CN111051832A - 用于光纤分布式测量的光电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于光纤分布式测量的光电装置，所述装置包括：连续光源(1)，以第一频率ν0发射连续光信号；声‑光调制器(6)，能够将所述连续信号转换为用于注入到待测光纤(15)中的脉冲信号；以及光检测模块(10)，能够检测反向散射信号，所述反向散射信号源于来自所述待测光纤(15)的瑞利反向散射和自发布里渊反向散射，所述装置的特征在于，所述装置还包括第一耦合器(3)和第二耦合器(9)，所述第二耦合器(9)能够将本地振荡器的信号与来自所述待测光纤(15)的反向散射信号混合，然后将所述反向散射信号传输到光检测模块(10)，所述反向散射信号至少以等于ν0‑νbref+νA+νbAS的频率νrB进行调制，其中νbAS是反斯托克斯布里渊(反向散射)频率，并且优选地也以能够在所述光纤(15)的任意点z处测量的瑞利反向散射的等于ν0+νA的频率νrR被调制，并且所述光检测模块(10)能够将接收到的反向散射信号传输至处理模块(12)，所述处理模块能够将所述反斯托克斯布里渊频率νbAS与所述待测光纤(15)的任意点z处的变形值和温度值相关联。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于光纤分布式测量的光电装置。更具体地，本发明涉及一种能够测量布里渊(Brillouin)和瑞利(Rayleigh)反向散射谱的参数的光电装置，并且该光电装置可以包括能够分离温度的分布式测量和变形的分布式测量的器件。
这种装置可用于永久监控土木工程或石油工业中系统和结构的完整性和安全性。
背景技术
用于光纤分布式测量的光电装置通常用于实时测量大型基础设施的温度和变形，以监控其结构健康状况并确保其维护。每次测量时，它们提供连接到它们的光纤的任何点的温度和变形信息。测量通常在几米到几十公里的范围内进行，并且具有米制或甚至厘米的分辨率。因此，例如，可以在长度为20公里的工程上每米进行一次测量。
利用布里渊反向散射现象的用于光纤分布式测量的光电装置是已知的，并已用于土木工程中的温度和变形测量应用。这些系统对于监视诸如桥梁、水坝、液压土坝或流体输送网络(水，碳氢化合物，天然气)的线性工程特别有利，以控制地面运动(滑动，沉降)或埋管是否变形。
为了能够以米制空间分辨率分析几十公里内强度的变化，测量系统通常使用光学时间反射仪OTDR(“Optical Time Domain Reflectometry”的缩写)。OTDR在于在光纤中传播光脉冲，以分析和测量随时间变化的返回强度。检测反向散射光所花费的时间使得可以定位要测量的事件(沿光纤的点z的坐标)。空间分辨率则是光脉冲宽度的函数：宽度为10ns的脉冲，导致例如分辨率约为1m。借助于布里渊反向散射现象与OTDR技术的结合，实现了沿着光纤在数十公里上分布的温度和变形的测量，达到了米制甚至厘米的分辨率。
沿光纤的测量是使用如图1所示的装置进行的。来自诸如激光器的光源1的光被分布在两个臂中。臂中的一个被称为“泵”，允许借助于声光调制器6以脉冲形式将光信号发送到待测光纤15中。根据布里渊现象，信号被光纤15反向散射。根据布里渊现象，构成光纤的材料(通常是二氧化硅)对光进行反向散射的谱分量的频率vBz与入射光波的频率v0偏移。对于波长为λ0＝1550nm的入射波，布里渊频率偏差通常约为11GHz。这样的频率非常高。为了能够对反向散射的信号进行处理，可以将频率转置为较低的频率，以减小要使用的检测器的带宽，从而消除大部分噪声。为此，进行外差检测，包括将要分析的反向散射信号与来自另一臂的称为“本地振荡器”50的波重新组合。该本地振荡器50可以例如是呈布里渊环的激光器的形式。在这种情况下，频率为v0的连续光信号被引导到环行器51，该环行器又将其引导到参考光纤。该参考光纤通过放大的自发散射沿与环行器发送到耦合器52的频率v0-vBref相反的方向发出辐射。耦合器52将一部分能量发送到输出信号，而将另一部分能量重新引导到参考光纤，在参考光纤处，在将所述辐射朝向环形器51重新引导之前，所述辐射通过受激布里渊散射(放大的自发的)以增益系数G被放大，环形器51将放大的辐射送回到耦合器52并将其输出。本地振荡器50则通过受激布里渊散射形成放大环。光电检测器10使得可以补偿两个信号的差拍(battement)。然后，将补偿的差拍放大，然后发送到电频谱分析仪12。在文献US 7 283 216中更具体地描述了这样的用于通过布里渊散射在光纤中进行分布式测量的光电装置，其使用单个激光器频率来产生光脉冲。文献JP 2010 217029描述了另一种用于通过布里渊散射进行分布式测量的光电装置，其使用单个激光器频率来产生光脉冲。该装置旨在经由外差检测来减小布里渊反向散射光的光接收带宽，从而降低成本并促进反向散射光的处理。为此，该装置包括与测试光纤相似的参考光纤，以便测量参考线的和待测线的反向散射光之间的频率差。但是，这些装置的缺点之一是它们的测量时间长。实际上，通常，对于10km的光纤，测量持续时间大于1分钟。
另外，在布里渊反向散射测量期间，温度参数和变形参数在光纤中都产生相同的物理现象(布里渊反向散射频率vB的变化)。因此，布里渊频率vB线性地取决于材料的变形和温度。因此，入射波与反向散射波之间的频率偏移ΔvB随温度ΔT的和变形ε的变化而根据以下等式变化：ΔνB＝CTΔT+Cεε，其中CT和Cε分别是特定于所使用光纤的变形和温度灵敏度系数。因此，目前无法在同一布里渊反向散射测量中区分温度参数和变形参数。
用这种类型的设备克服此问题的唯一方法是固定两个约束之一，或者通过机械固定光纤使其仅能够测量温度，或者通过热绝缘或近似估计光纤周围的温度稳定以便仅测量变形。这些方法永远不会100％有效，并且在测量过程中始终存在残留不确定性，因为无法保证保护光纤免受所有应力(例如，管的摩擦或挤压)，特别是当包含它的电缆不再可接近时。
已经提出了其他解决方案，例如通过拉曼散射进行分布式温度测量(Alahbabi，M.N.等人，Optics Letters 30，第11期(2005年6月1日)：1276–78)，并使用此测量值减去温度对布里渊频率的影响，以确定变形。但这通常会带来很大的实现困难，因为两次测量不是在同一个光纤中进行的，并且使用了两个单独的仪器。因此，必须对两个仪器的测量进行完美的空间对准。还存在高度的复杂性，特别是与两个设备的累积漂移有关的准确性的下降，并且还有与购买两个设备以及与使用两次测量以将结果转换为温度和变形的同时测量(例如，测量网格的对准，不确定性的估计，漂移的校正)的工程设计有关的额外的成本。最后，一般来说，基于两个独立测量的系统产生的质量结果很差，因为通常与这两个测量相关的误差会累积，并且每个测量的转换函数都有漂移，因此在长期测量的不确定性中必须考虑这些漂移。
因此，还需要一种装置，该装置能够以单次测量并由单个待测光纤来区分温度参数和变形参数。
技术问题
因此，本发明的目的是弥补现有技术的缺陷。本发明特别地旨在提出一种具有光纤分布式测量的光电装置，其简单且节省空间并且能够产生对低频不具有或几乎不具有干扰的更精确和快速的测量。为此，光电器件具有新的架构，该架构允许生成不会引起或几乎不引起寄生信号的本地振荡器。“泵”臂中包含参考光纤，以生成放大的自发扩散信号，其允许免去所有必要的事先检查。
本发明的目的还在于提出一种具有光纤分布式测量的光电装置，该光电装置能够以单次测量并且从待测试的单个光纤来区分温度参数和变形参数。为此，该光电装置提出了一种新架构，该架构允许同时测量布里渊反向散射的和瑞利反向散射的反斯托克斯线(la raie anti-Stokes)。
另外，根据本发明提出的装置使得比现有技术的装置执行分析快得多，同时与现有技术中描述的现有系统相比包括更少的能量消耗元件，这允许具有适合于步行操作者(un opérateuràpieds)干预或偶尔进行测量的便携式装置。
发明内容
为此，根据本发明的具有光纤分布式测量的光电装置包括：连续光源，以第一频率v0发射连续光信号；调制器，能够在连续信号上施加至少100MHz的频率偏移，并将其转换为意图注入到待测光纤中的脉冲信号；以及光检测模块，能够检测来自待测光纤15的反向散射信号，所述反向散射信号源于来自所述待测光纤的瑞利反向散射和/或放大的自发布里渊反向散射，
所述装置的主要特征在于，它还包括第一耦合器和第二耦合器，所述第一耦合器能够将所述连续光信号分成分布在以下两个臂中的具有相同频率的两个信号，
第一臂，将第一耦合器连接到包括参考光纤的参考光纤块，所述参考光纤块能够发射频率为ν0-νbref的另一个光信号，其中νbref是参考光纤在参考温度下且不具有变形的布里渊频率，
第二臂，将第一耦合器连接到位于光检测模块上游的第二耦合器，并且能够将频率为ν0的连续光信号传输至第二耦合器，从而构成本地振荡器，
所述第二耦合器能够将本地振荡器的信号耦合至来自所述待测光纤的反向散射信号，然后再将其传输至光检测模块，
反向散射信号以等于ν0-νbref+νA+νbAS的频率νrB进行调制，其中νbAS是反斯托克斯布里渊反向散射频率(la fréquence de rétrodiffusion Brillouin anti-Stokes)，可以在所述光纤的任意点z处进行测量，并且
所述光检测模块能够将接收到的反向散射信号传输至处理模块，该处理模块能够将反向散射信号的调制与在所述待测光纤的任意点z处的变形值和温度值相关联。
因此，当使用具有呈布里渊环形式的激光器配置的本地振荡器时，所使用的装置使得可以省去所有必要的先前检查。实际上，在根据本发明的配置中，参考光纤发射的返回信号是放大的自发散射信号(通过受激散射)，而不是激光器类型的腔中的共振的产物，因此，它在很大程度上取决于腔的确切长度，很难根据诸如温度的影响参数来控制。
另外，这种新的架构尤其包括定位于泵线上的参考块，使用户可以测量布里渊反向散射抗斯托克斯线。这种配置通过使本地振荡器中的信号不受低频干扰而提高了测量质量。因此，不必在光检测模块的输出端使用低频电滤波器。最后，这种配置具有较小的体积和减少的电消耗。另外，本地振荡器仅由直接来自源激光器的信号构成，它不包含任何可能改变信号质量的元素。
根据该装置的另一个有利特征，它可以进一步包括第三耦合器和第四耦合器，第三耦合器能够将来自光源的所述连续光信号分成分布在以下两个臂中的具有相同频率的两个信号，
第一臂，将第三耦合器连接至第一耦合器，并且能够将频率为ν0的连续光信号传输至第一耦合器，
第二臂，将第三耦合器连接到位于调制器上游的第四耦合器，并且能够将频率为ν0的初始信号传输到第四耦合器，
所述第四耦合器能够将初始信号ν0耦合到来自参考块的频率为ν0-νbref的光信号。
该可选特征尤其基于一系列耦合器的存在，为用户提供了通过单次测量和在单个待测光纤上区分温度参数和变形参数的可能性。它允许通过单个测量同时测量布里渊反向散射的和瑞利反向散射的反斯托克斯线，后者始终位于频率ν0+νA(νA在电场中)周围。与需要例如通过使用两个测量装置(例如布里渊和拉曼)进行两次测量的现有技术的装置相比，这是特别有利的。
有利地，该装置具有反向散射信号，该反向散射信号包含频率为νrR等于ν0+νA的瑞利反向散射谱和频率为νrB等于ν0-νbref+νA+νbAS的布里渊反向散射谱。优选地，两个谱之间没有重叠。这尤其允许提供对温度和变形的影响的单独分析。另外，优选地，光检测模块接收来自以声光调制器νA的频率调制的瑞利反向散射和以频率νbAS-νbref+νA调制的布里渊反向散射的信号，两个谱之间没有任何重叠。
根据装置的其他有利特征：
参考光纤与待测光纤定位于同一个光学臂上。由于参考光纤位于测试臂上，因此本地振荡器不再包括任何可能改变在那里传播的光信号的质量的元素。实际上，本地振荡器直接来自源激光器，直接进入检测模块。因此，测量质量得到改善。
参考光纤块的参考光纤的布里渊频率与待测光纤的布里渊频率不同。
参考光纤的布里渊频率与待测光纤的布里渊频率存在300MHz至1GHz范围内的频差。
第二臂可包括置于第二耦合器的输入端的上游的偏振混合模块、分束器模块(beam splitter)或偏振干扰器。优选地，第二臂可以包括偏振干扰器，其则设置在第二耦合器的输入端的上游。这些元件允许消除测试臂和本地振荡器之间的极化噪声。
来自调制器的脉冲信号至少包括两个分量：频率νp1＝ν0-νbref+νA的脉冲分量，以及频率νp2＝ν0+νA的脉冲分量。特别地，来自调制器的脉冲信号包括两个分量：频率为νp1＝ν0-νbref+νA的脉冲分量，以及频率为νp2＝ν0+νA的脉冲分量。与现有技术的装置相比，这导致性能和测量质量上的显着差异。这样的脉冲信号可以基于以下事实：本地振荡器直接来自源激光器，并且直接到达检测模块。
本发明的主题还是一种信号数字处理方法，该信号例如来自根据本发明的具有光纤分布式测量的光电装置，所述方法包括以下步骤：
将与来自待测光纤的反向散射信号与参考信号之间的差拍对应的、并由光检测模块检测到的信号数字化，
通过应用矩形窗口型的或汉明、汉恩或布莱克曼-哈里斯类型的滑动时间窗口，将所述数字化信号分成多个部段(T1…Ti…TN)，每个部段的宽度等于注入到待测光纤中的脉冲信号的脉冲的时间宽度，每个部段的宽度另外围绕日期t为中心，该日期t对应于所述待测光纤的坐标点z，
使用离散傅立叶变换算法计算所述数字化信号的每个部段(T1...Ti...TN)的频谱；
重复前三个步骤，并将针对所述待测光纤的每个点z获得的频谱平均；
基于平均频谱，确定根据反向散射的来回时间tz的布里渊反向散射的频率最大值的变化和/或布里渊反向散射的总强度的变化和/或瑞利反向散射的总强度的变化，
在所确定的所述变化上，一方面应用温度敏感度系数，另一方面应用变形敏感度系数，以便获得关于温度分布测量的结果和/或关于变形分布测量的结果。
根据本发明的方法涉及信号数字处理，信号数字处理可以从光检测模块的输出端开始被应用。以下信号处理是以频谱级别而不是直接在信号上以数字方式完成的。该处理尤其包括将数字化信号切割成多个部段，这些部段的宽度等于注入到待测光纤中的脉冲信号的脉冲的时间宽度。因此，相对于现有技术系统的测量持续时间，测量持续时间短。通常，对于10km的光纤，测量持续时间为1到几秒钟。
根据该方法的另一个有利特征，它可以包括基于平均频谱，作为反向散射的来回时间tz的函数，确定反斯托克斯布里渊反向散射的频率最大值的变化以及布里渊反向散射的总强度的变化和瑞利反向散射的总强度的变化，以及包括确定在光纤的任何点(z)处的瑞利总强度与布里渊总强度的比。该比对应于朗道-普拉奇克(Landau Placzek)比率。
此可选特征使用户可以在单个被处理的测量中区分温度参数和变形参数。与需要处理来自至少两个测量的信号的现有技术的方法相比，这是特别有利的。
另外，在根据本发明的数字处理方法的框架内，数字化信号可以有利地逐部分地具有对应于布里渊谱νA+((νbAS(z)-νbref)和瑞利谱νA的至少两个谱。
优选地，根据本发明的数字处理方法还可包括子步骤，该子步骤用于确定光纤的任何点处的瑞利总强度与布里渊总强度之比，以便确定取决于温度参数的朗道-普拉奇克比率。
附图说明
通过参照附图阅读通过说明性而非限制性示例给出的以下描述，本发明的其他特征和优点将更清楚地显现，在附图中：
图1已经描述了根据现有技术的具有通过布里渊反向散射进行的分布测量的光电装置的示意图；
图2是根据本发明的具有光纤分布式测量的光电装置的示意图，其中虚线的元件是可选的元件；
图3A至图3C是在数字化信号的数字处理方法的第一阶段获得的时间迹线，以及在根据本发明的方法的第四步骤之后获得的与部分T1(实线)TN(虚线)有关的可解释的平均频谱；
图4A至图4B示出，从长度大约为150m的光纤上的一组散射谱(瑞利和布里渊)获得的两个不同温度时的布里渊频率(4A)和朗道-普拉切克(4B)比率；
图5A至5B是通过单次测量在150米的光纤上使用根据本发明的装置获得的温度(5A)的和变形(5B)的分布式测量。
具体实施方式
在下文中使用术语“待测(或测试)光纤”，将光纤沿待监测的工程布置，且其允许进行分布式测量。
参考光纤是指可以具有与测试光纤的布里渊频率不同、相同或基本相同的布里渊频率的光纤。该参考光纤在整个测量过程中均保持为不变形且处于参考温度下。术语具有不同的布里渊频率的光纤是指这样的光纤，其布里渊频率与被测光纤的布里渊频率具有至少200MHz的频率差，优选地，具有至少300MHz的差。
“单次测量”应理解为是指允许获得平均频谱的一系列脉冲。
测量的持续时间应理解为是指系统以关于变形或温度的名义精度显示测量所需的时间。此持续时间同时包括：
采集时间，
系统的计算时间(傅立叶变换，平均化等)
在本发明的意义上，基本上或基本上相同是指相对于比较值变化小于30％、优选小于20％、甚至更优选小于10％的值。
在本发明的意义上，“大部分”是指至少50％。
本发明总体上涉及用于光纤分布式测量的光电装置。本发明更精确地涉及该装置的光电配置，其光电配置允许提高其精度，减少其电耗，减小其尺寸，减少测量的持续时间并且提供温度和变形的分开的分布式测量。
图2更具体地示出了根据本发明的用于光纤分布式测量的光电装置的配置。与图1中相同的参考标号用于指定相同的元素。根据本发明的装置还包括发出连续光信号的光源1。该光源1有利地通过使用布拉格光栅的激光器，优选地是DFB(来自英文缩写“Distributed Feedback”)激光器来实现。发射波长λ0在对应的频率ν0处优选等于或基本上等于1550nm。发射的光波的线以发射波长λ0为中心，其宽度最大为1MHz。
有利地，光源1是频率可调的，并且可以在至少125GHz的间隔上以至少1GHz/秒的速度连续改变其频率。更优选地，光源1能够以光学频率ν0发射连续的激光辐射，该光学频率可以在所有采集的持续时间内跟随至少250GHz的连续斜坡而变化。该频率调制必须是连续的，而不是按频率步进，因此允许降低脉冲内干扰的影响，从而降低噪声。当需要跟踪瑞利反向散射时，此特征特别重要。
光源1(例如激光器)在将其连接到第一耦合器3或第三耦合器2的光纤中发出中等强度的连续光信号，通常约为20mW。
经由光源1或经由第三耦合器2的第一臂21接收光信号的第一耦合器3能够将所述连续光信号分成分布在两个臂中的具有相同频率的两个信号。
第一臂31将第一耦合器3连接到包括参考光纤42的参考光纤块4，所述参考光纤块4能够发射频率为ν0-νbref的另一光信号，其中νbref是参考光纤42的布里渊频率，所述另一光信号意于被发送到调制器6或通过第四耦合器5与所述初始信号混合。因此，参考块4允许返回在较低的频带中的信息，从而改善了装置的性能。参考光纤42在不变形的情况下以参考温度保持。第二臂32将第一耦合器3连接到位于调制器6上游的第二耦合器9，并且能够将频率为ν0的连续光信号传输至第二耦合器9，从而构成本地振荡器。更具体地，第二臂32将第一耦合器3连接至位于光检测模块10上游的第二耦合器9，并且优选地，第二耦合器9位于所述光检测模块10的正前方。
第一耦合器3能够将光信号的能量充分地引导至第一臂31，从而超过受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering)阈值，并因此在参考光纤42中，反向散射波相对于光波以频率-νbref偏移。有利地，第一耦合器3能够将光信号的大部分能量引导向第一臂31。优选地，第一耦合器3能够将光信号的能量的大于70％，更优选地大于80％，甚至更优选地基本上90％引导至第一臂31。
参考块4有利地包括环行器41，该环行器41将来自第一耦合器3的频率为ν0的入射连续光信号引导到参考光纤42中。该参考光纤42可以与待测光纤15相同。有利地，参考光纤42不经受任何变形。将其置于参考温度，通常在18至25℃的范围内，优选地为20℃左右的温度。该参考光纤42还可以响应于从光源1发出的连续信号而通过布里渊反向散射来发射信号，从而参考块4使得可以将入射频率ν0转换为频率νbr＝v0-vBref，其中，νBref表示参考光纤42的布里渊频率，并且例如处于与源于由待测光纤15反向散射的信号的频率νbAS相同的频率范围内。另外，有利地，参考光纤块4的参考光纤42具有与待测光纤15不同的布里渊频率。例如，参考光纤42相对于待测量的光纤的布里渊响应具有至少200MHz、优选地至少300MHz的偏移布里渊频率。优选地，参考光纤42的布里渊频率与待测光纤15的布里渊频率具有300MHz至1GHz范围内的频率差。因此，这允许避免瑞利谱和布里渊谱的任何谱重叠，同时限制了对后续信号处理的要求。实际上，位于光电组件末端的光检测模块10接收来自以声光调制器的频率νA(例如200MHz)调制的瑞利反向散射和以频率(νbAS-νbref+νA)调制的布里渊反向散射的信号，两个谱之间没有任何重叠。
这种架构使得可以将参考光纤42定位在与待测光纤15相同的光纤臂上。其优点是通过使本地振荡器中的信号直接来自信号源，从而无低频干扰，从而提高了测量质量。因此，不必在光检测模块的输出端使用低频电滤波器。该配置还使得可以测量布里渊反向散射的反斯托克斯线，并且与现有技术的装置不同，可以在以前不可能进行可靠测量的电场中到达接近DC(例如100MHz左右)的测量值。
第三耦合器2允许将光源1发出的入射光信号分成分布在装置的两个臂21、22中的具有相同频率的两个信号。
第一臂21将第三耦合器2连接至第一耦合器3，并且第一臂21能够将频率为ν0的连续光信号传输至第一耦合器3。第二臂22将第三耦合器2连接到位于调制器6上游的第四耦合器5，并且第二臂22能够将频率为ν0的初始光信号传输至第四耦合器5。
有利地，第三耦合器2能够将光信号的大部分能量引导向第一臂21。优选地，第三耦合器2能够将光信号的能量的大于70％，更优选地大于80％，甚至更优选地基本上90％引导至第一臂21。
如已明确的，第四耦合器5能够将来自第三耦合器2的第二臂22的初始信号ν0与来自参考光纤42的频率为ν0-νbref的光信号混合，并将它们注入调制器6。因此，来自参考光纤42的信号在第四耦合器5中与初始信号ν0重新组合。在第四耦合器5的输出处，获得一信号，该信号包含来自参考光纤42的频率为ν0-νbref的信号和与初始信号v0频率相同的信号。
调制器6能够在连续信号上施加至少100MHz的频率偏移，并将其转换成旨在注入到待测光纤15中的脉冲信号。优选地，调制器6是声光调制器6。如果需要提供增益，则调制器6可以与一个或多个放大器相关联。来自调制器6的信号包括至少两个分量，
频率为ν0-νbref的连续分量，转换为频率为νp1＝ν0-νbref+νA的脉冲分量，和
频率为ν0的连续分量，转换为频率为νp2＝ν0+νA的脉冲分量。
调制器6能够生成具有相对于连续光信号的频率的偏移频率的脉冲信号。施加到所述偏移频率的频率偏移νA可以大于或等于100MHz。频率νA是调制器6自身的频率，并且通常大于或等于100MHz并且小于或等于1GHz，优选地基本上等于200MHz。这样产生的脉冲的时间宽度可以例如在10ns至500ns范围内，优选地基本上等于20ns。脉冲信号然后被引导到环行器7，该环行器然后将其注入应在其上进行分布式测量的待测光纤15中。当脉冲信号通过时，光纤15通过自发的布里渊反向散射以相反的方向发射信号，其频率为νF1＝ν0-νbref+νA+νbAS(z)；和ν0-νbref+νA–νbS(z)，其中νbAS是要在沿着光纤15的任意坐标点z处测量的反斯托克斯布里渊频率，νbS(z)是斯托克斯布里渊频率。光纤15还在相反的方向上通过瑞利反向散射发射信号，其频率为νF2＝ν0+νA。
这些反向散射的信号被环行器7引导到第二耦合器9，在第二耦合器9中它们与来自本地振荡器的信号ν0重新组合。优选地，第二臂32可以包括偏振干扰器8，其则设置在第二耦合器9的输入的上游。这使得可以减小由于本地振荡器的臂与位于环行器7和第二耦合器9之间的测量臂25(也称为“泵”臂)之间的极化引起的干扰影响。
第二耦合器9能够将本地振荡器的信号耦合至来自待测光纤15的反向散射信号，然后再将其传输至光检测模块10。第二耦合器9可以与诸如分束器模块(偏振分束器)或偏振混合模块的可选模块相关联。反向散射信号可以至少以等于ν0-νbref+νA+νbAS的布里渊频率νrB进行调制，其中νbAS是可以在待测光纤15的任意点z处进行测量的反斯托克斯布里渊反向散射频率。这使用户可以测量布里渊反向散射反斯托克斯线，同时在没有低频干扰的情况下利用本地振荡器，从而允许提高测量质量。
来自待测光纤15的反向散射信号也可以以等于ν0+νA的瑞利频率νrR进行调制。当根据本发明的装置包括第三耦合器2和第四耦合器5时，这是可能的。该第二耦合器9则允许在待测光纤15中产生的瑞利反向散射与本地振荡器的频率耦合。因此，根据本发明的装置还使得可以测量瑞利反向散射谱。优选地，反向散射信号被调制，该反向散射信号包含频率为νrR等于ν0+νA的瑞利反向散射谱和频率为νrB等于ν0-νbref+νA+νbAS的布里渊反向散射谱。
通过使用定位于第二耦合器9下游的光检测模块10，可以以电子方式检测该拍或这些差拍，并且能够将接收到的反向散射信号传输至处理模块12。光检测模块10包括至少一个光检测器。有利地，光检测模块10具有至少800MHz、优选地至少1GHz的带宽。位于光电组件末端的光检测模块10能够接收来自以声光调制器的频率νA调制的瑞利反向散射和以频率(νbAS-νbref+νA)调制的布里渊反向散射的信号。在这些条件下，在光检测模块10的输出处，获得的电信号对应于在与布里渊反向散射相对应的频率νBatt1＝νA+(νbAS-νBref)下和在与瑞利反向散射相对应的频率νBatt2＝νA下检测到的差拍。由于根据本发明的装置的架构，这些差拍是从单个测量和单个待测光纤15获得的。另外，由于消除了来自光源1的频率ν0，所以这些差拍的频率比入射信号的频率更低。通常，对应于νBatt1＝νA+(νbAS-νBref)的第一差拍具有大于200MHz的频率，优选地为大约500MHz，并且对应于νBatt2＝νA的第二差拍具有对应于调制器6的特定频率的数量级的、例如基本上等于200MHz的频率。实际上，νA-(νbS+νBref)约为20GHZ，因此在带外。因此，光学配置通过将带宽限制为小于2GHz而不是11GHz，优选地小于1GHz，例如在400MHz至1GHz范围内，而允许提高光检测模块10的效率。
有利地，根据本发明的装置可以在光检测模块10的输出处不包括低频电滤波器。实际上，如先前所明确的，参考光纤42与待测光纤15位于同一光学臂上的定位使得可以通过在本地振荡器中具有无低频干扰的信号来提高测量质量。通过消除这些低频干扰，该配置还可以访问现有技术的配置无法使用的信息(例如<100MHz)。
然后，可以借助于模数转换器模块11将所获得的一个或多个差拍信号数字化。然后它们由数字处理模块12处理。有利地，模数转换器模块11具有至少800MHz，优选地至少1GHz的带宽和至少1.6Gech/s，优选地至少2Gech/s的采样速度。
处理模块12被配置为将所述反斯托克斯布里渊频率νbAS连接至所述待测光纤15的任意点z处的温度值和/或变形值。因此，能够将温度测量和变形测量分开，以便从单个测量中获得分离的温度值和变形值。后者可以包括收集卡，该收集卡使得可以收集由光检测模块10生成的信号，并且因此具有能够分析与以下信号相对应的带宽和采样频率：νA+νbAS-νbref。因此，有利地，处理模块12能够测量这样的信号，其具有至少800MHz的带宽，优选地至少1GHz的带宽，并具有至少1.6Gech/s的采样速度，优选至少2Gech/s的采样速度，以便同时检测两个谱(布里渊谱和瑞利谱)。另外，有利地，建议使用具有高分辨率的采集卡，例如，分辨率大于或等于10位。考虑到布里渊反向散射谱的强度随温度的微小变化，这可以实现大约1℃的精度。模数转换器模块11和处理模块12分别示出，但是可以集成为直接位于光检测模块10之后的单个组件。
处理模块12能够通过应用矩形窗口型的或汉明、汉恩或布莱克曼-哈里斯类型的滑动时间窗口，将数字化信号切割成多个部段(T1…Ti…TN)，每个部段的宽度等于注入到待测光纤15中的脉冲信号的脉冲的时间宽度，每个部段的宽度另外围绕日期t为中心，该日期t对应于所述待测光纤15的坐标点z。
另外，数字处理模块12有利地例如借助于以英语首字母缩写FPGA(FieldProgrammable Gate Array“现场可编程门阵列”)已知的逻辑集成电路使用离散傅立叶变换算法(优选快速)。因此，允许直接计算在测试光纤15的任何坐标点z处的布里渊频率、布里渊反向散射的总强度和/或瑞利反向散射的总强度。在离散傅立叶变换算法(优选快速)应用结束时，数字处理模块12还可以针对所述光纤的每个点z对所获取的频域中的谱求平均，以便确定沿着所述测试光纤15的频率变化的分布式测量。
根据另一方面，本发明涉及一种对信号进行数字处理方法，所述信号可以优选地来自根据本发明的用于光纤分布式测量的光电装置。对数字化信号进行数字处理的不同步骤将通过实验性和说明性的图3至图5进行更详细的说明，这些图3至5示出在由测试光纤和参考光纤反向散射的信号重新组合后在数字化信号的数字处理过程的每个步骤获得的时间或频谱迹线。
根据本发明的处理方法包括第一步骤，将与来自待测光纤15的反向散射信号和参考信号之间的差拍相对应的、并由光检测模块10检测的信号数字化。图3A示出在模数转换器11的输出处的数字化信号。优选地，数字化信号仅来自单个测量，并且根据本发明的处理方法仅依赖于在待测光纤15上执行的单个测量。优选地，信号包括差拍νA+(νbAS-νBref)和差拍νA。
由数字处理模块12执行的数字处理的第二步骤包括将数字信号切割成多个部段。第一步骤是将数字化信号切割成围绕日期t的部段，日期t对应于具有等于脉冲时间宽度的宽度的光纤上的位置z。例如通过在信号上应用滑动时间窗口来进行分割。优选地，设置窗口是通过矩形窗口或通过汉明(Hamming)或汉恩(Hann)或布莱克曼-哈里斯(Blackman-Harris)窗口来进行的。数字化信号的切割在图3B中示出，待处理的第一部段由参考T1标识，并且部段N由参考TN标识。有利地，每个部段的宽度等于注入到待测光纤5中的脉冲信号的脉冲的时间宽度。每个部段T1…Ti…TN还以日期t1，…ti…tN为中心，所述日期对应于所述待测光纤的坐标点z。因此，对于光纤15上的坐标位置z，z＝2nc*t，其中c为光速，n为光纤的光学指数，则时tz对应于脉冲的往返时间(z)，从脉冲的起点直到测量点z计数。两个测量点之间的差异可以小到一个采样单位(区间的滑动)。但是，两个独立测量之间的差异(空间分辨率)被认为等于脉冲的宽度。因此，两个独立测量点z(t1)、z(t2)之间的距离等于脉冲宽度。
优选地，数字化信号逐部分地具有对应于布里渊谱νA+(νBas(z)-νBref)和瑞利谱νA的至少两个谱。然后，数字处理的第三步骤在于，通过使用离散傅里叶变换算法DFT且优选地使用快速傅里叶变换算法FFT来计算所述数字化信号的每个部段T1...Ti...TN的频谱。因此，对于数字化信号的每个部段T1…Ti…TN，获得频谱。
第四步骤在于重复数字化、切割和计算频谱这三个步骤，并对结果求平均，以获得可解释的平均频谱。优选地，第四步骤使得可以生成包括布里渊谱和瑞利谱的可解释频谱，因此可以确定布里渊频率测量的最大值，布里渊强度测量的能量以及瑞利强度测量的能量。这涉及进行DFT(优选地是FFT)曲线的平均以最小化背景噪声。例如，使用高斯或洛伦兹调整算法。在图3C中示出了两个可解释的平均频谱，其对应于图3B的切割信号的部段T1(实线)和部段TN(虚线)。这些可解释的平均频谱允许获得差拍νA+(νbAS(z)-νBref)和νA的频率。例如，对于差拍νA+(νbAS(z)-νBref)，允许确定布里渊频谱最大值的频率位置。
然后，数字处理的第五步骤在于确定布里渊谱的最大值的频率位置和/或瑞利谱和布里渊谱的总强度的频率位置随光纤15的不同坐标点z的变化，且包括以下步骤：绘制沿着待测光纤15的最大频率变化或强度变化的分布测量的一个或多个曲线图。优选地，数字处理的第五步骤在于分别确定根据光纤15的不同坐标点z的布里渊谱的最大值的频率位置以及瑞利谱和布里渊谱的总强度。例如，图4A表示在两种不同条件下：在处于均匀温度的环境(实线)中和在其中光纤15暴露于热源的环境(虚线)中，布里渊谱的最大值根据待测光纤15的坐标z的频率位置。该第五步骤还包括一子步骤，用于确定光纤的任何点(z)处的瑞利总强度与布里渊总强度之比，以便确定取决于温度参数的朗道-普拉奇克比率。仅在光纤上产生的温度变化导致布里渊反向散射强度增加或减少。该强度可以通过瑞利反向散射测量来归一化，该瑞利反向散射测量可以提供有关被测光纤的线性损耗以及可能引起光损耗的光纤故障的信息。此归一化涉及朗道-普拉奇克比率的计算。例如，图4B表示在上述两个条件下根据待测光纤15的坐标z的朗道-普拉奇克比率。布里渊反向散射谱的强度根据温度参数而变化。但是，为了获得代表布里渊强度的测量，应通过瑞利反向散射强度(代表光纤中的光学损耗)对布里渊反向散射强度进行归一化。以这种方式，仅测量仅由于温度引起的布里渊反向散射谱上的强度变化。例如，可以相对于在先前的测量期间获得的总强度的和/或最大值的频率位置的值来测量该变化。所述值是光纤15的不同坐标点z的函数。
最后，数字处理的最后一个步骤是将特定于待测光纤15的灵敏度系数应用于上游确定的瑞利谱和布里渊谱的频率位置变化和/或总强度变化。这可以允许获得对应于变形的分布式测量和温度的分布式测量的两个结果。由于νBas(z)取决于这两个参数，因此基于现有技术的方法的单次测量这是不可能的。另外，在现有技术的方法中，这些测量可以通过对布里渊谱和拉曼谱的分析来获得，对它们的采集需要两个不同的装置，因此必然需要两个测量。
特别地，数字处理的最后一个步骤在于应用分别特定于光纤15的温度CT和变形Cε的灵敏度系数，以分别获得温度的分布式测量结果和变形的分布式测量结果。图5A和5B表示在将灵敏度系数应用于变形之后获得的曲线图，并且使得可以分别获得沿着光纤的变形ε的分布测量和沿着光纤的温度T的分布测量。因此，在图5A的曲线图上，可以看出所分析的光纤没有变形，而对于图5B，温度的周期性变化良好地对应于盘绕的光纤15附近的热源的存在。变形灵敏度系数Cvbε通常为0.05MHz/(μm/m))，温度灵敏度系数CvbT通常为1MHz/℃。
更具体地，这些测量可以通过使线性系统(1)倒置来确定。
线性系统(1)：
相对于CPbT＝0.32％/℃，CPbε可以认为是零。
本发明使得可以删除除光检测模块10之外的所有模拟电子组件，并允许它们被数字转换器11和数字处理模块12替换。因此，可以消除有源模拟组件(例如放大器或振荡器)所引起的噪声水平。另外，信号处理完全是数字的，处理消耗的能量更少，并且装置的体积减小，因此可以便携。因此，可以有利地从电池向其供应通常为12或24伏的低压。该电池也可以是可充电的，例如通过绝缘的太阳能电池板，该电池的功率需求约为100连续瓦特。另外，该装置能够通过仅访问待测光纤15的单端来操作，并且如已经看到的，它能够通过一次测量来分别测量待测光纤15的温度和变形。
此外，该装置还可以使用数字计算模块，其允许针对每个部段执行并行处理，从而将测量时间减少到采集持续时间，例如，对于10km的光纤，将可以每秒具有10,000次采集，处理器时钟频率为10kHZ，从而获得10,000个平均值。数字计算模块有利地包括GPU(图形处理单元“Graphical Processing Unit”)类型的图形处理器，以便在其上进行可高度并行化的计算。因此，计算与采集并行进行，并且测量的持续时间对应于采集时间。与现有技术的装置的采集时间相比，该采集时间短。例如，对于10km的光纤，处理器时钟频率为10kHz，在一秒钟内进行10,000次采集，这允许具有10,000个平均值，而在现有技术中，对于10km，测量的持续时间大于一分钟。
由该装置返回的测量的使用用于优化例如土木工程或石油和天然气领域的工程维护。沿着光纤的测量的连续性确保不会被使用抽样和局部测量的其他方法检测到的事件的检测。及早检测到工程中的结构异常，可以在进一步恶化之前进行干预。相反，检测的缺乏可能会延迟系统维护操作，如果系统维护操作不是必需的。在这两种情况下，这种用于光纤分布式测量的光电装置允许使开发者在维护土建工程方面节省大量资金。
Claims (18)
1.一种用于光纤分布式测量的光电装置，所述装置包括：连续光源(1)，以第一频率ν0发射连续光信号；调制器(6)，能够将至少100MHz的频率偏移νA施加至连续信号，并能够将连续信号转换为用于注入到待测光纤(15)中的脉冲信号；以及光检测模块(10)，能够检测来自所述待测光纤(15)的反向散射信号，所述反向散射信号源于来自所述待测光纤(15)的瑞利反向散射和/或自发布里渊反向散射，
所述装置的特征在于，所述装置还包括第一耦合器(3)和第二耦合器(9)，所述第一耦合器(3)能够将所述连续光信号分成分布在以下两个臂中的具有相同频率的两个信号，
第一臂(31)，其将所述第一耦合器(3)连接到包括参考光纤(42)的参考光纤块(4)，所述参考光纤块(4)能够发射频率为ν0-νbref的另一光信号，其中νbref是所述参考光纤(42)在参考温度时且不具有变形的布里渊频率，
第二臂(32)，其将所述第一耦合器(3)连接到位于所述光检测模块(10)上游的第二耦合器(9)，并且能够将频率为ν0的连续光信号传输至所述第二耦合器(9)，从而构成本地振荡器，
所述第二耦合器(9)能够将所述本地振荡器的信号耦合至来自所述待测光纤(15)的反向散射信号，然后再将反向散射信号传输至所述光检测模块(10)，
所述反向散射信号以等于ν0-νbref+νA+νbAS的频率νrB进行调制，其中νbAS是能够在所述光纤(15)的任意点z处测量的反斯托克斯布里渊反向散射频率，其中νA是所述调制器(6)自身的频率，并且
所述光检测模块(10)能够将接收到的反向散射信号传输至处理模块(12)，所述处理模块能够将反向散射信号的调制与所述待测光纤(15)的任意点z处的变形值和温度值相关联。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括第三耦合器(2)和第四耦合器(5)，所述第三耦合器(2)能够将来自光源(1)的所述连续光信号分成分布在以下两个臂中的具有相同频率的两个信号，
第一臂(21)，其将所述第三耦合器(2)连接至所述第一耦合器(3)，并且能够将频率为ν0的连续光信号传输至所述第一耦合器(3)，
第二臂(22)，其将所述第三耦合器(2)连接到位于所述调制器(6)上游的第四耦合器(5)，并且能够将频率为ν0的初始信号传输到所述第四耦合器(5)，
所述第四耦合器(5)能够将初始信号ν0耦合到来自参考块(4)的频率为ν0-νbref的光信号。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述参考光纤(42)相对于所述待测光纤(15)的布里渊响应具有至少200MHz的偏移布里渊频率。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述反向散射信号包含频率为νrR等于ν0+νA的瑞利反向散射谱和频率为νrB等于ν0-νbref+νA+νbAS的布里渊反向散射谱。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括模数转换器模块(11)，所述模数转换器模块具有的带宽至少为800MHz，采样频率至少为1.6Gech/s。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，所述光电装置能够通过访问所述待测光纤(15)的单端进行操作。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，所述光电装置能够通过单次测量分别测量所述待测光纤(15)中的温度和变形。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，所述处理模块(12)能够通过应用矩形窗口类型的或汉明、汉恩或布莱克曼-哈里斯类型的滑动时间窗口，将数字化信号切割成多个部段(T1...Ti...TN)，每个部段具有的宽度等于注入到所述待测光纤(15)中的脉冲信号的脉冲的时间宽度，每个部段的宽度还围绕日期t为中心，该日期t对应于所述待测光纤(15)的坐标点z。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，所述参考光纤(42)与所述待测光纤(15)定位于同一个光学臂上。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，参考光纤块(4)的参考光纤(42)的布里渊频率与所述待测光纤(15)的布里渊频率不同。
11.根据权利要求10所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，所述参考光纤(42)的布里渊频率与所述待测光纤(15)的布里渊频率具有300MHz至1GHz范围内的频率差。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，所述第二臂(32)能够包括置于所述第二耦合器(9)的输入的上游的偏振混合模块、或分束器模块、或偏振干扰器(8)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，来自所述调制器(6)的脉冲信号包括至少两个分量，
频率为νp1＝ν0-νbref+νA的脉冲分量，以及
频率为νp2＝ν0+νA的脉冲分量。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置，其特征在于，所述光检测模块(10)接收来自以声光调制器的频率vA调制的瑞利反向散射和以频率νbAS-νbref+νA调制的布里渊反向散射的信号，两个谱之间没有任何重叠。
15.一种用于数字处理来自根据权利要求1至14中任一项所述的用于光纤分布式测量的光电装置的信号的数字处理方法，所述方法包括以下步骤：
将对应于来自所述待测光纤(15)的反向散射信号与参考信号之间的差拍的、并由所述光检测模块(10)检测到的信号数字化；
通过应用矩形窗口类型的或汉明、汉恩或布莱克曼-哈里斯类型的滑动时间窗口，将所述数字化信号分割成多个部段(T1…Ti…TN)，每个部段的宽度等于注入到所述待测光纤(15)中的脉冲信号的脉冲的时间宽度，每个部段的宽度还围绕日期t为中心，该日期t对应于所述待测光纤(15)的坐标点z；
使用离散傅立叶变换算法计算所述数字化信号的每个部段(T1...Ti...TN)的频谱；
重复前三个步骤，并将针对所述待测光纤(15)的每个点z获得的频谱平均；
基于平均频谱，确定根据反向散射的来回时间tz的布里渊反向散射的频率最大值的变化，和/或布里渊反向散射的总强度的变化和/或瑞利反向散射的总强度的变化；和
在所确定的一个或多个变化上，一方面应用温度敏感度系数，另一方面应用变形敏感度系数，以便获得关于温度分布式测量的结果和/或关于变形分布式测量的结果。
16.根据权利要求15所述的数字处理方法，其特征在于，所述数字处理方法包括基于平均频谱，确定根据反向散射的来回时间tz的反斯托克斯布里渊反向散射的频率最大值的变化以及布里渊反向散射的总强度的变化和瑞利反向散射的总强度的变化，以及包括确定在光纤的任何点(z)处的瑞利总强度与布里渊总强度的比。
17.根据权利要求14或15所述的数字处理方法，其特征在于，数字化信号逐部分地具有对应于布里渊谱νA+((νbAS(z)-νbref)和瑞利谱νA的至少两个谱。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的数字处理方法，其特征在于，所述数字处理方法还包括一子步骤，用于确定光纤的任何点(z)处的瑞利总强度与布里渊总强度之比，以便确定取决于温度参数的朗道-普拉奇克比率。
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