CN110914645B

CN110914645B - 分布式光学感测系统和方法

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Publication number: CN110914645B
Application number: CN201880047418.4A
Authority: CN
Inventors: S·J·弗里斯肯; N·伊萨; M·A·F·勒伦斯
Original assignee: Tra15 Pte Ltd
Current assignee: Tra15 Pte Ltd
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: US20200209020A1; CL2020000202A1; EP3658859A1; CN110914645A; WO2019018894A1; US11237025B2; JP2022031310A; US11815373B2; JP7293321B2; CN115144001A; EP3658859C0; JP6989703B2; EP3658859A4; AU2018308947A1; US20220113169A1; CA3070965A1; CA3070965C; JP2020536256A; EP3658859B1; AU2018308947B2

Abstract

一种分布式光学检测系统，其包括：宽带光源；以及相位和振幅接收器，用于测量来自感测介质的分布式反向散射信号的相位和振幅。还公开了以分布式方式定量地感测沿感测介质的光路长度变化的方法。

Description

分布式光学感测系统和方法

技术领域

本发明涉及用于对光学透明介质中的光路长度变化进行定量和分布式测量的系统和方法，并且具体地涉及用于沿光学透明介质中的光路对光学相位变化进行定量和分布式测量的系统和方法。

开发本发明主要是为了用于对由声能、弹性能、地震能、振动能、热能或动能引起的沿光纤的光路长度变化进行定量和分布式感测的方法和系统，下面将参考本申请进行描述。然而，将理解的是，本发明不限于该特定使用领域。

背景技术

整个说明书中对背景技术的任何讨论决不应被视为承认此类背景技术是现有技术，也不是承认此类背景技术在澳大利亚或世界范围内是众所周知的或形成该领域公知常识的一部分。

本说明书中引用的所有参考文献(包括任何专利或专利申请)均通过引用结合于此。不承认任何参考文献构成现有技术。参考文献的讨论陈述了其作者的主张，而申请人保留对所引用文献的准确性和相关性提出质疑的权利。应当清楚地理解，尽管本文引用了许多现有技术出版物，但是这种引用并不意味着承认这些文献中的任何一个构成了无论是在澳大利亚还是在任何其他国家的本领域公知常识的一部分。

在将干扰检测应用于周边或基础设施安全时，通常只需要对单个干扰点进行检测和定位(无需定量测量)。授予Sikora的美国专利号US 7995197 B2公开了一种用于检测光纤上的奇异干扰的连续波非相干光源，而没有教导如何沿光纤定位干扰点。授予Healey的美国专利号US 8670662 B2扩展了Sikora的教导，提出了如何通过调频装置来定位这种奇异干扰的方法。但是，Sikora和Healey都通过仅使用一个不能直接测量相位的强度检测器仅依靠检测反向散射光的强度变化来检测干扰。光纤上干扰的大小与所导致的强度波动之间存在高度非线性和非唯一的关系。因此，在实际操作中不可能准确无误地测量光路长度变化(或其他物理参数，如应变)。此外，Sikora建议使用多个干扰独特的频谱特征来区分它们。这需要对干扰有先验知识，以便定位多个干扰。因此，由Sikora和Healey教导的方法没有提供例如测量感测介质内的多个光路长度变化的分布式感测装置。

例如，如授予Udd的美国专利号US 6459486 B1和授予Vakoc的欧洲专利号EP1496723 B1所教导的，基于Sagnac的光纤感测系统可以使用宽带光源或非相干光源工作。但是，它们依靠双向或反向传播的光路来利用萨尼亚克效应，并且显然不能扩展到分布式反向散射的情况，其中不提供对感测光纤两端的访问。

最近，诸如地震或声波录制之类的其他应用需要先进的系统设计，以使得能够对沿光纤的光纤应变变化进行定量、高度灵敏和分布式测量。该技术的应用包括：油气田的地震剖面分析；水力压裂储层增产过程中的微震监测；岩土地面勘测；和流体流量测量。支持这些应用的技术进步导致所用系统的成本和复杂性增加。

分布式声学感测(DAS，也称为分布式振动感测)是一种使用来自光学透明介质(通常是光纤)的瑞利反向散射来以分布式方式测量光纤的物理特性沿光纤整个长度的微小变化的方法。

通常，使用光纤(有或无电缆护套的保护)作为分布式传感器可以替代许多点传感器。结果，它可能是现有的最具成本效益并且重量和空间效率最高的传感器系统，因为它仅需要一根能够发送、接收和感测来自同一根光纤的信号的光纤，并且只要一台监测器就足以显示温度、应力、振动和声能的局部变化。此外，光纤非常适合在恶劣的环境、高温下运行，并且不受电磁干涉引起的损坏或噪声的影响。这种显著的轻量优势使得甚至与点光纤传感器相比，基于光纤中的分布式光散射的分布式传感器成为最通用的监测选项，尤其是对于监测长线性资产，如管道、井、铁路、道路、输送机、桥梁、隧道、建筑物和围墙。

已知的DAS系统通过将高度相干(窄带)激光能量脉冲耦合到光纤中并分析由光纤中的微观缺陷和不均匀性引起的瑞利反向散射来工作。当光脉冲从输入端沿光纤行进到远端时，会反射掉这些微观缺陷/不均匀性。这种相互作用会导致少量光反向散射并返回到输入端，在此处它们被检测和分析。当声波与构成光纤的材料相互作用时，会在微观结构中产生伸长，以及折射率的微小变化。这些变化会影响反向散射特性，成为可检测的事件。使用时域技术，可以精确确定事件的位置，从而提供分辨率为1米或更小的完全分布式感测。

DAS与传统的分布式应变感测的不同之处在于，它不使用非线性布里渊反向散射来实现测量。这使得可以进行非常灵敏、线性和快速的分布式测量。例如，使用DAS可以达到高于2kHz的测量速率和低于10m的空间分辨率的亚纳米应变灵敏度。

但是，所有先前的DAS系统都具有相同的缺点，即光源的相干长度和相关联的相位噪声是限制系统的信噪比从而限制灵敏度的主要因素。因此，对于远距离的DAS，系统所用的光源必须具有非常窄的带宽(窄线宽)，因此必须具有非常高的相干长度，以允许正向和反向传播光进行干涉并产生用于进行返回信号的分析的干涉信号。在一些DAS系统中，相干长度可以高达数十千米，以使得能够在实际距离上分析瑞利反向散射信号。当然，要求光源光学信号满足此类高相干长度参数，会给整个DAS系统增加相当大的复杂性和成本。

现有DAS系统的另一缺点是对光学功率的限制，该光学功率可以在正向传播光与感测介质本身之间的非线性相互作用之前传递到感测介质(例如，光纤)，这可能会限制可以传播超过一万或十万米的光学功率，或者引入破坏瑞利反向散射信号的相位和强度调制。光纤中的典型非线性效应是所谓的调制不稳定性，它会在远程DAS系统中引起位置相关的信号衰减。这种衰减导致在某些位置处对干涉信号的完全掩盖，并因此导致在那些位置处的灵敏度损失。光纤中特别受限制的另一个典型的非线性效应是布里渊散射，布里渊散射会表现出明显的效应，导致在输入功率水平低至100mW时瑞利反向传播信号的损失。由于瑞利反向散射是一种非常微弱的现象，因此通过限制可用于感测光纤中的光学功率的数量，这直接限制了系统的灵敏度。

当前采用的DAS方法基于相干光时域反射仪(c-OTDR)或相干光频域反射仪(c-OFDR)。在这两种方法中，都使用了具有非常高度的时间相干性的窄带激光器(窄带)。根据方法的不同，相干长度可以大于10m，但是通常远大于此，通常远大于100km。

通常，在c-OTDR和c-OFDR中，激光器的低相干性直接地且负面地影响测量的相位噪声，并因此严重限制系统的灵敏度。此外，在许多实施方案中，尤其是那些涉及使用本地振荡器进行外差检测的实施方案中，非常高度的相干性对于实现长测量范围至关重要，因为激光器的相干长度直接决定了感测光纤的最大长度。

另一方面，激光器的高相干性通常导致在不受控制的环境中的运输或操作期间更高的成本、更高的复杂性和较差的系统鲁棒性。光源或系统的振动可以严重阻碍系统性能。此外，窄带/窄线宽以及因此高度相干的激光源在光纤中具有较低的非线性阈值，如受激布里渊散射、四波混频和调制不稳定性，这限制了可以发射到光纤中的光学功率。对光源的相干性要求还使得难以直接调制光源而不使相干性恶化。因此，需要外部调制器，这增加了系统的成本和复杂性。

将几乎单色或相干的光源用于DAS的又一个限制是，来自光纤的瑞利反向散射沿光纤呈现出随机的振幅变化。在振幅相对较低或为零的位置(称为信号衰落)，分别测量的相位不准确或不确定。这是相干光时域反射仪(c-OTDR)和相干光频域反射仪c-OFDR系统中的重要误差源，并对系统灵敏度产生负面影响。为了克服这一限制，在系统中同时使用了多个不同频率的高相干性激光源，以便它们的信号可以按照A.H.Hartog等人在GeophysicalProspecting第66卷第S1期(2017年)“The use of multi-frequency acquisition tosignificantly improve the quality of fibre-optic distributed vibrationsensing”一文中所教导的减轻衰减的方式组合。多个高相干性光源和多个频率给DAS系统带来了巨大的成本和复杂性。

因此，需要一种真正的分布式感测系统和用于查询和检测介质中的多个光路长度变化的方法，具有改善的噪声抑制能力、增加的干扰定位精度、改善的抗振动性、改善的鲁棒性、稳定性和可靠性，并且具有最小的系统成本和复杂性。

定义

提供了以下定义作为一般定义，并且绝不应将本发明的范围仅限制为这些术语，而是为了更好地理解以下描述而提出的。

除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解的是，本文使用的术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且除非在本文中明确如此定义，否则将不在理想化或过于正式的意义上解释。为了本发明的目的，下面定义了其他术语。此外，除非对特定术语的含义有疑问，否则应将本文定义和使用的所有定义理解为是对字典定义、通过引用结合的文档中的定义和/或定义的术语的普通含义的控制，在这种情况下，以术语的通用词典定义和/或通用用法为准。

为了本发明的目的，以下术语定义如下。

冠词“一”和“一个”在本文中用于指代冠词的语法对象中的一个或一个以上(即，至少一个)。举例来说，“一个元素”是指一个元素或一个以上元素。

本文所使用的术语“约”是指相对于参考量变化多达30％，优选多达20％，并且更优选多达10％的量。使用“约”一词来限定数字仅表示该数字不应理解为精确值。

在整个说明书中，除非上下文另外要求，否则词语“包括(comprise)”将被理解为暗示包括陈述的步骤或元素或步骤或元素的组，但不排除任何其他步骤或元素或步骤或元素的组。

如本文所使用的术语“包括(including)”或“其包括(which includes)”或“它包括(that includes)”中的任何一个也是开放术语，其还意味着至少包括该术语之后的元素/特征，但不排除其他元素/特征。因此，“包括(including)”与“包括(comprising)”同义。

在权利要求书以及上面的概述和下面的描述中，所有过渡性短语(如“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携带(carrying)”、“具有(having)”、“包含(containing)”、“涉及(involving)”、“持有(holding)”、“由......组成(composed of)”等)应理解为开放式的，即表示“包括但不限于”。仅过渡性短语“由......组成(consistingof)”和“基本上由......组成(consisting essentially of)”应分别是封闭的或半封闭的过渡性短语。

尽管类似于或等同于本文描述的那些方法和材料的任何方法和材料都可以用于本发明的实践或测试中，但是描述了优选的方法和材料。将理解的是，本文描述的方法、装置和系统可以以各种方式和出于各种目的来实现。这里的描述仅作为示例。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，短语“和/或”应理解为是指如此结合的元素中的“一个或两个”，即，在某些情况下共同出现而在其他情况下分别出现的元素。用“和/或”列出的多个元素应以相同的方式解释，即，如此结合的元素中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句明确标识的元素之外，还可以可选地存在其他元素，无论与那些明确标识的元素相关还是无关。因此，作为非限制性示例，在与诸如“包括(comprising)”之类的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的引用可以在一个实施方案中仅指代A(可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施方案中仅指代B(可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施方案中指代A和B(可选地包括其他元素)；等等。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，“或”应被理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，在将所列项目分开时，“或”或“和/或”应解释为包容性的，即包括所列元素中的多个元素或至少一个元素，但也包括一个以上元素，以及(可选地)其他未列出的项目。仅明确指出相反含义的术语，如“......中的仅一者”或“......中的恰好一者”，或当在权利要求书中使用时，“由......组成”将指代包括所列元素中的多个元素或恰好一个元素。一般而言，本文中使用的术语“或”仅应在排他性术语(如“两者中的任一个(either)”、“一个(one of)”、“仅其中一个(only one of)或“恰好其中之一(exactly oneof)”)之后时被理解为指示唯一的替代选择。当在权利要求书中使用时，“基本上由...组成(Consisting essentially of)”应具有在专利法领域中所使用的普通含义。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，关于一个或多个元素的列表，短语“至少一个(at least one)”应被理解为是指从元素列表的任何一个或多个元素中选择的至少一个元素，但不一定包括元素列表内具体列出的每一个元素中的至少一个元素，并且不排除元素列表中元素的任意组合。该定义还允许可以可选地存在除了短语“至少一个(atleast one)”所指代的元素列表内所明确标识的元素之外的元素，无论与那些明确标识的元素有关还是无关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个(at least one of Aand B)”(或等效地，“A或B中的至少一个(at least one ofA or B)”，或等效地“A和/或B中的至少一个(at least one ofA and/or B)”)可以在一个实施方案中指代至少一个A，可选地包括一个以上的A，不存在B(并且可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施方案中指代至少一个B，可选地包括一个以上的B，不存在A(并且可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施方案中指代至少一个A，可选地包括一个以上的A，以及至少一个B，可选地包括一个以上的B(并且可选地包括其他元素)；等等。

为了本说明书的目的，在按顺序描述方法步骤的情况下，该顺序不一定意味着这些步骤应按该顺序按时间顺序执行，除非没有其他逻辑方式来解释该顺序。

另外，在根据马库什组描述本发明的特征或方面的情况下，本领域技术人员将认识到，由此在本发明中也根据马库什组的任何独立构件或构件子组进行描述。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，关于电磁波源的短语“宽带光源”用于表示产生包括一个以上频率的电磁波的光源。宽带光源中的频率在一个频率范围内可以是连续的，或者是离散的或二者兼而有之。宽带光源中的频率可以具有随机或不确定的相位关系(即，非相干或部分相干)，如：放大器的放大自发发射(ASE)；SLED；多模激光器；或多个独立激光器的组合输出。宽带光源还可以在频率之间具有定义或固定的相位关系(即相干)，这可以从以下方面获得：锁模激光器；调幅激光器；偏振调制激光器；或调频/调相激光器。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，短语“相位和振幅接收器”用于描述能够准确地测量和输出以下2个参数的接收器系统(或者“相位和振幅测量”用于描述一种接收方法)：2个电磁波输入(例如，光学输入)之间的相位差(具有完全正交确定，即在2π弧度范围内没有歧义)；和2个电磁波输入(例如，光学输入)之间的干涉的振幅。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，短语“光学频率”用于描述从1×10¹³Hz到3×10¹⁵Hz范围内的频率。“光源”是光学频率下的电磁能量源。

发明内容

本发明的目的是克服或改善现有技术的至少一个或多个缺点，或提供一种有用的替代方案。

本发明涉及一种如例如沿光纤对光学透明介质中的光路长度变化进行定量和分布式测量的方法。多个物理参数可以通过它们产生的相应的光路长度变化来感测，这些变化可以包括：纵向应变，横向应变，声波，地震波，振动，运动，弯曲，扭转，温度，光学延迟和化学成分。还可以感测具有引起沿光路的伸长和/或折射率变化和/或变形的机制的任何其他物理参数。光路长度变化也可以通过散射/反射粒子在感测介质中的移动而发生。本文公开的本发明的实施方案使用强度调制的(或脉冲式)宽带光源，结合延迟以及来自光学透明感测介质(例如，光纤)的分布式反向散射的精确的相位和振幅测量。

根据本发明的第一方面，提供了一种分布式光学感测系统。该系统可以包括宽带光源。该系统还可以包括相位和振幅接收器。

根据第一方面的特定布置，提供了一种分布式光学感测系统，其包括：宽带光源；以及相位和振幅接收器。宽带光源可以具有相干时间τ_coh，并且可互换地具有相干长度l_coh。

相干长度l_coh可以小于1m、小于50cm、小于10cm、小于9cm、小于8cm、小于7cm、小于6cm、小于5cm、小于4cm、小于3cm、小于2cm、小于1cm、小于9mm、小于8mm、小于7mm、小于6mm、小于5mm、小于4mm、小于3mm、小于2mm、小于1mm、小于0.9mm、小于0.8mm、小于0.7mm、小于0.6mm、小于0.5mm、小于0.4mm、小于0.3mm、小于0.2mm、小于0.1mm、或小于0.05mm、小于0.04mm、小于0.03mm、小于0.02mm、小于0.01mm、小于0.005mm、小于0.004mm、小于0.003mm、小于0.002mm、或小于0.001mm。

例如，在某些布置中，相干长度l_coh可为约0.001mm、0.002mm、0.003mm、0.004mm、0.005mm、0.006mm、0.007mm、0.008mm、0.009mm、0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.10mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm、0.15mm、0.16mm、0.17mm、0.18mm、0.19mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、0.12mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、0.1m、0.2mm、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、或1m。

宽带光源的带宽可以在约10MHz至100MHz、100MHz至1GHz、1GHz至10GHz、10GHz至100GHz、100GHz至1THz、1THz至10THz、10THz至100THz之间。即：10MHz至100THz(即10×10⁶Hz至100×10¹²Hz)。

例如，在某些布置中，宽带光源的带宽可以是约10MHz、15THz、20MHz、25MHz、30MHz、35MHz、40MHz、45MHz、50MHz、60MHz、70MHz、80MHz、90MHz、100MHz、200MHz、300MHz、400MHz、500MHz、600MHz、700MHz、800MHz、900MHz、10GHz、15GHz、20GHz、25GHz、30GHz、35GHz、40GHz、45GHz、50GHz、60GHz、70GHz、80GHz、90GHz、100GHz、200GHz、300GHz、400GHz、500GHz、600GHz、700GHz、800GHz、900GHz、1THz、1.5THz、2THz、2.5THz、3THz、3.5THz、4THz、4.5THz、5THz、5.5THz、6THz、6.5THz、7THz、7.5THz、8THz、8.5THz、9THz、9.5THz、10THz、15THz、20THz、25THz、30THz、35THz、40THz、45THz、50THz、60THz、70THz、80THz、90THz、或约100THz。

相位和振幅接收器可以被适配成接收由光源产生的引导到介质的光学信号的分布式反向散射。

宽带光源可以是非相干或部分相干的宽带光源。宽带光源可以是相干宽带光源。

该系统还可以包括至少一个有意相对延迟路径(IRDP)。IRDP可以被适配成延迟由光源产生的一部分光。

光源可以是调制光源。调制光源可以是强度调制的或脉冲光源。

该系统还可以包括被适配成接收由光源产生的输出光的正向光路。

该系统还可以包括调制器，该调制器被适配成在正向光路中调制由光源产生的光的至少一部分。调制器可以被适配成在正向光路中调制至少一部分光的强度。调制器可以被适配成在正向光路中调制至少一部分光的相位。调制器可以被适配成在正向光路中调制至少一部分光的偏振。调制器可以被适配成在正向光路中调制至少一部分光的频率。

正向光路还可以被适配成将调制输出光传输到光学透明介质，该光学透明介质被适配成响应于物理变化而改变光学信号。光学透明介质可以被适配成通过修改在介质中传播的光学信号的路径长度来干扰光学信号。路径长度可以是在介质中传播的光学信号的光路长度。

正向光路可以包括分光器，该分光器被适配成将光学信号分成至少两个部分。调制器可以被适配成接收分开的光学信号的一个或两个部分，以提供至少一个调制光学信号。

正向光路可以包括具有第一延迟τ₁的第一光学延迟装置。正向光路可以被适配成接收来自分光器的光学信号的第一部分。正向光路还可以被适配成随后将延迟正向传播光学信号传输到光学透明介质。

正向光路还可以包括直接光学传输装置，该直接光学传输装置被适配成接收来自分光器的强度调制光学信号的第二部分，并随后绕过第一光学延迟装置将直接正向传播光学信号传输到光学透明介质。延迟正向传播光学信号可以相对于直接正向传播光学信号在时间上延迟第一延迟τ₁。

该系统还可以包括组合装置，用于将直接正向传播光学信号和延迟正向传播光学信号组合到公共正向光路上。该系统还可以包括光学引导装置，该光学引导装置被适配成接收来自光学透明介质的反向传播光并且将接收到的反向传播光引导到返回光路。返回光路可以包括返回分光器，该返回分光器被适配成将反向传播光分成至少两个部分。返回光路还可以包括具有第二延迟τ₂的第二光学延迟装置。第二光学延迟可以被适配成接收来自返回分光器的反向传播光的第一部分。第二光学延迟还可以被适配成将延迟返回光学信号传输到相位和振幅接收器。

该系统还可以包括直接返回光学传输装置，该直接返回光学传输装置被适配成接收来自返回分光器的反向传播光的第二部分。直接返回光学传输装置还可以被适配成随后绕过第二光学延迟装置将直接返回光学信号传输到相位和振幅接收器。延迟返回光学信号可以相对于直接返回光学信号延迟第二延迟τ₂。

第一光学延迟装置和第二光学延迟装置可以是具有延迟τ_com的公共延迟装置。

该系统可以包括第一光学延迟装置。该系统可以包括光学透明介质，该光学透明介质被适配成响应于外部干扰而修改光学信号的路径长度。该系统可以包括光学强度调制装置，以接收来自宽带光源的光学输出以提供强度调制光学信号。可以将强度调制光学信号分成两个部分，其中可以将调制光学信号的第一部分引导到第一光学延迟装置以产生延迟输出信号，随后引导到光学透明介质，并且其中可以将调制光学信号的第二部分(直接输出信号)直接引导到光学透明介质，从而绕过第一光学延迟装置并经历由第一光学延迟装置施加在其上的比调制光学信号的第一部分所经历的延迟小的延迟。穿过第一光学延迟装置的修改光学信号的第一部分相对于修改光学信号的第二部分延迟。

该系统可以被适配成接收来自光学透明介质的返回光学信号，该返回光学信号包括由强度调制光学信号的第一部分产生的第一反向散射光学信号和由强度调制光学信号的第二部分产生的第二反向散射光学信号。

该系统可以包括第二光学延迟装置。

第一反向散射光学信号可以被分成至少两个部分：第一反向散射第一部分和第一反向散射第二部分。可以将第一反向散射第一部分引导到第二光学延迟装置，使得其相对于第一反向散射第二部分在时间上被延迟，以产生第一延迟反向散射光学信号(由第一反向散射第一部分产生)和第一直接反向散射光学信号(由第一反向散射第二部分产生)。

第二反向散射光学信号可以被分成至少两个部分：第二反向散射第一部分和第二反向散射第二部分。可以将第二反向散射第一部分引导到第二光学延迟装置，使得其在时间上从第二反向散射第二部分延迟，以产生第二延迟反向散射光学信号(由第一反向散射第二部分产生)和第二直接反向散射光学信号(由第二反向散射第二部分产生)。

该系统还可以包括相位和振幅接收器，其被适配成检测第一延迟反向散射光学信号与第二延迟反向散射光学信号之间的干涉信号，以确定第一延迟反向散射光学信号与第二延迟反向散射光学信号之间的相位变化，该相位变化指示引起光学透明介质中光程差的外部干扰。

透明光学介质可以是光纤。

第一光学延迟装置可以在引导到其上的光学信号上施加时间延迟τ₁(相对于输出路径上的至少另一部分)。第二光学延迟装置可以在引导到其上的光学信号上施加时间延迟τ₂(相对于返回路径上的至少另一部分)。

来自第一和第二光学延迟装置的时间延迟τ₁与τ₂之间的绝对差可以小于宽带光源的相干时间τ_coh，即|τ₁-τ₂|＜τ_coh。在替代布置中，来自第一和第二光学延迟装置的时间延迟τ₁与τ₂之间的绝对差可以小于宽带光源的相干时间τ_coh的a倍，即|τ₁-τ₂|＜a τ_coh，其中|τ₁-τ₂|可能高达相干时间τ_coh的100倍，即|τ₁-τ₂|＜100τ_coh。

宽带光源可以具有相干时间τ_coh。相干时间可以满足关系式|τ₁-τ₂|＜a τ_coh。乘法因数a可以约为1。乘法因数a可以在约1至约100之间。乘法因数a可以在约1至约2之间，在约1至约3之间，在约1至约4之间，在约1至约5之间，在约1至约6之间，在约1至约7之间，在约1至约8之间，在约1至约9之间，或者在约1至约10之间，或者在约1至约20之间，或者在约1至约30之间，或者在约1至约40之间，或者在约1至约50之间，或者在约1至约60之间，或者在约1至约70之间，或者在约1至约80之间，或者在约1至约90之间，或者在约1至约100之间，或者在约10至约20之间，或者在约20至约30之间，或者在约30至约40之间，或者在约40至约50之间，或者在约50至约60之间，或者在约60至约70之间，或者在约70至约80之间，或者在约80至约90之间，或者在约90至约100之间。乘法因数a可以约为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90或约100。

延迟τ₁和/或τ₂可以大于从光源到光学透明介质的远端再返回的光学信号的往返时间。在替代布置中，延迟τ₁和/或τ₂可以小于光学信号的往返时间(即，从光源到光学透明介质的远端再返回)。

正向光路可以包括第一光学延迟装置，该第一光学延迟装置具有第一延迟τ₁，并且被适配成接收来自分光器的光学信号的第一部分，并随后将延迟正向传播光学信号传输到光学透明介质。正向光路还可以包括直接光学传输装置，该直接光学传输装置被适配成接收来自分光器的强度调制光学信号的第二部分，并随后绕过第一光学延迟装置将直接正向传播光学信号传输到光学透明介质；其中，延迟正向传播光学信号相对于直接正向传播光学信号在时间上延迟第一延迟τ₁。

该系统还可以包括光学引导装置，该光学引导装置被适配成接收来自光学透明介质的反向传播光并且将接收到的反向传播光引导到返回光路。返回光路可以包括返回分光器，该返回分光器被适配成将反向传播光分成至少两个部分。返回光路可以包括具有第二延迟τ₂的第二光学延迟装置。第二光学延迟装置可以被适配成接收来自返回分光器的反向传播光的第一部分，并随后将延迟返回光学信号传输到光学接收器。返回光路还可以包括直接返回光学传输装置，该直接返回光学传输装置被适配成接收来自返回分光器的反向传播光的第二部分，并随后绕过第二光学延迟装置将直接返回光学信号传输到光学接收器。延迟返回光学信号可以相对于直接返回光学信号延迟第一延迟τ₁。

第一光学延迟装置和第二光学延迟装置可以是公共的。第一光学延迟装置和第二光学延迟装置可以是被适配成允许正向和反向传播光学信号的公共IRDP。通过公共IRDP在任一方向上传播的光学信号可能会经历延迟。由公共IRDP施加到正向传播光学信号的延迟可以不同于由公共IRDP施加到反向传播光学信号的延迟。

宽带光源可以具有相干时间τ_coh，并且其中|τ₁-τ₂|＜a τ_coh，其中乘法因数a可以在1至约100之间。第一和第二光学延迟装置的延迟可以分别满足关系式τ₁＞τ_coh和τ₂＞τ_coh。

相位和振幅接收器可以被适配成测量入射在其上的光学信号的相位差。光学接收器可以接收多个信号，包括：直接+直接信号，其包括由已经绕过第二光学延迟装置的直接正向传播光学信号产生的反向传播信号(信号1)；延迟+直接信号，其包括由已经绕过第二光学延迟装置的延迟正向传播光学信号产生的反向传播信号(信号2)；直接+延迟信号，其包括由已经通过第二光学延迟装置传输的直接输出信号产生的反向传播信号(信号3)；以及延迟+延迟信号，其包括由已经通过第二光学延迟装置传输的延迟输出信号产生的反向传播信号(信号4)。

信号2和信号3可以大约同时到达光学接收器，以允许信号2干涉信号3，从而产生被适配成提供信号2与信号3之间光程差的量度的干涉信号，该光程差则表示由外部干扰引起的光学透明介质中的路径长度差。

第一光学延迟装置和第二光学延迟装置可以是具有延迟τ_com的公共延迟装置。公共延迟装置可以用作第一延迟装置，以使光在正向传播方向上从其中传播。公共延迟装置还可以用作第二延迟装置，以使光在反向传播方向上从其中传播，其中τ_com＞τ_coh。

相位和振幅接收器可以被适配成测量入射在其上的光学信号的相位差和干涉振幅。相位和振幅接收器可以接收多个信号，包括：

■延迟+直接信号，其包括由已经绕过第二光学延迟装置的延迟正向传播光学信号产生的反向传播信号(信号2)；以及

■直接+延迟信号，其包括由已经通过第二光学延迟装置传输的直接输出信号产生的反向传播信号(信号3)。

接收到的信号(信号2和信号3)可以大约同时到达接收器，以允许信号2干涉信号3，从而产生被适配成提供信号2与信号3之间光程差的量度的干涉信号，该光程差可以表示由外部干扰引起的光学透明介质中的路径长度差。

透明光学介质可以是光纤。

该系统还可以包括被适配成接收相位和振幅接收器的输出信号的计算和分析装置。计算和分析装置还可以被适配成计算透明光学介质中的分布式光路长度变化。计算和分析装置可以被适配成根据测量的光路长度变化来推断透明光学介质中的物理变化。

该系统还可以包括多个光学透明介质。该系统还可以包括频率选择装置，用于在直接和延迟正向传播光学信号中的每一个内选择多个频带。每个所选频带可以包括被引导到所选介质的正向传播的直接和延迟光学信号。该系统还可以包括多个接收装置，用于接收来自每个所选光学介质的反向传播光学信号。该系统还可以包括频率选择装置，用于在直接和延迟返回传播光学信号中的每一个内选择多个频带，每个所选频带包括被引导到所选相位和振幅接收器的返回传播的直接和延迟光学信号；多个相位和振幅接收器，该多个相位和振幅接收器被适配成测量所选频带中接收到的光学信号的振幅相位差，从而以分布式方式确定沿每个所选介质的光路长度变化，以推断所选介质中的物理变化。

根据本发明的第二方面，提供了一种以分布式方式感测沿感测介质的光路长度变化的方法。该方法可以包括以下步骤：提供宽带光源用于产生光学输出。光源可以具有相干时间τ_coh。该方法还可以包括以下步骤：将光学输出分成至少两个部分，并将每个分离的部分引导到独立的正向光路。该方法还可以包括以下步骤：在所述光路的第一个中提供第一光学延迟装置，该延迟装置被适配成将第一正向光路上的光学输出的至少一部分相对于至少另一个独立的正向光路延迟预定的延迟时间τ₁，从而产生延迟光学输出信号和至少一个直接光学输出信号。该方法还可以包括以下步骤：提供引导装置用于将输出信号引导到感测介质中。该方法还可以包括以下步骤：提供接收装置用于接收来自感测介质的分布式反向散射信号。该方法还可以包括以下步骤：将反向散射信号分成至少两个独立的返回路径。该方法还可以包括以下步骤：在所述返回路径的第一个中提供第二光学延迟装置，该延迟装置被适配成将第一返回路径上接收到的反向散射信号的至少一部分相对于至少另一个返回光路延迟预定的延迟时间τ₂，从而产生延迟反向散射信号和至少一个直接反向散射信号。该方法还可以包括以下步骤：测量分离的延迟和直接反向散射信号之间的相对相位差，以确定沿感测介质的光路长度变化。

根据本发明第二方面的特定布置，提供了一种以分布式方式感测沿感测介质的光路长度变化的方法，该方法包括以下步骤：提供宽带光源用于产生光学输出，该光源具有相干时间τ_coh；将光学输出分成至少两个部分，并将每个分离的部分引导到独立的正向光路；在所述光路的第一个中提供第一光学延迟装置，该延迟装置被适配成将第一正向光路上的光学输出的至少一部分相对于至少另一个独立的正向光路延迟预定的延迟时间τ₁，从而产生延迟光学输出信号和至少一个直接光学输出信号；提供引导装置用于将输出信号引导到感测介质中；提供接收装置用于接收来自感测介质的分布式反向散射信号；将反向散射信号分成至少两个独立的返回路径；在所述返回路径的第一个中提供第二光学延迟装置，该延迟装置被适配成将第一返回路径上接收到的反向散射信号的至少一部分相对于至少另一个返回光路延迟预定的延迟时间τ₂，从而产生延迟反向散射信号和至少一个直接反向散射信号；以及测量分离的延迟和直接反向散射信号之间的相对相位差，以确定沿感测介质的光路长度变化。

该方法还可以包括以下步骤：根据感测到的光路长度变化来推断感测介质中的物理变化。

光源可以是相干时间τ_coh。第一和第二延迟装置的延迟可以满足关系式|τ₁-τ₂I＜aτ_coh。乘法因数a可以约为1。乘法因数a可以在约1至约100之间。

宽带光源可以是非相干或部分相干的宽带光源。宽带光源可以是宽带相干光源。光源可以是调制光源或脉冲光源。

该方法还可以包括以下步骤：在将输出信号引导到感测介质之前，调制光学输出或者延迟和/或直接输出信号。

该方法还可以包括以下步骤：在将输出信号引导到感测介质中之前，提供组合装置用于将延迟输出信号和至少一个直接输出信号组合到公共正向光路上。

第一光学延迟装置和第二光学延迟装置可以是公共的。

该方法还可以包括以下步骤：使用光在感测介质中的行进时间和调制方案来确定光路长度变化的位置或物理参数。该方法还可以包括以下步骤：使用测量的相位以分布式方式定量地确定光路长度变化。该方法还可以包括以下步骤：根据确定的光路长度变化来推断感测介质的一个或多个物理参数。

调制步骤可以包括对光学信号进行强度调制、振幅调制、频率调制、相位调制或偏振调制。调制可以是脉冲式的，从而提供强度调制的光学输出。

光源可以是调制光源。该方法还可以包括以下步骤：在将输出信号引导到感测介质之前，调制光学输出或者延迟和直接输出信号。调制步骤可以包括对光学信号进行振幅调制、频率调制、相位调制或偏振调制。调制可以是脉冲式的，从而提供强度调制的光学输出。

该系统还可以包括光学组合器，该光学组合器被适配成将延迟光学信号和至少一个直接输出信号重新组合到公共正向光路上，用于将输出信号引导到感测介质中。

感测介质可以是由光源产生的光的一个或多个预定波长的光学透明介质。光学透明介质可以是适配用于引导具有一个或多个预定波长的光的光纤或光波导。光学透明介质可以是水、海水、流体、玻璃、聚合物、半导体材料、空气、甲烷、压缩天然气、液化天然气、气体或其他合适的光学透明材料。

光学透明介质可以不是引导介质，其中该方法还可以包括以下步骤：提供一个或多个准直仪，用于大致上准直输出信号，并将准直的输出信号发射到感测介质中，该一个或多个准直仪还用于收集来自感测介质的反向散射光学信号。

该方法还可以包括提供第一频率选择装置的步骤。第一频率选择装置可以被适配成在直接和延迟正向传播光学输出信号中的每一个内选择多个频带。每个所选频带可以包括正向传播的直接和延迟光学信号。第一频率选择装置可以被适配用于将每个所选频带中的每一对光学信号引导到多个感测介质中的选定一个。第一频率选择装置可以被适配用于接收来自每个所选光学介质的反向传播的分布式反向散射光学信号。第一频率选择装置可以被适配用于将接收到的光学信号中的每一个组合到公共光学返回路径上。

该方法还可以包括提供第二频率选择装置的步骤。第二频率选择装置可以被适配用于接收来自返回路径的光学信号。第二频率选择装置可以被适配用于利用接收到的光学信号选择多个频带。第二频率选择装置可以被适配用于将在所选多个频带中的每一个内的信号引导到多个相位和振幅接收器中的选定一个，以测量每个所选频带中的延迟和直接反向散射光学信号之间的相对相位差，以确定在多个感测介质的每一个中的光路长度变化从而推断每个感测介质中的物理变化。

第一频率选择装置可以包括光学频率解复用器和复用器。第二频率选择装置可以包括光解复用器。

由频率解复用器选择的多个频带内的光学信号可以被各自引导到唯一的相位和振幅接收器。由频率解复用器选择的多个所选频带内的光学信号可以被各自引导到公共相位和振幅接收器。

根据本发明的第三方面，提供了一种以分布式方式感测沿感测介质的光路长度变化的方法。该方法可以包括提供宽带光源的步骤。该方法还可以包括以下步骤：将来自光源的光输出分成至少两个输出路径。该方法还可以包括以下步骤：使一个输出路径中的光相对于至少另一个输出路径延迟延迟时间τ₁。该方法还可以包括以下步骤：在将来自不同输出路径的光引导到感测介质中之前的任一步骤处调制光学光。该方法还可以包括以下步骤：将来自不同输出路径的光引导到感测介质中。该方法还可以包括以下步骤：接收来自感测介质的分布式反向散射。该方法还可以包括以下步骤：将接收到的反向散射分成至少两个返回路径。该方法还可以包括以下步骤：使一个返回路径中的光相对于至少另一个返回路径延迟延迟时间τ₂。该方法还可以包括以下步骤：提供相位和振幅接收器，以用于测量延迟之后分离的分布式反向散射光之间的相对相位差。

根据第三方面的特定布置，提供了一种以分布式方式感测沿感测介质的光路长度变化的方法，该方法包括：提供宽带光源；将来自光源的光输出分成至少两个输出路径；使一个输出路径中的光相对于至少另一个输出路径延迟延迟时间τ₁；在将来自不同输出路径的光引导到感测介质中之前的任一步骤处调制光学光；将来自不同输出路径的光引导到感测介质中；接收来自感测介质的分布式反向散射；将接收到的反向散射分成至少两个返回路径；使一个返回路径中的光相对于至少另一个返回路径延迟延迟时间τ₂；以及提供相位和振幅接收器，用于测量延迟之后分离的分布式反向散射光之间的相对相位差。

该方法还可以包括以下步骤：使用测量的相位以分布式方式定量地确定光路长度变化。该方法还可以包括以下步骤：使用光在感测介质中的行进时间和调制方案来确定光路长度变化的位置或导致感测介质中的光路长度变化的一个或多个物理参数。该方法还可以包括以下步骤：根据光路长度的变化来推断一个或多个物理参数。

光源可以具有相干时间τ_coh。第一和第二延迟装置的延迟可以满足关系式|τ₁-τ₂|＜a τ_coh。乘法因数a可以约为1。乘法因子a可以在大约1到大约100之间。

宽带光源可以是非相干或部分相干的宽带光源。宽带光源可以是宽带相干光源。

宽带光源的带宽可以在约10MHz至100MHz、100MHz至1GHz、1GHz至10GHz、10GHz至100GHz、100GHz至1THz、1THz至10THz、10THz至100THz之间。即10MHz至100THz(即10×10⁶Hz至100×10¹²Hz)。

由光源产生的光的强度或振幅可以在感测介质之前的任何地方被调制。由光源产生的光的频率可以在感测介质之前的任何地方被调制。由光源产生的光的相位可以在感测介质之前的任何地方被调制。由光源产生的光的偏振可以在感测介质之前的任何地方被调制。

第一光学延迟装置和第二光学延迟装置可以是公共的。由光源产生的光的强度或振幅可以在感测介质之前的任何地方被调制。由光源产生的光的频率可以在感测介质之前的任何地方被调制。由光源产生的光的相位可以在感测介质之前的任何地方被调制。由光源产生的光的偏振可以在感测介质之前的任何地方被调制。

第一光学延迟装置和第二光学延迟装置可以是公共的。

相位和振幅测量可以包括使用包括以下各项的群组中的一项或多项：相位和振幅接收器；频移(例如声光频移)和复解调，以恢复相位；3x3耦合器或MxN耦合器，其中M≥2或N≥3；扫频光学信号，以通过使用希尔伯特变换来恢复相位；相位调制器，通过改变的相移的时间复用来接收相位；多端口干涉仪内的波片布置；使用光谱仪或光学滤波器，并分别在不同频带上进行强度或相位和振幅测量；干涉本地振荡器；或以上各项的任何不同偏振(双偏振)版本。当第一(τ₁)与第二(τ₂)延迟不相等(τ₁≠τ₂)时，可以预期整个光谱的相位都不均匀，在这种情况下，可以利用这一事实进行相位和振幅测量，或者在不同的频带上分别进行。

相位测量可以包括使用光谱仪或光学滤波器，并且分别在不同的频带上进行强度或相位和振幅测量。接收器信号与参考信号的电子混合可用于将较高的模拟频率移入较低的频带中。相位的测量可以随时间连续地进行或一阵一阵地进行。相位的测量可以与振幅的测量同步进行。

物理参数可以选自包括以下各项的群组：纵向应变；横向应变；声波；地震波；振动；运动；弯曲；扭转；温度变化；化学成分变化；或散射/反射粒子在感测介质中的运动。

物理参数可以选自包括以下各项的群组：纵向应变；横向应变；声波；地震波；振动；运动；弯曲；扭转；温度变化；光学延迟变化；化学成分变化；或散射/反射粒子在感测介质中的运动。

确定所述光路长度变化的位置或物理参数的方法可以包括使用脉冲调制的步骤，并且其中测量的相位与光路长度变化随延迟时间成正比，并且采样时间近似线性地映射到沿感测介质的位置。确定所述光路长度变化的位置或物理参数的方法还可以包括以下步骤：在来自相位和振幅接收器的复信号与已知或测量的调制之间进行数值反卷积。确定所述光路长度变化的位置或物理参数的方法还可以包括以下步骤：在来自相位和振幅接收器的复信号与已知或测量的调制之间进行数值互相关。

根据本发明的第四方面，提供了一种调制宽带光源的强度的方法。该方法可以包括以下步骤：提供光学放大器，当输入光学强度低时，光学放大器产生连续的放大自发发射(ASE)输出。该方法还可以包括以下步骤：使用强度调制器调制光学放大器的ASE输出的强度。该方法还可以包括以下步骤：将所调制的ASE发送到所述光学放大器或第二光学放大器的输入端进行放大。该方法还可以包括以下步骤：将来自放大器的放大的调制光的全部或部分用于系统中。该方法还可以包括调制方案的步骤，其中该调制在高强度状态下保持一段时间τ_P，该时间比光从放大器的输出端行进到其输入端所花费的时间τ_O短，然后在低强度状态下保持比τ_O长的时间。

根据第四方面的特定布置，提供了一种调制宽带光源的强度的方法，该方法包括以下步骤：提供光学放大器，当输入光学强度低时，光学放大器产生连续的放大自发发射(ASE)输出；使用强度调制器调制光学放大器的ASE输出的强度；将所调制的ASE发送到所述光学放大器或第二光学放大器的输入端进行放大；将来自放大器的放大的调制光的全部或部分用于系统中；一种调制方案，其中该调制在高强度状态下保持一段时间τ_P，该时间比光从放大器的输出端行进到其输入端所花费的时间τ_O短，然后在低强度状态下保持比τ_O长的时间。

调制方案可以是脉冲调制。脉冲的持续时间可以比τ_O短。脉冲的重复周期可以比τ_O长。

第二至第四方面中的任一方面的方法可以被应用在第一方面的系统中。上述第二至第四方面的方法可以应用于包括以下各项的群组中的一种或多种用途：光纤或波导上的分布式声学感测；表面振动测定；空气和大气中的分布式声学LIDAR；风速测量(风速测定)；水中的分布式声学LIDAR；管道流体中的分布式声学LIDAR；钻孔和井中的竖直地震剖面分析；用于地震勘探的海上拖缆；用于地震勘探的陆地地震传感器；用于重复地震成像和反演的永久地震监测阵列；被动地震监测，如地震监测、微地震监测和与地下流体注入或生产有关的诱发地震活动；矿井壁稳定性监测，如微地震监测和崩落；大坝稳定性监测，如水坝引起的地震活动和尾矿坝的刚度；输送机监测；旋转机器监测，如压缩机、风扇、涡轮机和发电机；管道监测，如泄漏检测和篡改；周边和安全监测/监视，如入侵检测；基础设施监测，如桥梁、隧道、建筑物和风力涡轮机的应变和振动控制；车辆结构监测，如汽车、飞机和船舶的应变和振动控制；流量测量，如管道中的计量流量；岩土勘测，如近地表剪切波速的面波反演；空气流动剖面分析，如大气剖面分析、风室剖面分析以及飞行器周围；水流动剖面分析，如洋流、河流和海上运载工具周围的剖面分析；医疗装置，如身体应变传感器和血流测量；电信网络监测，如干扰和故障；交通和车辆流量监测，如道路、铁路和船只；音频录制；以及火灾监测，如在隧道和基础设施中。

附图说明

尽管可能落入本发明范围内的任何其他形式，现在将参考附图仅通过举例的方式描述本发明的一个或多个优选实施方案，其中：

图1示出了本文公开的DAS系统和方法的示意框图；

图2示出了在当前公开的系统和方法中来自感测介质的分布式反向散射光学信号的到达时间的示意图；

图3示出了本文公开的公共路径配置下的DAS系统和方法的示意框图；

图4示出了示意图，其示出了本文公开的感测系统的特定布置的光子部件；

图5示出了示意图，其示出了本文公开的具有公共路径配置的感测系统的进一步布置的光子部件；

图6示出了示意图，其示出了本文公开的感测系统的特定布置的光子部件；

图7示出了示意图，其示出了本文公开的具有公共路径配置的感测系统的进一步布置的光子部件；

图8示出了使用3×3耦合器的所有输出端口作为相位和振幅接收器的，在本文的公共路径实施方案中公开的感测系统的进一步布置的光子部件；

图9示出了在本文的具有偏振分束器的公共路径实施方案中公开的感测系统的进一步布置的光子部件；

图10示出了根据本文公开的系统和方法的脉冲DAS系统的示例检测振幅轨迹；

图11示出了根据本文公开的系统和方法的用于测试目的的在430m处使用振动光纤拉伸器沿感测光纤测量的相位相对于位置的关系的示例；

图12示出了根据本文公开的系统和方法的用于测试目的的在430m处使用振动光纤拉伸器的计算应变率相对于沿感测光纤的位置相对于时间的关系的示例；

图13示出了本文公开的感测系统的进一步布置的光子部件，其中来自一个光学放大器的放大自发发射被用作光源；

图14描绘了如本文所公开的感测分布式反向散射信号的方法；

图15示出了使用3×3耦合器的所有输出端口作为相位和振幅接收器的，在本文的公共路径实施方案中公开的感测系统的进一步布置的光子部件；

图16描绘了如本文所公开的处理和分析振幅和相位的方法；

图17示出了本文公开的公共路径配置下的DAS系统和方法的示意框图，该公共路径配置具有到感测介质的2个独立光路；

图18A至图18C描绘了如上所述的系统的进一步布置，其如本文所公开的具有将输出信号引导到感测介质中而无需重新组合在公共外向路径中并且接收来自感测介质的反向散射信号的方法；和

图19描绘了上述系统的进一步布置，其增加了用于检测多个感测介质上的路径长度变化的频率选择性复用/解复用和频率引导部件。

具体实施方式

在下面的描述中应当注意，在不同的实施方案中，相似或相同的附图标记表示相同或相似的特征。

本文公开了用于定量分布式声学感测(DAS)系统的系统和方法，对沿感测介质(如例如光学透明介质，如光纤)的光路长度变化进行定量分布式测量。本文公开的DAS系统包括宽带光源以及能够精确地测量相位的相位和振幅测量。宽带光源可以具有相干时间τ_coh，并且可互换地具有相干长度l_coh，该相干长度被定义为与在等于相干时间的时间内的介质中的传播相对应的光路长度。当用于本文公开的系统和方法中时，在光源的相干长度上没有原则上的下限。相干时间τ_coh是通过将相干长度l_coh除以介质中的光速来计算的，并且由关系式

近似给出，其中λ是光源的中心波长，Δv和Δλ是光源的分别以频率和波长为单位的光谱线宽，并且c是真空中的光速。

多个物理参数可以通过它们在与之耦合的介质中产生的相应的光路长度变化来感测。能够在耦合介质中引起光路长度变化的现象的示例可以包括：纵向应变，横向应变，声波，地震波，振动，运动，弯曲，扭转，温度，光学延迟或化学成分。还可以感测具有引起沿光路的伸长和/或折射率变化和/或变形的机制的任何其他物理参数。光路长度变化也可以通过散射/反射粒子在感测介质中的移动而发生。本文公开的系统和方法利用强度调制的宽带光源与延迟以及相位和振幅测量相结合，以对来自诸如光纤(在本文中称为感测光纤)的感测介质的分布式反向散射进行精确的相位测量。光从感测光路返回系统的可能机制包括：瑞利(Rayleigh)反向散射；米氏(Mie)反向散射；离散反射(有意和无意的反射，如故障或连接器连接)；布拉格光栅反射；固体中的粒子散射，诸如晶体和玻璃中的掺杂剂；液体中的粒子散射，诸如水中的细胞或裂隙；或气体中的粒子散射，诸如空气中的大气气溶胶。

与当前公开的系统和方法结合使用的，或用于实现本文公开的光学延迟装置的，用于感测介质的可能的光路包括：单模光纤；多模光纤；多芯光纤；保偏光纤；光子晶体；光子带隙光纤；具有液体或气体填充芯的光纤；平面波导，其可以用任何合适的材料制成；或在可能包括空气或水的反向散射介质(气体、液体或固体)中的自由空间传播。

在本文所公开的系统中，由光源产生的输出信号被分成例如两个部分，然后被引导至IRDP，其中输出信号的一部分相对于没有延迟的输出信号的第二部分(直接输出信号)在时间上延迟(从而产生延迟输出信号)。延迟输出信号和直接输出信号然后被引导到感测介质，使得延迟和直接输出信号传播通过感测介质，并且因此由于外部干扰而导致感测介质的变化。延迟输出信号和直接输出信号可以可选地在感测介质之前被组合到公共光路和/或公共偏振上。如本领域技术人员将意识到的，将光分成多个路径用于以不同延迟实现合适IRDP的可能方法可以包括：光耦合器(2x2、3x3或MxN)；分束器；偏振分束器；开关(例如LCOS、全息图、MEM或电光)；声光调制器；光学滤波器；部分反射器；或双折射。

当它们通过感测介质传播时，延迟和直接输出信号各自由感测介质沿输出信号的传播方向以分布式方式散射，并且一部分散射的输出信号在反向传播方向上直接反向传播到正向传播信号。DAS系统收集来自输出信号的反向传播(或反向散射)光，以分析引起感测介质中光路长度变化的任何外部干扰。

图1示出了根据本发明的DAS系统的概念性示意框图。

来自光源101的输出光150可选地由调制器103调制。在可替代布置中，光源101是脉冲光源。在更进一步的布置中，光源101可以具有与其结合的调制器103。优选地，在激光器内部或在分离之前对光源进行调制，但是可选地，可以在进入感测介质(如感测光纤)160之前的任何地方对光源进行调制，即，在光源101与感测介质160之间的任何点处对正向传播路径130中的光进行调制。调制器103可以被适配成在感测介质160之前调制系统100的正向传播路径130中的光的强度、频率、相位或偏振中的任何一项或多项。脉冲或编码调制是可以使用的可能的调制方案的示例。如本领域技术人员将理解的，用于调制的可能的替代装置可以包括例如：电光调制器；声光调制器；光学开关；直接光源调制；和可饱和吸收器。可能的调制方案可以包括：脉冲；伪随机译码；单纯形代码；戈莱(Golay)码；线性频率啁啾；或巴克码。

如果将调制器放置在系统100的分离器105之后，那么它可以被适配成作用于延迟151或直接153输出部分而不作用于其他输出部分，那么系统100可以以与以下情况相似的方式工作：调制器被放置在分离器105之前。

如果使用一个以上的调制器分别作用于两个输出部分151和153，那么这些调制器将优选地在延迟之前作用于这些部分上并且一齐起作用。如果调制器在延迟之后但在组合器111a之前作用于输出部分，那么调制器将优选地使用具有等于光学延迟的延迟的相同调制模式。

如果在组合器111a之后并在感测介质160之前使用调制器，则该调制将优选地在等于光学延迟的时间段之后重复其调制模式。

可能的宽带光源可以包括：多模激光器(例如法布里(Fabry-Perot)激光器)、单模激光器(例如DFB激光器)；自发发射或放大自发发射(ASE)，例如EDFA和SOA；超发光二极管(SLED)；超连续谱光源；锁模激光器；调幅光源；调频光源；扫频光源；相移键控激光器；调相光源；自然光；荧光或磷光；如技术人员将理解的上面列出的任何滤光光源；或以上光源的任何组合。在特定布置中，光源的相干长度小于系统100的空间分辨率。

在以下讨论中，仅出于示例目的将调制器描述为强度调制器。然而，本领域技术人员将容易理解，强度调制可以容易地被由光源101产生的光的相位、偏振或频率的调制代替。

在系统100的特定布置中，其每个元素之间的光路由光纤提供。在替代布置中，元素之间的光路可以是自由空间。接下来，将来自光源101的光150引导到分光器105，在分光器处将其分成至少2部分输出光152和153，它们分别被引导到包括分离的光路(例如，分离的光纤)的第一有意相对延迟路径(IRDP)106a。第一IRDP 106a包括第一光学延迟装置107a，其例如可以是预定长度的光纤延迟线，以便将已知的延迟时间τ₁施加到分离的输出信号的第一部分152上并由此产生延迟输出信号151。在进一步的讨论中，将绕过第一光学延迟装置107a的光学输出150的分离部分153称为直接输出信号153。然后将延迟输出信号151和直接输出信号153两者在组合器111a中重新组合到公共正向传播光路171上，然后引导到感测介质160，例如适配用于感测能够感应感测介质160上的光路长度变化的一个或多个参数的光纤。在特定布置中，施加到IRDP 106a中的分离信号151和153上的差延迟优选地(尽管不是必须地)长于感测介质160中的光的往返时间。

由感测介质160中的正向传播光引起的并沿感测介质160中的相同光路反向传播的分布式反向散射被系统100收集，并且最初由反向散射接收装置115从系统100中的正向传播路径130分成反向传播路径135。反向散射接收装置115可以是光学循环器或类似物，其a)接收来自正向传播路径130的正向传播光并将其引导到感测介质160，并且b)接收来自感测介质160的反向传播的反向散射光并将其引导到反向传播路径135。系统100接收的反向散射光学信号161和163包括由延迟输出信号151在感测介质160中的反向散射引起的第一反向散射返回信号163和由直接输出信号153在感测介质160中的反向散射引起的第二反向散射返回信号161。反向散射信号161和163各自在反向传播路径135上传播，并且各自被分离器111b分成在单独的光路上的至少两个反向散射信号部分，并且分离的反向散射信号部分被引导到第二IRDP 106b。第二IRDP 106b包括第二光学延迟装置107b，该第二光学延迟装置例如可以是预定长度的光纤延迟线，以便将已知延迟时间τ₂，施加到反向散射返回信号161和163中的每一个的第一部分上。

第二光学延迟装置107b被适配成将返回路径上的接收到的反向散射信号161和163中的每一个的至少一部分相对于其他返回光路延迟预定的延迟时间τ₂，从而产生反向散射信号161和163中的每一个的延迟反向散射信号部分以及反向散射信号161和163中的每一个的至少一个直接反向散射信号部分，其中第一(τ₁)和第二(τ₂)延迟装置的延迟满足关系式|τ₁-τ₂|＜a τ_coh，光源101的相干时间，其中乘法因数a可以在1至约100之间。在一些情况下，如下所述，有意使用τ₁≠τ₂设计系统对于相位和振幅测量可能是有利的。然后将返回反向散射信号各自引导到相位和振幅接收器131。

根据上述系统100的光路，相位和振幅接收器131接收多个信号，包括：

■直接+直接信号，其包括由已经绕过第二光学延迟装置107b的直接输出信号151产生的反向传播信号161a(信号1)；

■延迟+直接信号，其包括由已经绕过第二光学延迟装置的延迟正向传播输出信号153产生的反向传播信号163a(信号2)；

■直接+延迟信号，其包括由已经通过第二光学延迟装置107b传输的直接输出信号151产生的反向传播信号161b(信号3)；和

■延迟+延迟信号，其包括由已经通过第二光学延迟装置传输的延迟输出信号153产生的反向传播信号163b(信号4)。

信号2 163a和信号3 161b大约同时到达接收器，以允许信号2 163a干涉信号3161b，从而在接收器131的输出端产生被适配成提供信号2与信号3之间光程差的量度的干涉信号170，该光程差表示由外部干扰引起的感测介质160中的路径长度差。

将检测到的信号记录并存储在存储器133中，并由分析处理器136进行分析，以计算由外部干扰引起的感测介质160中的有效路径长度变化。

系统100还包括可选的放大器113a和113b，分别用于：113a)在发射到感测介质(例如感测光纤)160中之前对输出正向传播光学信号151和153进行光学放大；以及113b)对接收到的反向散射信号161和163进行光学放大。

以此方式，在整个系统100中并且在感测介质160内相干地行进的宽带光可以在光源与相位和振幅接收器之间行进几乎相等的光路长度(所谓的“白光”干涉条件)，而与光学频率无关并且与沿感测光纤的已发生反向反射的位置无关。该条件在宽带分布式反向散射之间的相位和振幅接收器131处产生电子可测量的干涉信号，该信号在不同时间从感测介质160返回。在相位和振幅接收器131处测量的延迟和非延迟反向散射信号163a和161b的相对相位(分别由直接输出信号和延迟输出信号产生)包含准确确定光路长度变化所需的主要信息，光路长度变化在由第一(正向传播)IRDP和第一光学延迟装置107a引起的延迟周期内在感测介质中发生。如在下面的信号模型推导中所讨论的，在相位和振幅接收器131处测量的所检测信号的振幅可以用于估计相位信息的质量，并且可以用于通过使用译码方案改善分布式感测的空间分辨率和灵敏度。

可能的相位和振幅测量方法可以包括：频移(例如声光频移)直接+延迟和/或延迟+直接信号以及复解调以恢复相位；3x3耦合器或MxN耦合器，其中M≥2或N≥3；扫频和希尔伯特变换用于恢复相位；相位调制器通过变化的相移的时间复用来接收相位；多端口干涉仪内的波片布置；使用光谱仪(例如光栅)或光学滤波器并在不同频带中检测强度或进行相位和振幅测量；干涉本地振荡器；或以上各项的任何不同偏振(双偏振)版本，如本领域技术人员所理解的。当第一(τ₁)与第二(τ₂)延迟不相等(τ₁≠τ₂)时，可以预期整个光谱的相位都不均匀，在这种情况下，可以利用这一事实进行相位和振幅测量，或者在不同的频带上分别进行。这可能具有以下优点，包括：改善制造的简易性和成本，并补偿感测介质中的分散。在不同频带中进行相位和振幅测量还可以通过使用频率解复用器将输出信号引导到不同的感测介质，并使用频率复用器接收返回的反向散射信号，从而在多个感测介质上进行分布式感侧。

如本领域技术人员所理解的，第一和第二光学延迟装置107a和107b的可能布置可以包括延迟光装置，诸如：光纤延迟线；光束延迟线(例如自由空间)；光学腔；再循环回路；或电磁感应的透明度。

优选地，分离器以及相位和振幅接收器可以包括公共装置，如图8、图13或图15所示。

现在参考图14，描绘了一种感测分布式反向散射信号的方法，其包括以分布式方式定量地感测沿感测介质的光路长度变化的方法1400。方法1400包括提供1401宽带光源以产生光学输出的步骤，光源具有相干时间τ_coh。方法1400还包括以下步骤：将光学输出分成1403至少两个部分，并将每个分离的部分引导1405到独立的外向光路。可以通过空间分离或分成偏振部件来进行分离，但不限于此。独立的偏振被认为是独立的光路。方法1400还包括在所述光路中的第一光路中提供1407第一光学延迟装置。第一光学延迟装置被适配成将第一正向光路上的光学输出的至少一部分相对于另一个独立的正向光路延迟预定的延迟时间τ₁，从而产生延迟输出信号和至少一个直接输出信号。方法1400可选地包括提供光学重组器，用于将延迟光学信号和至少一个直接输出信号重新组合1409到公共正向光路上，并将输出信号引导1411到感测介质中，无论是否重新组合。方法1400还包括提供1420调制器，用于调制由光源产生的光学输出。调制步骤1420可以在步骤1401至1411之间的任何地方进行。调制器可以被适配成在感测介质160之前调制正向传播路径130中的光的强度、频率、相位或偏振中的任何一项或多项。

方法1400还包括提供1413用于接收来自感测介质的反向散射信号的接收装置。方法1400还包括将反向散射信号分成1415至少两个独立的返回路径。可以通过空间分离或分成偏振部件来进行分离，但不限于此。独立的偏振被认为是独立的光路。方法1400还包括在返回路径中的第一返回路径中提供1417第二光学延迟装置。第二光学延迟装置被适配成将第一返回路径上接收到的反向散射信号的至少一部分相对于另一个返回光路延迟预定的延迟时间τ₂，从而产生延迟反向散射信号和至少一个直接反向散射信号。

第一和第二延迟装置的延迟满足关系式|τ₁-τ₂|＜a τ_coh，其中乘法因数a可以在1至约100之间。第一和第二延迟装置可以是公共装置或公共光路。方法1400还包括使用相位和振幅接收器接收1419延迟和直接反向散射信号，该相位和振幅接收器被适配成测量分离的延迟和直接反向散射信号之间的相对相位差。可以在所测量的振幅和相位上使用分析处理器136，从而以分布式方式对感测介质中的光路长度变化进行测量。

现在回到图2，示出了在当前公开的系统和方法(诸如具有调制光源101的系统100)中分布式反向散射信号从感测介质到相位和振幅接收器131上的到达时间的时间线描绘。在调制光源是强度调制光源的情况下，强度调制的深度优选地大于50％直至100％(例如来自脉冲光源的输出)。为了清楚起见，参考脉冲光源描述了图2中的到达时间。在产生脉冲200之后不久，在感测介质(光纤)160之前和之后通过直接路径行进的光(即，绕过在正向传播方向上的第一光学延迟装置107a以及在反向传播方向上的第二光学延迟装置107b)到达相位和振幅接收器131。由于分布式反向散射，它随时间散布。如果延迟长于感测介质160中光的往返时间，则到达接收器131的光首先行进通过直接路径，然后通过延迟路径(即信号3 161b)，并将到达接收器而不与信号1 161a和信号4 163b重叠。信号3 161b将相干地干涉首先行进通过延迟路径然后通过直接路径的光，即信号2 163a，其与信号3 161b几乎同步到达。信号3 161b和信号2 163a的相对相位用于本感测方法。然后跟着的是行进通过两个延迟路径的光(即信号4 163b)。对随后的脉冲205和206重复该过程。

图3示出了根据本发明的公共路径配置下的进一步布置的DAS系统200的概念性示意框图。在图3中，与图1相比，共同的附图标记用于表示相同的元素。

如图3所示，公共路径实施方案是使用公共光路(例如如光纤之类的波导，尽管偏振、方向或定时可能不同)实现感测介质160之前和之后的延迟。可选地，对于在感测介质160之前和之后的延迟，公共路径实施方案可以具有完全相同的光路。这样的实施方案极大地简化了系统的制造成本和复杂性，因为相对于诸如温度、压力或老化的参数，系统无需(在物理上、电子上或信号处理中)考虑或补偿两个或更多个单独的IRDP或光学延迟装置之间的延迟变化，以确保依据本文公开的系统和方法，延迟差保持小于光源的相干时间。在公共路径实施方案中(其中延迟是静态的)，当感测光纤也是静态的时，在相位和振幅接收器处测量的相位将接近于零。感测介质160内的光路长度的任何变化将导致成比例的非零相位。在没有公共路径实施方案的情况下，并且在感测介质之前和之后使用较长长度的不同光纤进行延迟的情况下，应注意确保在光源的相干长度之内(可以短至τ_coh～100微米)制造光纤的光路长度，并且将在系统的工作温度范围内(例如10℃至50℃)保持不变。

在图3的公共路径布置中，具有光学延迟装置107a的正向传播IRDP和具有光学延迟装置107b的反向传播IRDP被具有单个公共光学延迟装置207的正向和反向传播路径所共有的单个IRDP代替。系统200此外还包括多个光学循环器或耦合器206a和206b，以：

(a)接收来自光源101的光，并在正向传播方向上将其引导通过IRDP，其中输出信号的两个分离的部分在被发射到感测介质160中之前组合在混合组合器/分离器211中以产生反向散射信号；和

(b)接收来自感测介质160(例如，光纤感测介质)的反向传播反向散射光，其中，每个接收到的反向散射信号被组合器/分离器211分成两个部分，并且分离的反向散射信号中的每一个在反向传播方向上穿过公共路径IRDP，并且由循环器206a和206b引导到相位和振幅接收器131。再次将检测到的信号记录并存储在存储器133中，并由分析处理器136进行分析，以计算由外部干扰引起的感测介质160中的分布式路径长度变化。

系统200还包括可选放大器213，用于对来自介质160的正向传播的光学输出信号和反向传播的接收的光反向散射信号进行光学应用。

图4和图5示出了分别在系统100和200的进一步布置中的公共系统命名中的双路径(参见例如图1)和公共路径(参见例如图3)光学系统400和500的示意性布局。

图6和图7示出了分别在系统100和200的进一步布置中的公共系统命名中的双路径(参见例如图1)和公共路径(参见例如图3)光学系统600和700的示意性布局。图6和图7是利用每种布置的干涉仪臂中的偏振修改法拉第镜配置的。法拉第镜返回的光的偏振相对于输入光的偏振旋转了90°。如本领域技术人员将理解的那样，法拉第镜由此用于补偿已经行进通过光纤的较长长度的光的偏振状态的任何不受控制的和/或随机的变化。以此方式，可以使用较长长度的标准单模光纤(比保偏光纤便宜)延迟光学信号，同时确保偏振的输入和输出状态之间的固定关系。

图8示出了使用3×3耦合器810的所有输出端口作为相位和振幅接收器的，在本文的公共路径实施方案中公开的感测系统的进一步布置800的光子部件，如本领域技术人员所理解的。如果我们用I₁、I₂和I₃表示从理想3x3耦合器中检测到的三个输出信号，那么可以通过线性组合(I₁+I₂-2*I₃)确定复干涉信号的实部，并且可以通过线性组合

确定复信号的虚部。时间门或调制器801可以用于防止来自感测光纤的返回信号与输出信号一起被引导回到感测光纤。

图9示出了在本文的具有偏振分束器908的公共路径实施方案中公开的感测系统的进一步布置的光子部件。在系统的不同部分内行进的光的偏振状态由矢量表示，并且本领域技术人员可以理解各种部件对那些偏振状态的作用。这种布置的目的是，利用偏振确保进入有意相对延迟路径(IRDP)902的大部分光901通过偏振分束器和法拉第镜的作用被导向感测光纤。在这种布置中，进入感测介质160中的正向传播光903是光纤。此外，这种布置还确保了通过偏振分束器和法拉第镜906和907的相同作用，由感测光纤反向散射并进入IRDP 902的大部分反向散射光904被引导向相位和振幅接收器910。引导向相位和振幅接收器的光及其相关联偏振状态被标记为905。在这种布置中，单根光纤中的两个正交偏振充当独立的光路。

在图10至图12中提供了本发明的实验验证。图10示出了来自相位和振幅接收器的信号的振幅相对于脉冲方案检测来自感测介质的分布式反向散射辐射的时间的关系，该感测介质包括长度大约为800m的电信级光纤。检测到的信号的第一部分1001对应于由已经绕过第二光学延迟装置107b的直接输出信号151产生的检测到的反向散射信号161a(信号1)。检测到的信号的最后部分1003对应于由已经通过第二光学延迟装置传输的延迟输出信号153产生的检测到的反向散射信号163b(信号4)。检测到的信号的中心部分1005对应于：由已经绕过第二光学延迟装置的延迟正向传播输出信号153产生的检测到的反向散射信号163a(信号2)，以及由已经通过第二光学延迟装置107b传输的直接输出信号151产生的反向散射信号161b(信号3)，并且因此是检测到的信号的一部分，其中信号2与信号3之间的干涉在接收器处发生，并用于分析感测介质中的光路长度变化。

在此示例中，由光源产生的脉冲光输出的脉冲长度为100ns，光源输出的脉冲重复率为20kHz，并且来自实验系统中使用的IRDP的延迟为15微秒。本示例中的数据是使用图15中所示的公共路径设置获取的。在本示例中，光源的相干长度小于0.05mm，对应于大约4THz的带宽。将具有单频调的光纤拉伸器放置在感测光纤中，以提供振动信号，该信号修改该位置处感测光纤的路径长度，并且位于距离感测光纤的输入端大约430m。

图11是来自相位和振幅接收器的反向散射信号的检测到的相位相对于沿感测光纤的位置的关系的图表。图12示出了计算出的应变率相对于位置相对于时间的关系。应变ε是根据相位梯度

使用公式

计算的，其中λ是光源的中心波长，n是光纤的折射率，并且

是弹性光学系数，其量化响应于机械应变而由光纤长度变化引起的光纤折射率的变化。可以沿光纤在距离430m处在检测到的信号中轻松观察到对感测光纤(光纤拉伸器)的外部干扰的位置1011。

图11还示出感测光纤中的非线性，这种非线性在检测到的信号中通过在检测到的相位中相对于距离的向上倾斜而表现出来，其表明在本发明的系统和方法中感测介质中非线性效应的常规确定性质。这种效应归因于克尔非线性，其中光纤的折射率会因光纤中的光的强度而暂时改变。如果希望的话，可以通过使延迟和直接路径中的功率相等，或者在分析中通过去除恒定偏移来轻易校正检测到的信号中的非线性效应，如本领域技术人员所理解的。使用图5中的布置并且峰值光学功率超过1W的实验结果并未显示与调制不稳定性或受激布里渊散射的非线性效应相关联的任何负面影响，这已知在较低峰值功率(峰值光学功率)处对相干光纤感测系统具有不利影响。

图13的系统1300具有与图8的系统800类似的布置，利用3×3耦合器1310，并且可以以2种不同的模式进行操作。在第一操作模式中，来自放大器1301的宽带放大自发发射(ASE)用作系统的光源。该ASE可以在进入IRDP 1305之前由强度调制器1302调制，然后被引导向感测光纤。第二调制器/时间门1312用作时间门，以允许此调制的ASE进入感测光纤，但是没有其他不想要的光(例如，将防止来自感测光纤的反向散射光在系统中再循环)。在第二操作模式中，不需要调制器1302，并且来自放大器1301的连续ASE进入IRDP，然后在被引导向感测光纤之前在强度调制器1312处被调制。强度调制器1312还可以用于在这种操作模式下防止不想要的光进入感测光纤。在任何一种操作模式中，调制器1302和1312可以通过对放大器增益的直接调制而被直接(分别)结合在放大器1301和1311中。

图15示出了分别在系统100、200和300的进一步布置中的公共系统命名中的公共路径(参见图3)光学系统1500的示意性布局。系统1500以与图8的系统800类似的方式，使用3×3耦合器1510的返回路径上的所有三个光学信号输出作为相位和振幅接收器，如本领域技术人员将理解的。

在图16中，描绘了将在图1的分析处理器136中实现的分析和处理方法1600。参考图1的系统100，方法1600包括以下步骤：通过诸如对电子信号进行滤波的装置来降低系统噪声1601；使用由相位和振幅接收器131测量的振幅和相位来构造复信号1602；在复信号上应用反卷积、互相关、解码、尖峰、色散补偿、偏振色散补偿或非线性补偿的过程/算法1603，以补偿应用于输出信号151和153的已知调制或测量调制或这些信号经过的介质的传播特性；计算所得到的复信号的相位1604；取相位差或相位梯度1605来根据时间和位置计算光路长度变化或感测介质160的物理参数，如例如应变(其中感测介质160包括光纤)；按给定应用的要求进行滤波或后处理1606；按给定应用的要求，应用已知的自动解释或分类1607方法；显示1608和/或存储1609得到的感测数据；以及基于预定义的标准并按给定应用的要求，为用户产生告警1610。

图17示出了根据本发明的公共路径配置下的进一步布置的DAS系统1700的概念性示意框图。在图17中，与图1和图3相比，共同的附图标记用于表示相同的元素。系统1700示出了延迟输出信号151和直接输出信号153被引导到感测介质160，而没有将输出信号重新组合到公共正向光路上的中间步骤。

图18示出了被引导到感测介质的输出信号的概念性示意框图1800，而没有将输出信号重新组合到公共正向光路上的步骤。在图18中，与图17相比，共同的附图标记用于表示相同的元素。图18A至图18C分别示出了系统1800的光子实现的三个示例布置1801、1802和1803。布置1802示出了一个示例，其中来自感测介质的2个输出路径和2个返回路径可能没有在空间上分离，而是由于正交偏振而不一定是线性偏振状态而分离且独立。

图19描绘了以上公开的系统的进一步实施方案1900，其中正向传播路径130包括类似于图1所示的分离器和延迟装置(未示出)。然而，在被引导到感测介质160之前，提供了频率解复用器/复用器1920，以将正向传播(直接和延迟)光学信号分成多个频带，并在每个频带中将每对正向传播信号引导到多个感测介质160中的选定一个。

频率复用器/解复用器(Mux/Demux)1920还被适配成接收来自每个感测介质160的反向传播的反向散射信号，并将来自每个感测介质160的信号对引导到类似于图1所示的返回路径的返回路径135上。系统1900还包括频率解复用器1930，以将来自反向传播信号的选定频带引导到相应的多个相位和振幅接收器131上，该相位和振幅接收器被适配成测量选定频带中接收到的光学信号的振幅相位差，从而以分布式方式确定沿每个选定介质160的光路长度变化以推断选定介质160中的物理变化。如图3所示，正向路径130和返回路径135可以共享公共IRDP。在一些实施方案中，将多个频带中的反向传播信号引导到一个相位和振幅接收器131可能是有利的，在这种情况下，感测介质的数量大于相位和振幅接收器的数量。在其他实施方案中，将来自一个感测介质的反向传播信号分成多个频带并且将每个频带中的光引导到单独的相位和振幅接收器可能是有利的，在这种情况下，感测介质的数量小于相位和振幅接收器的数量。

信号模型的推导

使用耦合模式方程式在光学介质(具体地，光纤)中的正向和反向传播模式之间耦合，Froggatt和Moore(M.Froggatt和J.Moore，“High-spatial-resolution distributedstrain measurement in optical fibet with Rayleigh scatter”，Appl.Opt.，第37卷，第10号，第1735-1740页，1998年)得出以下表达式：

其中

R(β)是瑞利(非频移)反向散射波的复振幅；

ε_co是纤芯的介电常数；

ε(z)-ε_co是纤芯的介电常数的随机变化；

我们假设在感测光纤之外(z)-ε_co≡0；

β是波导中的传播常数；并且

E₀(β)是z＝0处激发场的复振幅。

该结果显示，由随机介电常数波动引起的反向散射场的复振幅是以激发场特殊频率的两倍评估的介电常数波动的空间傅里叶变换。

然后可以进行以下替换：

z＝v_pτ/2，

其中，τ是双向(相位速度)行进时间；并且

v_p＝c/n_eff是相位速度；

S(ω)＝R(β(ω))是频域中的信号；

E(ω)＝E₀(β(ω))是频域中的发射场；并且

β＝ω/v_p是传播常数，

给出：

现在我们定义：

并使用傅立叶变换公式：

得到：

S(ω)＝E(ω)(-iω)Y(ω)。

或者，等效地，信号模型可以用简单符号重写为：

S(ω)＝E(ω)G(ω)

s(τ)＝e(τ)*g(τ) (2)

其中

*表示卷积

G(ω)＝(-iω)Y(ω)已被替代

g(τ)在时域中解释为光纤的脉冲响应函数。

s(τ)是时域中的信号

e(τ)是时域中的发射场

g(τ)、s(τ)并且e(τ)通过傅立叶变换与G(ω)、S(ω)和E(ω)有关。

使用恒等式：

我们发现：

为了确定同一根光纤上2个反向散射场之间的干涉，我们考虑图1所示的几何形状。在这种几何形状中，相位和振幅接收器有两个反向散射的信号场：

其中T是延迟

之后光纤的脉冲响应函数。它表示应用到待感测的g(t)上的微扰。

考虑干涉项：

通过时间、频率或偏振复用，可以强制项1、2和4等于零，只剩下第3个项：

替代：

■e_T(t)＝e(t-T)；

■

即，在时间T之后g(t)已经发生了非常小的变形，相当于位置相关的位移/扩张；

■

我们得到

然后，替代t^#＝t′+ρ(t′)得到：

因为

并且

因此：

替代t′＝t^#：

当利用采样时间t_j在时间Δt采样时：

假设脉冲响应函数的以下随机模型为：

其中检测到的强度由以下等式给出：

我们得到：

或：

或等效地，以卷积符号表示：

因此，为了确定光路长度变化ρ(t_j)，应用了强度调制I(t_j-ΔT)与录制数据d(t_j)之间的反卷积

因此：

或者可选地：

互相关可以形成近似反卷积，尤其是如果

并且互相关写为：

如果ΔT大于相干长度，则：

或等效地，以卷积符号表示：

如果

表示不同的感测介质(例如光纤)，则

或等效地，以卷积符号表示：

检测到的信号的分析

上面的推导显示，在感测介质(即，光纤)中引起的光路长度变化(t)由以下表达式给出：

其中：

■t是采样时间；

■z＝vt/2是沿光纤的位置；

■v是光纤中的光速；

■d(t)是来自相位和振幅接收器的复信号；

■I(t)是调制的激光强度；

■

表示傅立叶变换；

■

表示傅里叶逆变换；

■ω₀是光源的中心频率；并且

■ΔT是在感测光纤之前和之后的延迟之间的差。

因此，可以通过来自相位和振幅接收器的复信号与调制激光强度之间的反卷积来确定光路长度的变化。如果

则可以应用互相关而不是反卷积。

在强度调制是脉冲调制的情况下，可以直接根据复信号的相位确定光路长度的变化，如在相位和振幅接收器处测量的：

应用领域

本文公开的系统和方法的可能用途可以包括：光纤或波导上的分布式声学感测；表面振动测定；空气和大气中的分布式声学LIDAR；风速测量(风速测定)；水中的分布式声学LIDAR；管道流体中的分布式声学LIDAR；钻孔和井中的竖直地震剖面分析；用于地震勘探的海上拖缆；用于地震勘探的陆地地震传感器；用于重复地震成像和反演的永久地震监测阵列；被动地震监测，如地震监测、微地震监测和与地下流体注入或生产有关的诱发地震活动；矿井壁稳定性监测，如微地震监测和崩落；大坝稳定性监测，如水坝引起的地震活动和尾矿坝的刚度；管道监测，如泄漏检测和篡改；周边和安全监测/监视，如入侵检测；基础设施监测，如桥梁、隧道、建筑物和风力涡轮机的应变和振动控制；车辆结构监测，如汽车、飞机和船舶的应变和振动控制；流量测量，如管道中的计量流量；岩土勘测，如近地表剪切波速的面波反演；空气流动剖面分析，如大气剖面分析、风室剖面分析以及飞行器周围；水流动剖面分析，如洋流、河流和海上运载工具周围的剖面分析；医疗装置，如身体应变传感器和血流测量；电信网络监测，如干扰和故障；交通和车辆流量监测，如道路、铁路和船只；音频录制；以及火灾监测，如在隧道和基础设施中。

优点

如本领域技术人员将从本文的公开内容中理解的，本文公开的系统和方法克服了现有分布式声学感测系统所教导的系统中固有的局限性，包括以下阐述的优点。

直接相位和振幅测量允许以非常高的灵敏度准确确定感测光纤中光路长度变化的速率和振幅。这也允许更广泛的应用，诸如机器状态监测，它是定量的，并且超出了用于安全警报的基本干扰检测范围。作为灵敏度和保真度的证明，已证明本文公开的系统能够以声学方式录制正常的人类声音并以与麦克风录制相当的保真度回放所录制的音频。

直接的相位和振幅测量提供了明确区分干扰光的振幅和相位变化的能力，这(在实际操作中)克服了对光路长度变化的错误测量，这种错误可能是由衰减效应、接头、连接器、光纤中的非线性效应(包括克尔非线性效应)引起的。

以完全正交(2π范围)进行的相位测量以及随后的展开消除了任何的π范围歧义，范围歧义会导致物理量的符号和解释错误，例如导致压缩与拉伸之间的歧义。此外，它将本文公开的系统的动态范围扩展了2倍。

直接的相位和振幅测量克服了本文公开的系统在实际操作的过程中容易漂移到完全不灵敏状态的问题。这种不敏感状态在特定相位值附近发生，在该特定相位值处小的相位变化不会产生可测量的干涉强度变化。3×3耦合器仅可用于在其输出端口上的光场之间产生120°的相对相位偏置，从而使用相位偏置来选择耦合器的传递函数的较高斜率区域，以在干扰的振幅很小时提高灵敏度。但是，该解决方案在实际操作中并不可靠，因为偏置要求会随诸如时间、沿光纤感测介质的位置、系统参数和环境条件的因素而漂移。

直接相位和振幅测量允许将译码和/或调制方案与本文公开的系统一起使用，以改善系统性能，包括改善灵敏度和扩展测量范围。

直接的相位和振幅测量避免光源强度噪声破坏相位测量，从而避免干扰信号，否则会限制系统的信噪比辨别力。

光源的有意强度调制使得可以在如例如感测光纤的感测介质中进行精确的分布式感测。本文公开的系统和方法不仅仅限于检测和定位感测介质中的单个干扰，并且允许基于位置、时间或频率对干扰进行分类。

本文公开的系统和方法还克服了现有c-OTDR和c-OFDR系统固有的局限性，例如：使用宽带光源显著降低系统的成本、复杂性和鲁棒性，而不会引入相位噪声、降低灵敏度或限制测量范围。

本文公开的系统和方法内在地并且同时地对存在于宽带光源中的所有光学频率的分布式感测信号进行平均。与现有的窄带/相干c-OTDR和c-OFDR系统相比，这是一个关键优势，因为它通过消除与振幅衰减相对于沿感测光纤的位置的关系相关联的问题而大大提高了灵敏度、准确性和线性度。窄带/相干c-OTDR和c-OFDR中的振幅衰减现象是瑞利反向散射的随机性质的基础，它在沿光纤的每个位置处产生随机的振幅和相位。这种现象类似于用相干光照射时在粗糙表面上的斑点。在反向散射振幅恰好接近零的位置处，当振幅恰好等于零时，这些位置处的相应相位是无法准确确定的或可以是未定义的。此外，接近零的振幅作为信号中的符号变化“出现”，这在任何估计的相位变化中产生高度非线性的误差。这些相位误差是c-OTDR和c-OFDR DAS系统中很大且很基础的误差源，因此它们将需要在系统中使用多个窄带、高度相干的激光源，以克服振幅衰减的局限性；通过利用以下事实而实现的：每个不同的激光波长都会产生不同但随机的振幅和相位实现(即不同的散斑图样)。在数字信号处理中使用振幅加权对相位进行平均可以减少系统中的相位误差，因为在振幅接近零的位置处测量的相位被大大忽略了。本文公开的系统和方法利用足够宽带的光源来确保沿感测光纤不存在反向散射振幅可以随机出现在零附近的位置。这一点是可以实现的，因为在每个光学频率下每个位置处的相位都不是随机的(尽管振幅是随机的)，而是每个位置处的相位都与光路长度变化(所需的测量)和延迟差成比例。因此，光源的每个频率都对每个位置处的振幅和相位有建设性的贡献。然后，洗掉了随机振幅模式，类似于在使用足够宽带的光源时消除粗糙表面上的斑点。

宽带光源的使用提高了可用于感测的光学功率，因为与相干光源相比，不必要的非线性效应的功率阈值更高。具有改进阈值的非线性效应包括：受激布里渊散射、四波混频和调制不稳定性。实际上，由于在低相干态下非线性机制对反向散射信号的影响是确定性的并因此可以在相干地检测到的信号的分析中进行校正，因此即使在感测介质内存在强烈的非线性效应时，也可以使用本文公开的系统和方法。

本文公开的系统和方法的布置在不受控制的环境中以及在存在振动噪声源的情况下表现出优异的稳定性和鲁棒性。这对于具有大型机器的室外应用(诸如石油钻井平台和矿场处的地震监测)的可靠性能可能非常重要。

通常，在c-OTDR和c-OFDR系统中，光源中的相位噪声是不希望有的，因为它会增加整体噪声并因此降低系统的信噪比。这鼓励了更为窄带和更高相干性的激光源的使用。本文公开的系统和方法教导了与此情况相反的情况。即，本文公开的系统和方法的模拟表明，与传统思想相反，增加光源带宽(线宽)并鼓励光源中更大的不相干性(较少的相干性，即较短的相干时间和长度)将实际上减少噪声并提高信噪比。这是因为以下事实：从感测介质的不同区段(间隔大于相干长度)返回的反向散射光之间的非相干干涉会产生分散在光源的整个带宽上的背景电子(跳动)噪声。由于此噪声的电子带宽可能大于1THz，因此可以对其进行非常有效地滤波并从信号中除去。

光源的脉冲与连续波源相比具有优势，连续波源可能在实际运行的过程中在感测介质中存在强烈反射的情况下“遮蔽”系统。这在涉及1个或多个连接器或装置的光纤链路中很常见，这可能使现有的分布式声学感测系统在许多实际情况下无法使用。

当直接+直接和延迟+延迟反向散射信号在与直接+延迟和延迟+直接信号不同的时间到达时，光源的脉冲改善了本文公开的系统的信噪比辨别力。

与要求访问感测光纤的两端的Sagnac型系统相反，即使在只能访问感测光纤的一端的限制下，也可以利用本文公开的系统来实现分布式感测。这在钻孔和井应用或其他访问受限的应用中提供了优势。

本文提出的偏振管理方法避免了由激光器的偏振稳定性或光学部件或感测介质内的偏振模色散引起的主要误差。

本文公开的系统允许使用光纤部件、大块光学部件、微光学部件和/或平面波导技术来实现，以在用于多种感测应用的系统的实现中具有更大的通用性。

由于宽带光源具有可用于独立感测的多个光学波长，因此可以通过波分复用的方式将多个感测光纤(或可用的感测介质)连接到系统。

解释

依据

如本文中所描述的，“依据”还可以意指“根据”，并且不必限于关于其指定的整数。

实施方案/布置

在整个说明书中，对“一个实施方案”、“实施方案”、“一种布置”或“布置”的参考是指结合该实施方案/布置描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案/布置中。因此，在整个说明书中的各处出现的短语“在一个实施方案/布置中”或“在实施方案/布置中”不一定都指的是同一实施方案/布置，但是可能指的是同一实施方案/布置。此外，在一个或多个实施方案/布置中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合，如对于本领域普通技术人员而言从本公开文本中显而易见的。

类似地，应当理解，在本发明的示例实施方案/布置的以上描述中，有时将本发明的各种特征组合在单个实施方案/布置、图示或其描述中，以用于精简本公开文本并协助对本发明各个方面中的一个或多个方面的理解。然而，本公开文本的方法不应解释为反映了这样一种意图，即所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如所附权利要求所反映的，本发明的方面在于少于单个前面公开的实施方案/布置的所有特征。因此，特此在具体实施方式之后将权利要求明确地结合在该具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为本发明的单独实施方案/布置。

此外，尽管本文描述的一些实施方案/布置包括一些特征但不包括在其他实施方案/布置中包括的其他特征，但是不同实施方案/布置的特征的组合旨在本发明的范围内，并且形成不同的实施方案/布置，如本领域技术人员理解的。例如，在所附权利要求中，任何要求保护的实施方案/布置可以以任何组合使用。

具体细节

在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施方案。在其他实例中，未详细示出公知的方法、结构和技术，以免混淆对本描述的理解。

术语

在描述附图中所示的本发明的优选实施方案时，为了清楚起见，将采用特定的术语。然而，本发明不旨在限于如此选择的特定术语，并且应理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似技术目的的所有技术等同物。诸如“正向”、“反向”、“径向”、“周向”、“向上”、“向下”等的术语被用作方便提供参考点的词语，而不应被解释为限制性术语。

对象的不同实例

如本文所使用的，除非另外指定，否则使用序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等来描述共同的对象，仅表明相似对象的不同实例被引用，而不是旨在暗示这样描述的对象必须在时间、空间、等级或任何其他方式上是按照给定顺序的。

发明范围

因此，尽管已经描述了被认为是本发明的优选布置，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对其进行其他进一步的修改，并且旨在要求保护落入本发明的范围内的所有这些改变和修改。可以从框图中添加或删除功能，并且可以在功能块之间互换操作。可以向本发明范围内描述的方法添加或删除步骤。

尽管已经参考具体示例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，本发明可以以许多其他形式实施。

工业适用性

从上面显而易见的是，所描述的布置适用于移动装置行业，特别是用于经由移动装置分发数字媒体的方法和系统。

将理解的是，以上描述/示出的方法/装置/设备/系统至少大致上提供了用于对光学透明介质中的光路长度变化进行定量分布式测量的改进的系统和方法。

本文描述和/或附图中示出的系统和方法仅通过示例的方式提出，并且不限制本发明的范围。除非另有特别说明，否则本文描述的系统和方法的各个方面和部件可以被修改，或者可能已被替换，因此，已知的等效物或仍未知的替代物诸如可能在将来被开发或诸如可能在将来被发现是可接受的替代物。由于潜在的应用范围很大，并且由于旨在使本文所述的本发明的系统和方法对于很多此类变化是可适配的，因此本文所述的系统和方法还可以针对多种应用进行修改，同时仍保留在所要求保护的发明的范围和精神内。

Claims

1.一种分布式光学感测系统，其包括：

感测介质；

宽带光源，所述宽带光源用于产生光学输出OO；

用于将所述OO分成至少两个OO部分的装置：

第一光学延迟装置，所述第一光学延迟装置被适配成将第一OO部分相对于另一OO部分延迟延迟时间τ₁，所述第一OO部分称为延迟光学输出信号延迟OOS，所述另一OO部分称为直接光学输出信号直接OOS；

调制器，所述调制器被适配成在将输出信号引导到所述感测介质之前，对光源进行调制或者对延迟输出信号和/或直接输出信号进行调制；

用于将所述延迟OOS和所述直接OOS引导到所述感测介质中的装置；

用于接收来自所述感测介质的分布式反向散射信号的装置，所述分布式反向散射信号由所述延迟OOS和所述直接OOS产生；

用于将接收到的反向散射信号分成至少两个反向散射信号部分的装置；

第二光学延迟装置，所述第二光学延迟装置被适配成将第一反向散射信号部分相对于另一反向散射信号部分延迟延迟时间τ₂，所述第一反向散射信号部分称为延迟反向散射信号延迟BS，所述另一反向散射信号部分称为直接反向散射信号直接BS，其中：

已接收到的来自所述感测介质的、由直接OOS产生的所述分布式反向散射信号的一部分提供所述延迟BS的一部分，其被称为直接-延迟BS；以及

已接收到的来自所述感测介质的、由延迟OOS产生的所述分布式反向散射信号的一部分提供直接BS的一部分，其被称为延迟-直接BS；

相位和振幅接收器，所述相位和振幅接收器被配置用于利用完全相位正交确定，即在2π弧度范围内没有歧义地测量直接-延迟BS与延迟-直接BS之间的相位差，以确定沿所述感测介质的光路长度变化；以及

分析处理器，所述分析处理器被配置成接收来自所述相位和振幅接收器的测量信号，并分析所述测量信号，以由此根据所感测到的光路长度变化推断在所述感测介质中的物理变化。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述相位和振幅接收器被适配成在2π弧度范围内没有歧义地测量振幅和相位两者。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述宽带光源是非相干的宽带光源。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述宽带光源是部分相干的宽带光源。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述宽带光源具有相干时间τ_coh，并且所述第一光学延迟装置和所述第二光学延迟装置的延迟满足以下关系：|τ₁-τ₂|<aτ_coh，其中a在1与100之间。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述调制器被适配为调制强度或相位或频率或偏振。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述第一光学延迟装置和所述第二光学延迟装置是公共的和/或相同的。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述感测介质是光纤，或者是气体或液体之一。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，进一步包括：

多个感测介质；

第一频率选择装置，用于在所述直接OOS和延迟OOS中的每一个内选择多个频带，每个所选频带中的每一对正向传播直接OOS和延迟OOS被引导到所述多个感测介质中的所选的一个感测介质；

多个接收装置，用于接收来自每个所选感测介质的分布式反向散射光学信号，将接收到的所述分布式反向散射光学信号中的每一个组合到公共光学返回路径；

第二频率选择装置，用于接收来自所述返回路径的光学信号，利用接收到的光学信号选择多个频带，将在所选多个频带中的每个所选频带内的信号引导到多个相位和振幅接收器中的一个所选相位和振幅接收器；

所述多个相位和振幅接收器，适配成测量所述所选频带中接收到的光学信号在振幅和相位方面的差异，以确定沿每个所选介质的光路长度变化。

10.一种以分布式方式感测感测介质中的光路长度变化的方法，所述方法包括以下步骤：

提供宽带光源，所述宽带光源用于产生光学输出OO；

将所述OO分成至少两个部分；

提供第一光学延迟装置，所述第一光学延迟装置被适配成将第一OO部分相对于另一OO部分延迟延迟时间τ₁，所述第一OO部分称为延迟光学输出信号延迟OOS，所述另一OO部分称为直接光学输出信号直接OOS；

在将输出信号引导到所述感测介质之前，对光源进行调制或者对延迟输出信号和/或直接输出信号进行调制；

将所述延迟OOS和所述直接OOS引导到所述感测介质中；

接收来自所述感测介质的分布式反向散射信号，所述分布式反向散射信号由延迟OOS和直接OOS产生；将接收到的分布式反向散射信号分成至少两个部分；

提供第二光学延迟装置，所述第二光学延迟装置被适配成将第一反向散射信号部分相对于另一反向散射信号部分延迟延迟时间τ₂，所述第一反向散射信号部分称为延迟反向散射信号延迟BS，所述另一反向散射信号部分称为直接反向散射信号直接BS，其中：

已接收到的来自所述感测介质的、由延迟OOS产生的所述分布式反向散射信号的一部分提供直接BS的一部分，其被称为延迟-直接BS；以及

利用完全相位正交确定，即在2π弧度范围内没有歧义地测量直接-延迟BS与延迟-直接BS之间的相位差，以确定沿所述感测介质的光路长度变化。

11.根据权利要求10所述的方法，其中利用完全相位正交确定的测量是利用能够在2π弧度范围内没有歧义地测量振幅和相位两者的相位和振幅接收器执行的。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中所述宽带光源是非相干的宽带光源。

13.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中所述宽带光源是部分相干的宽带光源。

14.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中所述分布式反向散射信号由光纤中的瑞利反向散射造成。

15.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中所述宽带光源是强度调制宽带光源或脉冲宽带光源。

16.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，进一步包括：在将所述延迟OOS和/或所述直接OOS引导到所述感测介质之前，提供组合装置，所述组合装置用于组合所述延迟OOS和至少一个直接OOS。

17.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中所述第一光学延迟装置和所述第二光学延迟装置是公共的和/或相同的。

18.根据权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用光在所述感测介质中的行进时间和调制方案来确定所述光路长度变化的位置；

使用所述测量的相位以分布式方式定量地确定光路长度变化；以及

根据所述确定的光路长度变化来推断在所述感测介质中的一个或多个物理变化。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，根据所述确定的光路长度变化来推断在所述感测介质中的一个或多个物理变化涉及：

在来自相位和振幅接收器的复信号与已知或测量的调制之间的数值反卷积；和/或

在来自所述相位和振幅接收器的所述复信号与所述已知或测量的调制之间的数值互相关。

20.根据权利要求10所述的方法，其中所述调制步骤包括对所述延迟OOS和/或所述直接OOS的强度进行调制、对所述延迟OOS和/或所述直接OOS的振幅进行调制、对所述延迟OOS和/或所述直接OOS的频率进行调制、对所述延迟OOS和/或所述直接OOS的相位进行调制或对所述延迟OOS和/或所述直接OOS的偏振进行调制。

21.根据权利要求10所述的方法，其中使用时间门控装置来防止光在不希望的时间进入所述感测介质。

22.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤：

提供第一频率选择装置以：

在所述直接OOS和延迟OOS中的每一个内选择多个频带；

将每个所选频带中的每一对正向传播直接OOS和延迟OOS引导到多个感测介质中所选的一个感测介质；

接收来自每个所选感测介质的分布式反向散射光学信号；以及

组合接收到的分布式反向散射光学信号中的每一个，以产生直接BS和延迟BS；

提供第二频率选择装置，所述第二频率选择装置用于利用直接-延迟BS和延迟-直接BS选择多个频带；以及

将在所选的多个频带中的每一个内的信号引导到多个相位和振幅接收器中所选的一个相位和振幅接收器，以测量在每个所选频带中直接-延迟BS与延迟-直接BS之间的相对相位差，以确定在所述多个感测介质的每一个中的光路长度变化。

23.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中所述分布式反向散射信号由大气或液体中的反向散射造成。