。在一种类型的DAS传感器中，响应于感测纤维的单独的问询，来自给定通道的瑞利背散射的强度被监测以确定作用在纤维上的任意声学激励，并且在一种示例中，每个问询均包括发射相干问询辐射的单个连续脉冲。如上所述，来自纤维的背散射将取决于纤维内的固有散射部位的分布，这将沿纤维的长度有效地随机地变化。因此，来自任意给定问询脉冲的背散射强度将呈现从一个感测部分到下一感测部分的随机变化，但是，在没有任何环境激励的情况下，来自任意给定感测部分的背散射强度应当针对每次重复问询（假定问询脉冲的特性保持相同）保持相同。然而，作用在纤维的相关感测部分上的环境激励将导致纤维的该区段的光学路径长度变化，例如通过纤维的相关区段的拉伸/压缩和/或折射率调制。因为来自纤维的感测部分内的各种散射部位的背散射将干涉以产生所得强度，所以光学路径长度的变化将改变干涉的程度且因此导致背散射强度的变化。强度的这种变化能够被检测并被用作对作用在纤维上的扰动（诸如入射声波）的指示。

在另一类型的DAS传感器中，处理背散射信号以确定相变化。在一种示例中，每次问询均包括将不同光频率的相干辐射的两个脉冲发射到纤维内。这意味着在检测器处接收到的瑞利背散射包括来自这两个脉冲的背散射，它们将干涉并且因此将存在脉冲之间的频率差下的信号分量。如果这两个脉冲在纤维中空间上分离，则在脉冲从其反射的纤维的部分之间，作用在纤维上的环境扰动能够导致光学路径长度变化。这相应地将产生在这个差异频率下的信号的相变化，这能够被视为载波频率下的信号。通过适当选择载波频率并处理检测到的信号，这种相变化能够与作用在纤维上的扰动的幅值相关联。再次地，问询辐射的特性，即这两个脉冲的频率和持续时间，针对每次问询而言通常将是相同的。这样的基于相的DAS系统能够提供对由入射激励引起的相偏移的实际量的指示，并且因此提供对任意扰动的幅值的定量测量。

因为这种DAS传感器的感测响应关联于感测纤维的有效光学路径长度的变化，所以感测纤维将通常对于作用在光纤上的纵向应变最为灵敏。因此，对于沿大体笔直路径部署在介质中的感测光纤，感测纤维将对沿光纤纵向方向传播的介质中的压力波最为灵敏。对于这样的纵向波，纤维长度直接受到压力变化的影响，因为随着波传播，介质压缩和膨胀。对于垂直于光纤行进的波，灵敏度更低，因为纤维将主要随介质从一侧运动到另一侧。由于在压力波经过时纤维的位移且也根据纤维的直径变化，将存在一些纵向应变，但是作用将比纵向行进的等价波远为更小。

已经针对许多应用（诸如针对入侵者检测或篡改监测周边或边界或线性资产（诸如管线等））有用地提出上述类型的DAS传感器。对于许多这样的应用，使用常规光纤的DAS传感器对检测所讨论的事件是足够灵敏的。例如，在被部署成检测靠近资产（诸如埋入管线或边界栅栏）的挖掘的纤维中，预期在所讨论的事件期间将存在显著的地面扰动，并且使用常规光纤的DAS传感器能够被用于检测这样的扰动。由于接近这样的应用中的扰动的起源，所以通常将存在来自这样的扰动的显著的横向和纵向压力信号。因此沿一个方向的灵敏度足以实现检测。

额外地或者替代性地，在一些应用中，光纤线缆可以被部署在一路径中使得来自所讨论方向的压力波将针对纤维的至少一些部分以相当大的纵向分量入射。例如考虑到沿诸如管线的资产的路径埋入的感测纤维，其中希望检测来自管线的任一侧的入射信号。感测纤维能够被埋入以沿管线的长度延伸而且具有蜿蜒或蛇形路径。沿大体垂直于管线的路径的方向传播的压力波将因此针对纤维的部分作为大致横向的波入射，而且针对纤维的其他部分将存在显著的纵向分量。以这种方式部署的感测纤维的空间分辨率将至少部分地取决于蜿蜒的节距。理想地，蜿蜒的节距需要小于单个感测部分通道的长度。这样的设置在实践中难以安装。

在一些应用中，不实际或不方便将光纤以一路径安装在所讨论的位置，使得来自所讨论方向的入射波以相当大的纵向分量入射在线缆上。

例如DAS传感器已经被考虑用于地球物理学勘探，诸如蓄集层或者地层的地震勘探等等。在这样的地震勘探的一种形式（垂直地震剖面法（VSP））中，传感器的阵列通常定位在井孔（borehole）中并且被用于检测从周围地层行进到传感器的信号。常规的VSP依赖于传感器的阵列，诸如沿井孔向下定位的一串地震检波器和/或水听器。然而，已经提出使用具有沿井孔向下部署的感测纤维的DAS。在这样的应用中，期望对从周围地层横向行进至井孔的压力波的灵敏度。

如果光纤被部署成以大体笔直路径沿井孔向下延伸，则DAS传感器可能对所讨论的入射横向信号相对不灵敏。通过沿井孔向下以卷绕或螺旋设置来设置光纤线缆能够改进DAS传感器的灵敏度，但是通常用于井下应用的线缆结构是相对坚硬的且不易于卷绕。这也通常需要一些元件来卷起线缆并且增加了线缆部署的复杂性和成本。

已经提出的另一方法是在线缆结构本身内卷绕光纤，比如通过围绕柔顺性中央芯缠绕光纤。因此，所得的线缆能够被部署成沿大体笔直的路径延伸，诸如沿井孔向下延伸，且线缆内的光纤呈现螺旋路径。因此，横向于线缆传播的压力波针对线缆结构内的光纤的一部分具有纵向分量。然而，限定光纤的缠绕半径的中央芯的直径必须不过低，否则光纤会遭受弯曲损耗。这导致大直径的线缆，这对于一些应用而言是不适合的。生产具有螺旋缠绕的光纤的光纤线缆也包括相对困难和定制的线缆制造，并且通常导致需要非常小心安装的相对脆弱的线缆。而且，以这种方式缠绕光纤意味着给定的一段线缆将包含相比于不需如此缠绕光纤的线缆更长的光纤长度，并且潜在地远为更大。换言之，如果给定的一段光纤将被用作感测纤维，则通过使用螺旋缠绕，所得线缆结构的长度潜在地远为更短，并且给定感测线缆能够监测的范围可能减小。

类似问题出现在表面地震感测中，其常规地利用在待勘探的区域的表面上以阵列形式部署的地震检波器的阵列执行。已经提出使用具有被埋入所讨论区域中的浅沟中的感测纤维的DAS。在这样的设置中，光纤线缆将被部署在很大程度上接近水平的路径中，但是所讨论的信号将以大的竖直分量行进并因此将横向于光纤线缆入射。

因此，对于一些应用而言。期望的是提供一种光纤线缆结构，其能够被用作DAS的感测纤维，并且其具有对横向波的改善的灵敏度和/或缓解了上述缺点中的至少一些。

基于瑞利的分布式光纤感测的原理也已经被应用于其他感测应用。比如，已经提出使用磁性敏化的光纤来为磁场变化提供分布式光纤传感器。磁性敏化的光纤可以被机械地联接到磁致伸缩材料，该材料的尺寸根据所施加磁场的强度变化。因此，磁场的变化导致磁致伸缩材料的尺寸的变化，这种尺寸变化转化为施加到光纤的动态应变。这样的动态应变能够利用DAS的原理被检测出，并且被用于提供对沿纤维的长度的磁场的任意变化的指示。然而，将意识到的是，由于入射压力波导致的光学路径长度的有效变化也将导致来自感测纤维的检测到的背散射的变化，并且可能掩盖仅由于磁场变化导致的任意变化的检测。同样地，已经提出使用基于瑞利背散射的分布式光纤感测来提供对沿纤维的长度的任意动态温度变化的指示，但是再次地，这可能难以在由于温度变化产生的效果和由于入射压力波产生的效果之间辨别检测到的背散射信号。因此，在这样的应用中，可能期望使用针对所讨论的被测物理量敏化但是对入射压力波相对不灵敏的感测光纤。

发明内容

因此，根据本发明实施例，提供一种具有纵向线缆轴线的光纤线缆，其包括：

至少一个光纤；

柔顺性芯材料，其机械地联接到所述至少一个光纤，使得作用在所述柔顺性芯材料上的纵向力在所述至少一个光纤中诱发纵向应变；以及

至少一个可变形应变转换器，其联接到所述柔顺性芯材料并且被构造成使得沿横向于所述线缆轴线的方向作用在所述应变转换器上的力导致所述应变转换器的变形，从而向所述柔顺性芯材料施加纵向力。

所述至少一个光纤可以被部署在线缆内以大体平行于线缆轴线延伸。所述至少一个光纤可以被紧紧地联接到缓冲材料并且缓冲材料可以联接到柔顺性芯材料。

在一些实施例中，应变转换器的至少一部分具有在没有任何外力施加到线缆上的情况下的休止纵向长度的形状，并且被构造成使得响应于在线缆的第一部分上横向于线缆轴线的力的应变转换器的变形引起应变转换器的纵向长度的变化。纵向长度意指应变转换器沿线缆轴线的尺寸。

在一些实施例中，应变转换器的至少一部分具有当从垂直于线缆轴线的方向观察时相对于线缆轴线外凸的形状。

所述至少一个应变转换器可以紧紧地粘接到柔顺性芯材料和/或在多个锚定点处被锚定到柔顺性芯材料。在一些实施例中，至少一个应变转换器被至少部分地嵌入柔顺性芯材料。

所述至少一个应变转换器可以包括至少一个螺旋卷绕构件。所述螺旋卷绕构件可以围绕柔顺性芯构件卷绕。螺旋卷绕构件的螺旋角可以小于45度和/或大于5度。螺旋卷绕构件的直径可以在3至10 mm的范围中。

光纤线缆的至少一部分可以包括多个应变转换器，每个应变转换器均包括螺旋缠绕的卷绕构件。至少一个螺旋缠绕的卷绕构件可以沿与另一螺旋缠绕的卷绕构件相对的方向缠绕和/或至少一个螺旋缠绕的卷绕构件可以与另一螺旋缠绕的卷绕构件交错。

应变转换器可以比柔顺性芯材料更加坚硬。

应变转换器和柔顺性芯材料可以具有每牛顿拉伸载荷在0.05%至0.01%的应变之间的应变响应。

应变转换器可以包括金属材料。应变转换器可以包括型钢构件。

柔顺性芯材料可以包括挤出级尼龙（extruded nylon）。

在一些实施例中，线缆可以包括第一套层，且所述至少一个光纤、所述柔顺性芯材料和所述至少一个应变转换器被布置在所述第一套层内。在一些实施例中，应变转换器的至少一部分可以被联接或者附接到第一套层。然而，在一些实施例中，可以布置应变转换器和柔顺性芯材料以便能够相对于第一套层运动。所述至少一个光纤、所述柔顺性芯材料和所述至少一个应变转换器可以被布置在被装纳在第一套层内的液体内。在一些实施例中，所述至少一个光纤、所述柔顺性芯材料和所述至少一个应变转换器可以被装纳在第二套层内，该第二套层被布置在第一套层内，且第二套层能够相对于第一套层运动。

线缆可以被构造成当光纤被用于分布式声学感测（DAS）时提供对入射横向声波的期望的灵敏度。即，应变转换器关于柔顺性芯材料和光纤的设计可以被设置成提供期望程度的灵敏度。在一些应用中，线缆可以被设计成提供相对高的横向灵敏度。应变转换器可以因此被构造成确保当被用于分布式声学感测时线缆的横向灵敏度大于在如果不存在应变转换器的情况中将存在的横向灵敏度。应变转换器关于柔顺性芯材料和光纤的设计可以被构造成确保当被用于分布式声学感测时线缆的横向灵敏度大于具有相同类型的光纤和一个或多个套层的常规光纤线缆的横向灵敏度。

如本文所使用的，可以采用术语高灵敏度来意指线缆的光纤的响应的幅度大于对应光纤或标准无缓冲光纤对给定横向应变或压力的响应。比如，如下文将更具体地描述的那样，可以预期无缓冲光纤在大约1550 nm的波长下呈现每米每帕斯卡40微弧度的量级的测量信号的相变化。换言之，可以预期利用1550激光源问询的来自给定1米长的无缓冲光纤的测量信号在光纤的该区段上1 Pa的压力变化的情况下改变40微弧度的量。对于高灵敏度线缆，随压力变化的相变化的幅度可以更大，比如大至少25%，或者大至少50%。在一些实施例中，高灵敏度线缆可以具有比标准无缓冲线缆的响应大至少100%的响应，或者至少是其五倍或至少是其十倍大的响应。因此，高灵敏度线缆可以是就路径长度变化而言光纤对横向应变或压力变化的响应在每米每帕斯卡80微弧度的量级或更大，比如大于每米每Pa 200微弧度的线缆。

然而，在一些实施例中，应变转换器关于柔顺性芯材料和光纤的设计可以被设置成提供相对低的横向灵敏度。在一些实施例中，应变转换器关于柔顺性芯材料和光纤的设计可以被构造成使得如果被用于DAS，则光纤将对横向声学信号大致不灵敏。换言之，这样的光纤线缆可以对压力变化大致不灵敏。

如前所述且如下文将更具体地描述的，作用在DAS传感器的感测光纤的一部分上的动态应变可以导致该部分的光学路径长度的有效变化，这可以通过DAS问询被检测到。有效光学路径长度的变化可以至少部分地通过由于光纤的拉伸或压缩导致的长度的物理变化产生，且也至少部分地通过折射率调制产生。已经发现，对于一些光纤而言，对纤维的一部分上的增加的压力的响应（可以预期这导致纤维的拉长）实际是有效光学路径长度的表面上的减少。在不希望被束缚于任意具体理论的情况下，相信在这种情况下折射率的调制可以对有效光学路径长度具有与物理长度变化的影响意义相对的影响。相信折射率调制至少部分地取决于施加在光纤上的表面压力。如果这种光纤的给定部分承受导致纤维的拉伸从而因此趋于增加光学路径长度的压力变化（即动态应变），则也由于压力的变化产生的折射率调制会趋于减小光学路径长度。因此，对有效光学路径长度的总体影响被认为是这些作用的结合并且取决于每个的相对贡献。

因此，在一些实施例中，应变转换器可以关于柔顺性材料和光纤被设计成使得在线缆的给定部分上的横向应变大致不导致光纤的该部分的有效光学路径长度的变化。因此，由于光纤的长度的物理变化产生的有效光学路径的任意变化大致由例如可能由于折射率调制产生的有效光学路径的相对变化抵消。

换言之，应变转换器可以关于柔顺性芯材料和光纤被构造成使得响应于给定横向应变，光纤经历由于折射率调制产生的光学路径长度的有效变化，该有效变化大致等于且相对于由于物理长度变化产生的光学路径长度的有效变化。应变转换器因此被构造成有效地放大响应于横向应变的光纤的物理长度变化，以便匹配由于折射率调制产生的有效路径长度变化。

相信具有上述应变转换器的线缆如同线缆处于流体静压力下时那样表现，即使线缆的端部未经历压力也如此。如所讨论的那样，对具有诸如上文所描述的应变转换器的线缆结构中的应变反转的主要作用是网格（mesh）的机械优点胜出并且即使在线缆端部上有压力的情况下也使纤维伸长（如在具有静压力的情况下那样），而无缓冲光纤随增加的压力物理地皱缩。因此随增加的压力的应变变化和光学路径长度的有效变化能够从小的负值变成大的正值，因此使用应变转换器设置。这意味着，在应变转换器具有适当刚性的情况下，能够消除应变或者有效光学路径长度的变化中的任一者。应当注意的是，由于随压力产生的折射率变化，零变化的光学路径长度不会发生在零应变设计处。

在另一方面，提供一种分布式声学感测系统，其包括：如上所述的光纤线缆；以及用于在所述光纤上执行分布式声学感测的问询器单元。

光纤线缆可以被部署在井孔中。

本发明的方面也涉及使用如上所述的光纤线缆以实现分布式声学感测。

本发明的方面也涉及使用如上所述的光纤线缆，其对用于分布式声学感测的横向声学信号具有相对高的灵敏度，以执行地震勘测。

本发明的方面也涉及使用如上所述的光纤线缆，其对用于分布式光纤感测的横向声学信号相对不灵敏。在一些实施例中，分布式光纤感测可以包括感测磁场的变化，在这种情况下光纤可以联接到其尺寸基于磁场强度变化的材料，例如磁致伸缩材料。在一些实施例中，分布式光纤感测可以包括针对温度变化的感测。

附图说明

现在将仅相对于附图借由示例描述本发明，附图中：

图1示出常规DAS传感器设备；

图2示出常规光纤线缆结构；

图3示出根据本发明的实施例的光纤线缆结构的实施例；

图4示出用于将横向力转换成纵向力的应变转换器的原理；

图5a和图5b示出本发明的另两个实施例；

图6示出其他类型的可能的应变转换器；

图7a和图7b示出制造的示例线缆结构并且图7c示出控制线缆结构；以及

图8示出利用图7a-7c中示出的线缆结构的一些测试结果。

具体实施方式

本发明的实施例涉及一种适合用于光纤感测，例如分布式声学感测（DAS）的光纤线缆，其对横向应变具有期望的或调谐的灵敏度。一些实施例涉及对横向应变具有相对良好的灵敏度（例如相比于常规光纤线缆具有改善的横向灵敏度）的适合用于分布式光纤感测的光纤线缆。其他实施例涉及对横向应变大致不灵敏的适用于分布式声学感测（DAS）的光纤线缆。

图1示出分布式光纤感测设置的示意图。一段感测光纤104在一端处可移除地连接到问询器106。来自问询器106的输出被传递到可以与问询器共同定位或者可以远离问询器的信号处理器108，并且可选地被传递到在实践中可以由适当地指定的PC实现的用户界面／图形显示器110。用户接口可以与信号处理器共同定位或者远离信号处理器。

感测纤维104在长度上能够是数千米，并且在一些应用中在长度上能够是数万米。在常规DAS中，感测纤维可以是诸如在通信应用中例行使用的标准、未改动的单模光纤，不需要有意地引入的诸如纤维布拉格光栅等等的反射点（reflection site）。将通过用线缆结构装纳纤维来保护纤维，其中线缆结构可以装纳多于一条光纤。

在使用中，包括感测纤维104的光纤线缆被部署在待监测的所讨论的区域中。在操作中，问询器106将问询电磁辐射发射到感测纤维内，其中，所述问询电磁辐射可以例如包括一系列具有选定的频率模式的光学脉冲。光学脉冲可以具有如在GB专利公布GB2,442,745中所描述的频率模式，或诸如在WO2012/137022中所描述的光学特征，其内容特此通过引用合并于本文，不过依赖单个问询脉冲的DAS传感器也是已知的并且可以被使用。应注意的是，如本文所使用的那样，术语“光学”不限制于可见光谱，并且光辐射包括红外辐射和紫外辐射。如在GB2,442,745和WO2012/137022中所描述的那样，瑞利（Rayleigh）背散射的现象导致输入纤维内的光的一些部分被反射回问询器，在该处其被检测以提供输出信号，所述输出信号表示在纤维附近的声学扰动。因此，问询器便利地包括至少一个激光器112和至少一个光调制器114，以便产生由已知的光学频率差分开的多个光学脉冲。问询器还包括至少一个光电检测器116，其被设置成检测从纤维104内的本征散射点瑞利背散射的辐射。瑞利背散射DAS传感器非常有用，而且基于布里渊或拉曼散射的系统也是已知的。

来自光电检测器的信号由信号处理器108处理。信号处理器基于光学脉冲之间的频率差便利地对返回的信号进行解调。处理器可以处理检测到的背散射，例如如GB2,442,745、WO2012/137021或者WO2012/137022中的任意文献中所描述的那样。信号处理器也可以应用相位解缠（unwrap）算法。因此能够监测来自光纤的各种区段的背散射光的相位。因此，如先前所描述的，能够检测纤维的给定区段内的有效光学路径长度的任何变化，诸如将由于在纤维上引起应变的入射压力波所产生的变化。

光学输入的形式和检测方法允许将单个连续纤维空间地分解成离散的纵向感测部分。也就是说，在一个感测部分处感测到的声学信号能够大致独立于在相邻部分处感测到的信号被提供。注意到，采用术语声学应意指任意类型的压力波或机械扰动或在光纤上生成的变化的应变，并且为了避免疑惑，术语声学将在本说明书中被用于包括地震信号和波或其他类型的振动。如在本说明书中所使用的，将采用术语“分布式声学感测”来意指通过光学地问询光纤来提供沿纤维纵向分布的多个离散的声学感测部分的感测，并且术语“分布式声学传感器”应当被相应地解释。

这样的传感器可以被视为完全分布式或本征传感器，因为其使用在光纤中内在处理的本征散射，并且因此贯穿整个光纤分布感测功能。

图2大体示出能够被用于提供感测纤维的公知类型的光纤线缆200的一种示例。图2示出通过光纤线缆的横截面。光纤线缆200包括至少一个光纤201，其将通常包括芯和包层，并且可能地还包括纤维套，如本领域一个技术人员将很好地理解的那样。在一些应用中，存在多于一个光纤201。（多个）光纤201可以位于缓冲材料202内以便保护光纤。在一些光纤线缆中，缓冲件可以是紧紧地绑束于线缆的（多个）光纤的材料，而且也已知其他设计，包括凝胶填充的线缆，其中凝胶提供缓冲材料。在这种示例中，缓冲材料203由铠装层203围绕。可以设置铠装层203以提供对（多个）光纤201的加强和保护。在一些应用中，铠装层可以是金属层并且可以比如包括钢或相似材料的管。然而，在一些应用中，期望线缆具有一些灵活性并且钢管将过于僵硬。在这样的情形下，线缆可以包括柔性铠装层，诸如芳族聚酰胺层或者编织金属屏蔽件。芳族聚酰胺或编织金属层将紧紧缠绕以便形成有效的连续铠装层，从而在所有侧面上保护纤维，并且被绑束于缓冲层以保护纤维层在承受纵向力（例如在线缆上的牵拉）时不过度延伸。可以设置外套材料204以给予环境保护，例如使得线缆水密和/或不能渗透气体。

当然，本领域一个技术人员将意识到，存在多种光纤线缆设计，并且在其他设计中可以存在额外的铠装层或可能根本不存在铠装层。在一些设计中，可以存在中央加强构件，诸如沿线缆轴线的路径延伸的金属杆或线。此外，可以存在更多的缓冲层和/或套层。

可以在DAS的许多应用中有用地采用诸如关于图2所描述的光纤线缆200。然而，如上所述，如果这样的光纤线缆200的光纤201被用于DAS感测，则这样的感测纤维将优选地对沿线缆的纵向轴线传播的压力波是灵敏的。纵向压力波将引起光纤线缆部署于其中的介质的压缩。由于压力波产生的力（即动态应变）中的至少一些将经由中间层（联接件（coupling）的量取决于中间层的性质）被传输到光纤201。然而，相对于线缆轴线（即纵向线缆轴线）横向传播的压力波可以在很大程度上引起光纤线缆从一侧运动到另一侧，尤其是在任意铠装层或者加强层203包括相对柔性的材料（诸如芳族聚酰胺）的情况中。

本发明的实施例提供光纤线缆，其中该光纤线缆包括至少一个应变转换器以便将线缆上的径向力转换成光纤上的纵向力，换言之，将应变转换器上的沿横向于线缆轴线的方向的动态应变转换成光纤上的纵向应变。注意到，如本文所使用的，术语"线缆轴线"应指代沿线缆的长度纵向延伸的轴线。因此，线缆轴线能够被视为线缆沿其延伸的路径。将意识到的是，取决于线缆的部署，线缆轴线的方向可以沿线缆的长度变化，并且可以在各种区段中是弯曲的或者蜿蜒的或者笔直的。

因此，在一种实施例中，光纤线缆包括至少一个光纤。柔顺性芯材料可以被机械联接到光纤，使得作用在柔顺性芯材料上的纵向力在光纤中诱发纵向应变。光纤线缆也包括至少一个可变形应变转换器，其联接到所述柔顺性芯材料并且被构造成使得沿横向于所述线缆轴线的方向作用在所述应变转换器上的力导致所述应变转换器的变形，由此向柔顺性芯材料施加纵向力。

应变转换器被构造成与柔顺性芯材料一起能够沿横向方向（即局部垂直于光纤线缆的线缆轴线）变形，并且有效地将径向或横向位移转化成施加于柔顺性芯材料的纵向位移。在一些实施例中，应变转换器具有在没有任何外力施加于线缆的情况下的休止纵向长度的形状，并且被构造成使得响应于在线缆的第一部分上横向于线缆轴线的力的应变转换器的变形引起应变转换器的纵向长度的变化。纵向长度意指沿线缆轴线的尺寸。

应变转换器的至少一部分可以具有当从垂直于线缆轴线的方向观察时相对于线缆轴线外凸的形状，以便将横向力转变成纵向力。替代性地，在一些实施例中，应变转换器的至少一部分可以具有当从垂直于线缆轴线的方向观察时相对于线缆轴线内凹的形状。这也能够将横向力转变成纵向力，虽然相比于外凸的实施例，应变方向反转。

在一种实施例中，应变转换器可以包括相对坚硬的螺旋或类似地卷绕的构件或元件，其大致成螺旋状或者大体绕与纵向线缆轴线平行的轴线卷绕。

图3示出根据本发明的实施例的光纤线缆300的透视剖视图。光纤线缆包括至少一个光纤301。图3中为清晰起见仅示出一个光纤301，不过将意识到的是，线缆能够包括多个光纤。每个光纤可以包括芯和包层，如本领域技术人员将理解的那样。光纤也可以包括至少一个纤维套材料。

（多个）光纤301可以联接到紧密缓冲材料302，该材料本身被联接到柔顺性芯材料303。光纤201和柔顺性芯材料303之间的联接使得施加到柔顺性芯材料的动态纵向应变将在光纤中诱发纵向应变。换言之，柔顺性芯材料的纵向位移将导致缓冲材料和对应地光纤301的纵向位移。因此光纤将不在芯材料303或缓冲件302内显著地滑动，至少针对源自所讨论的频率的压力波的动态应变不显著地滑动。在一些实施例中，柔顺性芯的材料303也可以用作缓冲材料302，即可以不需要单独的缓冲材料302。

在一些实施例中，缓冲材料301可以是凝胶或者凝胶状材料。各种凝胶缓冲件针对光纤线缆是公知的。柔顺性芯材料303的相对突然的纵向运动将引起凝胶缓冲材料的纵向运动，这将被传输到嵌入的光纤301。因此，凝胶缓冲件能够提供上文所描述的联接。然而，如果光纤线缆经历相对大且慢的（即低频率）应变，诸如可以在比如光纤线缆的安装或操纵期间所经历的，则凝胶缓冲材料可以使光纤所经历的应变松弛。因此，使用凝胶缓冲材料可以帮助减小安装和操纵期间损坏的风险，同时在所讨论的频率下仍然提供良好联接。基于常规设计（即没有应变转换器）的凝胶缓冲的光纤线缆先前已经被用作DAS感测纤维并且针对入射纵向波表现良好，显示出在所讨论的声学频率下纤维、凝胶缓冲件和外部线缆层之间的良好联接。

机械地联接到柔顺性芯材料304的是至少一个应变转换器，在这种实施例中，该应变转换器包括围绕柔顺性芯材料303缠绕的卷绕构件304。卷绕构件304可以被紧紧地绑束于柔顺性芯材料以有效地夹持柔顺性芯材料303，使得柔顺性芯材料随应变转换器运动。然而，在一些实施例中，应变转换器可以额外地或者替代性地在各种锚定点处被锚定到柔顺性芯材料和/或卷绕构件304的至少一部分可以被嵌入柔顺性芯材料内。在这种示例中，卷绕构件绕纵向线缆轴线305以大体螺旋方式卷绕，并且被至少一个线缆套材料306围绕。线缆套材料可以被设置成使得作用在套材料上的任意压力可以优选地被传送到应变转换器，而不是传送至柔顺性芯材料。换言之，大致没有或者仅有限的压力可以从套材料被直接传送到柔顺性芯材料。

应变转换器的卷绕构件304是相对坚硬的并且比柔顺性芯材料303和缓冲材料302（如果存在的话）更加坚硬。然而，卷绕构件响应于动态横向应变能够沿径向方向变形。由于螺旋缠绕的原因，卷绕构件304的这种变形导致径向或直径上的变化，这会转化成纵向长度变化，如图4中所示。

图4示出光纤线缆的具有卷绕螺旋构件304的完整的一圈的一部分。图4示出如从垂直于纵向线缆轴线的方向（即横向方向）观察的卷绕构件的路径。能够看出的是，从这样的视角，卷绕构件具有相对于线缆纵向轴线外凸的形状，即具有从线缆轴线沿横向方向向外隆起或弯曲的形状。当然，将理解的是，如果卷绕构件绕线缆轴线卷绕，则线圈距线缆轴线的径向距离可以是大致恒定的。然而，当从给定（固定的）横向方向观察时，卷绕构件的路径（或者至少路径在平行于线缆轴线的平面中的投影）相对于线缆轴线具有限定外凸形状的大体蜿蜒或蛇形的路径。又换言之，应变转换器的形状使得应变转换器沿第一（固定）横向方向距线缆轴线的距离（例如距离的x轴线分量）沿线缆轴线（例如z轴线）变化。这意味着被施加到卷绕构件的横向力401被至少部分地转换成纵向力，这导致应变转换器的纵向长度的变化。

图4的左侧示出在没有外力的情况下的线缆的区段。应变转换器的该部分（对应于单个绕圈）因此具有等于线圈或螺旋绕圈的节距P的休止长度以及休止直径D。图4的右侧示出施加有横向力401（诸如可以由横向于线缆轴线传播的压力波施加）的状况。横向力401导致应变转换器304沿径向方向的变形，这转化成沿纵向方向的变形并且因此转化成卷绕构件304的该部分的纵向长度的变化。因此，应变转换器响应于横向力在柔顺性芯材料303中且因此在光纤301中诱发纵向应变。

因此，如果这样的光纤线缆被用于用光纤301作为感测纤维的DAS感测，则横向于光纤线缆传播的压力波能够导致光纤中的动态纵向应变及所得的光学路径长度变化，即使在光纤可能大体沿平行于线缆轴线的路径延伸（即不需要螺旋光纤设置）也如此。这样的光纤线缆可以因此被构造成相比于如图2中所示的常规光纤线缆改善DAS传感器对横向于光纤线缆传播的声学/地震激励的灵敏度。

光纤线缆的外侧上的压力通过两种主要作用被转变成有效光学路径长度的变化。第一是由于表面压力改变导致的线缆长度的物理变化。第二是由于压力对纤维的有效折射率的作用。应变转换器背后的原理在于在线缆中使用加强结构来机械增强直径上的应变（即径向或者横向应变）被转变成纵向应变的方式。

因此，包括应变转换器能够响应于作用在线缆上的给定横向应变或压力变化提供光纤所经历的纵向应变的受控增加。在一些实施例中，线缆可以被设计成相比于常规的光纤线缆，当被用于光纤感测时，提供对横向应变的增强的灵敏度。

应变转换器和柔顺性芯材料对给定横向应变的响应可以适应于可以在其中采用DAS传感器的具体应用。

例如，在一些应用中，光纤线缆在使用中可以被部署在液体介质内。当被部署在液体介质中时，传播的压力波将导致围绕光纤线缆的液体介质且因此光纤线缆本身的压缩和疏松（rarefaction）。对于在使用时预期被封装在固体介质中（诸如被埋在土地中或者被封装在例如水泥中）的光纤线缆而言，传播的压力波将通常趋于产生侧向力并且线缆将被约束以免显著地运动。在线缆被水泥粘结在恰当位置或以其他方式类似地被嵌在材料或结构中的后一种情况下，可以限制线缆的外套层以免显著的纵向运动。为了应变转换器能够实现机械优势并且将横向应变转换成纵向应变，应变转换器应当理想地相对于外套自由地纵向运动。因此返回参考图3，应变转换器可以被设置成能够在套层306内相对自由地运动。额外地或者替代性地，存在围绕套层306的至少一个外套层307，且套层206在外层307内自由地有效地滑动。在一些实施例中，两层之间可以存在小间隙，该小间隙可以填充有流体，例如液体，其允许套层之间的相对运动且同时将任意入射压力波传送到内部线缆结构。

由系统的应变转换器提供的机械优势将取决于例如卷绕螺旋构件和柔顺性芯材料的部件的相对硬度以及螺旋绕圈的螺旋角。

线缆应当理想地足够坚硬以在没有过多拉伸的情况下安装。在一些实施例中，柔顺性芯材料可以不是连续均质材料，而是可以具有空腔或其他内部特征，使得能够针对相关应用定制体硬度。例如柔顺性芯材料能够是具有孔和/或辐条的挤出形状。芯材料应当也是足够刚硬的，以当被部署时在周围介质的任意稳态压力（例如如果部署在水中则来自水压力，或在埋入式应用中来自周围土地）下不会过多地坍陷。在一些实施例中，可以比如包括单个光纤的光纤线缆结构可以呈现每牛顿拉伸载荷大约0.05%至0.01%的应变的应变/硬度响应。

应变转换器的螺旋角应当被设置成提供针对应变转换器的期望的机械优势，而且也被选择成针对应变转换器上的给定横向力在柔顺性芯上提供显著的纵向力。在一些实施例中，螺旋角可以小于45度以提供机械优势。在一些实施例中，螺旋角可以大于大约5度。在大约5度的角度下，大约8%的径向力被转换成纵向力。

应变转换器的直径可以是相对小的，因此容许线缆结构的整体直径相对小。例如，应变转换器的直径可以是大约5至10 mm。在一些情形中，线缆的整体直径可以是大约6至10mm。然而，如果需要，能够利用更小直径的应变转换器和更小直径的柔顺性芯来构造更小直径的线缆，比如能够制造小至大约3 mm的线缆直径。然而，在一些应用中，例如对于水听器类型的使用，更大直径的线缆结构可以是有利的，并且可能希望使用更大直径的应变转换器结构。

应变转换器的卷绕构件可以便利地包括金属材料，例如钢。如上所述，卷绕构件应当比柔顺性芯和光纤更加坚硬，并且仍然能够关于所讨论的横向力变形。钢能够提供所需性质并且能够在线缆制造期间相对容易地被操作以形成卷绕结构。不锈钢是坚硬的、抗腐蚀的、容易获得的并且相当廉价，并且出于不同原因已经在线缆制造中被使用。然而，诸如玻璃纤维或碳纤维的其他材料能够潜在地被用在一些线缆设计中，并且可能地诸如镍钛诺的超弹性材料也如此。

柔顺性芯材料应当是适当地柔顺的，以便随应变转换器运动，但是也应当适于将被诱发的应变传递到光纤或缓冲材料。合适的柔顺性芯材料可以是挤出级尼龙，其已经被用在一些光纤线缆构造中。如上所述，柔顺性芯材料应当针对所需应用具有足够的硬度并且可以在一些情形中具有非均质结构。在一些实施例中，比如能够使用闭孔泡沫材料并且例如能够控制孔隙分数以针对所需应用调谐硬度。也能够使用其他聚合物材料。

因此，制造根据本发明的光纤线缆可以包含利用各种常规制造技术初始地在芯材料中产生呈紧密缓冲构型的一个或多个光纤，所述芯材料诸如挤压级尼龙，之后利用已知的缠绕技术绕芯材料缠绕诸如钢丝的合适材料。然后可以利用已知的制造技术将具有围绕的螺旋卷绕构件的芯材料包封在一个或多个外套材料中。如上所述，外套被设置成向卷绕构件施加任意外部压力，而且大致避免直接向柔顺性芯施加压力。整个线缆结构应当优选地足够坚硬以在线缆没有过多地拉伸的情况下安装，过多地拉伸能够潜在地导致对（多个）光纤的损坏。在一些实施例中，可以将加强构件结合于光纤线缆中以限制纤维的纵向延伸的整体程度，从而在操纵和安装期间（其中可能经历相对高的纵向力）防止损坏线缆，并且具体地防止损坏光纤。额外地或者替代性地，拉线或者用于限制线缆的延伸的其他设备可以被附接于线缆结构或形成在线缆结构内。

将理解的是，先前已经提出缠绕有金属材料的光纤。比如，如上文所注意到的那样，先前已经使用金属编织件以便在常规光纤线缆中进行铠装。然而，在这样的线缆中编织件已经紧紧地缠绕且紧紧地交织，并且因此没有被构造成能够与柔顺性芯一起变形，以便将径向变形转化成纵向变形。在常规光纤线缆中，任意这样的编织件均被构造成具有有限的变形并且不提供机械优势且不作用为应变转换器。

也已经提出在光纤线缆中使用可以是金属的磁致伸缩材料以使光纤线缆对变化的磁场敏感。于是能够利用施加到这种包括磁致伸缩材料的线缆的DAS技术检测变化的磁场。然而这样的磁性敏化的光纤线缆被设计成在磁致伸缩材料中直接诱发长度变化，且这样的磁性敏化线缆未设置被构造成可变形以将径向应变转化成纵向应变的可变形应变转换器。虽然能够针对应变转换器利用磁致伸缩材料来应用本发明的原理，但是在本发明的一些实施例中应变转换器的材料不是磁致伸缩的。

图3示出以连续螺旋方式缠绕的单个卷绕构件304。然而，将理解的是可以使用各种其他设置。例如在光纤线缆的不同部分处可以存在不同的螺旋构件。不可能为光纤线缆的整个长度设置一个单个的连续螺旋卷绕构件，并且因此不同长度的光纤可以设有不同的卷绕螺旋构件。在一些实施例中，给定的一段光纤线缆可以具有多于一个的应变转换器，例如多于一个螺旋卷绕构件。例如，如图5a中所示，可以为给定的一段线缆设置沿一个方向（例如顺时针）缠绕的至少一个螺旋卷绕构件304a，并且可以为同一段线缆设置沿相对方向（例如逆时针）缠绕的另一螺旋卷绕构件304b。沿同一段光纤线缆具有沿相对方向缠绕的螺旋构件可以辅助均匀的应变转换。

额外地或者替代性地，一个螺旋卷绕构件304c可以与以相同方式缠绕的另一螺旋卷绕构件304d交错。如上所述，螺旋缠绕角度可以被选择成提供期望的机械优势。这将因此为柔顺性芯材料303的给定直径限定螺旋节距。在一些情形中，提供多于一个螺旋绕圈可以帮助确保局域化的横向应变被至少部分地转换成纵向长度变化。例如如果螺旋结构的直径D是大约8 mm，并且螺旋角a是大约10°，则螺旋节距是大约4.4 mm（基于节距=π.D tan（a））。会希望使沿柔顺性芯的一侧的应变转换器的元件处于小于4.4 mm的间距并且因此可以交缠两个或更多个螺旋结构。

围绕柔顺性芯材料的外侧缠绕的螺旋缠绕的应变转换器具有上文描述的优点并且能够相对容易地制造。然而，存在能够在一些实施例中使用的应变转换器的其他设计。图6示出一些示例。

在一些实施例中，可以使用一个或多个螺旋应变转换器，其不环绕柔顺性芯材料303或者甚至（多个）光纤301。例如螺旋应变转换器601a可以相对于与线缆轴线平行的轴线螺旋缠绕，但是被设置于光纤301的一侧，比如被嵌入柔顺性芯材料303内。至少一个其他相似的螺旋应变转换器601b能够被设置在（多个）光纤的另一侧上以在（多个）光纤的两侧上提供均匀的应变变换。

在一些实施例中，一个或多个具有外凸形状的应变转换器能够锚定于柔顺性芯材料的外部。比如应变转换器602在彼此纵向间隔开的点603和604处被锚定于柔顺性芯材料，并且包括在锚定点之间延伸的大体弯曲的元件，使得应变转换器的整体长度大于纵向间隔。径向向内的力将趋于使应变转换器变形从而迫使锚定点分开。应变转换器604是相似的并且在点605和606处被锚定，但是包括两个大体笔直的杆，该杆例如可以在枢转点处连结。柔顺性芯的外部可以围绕有若干这样的应变转换器，以便响应于来自任意方向的横向力，并且应变转换器可以联接到力板以便实现均匀的力分布。应变转换器608略微相似但是被嵌入柔顺性芯材料302内。

在一些实施例中，应变转换器可以包括联接到芯材料的螺纹管或舱囊（capsule），比如不锈钢螺纹管。

在一种示例中，第一线缆被制造成具有螺旋应变转换器。图7a示出线缆结构的横截面。具有丙烯酸盐涂层702的单个光纤701用尼龙703缓冲保护成0.4 mm的直径，之后用80微米直径的镍丝703上覆编织（overbraided）。编织构型是八组每组三根丝线且具有6.5 mm的捻距。图7b示出编织的缓冲光纤的显微照片。在编织之后，线缆被尼龙薄层包套以将系统结合在一起。编织和包套之后的总直径是0.9 mm。

为了提供比较的示例，第二线缆被制造成具有如图7c中所示的横截面。在这种设计中，丙烯酸盐涂覆的单模纤维701、702（类似于用于第一线缆的纤维）连同四个150微米直径的镍丝705在尼龙703内被缓冲保护。Ni丝被设置成平行于光纤延伸并且丝和光纤穿过挤压头。在被水冷之前，尼龙12围绕纤维/丝设置被挤压成1 mm的总直径。第二线缆的横截面和第二线缆内的镍的横截面面积因此与第一线缆大致相同。

生产每一个均具有相同长度的第一线缆和第二线缆。多段线缆被连接到DAS问询器单元（IU）并且DAS测量信号的光学相变被确定且同时使线缆在压力腔中经受受控的压力变化。在没有任何缓冲物或者镍丝的情况下仅利用丙烯酸盐涂覆的单模光纤执行类似的测试。图8示出一些测试结果，压力从0 BarG以0.5 Bar的步长递增到5 BarG，然后向下递减。确保纤维在压力腔中过度装填，使得压力腔的长度随压力的变化将不影响纤维。利用IU测量光学路径长度的变化，并且然后针对1m长的纤维归一化。具有笔直镍丝的第二线缆呈现压力响应801，其与无缓冲丙烯酸盐涂覆的纤维（其响应在图8中很大程度上被重叠的曲线图801掩盖）大致相同。相比之下，可见具有螺旋编织应变转换器的第一线缆的响应具有是具有轴向铺设的加强构件的等价第二线缆的18倍大的对压力的敏感度。这提供了清楚的展示，相比于常规光纤（例如丙烯酸盐涂覆的纤维）或没有应变转换器的线缆，具有诸如上文所描述的合适的应变转换器的光纤线缆的灵敏度能够提供对压力（即横向应变）的灵敏度的显著增加。

注意到，在该测试中，能够看到第一线缆的响应中存在一些迟滞现象，这可以指示形成应变转换器的丝线和测试线缆中的光纤之间的不充分粘接。

这些结果也示出，在这种示例中，无缓冲光纤或没有应变转换器的第二线缆的响应在增加的压力的情况下是负的，即由DAS IU检测到的归一化的光学相被确定为大约-42μrads/m/Pa。这是小的作用，并且与直觉相反地，响应的符号为负。换言之，增加压力具有看似减小有效光学路径长度的作用。

相信当光纤上的表面压力增加时光纤会经历物理长度变化，即拉伸，这会趋于增加光学路径长度，但是也存在趋于减小有效路径长度的折射率的调制。整体响应是这两个贡献的结果并且在没有应变转换器的图8中所示的示例中，折射率调制作用似乎占主导。

合适的应变转换器能够因此为长度变化提供机械优势，使得其占主导并且因此显著地改善对由于横向声波产生的压力变化的灵敏度。换言之，线缆的光纤对横向应变或压力变化的响应的幅度大于对应的光纤或标准无缓冲光纤对给定横向应变或压力的响应。如上文所述，可以预期无缓冲光纤呈现大约-40μrads/m/Pa的测量信号的相变（在大约1550nm的波长下）。大多数标准的基于二氧化硅的光纤将呈现类似的响应。应变转换器可以改善灵敏度，使得随压力变化的相变的幅度会大于无缓冲光纤的相变幅度。应变转换器可以提供比标准无缓冲线缆的响应幅度大至少25%，或至少大50%，或至少大100%，或者至少五倍大或至少十倍大的响应幅度。高灵敏度线缆可以被看作是其中就路径长度变化而言光纤对横向应变或压力变化的响应的幅度是大约80μrads/m/Pa或更大，比如大于200μrads/m/Pa的线缆。

然而，（多个）发明人已经意识到，能够调谐应变转换器的响应使得线缆的光纤对任意压力变化大致不响应。换言之，如果应变转换器被构造成使得当压力增加时由于所得的折射率变化产生的作用（趋于减小有效光学路径长度）与长度变化的作用大致相对且相等。

因此，在一些实施例中，可以关于光纤和具体柔顺性芯材料构造应变转换器，使得线缆将对作用在线缆上的任意压力变化（即横向应变）（例如如果这种线缆被用于DAS，则诸如来自从横向于线缆轴线的方向入射的声学激励）大致不灵敏。

为了调谐螺旋应变转换器的响应，说明可以调谐应变转换器的螺旋角和/或总硬度。上文的讨论描述了硬度和/或螺旋角如何可以对由应变转换器提供的机械优势产生影响并且本领域一个技术人员将能够构想合适的应变转换器。标准的基于二氧化硅的光纤将趋于对所施加的横向应变/压力彼此具有类似的响应。

本领域一个技术人员将能够沿上述方法制造和测试各种设计以便确定合适的设置。

将对横向应变大致不灵敏的光纤线缆可以对其他类型的分布式光纤感测是有利的，尤其是基于瑞利背散射的分布式光纤感测。例如，基于瑞利的分布式光纤感测已经被应用于监测温度变化，因为温度变化也将导致感测纤维的膨胀/收缩和/或折射率调制，这导致有效光学路径长度的变化。当监测温度变化（这趋于是相对小的频率变化）时，可能向检测到的信号应用低通滤波以避免更高频率的声学激励的作用。然而，困难的是在由于温度变化产生的测量信号和由于低频应变/压力变化产生的测量信号之间进行区分。根据本发明的实施例的光纤线缆（其对横向应变或压力变化相对不灵敏）因此可以被用于分布式光纤温度变化感测并且将固有地对否则可能掩盖所讨论的信号的背景压力变化不灵敏。

在一些实施例中，利用被设计成对压力不灵敏的光纤线缆确定温度变化能够被用于校准或校正用以检测压力变化的DAS传感器中基于温度的变化（这可以或可以不使用根据本发明的实施例的被构造成对横向应变具有高灵敏度的光纤线缆）。

基于瑞利的分布式光纤感测的原理已经通过将光纤联接到磁致伸缩材料而被应用于监测磁场变化。磁场强度的变化引起磁致伸缩材料的尺寸的变化，这能够表明光纤上的可检测应变。然而，再次地，将由于变化的磁场产生的应变区别于由于入射压力波产生的应变能够是困难的。再次地，利用被构造成对在这样的光纤传感器中的压力变化大致不灵敏的光纤线缆可以导致所讨论的信号的更佳的信噪比。

在一些应用中，比如利用DAS以便检测火车在铁轨网络上的运动，在感测纤维处接收到的声学信号可以是大幅值信号。这能够可能地引起DAS传感器超尺，即对于相变测量DAS系统而言，所得的相变可以大于2π弧度。在所讨论的信号是大幅值信号的一些情形中，可以部署具有减小的压力灵敏度的线缆结构，以便减小超尺的可能性。

应当注意的是，在上文描述的实施例中，（多个）应变转换器通常被设置成使得线缆大致等同地响应于从任意横向方向入射的横向应变。然而，在一些情形中，（多个）应变转换器可以被设置成仅针对一个或多个预定方向的入射横向应变提供应变转换。换言之，应变转换器可以被设置成使得线缆结构对所限定的横向方向是方向性灵敏的，并且对于沿正交横向方向传播的波是相对不灵敏的。

本发明的实施例特别适合于用作基于瑞利散射的光纤分布式声学感测的感测线缆，因为应变转换器将至少一些横向力转变成光纤上的纵向应变，从而导致路径长度的变化。然而，本发明的线缆结构可以被用在多种应用中，并且比如用作其他类型的传感器的感测线缆。

本发明的光纤线缆结构可以比如被部署成用于地震勘探。光纤线缆结构可以被部署在井孔中以对横向地震波敏感，并且可以比如被用于竖直地震剖面法。在一些实施例中，光纤线缆结构可以被部署在所讨论的区域的表面处或附近，比如埋在浅沟中，以便表面地震勘探接收大致竖直行进的地震信号。

应当注意的是，上文提及的实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不背离所附权利要求的范围的情况下设计许多替代实施例。词语“包括”不排除除了被列在权利要求中的那些元素或步骤之外的元素或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以完成在权利要求中所叙述的若干单元的功能。权利要求中的任何附图标记不应被理解为限制它们的范围。

Claims (38)

1.具有纵向线缆轴线的光纤线缆，包括：

至少一个光纤；

柔顺性芯材料，其机械地联接到所述至少一个光纤，使得作用在所述柔顺性芯材料上的纵向力在所述至少一个光纤中诱发纵向应变；以及

至少一个可变形的应变转换器，其联接到所述柔顺性芯材料并且被构造成使得沿横向于所述线缆轴线的方向作用在所述应变转换器上的力导致所述应变转换器的变形，由此向所述柔顺性芯材料施加纵向力。

2.根据权利要求1所述的光纤线缆，其中，所述至少一个光纤被部署在所述线缆内以大体平行于所述线缆轴线延伸。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的光纤线缆，其中，所述至少一个光纤被紧紧地联接到缓冲材料并且所述缓冲材料被联接到所述柔顺性芯材料。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器的至少一部分具有在没有任何外力施加于所述线缆的情况下的休止纵向长度的形状，并且被构造成使得响应于在所述线缆的第一部分上横向于所述线缆轴线的力的所述应变转换器的变形引起所述应变转换器的纵向长度的变化。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器的至少一部分具有当从垂直于所述线缆轴线的方向观察时相对于所述线缆轴线外凸的形状。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，其中，所述至少一个应变转换器紧紧地粘接于柔顺性芯材料。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，其中，所述至少一个应变转换器在多个锚定点处锚定于柔顺性芯材料。

8.根据权利要求1-6中的任一项权利要求所述的光纤线缆，其中，所述至少一个应变转换器被至少部分地嵌入所述柔顺性芯材料中。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，其中，所述至少一个应变转换器包括至少一个螺旋卷绕构件。

10.根据权利要求9所述的光纤线缆，其中，所述螺旋卷绕构件围绕所述柔顺性芯构件卷绕。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的光纤线缆，其中，所述螺旋卷绕构件的螺旋角小于45度。

12.根据权利要求9-11中任一项权利要求所述的光纤线缆，其中，所述螺旋卷绕构件的螺旋角大于5度。

13.根据权利要求9-12中任一项权利要求所述的光纤线缆，其中，所述螺旋卷绕构件的直径在3至10 mm的范围内。

14.根据权利要求9-13中任一项权利要求所述的光纤线缆，其中，所述光纤线缆的至少一部分包括多个应变转换器，每个应变转换器均包括螺旋缠绕的卷绕构件。

15.根据权利要求14所述的光纤线缆，其中，至少一个螺旋缠绕的卷绕构件沿与另一个螺旋缠绕的卷绕构件相对的方向缠绕。

16.根据权利要求14或权利要求15所述的光纤线缆，其中，至少一个螺旋缠绕的卷绕构件与另一个螺旋缠绕的卷绕构件交错。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器比所述柔顺性芯材料更加坚硬。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器和所述柔顺性芯材料具有在每牛顿拉伸载荷0.05%至0.01%的应变之间的应变响应。

19.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器包括金属材料。

20.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器包括型钢构件。

21.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，其中，所述柔顺性芯材料包括挤出级尼龙。

22.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，包括第一套层，其中，所述至少一个光纤、所述柔顺性芯材料和所述至少一个应变转换器被布置在所述第一套层内。

23.根据权利要求22所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器的至少一部分被联接到所述第一套层。

24.根据权利要求22所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器和所述柔顺性芯材料被布置成能够相对于所述第一套层运动。

25.根据权利要求24所述的光纤线缆，其中，所述至少一个光纤、所述柔顺性芯材料和所述至少一个应变转换器可以布置在被装纳在所述第一套层内的液体内。

26.根据权利要求24所述的光纤线缆，其中，所述至少一个光纤、所述柔顺性芯材料和所述至少一个应变转换器被装纳在第二套层内，所述第二套层布置在所述第一套层内，且所述第二套层能够相对于所述第一套层运动。

27.根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器关于所述柔顺性芯材料和所述光纤被构造成提供相对高的横向灵敏度。

28.根据权利要求1-26中任一项权利要求所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器关于所述柔顺性芯材料和所述光纤被构造成提供相对低的横向灵敏度。

29.根据权利要求28所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器关于所述柔顺性芯材料和所述光纤被构造成使得如果被用于分布式声学感测，则所述光纤将对横向声学信号大致不灵敏。

30.根据权利要求28或权利要求29所述的光纤线缆，其中，所述应变转换器关于所述柔顺性材料和所述光纤被构造成使得所述线缆的给定部分上的横向应变大致不导致所述光纤的该部分的有效光学路径长度的变化。

31.一种分布式声学感测系统，包括：

根据前述权利要求中的任一项所述的光纤线缆；以及

用于在所述光纤上执行分布式声学感测的问询器单元。

32.根据权利要求31所述的分布式声学感测系统，其中，所述光纤线缆被部署在井孔中。

33.用于分布式声学感测的根据权利要求1-30中任一项权利要求所述的光纤线缆的使用。

34.根据权利要求1-27中任一项权利要求所述的光纤线缆的使用，所述光纤线缆对用于分布式声学感测的横向声学信号具有相对高的灵敏度以执行地震勘测。

35.一种分布式光纤感测的方法，包括问询对横向声学信号相对不灵敏的根据权利要求1至26或28至30中的任一项权利要求所述的光纤线缆的光纤。

36.根据权利要求35所述的方法，包括感测磁场中的变化。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述光纤被联接到其尺寸基于磁场强度变化的材料。

38.根据权利要求35所述的方法，包括感测温度变化。