CN110462344A - 用于分布式传感的线缆 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光纤线缆（104、300），适合于供分布式光纤传感器装置（106）使用。该光纤线缆包括至少一个光纤(301)和机械地耦合到至少一个光纤的力变换器(304)。线缆还可以包括至少一个包层(302)和/或顺应材料(303)。线缆可以被护套层(306)包围。力变换器(304)被配置成将由于由线缆的温度变化引起的线缆的尺寸改变而产生的横向力变换成纵向力，以在调谐的温度范围内抵消所述尺寸变化的纵向分量。以这种方式，可以减少或消除由于温度改变引起的光路长度的改变，从而提供对温度不敏感的线缆。

Description

用于分布式传感的线缆

技术领域

本申请涉及光纤线缆及其制造方法，所述光纤线缆适用于光纤传感，特别是用于光纤分布式声学传感。

背景技术

光纤分布式声学传感(DAS)是一种已知类型的传感，其中光纤被部署为传感光纤并且采用电磁辐射被询问，以提供沿其长度的声学活动的传感，即作用在传感光纤上的动态应变。通过分析从光纤内反向散射的辐射，光纤可以有效地分成多个离散的传感部分，这些传感部分可以是（但不是必须）连续的。在每个离散的传感部分内，光纤的机械扰动（例如由于入射声波引起的动态应变）会导致从该部分反向散射的辐射属性的变化。该变化可以被检测和分析并用于给出在该传感部分处光纤的扰动强度的度量。因此，DAS传感器可以有效地用作光纤的声学传感部分的线性传感阵列。

因此，这种DAS传感器通常执行对传感光纤的重复询问，其中每个询问涉及将至少一个相干光辐射脉冲发送到光纤中并检测来自DAS传感器的传感光纤（也称为信道）的多个传感部分中的每一个的反向散射光的强度。在一种类型的DAS传感器中，监视响应于对传感光纤的单独询问的来自给定信道的瑞利反向散射的强度，以确定作用在光纤上的任何声学激励，并且在一个示例中，每个询问涉及发起相干询问辐射的单个连续脉冲。来自光纤的反向散射将取决于在光纤内固有散射点的分布，其将沿光纤的长度有效地随机地变化。因此，来自任何给定询问脉冲的反向散射强度将表现出从一个传感部分到下一个传感部分的随机变化，但是，在没有任何环境激励的情况下，来自任何给定传感部分的反向散射强度对于每次重复询问应该保持相同（假设询问脉冲的特性保持不变）。然而，作用于光纤的相关传感部分的环境激励将导致光纤的该部分的光路长度改变，例如通过光纤的相关部分的拉伸/压缩和/或折射率调制。由于来自光纤的传感部分内的各个散射位的反向散射会干扰以产生所得到的强度，因此，光路长度的改变将改变干扰程度并因此导致反向散射强度的改变。可以检测这种强度改变并将其用作作用在光纤上的扰动（诸如入射声波）的指示。

在另一种类型的DAS传感器中，处理反向散射信号以确定相位改变。在一个示例中，每个询问涉及将不同光学频率的相干辐射的两个脉冲发起到光纤中。这意味着在检测器处接收的瑞利反向散射包括来自两个脉冲的反向散射，这将会出现干扰，因此将存在脉冲之间的频率差处的信号分量。如果这两个脉冲在光纤中在空间上分离，那么作用在光纤上在光纤的脉冲从其中反射的部分之间的环境扰动能够导致光路长度改变。这继而将在该差频处产生信号的相位改变，这可以被认为是载波频率处的信号。通过适当选择载波频率和处理检测到的信号，这种相位改变可能与作用在光纤上的扰动幅度有关。同样，询问辐射的特性（即两个脉冲的频率和持续时间）将对于每个询问通常是相同的。这种基于相位的DAS系统可以提供由入射激励引起的实际相移量的指示，并因此提供任何扰动的幅度的定量度量。

上述类型的DAS传感器已经被针对许多应用有用地提出，诸如监视周界或边界或线性资产（诸如管道等）以用于入侵者检测或篡改。对于许多这样的应用，使用常规光纤的DAS传感器对检测感兴趣的事件就足够灵敏。

基于瑞利反向散射器的分布式光纤传感器也可以用来检测由动态温度变化引起的光路长度的改变，并且已经提出了使用这样的传感器用于监视温度改变。由于尺寸改变和/或折射率变化，光纤线缆的温度变化可导致光纤的有效光路长度的变化。这些热引起的改变导致DAS装置的测量信号的类似变化，这也将导致光纤上的动态应变。由于线缆的物理干扰（例如，动态应变）而引起的传感光纤线缆中的扰动和由于热膨胀或收缩（例如，动态温度变化）而引起的扰动的测量因此在常规的DAS系统中与彼此不可区分。由于DAS系统往往用部署在（例如高达40千米左右）大距离的传感光纤实现，在传感光纤的一个部分到下一个部分中存在显著的温度改变。对于其中感兴趣的是低频应变测量的DAS传感器来说，这种温度引起的变化可以表示不想要的错误信号，即信号噪声。

发明内容

本公开的实施例涉及光纤线缆，其对分布式声学传感是有用的，其至少减轻上述提到的问题中的至少一些问题。

因此，根据本发明的一个实施例，提供了一种光纤线缆，包括：至少一个光纤，和与所述至少一个光纤机械耦合的力变换器；其中，力变换器被配置成将由于由线缆的温度变化而产生的线缆的尺寸改变而引起的横向力变换为纵向力，以在调谐的温度范围内抵消所述尺寸改变的纵向分量。

本发明的实施例因此提供了一种适合于分布式声学传感的光纤线缆，其至少在调谐温度范围内具有对温度变化的低敏感度，并且在某些情况下，其可以提供对调谐温度范围的至少部分内的温度变化不敏感的传感信号。如果光纤线缆的一部分经历了温度变化，则线缆的材料将趋于由于温度的改变而膨胀或收缩。通常，这可能导致传感光纤长度的改变，因此导致光路长度的改变，这可以通过合适的分布式声学传感询问器单元来检测。然而，在本发明的实施例中，由于由温度改变引起的线缆材料的尺寸改变而产生的力导致由力变换器生成的反作用力。这可以减小或消除光路长度的任何改变的幅度，并且从而降低了对温度变化的敏感度。

在一些实施例中，光纤线缆可以包括机械地耦合到至少一个光纤的顺应芯材料，使得作用于该顺应芯材料上的纵向力引起在至少一个光纤中的纵向应变。顺应芯材料可具有正的热膨胀系数。在一些实施例中，至少一个光纤耦合到缓冲材料，并且缓冲材料耦合到顺应芯材料。力变换器可以经由顺应芯材料耦合到至少一个光纤。例如，力变换器可以在多个锚定点处接合到顺应芯材料和/或锚定到顺应芯材料。在一些实施例中，力变换器可以至少部分地嵌入有顺应芯材料。力变换器可以比顺应芯材料更硬。在一些实施例中，顺应芯材料包括挤出尼龙。

在一些实施方式中，力变换器的硬度被相对于光纤线缆的热膨胀系数来配置，使得在调谐的温度范围内的温度变化导致小于或等于5％的光纤线缆的有效光路长度的变化。力变换器的硬度可以相对于光纤线缆的热膨胀系数来配置，使得在调谐的温度范围内的温度变化导致光纤线缆的有效光路长度基本上没有改变。

力变换器可包括编织构件。力变换器可包括至少一个螺旋盘绕构件。螺旋盘绕构件可以盘绕在顺应芯构件（如果存在的话）。螺旋盘绕构件的螺旋角度大约为50到70度。螺旋盘绕构件的螺旋角度可以大于5度。螺旋盘绕构件的直径可以在1至10mm的范围内。

光纤线缆的至少一个部分可以包括多个力变换器，每个力变换器包括螺旋缠绕盘绕构件。至少一个螺旋缠绕盘绕构件可以在与另一个螺旋缠绕盘绕构件相反的方向上缠绕。至少一个螺旋缠绕盘绕构件可以与另一个螺旋缠绕盘绕构件交错。

力变换器可包括金属材料。力变换器可包括成形的钢构件。该光纤线缆中的钢的体积百分比可以是基本上10％。

光纤线缆可以包括第一护套层和至少一个光纤，并且至少一个力变换器可以被设置在该第一护套层内。力变换器的至少一部分可以耦合到第一护套层。力变换器和顺应芯材料可以设置成可相对于第一护套层可移动。

在另一方面，提供了一种具有纵向轴的光纤线缆，其包括：至少一个光纤；和力变换器，其机械地耦合到至少一个光纤，使得作用在力变换器上的横向力在至少一个光纤中引起纵向力，其中力变换器被配置成使得响应于光纤线缆因温度变化而相对于纵向轴的横向尺寸改变，力变换器引起沿着纵向轴对光纤线缆的反作用力，以使得显著减小至少一个光纤的有效光路长度的变化。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考附图来描述本发明，附图中：

图1图示DAS传感器装置；

图2图示常规光纤线缆结构；

图3图示根据实施例的光纤线缆结构的实施例；

图4图示力变换器的原理，该力变换器用于将由于热效应引起的横向尺寸改变变换成纵向力；

图5a和5b图示力变换器的另外两个示例；

图6图示其他类型的可能的力变换器；

图7a和7b图示使用常规的光纤线缆和根据实施例的线缆的一些测试结果。

具体实施方式

本公开的实施例涉及适合用于光纤传感（例如分布式声学传感(DAS)）的光纤线缆，其具有对温度变化的期望的或调谐的热响应和这种线缆的使用。

图1示出了分布式光纤传感装置的示意图。一段光纤104在一端可移除地连接到询问器106并用作传感光纤。来自询问器106的输出被传递到信号处理器108，该信号处理器108可以与询问器位于一处或者可以远离询问器，并且可选地是用户接口/图形显示器110，其实际上可以由适当指定的PC来实现。用户接口可以与信号处理器位于一处或者可以远离信号处理器。

传感光纤104可以是在长度上几千米，并且在一些应用中可以是在长度上几十千米。在常规的DAS中，传感光纤可以是标准的、未经修改的单模光纤，诸如在电信应用中惯常使用的而不需要故意引入的反射位点，诸如布拉格光栅光纤等。通过用可能包含多于一个光纤的线缆结构包含光纤来保护该光纤。

在使用中，包括传感光纤104的光纤线缆被部署在待监测的感兴趣的区域。在操作中，询问器106将询问电磁辐射发起到传感光纤中，所述电磁辐射可以例如包括具有选定频率模式的一系列光学脉冲。光学脉冲可以具有如GB专利公开GB2442745中所描述的频率模式或诸如W02012/137022中描述的光学特性，这些内容通过引用并入于此，尽管依赖于单个询问脉冲的DAS传感器也是已知的并可能已被使用。注意，如本文所用的，术语“光”不限于可见光谱，并且光辐射包括红外辐射和紫外辐射。如GB2442745和W02012/137022中所述，瑞利反向散射现象导致输入到光纤中的光的一部分被反射回询问器，其在询问器处被检测以提供表示在光纤附近的声学扰动的输出信号。因此，询问器方便地包括至少一个激光器112和至少一个光学调制器114，其用于产生由已知的光学频率差分开的多个光学脉冲。询问器还包括至少一个光电探测器116，其被布置成检测从光纤104 内的固有散射位点瑞利反向散射的辐射。瑞利反向散射DAS传感器非常有用，但是基于布里渊（BRILLOUIN）或拉曼（RAMAN）散射的系统也是已知的。

来自光电检测器的信号被信号处理器108处理。信号处理器基于光学脉冲之间的频率差方便地解调所返回的信号。处理器可以处理检测到的反向散射，例如，如在GB2442745，W02012/137021或W02012/137022中任一项所述。信号处理器还可以应用相位去卷叠（unwrap）算法。因此可以监视来自光纤的各个部分的反向散射光的相位。如前所述，因此可以检测给定光纤段内有效光路长度的任何改变。

光输入的形式和检测方法允许单个连续光纤在空间上分解成离散的纵向传感部分。也就是说，在一个传感部分处传感的声学信号可以基本上独立于相邻部分处的传感信号来提供。请注意，术语声学应理解为意为在光纤上生成的任何类型的压力波或机械扰动或变化的应变，并且为避免疑义，术语声学将在说明书中用于包括地震信号和波或其他类型振动。如本说明书中所使用的，术语“分布式声学传感”将被理解为意为通过光询问光纤来进行传感，以提供沿光纤纵向分布的多个离散声学传感部分，并且术语“分布式声学传感器”应被相应地解释。

这样的传感器可以被看成是完全分布式的或本征传感器，因为它使用在光纤中固有处理的本征散射，并且从而将传感功能分布贯穿整个光纤。

图2一般地图示了已知类型的光纤线缆200的一个示例，其可用于提供所述传感光纤。图2图示了通过光纤线缆的横截面。光纤线缆200包括至少一个光纤201，其典型地将包括芯和包层以及如本领域技术人员可以很好地理解的可能的光纤护套。在一些应用中，可以有多于一个光纤201。（一个或多个）光纤201可以位于用于保护光纤的缓冲材料202内。在一些光纤线缆中，缓冲体可以是紧密接合到线缆的（一个或多个）光纤的材料，但是已知包括凝胶填充的线缆的其它设计，其中凝胶提供缓冲材料。在该示例中，缓冲材料203被铠甲层203 包围。可以提供铠甲层203以提供对（一个或多个）光纤201的加强和保护。在一些应用中，铠甲层可以是金属层并且可以包括例如钢或类似材料的管。然而，在一些应用中，希望线缆具有一定的柔韧性，而钢管将过于不可弯曲。在这种情况下，线缆可包括柔性铠甲层，诸如芳纶层或编织金属防护物。

芳纶或编织金属层将紧密缠绕，以形成有效连续的铠甲层，以在所有侧面保护光纤并与缓冲层结合，以保护光纤层在受到例如拉动线缆的纵向力的情况下不会过度伸展。可以提供外部护套材料204以给予环境保护，例如使线缆不透水和/或不透气。

本领域技术人员应当理解，还存在各种各样的光纤线缆设计，并且在其它设计中，可以有附加的铠甲层或可以根本没有铠甲。在一些设计中，可以有中心强度构件，诸如沿着线缆轴线的路径延伸的金属杆或金属线。另外还可以有更多的缓冲层和/或护套层。

诸如参照图2所描述的光纤线缆200可在DAS的许多应用中被有用地采用。

然而，如上面提到的，如果光纤线缆200用于DAS应变传感，线缆也将由于由导致物理长度变化的膨胀/收缩引起的温度变化和/或折射率的变化而产生信号。典型的光纤线缆具有正热膨胀系数。例如，在一些可用于DAS的光纤线缆中，温度改变可能会导致每摄氏度每米约100弧度的后向散射信号的改变。因此，当光纤线缆的温度降低时，光纤线缆的直径和长度也将减小。光纤线缆的减小的尺寸导致在光纤线缆传感部分的有效光路长度的改变，其继而导致用于该传感部分的测量信号中的变化。当线缆温度升高并经历热膨胀时，会发生类似的可检测的改变。

本公开的实施例因此涉及光纤线缆，其中所述光纤线缆包括机械地耦合到光纤的力变换器，以大大减少由于线缆的相关传感部分的温度的改变而引起的线缆的传感部分的有效光路长度中的任何变化。力变换器通过将由于由温度变化引起的光纤线缆材料的尺寸改变而产生的径向或横向力变换成纵向力而实现该效果。如上所述，因为典型的光纤线缆具有正热膨胀系数，那么，降低温度通常会导致具有随着线缆材料的收缩而在长度和直径上的所得到的减小的光纤线缆收缩。在包括力变换器的实施例的光纤线缆中，随着温度降低，光纤线缆的直径将趋于减小，即收缩。力变换器被配置成将这种径向收缩力变换成纵向拉伸力。因此，力变换器的存在导致趋向于这种径向收缩，其导致趋向于使线缆在纵向方向上增加（即膨胀）的力。该纵向力至少部分地抵消了由于温度降低而引起的纵向收缩，并因此减小了对有效光路长度的所产生的影响。当温度升高且线缆的直径膨胀时发生相反的效果，即，力变换器导致趋向于使光纤线缆的长度收缩的力。以这种方式，当与在常规光纤线缆中的温度改变的影响相比时，在线缆中的有效光路长度的变化显著降低。

因此，在一些实施例中，光纤线缆包括具有机械耦合到光纤的力变换器的至少一个光纤，以使得由于光纤线缆的热膨胀/收缩而作用于力变换器上的横向力引起倾向于抵消（即抵抗）纵向热膨胀/收缩的纵向力。这可以减少由温度改变（至少在第一温度范围内）引起的光纤的传感部分的有效光路长度变化，并且在一些实施例中，力变换器可以大大消除在第一温度范围内光路长度的任何改变，从而提供了对第一范围内的温度变化基本上不敏感的光纤线缆。

请注意，如本文所使用的，术语“抵消”应用于表示抵抗相关的力或尺寸改变或与其相反。在某些情况下，反作用力可以基本上等于与它相反的力，从而有效地抵消该力。然而，在某些情况下，反作用力可能小于与它相反的力，因此不能完全抵消该力，或者在某些情况下，反作用力可能大于与它相反的力，从而导致在相反的方向上的小的尺寸变化。

如上面所提到的光纤线缆可包括许多层，诸如缓冲体202和铠甲层203。在一些实施例中，力变换器被机械地耦合到这些层中的至少一个。力变换器被配置为针对给定的径向尺寸变化施加预定的力转移，该力转移适合于光纤线缆所使用的材料的热膨胀属性。

图3图示根据实施例的光纤线缆300的透视剖视图。该光纤线缆包括至少一个光纤301。为清楚起见在图3中只示出了一个光纤301，但是应当理解，光纤线缆可以包括多个光纤。如本领域技术人员所理解的，每个光纤301可包括芯和包层。该光纤还可以包含至少一个光纤护套材料。

（一个或多个）光纤301可耦合到紧缓冲材料302，其自身可以被耦合到顺应芯材料303。光纤301和顺应芯材料303之间的耦合使得施加到顺应芯材料的动态纵向应变引起光纤中的纵向应变。换句话说，顺应芯材料303的纵向位移将导致任何缓冲材料302和相应光纤301的纵向位移。因此，光纤301将不会在芯材料303或缓冲体302内显著滑动，至少对于由DAS的感兴趣的频率的压力波产生的动态应变是这样的。在一些实施例中，顺应芯材料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302可以是凝胶或凝胶状材料。各种凝胶缓冲材料对于光纤线缆是已知的。顺应芯材料303的较突然的纵向移动将会引起凝胶缓冲材料中的纵向移动，该纵向移动将被传递到嵌入的光纤301。因此，凝胶缓冲体可以提供上述的耦合。然而，如果光纤线缆经历相对大和缓慢的（即低频的）应变，诸如例如可能在光纤线缆安装或处理期间经历，那么凝胶缓冲材料就可以缓和光纤所经历的应变。因此，使用凝胶缓冲材料可以有助于降低在安装和处理期间损坏的风险，同时仍然提供在感兴趣的频率处的良好的耦合。基于常规设计（即没有力变换器）的凝胶缓冲的光纤线缆先前已被用作DAS传感光纤并对入射纵向波有良好表现，从而表现出在感兴趣的声频处在光纤、凝胶缓冲体和外部线缆层之间的良好的耦合。

机械地耦合到顺应芯材料303的是至少一个力变换器，在该实施例中，该力变换器包括缠绕顺应芯材料303的编织构件304。编织构件304可以耦合到顺应芯材料303以有效地抓住顺应芯材料303，使得顺应芯材料303与力变换器（即编织物304）一起移动。然而，在一些实施例中，力变换器可以附加地或替代地在各锚定点处锚定到顺应芯材料303，并且/或者至少部分编织构件304可以嵌入顺应芯材料303内。在该示例中，编织构件304以通常螺旋的方式围绕纵向线缆轴线305盘绕，并且由至少一个线缆护套材料306围绕。

编织构件304与顺应芯材料303和缓冲材料302（如果存在）相比具有相对硬度，这意味着编织构件304是可变形的，并且由于编织构件的螺旋缠绕，响应于由于温度改变引起的径向尺寸改变，编织构件变形以抵消纵向尺寸改变，如图4所示。

图4图示了具有编织构件304的一个完整绕组的光纤线缆300的截面。图4图示了如从垂直于纵向线缆轴线的方向（即横向方向或径向方向）所见的编织构件304的路径。从这样的视图中可以看出，编织构件304具有相对于线缆纵向轴线凸出的形状，即具有在横向方向上从线缆轴线向外凸出或弯曲的形状。当然，应当理解，如果编织构件304围绕线缆轴线盘绕，则线圈与线缆轴线的径向距离可以基本恒定。然而，当从给定（固定）横向方向观察时，编织构件304的路径（或至少在平行于线缆轴线的平面中的路径的投影）具有相对于线缆轴线的通常曲折或蛇形的路径，其限定凸形形状。换句话说，力变换器的形状使得力变换器在第一（固定）横向方向上与线缆轴线的距离（例如，距离的x轴分量）会沿着线缆轴线（例如，z轴）变化。这意味着施加到编织构件304的横向力至少部分地变换成纵向力，这导致了力变换器的纵向长度的改变。

图4a图示了具有力变换器304的光纤线缆的截面。图4a图示在第一恒定（即稳定）状态、温度T1、第一长度L1和直径D1的光纤线缆的截面。如上所述，光纤301和顺应材料303共同具有正的热膨胀系数，并且因此随着温度的升高而膨胀，并在温度降低时收缩。图4b图示了光纤线缆的截面在没有力变换器304时可以如何在温度下降时收缩。图4b（以放大的形式）表示如果在没有力变换器304的情况下光纤线缆的该截面的温度达到低于T1的新的稳定状态温度T2时所产生的情形。可以看出，光纤线缆的截面可以在长度（到L2）和直径(D2)二者上收缩。

图4c图示了力变换器304对横向（即径向）压缩力（没有任何外部施加的纵向力）的影响。收缩导致线缆的直径减小，例如减小到直径D2。由于力变换器304的螺旋形状，线缆的减小的直径迫使力变换器304变形，其趋向于增加纵向轴线中的线缆尺寸，即，该截面的长度扩展到L3。

图4d图示了在具有力变换器304的光纤线缆中的热收缩的效应。由于热效应引起的顺应材料303的径向收缩导致由力变换器施加纵向力，其抵消纵向收缩，结果，截面的长度保持基本不变在L1处。以这种方式，由热效应引起的光纤线缆的有效光路长度的变化被大大减小，并且可以基本上被消除，即，光纤线缆至少在一定的温度范围内被温度补偿。

图4图示了各种效应的相对简单的图，并且在实践中，会出现力变换器和光纤线缆的材料之间的相互作用，其也可以起作用以减少尺寸改变，并且各种力可以趋于平衡并且消除至少一些效应，以减少有效光路长度的变化。

应当指出的是，在实践中可能存在由于温度变化而引起的折射率的变化，并且因此光纤线缆的截面的物理长度可以随温度略微变化，但是光路长度没有显著改变。然而，随温度而产生的物理长度改变通常是对光路长度的主要影响。

应当理解，并入力变换器的光纤线缆300将不一定针对所有的温度进行温度补偿。编织构件304和顺应芯材料的属性将确定线缆被补偿的温度的范围，即在其内温度的任何变化基本上不改变有效光路长度的温度范围。特别地，编织构件的硬度将确定线缆被补偿的温度范围。编织构件的硬度与制造编织物的材料有关，但也与编织构件的形状和结构有关。在一些实施例中，编织物可呈现螺旋缠绕构型。因此，螺旋缠绕和螺旋角度将对编织构件的硬度有贡献，进而对线缆不敏感的温度范围有贡献。DAS系统可以用于具有不同温度范围的各种环境中。因此，应当理解，力变换器的具体硬度将导致适合于特定环境的针对指定温度范围被补偿的线缆，并且变化硬度可以变化指定温度范围。

线缆应理想地足够硬以在没有过多拉伸的情况下安装。在一些实施例中，顺应芯材料可以不是连续的同质材料但可具有空腔或其它内部特征，使得体硬度可以适合于相关应用和光纤线缆的热膨胀系数。例如，顺应芯材料可以是具有孔和/或轮辐的挤出形状。芯材料还应该足够刚性，以免在部署时在周围介质的任何稳定状态压力下过度塌陷。

力变换器的螺旋角度应该被布置成为力变换器提供所需的机械优势，但也被选择为在顺应芯上提供针对由于温度变化而引起的径向尺寸改变的显著的纵向力。螺旋角度越接近90度，纵向硬度将越大。在一些实施例中，螺旋角度可以大于约5度。在一个实施例中，螺旋角度可以是大约基本上60度，比如说在50-70度的范围内。注意，如本文所使用的，术语螺旋角度是指螺旋结构对圆周线的角度。

力变换器的直径可以相对低，从而可以使线缆结构的总直径相对低。例如，力变换器的直径可以是大约5至10mm。在某些情况下，线缆的总直径可以是大约6至10mm。然而，如果需要，也可以使用较小直径的力变换器和较小直径的顺应芯来构造较小直径的线缆，例如，已经制造出低至约1mm的线缆直径。然而，在一些应用中（例如，对于水听器），较大直径的线缆结构可能是有利的，并且可能希望使用较大直径的力变换器结构。

力变换器的编织构件304可以方便地包括金属材料，例如钢。如上所述，编织构件可以比顺应芯和光纤更硬，而仍然对由于温度变化的横向力可变形。钢可以提供所需的属性，并且可以在线缆制造期间相对容易地工作以形成卷绕结构。不锈钢坚硬、耐腐蚀、易于获得且合理地便宜，并且出于不同原因已经用于线缆制造。然而，诸如玻璃纤维或碳纤维之类的其他材料也可能潜在地被用于一些线缆设计中，并且可能是诸如镍钛诺的超弹性材料。在一些实施例中，编织构件可以由包括具有不同属性的材料的合金形成。材料及其比例可以被选择为适合力变换器在不同温度范围内的总体响应，例如以适应线缆可能对温度变化不敏感的温度范围。

顺应芯材料应该适当地顺应，以便与力变换器一起移动，但也应该适合于将引起的应变传递到光纤或缓冲材料。一种合适的顺应芯材料可以是已经在一些光纤线缆构造中使用的挤出尼龙。如上所述，顺应芯材料应具有对于所需应用足够的硬度，并且在某些情况下可具有非均质结构。在一些实施例中，例如可以使用闭孔泡沫材料，并且例如可以控制孔隙分数以针对所需应用调节硬度。也可以使用其他聚合物材料。

根据本发明的光纤线缆制造可因此涉及最初在使用已知的缠绕技术围绕芯材料缠绕合适的材料（诸如钢丝）之前，使用各种常规的制造技术在诸如挤出尼龙的芯材料中以紧包缓冲层配置产生一个或多个光纤。然后，可以使用已知的制造技术将具有周围螺旋盘绕构件的芯材料封装在一个或多个外部护套材料中。如上所述，外部护套被布置成向盘绕构件施加任何外部压力，但基本上避免了直接向顺应芯施加压力。总体线缆结构应该优选地足够硬以在没有对线缆过多拉伸的情况下安装，所述拉伸可能会潜在地导致对（一个或多个）光纤的损坏。在一些实施例中，可以在光纤线缆中并入强度构件以限制光纤的总体纵向延伸程度，从而防止在处理和安装时在可能经历相对高的纵向力的情况下对光纤线缆、并且特别是对光纤的损坏。此外或替代地，用于限制线缆的延伸的拉绳或其他装置可以附接到或形成在线缆结构内。

在实践中，可以针对特定应用和/或与线缆结构的其他部件的兼容性来选择各种材料属性。如上所述，在一些情况下，力变换器可以至少部分地由钢形成。钢具有比用于光纤线缆的常规聚合物高得多的硬度，并且通常是这种常规聚合物的大约100倍硬。这意味着根据力变换器的形状（例如螺旋角），线缆结构中的主要硬度需要较小比例的钢。常规聚合物的热膨胀系数大于钢的热膨胀系数，例如是大约8倍大。因此，为了生产包括编织构件的合适的经温度补偿的线缆，线缆体积组合物可仅包含相对低百分比的钢。钢的自然硬度与编织构件的适当螺旋角度相结合可以产生具有相对低百分比体积钢的经温度补偿的线缆。在实施例中，包括钢编织构件的光纤线缆可以包括占线缆聚合物一定比例的钢，即，按体积约10％的比例。

应该理解，先前已经提出了缠绕有金属材料的光纤。例如，如上所述，金属编织物先前已被用于常规光纤线缆的铠装。然而，在这种线缆中，编织物已经紧密地缠绕并紧密地交织，并且因此不被配置成可与顺应芯一起变形，以将由于温度变化引起的径向变形转换成纵向变形。在常规光纤线缆中，任何这样的编织物都被配置成具有有限变形，并且不提供机械优点，且不用作力变换器。

图3图示了以连续螺旋缠绕的单个盘绕构件304。然而，应该理解，也可以使用各种其他布置。例如，在光纤线缆的不同部分处可能有不同的螺旋部件。不可能针对光纤线缆的整个长度提供一个单一的连续螺旋盘绕的构件，因此，不同长度的光纤可以被提供有不同的盘绕螺旋构件。在一些实施例中，给定长度的光纤线缆可具有多于一个力变换器，例如多于一个的螺旋盘绕构件。例如，如图5a所示，可以在一个方向（例如顺时针方向）上为给定长度的线缆绕组提供至少一个螺旋盘绕构件304a，并且可以在相反方向（例如逆时针方向）上为相同长度的光纤绕组提供另一个螺旋盘绕构件304b。

此外或替代地，一个螺旋盘绕构件304c可以与另一个螺旋盘绕构件304d交错，以相同意义上的绕组。如上所述，螺旋绕组角度可以被选择成提供具有期望的经补偿的温度范围的线缆。因此，这将限定给定直径的顺应芯材料303的螺旋节距。在一些情况下，提供多于一个的螺旋绕组有助于确保将由热效应导致的局部径向尺寸改变至少部分地变换为纵向长度改变。例如，如果螺旋结构的直径D约为8mm，螺旋角度a约为10°，那么螺旋节距约为4.4mm（基于节距=π.D tan(a)）。可能希望力变换器的元件以小于4.4mm的间距沿着顺应芯的一侧，并且因此两个或更多个螺旋结构可以相互缠绕。

缠绕在顺应芯材料外侧的螺旋缠绕的力变换器具有上述优点，并且可以相对容易地制造。然而，在一些实施例中，存在可以使用的其他力变换器设计。图6图示了一些示例。

在一些实施例中，可以使用一个或多个螺旋力变换器，其不环绕顺应芯材料303或甚至（一个或多个）光纤301。例如，螺旋力变换器601a可以相对于平行于线缆轴线的轴线螺旋缠绕，但是布置在光纤301的一侧，例如嵌入在顺应芯材料303内。至少一个其他类似的螺旋力变换器601b可以布置在（一个或多个）光纤的另一侧，以在（一个或多个）光纤两侧提供均匀的变换。

在一些实施例中，具有凸形形状的一个或多个力变换器可以锚定到顺应芯材料的外部。例如，力变换器602在点603和604处锚定到顺应芯材料，点603和604在纵向上彼此分离并且包括在锚定点之间延伸的通常弯曲的元件，使得力变换器的总长度大于纵向间隔。由于温度变化引起的向内径向力将趋向于使力变换器变形，从而迫使锚定点分开。力变换器605是类似的并且在点606和607处锚定，但是包括两个通常笔直的杆，其可以例如在枢转点处连接。顺应芯的外部可以被若干这样的力变换器围绕，以便可以对由于热效应引起的径向尺寸改变做出响应，并且力变换器可以耦合到力板以得到均匀的力分布。力变换器609有些类似，但嵌入在顺应芯材料302内。

为了证明力变换器在减少热膨胀效应对有效光路长度的影响，进行了实验。图7a和图7b示出了从DAS传感光纤获得的测量信号的光相位对时间的曲线图。图7a示出了当常规光纤线缆（即没有力变换器）经受施加制冷剂时的结果，在这种情况下冷冻喷雾进行约300毫秒。参考图7a，在大约5500毫秒处施加制冷剂。如所见，发生约310弧度的光相位的急剧下降。光相位的下降产生于由于热收缩而引起的光纤线缆直径和长度减小而致的光路长度减小。随着线缆温度升高回到环境温度并且其由于热膨胀而膨胀，有效光相位然后增加回到原始值。

相反，图7b示出了当根据实施例并且包括力变换器的线缆在约1800毫秒经受施加制冷剂（即冷冻喷雾）时的结果。在这种情况下，来自线缆的测量信号的光相位增加，但仅增加约17弧度。当与常规的光纤线缆相比时，这示出了光相位显著减少约95％。光相位的这种减小的变化是由于力变换器的效应引起的。当线缆的直径由于降低的温度而收缩时，力变换器产生延伸线缆长度的反作用效应，从而大大减小了有效光路长度的改变。

在图7b中可以看出，在大约2000毫秒时，光相位回到其初始值，然而它然后继续减小，显示出负的光相位。这是由于测试的线缆内的凝胶缓冲体的作用。将冷冻喷雾施加到线缆的外部引起相对突然的收缩力，该收缩力通过应变变换器的作用被抵消并且实际上在短时间尺度上导致影响光纤的一些纵向膨胀。该线缆的光纤在初始施加冷冻喷雾后在凝胶内松弛，使光相位回到其初始值。随后，随着时间的推移，线缆的内部热量朝向线缆的较冷外表面扩散。这种热扩散降低了光纤的温度并使光纤收缩，从而减小了有效光路长度，产生了负光相位。光相位减小到约-25弧度的最小值。

凝胶缓冲体趋向于为从外部线缆结构赋予光纤的动态长度改变提供一种高通滤波效应。因此，在没有针对图7a测试的应变变换器的线缆和具有针对图7b测试的应变变换器的线缆二者中的光纤将经历导致突然的长度变化的冷冻喷雾，但是应变变换器的存在大大降低该效应。随后，对于线缆内较慢的热均衡，凝胶的存在趋向于降低应变变换器和外部线缆对光纤的影响，这意味着在图7b的示例中（相位的初始变化大大减少）光纤的随后收缩由于其自身冷却而仅部分地被外部线缆的改变所抵消，并且因此存在相位的显著变化，其导致光相位变为负的。然而，总体而言，路径长度改变在任一方向上都比图7a示例中的低很多。当然应理解的是，在一些线缆设计中可以消除凝胶缓冲体以减少或消除这种影响，或者可以使用具有更好的低频耦合的凝胶。

图7b示出清楚的证据，具有合适的力变换器的光纤线缆可提供大大减小的由于热效应引起的有效光路长度的变化。

应当理解，在本申请中公开的包括力变换器的光纤线缆的实施例，在一些情况下，不能完全取消有效光路长度的任何变化。如上所述，当线缆改变温度时，光纤的折射率也会改变，从而更改了有效光路长度，并且在一些情况下，可能不可准确地消除这两种效应。然而，与没有力变换器的常规光纤相比，有效光路的任何改变都可以大大减少。公开的力变换器的实施例提供了一种光纤线缆，其中可以大大减小由于热效应导致的尺寸改变对有效光路长度的影响。

对热效应基本上不敏感的光纤线缆提供各种优点。这种线缆可以有效地用于许多DAS应用中，特别是在预期线缆周围的环境可能经历相对显著或频繁的温度改变的情况下。使用这种线缆可以避免不期望的温度效应被错误地误认为是感兴趣的应变信号或掩盖了感兴趣的应变信号（尤其是低频的应变信号）的任何问题。

将有益的一个应用将是通过压力改变测量海浪高度，其中海水温度的影响被消除。另一个示例将是安装在围栏和周界上的光纤线缆，这样线缆几乎没有经受来自对围栏和周围环境的温度改变的热扰动。另一个示例将是理解井下信号的发源，例如在油井或气井或观察井眼中等。存在将受益于不会从由于热效应而引起的尺寸变化产生信号的线缆的大量的DAS应用。

应当注意，上述实施例是说明性的而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求范围的情况下设计出许多替换实施例。词语“包括”不排除权利要求中列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干单元的功能。权利要求中的任何附图标记不应被解释为是限制其范围。

Claims (28)

1.一种光纤线缆，包括：

至少一个光纤，以及

力变换器，其机械地耦合到所述至少一个光纤；

其中，所述力变换器被配置成将由于由线缆的温度变化引起的线缆的尺寸改变而产生的横向力变换为纵向力，以在调谐的温度范围内抵消所述尺寸改变的纵向分量。

2.根据权利要求1所述的光纤线缆，其中，所述光纤线缆包括机械地耦合到所述至少一个光纤的顺应芯材料，使得作用于所述顺应芯材料上的纵向力在至少一个光纤中引起纵向应变。

3.根据权利要求2所述的光纤线缆，其中，顺应芯材料具有正热膨胀系数。

4.根据权利要求2或3所述的光纤线缆，其中，至少一个光纤被耦合到缓冲材料，并且缓冲材料被耦合到顺应芯材料。

5.根据权利要求2至4中任何一项所述的光纤线缆，其中力变换器经由所述顺应芯材料耦合到所述至少一个光纤。

6.根据权利要求2至5中任何一项所述的光纤线缆，其中力变换器被接合到所述顺应芯材料。

7.根据权利要求2至6中任何一项所述的光纤线缆，其中，所述力变换器在多个锚定点锚定到所述顺应芯材料。

8.根据权利要求2至7中任何一项所述的光纤线缆，其中，所述力变换器至少部分地嵌入有所述顺应芯材料。

9.根据权利要求2至8中任何一项所述的光纤线缆，其中，所述力变换器比所述顺应芯材料更硬。

10.根据权利要求2至9中任何一项所述的光纤线缆，其中，所述顺应芯材料包括挤出尼龙。

11.根据任何一项前述权利要求所述的光纤线缆，其中力变换器的硬度被相对于光纤线缆的热膨胀系数而配置，使得在调谐的温度范围内的温度变化导致小于或等于5％的对光纤线缆有效光路长度的改变。

12.根据任何一项前述权利要求所述的光纤线缆，其中力变换器的硬度被相对于光纤线缆的热膨胀系数而配置，使得在调谐的温度范围内的温度变化基本上不导致光纤线缆的有效光路长度的改变。

13.根据任何一项前述权利要求所述的光纤线缆，其中力变换器包括编织构件。

14.根据任何一项前述权利要求所述的光纤线缆，其中力变换器包括至少一个螺旋盘绕构件。

15.根据权利要求14所述的光纤线缆，当直接或间接从属于权利要求2时，其中，所述螺旋盘绕构件围绕所述柔性芯构件盘绕。

16.根据权利要求14或15所述的光纤线缆，其中，所述螺旋盘绕构件的螺旋角度约为50度至70度。

17.根据权利要求14至16中任何一项所述的光纤线缆，其中，所述螺旋盘绕构件的螺旋角度大于5度。

18.根据权利要求14至17中任何一项所述的光纤线缆，其中，所述螺旋盘绕构件的直径在1至10mm的范围内。

19.根据权利要求14至18中任何一项所述的光纤线缆，其中所述光纤线缆的至少一部分包括：多个力变换器，每个力变换器包括螺旋缠绕盘绕构件。

20.根据权利要求19所述的光纤线缆，其中至少一个螺旋缠绕盘绕构件是在与另一螺旋缠绕盘绕构件相反的方向上缠绕的。

21.根据权利要求19或权利要求20所述的光纤线缆，其中至少一个螺旋缠绕盘绕构件是与另一螺旋缠绕盘绕构件交错的。

22.根据任何一项前述权利要求所述的光纤线缆，其中，所述力变换器包括金属材料。

23.根据任何一项前述权利要求所述的光纤线缆，其中，所述力变换器包括成形的钢构件。

24.根据权利要求23所述的光纤线缆，其中，所述光纤线缆的钢的体积百分比基本上是10％。

25.根据任何一项前述权利要求所述的光纤线缆，包括第一护套层，其中，所述至少一个光纤以及所述至少一个力变换器被布置在所述第一护套层内。

26.根据权利要求25所述的光纤线缆，其中，所述力变换器的至少一部分耦合到所述第一护套层。

27.根据权利要求25所述的光纤线缆，当直接或间接从属于权利要求2时，其中，所述力变换器和顺应芯材料被设置成可相对于所述第一护套层移动。

28.一种具有纵向轴线的光纤线缆，包括；

至少一个光纤；以及

力变换器，其机械地耦合到所述至少一个光纤，以使得作用于所述力变换器的横向力在至少一个光纤中引起纵向力，

其中，所述力变换器被配置为使得响应于对由于温度变化而引起的横向于纵向轴线的光纤线缆的尺寸改变，力变换器在光纤线缆上引起沿纵向轴线的反作用力，使得大大减少至少一个光纤的有效光路长度的变化。