CN113939718A - 使用基于少模光纤的分布式声学传感进行井下监测 - Google Patents

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CN113939718A CN202080020480.1A CN202080020480A CN113939718A CN 113939718 A CN113939718 A CN 113939718A CN 202080020480 A CN202080020480 A CN 202080020480A CN 113939718 A CN113939718 A CN 113939718A
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Abstract

本说明书的主题可以尤其具体实施在一种用于去除模间失真的方法中，该方法包括从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真，接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合，以及基于失真背向散射的瑞利信号集合和失真参数集合确定未失真背向散射的瑞利信号。

Description

使用基于少模光纤的分布式声学传感进行井下监测
优先权要求
本申请要求2019年3月12日提交的美国专利申请第16/299,918号的优先权，其全部内容通过引用方式并入本文中。
技术领域
本说明书涉及光纤振动传感器。
背景技术
在分布式感测的现有方法中，光纤范例是特别独特的，因为它具有许多优点，包括抗电磁干扰、微型尺寸、恶劣环境操作和大规模复用的能力。
一种应用是使用相敏光时域反射计(Φ-OTDR)设计的光纤分布式声学传感器(DAS)。基于Φ-OTDR的DAS已经部署在诸如实时结构健康监测、石油和天然气行业以及航空航天运输等应用中。其工作原理包括将窄线宽激光器生成的一系列光脉冲发射到被测光纤(FUT)中。在FUT输入端口处，连续的瑞利背向散射迹线被记录在时域中。由于在注入脉冲持续时间内散射中心反射的信号的相干干扰，每条瑞利迹线都具有类似散斑的轮廓。在没有沿FUT侵入(诸如没有折射率扰动)的情况下，记录的瑞利迹线在理想情况下是相同的。当沿FUT的某个位置施加声学信号时，该位置的有效折射率会发生变化，因此可以通过观察记录迹线中对应散斑的强度波动来感知侵入。
发明内容
一般而言，该文档描述了用于井下监测的光纤振动感测的技术和系统。
在第一方面，一种用于去除模间失真的方法，包括：从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于集合之间的模间耦合而失真；接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合；以及基于失真背向散射的瑞利信号集合和失真参数集合确定未失真背向散射的瑞利信号。
各种实现方式可以包括以下特征中的一些、全部或不包括任何一个。该方法还可以包括：基于失真背向散射的瑞利信号和失真参数集合，通过从失真背向散射的瑞利信号中的至少一个中去除由模间耦合引起的失真来确定至少一个变换瑞利信号，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于光纤在沿光纤的振动位置处在振动频率和振动幅度下的振动而被背向散射；基于变换的瑞利信号，确定振动位置、振动频率和振动幅度中的至少一个；以及提供振动位置、振动频率和振动幅度中的确定的至少一个。接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合可以包括：通过光纤传输训练符号集合作为光脉冲集合；从光纤的模式集合接收训练背向散射的瑞利信号集合，其中训练背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真；将接收的训练背向散射的瑞利信号集合与预定的未失真背向散射的瑞利信号集合进行比较；基于比较确定确定的失真参数集合；以及提供确定的失真参数集合作为失真参数集合。接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合可以包括：接收第一失真参数集合；通过光纤传输光脉冲集合；测量接收的失真背向散射的瑞利信号集合；基于测量确定第二失真参数集合；以及提供第二失真参数集合作为描述模间耦合的失真效果的失真参数集合。该方法还可以包括通过光纤的选定模式传输光脉冲集合，其中从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真，可以包括：由模式解复用器基于光纤在沿光纤的振动位置处在振动频率和振动幅度下的振动，从光纤的选定模式A中分离第一背向散射的瑞利信号；以及由模式解复用器基于光纤的振动，从光纤的另一选定模式B分离第二背向散射的瑞利信号。该方法还可以包括：将第一背向散射的瑞利信号和第二背向散射的瑞利信号进行比较；以及基于比较，确定模式A与模式B之间的模间耦合量。该方法还可以包括检测第一背向散射的瑞利信号与第二背向散射的瑞利信号之间的差。该方法还可以包括对第一背向散射的瑞利信号和第二背向散射的瑞利信号应用傅立叶变换。从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真，可以包括：从光纤的模式1接收第一失真背向散射的瑞利信号S1；从光纤的模式2接收第二失真背向散射的瑞利信号S2；以及从光纤的模式N接收第三失真背向散射的瑞利信号SN，接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合还包括：接收失真参数a11；接收失真参数a12；接收失真参数aNN；基于失真背向散射的瑞利信号集合和失真参数集合确定未失真背向散射瑞利信号包括：确定模式1的第一未失真瑞利信号S1o；确定模式2的第二未失真瑞利信号S2o；以及确定模式N的第三未失真瑞利信号SNo，其中S1o、S2o和SNo被确定为
Figure BDA0003256946040000031
光纤可以是少模光纤(FMF)。
在第二方面，一种用计算机程序编码的非暂时性计算机存储介质，该计算机程序包括指令，当被数据处理装置执行时，该指令使数据处理装置执行包括以下项的操作：从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真；接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合；以及基于失真背向散射瑞利信号集合和失真参数集合确定未失真背向散射的瑞利信号。
各种实施例可以包括以下特征中的一些、全部或不包括任何一个。所述操作还可以包括；基于失真背向散射的瑞利信号和失真参数集合，通过从失真背向散射的瑞利信号中的至少一个中去除由模间耦合引起的失真来确定至少一个变换瑞利信号，其中失真背向散射的集合瑞利信号由于光纤在沿光纤的振动位置处在振动频率和振动幅度下的振动而被背向散射；基于变换的瑞利信号，确定振动位置、振动频率和振动幅度中的至少一个；以及提供振动位置、振动频率和振动幅度中的确定的至少一个。接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合可以包括：通过光纤传输训练符号集合作为光脉冲集合；从光纤的模式集合接收训练背向散射的瑞利信号集合，其中训练背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真；将接收的训练背向散射的瑞利信号集合与预定的未失真背向散射的瑞利信号集合进行比较；基于比较确定确定的失真参数集合；以及提供确定的失真参数集合作为失真参数集合。接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合可以包括：接收第一失真参数集合；通过光纤传输光脉冲的集合；测量接收的失真背向散射的瑞利信号集合；基于测量确定第二失真参数集合；以及提供第二失真参数集合作为描述模间耦合的失真效果的失真参数集合。该操作还可以包括通过光纤的选定模式传输光脉冲集合，其中从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真，可以包括：由模式解复用器基于光纤在沿光纤的振动位置处在振动频率和振动幅度下的振动，从光纤的选定模式A中分离第一背向散射的瑞利信号；以及由模式解复用器基于光纤的振动，从光纤的另一选定模式B分离第二背向散射的瑞利信号。该操作还可以包括：将第一背向散射的瑞利信号和第二背向散射的瑞利信号进行比较；以及基于比较，确定模式A与模式B之间的模间耦合量。该操作还可以包括检测第一背向散射的瑞利信号与第二背向散射的瑞利信号之间的差。该操作还可以包括对第一背向散射的瑞利信号和第二背向散射的瑞利信号应用傅立叶变换。该操作还可以包括从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真，可以包括：从光纤的模式1接收第一失真背向散射的瑞利信号S1；从光纤的模式2接收第二失真背向散射的瑞利信号S2；以及从光纤的模式N接收第三失真背向散射的瑞利信号SN，接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合还可以包括：接收失真参数a11；接收失真参数a12；接收失真参数aNN；基于失真背向散射的瑞利信号集合和失真参数集合确定未失真背向散射瑞利信号可以包括：确定模式1的第一未失真瑞利信号S1o；确定模式2的第二未失真瑞利信号S2o；以及确定模式N的第三未失真瑞利信号SNo，其中S1o、S2o和SNo被确定为
Figure BDA0003256946040000051
光纤可以是少模光纤(FMF)。
在第三方面，振动传感器系统包括：光脉冲发生器，其被配置成提供光脉冲集合；少模光纤，其具有预定长度并且被配置成引导光脉冲；传感器，其被配置成基于表示由少模光纤内的模间耦合引起的背向散射的瑞利信号的失真的失真参数集合来确定光纤在沿光纤的位置处的振动的位置和频率。
各种实施例可以包括以下特征中的一些、全部或不包括任何一个。光脉冲发生器可以包括：光源，其被配置成生成连续波光；第一光调制器，其被配置成将连续波光转换为具有预定频率的光脉冲集合；光放大器，其被配置成放大光脉冲集合；以及光环行器，其具有第一端口，该第一端口被配置成接收光脉冲并且将光脉冲提供给光耦合到光纤的第二端口，其中第二端口还被配置成接收背向散射的瑞利迹线并且将背向散射的瑞利迹线提供给与传感器进行光通信的第三端口。该系统还可以包括用计算机程序编码的非暂时性计算机存储介质，该计算机程序包括指令，当被数据处理装置执行时，该指令使数据处理装置执行包括以下项的操作：从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真；接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合；以及基于失真背向散射瑞利信号集合和失真参数集合确定未失真背向散射的瑞利信号。接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合可以包括：通过光纤传输训练符号集合作为光脉冲集合；从光纤的模式集合接收训练背向散射的瑞利信号集合，其中训练背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真；将接收的训练背向散射的瑞利信号集合与预定的未失真背向散射的瑞利信号集合进行比较；基于比较确定确定的失真参数集合；以及提供确定的失真参数集合作为失真参数集合。接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合可以包括：接收第一失真参数集合；通过光纤传输光脉冲集合；测量接收的失真背向散射的瑞利信号集合；基于测量确定第二失真参数集合；以及提供第二失真参数集合作为描述模间耦合的失真效果的失真参数集合。从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真，可以包括：从光纤的模式1接收第一失真背向散射的瑞利信号S1；从光纤的模式2接收第二失真背向散射的瑞利信号S2；以及从光纤的模式N接收第三失真背向散射的瑞利信号SN，接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合还可以包括：接收失真参数a11；接收失真参数a12；接收失真参数aNN；基于失真背向散射的瑞利信号集合和失真参数集合确定未失真背向散射的瑞利信号可以包括：确定模式1的第一未失真瑞利信号S1o；确定模式2的第二未失真瑞利信号S2o；以及确定模式N的第三未失真瑞利信号SNo，其中S1o、S2o和SNo被确定为
Figure BDA0003256946040000061
本文描述的系统和技术可以提供以下优点中的一个或多个。首先，系统可以提高用于井下监测的分布式光纤声学传感器/振动传感器的传感范围和空间分辨率。其次，因为与标准单模光纤(SMF)相比，可以将增加的功率发射到少模光纤(FMF)，所以该系统可以提高瑞利背向散射迹线的信噪比(SNR)。第三，该系统将允许感测多个参数以及声学信号/振动信号。
在所附附图和后续段落中将提供的具体实施方式中阐述了一种或多种实现方式的细节。从具体实施方式和附图以及从权利要求中，将显而易见其他特征和优点。
附图说明
图1是示出使用基于少模光纤的振动传感器进行井下监测的系统的示例的示意图。
图2A和图2B是示出用于远程感测振动的系统的示例的方框图。
图3是用于确定模间失真参数的示例过程的流程图。
图4是用于确定模间失真参数的另一示例过程的流程图。
图5是用于根据一个或多个失真背向散射的瑞利信号确定一个或多个基本未失真背向散射的瑞利信号的示例过程的流程图。
具体实施方式
该文档描述了使用基于少模光纤的振动传感器进行井下监测的系统和技术。光纤传感器特别受青睐，因为它们具有许多优点，包括恶劣的环境操作、抗电磁干扰和微型尺寸。其中一个潜在的示例是使用相敏光时域反射计(Φ-OTDR)设计的分布式声学传感器(DAS)。基于Φ-OTDR的DAS已用于许多应用，诸如石油和天然气行业、实时结构健康监测和航空航天运输等。简而言之，其基本操作概念依赖于使用相干(窄线宽)激光源将光脉冲发射到光纤中。当脉冲沿光纤传播时，瑞利迹线被背向散射以被记录在光纤输入端口。通过监测记录的瑞利迹线的强度时间演变，人们可以找出沿光纤经受振动的位置以及振动幅度和频率。
仅支持基模的单模光纤(SMF)是基于Φ-OTDR的DAS的广泛使用的平台。在这种情况下，瑞利迹线是仅一种模式的散射和干扰的结果，该模式提供了高系统信噪比(SNR)。换句话说，瑞利迹线在时域中相对稳定。然而，在设计DAS系统以实现长感应距离和小空间分辨率时，不建议使用SMF。这是因为正确使用SMF系统需要以超过SMF非线性阈值的输入功率发射窄宽度脉冲。因此，输入功率将被受激拉曼散射迅速耗尽，这是米级空间分辨率系统中非线性的主要来源。
作为替代解决方案，可以部署以预定非线性阈值为特征的多模光纤(MMF)，而不是SMF。典型的MMF支持传播数百种模式，并且每种模式都有自己的干扰行为。此外，MMF内的模间耦合很快，因为功率在短距离内的模式之间传输。此外，特别是对于长感测范围，MMF会受到模间色散的影响。因此，基于MMF的DAS系统噪声很大，通常需要复杂的滤波技术才能记录瑞利信号。
作为对基于SMF和MMF的DAS挑战的解决方案，可以实现使用少模光纤(FMF)的基于Φ-OTDR的DAS系统。与MMF相比，FMF引导有限数量的空间模式，通常少于20个模式，使得可以控制和管理FMF内的模间耦合和差模群延迟。此外，人们可以使用模式复用器/解复用器(MUX/DEMUX)轻松将单个模式发动到FMF或从FMF中提取单个模式。与SMF和MMF相比，使用FMF有几个优点，诸如FMF的非线性功率阈值大于SMF的非线性功率阈值，它在更小的空间分辨率下提供更长的感测范围，并且通过适当的FMF设计以及由于其数量模式有限，与MMF相比，模间耦合和色散的影响可以显著降低。
图1是示出使用基于少模光纤的振动传感器进行井下监测的系统100的示例的示意图。系统100是基于相敏光时域反射计(Φ-OTDR)的光纤分布式声学传感器(DAS)系统，其包括计算系统110、传感器系统120和被测光纤(FUT)130。计算系统110与传感器系统120进行电子通信(诸如通过网络连接或通用串行总线连接)。
FUT 130是在近端122处光学耦合到传感器系统120并且延伸一段距离(例如，数公里)到远端124的光纤。FUT 130可以在油井/气井140中延伸。在所示示例中，振动源150以特定频率发出振动152。振动152与FUT 130相交并且在位置160处、在位置160附近或在位置160周围使FUT130振动。
系统100使用改进基于相敏光时域反射计(Φ-OTDR)的光纤分布式声学传感器(DAS)系统的灵敏度、分辨率或两者的技术。通常，并且如稍后将更详细讨论，可以使用FUT130的多种模式，并且可以减少或去除在模式上被背向散射的瑞利信号内的模间失真，以提高用于感测沿FUT 130的振动位置、振动频率和振动幅度的系统性能。
图2A是示出用于远程感测振动的系统200的示例的方框图。在一些实现方式中，系统200可以是图1的示例系统100。
系统200包括光脉冲组件201a。光脉冲组件201a的光源210a将光发射到单模光纤(SMF)212a中。在所示示例中，光源210a是生成连续波(CW)光的窄线宽(例如1千赫(kHz))激光源。激光由调制器214a调制以产生光脉冲。
调制光被光放大器216a放大。放大的调制光被提供给光环行器220a的光端口222a。光环行器220a向光端口224a提供放大的调制光，该光端口224a光耦合到单模光纤230a的近端232a。在一些实施例中(例如，其中激光功率足够高)，可以省略光放大器216a。
单模光纤230a的远端234a与模式复用器(MUX)240的光端口242a光学耦合。模式复用器240是允许选择性地将几个标准单模光纤输入转换成少模光纤(FMF)250的各个模式的光耦合器。在所示示例中，模式复用器240被配置成将光端口242a耦合到少模光纤250的模式1(模式一、模式A)。在其他示例中，可以使用模式复用器240的其他端口，使得光脉冲可以被发射到少模光纤250的任何适当模式中，将在图2B的描述中讨论其示例。
在本文献中，术语“复用器”还可以包括双向模式复用器/解复用器(MUX/DEMUX)。在所示示例中，模式复用器240还是允许选择性地将光纤输入端处的少模光纤的各个模式转换成各个单模光纤的模式解复用器。在一些实施例中，被配置成仅执行模式复用的设备可以与被配置成仅执行模式解复用的设备基本并行使用(例如，模式复用和解复用可以在两个单独的设备中同时发生，或者这两个过程可以在不同的时间执行，诸如复用脉冲被注入然后背向散射到解复用器所需的时间)。
在所示示例中，少模光纤250有几千米(km)长(诸如4km)，但这只是一个示例。在各种实现方式中，可以使用任何合适长度的光纤。在一些实现方式中，少模光纤250可以沿要被监测的区域串接，并且可以沿少模光纤250附近的区域监测来自来源的振动。例如，少模光纤250可以延伸到建筑物、油/气井或工业场所，以感测可能由结构裂缝、油/气流动或人/机器活动产生的振动。
当发射的脉冲在少模光纤250内传播时，其功率的一部分被诸如瑞利散射的光学现象背向散射。当光子从原子或分子散射时，它们中大部分是弹性散射(瑞利散射)。
背向散射的瑞利信号由少模光纤250引导到模式复用器240。取决于携带背向散射信号的少模光纤250的模式，模式复用器240将背向散射信号引导到光端口242a或一组光端口242b-242n中的另一个。在所示示例中，由于光脉冲被引导到少模光纤250的模式1(一)，因此大部分背向散射的瑞利信号将通过模式1返回，因此，背向散射信号将被解复用到光端口242a和单模光纤230a。
由少模光纤250的其他模式引导的剩余背向散射的瑞利信号将被引导到模式复用器240的其他端口。在模式2上背向散射的信号被解复用到光端口242b，并且由单模光纤230b引导到光脉冲组件201b。在模式3上背向散射的信号被解复用到光端口242c，并且由单模光纤230c引导到光脉冲组件201c。在模式N上背向散射的信号被解复用到光端口242n，并且由单模光纤230n引导到光脉冲组件201n。
为了分析模式1(一)上的背向散射的瑞利信号，瑞利信号由光环行器220a引导到光端口226a，该光端口光耦合到接收器280a以进行放大、检测和数据获取。最后，信号处理器282a(诸如计算机、示波器)处理获取的瑞利数据，并且提供描述沿少模光纤250的振动位置、幅度和频率分布的信息。
为了分析模式2(模式二、模式B)上的背向散射的瑞利信号，瑞利信号由模式复用器240和接收器280b引导以进行放大、检测和数据获取。信号处理器282b(诸如计算机、示波器)处理获取的瑞利数据，并且提供描述沿少模光纤250的振动位置、幅度和频率分布的信息。为了分析模式3(三)上的背向散射的瑞利信号，瑞利信号由模式复用器240和接收器280c引导以进行放大、检测和数据获取。信号处理器282c(诸如计算机、示波器)处理获取的瑞利数据，并且提供描述沿少模光纤250的振动位置、幅度和频率分布的信息。为了分析模式N上的背向散射的瑞利信号，瑞利信号由模式复用器240和接收器280n引导以进行放大、检测和数据获取。信号处理器282n(诸如计算机、示波器)处理获取的瑞利数据，并且提供描述沿少模光纤250的振动位置、幅度和频率分布的信息。
作为瑞利数据处理的一部分，信号处理器282a-282n被配置成去除或减少模间失真对背向散射的瑞利信号的影响。通常，可以识别和反转少模光纤250的失真特性，以便恢复失真减少版本的瑞利信号。将在图3至图5的描述中进一步讨论这些过程。
在一些实施例中，接收器280a-208n可以包括光放大器。瑞利迹线可以通过掺铒光纤放大器进行放大，并且放大迹线的放大自发辐射(ASE)噪声可以通过光纤布拉格光栅过滤掉。光电探测器可以配置成将光强度转换成电信号。过滤后的背向散射迹线可以被光电探测器感测到，并且光电探测器可以向模数(A/D)转换器提供代表性的电信号。模数转换器可被配置成对来自光电检测器的电信号进行采样，并且将代表性数字数据提供给信号处理器282a-282n以用于进一步处理、(例如，向用户)呈现或两者。
图2B是示出呈使用少模光纤250的模式1传输光脉冲并接收大部分背向散射的瑞利信号的配置的系统200的示例的方框图。
系统200包括光脉冲组件201b。光脉冲组件201b具有类似于光脉冲组件201a的配置和用途。光脉冲组件201b的光源210b将连续波(CW)光发射到单模光纤(SMF)212b中。激光由调制器214b调制以产生光脉冲。
调制光被光放大器216b放大。放大的调制光被提供给光环行器220b的光端口222b。光环行器220b将放大的调制光提供给光端口224b，该光端口光耦合到单模光纤230b的近端232b。在激光功率足够高而无需放大的一些实施例中，可以省略光放大器216b。
单模光纤230b的远端234b光耦合到模式复用器(MUX)240的光端口242b。在所示示例中，模式复用器240被配置成将光端口242b耦合到少模光纤250的模式1(一)。
背向散射的瑞利信号由少模光纤250引导到模式复用器240。在所示示例中，由于光脉冲被引导到少模光纤250的模式2(二)，所以大部分背向散射的瑞利信号将通过模式2返回，因此，背向散射信号将被解复用到光端口242b和单模光纤230b。
为了分析模式2(二)上的背向散射的瑞利信号，瑞利信号由光环行器220b引导到光端口226b，该光端口光耦合到接收器280b以进行放大、检测和数据获取。信号处理器282b(诸如计算机、示波器)处理获取的瑞利数据，并且提供描述沿少模光纤250的振动位置、幅度和频率分布的信息。
为了分析模式1(一)上的背向散射的瑞利信号，瑞利信号由模式复用器240和接收器280a引导以进行放大、检测和数据获取。信号处理器282a处理获取的瑞利数据，并且提供描述沿少模光纤250的振动位置、幅度和频率分布的信息。为了分析模式3(三)上的背向散射的瑞利信号，瑞利信号由模式复用器240接收器280c以进行放大、检测和数据获取。信号处理器282c处理获取的瑞利数据，并且提供描述沿少模光纤250的振动位置、幅度和频率分布的信息。为了分析模式N上的背向散射的瑞利信号，瑞利信号由模式复用器240和接收器280n引导以进行放大、检测和数据获取。信号处理器282n处理获取的瑞利数据，并且提供描述沿少模光纤250的振动位置、幅度和频率分布的信息。
在如图2A和图2B所示的一个或两个示例中，系统200可以经历光脉冲和背向散射的瑞利信号的各种模间失真量。这种失真可能是由少模光纤250的各种模式之间的模间耦合引起的。
在第一种情况下，模间耦合可以忽略不计。这可以通过少模光纤250的适当设计来实现。由于光纤模式彼此正交，所以除了其他模式之外，每个模式将具有其自己的瑞利干涉信号。在检测各个模态的瑞利迹线时，每个模式的迹线都可以完全提供所需的振动信息。在这类示例中，诸如迹线差和傅立叶变换之类的典型信号处理算法可以应用于每个模式的瑞利迹线。特别地，为了找出沿少模光纤的振动位置，在时域中减去每个模式的后续瑞利迹线。如果没有振动，则减法在理想情况下等于零；否则，差值会随时间变化。一旦识别出振动位置，就可以在瑞利迹线上的这个位置应用傅立叶变换来计算振动的频率分量。
在第二种情况下，模间耦合可能很强，诸如当功率在少模光纤250内的模式之间快速保持传递时。在这类示例中，记录的模式的信号可能会失真并且可以实现更高级的信号处理方案以便提取振动信息。类似于多输入多输出(MIMO)的数字信号处理(DSP)过程可以用于减少或消除模间耦合的影响。特别地，MIMO计算传递矩阵，该传递矩阵描述了沿少模光纤在不同空间模式之间的功率传递。传递矩阵的各个元素是经由将模式的训练序列传输到少模光纤中，然后在失真后对其进行测量来计算的。通过反转这个传递矩阵，可以补偿模间耦合的影响。
假设基于FMF的DAS系统(诸如图1的示例系统100或图2A和图2B的示例系统200)支持N个模式。在这类示例中，S1、S2、......和SN可以分别表示经过Mode1、Mode2、......和ModeN失真后的瑞利信号。这些失真信号可以使用以下矩阵形式表示：
Figure BDA0003256946040000131
其中S1O、S2O、......和SNO分别是模式1、模式2、......和模式N失真之前的原始(未失真)瑞利信号。复系数a11、a12、......和aNN表示失真参数，这些失真参数量化了少模光纤内模间耦合产生的失真元素。
计算传递矩阵：
Figure BDA0003256946040000132
受其反函数：
Figure BDA0003256946040000133
是类似于MIMO方法执行的。传递矩阵的各个元素是经由将模式的训练序列传输到少模光纤中，然后在失真后对其进行测量来计算的。接下来，可以数学计算传递矩阵的反函数。
之后，可以通过使用如下反函数传递矩阵和失真的瑞利信号来恢复原始瑞利信号(在由于模间耦合而失真之前)：
Figure BDA0003256946040000134
将在后续段落中更详细地描述用于确定失真参数a11、a12、......和aNN的两种技术。在图3的描述中将讨论一种技术。在图4的描述中将讨论另一种技术。
图3是用于确定模间失真参数的示例过程300的流程图。在一些实现方式中，过程300可以用于确定光纤的模间失真参数，诸如图1的示例性被测光纤130或图2A和图2B的示例少模光纤250。在一些实现方式中，模间失真参数可以用于根据一个或多个失真背向散射的瑞利信号(例如，失真小于20％、10％、5％、1％或0.1％)确定一个或多个基本未失真背向散射的瑞利信号。例如，过程300可以用于确定等式1中使用的失真参数a11、a12、......和aNN。
在图3中，通过发送预定的S1O、S2O、......和SNO并且测量对应失真的S1、S2、......和SN来训练310系统。将原始信号和失真信号代入等式1，计算320传递矩阵及其反函数，其中包括元素a11、a12、......和aNN。之后，运行330感测用系统并且测量失真信号S1、S2、......和SN。在这些正常条件下，使用等式2计算S1O、S2O、......和SNO。接下来，校准340系统以检查传递矩阵元素保持恒定还是已更改。在350处，如果传递矩阵元素是常数，则系统继续在正常条件下运行。否则，再次训练310系统。重复这个过程，直到完成我们的测量为止。
图4是用于确定模间失真参数的示例过程400的流程图。在一些实现方式中，过程400可以用于确定光纤的模间失真参数，诸如图1的示例被测光纤130或图2A和图2B的示例少模光纤250。在一些实现方式中，模间失真参数可以用于根据一个或多个失真背向散射的瑞利信号确定一个或多个基本未失真背向散射的瑞利信号。例如，过程300可以用于确定等式1中使用的失真参数a11、a12、......和aNN。
在410处，初始化传递矩阵。自适应算法用于测量传递矩阵，其中包括元素a11、a12、......和aNN。为传递矩阵的元素假定初始值。然后传输420预定信号S1O、S2O、......和SNO。接下来，测量430对应的失真信号S1、S2、......和SN。使用等式1，计算440原始信号S1O、S2O、......和SNO。之后，计算450目标函数，其定义为预定传输信号与计算信号之间的差。如果在460处目标函数被最小化，则在470处运行感测系统。否则，修改传递矩阵的元素。当完成感测测量时，过程400结束。
图5是用于根据一个或多个失真背向散射的瑞利信号确定一个或多个基本未失真背向散射的瑞利信号的示例过程500的流程图。在一些实现方式中，过程500可以由图1的示例系统100或图2A和图2B的示例系统200的全部或部分来执行。在过程500的一些实现方式中，光纤可以是少模光纤(FMF)。例如，系统200包括少模光纤250。例如，计算系统110或信号处理器282a-282n执行过程500以减少或去除从被测光纤120或从少模光纤250接收到的背向散射的瑞利信号的模间失真。
在510处，从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真。例如，信号处理器282a-282n可以从少模光纤250接收失真背向散射的瑞利信号，其中信号由于少模光纤250的各种模式之间的模间耦合而失真。
在520处，接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合。例如，信号处理器282a-282n中的一个或多个可以接收失真参数a11、a12、......和aNN。
在一些实现方式中，接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合可以包括：通过光纤传输训练符号集合作为光脉冲集合；从光纤的模式集合接收训练背向散射的瑞利信号集合，其中训练背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真；将接收的训练背向散射的瑞利信号集合与预定的未失真背向散射的瑞利信号集合进行比较；基于比较确定确定的失真参数集合；以及提供确定的失真参数集合作为失真参数集合。例如，计算系统100可以执行图3的示例过程300。例如，可以使用自适应算法来测量传递矩阵元素a11、a12、......和aNN；假设传递矩阵元素的初始值。可以传输预定的未失真信号S1O、S2O、......和SNO，并且可以接收和测量对应的失真信号S1、S2、......和SN。可以使用等式1来确定原始信号(S1O、S2O、......和SNO)，并且可以确定目标函数，其被定义为预定传输信号与计算信号之间的差。可以运行感测系统，并且可以最小化目标函数。否则，可以修改传递矩阵的元素，并且可以例如重复部分或全部过程，直到完成测量感测为止。
在一些实现方式中，可以通过发送预定信号S1O、S2O、......和SNO并且测量它们对应的失真信号S1、S2、......和SN来训练系统；将原始信号和失真信号代入等式1，并且计算传递矩阵及其反函数，包括a11、a12、......和aNN；运行感测系统并且仅测量失真信号S1、S2、......和SN；使用等式2计算原始信号(S1O、S2O、......和SNO)，校准我们的系统以检查传递矩阵元素保持恒定还是已更改。如果传递矩阵元素是常数，则系统可以在正常条件下继续运行。否则，可以再次训练系统，重复该过程，直到完成测量感测为止。
在一些实现方式中，接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合可以包括：接收第一失真参数集合；通过光纤传输光脉冲集合；测量接收的失真背向散射的瑞利信号集合；基于测量确定第二失真参数集合；以及提供第二失真参数集合作为描述模间耦合的失真效果的失真参数集合。例如，计算系统100可以执行图4的示例过程400。
在530处，基于失真背向散射的瑞利信号集合和失真参数集合来确定未失真背向散射的瑞利信号。例如，计算系统100可以确定一个或多个瑞利信号，其中减少或消除模间失真的影响。
在一些实现方式中，过程500还可以包括：基于失真背向散射的瑞利信号和失真参数集合，通过从失真背向散射的瑞利信号中的至少一个中去除由模间耦合引起的失真来确定至少一个变换瑞利信号，其中失真背向散射的集合瑞利信号由于光纤在沿光纤的振动位置处在振动频率和振动幅度下的振动而被背向散射；基于变换的瑞利信号，确定振动位置、振动频率和振动幅度中的至少一个；以及提供振动位置、振动频率和振动幅度中的确定的至少一个。例如，振动152的位置、频率和幅度可以由计算系统110确定。
在一些实现方式中，过程500可以包括：通过光纤的选定模式传输光脉冲集合，其中从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真，可以包括：由模式解复用器基于光纤在沿光纤的振动位置处在振动频率和振动幅度下的振动，从光纤的选定模式中分离第一背向散射的瑞利信号；以及由模式解复用器基于光纤的振动，从光纤的另一选定模式分离第二背向散射的瑞利信号。例如，光脉冲组件201b可以在少模光纤250的模式2上注入光脉冲，并且在少模光纤250的模式1-n中的一个或多个模式上接收背向散射的瑞利信号。
在一些实现方式中，过程500还可以包括：将第一背向散射的瑞利信号和第二背向散射的瑞利信号进行比较；以及基于比较，确定第一模式与第二模式之间的模间耦合量。在一些实现方式中，比较可以包括检测第一背向散射的瑞利信号与第二背向散射的瑞利信号之间的差。特别地，为了找出沿少模光纤的振动位置，在时域中减去每个模式的后续瑞利迹线。如果没有振动，则减法在理想情况下等于零；否则，差值会随时间变化。一旦识别出振动位置，我们就在瑞利迹线上的这个位置应用傅立叶变换来计算振动的频率分量。例如，为了找出沿少模光纤的振动位置，可以在时域中减去每个模式的后续瑞利迹线。如果没有振动，则减法在理想情况下等于零。否则，差值会随时间变化。一旦识别出振动位置，就可以在瑞利迹线上的这个位置应用傅立叶变换来计算振动的频率分量。
在一些实现方式中，比较可以包括：对第一背向散射的瑞利信号和第二背向散射的瑞利信号应用傅立叶变换。特别地，为了找出沿少模光纤的振动位置，在时域中减去每个模式的后续瑞利迹线。如果没有振动，则减法在理想情况下等于零；否则，差值会随时间变化。一旦定位了振动位置，就可以在瑞利迹线上的这个位置应用傅立叶变换来计算振动的频率分量。
在一些实现方式中，过程500还可以包括：从光纤的模式集合接收失真背向散射的瑞利信号集合，其中失真背向散射的瑞利信号集合由于模式集合之间的模间耦合而失真，可以包括：从光纤的模式1接收第一失真背向散射的瑞利信号S1；从光纤的模式2接收第二失真背向散射的瑞利信号S2；以及从光纤的模式N接收第N失真背向散射的瑞利信号SN，接收描述模间耦合的失真效果的失真参数集合还可以包括：接收失真参数a11；接收失真参数a12；......；以及接收失真参数aNN；基于失真背向散射的瑞利信号集合和失真参数集合确定未失真背向散射的瑞利信号可以包括：确定第一模式的第一未失真瑞利信号S1o；确定第二模式的第二未失真瑞利信号S2o；......；以及确定第三模式的第三未失真瑞利信号SNo，其中基于等式1确定S1o、S2o、......和SNo。
本说明书中描述的主题和功能操作的实现方式可以在数字电子电路中、在有形具体实施的计算机软件或固件中、在计算机硬件中实现，包括在本说明书中公开的结构及其结构等效物，或在它们的一种或多种组合中。所描述的主题的软件实现方式可以被实现为一个或多个计算机程序，即，编码在有形非暂时性计算机可读的计算机存储介质上以供数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作的一个或多个计算机程序指令模块。替代地或附加地，程序指令可以被编码在人工生成的传播信号中/上，例如机器生成的电信号、光信号或电磁信号，生成该信号以对信息进行编码，以便传输到合适的接收器装置以供数据处理装置执行。计算机存储介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、随机或串行存取存储器设备，或计算机存储介质的组合。
术语“数据处理装置”、“计算机”或“电子计算机设备”(或本领域普通技术人员所理解的等效物)是指数据处理硬件，并且包括用于处理数据的各种装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机，或多个处理器或计算机。该装置还可以是或还包括专用逻辑电路，例如中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。在一些实现方式中，数据处理装置或专用逻辑电路(或数据处理装置或专用逻辑电路的组合)可以是基于硬件或软件的(或基于硬件和软件的组合)。该装置可以可选地包括为计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或执行环境的组合的代码。本发明设想使用具有或不具有常规操作系统的数据处理装置，例如LINUX、UNIX、WINDOWS、MAC OS、ANDROID、IOS，或任何其他合适的常规操作系统。
也可以被称为或描述为程序、软件、软件应用程序、模块、软件模块、脚本或代码的计算机程序可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释性语言，或声明性或过程性语言，并且该计算机程序可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子程序或其他适合在计算环境中使用的单元。计算机程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在包含其他程序或数据的文件的一部分中，例如，存储在标记语言文档中，在专用于相关程序的单个文件中或在多个协调文件，例如，存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件中的一个或多个脚本。计算机程序可以被部署为在一台计算机上执行，或者可以在位于一个站点或分布在多个站点并通过通信网络互连的多台计算机上执行。虽然在各个图中所示的程序的部分被示为通过各种对象、方法或其他过程实现各种特征和功能的各个模块，但这些程序可以视情况改为包括多个子模块、第三方服务、组件、库等。相反，可以视情况将各个组件的特征和功能组合成单个组件。用于进行计算确定的阈值可以静态地确定、动态地确定或静态和动态地确定。
本说明书中描述的方法、过程或逻辑流程可以由一个或多个可编程计算机执行，该计算机执行一个或多个计算机程序以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行功能。方法、过程或逻辑流程也可以由专用逻辑电路执行，并且装置也可以实现为专用逻辑电路，例如CPU、FPGA或ASIC。
适合于执行计算机程序的计算机可以基于通用或专用微处理器，两者或任何其他种类的CPU。通常，CPU将从存储器接收指令和数据，并且将其写入存储器。计算机的基本元件是用于实施或执行指令的CPU以及用于存储指令和数据的一个或多个存储设备。通常，计算机还将包括，或可操作地耦合到用于存储数据的一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)以从其接收数据或将数据传输到这些设备或两者。然而，计算机不需要有这类设备。此外，计算机可以被嵌入到另一个设备中，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频或视频播放器、游戏机、全球定位系统(GPS)接收器或便携式存储设备，例如通用串行总线(USB)闪存驱动器，仅举几例。
适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质(暂时性或非暂时性，视情况而定)包括所有形式的永久性/非永久性或易失性/非易失性存储器、介质和存储器设备，例如包括半导体存储设备，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、相变存储器(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和闪存设备；磁性设备，例如磁带、磁盘、盒式磁带、内部/可移动磁盘；磁光盘；以及光存储设备，例如数字视频光盘(DVD)、CD ROM、DVD+/-R、DVD-RAM、DVD-ROM、HD-DVD和BLURAY，以及其它光存储技术。存储器可以存储各种对象或数据，包括缓存、类、框架、应用程序、模块、备份数据、作业、网页、网页模板、数据结构、数据库表、存储动态信息的存储库，以及任何其他适当的信息，包括任何参数、变量、算法、指令、规则、约束条件或对它们的引用。此外，存储器可以包括任何其他适当的数据，诸如日志、策略、安全或访问数据、报告文件等。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或合并到专用逻辑电路中。
为了提供与用户的交互，本说明书中描述的主题的实现方式可以在具有显示设备的计算机上实现，例如，阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)或等离子监视器，用于向用户以及键盘和指示装置(例如鼠标、迹线球或触控板)显示信息，用户可以通过这些装置向计算机提供输入。也可以使用诸如具有压力敏感度的平板电脑表面、使用电容或电感测的多点触摸屏之类的触摸屏，或其他类型的触摸屏向计算机提供输入。也可以使用其他类型的设备来提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包括声学、语音或触觉输入。此外，计算机可以通过向用户使用的设备发送文档和从用户使用的设备接收文档来与用户交互；例如，响应于从网络浏览器接收到的请求，将网页发送到用户客户端设备上的网络浏览器。
术语“图形用户界面”或“GUI”可以单数或复数使用以描述一个或多个图形用户界面以及特定图形用户界面的每个显示器。因此，GUI可以代表任何图形用户界面，包括但不限于处理信息并将信息结果有效呈现给用户的网络浏览器、触摸屏或命令行界面(CLI)。通常，GUI可以包括一组用户界面(UI)元素，其中一些或全部与网络浏览器相关联，诸如交互字段、下拉列表和按钮。这些和其他UI元素可能与网络浏览器的功能相关或代表网络浏览器的功能。
本说明书中描述的主题的实现方式可以在计算系统中实现，该计算系统包括后端组件，例如作为数据服务器，或者包括中间件组件，例如应用服务器，或者包括前端组件，例如，具有图形用户界面或网络浏览器的客户端计算机，用户可以通过它与本说明书中描述的主题的一些实现方式交互，或者包括一个或多个这样的后端组件、中间件组件或前端组件的任意组合。系统的组件可以通过任何形式或介质的有线或无线数字数据通信(或数据通信的组合)，例如通信网络进行互连。通信网络的示例包括局域网(LAN)、无线电接入网(RAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)、全球微波接入互通(WIMAX)、使用例如802.11 a/b/g/n或802.20(或802.11x和802.20的组合或符合本发明的其他协议)的无线局域网(WLAN)、全部或部分互联网，或位于一个或多个位置的任何其他一个或多个通信系统(或通信网络的组合)。例如，网络可以与网络地址之间的互联网协议(IP)分组、帧中继帧、异步传输模式(ATM)信元、语音、视频、数据或其他合适的信息(或通信类型的组合)通信。
计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离并且通常通过通信网络进行交互。客户端与服务器的关系是由于在各自的计算机上运行的计算机程序而产生的，并且彼此之间具有客户端-服务器关系。
在此上下文中涉及的集群文件系统可以是可从多个服务器访问以进行读取和更新的任何文件系统类型。在本上下文中不需要锁定或一致性跟踪，因为交换文件系统的锁定可以在应用程序层完成。此外，Unicode数据文件不同于非Unicode数据文件。
虽然本说明书包含许多特定的实施细节，但这些不应被解释为对任何实现方式的范围或可能要求保护的范围的限制，而是对可能专用于特定实施例的特定实现方式的特征的描述。本说明书中在单独实现方式背景下描述的某些特征也可以在单个实现方式中组合实现。相反，在单个实现方式背景下描述的各种特征也可以在多个实现方式中单独地或在任何合适的子组合中实现。此外，虽然先前描述的特征可能被描述为在某些组合中起作用，甚至最初如此要求保护，但是在一些情况下，可以从组合中去除来自要求保护的组合的一个或多个特征，并且要求保护的组合可以是针对子组合或子组合的变体。
已经描述了主题的特定实现方式。对本领域技术人员而言显而易见的是，其他实现方式、所描述的实现方式的变更和置换在所附权利要求的范围内。尽管在附图或权利要求中以特定顺序描绘了操作，但这不应理解为要求以所示的特定顺序或按顺序执行此类操作，或者执行所有图示的操作(一些操作可被认为是可选的)，以达到期望的结果。在某些情况下，多任务或并行处理(或多任务和并行处理的组合)可能是有利的，并且在被认为适当时执行。
此外，上述实现方式中各种系统模块和组件的分离或一体化不应理解为在所有实现方式中都需要这种分离或一体化，应当理解，所描述的程序组件和系统一般可以一起一体化在单个软件产品中或打包成多个软件产品。
因此，先前描述的示例实现方式不定义或限制本发明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，其他改变、替换和变更也是可能的。
此外，任何要求保护的实现方式被认为至少适用于一种计算机实现的方法；一种存储计算机可读指令以执行计算机实现的方法的非暂时性计算机可读介质；以及一种计算机系统，包括与硬件处理器可互操作地耦合的计算机存储器，该硬件处理器被配置成执行该计算机实现的方法或存储在该非暂时性计算机可读介质上的指令。
尽管在先前段落中已经详细描述了一些实现方式，但是其他修改也是可能的。例如，图中描绘的逻辑流程不需要所示的特定顺序或按顺序来实现期望的结果。此外，可以提供其他步骤，或者可以从所描述的流程中消除步骤，并且可以向所描述的系统添加或移除其他组件。因此，其他实现方式在以下权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种去除模间失真的方法，包括：
从光纤的多个模式接收多个失真背散射瑞利信号，其中所述多个失真背散射瑞利信号由于所述多个模式之间的模间耦合而失真；
接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合；以及
基于所述多个失真背散射瑞利信号和所述失真参数集合来确定未失真背散射瑞利信号。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于所述失真背散射瑞利信号和所述失真参数集合，通过从所述失真背散射瑞利信号中的至少一个中去除由模间耦合引起的失真来确定至少一个变换瑞利信号，其中所述多个失真背散射瑞利信号由于所述光纤在沿所述光纤的振动位置处在振动频率和振动幅度下的振动而被背散射；
基于所述变换瑞利信号，确定所述振动位置、所述振动频率和所述振动幅度中的至少一个；以及
提供所述振动位置、所述振动频率和所述振动幅度中所确定的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合包括：
通过所述光纤来传输多个训练符号作为多个光脉冲；
从所述光纤的多个模式接收多个训练背散射瑞利信号，其中所述多个训练背散射瑞利信号由于所述多个模式之间的所述模间耦合而失真；
将所述多个接收的训练背散射瑞利信号与多个预定的未失真背散射瑞利信号进行比较；
基于所述比较来确定所确定的失真参数集合；以及
提供所确定的失真参数集合作为所述失真参数集合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合包括：
接收第一失真参数集合；
通过所述光纤传输多个光脉冲；
测量接收到的多个失真背散射瑞利信号；
基于所述测量来确定第二失真参数集合；以及
提供所述第二失真参数集合作为描述所述模间耦合的失真效果的所述失真参数集合。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
通过光纤的选定模式来传输多个光脉冲；
其中从光纤的多个模式接收多个失真背散射瑞利信号，其中所述多个失真背散射瑞利信号由于所述多个模式之间的模间耦合而失真，包括：
由模式解复用器，基于所述光纤在沿所述光纤的振动位置处在振动频率和振动幅度下的振动，从所述光纤的选定模式A中分离第一背散射瑞利信号；以及
由所述模式解复用器，基于所述光纤的所述振动，从所述光纤的选定模式B分离第二背散射瑞利信号。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
将所述第一背散射瑞利信号和所述第二背散射瑞利信号进行比较；以及
基于所述比较，确定模式A与模式B之间的模间耦合量。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括：检测所述第一背散射瑞利信号与所述第二背散射瑞利信号之间的差。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括：对所述第一背散射瑞利信号和所述第二背散射瑞利信号应用傅立叶变换。
9.根据权利要求1所述的方法，其中：
从光纤的多个模式接收多个失真背散射瑞利信号，其中所述多个失真背散射瑞利信号由于所述多个模式之间的模间耦合而失真，包括：
从所述光纤的模式1接收第一失真背散射瑞利信号S1；
从所述光纤的模式2接收第二失真背散射瑞利信号S2；以及
从所述光纤的模式N接收第三失真背散射瑞利信号SN；
接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合还包括：
接收失真参数a11；
接收失真参数a12；以及
接收失真参数aNN；
基于所述多个失真背散射瑞利信号和所述失真参数集合来确定未失真背散射瑞利信号包括：
确定所述模式1的第一未失真瑞利信号S1o；
确定所述模式2的第二未失真瑞利信号S2o；以及
确定所述模式N的第三未失真瑞利信号SNo；
其中S1o、S2o和SNo被确定为：
Figure FDA0003256946030000031
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述光纤是少模光纤FMF。
11.一种编码有计算机程序的非暂时性计算机存储介质，所述计算机程序包括在被数据处理装置执行时使数据处理装置执行操作的指令，所述操作包括：
从光纤的多个模式接收多个失真背散射瑞利信号，其中所述多个失真背散射瑞利信号由于所述多个模式之间的模间耦合而失真；
接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合；以及
基于所述多个失真背散射瑞利信号和所述失真参数集合来确定未失真背散射瑞利信号。
12.根据权利要求11所述的非暂时性计算机存储介质，所述操作还包括：
基于所述失真背散射瑞利信号和所述失真参数集合，通过从所述失真背散射瑞利信号中的至少一个中去除由模间耦合引起的失真来确定至少一个变换瑞利信号，其中所述多个失真背散射瑞利信号由于所述光纤在沿所述光纤的振动位置处在振动频率和振动幅度下的振动而被背散射；
基于所述变换瑞利信号，确定所述振动位置、所述振动频率和所述振动幅度中的至少一个；以及
提供所述振动位置、所述振动频率和所述振动幅度中所确定的至少一个。
13.根据权利要求11所述的非暂时性计算机存储介质，其中接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合包括：
通过所述光纤来传输多个训练符号作为多个光脉冲；
从所述光纤的多个模式接收多个训练背散射瑞利信号，其中所述多个训练背散射瑞利信号由于所述多个模式之间的所述模间耦合而失真；
将所述多个接收的训练背散射瑞利信号与多个预定的未失真背散射瑞利信号进行比较；
基于所述比较来确定所确定的失真参数集合；以及
提供所确定的失真参数集合作为所述失真参数集合。
14.根据权利要求11所述的非暂时性计算机存储介质，其中接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合包括：
接收第一失真参数集合；
通过所述光纤传输多个光脉冲；
测量接收到的多个失真背散射瑞利信号；
基于所述测量来确定第二失真参数集合；以及
提供所述第二失真参数集合作为描述所述模间耦合的失真效果的所述失真参数集合。
15.根据权利要求11所述的非暂时性计算机存储介质，所述操作还包括：
通过光纤的选定模式来传输多个光脉冲；
其中从光纤的多个模式接收多个失真背散射瑞利信号，其中所述多个失真背散射瑞利信号由于所述多个模式之间的模间耦合而失真，包括：
由模式解复用器，基于所述光纤在沿所述光纤的振动位置处在振动频率和振动幅度下的振动，从所述光纤的选定模式A中分离第一背散射瑞利信号；以及
由所述模式解复用器，基于所述光纤的所述振动，从所述光纤的选定模式B分离第二背散射瑞利信号。
16.根据权利要求15所述的非暂时性计算机存储介质，所述操作还包括：
将所述第一背散射瑞利信号和所述第二背散射瑞利信号进行比较；以及
基于所述比较，确定模式A与模式B之间的模间耦合量。
17.根据权利要求15所述的非暂时性计算机存储介质，所述操作还包括：检测所述第一背散射瑞利信号与所述第二背散射瑞利信号之间的差。
18.根据权利要求15所述的非暂时性计算机存储介质，所述操作还包括：对所述第一背散射瑞利信号和所述第二背散射瑞利信号应用傅立叶变换。
19.根据权利要求11所述的非暂时性计算机存储介质，所述操作还包括：
从光纤的多个模式接收多个失真背散射瑞利信号，其中所述多个失真背散射瑞利信号由于所述多个模式之间的模间耦合而失真，包括：
从所述光纤的模式1接收第一失真背散射瑞利信号S1；
从所述光纤的模式2接收第二失真背散射瑞利信号S2；以及
从所述光纤的模式N接收第三失真背散射瑞利信号SN；
接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合还包括：
接收失真参数a11；
接收失真参数a12；以及
接收失真参数aNN；
基于所述多个失真背散射瑞利信号和所述失真参数集合确定未失真背散射瑞利信号包括：
确定所述模式1的第一未失真瑞利信号S1o；
确定所述模式2的第二未失真瑞利信号S2o；以及
确定所述模式N的第三未失真瑞利信号SNo；
其中S1o、S2o和SNo被确定为：
Figure FDA0003256946030000051
20.根据权利要求11所述的非暂时性计算机存储介质，其中所述光纤是少模光纤FMF。
21.一种振动传感器系统，包括：
光脉冲发生器，被配置成提供多个光脉冲；
少模光纤，具有预定长度并且被配置成引导光脉冲；
传感器，被配置成：基于表示由所述少模光纤内的模间耦合引起的背散射瑞利信号的失真的失真参数集合来确定所述光纤在沿所述光纤的位置处的振动的位置和频率。
22.根据权利要求21所述的振动传感器系统，其中所述光脉冲发生器包括：
光源，被配置成生成连续波光；
第一光调制器，被配置成将所述连续波光转换为具有预定频率的所述多个光脉冲；
光放大器，被配置成放大所述多个光脉冲；以及
光环行器，具有第一端口，所述第一端口被配置成接收所述光脉冲并且将所述光脉冲提供给光耦合到所述光纤的第二端口，其中所述第二端口还被配置成接收背散射的瑞利迹线并且将所述背散射的瑞利迹线提供给与所述传感器进行光通信的第三端口。
23.根据权利要求21所述的振动传感器系统，还包括编码有计算机程序的非暂时性计算机存储介质，所述计算机程序包括在被数据处理装置执行时使所述数据处理装置执行操作的指令，所述操作包括：
从光纤的多个模式接收多个失真背散射瑞利信号，其中多个失真背散射瑞利信号由于所述多个模式之间的模间耦合而失真；
接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合；以及
基于所述多个失真背散射瑞利信号和所述失真参数集合确定未失真背散射瑞利信号。
24.根据权利要求23所述的振动传感器系统，其中接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合包括：
通过所述光纤来传输多个训练符号作为多个光脉冲；
从所述光纤的多个模式接收多个训练背散射瑞利信号，其中所述多个训练背散射瑞利信号由于所述多个模式之间的所述模间耦合而失真；
将所述多个接收的训练背散射瑞利信号与多个预定的未失真背散射瑞利信号进行比较；
基于所述比较来确定所确定的失真参数集合；以及
提供所确定的失真参数集合作为所述失真参数集合。
25.根据权利要求23所述的振动传感器系统，其中接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合包括：
接收第一失真参数集合；
通过所述光纤传输多个光脉冲；
测量接收到的多个失真背散射瑞利信号；基于所述测量确定第二失真参数集合；以及
提供所述第二失真参数集合作为描述所述模间耦合的失真效果的所述失真参数集合。
26.根据权利要求23所述的振动传感器系统，其中：
从光纤的多个模式接收多个失真背散射瑞利信号，其中所述多个失真背散射瑞利信号由于所述多个模式之间的模间耦合而失真，包括：
从所述光纤的模式1接收第一失真背散射瑞利信号S1；
从所述光纤的模式2接收第二失真背散射瑞利信号S2；以及
从所述光纤的模式N接收第三失真背散射瑞利信号SN；
接收描述所述模间耦合的失真效果的失真参数集合还包括：
接收失真参数a11；
接收失真参数a12；以及
接收失真参数aNN；
基于所述多个失真背散射瑞利信号和所述失真参数集合确定未失真背散射瑞利信号包括：
确定所述模式1的第一未失真瑞利信号S1o；
确定所述模式2的第二未失真瑞利信号S2o；以及
确定所述模式N的第三未失真瑞利信号SNo；
其中S1o、S2o和SNo被确定为：
Figure FDA0003256946030000081
CN202080020480.1A 2019-03-12 2020-03-09 使用基于少模光纤的分布式声学传感进行井下监测 Pending CN113939718A (zh)

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