CN109564113B - 光纤感测 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于分布式光纤传感器的方法和装置，并且尤其涉及基于瑞利的分布式光纤感测，其提供增强的或附加的信息、诸如关于大幅度应变的信息。传感器具有质询器（102），其用于质询感测光纤（101）以实行分布式声学感测并且提供来自与感测光纤的感测部分相对应的多个信道中的每一个的测量信号。处理器（106、107）分析测量信号以检测第一特征标记（203），该第一特征标记是来自多个信道的测量信号中的变化，其施加于第一信道以及大体上全部下游信道并且在全部这样的信道上同时发生。

Description

光纤感测

本申请涉及分布式光纤感测，并且特别地涉及光纤应变感测。

分布式光纤感测是已知的技术，其中光纤被部署为关注位置中的感测纤维，并且利用光学辐射来被质询以提供对沿着感测纤维的长度的环境的监控。

一种类型的分布式光纤传感器利用相干光学辐射重复地质询感测纤维，并且检测和分析从感测纤维内瑞利（Rayleigh）背向散射的辐射，以提供对作用于感测纤维上的扰动（即，动态应变）的感测。这样的扰动可以例如是纤维的振动，其诸如由入射声波等等引起。这样的感测因而通常被称为分布式声学感测（DAS），尽管将领会的是，传感器对于作用于感测纤维上的任何类型的入射机械扰动或动态应变变化可以是灵敏的。

这样的DAS系统可以提供针对动态扰动（即，声学激励或振动等等）的有用监控，并且已经被提出以用于使用在一系列不同的应用中，该不同的应用诸如周界或边界监控、监控诸如管道或交通基础设施（例如，道路、铁路等等）之类的线性资产，以及监控地质构造，其例如油气藏（hydrocarbon reserviors）或用于存储/隔离不想要的/危险的材料的区域。

如所提及的，这样的基于瑞利背向散射的分布式光纤传感器对于检测动态振动或应变事件而言是有用的，并且对于这样的扰动可以是相对灵敏的。然而，传感器将具有受限的动态范围，并且作用于感测纤维上的大幅度扰动可导致信号缠绕，例如对于基于相位的系统有多于2π的相位改变，从而导致来自这样的系统的测量中的不确定性。而且，常规的基于瑞利的分布式光纤传感器通常不提供与对作用于光纤上的静态应变的缓动改变有关的任何信息。

本公开内容的实施例涉及用于分布式光纤感测的方法和装置，其可以改善和/或扩展可从这样的传感器中确定的信息。

因而，根据本发明的方面，提供有一种分布式光纤传感器，其包括：

质询器，其用于在使用中质询感测光纤以实行分布式声学感测并且提供来自与感测光纤的感测部分相对应的多个信道中的每一个的测量信号；以及

处理器，其被配置成分析测量信号以检测第一特征标记（characteristicsignature），第一特征标记包括来自多个信道的测量信号中的变化，其施加于第一信道以及大体上全部下游信道并且在全部这样的信道上同时发生。

因而，如将在下面更详细描述的，各种实施例的传感器分析来自分布式光纤传感器的测量信号，例如第一特征信号，其中第一特征信号是表观测量信号，其同时影响从感测纤维的第一感测部分到端部的大体上全部感测信道。处理器可以被配置成将第一特征标记的出现标识为大幅度应变或其他大幅度扰动。第一信道的位置可以被标识为大幅度应变的位置。

在一些实施例中，质询器包括偏振调制器，其用于使从质询器输出的质询辐射的偏振状态周期性变化。

实施例涉及如可以被制造的那样的质询器和处理器，并且还涉及原位传感器，该原位传感器具有光学地耦合到质询器的感测光纤。

在一些实施例中，可以存在至少一个调制控制器，其用于将受控制的调制应用到感测光纤。至少一个调制控制器可以包括机械地耦合到感测光纤以用于将受控制的应变选择性地施加到感测光纤的致动器，和/或用于将受控制的偏振调制应用到在感测纤维中行进的质询辐射的偏振调制器。可存在沿着感测光纤、在不同的限定位置处布置的多个调制控制器。

质询器可以包括第一偏振调制器，其用于使从质询器输出的质询辐射的偏振状态变化，其中传感器被配置成使从质询器输出的质询辐射的偏振状态变化，同时至少一个调制控制器之一将受控制的调制应用到感测光纤。处理器可以被配置成检测与调制控制器所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记，并且确定与同该调制控制器相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态。处理器可以进一步被配置成随时间的推移来检测与同调制控制器所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态中的任何变化。与同第一调制控制器所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态中的任何所检测到的变化可以被标识为指示作用于致动器上游的感测纤维上的应变中的改变。

在一些实施例中，处理器可以被配置成调节由第一调制控制器上游的第二调制控制器所应用的受控制的调制，以便补偿与同第一调制控制器所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态中的所检测到的变化。

传感器可以被用在各种应用中。感测光纤可以被沿着以下各项中的至少一个部署：管道的路径；交通网络的至少部分的路径；铁路的路径；边界或周界；在关注地质构造附近；在储层附近；以及沿着功率线缆的路径。

在另一方面中，提供有一种分布式光纤传感器，其包括：

质询器单元，其被配置成在使用中利用光学辐射重复地质询感测光纤，检测已经从感测光纤内被瑞利背向散射的背向散射光学辐射，以及分析背向散射以提供来自与感测光纤的感测部分相对应的多个信道中的每一个的测量信号；以及

处理器，其被配置成分析所述测量信号以检测来自多个信道的测量信号中的变化，其施加于第一信道以及大体上全部下游信道并且在全部这样的信道上同时发生。

各方面还涉及分布式光纤感测的方法，其包括：

质询感测光纤以实行分布式声学感测并且提供来自与感测光纤的感测部分相对应的多个信道中的每一个的测量信号；以及

分析所述测量信号以检测第一特征标记，所述第一特征标记包括来自多个信道的测量信号中的变化，其施加于第一信道以及大体上全部下游信道并且在全部这样的信道上同时发生。

可以通过使用以上讨论的装置的变体中的任一个来实现该方法。特别地，第一特征标记的出现被标识为大幅度应变的出现。第一信道的位置可以被标识为大幅度应变的位置。该方法可以包括使从质询器输出的质询辐射的偏振状态周期性变化。

该方法可以涉及在至少一个限定位置处将受控制的调制应用到感测光纤。受控制的调制可以包括由机械致动器将受控制的应变施加到感测光纤和/或由偏振调制器将受控制的偏振调制应用到在感测纤维中行进的质询辐射。受控制的调制可以被循序地应用在多个不同的限定位置处。输入到感测光纤中的质询辐射的偏振状态可以变化，同时受控制的调制在限定位置中的至少一个处被应用到感测光纤。该方法可以包括检测与在限定位置处所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记，以及确定与同该受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态。可以随时间的推移来检测与同在限定位置处所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态中的任何变化。与同第一限定位置处所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态中的任何所检测到的变化可以被标识为指示作用于第一限定位置上游的感测纤维上的应变中的改变。该方法还可以包括调节在第一限定位置上游的第二限定位置处所应用的受控制的调制，以便补偿偏振状态中所检测到的变化。

感测光纤可以被沿着以下各项中的至少一个部署：管道的路径；交通网络的至少部分的路径；铁路的路径；边界或周界；在关注地质构造附近；在储层附近；以及沿着功率线缆的路径。

现在将参考附图讨论本发明的实施例，在附图中：

图1是用于基于瑞利背向散射的分布式光纤感测的装置；

图2a图示了对大幅度应变的特征标记的检测；

图2b图示了来自经受大应变的DAS传感器的示例数据；以及

图3图示了根据实施例的分布式光纤应变传感器。

本公开内容的实施例涉及分布式光纤传感器，特别是涉及基于瑞利背向散射的分布式光纤传感器，并且特别地涉及检测与大幅度应变有关的信号特征。

图1图示了用于基于瑞利背向散射的分布式光纤感测——有时被称为分布式声学感测（DAS）——的装置（100）。DAS传感器包括光纤101，该光纤101被设置为感测纤维并且在一端处光学地耦合到质询器单元102，其通过某种合适的连接（其可以是可移除的连接）直接地或者在一些实例中例如经由中间纤维等等间接地耦合。感测纤维101在长度上可以是许多千米，并且在长度上可以例如大约为40 km左右或更长。感测纤维可以是标准的、未经修改的单模式光纤，诸如在电信应用中常规使用的，其无需诸如纤维布拉格光栅等等的有意引入的反射位点。使用标准光纤的未经修改的长度来提供感测的能力意味着可以使用低成本、容易可得的纤维。然而，在一些实施例中，感测纤维可以包括光纤，该光纤已经被制造或布置成对于入射振动特别灵敏。典型地，感测光纤将形成光纤线缆结构的部分，可能地作为线缆内的一束光纤之一，并且可选地具有其他组件，诸如强化或护卫元件，或被布置成剪裁（tailor）对横向应变的响应的元件。由于感测纤维通常相对不昂贵，所以感测纤维可以按相对持久的方式被部署在一位置中，因为将纤维留在原位的成本并不重要。

在操作中，质询器单元102重复地质询感测光纤101，每个质询包括往感测纤维中发射相干质询电磁辐射，其可以例如包括一系列具有所选择的频率模式的光学脉冲。在一个示例中，质询辐射可以包括两个时间上（并且因此空间上）分离的脉冲，其中在脉冲之间具有预限定的频率差。在这样的DAS传感器中，脉冲之间的频率差限定了关注的载波频率。然而，将理解的是，使用其他形式的脉冲式质询辐射或连续调制的波的DAS传感器也是已知的并且可以被使用。注意的是，如本文中使用的，术语“光学的”不被限制于可见光谱，并且光学辐射包括红外辐射和紫外辐射，并且术语“光”也应当被相应地解释。质询器单元102因此包括至少一个光学源，诸如激光器103，以及在一些实施例中包括用于产生质询辐射的至少一个光学调制器104。在一个实施例中，质询辐射（用于给定质询）可以包括被已知光学频率差分离的多个光学脉冲。

瑞利背向散射的现象导致输入到纤维中的光的某部分被往回散射到质询器单元，其中它被检测并且被处理以提供测量信号，该测量信号表示作用于纤维上的扰动。由于质询辐射是相干的，所以在任何时刻在质询器处往回接收到的瑞利背向散射是在纤维内从纤维的特定部分生成的背向散射的干扰信号。将注意的是，该瑞利背向散射由质询辐射与光纤内存在的固有散射位点之间的相互作用生成。因而，感测功能可以实际上贯穿整个感测纤维而分布（尽管返回物在时间箱（time bin）中被处理以提供来自纤维的个体感测部分的结果）。这样的传感器因此被称为分布式传感器或本征传感器，因为感测贯穿纤维本身而分布并且对于纤维本身是本征的。这与下述传感器形成对照：该传感器所使用的纤维具有布拉格光栅（FBG）或类似的有意引入的反射位点，其中感测功能被提供在限定区域中，典型地如点传感器。

散射位点贯穿光纤的分布实际上是随机的，并且因而背向散射干扰信号包括沿着感测纤维的长度随机变化的分量。尽管一般而言，在缺乏作用于感测纤维上的任何环境激励的情况下，来自纤维的给定感测部分的背向散射的特征对于接连的质询将是相同的（假定质询辐射的特征不改变）。然而，诸如在纤维的区段上产生动态应变的入射声波之类的环境激励将导致针对该感测部分的有效光学路径长度中的改变，其具有在来自该区段的背向散射干扰信号的属性中的由此导致的变化。该变化可以被检测并且被用来指示作用于感测纤维上的扰动的程度。

质询器单元102因而还包括至少一个光电检测器105，该光电检测器105被布置成检测从纤维101内的本征散射位点瑞利背向散射的辐射。

来自光电检测器的信号由信号处理器106在时间箱中处理，该时间箱与对感测纤维的限定感测部分的往返行程行进时间相对应。每一个时间箱中的信号被处理以检测背向散射属性中的变化并且为每个感测部分生成测量信号。

在一些示例中，信号处理器基于被发射到感测纤维中的质询辐射的光学脉冲之间的频率差来解调返回信号。质询器可以如例如在GB2,442,745或WO2012/137022中所描述的那样或者如在WO2012/137021中所描述的那样运作，该文献中每一个的内容通过引用被并入。

测量信号的相位可以得自于来自光纤的各种区段的背向散射的光学辐射。纤维的给定区段内的有效光学路径长度中的任何改变（诸如将由于在纤维上引起应变的入射压力波所致的）将导致重复质询之间的所测量相位中的改变。因而，作用于纤维的动态改变因此可以在光纤的多个感测部分中的每一个中被检测。相位中改变的量值与光学路径长度中的有效改变有关，并且因此指示在感测纤维的该感测部分上的应变。

光学输入的形式和检测的方法允许单个连续的光纤在空间上被分解成分立的纵向感测部分。也就是说，可以大体上独立于在相邻部分处的测量信号来提供在一个感测部分处所感测的测量信号。光纤的感测部分的空间分辨率可以例如是近似10 m，其对于大约40 km的连续长度的纤维比方说提供了沿着40 km的纤维所部署的4000个左右的独立声学信道。更多个信道可以被布置在具有不同的信道宽度的纤维上。

注意到，术语“声学的”应当意指任何类型的压力波或机械扰动，其可以导致光纤上的应变的改变，并且为了避免疑义，术语声学的被理解成包括超声波和次声波，以及地震波或其他诱发型振动。如在本说明书中使用的，术语“分布式声学感测”或“DAS”将被理解成意指通过光学地质询光纤以提供沿着纤维纵向分布的多个分立声学感测部分来进行感测，并且术语“分布式声学传感器”应当被相应地解释。

来自质询器单元102的输出可以因而是针对相关感测纤维101的每个感测部分的测量信号，其指示声学信号或作用于该感测部分上的动态应变。个体感测部分还可以被称为DAS传感器的信道。传感器因而为DAS传感器的多个信道产生测量信号。质询器单元102的输出可以被传递到数据处理器107，该数据处理器107可以被配置成分析针对各种信道的测量信号。数据处理器107可以与质询器单元102协同定位或远离它。

如先前所指出的，这样的系统可以提供对作用于感测部分上的动态应变的相对准确和灵敏的检测，其中来自一个感测部分的测量信号大体上独立于来自另一个感测部分的测量信号。

在本发明的实施例中，来自感测纤维的多个不同感测部分（即，传感器信道）的背向散射信号可以被分析以检测特征标记，该特征标记指示感测纤维上的局部化的大幅度应变。

本发明的实施例至少部分地依赖于实现了下述内容：作用于感测纤维上的大幅度应变、或高应变率可以导致对于处于大应变的位置处的质询辐射的特征的改变。

例如，考虑DAS系统，其中用于每个质询的质询辐射包括相干光学辐射的脉冲。在给定位置处作用于感测纤维上的大幅度应变可以调制感测光纤内在该位置处的脉冲的特征。这可以是对脉冲的偏振和/或相位的调制，尽管相信脉冲特征中的改变的主要原因是应变诱发的偏振改变。

已经领会的是，对质询辐射的特征（例如，脉冲的偏振）的这种调制可以导致来自感测部分的测量信号中的可检测的改变。在该情况中，在一个质询与下一个质询之间的测量信号中的改变是由于从一个质询到另一个质询的抵达该感测部分的质询辐射的特征中的变化。将领会到的是，作为沿着感测光纤的长度的第一位置处的大应变的结果，如果在该第一位置处调制脉冲特征，则将是如所调制的脉冲——在它沿着感测纤维进一步行进时——抵达光纤的全部后续感测部分。因而，在沿着感测纤维的第一位置处发生的大应变的结果将是开始于第一位置（即，第一信道）处并且实际上同时施加于传感器的大体上全部后续信道的测量信号中的改变，该全部后续信道为在纤维的第一位置与远端之间的全部下游感测部分。

对于常规DAS，感测质询辐射的偏振状态从一个质询到下一个质询大体上一致，并且在缺乏作用于纤维上的任何环境激励的情况中，抵达任何给定感测部分的质询辐射的偏振状态将从一个质询到下一个质询大体上一致。作用于给定感测的低幅度应变可导致针对该感测部分的有效光学路径长度中的可检测的改变，但是不实质上影响针对感测纤维的后续感测部分的质询辐射的偏振状态。然而，在质询辐射穿越给定感测部分时出现的大应变或大应变率可以导致质询辐射的偏振状态中的显著改变。感测纤维内的双折射意指感测纤维的有效折射率随质询辐射的偏振状态变化。因而，质询辐射的偏振状态中的改变可以导致大体上全部后续感测部分的表观折射率以及因此有效光学路径长度中的改变。

这意味着在沿着感测纤维的长度的第一位置处发生的大幅度应变将导致针对光纤的全部后续感测部分（即，DAS传感器的全部下游信道）的测量信号中的实际上同时的变化。这与较低幅度应变的检测形成对照，在较低幅度应变的检测中引起测量信号中的可检测的变化的调制是对该感测部分的有效光学路径长度的调制，其仅适用于该感测部分。

在质询辐射传过第一位置时，在感测纤维的第一位置处发生的大应变因而可以使从该点开始的质询辐射的偏振状态进行变化。如所提及的，这可以表现为即时地应用于该信道以及感测纤维的大体上全部后续信道的表观信号。在瀑布型绘图中，这可以表现为应用于从第一位置开始的感测纤维的大体上全部信道的一行增加的强度信号。对于基于强度变化的单脉冲DAS系统，这将会是强度中的阶跃改变。对于基于相位的系统，逐个信道可存在具有随机幅度的相位中的明显阶跃改变（在±π弧度内）。

在本发明的实施例中，数据处理器107可以因此被布置成分析来自多个感测部分（即，传感器的多个信道）的测量信号，以检测大幅度应变的特征标记。该特征标记可以是来自多个信道的测量信号中的变化，其施加于第一信道以及大体上全部下游信道并且在全部这样的信道上实际上同时发生。处理器可以被配置成将第一特征标记的出现标识为大幅度应变。处理器可以被附加地配置成将第一信道的位置标识为大幅度应变的位置。

关于图2a来图示检测大幅度应变的特征标记的原理以及这如何可以区别于较低幅度应变的常规检测。图2a图示了诸如以上所述的基于瑞利的分布式光纤传感器，其具有被部署在关注区域中并且在一端（近端）被连接到质询器单元102的感测纤维101。图2a还图示了诸如可由这样的传感器产生的理想化瀑布型绘图。

瀑布图示出了针对感测纤维101的信道的所检测到的测量信号对照时间的指示，其中任何所检测到的变化的强度由灰度变化来绘制（在该示例中为图2）。

图2a图示了在不同时间下作用于感测纤维的不同位置处的三种不同类型的扰动。扰动A对应于相对低幅度的动态应变变化。这可以是通常采用DAS传感器来检测的声学信号的类型。在该示例中，扰动A被相对局部化在第一位置处。这导致在第一位置的紧邻附近中的一个或多个信道中检测到相对局部化的扰动。这可导致相关信道中的可检测的信号，其只要扰动继续就可以继续，如由瀑布图中的特征202图示的。如以上所提及的，这样的扰动引起相关感测部分的有效光学路径长度中的局部化变化，其在对应的信道处提供可检测的信号，但是其不影响没有被扰动直接扰乱的任何其他感测部分。

扰动B表示在光纤的第二位置处发生的大幅度应变事件，该扰动足以向在光纤中传播的光学辐射给予偏振中的显著调制。这再次产生来自传感器的测量信号中的可检测的改变，但是这次这是由于质询辐射的特征中的变化所致。照此，该变化施加于该感测部分以及经调制的质询辐射随后传播通过的全部后续感测部分。这看似产生了来自从第二位置到纤维远端的全部感测部分（即，全部下游信道）（在质询辐射远离质询器单元进行传播的意义上）的测量信号中实际上同时的改变。这在理想化的瀑布图中由特征203图示。只要大扰动继续，该信号就将继续。

将领会的是，某些声学/地震事件可影响多个信道，而没有所描述的类型的局部化大应变。扰动C图示了在第三位置处入射在感测纤维101上的具有相对大的空间范围的声学波前。然而，在这样的情况中，不太可能有波前同时入射在感测光纤101的全部部分上，并且代替地，在波前传播经过感测纤维时，不同的感测部分可以被分布在不同的时间下。扰动的模式将取决于感测纤维在环境中的部署以及波前的形状。图2图示了当来自相对远的源的声波与通常线性的感测纤维相互作用时可应用的示例。在信道处可存在初始扰动，其例如对应于在最接近于波的原点的点处的感测部分，该初始扰动然后在波抵达那些感测部分时在不同的时间下散播到相邻的信道，从而导致诸如被图示为204的特征。

当然将领会的是，仅出于解释的目的图示了图2中所图示的瀑布图，并且不需要在实践系统中生成该瀑布图。

图2b图示了来自实际DAS系统的数据的瀑布图，在该实际的DAS系统中，感测纤维在感测纤维的起始处（即，在感测纤维的近端（信道0）处）重复地受影响于受控制的大应变。图2a的理想化绘图那样，瀑布图图示了传感器的各种信道的数据，其中时间垂直地延伸（在该示例中）。任何所测量的扰动信号的幅度或强度由颜色强度来指示（在实践系统中）。可以清楚地看到不同的特征203同时影响全部信道。在该示例中，其中信道水平地延伸，特征表现为是清楚的并且是不同的水平线，其只要应变发生就适用。

数据处理器107因而可以被配置成针对测量信号中的变化来分析来自传感器的多个信道的测量信号，该变化施加于第一信道以及大体上全部下游信道并且在全部这样的信道上实际上同时发生。这样的特征标记的检测可以被用作大幅度应变的指示。处理器可以因此标记特征标记的存在，例如，通过在合适的图形显示器上显示警报，或生成某个其他状态警报或消息。处理器可以进一步将大幅度应变的位置标识为对应于第一信道的位置，该第一信道即在该处检测到同时的信号变化的最上游信道。

数据处理器可以分析传感器的全部信道，或者可以分析针对特征标记的信道的子集，以至少最初减小处理负担。例如，作为大幅度应变的多阶段检测的部分，第一子集可以由沿着感测纤维的长度的处于不同定位处的信道形成并且被分析。如果看似特征标记存在于第一子集中，那么可以添加更多信道，并且附加的信道还被分析以确认特征标记是存在的。

以这种方式创建清楚可见的信号所需要的扰动的大小比如先前所描述的那样在给定信道上生成常规声学信号所需的扰动大得多。例如，在大约1秒左右内做出的、具有50mm左右的弯曲半径的、通过180度的感测纤维中的弯曲将引起可检测的信号，如将是相同量级的类似扰动。同样地，对感测纤维的直接的相对高的冲击震动（例如，具有直接冲压在光纤线缆上的量级）将也被预期示出可检测的信号。大约为每秒10^-4左右的应变率可引起该类型的可检测信号。

在所埋感测纤维的位置处发生的诸如山体滑坡或岩石坠落之类的事件很可能产生该量级的应变，并且因而通过本公开内容的方法是可检测的。如先前所提及的，DAS传感器已经被提出以用于监控诸如管道或铁路之类的资产。在资产附近发生山体滑坡或岩石坠落将明显是关注的。对于管道而言，高压力管道的爆裂将也是明显关注的，并且将会导致所讨论种类的可检测的信号。

可以利用对该类型的大扰动的检测的一个应用可以是检测电力线缆、尤其是海底电力线缆的故障。电力线缆通常被用作高电压电力分布/传输系统的部分，尤其是在其中高架线缆等是不实际的情况中。用于高电压AC功率分布的这样的电力线缆可以包括与彼此和环境绝缘的各种导体。在一些实例中，绝缘可能出故障，从而引起在导体和/或环境之间的短路。所涉及的高电压意指这样的短路故障可能是非常剧烈的事件，其可导致对电力线缆的显著损坏。通常，这导致电力分布网络的相关部分必须停机直到可修复/替换电力线缆的相关部分为止。

在一些应用中，例如对于海底电力线缆，确定故障的位置以及因此电力线缆的受损区段可常规地涉及必须物理地检查线缆，其可涉及从海床将其提升。这可能是缓慢并且昂贵的过程。已经提出了使用具有耦合到电力线缆或嵌入在电力线缆内的感测纤维的DAS传感器来针对与该类型的剧烈短路事件相关联的扰动进行监控。

然而，与这样的短路故障相关联的扰动可以是显著地激烈的。扰动可能如此大以至于感测纤维中的许多感测纤维在这样的故障的情况中可被信号饱和，这是由于在短路期间的短暂却很大的电流流动所致。这可能使得难以准确地确定故障的实际位置。然而，在故障位置本身处将存在大扰动，其导致对传播经过故障位置的质询辐射的特征的调制，其将引起所描述的类型的特征信号。在该实例中，对特征的调制可部分地由在该位置处影响感测纤维的显著的温度变化所引起。检测大扰动的位置可以因此被用来帮助沿着电力线缆检测故障的位置。

如以上所指出的，理解到引起对质询辐射的特征的调制的主要效应是诱发型偏振调制，其可以主要是应变诱发的调制，但是如以上所指出的，显著迅速的温度改变还可导致对质询辐射的某种调制。在光纤的给定部分处的应变导致对质询辐射的偏振调制的程度确实取决于质询辐射在其抵达经应变区段时的偏振状态，其明显取决于被发射到纤维中的质询辐射的初始偏振状态，以及在辐射传播通过感测纤维的在先部分时偏振的任何调制的累积效应。

因此，在理论上，有可能的是：由于质询辐射的初始偏振状态，在特定位置处发生的给定大幅度应变可不经历偏振调制或者仅经历由于大应变所致的有限的偏振调制。然而，通过实验已经发现的是，感测纤维的给定信道可经历针对质询辐射的某些初始偏振状态的灵敏度最小值（在由于大幅度应变而在测量信号中产生可检测的变化方面），通常存在所经历的某种调制以及因而存在其致使的某种可检测的信号。已经进一步发现的是，该最小值被发现为仅仅出现在非常有限范围的偏振上，并且同时在全部信道上的零灵敏度从未达到。因此纤维上的大幅度应变根本未能产生任何可检测的信号的可能性在实践系统中是非常低的。

然而，在一些实施例中，质询器单元可以包括偏振调制器，并且可以被配置成使被发射到感测光纤中的质询辐射的偏振状态周期性变化。例如，质询器单元102通常可以在第一偏振状态下运作，但是可以周期性地使用第二、不同的偏振状态。很可能的是：发生的大应变将产生可检测的信号，其具有在第一偏振状态处的重复质询之间的特征标记。然而，在下述不太可能的事件中，该事件即在一位置处已经发生大幅度应变，其不导致针对在第一偏振状态下发射的质询辐射的调制，来自第二偏振状态下的重复质询的信号也可以针对特征信号而被分析。第二偏振状态的重复可以比第一偏振状态的重复不频繁得多，以便不显著干扰传感器的正常操作。

在一些实施例中，受控制的大应变可以在一个或多个限定位置处被有意地施加到感测纤维，以便确定与对作用于感测纤维的静态应变的任何改变有关的信息。

如以上所提及的，在第一位置处所施加的给定大应变导致对质询辐射的性质的调制以及因此可检测的信号的程度至少部分地取决于抵达第一位置的质询辐射的偏振状态，其进而取决于被发射到感测纤维中的质询辐射的初始偏振以及来自在先纤维的任何偏振调制的累积效应。如还讨论的，已经发现：在针对质询辐射的初始偏振的非常有限的范围的第一位置处可经历灵敏度最小值。

可以因此周期性地确定与针对被有意施加在第一位置处的受控制的大幅度应变的灵敏度最小值相对应的初始偏振状态。如果存在对于灵敏度最小值所需的初始偏振状态中的改变，则这可以被理解为对来自第一位置上游的纤维的累积调制已经改变的指示，其可以被理解为对感测纤维的上游部分上（即，在第一位置之前）的静态应变已经改变的指示。

通过在沿着感测纤维的长度的多个不同位置处施加受控制的大幅度应变，并且确定与针对在每个位置处所施加的应变的灵敏度最小值相对应的初始偏振状态，感测纤维进而然后可以实际上被划分成一系列区段。在针对给定区段的静态应变中的任何显著改变将导致对于在该处施加受控制的应变的全部下游位置的最小灵敏度所需的偏振状态中的改变。

图3图示了根据实施例的分布式光纤感测系统。图3图示了沿着如上所描述的线的分布式光纤感测质询器单元102以用于质询感测光纤101。然而，在该实施例中，存在偏振调制器301，其用于调制被发射到感测光纤101中的质询辐射的初始偏振状态。

感测纤维在沿着其长度的不同点处耦合到多个调制控制器302a-c。调制控制器302a-c被配置成提供受控制的调制。在一些实施例中，至少一些调制控制器可以是致动器，例如能够将受控制的相对大幅度的应变选择性地施加到感测纤维的任何类型的受控制的机械致动器。感测纤维可以用任何方便的方式耦合到致动器，并且在一些实施例中可以被绕在至少一些致动器周围。这些致动器实际上将感测纤维划分成许多应变感测区段303-1至303-4，如将在下面解释的。

在使用中，致动器之一（比方说302a）可以被控制器304激活，以将已知的相对大的应变施加到纤维，同时感测纤维101被质询器单元102质询。如以上所讨论的，结果产生的应变有关的偏振调制可导致来自施加大应变的致动器下游的全部感测部分（例如，全部区段302-2至302-4）的测量信号中的可检测信号。控制器然后可以控制偏振调制器301以改变被应用到质询器单元102的输出的偏振调制，同时继续从致动器302a施加受控制的大应变。对适用于灵敏度最小值的偏振状态（即，具有所施加的大应变的最低可检测的信号）进行记录。

对于其他致动器302b和302c中的每一个单独地重复该过程，以确定与针对那些致动器的灵敏度最小值相对应的偏振状态。

周期性地重复该过程，并且确定对于致动器的最小灵敏度所需的偏振状态中的任何改变。如果在针对相关致动器上游的感测纤维101的区段的应变中不存在显著改变，那么将会预期对于最小灵敏度所需的偏振状态将会保持不变。然而，在处于感测纤维的给定区段中的应变已经显著改变的情况中，针对全部下游致动器的最小灵敏度的偏振状态将已改变。

例如，如果在区段303-2上的静态应变中存在通过标准DAS感测将不是可检测的缓慢变化，则这将导致对于致动器302b和302c的最小灵敏度所需的偏振状态中的变化，然而，对于致动器302a的最小灵敏度的偏振状态将会保持不变。

因而，如果对用以为每个区段303-1至303-4给出大扰动灵敏度最小值所需的质询辐射的偏振进行监控，则可以间接地检测先前区段的应变中的任何缓慢改变。

在一些实施例中，从质询器单元输出的质询辐射的偏振可以通过全部状态连续地循环，并且可以作为时间的函数来监控全部区段中的灵敏度最小值的方位。替换地，这可以周期性地进行，比方说，在一些实现方式中每天一次，以查看是否已经发生任何大规模但缓慢的应变。它将不会影响DAS传感器的正常功能性，并且应当是温度不敏感的。

代替于或附加于在某些位置处将受控制的应变施加到感测纤维以给予受控制的应变诱发的偏振调制，可以通过合适的偏振调制器光学地应用直接的受控制的偏振调制。换言之，调制控制器302a-c中的至少一个可以包括偏振调制器，该偏振调制器被配置成在该点处应用已知的偏振调制。控制以此方式直接应用的光学偏振调制实际上仍将感测纤维划分成不同的区段，并且允许检测如上所述的静态应变中的任何改变，其通过查找与对所应用的受控制的偏振调制的灵敏度最小值相对应的初始偏振状态。

因而，在导致了对由给定调制控制器所应用的受控制的偏振调制的灵敏度最小值的质询辐射的初始偏振状态中的改变可以指示感测纤维的在先区段的静态应变中的改变。例如，在第一时间T1处，用以提供对由调制控制器302a所应用的受控制的调制的最小灵敏度所需的初始偏振状态可以是第一状态Pa1。同样地，导致对由调制控制器302b和302c所应用的受控制的调制的最小灵敏度的初始偏振状态可以分别是状态Pb1和Pc1。如果在第二时间T2处，导致对由控制器302a所应用的受控制的调制的灵敏度最小值的初始偏振状态仍是Pa1，那么这意味着尚未存在对区段303-1上的静态应变的任何显著改变。然而，如果导致针对由控制器302b所应用的受控制的调制的灵敏度最小值的初始偏振状态已经改变成不同的状态，比方说Pb2，那么这意味着区段303-2上的静态应变已经变化。因此，还将很可能的是，导致针对由控制器302c所应用的受控制的调制的灵敏度最小值的初始偏振状态也将改变成不同的状态，比方说Pc2。

在一些实施例中，已经确定的是，与针对由给定偏振控制器所应用的受控制的调制的灵敏度最小值相对应的初始偏振状态已经改变，其指示了在纤维的先前区段中的静态应变中的改变，在该区段的起始处的调制控制器可以被控制以补偿静态应变中的改变。因而，在以上讨论的示例中，在与对由控制器302b所应用的受控制的调制的灵敏度最小值相对应的初始偏振状态从Pb1改变成Pb2（其指示了区段303-2上的静态应变中的改变）的情况中，调制控制器302a可以被控制以应用连续的调制，该连续的调制被调节直到与针对控制器302b的灵敏度最小值相对应的初始偏振状态再次对应于Pb1为止。在该点处，可以假定的是，由控制器302a所应用的调制补偿了区段302-2上的静态应变中的改变。在该情况中，与针对控制器302c的灵敏度最小值相对应的初始偏振状态还应当返回到为Pc1，除非在区段303-3上的静态应变中也已有改变。因而，通过首先检测在感测纤维的给定区段之上的静态应变中的改变，并且然后补偿这样的改变，也可以确定针对纤维的下游区段也已经改变的任何静态应变。

应当注意的是，以上提及的实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替换的实施例而不偏离所附权利要求的范围。来自各种实施例的特征可以一起组合和使用，除了在其中另行明确指示的情况下之外。词语“包括”不排除除了在权利要求中所列出的那些之外的元素或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，并且单个特征或其他单元可以履行在权利要求中所记载的若干个单元的功能。权利要求中的任何参考标号或标签不应当被解释成为了限制其范围。

Claims (30)

1.一种分布式光纤传感器，其包括：

质询器，其用于在使用中质询感测光纤以实行分布式声学感测并且提供来自与所述感测光纤的感测部分相对应的多个信道中的每一个的测量信号；以及

处理器，其被配置成分析所述测量信号以检测第一特征标记，所述第一特征标记包括来自多个信道的测量信号中的变化，其施加于第一信道以及全部下游信道并且在全部这样的信道上同时发生。

2.如在权利要求1中所要求保护的分布式光纤传感器，其中所述处理器被配置成将所述第一特征标记的出现标识为大幅度应变。

3.如在权利要求2中所要求保护的分布式光纤传感器，其中所述处理器被配置成将所述第一信道的位置标识为所述大幅度应变的位置。

4.如在前述权利要求中的任一项中所要求保护的分布式光纤传感器，其中所述质询器包括偏振调制器，其用于使从所述质询器输出的质询辐射的偏振状态周期性变化。

5.如在权利要求1-3中任一项所要求保护的分布式光纤传感器，进一步包括光学地耦合到所述质询器的所述感测光纤。

6.如在权利要求5中所要求保护的分布式光纤传感器，其包括至少一个调制控制器，用于将受控制的调制应用到所述感测光纤。

7.如在权利要求6中所要求保护的分布式光纤传感器，其中至少一个调制控制器包括致动器，所述致动器机械地耦合到所述感测光纤，以用于将受控制的应变选择性地施加到所述感测光纤。

8.如在权利要求6中所要求保护的分布式光纤传感器，其中至少一个调制控制器包括偏振调制器，其用于将受控制的偏振调制应用到在所述感测光纤中行进的质询辐射。

9.如在权利要求7或权利要求8中所要求保护的分布式光纤传感器，其中存在沿着所述感测光纤、在不同位置处布置的多个所述调制控制器。

10.如在权利要求7中所要求保护的分布式光纤传感器，其中所述质询器包括第一偏振调制器，其使从所述质询器输出的质询辐射的偏振状态变化，所述传感器被配置成使从所述质询器输出的质询辐射的偏振状态变化，同时所述至少一个调制控制器之一将所述受控制的调制应用到所述感测光纤。

11.如在权利要求10中所要求保护的分布式光纤传感器，其中所述处理器被配置成检测与应用所述受控制的调制的调制控制器所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记，并且确定与同该调制控制器相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态。

12.如在权利要求11中所要求保护的分布式光纤传感器，其中所述处理器被配置成随时间的推移来检测与同调制控制器所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态中的任何变化。

13.如在权利要求12中所要求保护的分布式光纤传感器，其中所述处理器被配置成将与同第一调制控制器所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态中的任何所检测到的变化标识为指示作用于所述致动器上游的感测纤维上的应变中的改变。

14.如在权利要求13中所要求保护的分布式光纤传感器，其中所述处理器被配置成调节由所述第一调制控制器上游的第二调制控制器所应用的受控制的调制，以便补偿与同所述第一调制控制器所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态中的所检测到的变化。

15.如在权利要求1-3中的任一项中所要求保护的分布式光纤传感器，其中所述感测光纤被沿着以下各项中的至少一个部署：管道的路径；交通网络的至少部分的路径；铁路的路径；边界或周界；在关注地质构造附近；在储层附近；以及沿着功率线缆的路径。

16.一种分布式光纤传感器，其包括：

质询器单元，其被配置成在使用中利用光学辐射重复地质询感测光纤，检测已经从所述感测光纤内被瑞利背向散射的背向散射光学辐射，以及分析所述背向散射以提供来自与所述感测光纤的感测部分相对应的多个信道中的每一个的测量信号；以及

处理器，其被配置成分析所述测量信号以检测来自多个信道的测量信号中的变化，其施加于第一信道以及全部下游信道并且在全部这样的信道上同时发生。

17.一种分布式光纤感测的方法，其包括：

质询感测光纤以实行分布式声学感测并且提供来自与所述感测光纤的感测部分相对应的多个信道中的每一个的测量信号；以及

分析所述测量信号以检测第一特征标记，所述第一特征标记包括来自多个信道的测量信号中的变化，其施加于第一信道以及全部下游信道并且在全部这样的信道上同时发生。

18.如在权利要求17中所要求保护的方法，其中所述第一特征标记的出现被标识为大幅度应变的出现。

19.如在权利要求18中所要求保护的方法，其包括将所述第一信道的位置标识为所述大幅度应变的位置。

20.如在权利要求17至19中任一项中所要求保护的方法，其包括使根据所述质询输出的质询辐射的偏振状态周期性变化。

21.如在权利要求17至19中任一项中所要求保护的方法，其包括在至少一个限定位置处将受控制的调制应用到所述感测光纤。

22.如在权利要求21中所要求保护的方法，其中应用所述受控制的调制包括由机械致动器将受控制的应变施加到所述感测光纤。

23.如在权利要求21中所要求保护的方法，其中应用所述受控制的调制包括由偏振调制器将受控制的偏振调制应用到在所述感测光纤中行进的质询辐射。

24.如在权利要求21中所要求保护的方法，其包括在多个不同的限定位置处循序地应用所述受控制的调制。

25.如在权利要求21中所要求保护的方法，其包括使输入到所述感测光纤中的质询辐射的偏振状态变化，同时所述受控制的调制在所述限定位置中的至少一个处被应用到所述感测光纤。

26.如在权利要求25中所要求保护的方法，其包括检测与在所述限定位置处所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记，以及确定与同该受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态。

27.如在权利要求25中所要求保护的方法，其包括随时间的推移来检测与同在限定位置处所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态中的任何变化。

28.如在权利要求27中所要求保护的方法，其包括将与同第一限定位置处所应用的受控制的调制相关联的第一特征标记的最小幅度相对应的偏振状态中的任何所检测到的变化标识为指示作用于所述第一限定位置上游的感测纤维上的应变中的改变。

29.如在权利要求28中所要求保护的方法，其包括调节在第一限定位置上游的第二限定位置处所应用的受控制的调制，以便补偿所述偏振状态中所检测到的变化。

30.如在权利要求17至19中任一项中所要求保护的方法，其中所述感测光纤被沿着以下各项中的至少一个部署：管道的路径；交通网络的至少部分的路径；铁路的路径；边界或周界；在关注地质构造附近；在储层附近；以及沿着功率线缆的路径。

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