CN108645430A - 光纤和纤维光学感测 - Google Patents

Abstract

公开了例如用在分布式声学传感器中用于分布式感测的具有改进性能的纤维光缆。在一个实施例中，纤维光缆（210）包括纤芯（208）和包层（206），所述纤芯（208）和包层（206）布置在缓冲材料（202）内并被包壳（204）包围，并且被布置为使得纤芯从光缆的中心偏移。与位于光缆的中心处的纤芯相比，通过将纤芯从包壳的中心偏移，可以最大化纤芯上的任何弯曲效果。

Description

光纤和纤维光学感测

本申请为中国专利申请201080061395.6的分案申请。

技术领域

本发明涉及适合用于分布式纤维光学（fibre optic）感测、尤其适合用于分布式声学纤维光学感测的光纤和纤维光缆，并且涉及用于分布式纤维光学传感器的光纤和/或纤维光缆的设计、应用和制造的增强。

背景技术

已知利用光纤的各种传感器。许多这种传感器依赖于沿光纤的长度布置的纤维光学点传感器或离散反射站点，例如光纤布喇格光栅等。可以对来自离散点传感器或反射站点的返回进行分析，以提供离散传感器或反射站点附近的温度、应变和/或振动的指示。

还已知完全分布式的纤维光学传感器，其中，使用了来自光纤的连续长度的本征散射。这种传感器允许使用标准纤维光缆，而无需有意引入诸如光纤布喇格光栅等反射站点。可从中检测到背向散射信号的整个光纤可以用作传感器的一部分。典型地，使用时分技术将信号返回划分为多个时间箱（bin），其中，每个时间箱中的返回与光纤的不同部分相对应。这种纤维光学传感器被称作分布式纤维光学传感器，这是由于传感器选项完全分布在整个光纤中。如本说明书中所使用，术语分布式纤维光学传感器将用于表示以下传感器：其中，光纤自身构成传感器，并且该传感器不依赖于具体点传感器或者有意引入的反射或干扰站点（即本征纤维光学传感器）的存在。

美国专利No. 5,194,847描述了一种用于入侵感测的分布式声学纤维光学传感器。使用了不具有任何点传感器或具体反射站点的连续光纤。将相干光发射至光纤中，并检测和分析在光纤内瑞利背向散射的任何光。时间箱中的背向散射光的改变指示入射到光纤的相关部分上的声波或压力波。这样，可以检测到光纤的任何部分的声扰动。

英国专利申请公开No. 2,442,745描述了一种分布式声学纤维光学传感器系统，其中，通过将多组脉冲调制电磁波发射至标准光纤中来感测声振动。组内的一个脉冲的频率不同于组中的另一脉冲的频率。以组中的脉冲之间的频率差对来自光纤内的本征反射站点的光的瑞利背向散射进行采样和解调。

美国专利No. 6,380,534描述了一种分布式纤维光学应变和温度感测系统，其分析被发射至光纤中的光的布里渊背向散射频率分布，以确定沿着感测光纤的各个部分的温度和应变，感测光纤可以嵌入到结构内。

WO02/057805描述了在多种应用中使用分布式纤维光学温度、应变和/或声学传感器，这些应用包括：监测油气工业中的流线的参数。

因此，分布式纤维光学感测或分布式声学感测（DAS）提供了可监测光纤的较长长度的有用且方便的感测解决方案。可以使用标准电信光纤，例如单模125μm光纤，这意味着感测光纤相对便宜且容易可用，并且在一些实例中，有可能将现有光纤用于比如说声学监测。

在一些实例中，尽管使用标准电信纤维光缆可能不提供最优感测。因此，本发明的目的是提供用于分布式纤维光学感测的改进光纤和纤维光缆。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种光纤，包括纤芯、包围所述纤芯的包层和包围所述包层的包壳，其中，所述纤芯从所述光纤的中心偏移。

本领域技术人员将认识到，光纤包括纤芯，纤芯在操作的波长处光透射，由具有与纤芯不同的折射率的包层材料包围，纤芯和包层一起协作以引导光纤的纤芯内的光辐射。包层总体由包壳材料包围以保护光纤。包壳可以包括包层与外包壳之间的缓冲材料。标准光纤在光纤的中心处具有纤芯，并在制造容限内总体上截面对称。

本发明的该方面提供了一种光纤，其中，纤芯有意从光纤的中心偏移，即，在截面中，纤芯材料的中心总体上与光纤的中心不重合（或者等效地，与光纤的外包络的几何中心不重合）。换言之，光纤的纤芯包含于包壳材料的圆周内，但不与包壳材料同心。当在分布式纤维光学传感器（例如，分布式声学传感器）中使用光纤时，这种布置可以是有利的。

在例如GB2,442,745中描述的分布式声学纤维光学传感器中，将光辐射传输至光纤中，并检测在光纤内瑞利背向散射的任何光辐射。任何入射声信号导致光纤的机械振动，这就改变了光纤的该部分处的瑞利背向散射的量。背向散射的变化与光纤的移动相关，换言之，与光纤所经受的弯曲的量相关。其他分布式纤维光学振动传感器也依赖于改变来自光纤的该部分的背向散射的量的光纤弯曲。

然而，清楚可见，对背向散射的差异负责的是纤芯和包层的弯曲。在本发明中，通过将纤芯从光纤的中心偏移，可以最大化纤芯所经受的弯曲的量。考虑沿北-南方向延伸的在地面中部署的光纤。如果声波从东边入射到光纤的一部分上，则这将使光纤的相关部分的一部分振动，结果是光纤将沿东-西方向弯曲。随着光纤向西弯曲，光纤的西侧将经受最大量的弯曲。类似地，随着光纤向东弯曲，则光纤的东侧将经受最大量的弯曲。在标准光纤中，在纤芯处于光纤中部的情况下，纤芯将经受由弯曲导致的光学改变，但是，弯曲量不如在光纤的东或西边缘处经受的那样极端。在本发明的光纤中，纤芯从中心偏移，并且从而位于与光纤的边缘更近处。如果光纤被部署为使得纤芯沿光纤的东（或西）边缘而定位，则在上述情形中，纤芯将经受比其位于相同光纤的中心处时更大量的弯曲。因此，本发明的光纤可以最大化引导光纤的一部分的光所经受的弯曲的量，并且从而最大化由于入射振动而引起的光学返回。

在特定实施例中，考虑在弯曲下拉应力和应变在光纤中的分布是有帮助的。在传统轴对称光纤中，纤芯沿质心轴或中性轴放置，并且在弯曲下，拉应力和应变随着与中性轴的距离增大。本发明的实施例被布置为使得纤芯的中心从光纤的中性轴偏移。这样，与经历等效弯曲的传统光纤相比，纤芯所经受的拉应力和应变可以增大。可以根据预测的或期望的弯曲和/或应力和应变来定义偏移，并且，期望地，偏移沿光纤的有效感测长度恒定。

因此，优选地，纤芯位于光纤的一侧。纤芯被包层包围（并且因此，清楚可见，包层也从光纤的中心偏移），并且纤芯和包层可以具有与传统光纤中相同的尺度。然而，纤芯和包层可以由包壳和/或缓冲材料包围，使得纤芯和包层位于缓冲/包壳材料的一个边缘。

光纤的包壳材料可以足够大以使得光纤的中心（在截面中）不位于纤芯材料内。在一个实施例中，光纤的中心也不位于包层材料内，即，光纤的中心位于包壳材料或缓冲材料（如果存在）内，并且因此，纤芯和包层整体位于光纤的一半中。

应当注意，光纤可以包括包壳材料的各个层。

光纤可以包括多于一种缓冲材料，至少一些缓冲材料用作光缆的填充物材料。缓冲材料中的至少一些可以是凝胶。在一个实施例中，光纤包括在光纤的中心处布置的凝胶缓冲剂，其中，纤芯和包层在凝胶缓冲剂的一侧。可替换地，纤芯和包层可以布置在凝胶缓冲材料内，该凝胶缓冲材料可能具有包层周围的内包壳层。在另一实施例中，在光纤的中心处可以存在固体缓冲材料，其由凝胶缓冲剂包围，其中，纤芯和包层布置在凝胶缓冲剂中。本发明人已发现，具有凝胶缓冲剂的光纤在分布式声学传感器中用作感测光纤时示出了良好响应。要相信，凝胶缓冲剂在将声波耦合至光纤的方面比固体缓冲剂更好。

光纤还可以包括多个包壳层，并可以包括纤维光缆的一部分。如这里使用的术语光纤指代具有纤芯、包层和包壳或涂层材料的基本光纤。术语纤维光缆应当用于表示以下设备：该设备可以包括一个或多个光纤，并具有用于保护所使用的（一个或多个）光纤的保护层。因此，纤维光缆可以包括各个外包壳层和/或强化纤维。因此，在一些实施例中，光纤自身可以包括纤维光缆，而在其他实施例中，光纤可以是纤维光缆的一部分。

因此，纤维光缆可以包括多于一个光纤，例如，预期用于通信的光纤可以与预期用于感测的光纤位于相同的光缆中。优选地，感测光纤被定位为向着纤维光缆的边缘的边缘。如果感测光纤牢固地固定到纤维光缆内，则如上讨论的相同考虑适用，并且感测光纤将在被定位为向着光缆的边缘的情况下经受更大的弯曲效果。优选地，感测光纤被定向在纤维光缆内，使得以与相对于光缆的中心定位感测光纤相同的方式，相对于感测光纤的中心定向感测光纤的纤芯。即，如果感测光纤被定位为向着光缆的右手侧（即，三点钟位置），则感测光纤的纤芯也被定位为向着感测光纤的右侧（其也具有三点钟位置）。

在一些实施例中，感测光纤以螺旋的布置位于纤维光缆内。如上所述，在将光纤定位为远离光缆的中心方面可以存在优点。在一些实施例中，确保光纤的相对位置沿线缆的长度向下变化以使得光纤描述光缆内的螺旋可以是有益的。这确保了感测光纤的一部分始终被布置为向着光缆中声波从其入射的那一侧。此外，螺旋图案可以改进接收信号的波束方向图质量。此外，所使用的光纤的感测部分的空间分辨率由在传感器中使用的询问辐射确定。然而，真实世界中的传感器的空间分辨率还依赖于光缆的布置。如果在提供10m长的空间感测部分的传感器中使用光纤，但是光纤自身盘绕在仅5m长的区域中，则光纤的实际空间分辨率是5m。因此，光缆的最终布置可以影响空间分辨率。然而，在一些应用中，可能难以以除总体上直线方式外的任何方式部署光缆。例如，在井下环境中，可以迫使光缆与外壳的片段一起处于井下，并且部署螺旋布置可能是不可能的。然而，如果光缆自身包含以期望的螺旋布置卷绕的光纤，则光缆自身可以是直线的，但可以通过光纤在光缆内的螺旋布置来提高可用的空间分辨率。例如，光纤可以卷绕在中央元件周围。

在使用中，在光纤中感应的振动可以沿一系列横向方向进行，并且因此，光纤或纤维光缆的对准可能不是关键的，仅感测光纤的纤芯被定位为离心这一事实增大了总体信号返回。然而，在一些实施例中，可以希望主要检测特定平面中的声信号，并且在这种情况下，确保纤芯从该平面中的光纤的中心偏移可以是有益的。因此，为了容易对准，可以给光纤的外包壳提供视觉指示（例如，着色或标记），从而指示光纤中纤芯所位于的那一侧。

附加地或可替换地，光纤的外包壳可以被定形为容易对准。例如，在截面中，光纤可以具有稍微扁平的一侧，其被设计为光纤的底侧。在期望的布置中，将相对于底侧定位光纤的纤芯。

因此，与使用纤芯位于光纤的中心处的类似大小的光纤相比，本发明的该方面的光纤提供了提高的灵敏度，这是由于其最大化了光纤的纤芯所经受的光扰动的量。

本发明的该方面的原理总体上还适用于纤维光缆。即，如果纤维光缆包括多个光纤并且这些光纤中的至少一个将要用作感测光纤，则确保感测光纤是被定位为向着纤维光缆的边缘的光纤可以是有益的，即使光纤自身是传统光纤亦如此。因此，在本发明的另一方面，提供了一种分布式声学纤维光学传感器，包括：光源，其被耦合至纤维光缆的第一光纤，以利用光辐射来询问所述第一光纤；以及检测器，其被耦合至所述第一光纤，以检测从所述第一光纤背向散射的辐射，其中，所述纤维光缆包括多个光纤，以及其中，第一光纤被定位为向着纤维光缆的边缘。期望地，沿光缆的有效感测部分控制或维持第一光纤的横截面对准。

换言之，在具有多个光纤的纤维光缆中，选择从中心偏移的接近于纤维光缆的边缘的光纤，以用作感测光纤，以便最大化感测光纤所经受的弯曲的量。一般地，本发明的该方面与将向着纤维光缆的边缘的光纤用作分布式纤维光学传感器中的感测光纤相关。

在本发明的另一方面，提供了一种分布式纤维光学传感器，包括：光源，其被耦合至光纤，以将光辐射传输至所述光纤中；检测器，其被布置为检测从所述光纤背向散射的辐射；以及处理器，其用于处理背向散射的辐射，以提供所述光纤的多个离散纵向感测部分，其中，光源耦合至所述光纤，使得被传输至所述光纤中的辐射从光纤的纤芯的中心偏移。

在本发明的该实施例中，光辐射耦合至光纤的纤芯（即，光纤的光引导部分）中，使得辐射从纤芯的中心偏移。传统地，通过出于高效耦合的原因将入射光聚焦至光纤的纤芯区域的中心，光辐射可以耦合至光纤中。然而，在本发明中，入射光不是聚焦到纤芯区域的中心处，而是向着纤芯区域的边上。对于单模光纤，这意味着：辐射将以比向着光纤的边区域更大的光强度向着光纤的纤芯区域的边缘传播。以如上所述类似的方式，与纤芯区域的中心部分相比，纤芯区域的边缘将趋于具有在振动下产生的背向散射的量的更大变化，并且因此，通过将光辐射传输经过纤芯区域的边缘，可以增大背向散射信号。与将询问辐射耦合至光纤的中心相比，这可以改进分布式纤维光学传感器的灵敏度。一般将会考虑将入射辐射的焦点有意偏离光纤的中心以潜在地减少高效耦合，并且因此，通常将避免这种偏离。

光纤的端部可以提供有纤维光学连接器，并且纤维光学连接器可以被布置为将光辐射耦合至光纤或从光纤耦合。纤维光学耦合器可以包括透镜。因此，纤维光学耦合器的焦点可以被布置为从光纤的纤芯区域的中心偏移。

因此，在本发明的另一方面，提供了一种光纤，在其一端包括纤维光学耦合器，其中，纤维光学耦合器被布置为将光辐射耦合至光纤的纤芯区域或从光纤的纤芯区域耦合，其中，纤维光学耦合器的焦点从光纤的纤芯区域的中心偏移。

如上所述，与不具有凝胶缓冲剂的光纤相比，使用具有凝胶缓冲材料的光纤可以改进光纤对声振动的灵敏度。因此，在本发明的另一方面，提供了一种分布式声学纤维光学传感器，包括：光源，其被耦合至纤维光缆，以将光辐射传输至所述纤维光缆中；检测器，其被布置为检测从所述纤维光缆瑞利背向散射的辐射，其中，纤维光缆包括至少一个光纤以及至少一个凝胶填充区域。

使用凝胶缓冲剂的纤维光缆是已知的，但是本发明涉及在分布式声学纤维光学传感器中使用凝胶填充纤维光缆。凝胶填充纤维光缆已被发现展示了对声信号的良好灵敏度，这是由于凝胶填充纤维光缆良好地耦合至入射声信号。光纤（即，光纤的纤芯和包层）可以布置在凝胶填充区域内，或者可以与凝胶填充区域相邻地布置。

与使用传统光纤相比，上述实施例在用在分布式声学传感器中时提供了改进的灵敏度。然而，在另一实施例中，本发明允许附加感测功能。

因此，根据本发明的另一方面，提供了一种纤维光学器件，其中，所述纤维光学器件在第一横向方向上的硬度大于在第二横向方向上的硬度，所述第二横向方向与所述第一横向方向不同。

纤维光学器件可以是具有变化的硬度的光纤或者包括光纤的纤维光缆。

在本发明的该实施例中，纤维光学器件具有在横向方向（即，与光纤的纵轴垂直）上变化的硬度（即，抗挠刚度）。换言之，纤维光学器件在一个方向上的屈曲或弯曲比在另一方向上的屈曲或弯曲更容易。优选地，第一横向方向与第二横向方向正交。

如上关于本发明其他方面所述，分布式纤维光学传感器（例如，分布式声学传感器）检测由于声振动而引起的背向散射辐射的改变。声振动导致纤维光学器件中的振动，这改变了该纤维光学器件的光引导部分的光学属性，从而改变背向散射的量。因此，在一个方向（第二方向）上容易屈曲的纤维光学器件将对激励光纤在该方向上的振动的声信号敏感。然而，如果该纤维光学器件不容易在不同的方向（第一方向）上屈曲，则激励该另一方向上的振动的声波将产生有限的响应。

因此，可以看出，在将纤维光学器件设计为优选地在第二方向上屈曲（即，在第一方向上比在第二方向上具有更大弯曲硬度）的情况下，可以实现优选地响应于具有特定分量的声信号的传感器。

假设该纤维光学器件在第一方向上具有非常高的硬度，使得在该方向上几乎没有挠性，但是在第二方向上容易屈曲，并且第一和第二方向彼此正交。如果这种光缆是垂直布置的（比如说布置在垂直钻孔中）以使得第一方向在北-南方向上对准，并且然后在分布式声学传感器中使用这种光缆，则传感器将容易对导致纤维光缆的东-西移动的声或地震信号做出响应，但将不容易对导致光纤的北-南移动的信号做出响应。因此，这种传感器有效地分解了入射声波的与东-西方向平行的分量。如果在钻孔中还部署了相同构造的第二纤维光学器件（或者第一纤维光学器件的不同部分），但是这次第一方向在东-西方向上对准，则第二纤维光学器件（或者第一纤维光学器件的不同部分）将有效地将任何入射声波的分量分解为北-南方向上的分量。因此，可以看出，两个这种纤维光学器件或者单个纤维光学器件的仔细布置允许在两个维度上确定入射声波。

因此，优选地，该纤维光学器件在第一方向上具有较大硬度，使得该纤维光学器件在第一方向上不容易屈曲。优选地，第二方向上的硬度使得纤维光学器件在第二方向上容易屈曲。

在一个实施例中，该纤维光学器件包括至少一个硬化构件，所述至少一个硬化构件在第一方向上比在第二方向上具有更大的硬度。例如，硬化构件在第一方向上的厚度可以显著大于在第二方向上的厚度。换言之，硬化构件在一个横向方向上延长（例如，板状的构件），并且使其布置有沿第一方向的更长边缘。在第一方向上弯曲需要弯曲大量材料，并且因此是困难的，而在第二方向上弯曲涉及仅弯曲相对少量的材料，并且因此是更容易的。

附加地或可替换地，所述至少一个硬化构件可以包括一系列重叠元件，这些重叠元件能够在第二方向上滑动经过彼此，但不能在第一方向上滑动经过彼此。

在一些实施例中，该纤维光学器件可以具有非对称形状。例如，该纤维光学器件可以具有在第一方向上比在第二方向上更宽的横截面。例如，该纤维光学器件可以具有椭圆型横截面，其中，椭圆的长轴定义了第一方向。同样，与在第二方向上相比，存在更多在第一方向上弯曲的材料，导致更大的硬度。

在一些实施例中，该纤维光学器件的纤芯和周围的包层区域被定位为在第二方向上向着纤维光学器件的边缘。如上关于本发明的第一方面所述，将光纤的纤芯区域定位为向着纤维光学器件的边缘可以增大当在分布式纤维光学传感器中使用这种光纤时从这种光纤检测到的信号。清楚可见，在该实施例中，由于纤维光学器件被布置为优选地在第二方向上屈曲，因此纤芯区域应当被定位为在第二方向上向着纤维光学器件的边缘，以最大化弯曲效果。

如所述，可以在分布式纤维光学传感器中使用本发明的该方面的纤维光学器件，以将入射波分解为第一方向上的分量。因此，可以存在一种分布式纤维光学传感器，包括：根据本发明的该方面的第一纤维光学器件；光源，其被耦合以将光辐射传输至第一纤维光学器件；检测器，其被耦合至第一纤维光学器件，以检测从第一纤维光学器件背向散射的光辐射；以及处理器，其被布置为处理检测到的背向散射辐射，以提供第一纤维光学器件的多个纵向感测部分。在一个实施例中，传感器还可以包括根据本发明的该方面的第二纤维光学器件。第二纤维耦合至光源和检测器，该光源可以是或可以不是与用于第一纤维光学器件相同的光源。检测器可以是与用于第一纤维光学器件以便于分析的检测器分离的检测器，尽管通过使用波长和/或时分或码分复用，该检测器可以用于这两个纤维光学器件。第二纤维光学器件可以被布置为使得第一纤维光学器件的第一方向与第二纤维光学器件的第二方向基本上平行。处理器从这两个纤维光学器件均接收与检测到的背向散射相对应的数据，并可以被布置为确定任何入射扰动在第一和第二方向上的分量。

该传感器特别可以适用于油气工业中的井孔中和/或适用于地震勘探等。例如，当在井孔中执行断裂时，期望确定结果产生的断裂的位置和密度，以提供对油或气的更高效提取。能够检测由于断裂而引起的入射压力波并在两个正交环境中分解分量允许在至少两个维度中进行断裂密度映射。可以在不同的位置处部署至少第二对纤维光学器件，以提供二维映射。信号在感测光纤的各个部分处的强度以及光纤的不同部分处的到达时间可以允许在三个维度中进行映射。可替换地，与第一对纤维光学器件的长轴垂直布置的另一对纤维光学器件可以在三个维度中分解信号。

特别地在井下使用（例如，如上所述的断裂映射或者状况/流量监测等）中，优选地，光纤的离散感测部分的空间长度应当相对较短，例如几十厘米的量级或者可能更小。在例如GB 2,442,745中描述的分布式声学纤维光学传感器中，空间分辨率与询问脉冲的持续时间相关。较短持续时间的询问脉冲意味着同时照明较短长度的光纤，并因此，纵向感测部分的有效最小大小低于使用较长持续时间脉冲的情况。

然而，使用较短持续时间脉冲意味着将较小光辐射输入至光纤中。本领域技术人员将认识到，询问辐射应当低于光纤的非线性阈值，并且因此，可被传输至光纤中的光功率存在界限。因此，在较短询问脉冲的情况下，在光纤中总共存在较少的光，这意味着将存在较少的背向散射，并且，在其外不返回可使用的信号的进入光纤的范围将较短。对被传输至光纤中的仅小比例的光辐射进行背向散射，并且不是所有背向散射的辐射都被收集，一些辐射可以传输经过包层并被包壳或缓冲材料吸收。被导向回到检测器的光辐射还将在返回路径上衰减，并且因此，小信号可以在到达光纤的端部之前完全衰减。

因此，在分布式纤维光学感测中通常使用具有展示低衰减的纤芯的光纤。由于大多数电信光纤的目标是所传输的信号的低衰减，因此标准电信光纤满足该准则。因此，分布式纤维光学传感器已经使用低损耗传统光纤，例如标准单模125μm光纤。

然而，本发明人已经认识到，使用具有增大的衰减的光纤实际上可以在一些实例中有益。因此，根据本发明的另一方面，提供了一种分布式纤维光学传感器，包括：光源，其被耦合至光纤，以将光辐射传输至光纤中；以及检测器，其被耦合至光纤，以检测从光纤背向散射的光辐射，其中，光纤具有相对较高的非均质度和相对较高的数值孔径。

相对较高意味着大于标准单模125μm电信光纤。

本发明人已经认识到，光纤中的衰减与光纤中的非均质量部分地相联系，但是，增大的非均质量可以导致该背向散射的更大量。本领域技术人员认为，增大的背向散射的优点将被增大的衰减的害处击败，然而，当与相对较高的数值孔径的效果联结时，收集更多背向散射辐射，并且总体结果是：至少对于感测光纤的相对较短的范围，这种光纤提供了比标准125μm单模光纤更大的灵敏度。更大的灵敏度意味着可以使用询问辐射的更短持续时间脉冲，结果是减小光纤的每个感测部分的空间长度。

本发明人已经发现，与标准125μm单模光纤相比，现有80μm光纤与具有更大非均质量的准则相匹配。这导致与传统125μm光纤相比更大的瑞利背向散射度。背向散射辐射的衰减量也增大，但是这被以下事实所抵消：更大比例的背向散射辐射也耦合至光纤中。净结果是：与标准125μm单模电信光纤相比，针对相同声脉冲和相同询问辐射检测更大的背向散射辐射量。

如上所述，在感测光纤的多达大约5km的范围内，该效果最显著。因此，优选地，光纤具有5km量级或更小的感测长度。

因此，本发明的该方面特别适用于井下应用。典型地，井孔的深度可以多达几km，并且感测设备通常可以被定位为接近于钻孔的顶部。因此，约5km的感测范围在许多井下应用中足够。给分布式传感器提供在长度上几十cm量级的每个感测部分的连续阵列的能力允许执行大量的监测活动。

因此，一般地，本发明的该方面涉及在井下检测和/或监测应用中在分布式声学纤维光学传感器中使用80μm光纤。本领域技术人员将认识到，80μm光纤当前可从专门的光纤生产商获得。然而，可以生产光纤以提供每单位长度相对较大的非均质量以及具有不同尺度的高数值孔径。

本发明扩展至基本上如这里参照附图所述的方法、设备和/或用途。

本发明的一方面中的任何特征可以以任何适当的组合适用于本发明的其他方面。具体地，方法方面可以适用于设备方面，并且反之亦然。

附图说明

现在将参照附图，完全作为示例，描述本发明的优选特征，在附图中：

图1示意了分布式纤维光学传感器的基本组件；

图2a、2b、2c和2d示出了根据本发明的一方面的光纤的实施例；

图3示意了光纤响应于入射声波而经受的弯曲；

图4示出了根据本发明的另一方面的光纤的两个实施例；

图5示出了本发明的纤维光学器件的另一实施例；以及

图6a和6b示意了将光辐射耦合至从光纤的中心偏移的光纤的实施例。

具体实施方式

图1示出了分布式纤维光学感测装置的示意图。感测光纤104的长度在一端连接至询问器106。将来自询问器106的输出传递至信号处理器108，信号处理器108可以与询问器协同定位或者可以远离询问器，并且可选地，传递至用户界面/图形显示器110，实际上，用户界面/图形显示器110可以由适当指定的PC实现。用户界面可以与信号处理器协同定位或者可以远离信号处理器定位。

感测光纤104的长度可以是许多千米，并且在该示例中大约为40km长。感测光纤是标准的未修改的单模光纤，例如在电信应用中被常规使用。在光纤分布式传感器的传统应用中，感测光纤至少部分地包含于其希望监测的介质内。例如，光纤104可以埋在地下，以提供对周边设备的监测或者对埋藏的资产（例如管线等）的监测。

将关于分布式声学传感器描述本发明，然而本领域技术人员将认识到，该教导总体上可以适用于任何类型的分布式纤维光学传感器。

在操作中，询问器106将询问电磁辐射发射至感测光纤中，例如，该询问电磁辐射可以包括具有所选频率模式的一系列光脉冲。光脉冲可以具有如英国专利公开GB 2,442,745中描述的频率模式，该英国专利公开的内容以参考的方式并入于此。如GB 2,442,745中所述，瑞利背向散射的现象导致某一小部分光输入至光纤中，被反射回到询问器，在询问器处对其进行检测，以提供表示光纤附近的声扰动的输出信号。因此，方便地，询问器包括至少一个激光器112和至少一个光调制器114，以产生以已知的光学频率差分离的多个光脉冲。询问器还包括至少一个光电检测器116，其被布置为检测从光纤104内的本征散射站点背向散射的辐射。

来自光电检测器的信号由信号处理器108处理。方便地，信号处理器基于光脉冲之间的频率差来对所返回的信号进行解调，例如GB 2,442,745中所述。信号处理器还可以应用相位展开算法，如GB 2,442,745中所述。

光输入的形式和检测的方法允许将单个连续光纤在空间上分解为离散的纵向感测部分。即，在一个感测部分处感测到的声信号可以是实质上与在相邻部分处感测到的信号无关地提供的。例如，光纤的感测部分的空间分辨率可以为大约10m，对于40km长度的光纤，这导致询问器的输出采用4000个独立数据信道的形式。

这样，单个感测光纤可以提供与在线性路径中布置的相邻独立传感器的复用阵列类似的感测数据。

传统分布式纤维光学传感器使用标准电信光纤。本发明提供了对纤维光缆设计的增强，这些增强改进了分布式纤维光学传感器的灵敏度或功能。

图2示出了根据本发明的实施例的光纤201的横截面。光纤包括由包层材料206包围的光纤芯208，如光纤领域中常见的那样。纤芯208和包层206可以由标准光纤生产技术生产，并可以例如包括拉伸式石英玻璃。纤芯周围是缓冲材料202，同样如光纤的制造中常见的那样。缓冲材料涂覆在包壳材料204中。

然而，与纤芯和包层位于光纤的中心处的传统光纤不同，在图2a所示的实施例中，纤芯和包层从光纤的中心偏移。纤芯和包层被定位为向着光纤的边缘，并且在所示的示例中，光纤的中心并不落在纤芯区域或包层区域内。

通过将光纤的纤芯定位为向着光纤的边上（即，将纤芯从光纤的中心偏移），可以最大化当这种光纤用作分布式纤维光学传感器时来自这种光纤的信号。将认识到，在对光纤的机械移动做出响应的分布式纤维光学传感器中，导致光信号改变的是光纤的纤芯和包层部分的移动。对于例如在GB 2,442,745中描述的分布式声学传感器，检测到的光信号是已经在光纤内瑞利背向散射的辐射。声信号的强度越大，则检测到的背向散射辐射的改变越大。

参照图3，示意了标准光纤301。在纤芯通常位于传统光纤中的情况下光纤的中心由点线示意。图3中的顶图示出了笔直放置的光纤，例如可以在使用中部署成这样。入射到光纤上的机械振动可以使光纤振动，例如以横向方式振荡。图3示出了光纤在横向方向上移动的两个极端。显而易见，经受最大弯曲的是光纤的外部分。实际弯曲度将依赖于包括光纤在纵向方向上的弹性在内的多个因素，但是考虑到在光纤已向上移位（如页面上所示）时，经受最大弯曲量的将是由箭头302示意的光纤的顶侧。光纤的中心也将经受弯曲，但是不如光纤的边缘那么大。

因此，返回到图2a，通过将光纤的光引导部分208布置为向着光纤的边上，确保了纤芯208和包层206所经受的弯曲效果将比纤芯位于光纤的中心处的情况更大。这将使针对给定的入射机械扰动、来自光纤的信号返回更大，并且从而使分布式纤维光学传感器的灵敏度更高。

图2b示出了根据本发明的光纤的另一实施例。该光纤具有如上所述的纤芯和包层区域，其被定位为从光纤的中心偏移。该光纤还具有包壳材料204。然而，在该实施例中，光纤具有包围纤芯和包层的第一缓冲材料202和在光纤的中心处布置的第二缓冲材料210。缓冲材料202和210中的至少一个可以是凝胶。在一个实施例中，缓冲材料202是凝胶，且中心材料210是对光纤给予一些刚度的固体材料。然而，在另一实施例中，中心材料210可以是凝胶，且缓冲材料202可以是固体。

本发明人已经发现，当在分布式声学纤维光学传感器中使用时，凝胶填充纤维光缆比非凝胶填充光缆提供更好的性能，这是由于凝胶的存在有助于将声信号耦合至纤芯。

图2c示出了本发明的另一实施例。在该实施例中，在纤维光缆220内布置了标准光纤212，其包括纤芯、包裹缓冲材料的材料、以及涂层。在该实施例中，光纤212的纤芯位于光纤的中心处，但是光纤自身被定位为总体上向着纤维光缆的边缘。纤维光缆包括保护包壳216和填充物材料214。在一些实施例中，纤维光缆可以包括多于一个光纤218。附加光纤218可以用于通过纤维光缆进行光通信，而光纤112用于在分布式纤维光学传感器中进行光感测。

在特定实施例（例如，图2a至2c所示的实施例）中，纤芯关于光缆中心的布置沿光缆基本上恒定。

然而，在其他实施例中，光纤可以以螺旋模式布置在光缆内，即，光纤在光缆内的位置沿光缆的长度而变化。图2d示意了光纤在光缆内的布置，其中，为了清楚而省略了光缆包壳和缓冲材料。在光缆具有固体中心材料的情况下，光纤可以卷绕在固体纤芯周围。

清楚可见，在几米的光缆的卷绕过程中，螺旋卷绕将意味着光纤布置在光缆的中心的所有侧上。因此，不论声波在哪个方向上从光纤的至少一部分入射都将受到最大弯曲程度的影响。因此，螺旋布置避免了对避免以特定定向放置光缆的需要。

此外，可以选择螺旋螺距，以提供期望的空间分辨率。在使用中，利用特定持续时间的辐射脉冲来询问光纤，并且脉冲的持续时间可以定义每个感测部分在光纤中的长度。感测部分的最小长度可以部分地由所询问的光纤的总长度确定，这是由于定义感测部分的大小的询问脉冲可能需要处于最小持续时间，以确保来自光纤端部的可接受返回。然而，传感器自身的空间分辨率依赖于如何布置光纤。使用螺旋卷绕，给定长度的光缆可以与更大长度的光缆相对应，从而改进了最终传感器的空间分辨率。

图6a和6b示出了本发明的另一实施例。在该实施例中，光纤601（其可以是传统光纤）在一端具有纤维光学连接器602。已知纤维光学连接设备用于向或从光纤聚焦辐射。在使用中，纤维光学连接器可以连接至分光器或循环器，以将要传输的辐射传递至光纤并将背向散射辐射导向至检测器。在该实施例中，纤维光学连接器602包括透镜603和外壳604，外壳604将透镜保持在相对于光纤601的端部的适当位置处。

传统地，透镜被布置为将辐射聚焦至光纤的中心（即，图6a的横截面中示意的点605）。然而，在本发明中，纤维光学耦合器被布置为将辐射聚焦至光纤中，偏移光纤的中心（例如，在位置606处）。这样，辐射将在纤芯区域的边缘处耦合至光纤中，并且纤芯的光的最大强度将处于纤芯的边缘处。如上所述，在纤芯的边缘处经受的弯曲一般将大于在纤芯的中心处经受的弯曲，并且因此，通过将辐射耦合至光纤中以使得最大强度处于光纤的边缘处，可以最大化背向散射的量。

现在转至图4，示出了根据本发明的不同方面的两个实施例。如上所述，光纤401包括光纤芯区域402和包层区域403。然而，在每一种情况下，光纤都包括一个或多个硬化构件404，该一个或多个硬化构件404用于在仅一个优选方向上向光纤提供硬度。硬度构件包括平坦结构，该平坦结构在光纤的整个长度上延伸并被布置为使得其厚边缘全部对准。在图4中，每个构件的厚边缘被示为水平对准。硬度构件可以包括金属或塑料的薄带，并用于在一个方向（在该实例中为水平左至右方向）上提供对屈曲的阻力，同时允许另一方向（在该实例中为垂直方向）上的移动。将认识到，如图4所示定向的相对挠性的材料的薄的带状构件可以在没有较大阻力的情况下容易地向上和向下弯曲，但可能不容易从一侧屈曲至另一侧。因此，硬度构件用于给光纤提供优选的移动方向。光纤可以相对容易地在垂直方向上屈曲，但将不容易在水平方向上屈曲。

因此，图4所示的实施例可以用于优选地对垂直方向上的入射扰动做出响应。这可以允许在垂直方向上分解入射波的分量。例如，如果压力波从左侧或右侧入射到图4所示的任一光纤上，则该波可以引发光纤的非常小的移动，并且因此，背向散射辐射中将存在非常小的改变。从顶或底入射的压力波将使光纤振动（如图3所示）。这将导致作为光纤的扰动而检测的背向散射辐射的量的改变。从与垂直方向呈45°的方向入射的压力波将导致由于入射波在向上和向下方向上的分量而引起的向上和向下方向上的特定量的振动。

通过布置每一个优选地在仅单个维度上响应的两个这种光纤，并将优选移动方向布置为在每个光纤中正交，可以将入射扰动（即，声波）分解为两个正交分量，如图5所示。图5示出了纤维光缆的另一实施例。图5示出了相同设计的两个纤维光缆501。每个纤维光缆具有光纤502，光纤502包括光纤芯和包层，并可以可选地包括如前所述的至少一个缓冲和/或至少一个包壳材料。包围光纤的是光缆的材料。该光缆具有在一个方向上比在另一方向上更宽的横截面形状，在该实例中为椭圆形。因此，每个光纤将优选地在短轴的方向上弯曲，并将在长轴的方向上抵抗弯曲。可选地，光缆可以包括如上所述的硬化构件，以便进一步防止长轴方向上的移动。

两个光纤被布置为彼此相对接近并基本上平行，并且对准以使得一个光纤的优选振动方向（由箭头示意）与另一光纤的优选振动方向正交。因此，具有与光纤沿其延伸的一般轴垂直的分量的任何入射声波（应当用于表示任何类型的入射压力波，包括地震波）将被这两个光纤分解为正交分量。这种布置可以在地震勘探中以及尤其在井下应用（例如，检测和映射断裂）中有用。

可以独立地或者以任何适当的组合提供说明书以及（在适当时）权利要求和附图中公开的每个特征。

Claims (19)

1.一种分布式声学纤维光学传感器，包括：光源，其被耦合至纤维光缆以将光辐射传输至所述纤维光缆中；检测器，其被布置为检测从所述纤维光缆瑞利背向散射的辐射，其中，所述纤维光缆包括至少一个光纤以及至少一个凝胶填充区域。

2.凝胶填充纤维光缆在分布式声学纤维光学传感器中的使用。

3.一种纤维光学器件，其在第一横向方向上的硬度大于在第二横向方向上的硬度，所述第二横向方向与所述第一横向方向不同。

4.根据权利要求3所述的纤维光学器件，其中，所述第一横向方向与所述第二横向方向正交。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的纤维光学器件，在第一方向上具有使得所述纤维光学器件不容易在第一方向上屈曲的硬度。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的纤维光学器件，其中，第二方向上的硬度使得所述纤维光学器件容易在第二方向上屈曲。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的纤维光学器件，包括至少一个硬化构件，所述至少一个硬化构件在第一方向上的硬度大于在第二方向上的硬度。

8.根据权利要求7所述的纤维光学器件，其中，所述硬化构件在第一方向上具有显著大于在第二方向上的厚度的厚度。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的纤维光学器件，其中，所述纤维光学器件具有非对称的形状。

10.根据权利要求9所述的纤维光学器件，其中，所述纤维光学器件具有在第一方向上比在第二方向上更宽的横截面。

11.根据权利要求9或10中任一项所述的纤维光学器件，其中，所述纤维光学器件具有基本上椭圆的横截面，其中椭圆的长轴定义第一方向。

12.根据权利要求3至11中任一项所述的纤维光学器件，其中，所述纤维光学器件的纤芯和周围的包层区域被定位为在第二方向上向着所述纤维光学器件的边缘。

13.一种分布式纤维光学传感器，包括：根据权利要求3至12中任一项所述的第一纤维光学器件；光源，其被耦合以将光辐射传输至所述第一纤维光学器件；检测器，其被耦合至所述第一纤维光学器件以检测从所述第一纤维光学器件背向散射的光辐射；以及处理器，其被布置为处理检测到的背向散射辐射以提供所述第一纤维光学器件的多个纵向感测部分。

14.根据权利要求13所述的分布式纤维光学传感器，还包括根据权利要求3至12中任一项所述的第二纤维光学器件，其中，所述第二纤维被耦合至光源和检测器，并被布置为使得所述第一纤维光学器件的第一方向与所述第二纤维光学器件的第二方向基本上平行。

15.根据权利要求14所述的分布式纤维光学传感器，其中，所述处理器从这两个纤维光学器件接收与检测到的背向散射相对应的数据，并被布置为确定任何入射扰动在第一和第二方向上的分量。

16.一种分布式纤维光学传感器，包括：光源，其被耦合至光纤以将光辐射传输至所述光纤中；以及检测器，其被耦合至所述光纤以检测从所述光纤背向散射的光辐射，其中，所述光纤具有相对较高的非均质度和相对较高的数值孔径。

17.根据权利要求16所述的分布式纤维光学传感器，其中，所述光纤是80μm光纤。

18.根据权利要求16或权利要求17所述的分布式纤维光学传感器，其中，所述光纤具有5km量级或更小的感测长度。

19.80μm光纤在井下检测和/或监测应用中在分布式声学纤维光学传感器中的使用。