CN112105894A

CN112105894A - 用于监测被测量的设备

Info

Publication number: CN112105894A
Application number: CN201980024496.7A
Authority: CN
Inventors: C·多伊尔; K·琼斯
Original assignee: Kidde Technologies Inc
Current assignee: Kidde Technologies Inc
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: WO2019197800A3; WO2019197800A2; US11549829B2; BR112020020746A2; GB201805874D0; GB2572767A; JP7285268B2; GB2572767B; CA3096778A1; CN112105894B; JP2021532334A; US20210140802A1; EP3775788A2; EP3775788B1

Abstract

提供了一种用于沿着光波导定位诸如热点的被测量异常的设备，所述设备包括：光波导；光源，所述光源被配置为沿着所述波导传输脉冲光；以及第一传感器集合和第二传感器集合，所述第一传感器集合和所述第二传感器集合沿着所述波导设置。每个传感器被配置为在对应于被测量的相应传感器波长下反射沿着所述波导传播的光的一部分。所述第一传感器集合提供一组或多组传感器，所述一组或多组传感器被配置为检测那组内的被测量异常。所述第二集合包括多个传感器，所述多个传感器各自沿着所述波导与那个集合的相邻传感器隔开某一距离，所述距离大于所述光在脉冲持续时间期间沿着所述波导行进的距离的一半。所述第一集合的多个传感器设置在所述第二集合的每个相邻传感器之间。所述设备还包括：检测器，所述检测器被配置为监测由所述传感器反射的所述光；以及控制系统，所述控制系统被配置为控制所述光源和所述检测器以至少定位包含被测量异常的所述组以及使用所述第二集合来监测所述被测量。

Description

用于监测被测量的设备

技术领域

本发明涉及一种用于沿着波导监测被测量以及沿着所述波导定位被测量异常的方法和设备。

背景技术

在许多行业中，需要监测在沿着安装的不同位置处的被测量并定位这些被测量的任何异常，诸如超过或低于正常操作范围的温度。一个这种示例是在航空航天工业中。现代飞机经常使用发动机“引气”以用于诸如在高空飞行时运行空调，防止冰在飞行翼面上积聚并防止电子器件变得过冷等功能。这种引气是从刚好在初始压缩机级后面的喷气式发动机或涡轮螺旋桨发动机分接的，因此它处于高压和高温(高达300℃)下并且在飞机周围在绝缘管道中输送。如果这些管道中的一个遭遇泄漏，那么热引气将逃逸并且可能迅速对飞机系统造成损坏并且甚至可能对接近泄漏的结构造成损坏。因此重要的是知道何时和哪里发生泄漏，使得能够在任何损坏发生之前关闭通过故障管道的气流。

当前优选的泄漏或“热点检测”(HSD)方法涉及在每个管道旁边运行一个或两个连续的电传感器。这些传感器包括形成外部导体的金属管以及悬挂在固体盐中央从而形成内部导体的导线。在正常操作下，两个导体彼此电隔离，但是当温度达到某一值时，盐融化并且在两个导体之间形成短路。检测到这种情况并且使用对两个导体之间的电气特征(例如电阻和电容)的测量来确定所谓的热点的位置。然后将发出警报，从而向用户警示热点的位置。虽然这个技术是起作用的，但是这个系统具有某些不利的特征，即：

1) 发出警报的温度由盐成分确定并且不能调整，但是在传感器的不同部分中可使用不同的成分来允许不同的警报温度。

2) 填充了盐的导体只能以短的长度制造并且易于在剪切力下破裂。这意味着它们通常以相对短的长度产生并且需要将许多区段连接在一起来覆盖整个管道。例如，可能需要200个连接器来覆盖飞机的单个引气管道。安装这些传感器是耗时的。此外，每个连接器提供额外的可能的故障点。

3) 传感器链因为所需的金属部分和连接器的数量而为重的。

4) 电气测量的本质意味着无法一直准确地局部化泄漏。

已知使用光纤来监测被测量，诸如压力、温度或应变。这些技术通常没有与多段式填充盐的电缆相关联的上述问题。基于背向散射光检测(布里渊或拉曼散射)的当前的分布式温度传感器(DTS)不适合于飞机使用，这是因为它们需要强力激光以及昂贵的专用的光电子处理单元，强力激光可能因为其高能量而构成着火危险。

光纤布拉格光栅(FBG)制成极好的温度传感器，但是将它们用于HSD并不简单，因为它们是点式传感器并且应用需要持续覆盖几十米的管道。时分复用(TDM)和波分复用(WDM)是通常用于使用FBG来监测被测量的两种技术。

TDM系统不能提供沿着引气管道检测泄漏所需的空间密度。在常规的TDM系统中，传感器通常需要沿着波导隔开至少1 m以便使反射脉冲能够根据飞行时间被单独解析。泄漏通常是高度局部化的并且最初可能仅延伸5 cm，因此系统有95%的机会完全错过它。

WDM实际上不能提供覆盖引气管道所需的大量传感器。在WDM中，每个FBG传感器被配置为在不同的离散波段内的不同的相应的布拉格波长下反射光。当前的WDM系统限于每个光纤大约130个FBG传感器。如果FBG传感器各自间隔开5 cm，即每米20个FBG，则这将系统限于130/20=6.5 m。这太短，因为引气管道的长度会延伸50 m或更长。因此，为了操作WDM系统将需要许多光纤，这增加系统的成本和复杂性。

光频域反射仪是用于寻址一个光纤上的几百个低反射光栅的一种技术。然而，它需要昂贵的和专用的仪器(通常超过10万美元)，这不适合于诸如飞机的应用。

需要提供一种用于沿着光波导定位被测量异常的没有上述缺陷的改进方法和设备。具体地，需要提供一种可沿着广泛的伸长区域以高空间准确度定位被测量异常的简单的、轻的、稳健的、灵活的且具有成本效益的设备。

另外，需要能够在沿着波导的多个离散位置处对被测量采样。具体地，某些现有系统向用户提供万一出现被测量异常则沿着波导定位被测量异常的能力。然而，光学传感器的布置不允许在这种异常不存在的情况下监测在可识别位置处的被测量本身。

本发明是在解决这些问题的背景下提出的。

发明内容

本发明的第一方面提供一种用于沿着光波导监测被测量的设备，所述设备包括：

光波导；

光源，所述光源被配置为选择性地将具有给定波长和持续时间的窄带脉冲光发射通过所述光波导并且还被配置为调制所述光的所述波长；

第一传感器集合和第二传感器集合，所述第一传感器集合和所述第二传感器集合沿着所述波导设置，其中所述第一集合和所述第二集合的每个传感器被配置为在对应于被测量的相应传感器波长下反射沿着所述波导传播的光的一部分；

其中所述第一传感器集合根据它们的传感器波长被配置成一组或多组，每一组包括多个传感器，其中当相应组中的所述传感器中的每一者所经历的所述被测量相等时，那组中的每个传感器的所述传感器波长基本上相等；

其中所述集合的每个相邻传感器沿着所述波导隔开某一距离，所述距离大于所述光在所述脉冲持续时间期间沿着所述波导行进的距离的一半，其中所述第一集合的多个传感器设置在所述第二集合的每个相邻传感器之间；并且

其中所述第一集合和所述第二集合被配置为使得当所述第一集合和所述第二集合中的传感器中的每一者所经历的所述被测量相等时，所述第一集合中的每个传感器的传感器波长与所述第二集合中的每个传感器的所述传感器波长不同；

检测器，所述检测器被配置为监测由所述第一传感器集合和所述第二传感器集合反射的光；以及

控制系统，所述控制系统被配置为通过致使执行以下步骤来定位测量异常：

(i) 使用所述光源沿着所述光波导传输光；

(ii) 监测由所述第一传感器集合反射的所述光以便获得表示由所述第一集合中的所述传感器中的每一者所经历的被测量的测得光谱；

(iii) 在所述测得光谱中检测异常信号，所述异常信号具有特征波长并且源自所述第一传感器集合中的异常传感器，所述异常传感器经历被测量异常；以及

(iv) 至少定位包括所述异常传感器的组；

其中所述控制系统还被配置为通过致使执行以下步骤来监测在沿着所述光波导的多个位置处的被测量：

(v) 沿着所述光波导发射窄带光脉冲串，所述脉冲串包括在不同的相应峰值波长下的多个脉冲；

(vi) 监测由所述第二传感器集合沿着所述波导反射的所述光；以及

(vii) 基于由所述第二集合反射的所述监测的光而估计所述第二集合中的每个传感器的被测量。

不同于标准的WDM系统，当在传感器中的每一者处的被测量相同时，不要求传感器中的每一者在不同的传感器波长下反射光。这意味着设备不受可沿着波导设置的传感器的数目限制。此外，不同于TDM系统，异常信号是在(使用来自第一集合的传感器中的每一者的聚集响应获得的)测得光谱中而不是通过解析和分析从每个传感器单独反射的光检测到的。这意味着第一集合的每个传感器不需要沿着波导隔开最小距离。还有利地，通过使用沿着光波导分布的传感器而不是填充盐的导体，设备可制成为轻而灵活的。这在航空航天工业中尤其需要，在航空航天工业中需要减少飞机的重量以便提高其燃料经济性。

第二集合的传感器被有利地布置使得已从第二集合的传感器反射的每个脉冲可单独解析。又另外，第二集合的传感器被配置为具有与相邻传感器不同的传感器波长，相邻传感器是第一集合的。这防止从第二集合的传感器反射的脉冲干扰来自第一集合的传感器的反射。这使得能够在沿着波导的对应于第二集合的传感器的位置的多个离散位置处对被测量采样。因此，可获得关于安装了波导的系统的有价值的操作数据。此外，可使用相同长度的波导来从第一集合中的高密度的传感器检测被测量异常，并且检测在对应于第二集合的传感器的多个离散位置处的被测量。

在一些情形中，仅确定哪一组包括异常传感器以便近似被测量异常的位置可能足够了。如果仅提供一组，则只要检测到异常信号，就可识别包含异常传感器的组。如果设置多组，则可通过分析测得光谱的过程来检测包括异常传感器的组。然后可使用关于组的布局的预先存储的信息来近似被测量异常的位置。如果需要更精确的位置，则步骤(iv)可包括通过在异常信号的特征波长下传输光脉冲以及监测反射信号的飞行时间来定位异常传感器。因此异常信号可在测得光谱中检测到，并且光脉冲可在异常信号的特征波长下传输。通常仅经历被测量异常的传感器将反射在此特征波长下发射的光的一部分。因此可计算反射信号的飞行时间以定位异常传感器并因此定位被测量异常的位置。检测异常信号包括识别特征波长的过程。

异常信号通常是仅在被测量异常出现时变得在测得光谱中可见的单独的峰。异常信号通常展现对应于来自多个传感器中的异常传感器的反射的高斯或类似曲线(诸如正弦曲线)的近似。特征波长出现在异常信号所占据的波长范围内并且可对应于峰值波长或其近似值。

步骤(v)的脉冲串内的每个脉冲可具有不同的峰值波长。因此脉冲串可由多个脉冲组成，其中每个连续脉冲具有比前一脉冲更高或更低的波长(波导的变化通常在连续脉冲之间在共同方向上进行)。或者，可在一个或多个波长下发射多个脉冲，之后为脉冲串中的下一脉冲调整发射光的波长。

第一集合和第二集合优选地被布置为使得第一集合的两个传感器与第二集合的每个传感器相邻地设置。因此第一集合和第二集合可为分散的使得第一集合的传感器设置在第二集合的每个传感器两侧。这使得能够获得高密度的测量。

第二传感器集合优选地被配置为使得当第二集合中的传感器中的每一者所经历的被测量相等时，第二集合中的每个传感器的传感器波长基本上相等。这简化了波导的制造方法以及使用来自第二集合的传感器监测被测量的后续过程。具体地，为了寻址第二集合中的传感器中的每一者所需的脉冲与这些传感器在共同的被测量值下具有不同的传感器波长的情况相比更少。

第一集合的组通常沿着波导在空间上彼此隔开。因此第一集合的不同组在空间意义上可不重叠。有利地，检测到的异常因此可更易于简单地通过识别包括异常传感器的组(即，无需识别异常传感器本身的位置)而归结于安装了波导的导管的特定区域。通常，每一组内的多个传感器设置在第二集合的每个相邻传感器之间。

最通常地，第一集合中的每一组传感器与第二集合相比具有更高的传感器空间密度。不同于第二集合的传感器，不要求第一集合的相邻传感器沿着波导隔开最小距离。因此期望在第一集合的每个相邻传感器之间的间隔小于第二集合的每个相邻传感器之间的间隔，以便增大检测到在沿着波导的特定位置处的被测量异常的机会。如果相比之下在第一集合的每个传感器之间留下大的间隙，则可能检测不到在波导的没有传感器的区域中出现的任何被测量异常。出于这个原因，第一集合中的每一组的每个相邻传感器优选地沿着波导隔开某一距离，所述距离小于光在脉冲持续时间期间沿着波导行进的距离的一半。

第一集合的传感器通常被配置为使得从每一组的传感器反射的光的至少一部分的波长基本上重叠以便形成每一组的组响应，所述组响应在测得光谱中具有不间断的峰宽。异常信号的波长通常不与组响应中的任一者重叠。这便于简单地检测异常传感器。

当相应组中的传感器中的每一者所经历的被测量相等时，那组中的每个传感器的传感器波长基本上相等。然而，可因为制造过程而出现传感器波长之间的细微偏差。因此，词语“基本上”可解释为包括在0.1 nm的波长范围内的传感器波长。优选地，当被测量相等时，这些波长相等。传感器波长可对应于传感器的反射率最高的特定波长。传感器的传感器波长通常随被测量值的变化而变化。然后，异常信号仅可在一组中的传感器中的一者处的被测量与该组中的剩余传感器的被测量显著不同时出现。有利地，因此可隔离及检测仅经历被测量异常的异常传感器的位置。

通常，第一集合的传感器被配置为使得从每一组的传感器反射的光的至少一部分的波长基本上重叠以便形成每一组的组响应，所述组响应在测得光谱中具有不间断的峰宽，其中异常信号的波长不与组响应中的任一者重叠。通常可在给定组的不同传感器之间经历被测量的细微变化，这些细微变化对应于局部环境的变化，局部环境是正常操作条件的一部分。然而，期望仅在被测量显著高于或低于其在前一测量中的值的情况下，或其与该组中的剩余传感器监测的被测量大大不同的情况下检测并定位被测量异常。通过布置每一组的传感器以形成相应的组响应，可使用峰值分析在测得光谱中识别异常信号。

优选地，每一集合中的传感器具有相应的传感器波长，所述传感器波长位于那个集合的特征波段内，其中第一集合与第二集合的特征波段不重叠。例如，第二集合的传感器中的每一者可具有相应的传感器波长，该传感器波长在沿着波导的正常或高温度变化内保持高于或低于第一集合中的传感器的传感器波长中的任一者。这简化了信号获取技术，因为在执行步骤(i)-(iv)之后，可将光源调谐到新波长以引起仅来自第二集合的传感器的反射而无引起来自第一集合的传感器的不想要的反射的危险。例如，在步骤(i)中传输的光可具有在第一集合的特征波段内的一个或多个波长。此外，在步骤(v)中传输的光可具有在第二集合的特征波段内的峰值波长。

可使用宽带源或窄带源执行步骤(i)。在步骤(i)中使用宽带源可能更有效，这是因为无需执行“光谱扫掠”，在光谱扫掠中窄带源的光递增或递减。光可替代地跨预计引起来自第一集合的传感器中的每一者的反射的波长谱传输。相比之下，需要窄带源以用于在步骤(v)中单独寻址第二集合的传感器而不会引起来自第一集合的传感器的反射。类似地，如果根据反射信号的飞行时间来定位异常传感器，则将在步骤(iv)中使用窄带源。因此光源可在用于步骤(i)的宽带模式与用于步骤(v)以及可能还用于步骤(iv)的窄带模式之间切换。然而，优选的是因为可获得的改进的信噪比并且因为可接着使用较简单的(并且较便宜的)检测器而在整个过程中使用窄带源。

窄带光源具有低于0.1 nm的带宽。然而，优选地，窄带光源是单色光源。这些具有在0.01 pm与0.1 pm之间的带宽。仍优选地，光源包括激光器，其中发射的光的线宽优选地低于75 GHz，更优选地低于50 MHz。光源优选地可选择性地在连续波模式与脉冲模式之间切换。连续波模式可用于步骤(i)并且脉冲模式可用于步骤(v)并且还可能用于步骤(iv)。更进一步地，光源可包括被配置为控制发射光的脉冲持续时间的快门或开关机构。因此光源可以连续波模式操作并且外部快门或调制器可用以生成脉冲。

第一集合和第二集合的每个传感器通常被配置为使得传感器波长响应于传感器处的被测量的变化而被扰动。例如，第一集合和第二集合的每个传感器优选地包括光纤布拉格光栅，在这种情况下每个传感器的传感器波长是其布拉格波长。

设备还可包括被配置为监测由第二传感器集合沿着波导反射的光的强度的接收器。如果使用窄带或优选地单色光源，则发射光的波长可为已知的并且因此无需监测反射光的波长。如果发射光的特定波长引起来自传感器的峰值反射，则这个波长可被理解为那个传感器的传感器波长。因此可相应地推断那个传感器处的被测量，而无需测量反射光的波长。因此接收器可被配置为基于反射光的强度而监测被测量。

分析中的被测量通常是温度，但也可以是应力或应变。此外，第二集合的每个相邻传感器之间的间距通常在0.5米与2.0米之间。

本发明的第二方面提供了一种用于使用根据第一方面的设备来沿着波导监测被测量的方法，所述方法包括：

执行步骤(i)-(iii)并且于在步骤(iii)期间检测到所述异常信号的情况下进行到步骤(iv)；以及

于在步骤(iii)期间未检测到所述异常信号的情况下执行步骤(v)-(vii)。

例如，当执行初始化程序时，主要问题可为沿着光波导定位任何被测量异常。如果检测到这种被测量异常，则将需要定位它使得可采取适当的行动。可在每次检测到异常信号时重复步骤(i)-(iv)，例如使得跟踪被测量异常。在未发现这种被测量异常的情况下，则可通过执行步骤(v)-(vii)来从第二集合的传感器中的每一者获得有价值的被测量数据。任选地，可规则地，诸如每1毫秒、10毫秒、100毫秒或1000毫秒重复步骤(i)-(iii)。

步骤(iii)优选地包括确定异常信号是否对应于预定被测量范围内的被测量并且仅在被测量在预定被测量范围内的情况下进行到步骤(iv)。预定被测量范围通常对应于在正常操作范围之外的被测量的预定值。预定被测量范围因此可包括高于和/或低于预定被测量值的被测量的所有值，并且因此可为半无限范围。或者，预定被测量范围可以是有限的。例如，步骤(iii)可包括确定异常信号是否出现在预定波长范围内 (例如，高于或低于波长阈值)并且仅在异常信号出现在所述预定波长范围内的情况下进行到步骤(iv)。任选地，步骤(iii)可包括确定异常信号的强度是否超过强度阈值并且仅在强度超过强度阈值的情况下进行到步骤(iv)。这可有助于确保所检测到的异常信号不是噪声的结果。考虑数据中的噪声对于所讨论的异常检测技术中的任一种是有益的。

步骤(iii)可包括使用光谱分析技术来检测异常信号。优选地，步骤(iii)的光谱分析技术包括将测得光谱与目标光谱进行比较以便在测得光谱中检测对应于测得光谱与目标光谱之间的差的异常信号。目标光谱可对应于例如在校准过程期间获得的之前的测得光谱。

或者，可在不参考目标光谱的情况下例如通过在测得光谱中检测具有某一宽度的可辨别的峰(所述峰对应于异常信号)，和/或通过在测得光谱内检测出现在某一波长范围内的反射信号来执行步骤(iii)。更一般地，光谱分析技术可包括在不参考光信号强度或被测量值的预定阈值的情况下分析测得光谱的形状。这可包括识别峰。光谱分析技术可包括评估表示测得光谱与预期光谱之间的差的偏移参数，以及然后将偏移参数与阈值进行比较。这种偏移参数可基于例如新峰的识别或峰的平均或中心位置的移动。此外，光谱分析技术还可包括监测在不同时间获得的测得光谱的变化。因此，可测量并分析光谱的时间系列以检测发展中的异常。

优选地，步骤(i)包括跨包含第一集合的传感器的传感器波长中的每一者的波长范围传输光。这可使用宽带光或窄带光实现(只要调整窄带光的波长以便覆盖涵盖传感器波长中的每一者的光谱范围)。例如，步骤(i)包括在第一集合的传感器的传感器波长中的每一者下按顺序传输窄带光。这个顺序可包括不同波长下的一系列脉冲。或者，可跨包括传感器波长中的每一者的波长范围以连续方式调整窄带光的波长。

优选地，步骤(iv)包括在特征波长下传输窄带光脉冲。然后可仅从异常传感器接收反射脉冲。

有益的是以连续波模式操作呈激光器形式的光源以便获得测得光谱并且还针对步骤(v)和(iv)(适当的话)以脉冲模式操作相同的激光器。这也是实现应用的关键，其中需要重复的异常检测和被测量采样，其中方法有利地还包括在步骤(i)-(iii)(任选地还有步骤(iv))与步骤(v)-(vii)之间重复地迅速来回切换。这通常将通过操作外部快门或调制器实现。

步骤(vi)优选地包括监测沿着波导反射的光的强度。然后可在步骤(v)中基于所监测的强度而估计被测量，如先前所讨论的。

本发明的第三方面提供一种包括目标设备和根据第一方面的设备的传感器系统，其中波导被布置为监测在沿着目标设备的不同位置处的被测量。例如，目标设备可以是被配置为输送流体的导管。原则上可使用多种不同的导管，包括管线。通常，波导被配置为定位所述流体从导管的的泄漏，所述泄漏对应于被测量异常。例如，导管可被配置为在与波导的环境温度和/或局部环境的温度基本上不同的温度下载运流体(诸如液体或气体)。在特别有利的布置中，导管是飞机的引气管道。或者，目标设备可以是电气设备，诸如电缆。在这种情况下，波导可被配置为定位在沿着电气设备的某一位置处的呈热点形式的被测量异常。这个热点可以是电缆中的绝缘击穿或另一类型的故障的结果。

本发明的第四方面提供了一种套件，所述套件包括光波导和被配置为以给定持续时间沿着所述波导传输光脉冲的光源，所述光波导包括：

其中所述第二集合内的每个相邻传感器沿着所述波导隔开某一距离，所述距离大于所述光在所述脉冲持续时间期间沿着所述波导行进的距离的一半，其中每一组的相邻传感器隔开某一距离，所述距离小于所述光在所述脉冲持续时间期间沿着所述波导行进的所述距离的一半，并且其中所述第一集合的多个传感器设置在所述第二集合的每个相邻传感器之间；并且

其中所述第一集合和所述第二集合被配置为使得当所述第一集合和所述第二集合中的传感器中的每一者所经历的所述被测量相等时，所述第一集合中的每个传感器的所述传感器波长与所述第二集合中的每个传感器的所述传感器波长不同。

以上套件特别适于用作第一方面的设备的一部分。例如，传感器被布置以便根据通信协议寻址，如由步骤(i)-(vii)所描述的。因此，第四方面提供了与参考先前方面讨论的优点类似的优点。第四方面的特定优点是波导在第一集合中提供的传感器的密集度与在标准TDM系统中沿着给定长度的波导可实现的相比更高。此外，来自第一集合和第二集合的选定传感器可根据先前讨论的技术单独寻址。

通常将施加至少1纳秒的脉冲持续时间，然而也设想较小的脉冲持续时间。类似地，第二集合的每个传感器之间的间隔将通常为至少0.1米，但是较短的间隔也是可能的，尤其是当脉冲持续时间低于1纳秒时。

结合方面中的一者讨论的特征中的每一者也可结合任何其他方面使用。

附图说明

现将参照附图来描述本发明的实施方案，在附图中：

图1是根据本发明的实施方案的设备的示意图；

图2是示出根据本发明的实施方案的方法的第一阶段的流程图；

图3是示出根据本发明的实施方案的方法的第二阶段的流程图；

图4是根据本发明的实施方案的来自共同的组中的传感器的光谱响应的示例；

图5是根据本发明的实施方案获得的组响应的第一示例；

图6是根据本发明的实施方案的完整的测得光谱的第二示例；并且

图7是根据本发明的实施方案的指示被测量异常的完整的测得光谱的第一示例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方案的设备1。设备1包括容纳在询问器30内的光源10和检测器20。询问器30包括呈计算系统形式的控制系统，所述计算系统包括存储器(易失性和非易失性)以及处理器。询问器30被配置为控制光源10和检测器20来执行将在稍后讨论的方法。

提供了呈光纤电缆的形式的光波导2。波导2包括沿着其长度分布的多个传感器3(为了清楚起见在图1中仅对第一个传感器编号)。光源10包括可调谐激光器，所述可调谐激光器光学地连接到波导2以用于在第一方向11上向波导2中并沿着波导2发射光脉冲。光源10和检测器20联接到波导2的近端，使得检测器20被配置为接收由传感器3在与第一方向11相反的第二方向12上反射的光。在波导2的远离光源10的远端设置用于抑制反射的构件(未示出)以防止端部反射沿着波导2向下传播并被检测到。

每个传感器3被配置为反射沿着波导2行进的光的在该传感器的波长范围内(大体上对应于FWHM)的一部分，其中峰值反射根据传感器3所经历的被测量(在这种情况下是温度)在相应的传感器波长下发生。每个传感器3通常反射入射光的一小部分，例如最多1%。因此每个FBG传感器3具有足够低的反射率，使得最靠近光源10的传感器不会强烈地在远方的传感器上投下阴影。投阴影具有两个效应：减少到达远处的传感器的光的量，从而导致信噪比下降，以及远处的传感器所见的光谱失真，从而导致明显的波长移位。这会降低任何推断的被测量读数的准确度。例如，如果传感器反射FWHM为0.18 nm的光，则26个传感器可在最大误差超过1℃之前提供1%的反射率。或者，可在达到这个误差之前在0.5%的反射率下提供50个传感器或在2%的反射率下提供12个传感器。当较近的(n-1)个传感器具有完全相同的传感器波长时，最大误差在第n个传感器处出现。

每个传感器3包括光纤布拉格光栅(FBG)3。FBG包括使用强UV激光的空间变化模式写入到波导2的芯中的光栅，以形成折射率的周期性调制。这些周期性调制基于给定被测量而在预定布拉格波长下反射沿着波导2传播的光。这个布拉格波长因此可形成先前讨论的传感器波长。通过将光栅制造为具有不同的周期性，FBG可被形成为在类似的环境条件下具有不同的传感器波长。

光源10被配置为发射带宽为0.04 pm的单色光。光源10具备快门(或某一其他开关机构)，其用以控制每个发射脉冲的持续时间。这个快门通常是以100 MHz操作以提供10 ns的脉冲，在长度上等效于大约1米的固态装置。合适的快门的示例是内置SOA(半导体光学放大器)。或者，可使用外部调制器，诸如EAM(电吸收调制器)或LiNbO₃马赫-曾德尔调制器。这些可用于产生没有过量啁啾声而具有有用的长时段的均匀强度的短脉冲。调制器可替代地包括干涉调制器、机械快门、电光调制器或声光调制器。

可调谐激光器具有稳定的输出并且可被配置为选择性地将具有给定波长和脉冲持续时间的单色脉冲光发射通过光波导2。这些激光器还可被配置为调制所述发射光的波长使得可在不同的波长下发射不同的脉冲。发射脉冲将具有明确的上升沿和/或下降沿以便于准确的信号检测。合适的激光器10的示例包括外腔激光器、环形谐振器、用法布里-伯罗腔调谐的可调谐分布式布拉格反射器激光器和光纤激光器。

检测器20被配置为监测反射光的强度并且所接收的光的波长由询问器30预测为光源10针对每个相应的发射脉冲被调谐到的波长。或者，然而，波长可由检测器20直接监测。因此合适的检测器的示例包括光谱仪、干涉仪和强度检测器。使用快速和灵敏的检测，因为采样率应足够高以确保在脉冲期间对充足的数据点进行采样。使用光源10的灵活的时序控制来调制不同的发射脉冲之间的波长(以及可能脉冲持续时间)并且协调返回脉冲的检测与传输脉冲的发射。

传感器3被划分为第一集合4和第二集合5。第一集合4包括三组传感器：第一组6、第二组7和第三组8(但是可提供任何数目个组)。每一组的传感器是相同地制造的，使得当相应组中的传感器中的每一者处的温度相等时，该组中的每个传感器的传感器波长大致相等(即，在0.1 nm的误差内相等)。每一组中的传感器的传感器波长与其他组中的传感器的传感器波长基本上不同(通常相差至少5 nm)。在同等的环境条件下，第一组6中的每个传感器3具有第一传感器波长λ₁，第二组7中的每个传感器3具有第二传感器波长λ₂，并且第三组8中的每个传感器3具有第三传感器波长λ₃。因此，第一集合4中的传感器3的传感器波长被标记为λ_i，其中i是传感器3所属于的相应组的编号。

为了清楚起见，在每一组内仅示出三个传感器3。通常，可提供m组，每一组包括n个传感器。n和m的精确值将取决于应用的细节，诸如光源的波长范围、检测到异常的被测量范围、传感器反射光谱的FWHM和所需测量的数目。例如，n可以是至少5、至少10、至少50、至少100、至少1000、至少2000，并且m可以是任何自然数但通常至少是2并且至多是10。

设备1形成传感器系统的一部分，所述传感器系统还包括目标设备。波导2被布置为沿着目标设备延伸，使得第一集合4的传感器3可在目标设备上的某一位置检测被测量异常的存在。被监测的特定被测量将取决于应用。设备1可用于多种不同的应用，例如用于检测来自导管的泄漏流体的存在(其中泄漏流体比周围环境更热或更冷)。例如，导管可以是载运热液体或气体的管线。因此，设备1可在石油和天然气工业以及化学工艺工业内具有特定适用性。或者，目标设备可包括电缆，其中波导被布置为在沿着这个电缆的多个不同位置处定位热点。在另一实施方案中，波导被布置为检测由高压变压器内的绝缘击穿引起的热点。其他实施方案包括检测隧道、桥梁、轮船和管线中的热点或应力点。设备通常是轻的且灵活的，这意味着它可通过简单的安装过程按照广泛多种现有的安装设备被方便地改造。

在本实施方案中，目标设备是呈飞机的引气管道的形式的导管。这些导管在飞机周围载运来自发动机的热空气并且可长达50 m。如果沿着导管发生泄漏，则将发射热气流，其宽度可小达25 mm。因此，设备被配置为监测呈热点形式的异常的存在。需要沿着引气管道的长度提供高度集中的传感器3以便确保任何泄漏都被检测到。因此，第一集合4的传感器3沿着波导2以25 mm的间隔隔开。这使用如之前讨论的常规的WDM/TDM方法是不可实现的。来自每一组的所有传感器在空间上分组在一起使得每一组跨导管的不同区域延伸。例如，仅来自第一组的传感器可沿着导管的跨飞机的特定翼延伸的区域设置。这使得可被识别为由第一组产生的异常能够被归结为由飞机的相应翼中的热点引起。因此第一集合4的传感器3是根据目标设备的需要布置的(在最需要被测量异常检测的任何地方)。

第二集合5包括被相同地制造以便在同等环境条件下具有相同的传感器波长λ₄的多个传感器3。这个传感器波长λ₄不同于第一集合4的传感器波长中的任一者，并且通常高于或低于第一集合4中的传感器波长中的任一者。提供第二集合5以用于在沿着波导2的多个离散位置处对被测量采样，而不是用于定位被测量异常(这是第一集合4的功能)。第二集合5的传感器3通常布置在需要使用第一集合4进行异常检测的“高风险区域”外部。与第一集合4相比，第二集合5的传感器3沿着波导2更稀疏地布置。此外，第一集合4的传感器3交错在第二集合5的传感器3之间。具体地，第一集合4的多个传感器3设置在第二集合5的每个相邻传感器之间。因此，可沿着用以使用第二集合5对被测量采样的相同长度的波导2检测被测量异常。在本实施方案中，第一集合中的每一组传感器3设置在第二集合5的两个相邻传感器3之间。

第二集合5的每个相邻传感器3沿着波导2隔开某一距离，所述距离大于光在脉冲持续时间期间沿着波导行进的距离的一半。这是在要求从每个连续传感器3反射的脉冲可由检测器单独解析的同时可实现的最小间隔。这确保第二集合5的每个传感器3可使用TDM技术寻址。要素一半解释了发射脉冲与反射脉冲之间的光的方向的变化。对于10 ns的脉冲，最小间隔是大约1.0米。最通常地，第二集合5的每个相邻传感器3之间的间隔是至少0.1米，然而可使用更短的间隔。类似地，尽管脉冲持续时间通常将为至少1纳秒，但是可使用更短的脉冲持续时间，例如在光波导由纯净和掺杂熔融石英形成的情况下。

在一些实施方案中，在第一集合4与第二集合5的相邻传感器之间可能需要具有不规则间距。例如，第一集合4的每一组可布置在对应于目标设备的易于过热的区段的位置处。来自同一组的传感器3可群集在这些区段。此外，这些区段中的一些可能比其他区段长并且因此叠加在这些区段上的对应的组可相应地包括更多个传感器3。类似地，波导2可能存在不需要获得其被测量读数的区段，例如在波导与目标设备没有密切接触的地方。第二集合5的传感器3可能不沿着这些区段设置。

来自第一集合4和第二集合5的每个传感器3具有相同长度(通常在1 mm与10 mm之间)。也可使用其他类型的传感器，其局部被测量的变化被转换为反射的变化。例如，可使用强度调制传感器、干涉传感器(诸如法布里-伯罗腔)或薄膜滤波器。

第一集合4的传感器可被配置为具有高峰值反射率以便增大检测到被测量异常的可能性。在第二集合5内，每个传感器3可具有不同的峰值反射率。例如，峰值反射率可根据距光源10的距离而增大。这确保较接近光源10的传感器3不会通过投阴影(如之前描述的)干扰测量来自较远处的传感器3的传感器波长的尝试。

第二集合5的每个传感器3设置在与光源相距已知距离处并且返回可单独解析的反射信号。因此来自第二集合5的一个或多个传感器3可用以校准询问器30。具体地，可测量在生成电信号以致使发射光脉冲与随后测量到反射脉冲之间过去的时间以计算波导2中的光速以及存在的任何机械延迟或电延迟。

现在将讨论用于使用设备10来实现本发明的方法的实施方案。方法的第一阶段涉及定位被测量异常的过程。现在将参考图2的流程图来讨论这个过程。最初，在快门关闭的情况下，光源10被调谐为对应于第一组6内的最低传感器波长的第一波长，预计最低传感器波长在预定被测量范围(通常是传感器3的整个工作范围)内。通常，温度每改变100℃，传感器波长被扰动高达1 nm。因此，传感器3的整个工作范围通常在1 nm与2 nm之间。

在步骤101处，通过操作快门从光源10沿着波导2传输单色光。如果发射光的波长在传感器3的相应波长范围内(接近传感器的FWHM，以传感器波长为中心)，则那个传感器3将朝向询问器30反射发射光的一部分。当发射光的波长等于传感器波长时，将发生最大反射(即，其中反射光的强度最大)。在这个实施方案中，每个传感器3的FWHM为大约0.3 nm，然而更一般地，FWHM可在0.1 nm到2 nm之间变化，这取决于所选择的FBG的大小。在一些实施方案中，可能需要使用在0.1 nm至0.2 nm之间的FWHM下反射光的传感器3。因为被测量的变化而出现的传感器波长的细微扰动可被检测为调制峰值频率。

在步骤102处由检测器20监测任何反射光的强度。由询问器30在检测到反射光之前根据光源10被调谐到的波长来确定反射光的波长。

在步骤103处，在快门关闭的情况下，将由光源10产生的光的波长增大例如100pm，并且然后操作快门以在新波长下沿着波导2传输光。或者，快门可保持打开，同时增大波长并忽略反射光直到达到期望波长为止。任选地，然后可操作快门以在新波长下传输光脉冲。通过使用带宽基本上小于传感器3的FWHM的光源并且通过使发射光的波长以基本上小于FWHM的间隔(例如FWHM的五分之一的间隔)递增，足够样本由第一组6中的每个传感器3的反射光谱组成，使得可对该组中的传感器波长进行良好的测量。重复步骤101到103直到达到与第一组6相关联的预定范围内的最高波长为止。然后针对剩余组7、8中的每一组重复这些步骤。发射光的波长仅在这个过程期间保留在对应于第一集合4的特征波段内。这个波段通常在1528 nm到1568 nm的范围内(对应于在电信行业中称为的“C波段”)。然后聚集在每个波长下反射的光的强度以获得仅对应于第一集合4中的传感器3的测得光谱。任选地，作为步骤103的一部分，可将曲线拟合到测得光谱。

可使用脉冲或连续光发射来执行步骤101-103，其中波长信息是从询问器30获得的。或者，可使用宽带光源来在整个波长范围内发射连续或脉冲光，同时使用光谱仪监测反射光的强度和波长。

可跨第一集合4的特征波段迅速并且在少至1毫秒或更少的时间内完成信号传输和获取步骤(101-103)。因此有利的是重复这些步骤若干次以建立平均测得光谱，所述平均测得光谱与使用单次扫描可实现的相比具有改进的信噪比。

图4示出了包括信号的光谱的第一示例，所述信号呈来自第一组6中的传感器3的反射的形式。每个信号的波长重叠。尽管传感器3中的每个传感器被制造为使得光栅具有相同的周期，但是不同传感器3之间的温度或应变变化(举例而言)以及细微的制造偏差将致使相应的传感器波长略有不同，如图4所示。然而，当聚集时，传感器波长形成图5所示的组响应，该组响应在测得光谱中具有不间断的峰，其以大约为λ₁的波长为中心。

在图4中，来自每个传感器3的反射脉冲的强度为检测器20的饱和值的大约25%。当这些信号被聚集到图5的光谱中时，检测器20饱和，从而给出所示的平顶响应。不可能在这个宽反射特征内确定任何给定传感器3的波长，但是可通过查看特征的低波长边缘和高波长边缘来估计沿着波导2的最大温度和最小温度的范围。在一些实施方案中，检测器的饱和点在光源的输出功率的刚好100%以上时出现，因为这可允许改进的强度测量。可使用具有任何反射率的传感器3，条件是可获得干净的信号。

图6还示出了测得光谱，其指示来自第一集合4的组6、7、8中的每一组的组响应。在步骤104处，分析这个测得光谱。在本实施方案中，将测得光谱与目标光谱进行比较并且通过询问器30来识别任何差异。目标光谱可以是存储在存储器中的光谱响应，期望传感器3在无被测量异常出现的“正常操作条件”下提供所述光谱响应。目标光谱可对应于例如无被测量异常出现的之前的测得光谱，并且可由校准过程生成。然后可从目标光谱减去测得光谱(从而得到“差光谱”)以便识别异常。

或者，可对测得光谱执行峰值分析方法，其中将组响应与和组响应不重叠的任何其他不同的峰一起识别。因此组响应可形成目标光谱，将测得光谱(其还包括任何其他峰)与所述目标光谱进行比较。在一些情况下，可因此在没有预定光信号强度或被测量值的阈值的情况下通过光谱分析来识别异常。在这种方法中，可将偏移参数定义为表示在光谱中表示的被测量的“正常范围”之外的异常的偏移，其中将这个偏移参数与阈值进行比较。

无论是否定义偏移参数，光谱分析可涉及诸如通过寻找反射光谱的向下倾斜部分上的向上拐点来检测可单独解析的峰。因此，不需要异常值的先验知识并且不与来自无异常阵列的任何存储的信号进行比较。这实际上特别有利，因为它简化了任何初始或常规的校准要求并且容许由物理系统的变化引起的系统数据而不是被测量本身的任何长期漂移。

可结合上述技术中的任一种使用的另一方法是通过寻找光谱随时间过去的变化来识别异常。这可通过如所描述执行相关波长的扫描(步骤101-103)，将获得的光谱数据与前一扫描的光谱数据进行比较(诸如通过减去前一扫描数据)然后寻找光谱数据中的演变特征来实现。可基于“差光谱”(由比较得到)的形状而对异常分类，差光谱中的特征超过强度或波长的阈值或差光谱中的特征变化率随扫描数目而变。差光谱可从任何数目的先前扫描的移动平均值或适当的时间加权平均值计算。

图7提供了测得光谱的示例，该测得光谱展示了具有特征波长λ_H的峰，该峰不与组响应中的任一者重叠。在这个示例中，第二组7内的传感器3中的每一者处于类似的温度，除了一个经历呈“热点”形式的温度异常。因此这个异常传感器的传感器波长 (朝向较长的波长)被扰动到λ_H。异常信号具有0.3 nm的FWHM。组响应在附图中进行了夸示，但是在测得光谱中产生较宽的特征，从而比异常信号在更大的波长范围内延伸。在图7中，每个组响应具有大约1 nm的宽度。第二组7的组响应与异常信号隔开0.5 nm，对应于50℃的温度差。

然后使用上述技术中的任一者来研究目标光谱与测得光谱之间的任何差异。在步骤105处，如果对应于目标光谱与测得光谱之间的差异的所得信号的强度超过对应于“噪声电平”的强度阈值(例如5%的检测器饱和)，则将这个信号归结为源自经历被测量异常的异常传感器的异常信号。在一些实施方案中，仅针对在预定波长范围内(例如高于或低于波长阈值)的峰识别异常信号，所述波长阈值对应于温度异常必须具有的最小温度偏差。例如，可设置仅在波长变化为至少0.4 nm；对应于相对于组响应或预先存储的光谱的40℃的温度变化的情况下检测温度异常的要求。在其他情况下，基于响应的偏差或变化而不是依赖于考虑中的波长或强度的绝对量值来识别异常。

在又一示例中，可完全不参考目标光谱来执行步骤105。例如，可通过在测得光谱中寻找在对应于被测量异常的预定波长或波长范围处出现的峰来检测异常信号(基于在被测量异常存在的情况下反射将仅在此波长下发生的情况)。任选地，询问器30仅可检测在测得光谱中具有阈值宽度和/或高度的信号。除了与阈值强度、特征宽度和可能特征的最大强度的存储值之外，不需要比较。

又或者，询问器30可被配置为检测测得光谱中的最小值(最小值在组响应与异常信号之间出现)以便检测异常信号的存在。或者，可使用强度阈值来检测异常信号的存在。例如，不是寻找最小值然后寻找最大值，而是询问器30可寻找在正方向上然后在负方向上穿越阈值强度的信号。然后可计算那两个穿越的中点以确定异常信号的峰值波长。

再次参考图7，以λ_H为中心的不与组响应中的任一者重叠的峰是可识别的。可假设信号源自第二集合内的传感器，因为它最靠近第二集合7的组响应。每一组可被分配其自己的强度和波长阈值，所述强度和波长阈值被编程到询问器30的固件中。阈值可使用询问器30上的软件来控制。在本情况中，以λ_H为中心的峰超过第二组7的强度阈值并且因此被识别为异常信号。异常信号对应于源自第二组7的异常传感器的反射脉冲，该异常传感器定位成靠近导管的泄漏处并且因此经历热点。因此被测量异常的位置可近似为波导的包括第二组7的传感器的部分内的某一处。然后可使用关于集合的布局的预先存储的信息来将这个位置与导管的包含泄漏的部分相关。在一些应用中，这可为方法提供足够信息以直接进行到步骤109，在步骤109处做出关于是否发出警报并起始任何其他预防措施的决定。例如，在先前讨论的引气应用中，每个管道可包括各自由一个或多个阀隔开的若干“隔离区”。来自第一集合4的每一组传感器可位于相应的隔离区内。或者，每个隔离区可存在一组以上，但是每一组不超过一个隔离区。因此，对出现异常的组的检测足以使得能够做出闭合对应于该隔离区的阀的决定。然后方法可进行到步骤106-108，使得可发现被测量异常的更精确的位置。这个信息可用以帮助维修人员更快速地找到泄漏而不一定需要移除检修面板。在本实施方案中，方法改为从步骤105直接进行到步骤106-108，使得可发现被测量异常的更精确的位置。

然后将异常传感器的传感器波长识别为异常信号的峰值波长。以± 5℃(或更少)的准确度计算对应的被测量值并随后将这个数据存储在存储器中。在一些实施方案中，方法然后仅在异常传感器的被测量值超过预定被测量阈值时进行到步骤106。如果没有检测到异常信号，或被测量值不超过预定被测量阈值，则方法进行到第二阶段200(图3)，此时使用第二集合5在沿着波导的位置处测量被测量。稍后将讨论这种情况。或者，可在此时重复步骤101-105。

在步骤106处，将由光源10产生的光的波长调谐为异常信号的特征波长并且随后沿着波导2传输光脉冲。在一些情况下，可能不可能将由光源10产生的光的波长确切地调谐为传感器波长，这例如是因为调谐在离散的步骤中发生并且峰值落在两个调谐点之间。因此特征波长可以是最靠近异常传感器的传感器波长的波长，在该波长下光源10能够传输光。优选地，特征波长在异常信号的FWHM内出现，以便使反射脉冲以最大可能强度的至少50%返回。在这个范围之外，反射将较弱但仍可为可测量的。

通过分析由还能够以脉冲模式操作的CW(连续波)激光器获取的光谱来执行异常检测实际上具有显著优点。这种激光器在处于CW模式时在信号强度、持续时间和对检测器速度以及对检测器的输出的数字采样的采样率和时序的要求的放松方面提供优点。在这种情况下，通过按照异常调谐激光器并且将同一激光器切换到脉冲模式来执行异常定位，其中仅时序考虑是重要的并且对返回信号的精确振幅的测量不是至关重要的。这个脉冲模式也可在使用第二集合7监测被测量的第二阶段200中。因此，仅使用单个光源10，其可以CW模式(或实际上脉冲模式)操作以进行光谱测量并且同一源以脉冲模式操作以进行位置测量。使用这些二中择一模式允许优化每个功能。在扫描模式与定位模式(借助任何类型的合适激光器)之间来回迅速切换允许跟踪任何异常的演变并降低时序模式在波长域中失去对异常的跟踪的风险。可无限地有效地重复这种切换。优选地足够迅速地执行切换使得异常在扫描/脉冲周期之间移动不超过具有例如0.5 x (FBG FWHM)的峰值的预定分数。

在步骤107处，由询问器30监测反射脉冲的飞行时间。在步骤108处使用d =

根据飞行时间来计算异常传感器(异常信号源自该传感器)的位置，其中d是距询问器30的距离，c是真空中的光速，t是当光源10发射脉冲时与当检测器20检测到反射脉冲时之间经过的时间(即，“飞行时间”)，并且n是波导2的有效折射率。然后将根据这个等式计算的距离与关于波导2的布局的预先存储的数据进行比较以便确定异常传感器的位置并且因此还确定被测量异常的位置。例如，如果波导2安装在车辆中，则计算的距离可对应于车辆中的特定位置，在该位置已检测到被测量异常(通常以± 0.5 m的准确度)。任选地，还可使用关于传感器3的分布的预先存储的信息来更准确地确定异常传感器的位置。

然后方法进行到步骤109，其中询问器30确定是否发出输出信号，例如该输出信号触发警报。例如，可将被测量值与阈值进行比较，阈值对于沿着波导2的该位置可以是特定的。对于引气应用，正常的操作温度范围可以是-55℃到125℃，并且可在被测量异常期间所经历的温度可高达300℃。实际上，阈值可以比预期最大操作温度高20℃。如果询问器30确定应发出警报，则生成输出信号，从而致使在电连接到询问器30的用户界面(未示出)上触发警报。警报通知用户被测量异常的位置以及任选地被测量值本身(例如，热点的温度)使得用户可相应地采取行动。这个数据将存储在询问器30的存储器中。任选地，可在步骤106中检测到异常信号之后立即生成触发警报的输出信号。在其他实施方案中，控制系统(其可形成询问器的一部分或对应于单独的计算系统)可响应于输出信号而自动采取行动，例如对目标设备的对应于异常传感器的位置的区段操作灭火器。或者，控制系统可响应于输出信号而改变目标设备的操作。

然后方法进行到步骤110，在步骤110后方法返回到步骤101并且重复检测被测量异常的过程。因此可跟踪任何被测量异常的存在直到检测不到这类异常为止。此时，方法则从步骤105进行到第二阶段200(图3)。或者，方法可从步骤109直接进行到第二阶段200。

询问器30可被配置为确定例如由破裂的纤维或失效的连接器引起的故障的存在。这可通过例如在步骤104处监测测得光谱以检测升高的宽带背向反射水平的存在或反射信号与先前存储的光谱相比的显著损耗而实现。先前存储的光谱可以是最近例如从之前的操作扫描获得的测得光谱。或者，不是使用存储的光谱，可使用关于预期反射水平的预先存储的信息来检测故障。如果检测到故障，则可将光源10调谐到在传感器波长之外的波长并且可发射一个或多个光脉冲。通过像之前一样计算反射信号的飞行时间，可识别故障的位置。将报告这个位置并将它存储在存储器中以供稍后在维修期间进行修理。询问器30处的快速信号处理使得设备能够以10 Hz到100 Hz的速率报告扫描的结果和系统的状态。

现在将参考图3的流程图描述第二阶段200。方法在步骤201处开始，其中将在可调谐激光器10内产生的单色光的波长设置为与第二传感器集合5相关联的特征波段内的波长。这个特征波段对应于波长范围，在该波长范围内在设备10的正常操作范围内预期来自第二集合5的传感器的反射。在这些波长下不预期来自第一集合中的任何传感器3的反射。第二集合5的特征波段与第一集合4的特征波段不重叠。然而，第二集合5的特征波段也可存在于先前讨论的C波段内。

在步骤202处，检测器20由询问器30设置为仅在光源10已发射脉冲之后的固定时间窗内监测光，该光对应于从第二集合5内的最近的(即，第一)传感器反射的光。检测器20的增益电平(即信号放大)也在最初设置为与这个传感器相关联的电平，这对于TDM是标准的。在步骤203处，将第一脉冲串发射到波导2中。脉冲串包括不同波长下的多个个别的脉冲，所述不同波长在第二集合5的特征波段内。第一脉冲的波长通常等于归属于第二集合5的特征波段的最小波长。在第一脉冲串内的单色光的每个后续脉冲的波长增大100 pm以便横跨特征波段，从而以50个脉冲达到特征波段中的最大波长。在替代实施方案中，可以仅20个脉冲横跨第二集合5的特征波段(其中在每个脉冲之间具有较大的波长间隔)。

每个脉冲之间的波长间距由计算传感器波长所需的光谱分辨率确定并且因此根据处理技术和传感器3的FWHM变化。每个发射脉冲之间的最小时间间隔由询问器30与第二集合5的最后一个传感器3之间的距离(沿着波导2测量的)确定。具体地，期望来自第二集合5的最遥远的传感器3的反射在来自下一脉冲的第一反射之前返回到询问器30。例如，对于具有与询问器30相距100米的最遥远的传感器的标准光纤，反射脉冲的最大往返旅程行进时间是大约1毫秒。因此在每个连续的脉冲发射之间使用至少1毫秒的延迟。

在脉冲发射期间或之后在步骤204处(根据步骤202的检测器设置)监测从第一传感器反射的光的强度。然后针对第二集合5内的剩余传感器中的每一者重复步骤202到204，使得单独采用每个传感器的信号读数。在替代实施方案中，可避免步骤202，然后可通过迅速连续地对反射光采样并且通过根据反射脉冲的顺序或强度识别返回的每个反射所来自的传感器来实现步骤204。

方法接着进行到步骤205，此时针对检测器20在与给定传感器3相关联的每个‘时间槽’内获取的数据绘制光谱。然后在步骤206处对所得光谱执行峰值检测方法以根据反射光的强度推断每个传感器3的传感器波长。然后在步骤207处基于相应的传感器波长而通过询问器30来计算在第二集合5的每个传感器3处的被测量(通常是温度)。然后经由外部装置(未示出)将这个输出传送给用户。

在进一步实施方案中，可提供一种套件，所述套件包括光源和如在先前实施方案中的任一实施方案中讨论的波导，其中每一组的相邻传感器隔开某一距离，所述距离小于光在脉冲持续时间期间沿着波导行进的距离的一半。这种套件将适合与先前讨论的热点检测技术一起使用并且因此将共享对应的优点。

使用第一传感器集合和第二传感器集合以用于使用高度集中的传感器检测被测量异常以及监测其他离散位置处的被测量本身因此提供胜于现有技术的显著优点。因此设备可用作从目标设备提取有价值的操作数据的构件。所述设备可为灵活的、轻的并且安装起来不昂贵。此外，使用光学传感器使设备非常适合如先前所讨论的多种不同的应用。

Claims

1.一种用于沿着光波导监测被测量的设备，所述设备包括：

光波导；

其中所述第二集合的每个相邻传感器沿着所述波导隔开某一距离，所述距离大于所述光在所述脉冲持续时间期间沿着所述波导行进的距离的一半，其中所述第一集合的多个传感器设置在所述第二集合的每个相邻传感器之间；并且

其中所述第一集合和所述第二集合被配置为使得当所述第一集合和所述第二集合中的所述传感器中的每一者所经历的所述被测量相等时，所述第一集合中的每个传感器的传感器波长与所述第二集合中的每个传感器的所述传感器波长不同；

检测器，所述检测器被配置为监测由所述第一传感器集合和所述第二传感器集合反射的所述光；以及

(i) 使用所述光源沿着所述光波导传输光；

(iv) 至少定位包括所述异常传感器的所述组；

2.根据权利要求1所述的设备，其中步骤(iv)包括通过在所述异常信号的所述特征波长下传输光脉冲以及监测反射信号的飞行时间来定位所述异常传感器。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述第一集合和所述第二集合被布置为使得所述第一集合的两个传感器与所述第二集合的每个传感器相邻地设置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述组沿着所述波导彼此在空间上隔开。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第二传感器集合被配置为使得当所述第二集合中的所述传感器中的每一者所经历的所述被测量相等时，所述第二集合中的每个传感器的所述传感器波长基本上相等。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一集合中的每一组传感器与所述第二集合相比具有更高的传感器空间密度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一集合中的每一组的每个相邻传感器沿着所述波导隔开某一距离，所述距离小于所述光在所述脉冲持续时间期间沿着所述波导行进的距离的一半。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一集合的所述传感器被配置为使得从每一组的所述传感器反射的所述光的至少一部分的波长基本上重叠以便形成每一组的组响应，所述组响应在所述测得光谱中具有不间断的峰宽，并且其中所述异常信号的波长不与所述组响应中的任一者重叠。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中每一集合中的所述传感器具有相应的传感器波长，所述传感器波长位于那个集合的特征波段内，其中所述第一集合与所述第二集合的所述特征波段不重叠。

10.根据权利要求9所述的设备，其中在步骤(i)中传输的所述光具有在所述第一集合的所述特征波段内的一个或多个波长。

11.根据权利要求9或10所述的设备，其中在步骤(v)中传输的所述光具有在所述第二集合的所述特征波段内的峰值波长。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述光源能够在用于步骤(i)中的宽带模式与用于步骤(v)中的窄带模式之间切换。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述光源包括激光器。

14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述光源被配置为在步骤(v)中发射带宽低于0.1 nm的窄带脉冲光。

15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述光源被配置为在步骤(v)中发射带宽低于0.1 pm的单色脉冲光。

16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述光源能够选择性地在连续波模式与脉冲模式之间切换。

17.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述光源还包括被配置为控制所述发射光的所述脉冲持续时间的快门或开关机构。

18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一集合和所述第二集合的每个传感器被配置为使得所述传感器波长响应于所述传感器处的被测量的变化而被扰动。

19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述第一集合和所述第二集合的每个传感器包括光纤布拉格光栅并且其中每个光纤布拉格光栅的传感器波长是布拉格波长。

20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备还包括接收器，所述接收器被配置为监测由所述第二传感器集合沿着所述波导反射的所述光的强度。

21.根据权利要求20所述的设备，其中所述接收器被配置为基于所述反射光的所述强度而监测一个或多个被测量。

22.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述被测量是温度、应力或应变。

23.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第二集合的每个相邻传感器之间的间隔在0.5米与2.0米之间。

24.一种用于使用根据前述权利要求中任一项所述的设备沿着波导监测被测量的方法，所述方法包括：

25.根据权利要求24所述的方法，其中步骤(iii)包括确定所述异常信号是否对应于预定被测量范围内的被测量，并且仅在所述被测量在所述预定被测量范围内的情况下进行到步骤(iv)。

26.根据权利要求24或25所述的方法，其中步骤(iii)包括确定所述异常信号是否出现在预定波长范围内，并且仅在所述异常信号出现在所述预定波长范围内的情况下进行到步骤(iv)。

27.根据权利要求24至26中任一项所述的方法，其中步骤(iii)包括确定异常信号的强度是否超过强度阈值，并且仅在所述强度超过所述强度阈值的情况下进行到步骤(iv)。

28.根据权利要求24至27中任一项所述的方法，其中步骤(iii)包括使用光谱分析技术来检测所述异常信号。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述光谱分析技术包括将所述测得光谱与目标光谱进行比较以便在所述测得光谱中检测对应于所述测得光谱与目标光谱之间的差的所述异常信号。

30.根据权利要求28或29所述的方法，其中所述光谱分析技术包括在不参考光信号强度或被测量值的预定阈值的情况下分析所述测得光谱的形状。

31.根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其中所述光谱分析技术还包括评估表示所述测得光谱与预期光谱之间的差的偏移参数，以及然后将所述偏移参数与阈值进行比较。

32.根据权利要求24至31中任一项所述的方法，其中所述光谱分析技术还包括监测在不同时间获得的所述测得光谱的变化。

33.根据权利要求24至32中任一项所述的方法，其中步骤(i)包括跨包含所述第一集合的传感器的所述传感器波长中的每一者的波长范围传输光。

34.根据权利要求24至33中任一项所述的方法，其中步骤(i)包括在所述第一集合的传感器的所述传感器波长中的每一者下按顺序传输窄带光。

35.根据权利要求24至34中任一项所述的方法，其中步骤(iv)包括在所述特征波长下传输窄带光脉冲。

36.根据权利要求24至35中任一项所述的方法，其中步骤(i)包括以连续波模式操作激光器，并且其中步骤(iv)包括以脉冲模式操作同一激光器。

37.根据权利要求24至36中任一项所述的方法，其中步骤(vi)包括监测沿着所述波导反射的所述光的所述强度，其中所述被测量是在步骤(vii)中基于所述监测的强度而估计的。

38.一种传感器系统，所述传感器系统包括目标设备和根据权利要求1至23中任一项所述的设备，其中所述波导被布置为监测在沿着所述目标设备的不同位置处的被测量。

39.根据权利要求38所述的传感器系统，其中所述目标设备是被配置为输送流体的导管。

40.根据权利要求39所述的传感器系统，其中所述波导被配置为定位所述流体从所述导管的泄漏，所述泄漏对应于所述被测量异常。

41.根据权利要求39或40所述的传感器系统，其中所述导管是飞机的引气管道。

42.根据权利要求38所述的传感器系统，其中所述目标设备是电气设备。

43.一种用于监测多个位置处的被测量的套件，所述套件包括光波导和光源，所述光源被配置为以给定脉冲持续时间沿着所述波导传输光脉冲，所述光波导包括：

其中所述第一集合和所述第二集合被配置为使得当所述第一集合和所述第二集合中的所述传感器中的每一者所经历的所述被测量相等时，所述第一集合中的每个传感器的所述传感器波长与所述第二集合中的每个传感器的所述传感器波长不同。