DE602004008902T2

DE602004008902T2 - Verteilte faseroptische messungen

Info

Publication number: DE602004008902T2
Application number: DE602004008902T
Authority: DE
Inventors: Arthur H. Hartog
Original assignee: Sensor Highway Ltd
Current assignee: Sensor Highway Ltd
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2024-04-01
Also published as: US20060245468A1; GB2400906A; CA2521546C; DK1616161T3; CA2521546A1; EP1616161B1; EP1616161A1; GB2400906B; WO2004094972A1; DE602004008902D1; US7284903B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Erhalten verteilter Messungen unter Verwendung von Lichtleitfasern und eine Vorrichtung hierfür.
Techniken für die Verwendung von Lichtleitfasern, um verteilte Messungen von verschiedenen Parametern zu erhalten, wie etwa die optische Photometrie des Reflexionsgrades im Zeitbereich und die verteilte Temperaturerfassung, sind wohlbekannt. Das zugrunde liegende Prinzip dieser Techniken besteht darin, dass Licht in ein Ende einer Faser eingeleitet und an allen Punkten über die Länge der Faser einer Streuung unterzogen wird. Die Menge und/oder Wellenlänge des gestreuten Lichts wird durch verschiedene Parameter wie z. B. die Temperatur beeinflusst. Ein Teil des Lichts wird zum Faserende zurückgestreut und der Zeitpunkt, an dem es am Faserende ankommt, steht aufgrund der konstanten Lichtgeschwindigkeit in der Faser in einer Beziehung zur Position längs der Faser, an der es gestreut wurde. Dadurch ergibt die zeitliche Erfassung des zurückgestreuten Lichts ein repräsentatives Profil des interessierenden Parameters über die Länge der Faser.
Eine Temperatur kann erfasst werden, indem zurückgestreutes Licht betrachtet wird, das aus dem inelastischen Streuungsprozess, der als Raman-Streuung bekannt ist, entsteht. Dieser erzeugt ein Paar von Spektralbändern, die jeweils zu einer Seite der Wellenlänge des ursprünglich eingeleiteten Lichts verschoben sind. Das Band mit größerer Wellenlänge wird als die Stokes-Komponente bezeichnet und das Band mit kürzerer Wellenlänge wird als die Anti-Stokes-Komponente bezeichnet. Die Amplitude dieser Komponenten ist temperaturabhängig, deshalb kann ein System mit verteilten Fasern, das so beschaffen ist, dass es eine dieser Komponenten oder beide Komponenten erfassen kann, als ein Temperatursensor verwendet werden [1].
Es können zwei Anordnungen betrachtet werden, um eine Temperaturmessung zu erhalten. In jedem Fall wird die Anti-Stokes-Komponente gemessen. Diese kann entweder mit der Stokes-Komponente oder mit zurückgestreutem Licht, das einer elastischen Streuung unterzogen wurde (Rayleigh-Streuung) und deswegen die ursprüngliche Wellenlänge besitzt, verglichen werden. In jeder Situation wird jedoch Licht mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen erfasst.
Licht, das sich in Lichtleitfasern ausbreitet, erfährt einen Verlust, dieser kann sich mit der Wellenlänge ändern. Dies stellt ein Problem bei einer verteilten Temperaturerfassung dar (und bei anderen Sensoranordnungen, die mehr als eine Wellenlänge erfassen), da die beiden erfassten Komponenten bei der Ausbreitung von der streuenden Stelle zum Faserende mit unterschiedlich großen Verlusten beaufschlagt werden können. Somit hängt ein Verhältnis, das durch Vergleichen der beiden erfassten Komponenten erhalten wird, nicht nur vom Betrag der Raman-Streuung (die gewünschte Information) ab, sondern außerdem von dem Unterschied im Verlust, den das zurückgestreute Licht bei seiner Rückkehr zum Faserende erleidet. Das Verhältnis kann dadurch verzerrt werden, woraus sich eine ungenaue Messung ergibt.
Es ist leider sehr schwierig, diesen differentiellen Verlust zu bestimmen und dadurch die Wirkungen des Ausbreitungsverlustes von jenen des gemessenen Temperaturprofils zu trennen.
Bei einem Lösungsansatz, der verwendet wurde, um sich diesem Problem zu widmen, wird zugelassen, dass eine Schätzung des Verlusts in das Messsystem eingegeben wird. Bei derartigen Schätzwerten wird jedoch angenommen, dass der Verlust konstant oder über die Faserlänge abschnittsweise konstant ist. Das ist aufgrund von Ungleichförmigkeiten in der Faser, wie etwa Biegungen und Verbindungsstellen, typischerweise nicht der Fall. Außerdem werden keine Änderungen berücksichtigt, die über die Zeit auftreten können, wenn sich die Faser verschlechtert.
Eine erfolgreichere Technik besteht in der Verwendung eines zweiseitigen Messverfahrens, bei dem die Messung vom anderen Ende der Faser her wiederholt wird [2]. Die zusätzlichen Informationen, die durch die zweite Messung gewonnen werden, sind ausreichend, um die Wirkungen der Temperatur von jenen des differentiellen Verlusts trennen zu können, da die Temperatur unabhängig von der Messrichtung scheinbar gleich ist, wohingegen der Verlust bei Betrachtung vom anderen Faserende in einem entgegengesetzten Sinn erscheint.
Doppelseitige Systeme haben jedoch einen wesentlichen Nachteil gegenüber einseitigen Systemen, bei denen alle Messungen lediglich an einem Ende der Faser erfolgen, dass bei der Installation der Faser an dem interessierenden Messbereich schwere Einschränkungen bestehen. Die Geräteausstattung muss an beiden Enden der Faser vorhanden sein, was kostenaufwendiger und komplexer ist. Wenn das entfernte Ende der Faser nicht zugänglich ist, muss die Faser als Schleife installiert werden, so dass sich beide Enden am gleichen Ort befinden. Dies zu erreichen, kann schwierig sein und verdoppelt außerdem die Länge der Faser, was dann erforderlich ist, wenn keine zusätzlichen Informationen von dem Rückführungsabschnitt der Faser erhalten werden können, wodurch die Gesamtausbreitungsverluste größer werden.
Eine weitere Betrachtung besteht darin, dass die maximale Leistung in die Faser ausgegeben werden kann. Im Idealfall sollte eine große Leistung ausgegeben werden, damit sich große Rückkehrsignale ergeben. Das vergrößert die Genauigkeit, indem das Signal-Rausch-Verhältnis bzw. der Signalabstand verbessert wird, und verringert außerdem die Messzeiten. Wenn jedoch das Anti-Stokes-Signal mit dem Stokes-Signal verglichen wird, können große Leistungen das Verhältnis verzerren, indem unerwünschte nichtlineare Wirkungen erzeugt werden. Bei geringen Leistungen ist die Raman-Streuung spontan. Wenn die eingeleitete Lichtleistung eine bestimmte Schwelle übersteigt, tritt jedoch eine stimulierte Raman-Streuung in einem Grad auf, der von der einfallenden Lichtintensität abhängt. Die stimulierte Streuung ist nichtlinear und setzt Leistung von dem einfallenden Licht in die Stokes-Komponente um und ändert somit das Stokes-/Anti-Stokes-Verhältnis. Um dies zu vermeiden, ist es somit erforderlich, bei einem Leistungspegel zu arbeiten, bei dem eine stimulierte Streuung nicht mehr als einen akzeptablen Anteil des Lichts umsetzt.
Eine Technik, die sich sowohl dem Problem des differentiellen Verlusts als auch dem Problem der stimulierten Raman-Streuung widmet, wurde vorgeschlagen [3]. Die nichtlinearen Wirkungen werden berücksichtigt, indem das Anti-Stokes-Licht und das Rayleigh-Licht gemessen werden, um das gewünschte Verhältnissignal zu erhalten. Die Stokes-Komponente wird nicht berücksichtigt, und kann deshalb den Ausgang nicht verzerren. Eine erste Lichtquelle wird verwendet, um das Licht zu erzeugen, das diese beiden Signale ergibt. Außerdem ist eine zweite Lichtquelle vorgesehen, die bei der Anti-Stokes-Wellenlänge der ersten Lichtquelle aussendet, und eine Rayleigh-Messung wird bei dieser Wellenlänge erhalten. Somit werden drei Signale gemessen, wobei die Rayleigh-Messungen von der Temperatur unabhängig sind, jedoch den Verlust bei den beiden Wellenlängen enthalten. Um einen endgültigen Ausgang zu erhalten, der von jedem differentiellen Verlust bei den beiden Wellenlängen unabhängig ist, wird die Raman-Messung auf das geometrische Mittel der beiden Rayleigh-Messungen normiert.
Dieses Verfahren berücksichtigt jedoch eine nichtlineare Verzerrung nicht vollständig, obwohl es robuster ist als das Verfahren des Raman-Anti-Stokes-/Stokes-Verhältnisses. Wenn die Schwelle für eine stimulierte Raman-Streuung überschritten wird, wird nicht nur die Stokes-Komponente verzerrt, sondern das ursprüngliche eingeleitete Licht wird durch den Leistungsübergang zur Stokes-Wellenlänge vermindert. Das verringert den Betrag des Lichts, der einer Rayleigh-Streuung unterzogen wird, so dass das erfasste Rayleigh-Signal kleiner ist, was wiederum das gemessene Temperaturprofil verzerrt.
Wie oben erwähnt wurde, können nichtlineare Wirkungen vermieden werden, indem bei niedrigen Lichtleistungspegeln gearbeitet wird, dies ist jedoch nicht erwünscht. Die niedrige Leistung verringert insbesondere die maximale Länge der Faser, die verwendet werden kann, bevor der Gesamtfaserverlust zu groß wird.
Deswegen besteht ein Bedarf an einem verbesserten Verfahren der verteilten Erfassung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung auf ein Verfahren zum Verwenden einer Lichtleitfaser gerichtet, um eine verteilte Messung eines interessierenden Parameters zu erhalten, wobei das Verfahren umfasst: Einsetzen einer Lichtleitfaser in einen interessierenden Messbereich; Ausgeben eines ersten optischen Signals mit einer ersten Wellenlänge λ₀ und einem ersten Lichtleistungspegel in die Lichtleitfaser; Erfassen von zurückgestreutem Licht, das von der Lichtleitfaser mit einer zweiten Wellenlänge λ_-1 ausgesendet wird, das aus der inelastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, und Erzeugen eines ersten Ausgangssignals hiervon, wobei das erste Ausgangssignal den interessierenden Parameter angibt; Erfassen von zurückgestreutem Licht, das von der Lichtleitfaser mit der ersten Wellenlänge λ₀ ausgesendet wird, das aus der elastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, und Erzeugen eines zweiten Ausgangssignals hiervon; Ausgeben eines zweiten optischen Signals mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 in die Lichtleitfaser; Erfassen von zurückgestreutem Licht, das von der Lichtleitfaser mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 ausgesendet wird, das aus der elastischen Streuung des zweiten optischen Signals entsteht, und Erzeugen eines dritten Ausgangssignals hiervon; Ausgeben eines dritten optischen Signals mit der ersten Wellenlänge λ₀ und einem zweiten Lichtleistungspegel, der niedriger als der erste Lichtleistungspegel ist, in die Lichtleitfaser; Erfassen von zurückgestreutem Licht, das von der Lichtleitfaser mit der ersten Wellenlänge λ₀ ausgesendet wird, das aus der elastischen Streuung des dritten optischen Signals entsteht, und Erzeugen eines vierten Ausgangssignals hiervon; Erzeugen eines synthetischen Ausgangssignals aus dem zweiten Ausgangssignal und dem vierten Ausgangssignal; und Erzeugen eines endgültigen Ausgangssignals, das den interessierenden Parameter angibt, durch Normieren des ersten Ausgangssignals auf das geometrische Mittel des synthetischen Ausgangssignals und des dritten Ausgangssignals.
Die Messung und die Verwendung eines vierten Ausgangssignals mit niedriger Leistung, das einer elastischen Streuung (Rayleigh-Streuung) von Licht mit der ersten Wellenlänge entspricht, ermöglichen, dass eine Verzerrung des ersten und des zweiten Ausgangssignals kompensiert werden kann, so dass sie die Messung nicht verzerrt. Das zweite Ausgangssignal, das Rayleigh-Streuung bei der ersten Wellenlänge repräsentiert, kann typischerweise bei einem verhältnismäßig hohen Leistungspegel erreicht werden. Dies kann zu unerwünschten nichtlinearen Wirkungen, insbesondere zu stimulierter Raman-Streuung führen, die Leistung von der ersten Wellenlänge umsetzt. Das Erhalten von zwei Rayleigh-Streuungssignalen mit der ersten Wellenlänge, ein Signal mit niedriger Leistung und ein Signal mit hoher Leistung, ermöglicht, dass die Wirkung von Nichtlinearitäten unberücksichtigt bleibt, da das Signal mit niedriger Leistung frei von jeglichen nichtlinearen Verzerrungen sein sollte. Dadurch wird die Genauigkeit der Messung verbessert.
Das Hinzufügen eines vierten Ausgangssignals sollte außerdem die Messdauer im Vergleich zu Verfahren des Standes der Technik nicht sehr vergrößern. Der Prozess der Rayleigh-Streuung ist etwa tausendfach effizienter als Prozesse der inelastischen Streuung, wie etwa Anti-Stokes-Raman-Streuung, so dass selbst dann, wenn die verminderte Leistung verwendet wird, um das vierte Signal zu erhalten, die Zeit, die erforderlich ist, um es zu erhalten, einen geringen Teil der Gesamtzeit darstellt, die zum Ausführen des Verfahrens erforderlich ist.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren, das eine Sensoranordnung mit einseitiger Faser verwendet. Dies vermeidet die Probleme, die gewöhnlich mit zweiseitigen Konfigurationen verbunden sind, wie etwa die Schwierigkeiten bei der Installation der Faser in einer Schleife, der zusätzliche Faserabschnitt, der erforderlich ist, und der zugehörige vergrößerte Verlust, sowie die zusätzlichen Komponenten, die erforderlich sind, um Quellen und Detektoren für jedes Ende der Faser bereitzustellen, oder um zwischen den beiden Enden umzuschalten.
Der zweite Lichtleistungspegel wird vorzugsweise so gewählt, dass er unter einer Schwelle für nichtlineare optische Wechselwirkungen von Licht bei der ersten Wellenlänge λ₀ liegt, die sich in der Lichtleitfaser ausbreitet. Dies stellt sicher, dass das vierte Ausgangssignal frei von nichtlinearen Verzerrungen ist, so dass es erfolgreich verwendet werden kann, um Teile des zweiten Ausgangssignals zu isolieren, die infolge von nichtlinearen Verlusten vorhanden sind, die für genaue Messergebnisse berücksichtigt werden müssen.
Das synthetische Ausgangssignal wird vorteilhaft erzeugt, indem das Quadrat des zweiten Ausgangssignals auf das vierte Ausgangssignal normiert wird.
In einer Ausführungsform ist die inelastische Streuung Raman-Streuung und die zweite Wellenlänge λ_-1 ist ein Anti-Stokes-Band der ersten Wellenlänge λ₀. Raman-Streuung ist empfindlich auf verschiedene interessierende Parameter und die resultierenden Stokes- und Anti-Stokes-Wellenlängenbänder sind von der ursprünglichen Erzeugungswellenlänge weit beabstandet, so dass die verschiedenen Ausgangssignale einfach voneinander getrennt werden können. Raman-Streuung ist z. B. temperaturempfindlich, so dass der interessierende Parameter die Temperatur sein kann.
Das Verfahren kann ferner das Anpassen von spektralen Merkmalen des inelastisch zurückgestreuten Lichts mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 an spektrale Merkmale des zweiten optischen Signals umfassen. Das inelastisch zurückgestreute Licht kann ein wesentlich anderes Spektrum als das zweite optische Signal haben, da sie von unterschiedlichen Quellen stammen, obwohl ihre Mittenwellenlängen ähnlich sein können. Die Genauigkeit der Messung kann jedoch verbessert werden, wenn dieser Unterschied durch Anpassen der Spektren beseitigt oder verringert wird. Das inelastisch zurückgestreute Licht mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 kann z. B. spektral gefiltert werden, bevor das erste Ausgangssignal erzeugt wird. Dies berücksichtigt Situationen, bei denen der Prozess der inelastischen Streuung ein sehr breites Spektrum erzeugt, wie das bei Raman-Streuung der Fall ist. Alternativ kann das zweite optische Signal spektral verbreitert werden, bevor es in die Lichtleitfaser ausgegeben wird. Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, die Wellenlänge des zweiten optischen Signals zu verändern (z. B. durch Änderung der Temperatur der Quelle auf eine im Voraus festgelegte Weise), so dass das zeitlich gemittelte Spektrum dieses Signals, das über die Erfassungsperiode gemessen wird, näher an jenem des ersten Signals liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren ferner das Schicken von zurückgestreutem Licht, das von der Lichtleitfaser ausgesendet wird, durch ein Modenfilter umfassen, um Moden höherer Ordnung zu entfernen.
Die verschiedenen interessierenden Wellenlängen können sich in der Faser in unterschiedlichen Kombinationen von Moden ausbreiten. Diese Moden können einer unterschiedlichen Dämpfung unterzogen werden, insbesondere an Faserverbindungen und Verbindern, jedoch ebenfalls im normalen Verlauf der Ausbreitung in der Erfassungsfaser. Dies ist bei Moden höherer Ordnung am stärksten ausgeprägt, so dass ihre Beseitigung Ausgangssignale ergibt, die enger angepasste Verlustcharakteristiken aufweisen. Dadurch kann eine Quelle des differentiellen Verlusts zwischen den Signalen eliminiert oder verringert werden, so dass die Genauigkeit der Messungen verbessert ist. Die Lichtleitfaser besitzt einen ersten Kerndurchmesser und eine erste numerische Apertur, deswegen kann das Modenfilter eine Lichtleitfaser mit einem zweiten Kerndurchmesser, der kleiner als der erste Kerndurchmesser ist, und einer zweiten numerischen Apertur, die kleiner als die erste numerische Apertur ist, umfassen. Alternativ können umfangreiche optische Vorrichtungen verwendet werden, so dass das Modenfilter ein räumliches Filter umfassen kann, das so beschaffen ist, dass es die Moden höherer Ordnung dämpft.
Die Lichtleitfaser kann einen Kernbereich aufweisen, der mit Germanium dotiertes Siliciumoxid enthält. Diese Zusammensetzung ergibt eine ausgeglichene Beziehung zwischen den Prozessen der elastischen und inelastischen Streuung, da eine relative Änderung in der Zusammensetzung des Kerns längs der Faser oder zwischen Faserabschnitten eine ähnliche Wirkung auf die Raman- und Rayleigh-Komponenten des gestreuten Spektrums hat. Folglich werden die Messungen, die auf dem Verhältnis zwischen Koeffizienten der Raman- und Rayleigh-Streuung beruhen, in ihrer Genauigkeit durch longitudinale Änderungen in der Dotiersubstanzkonzentration verhältnismäßig wenig beeinflusst. Dotiersubstanzen können des Weiteren eine nachteilige Wirkung auf die Beziehung haben, da sie den Koeffizienten der Rayleigh-Streuung bei jenen Frequenzverschiebungen, bei denen die Siliciumoxid- und Germanium-Raman-Spektren überlappen, deutlicher verändern als jene der Raman-Streuung, so dass die Lichtleitfaser vorzugsweise einen Kernbereich aufweist, der Siliciumoxid umfasst, das nur mit Germanium und keinen weiteren Dotiersubstanzen dotiert ist.
In einer Ausführungsform wird die Lichtleitfaser in ein Bohrloch einer Ölbohrung eingesetzt. Lichtleitfasern werden gewöhnlich als Sensoren in der Ölindustrie verwendet, bei der viele Parameter gemessen und überwacht werden müssen, so dass die Verbesserungen, die durch die vorliegende Erfindung geschaffen werden, eine wertvolle Bereicherung beim Management der Ölproduktion bieten.
Das Verfahren kann ferner vorteilhaft das Erzeugen des ersten optischen Signals und/oder des dritten optischen Signals durch Verwenden eines optischen Signals mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 von einer Lichtquelle, die das zweite optische Signal erzeugen kann, und das Schicken des optischen Signals mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 durch eine Ramanverschiebungs-Lichtleitfaser, um Licht mit der ersten Wellenlänge λ₀ durch den Prozess der stimulierten Raman-Streuung in der Ramanverschiebungs-Lichtleitfaser zu erzeugen, umfassen. Dies stellt sicher, dass die optischen Signale mit der ersten und der zweiten Wellenlänge den korrekten Wellenlängenabstand haben; dies kann in einigen Fällen bei Verwendung von getrennten Lichtquellen schwierig zu erreichen sein. Die Vorrichtung, die zum Ausführen des Verfahrens unter Verwendung des Lösungsansatzes der Raman-Verschiebung erforderlich ist, kann außerdem kostengünstiger, kompakter und stabiler sein.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf eine Vorrichtung zum Erhalten einer verteilten Messung eines interessierenden Parameters gerichtet, die umfasst: eine Lichtleitfaser zum Einsetzen in einen interessierenden Messbereich; eine oder mehrere Lichtquellen, die so betreibbar sind, dass sie die folgenden Signale erzeugen und in die Lichtleitfaser ausgeben: ein erstes optisches Signal mit einer ersten Wellenlänge λ₀ und einem ersten Lichtleistungspegel; ein zweites optisches Signal mit einer zweiten Wellenlänge λ_-1; und ein drittes optisches Signal mit der ersten Wellenlänge λ₀ und einem zweiten Lichtleistungspegel, der niedriger als der erste Lichtleistungspegel ist; und einen oder mehrere Detektoren, die so betreibbar sind, dass sie: zurückgestreutes Licht erfassen, das von der Lichtleitfaser mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 ausgesendet wird, das aus einer inelastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, und hiervon ein erstes Ausgangssignal erzeugen, wobei das erste Ausgangssignal den interessierenden Parameter angibt; zurückgestreutes Licht erfassen, das von der Lichtleitfaser mit der ersten Wellenlänge λ₀ ausgesendet wird, das aus einer elastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, und hiervon ein zweites Ausgangssignal erzeugen; zurückgestreutes Licht erfassen, das von der Lichtleitfaser mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 ausgesendet wird, das aus einer elastischen Streuung des zweiten optischen Signals entsteht, und hiervon ein drittes Ausgangssignal erzeugen; und zurückgestreutes Licht erfassen, das von der Lichtleitfaser mit der ersten Wellenlänge λ₀ ausgesendet wird, das aus einer elastischen Streuung des dritten optischen Signals entsteht, und hiervon ein viertes Ausgangssignal erzeugen; und einen Signalprozessor, der so betreibbar ist, dass er aus dem zweiten Ausgangssignal und dem vierten Ausgangssignal ein synthetisches Ausgangssignal erzeugt und außerdem ein endgültiges Ausgangssignal erzeugt, das den interessierenden Parameter angibt, indem er das erste Ausgangssignal auf das geometrische Mittel des synthetischen Ausgangssignals und des dritten Ausgangssignals normiert.
Die eine oder die mehreren Lichtquellen umfassen vorzugsweise eine einzelne Lichtquelle, die so betreibbar ist, dass sie das erste optische Signal und das dritte optische Signal erzeugt, wobei die einzige Lichtquelle eine Leistungssteuerung umfasst, die so betreibbar ist, dass sie den Lichtleistungspegel eines durch die einzige Lichtquelle erzeugten optischen Signals zwischen dem ersten Lichtleistungspegel und dem zweiten Lichtleistungspegel ändert. Dies schafft eine einfachere Vorrichtung mit weniger Komponenten.
Die eine oder die mehreren Lichtquellen können ferner eine Lichtquelle umfassen, die so betreibbar ist, dass sie das zweite optische Signal erzeugt, und eine oder mehrere Ramanverschiebungs-Lichtleitfasern umfasst, die so beschaffen sind, dass sie ein optisches Signal mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 von der Lichtquelle, die so betreibbar ist, dass sie das zweite optische Signal erzeugt, empfangen und das erste optische Signal und das dritte optische Signal durch den Prozess einer stimulierten Raman-Streuung in der Ramanverschiebungs- Lichtleitfaser erzeugen.
Der zweite Lichtleistungspegel kann so gewählt sein, dass er unter einer Schwelle für nichtlineare optische Wechselwirkungen von Licht mit der ersten Wellenlänge λ₀, das sich in der Lichtleitfaser ausbreitet, liegt.
Der Prozessor kann so betreibbar sein, dass er das synthetische Ausgangssignal durch Normieren des Quadrats des zweiten Ausgangssignals auf das vierte Ausgangssignal erzeugt.
In einigen Ausführungsformen ist die inelastische Streuung eine Raman- Streuung und die zweite Wellenlänge λ_-1 ist ein Anti-Stokes-Band der ersten Wellenlänge λ₀. Der interessierende Parameter kann die Temperatur sein.
Die Vorrichtung kann ferner einen Spektralmodifizierer umfassen, der so betreibbar ist, dass er die spektralen Merkmale des inelastisch zurückgestreuten Lichts mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 an die spektralen Merkmale des zweiten optischen Signals anpasst. Der Spektralmodifizierer kann ein oder mehrere Spektralfilter umfassen, durch die das inelastisch gestreute Licht mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 geschickt wird, bevor das erste Ausgangssignal erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Spektralmodifizierer eine Spektralverbreiterungsanordnung umfassen, die so betreibbar ist, dass sie das zweite optische Signal spektral verbreitert, bevor es in die Lichtleitfaser ausgegeben wird. Der Spektralmodifizierer kann z. B. so betreibbar sein, dass er die Wellenlänge des zweiten optischen Signals wechselt, indem die Temperatur der Quelle in einer im Voraus festgelegten Weise ändert, so dass das zeitlich gemittelte Spektrum des Signals, das über die Erfassungsperiode gemessen wird, näher an jenem des ersten Signals liegt.
Die Vorrichtung kann ferner ein Modenfilter umfassen, das so betreibbar ist, dass es Moden höherer Ordnung aus dem zurückgestreuten Licht, das von der Lichtleitfaser ausgesendet wird, entfernt. Die Lichtleitfaser besitzt einen ersten Kerndurchmesser und eine erste numerische Apertur, so dass das Modenfilter eine Lichtleitfaser umfassen kann, die so beschaffen ist, dass sie das zurückgestreute Licht, das von der Lichtleitfaser ausgesendet wird, empfängt, und eine Lichtleitfaser mit einem zweiten Kerndurchmesser, der kleiner als der erste Kerndurchmesser ist, und einer zweiten numerischen Apertur, die kleiner als die erste numerische Apertur ist, umfasst. Alternativ kann das Modenfilter ein räumliches Filter umfassen, das so beschaffen ist, dass es die Moden höherer Ordnung dämpft.
Die Lichtleitfaser besitzt vorzugsweise einen Kernbereich, der mit Germanium dotiertes Siliciumoxid enthält, wobei stärker bevorzugt ist, dass der Kernbereich Siliciumoxid enthält, das nur mit Germanium dotiert ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Lichtleitfaser dazu vorgesehen, in ein Bohrloch einer Ölbohrung eingesetzt zu werden. Die Vorrichtung kann dann ferner einen Fasereinsetzmechanismus umfassen, der so betreibbar ist, dass er die Lichtleitfaser in das Bohrloch einsetzt.
In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung ferner einen Schalter umfassen, der umschaltbar ist zwischen: einer ersten Konfiguration, in der der Schalter die Lichtleitfaser mit der einen oder den mehreren Lichtquellen verbindet, so dass das erste optische Signal und das dritte optische Signal in die Lichtleitfaser ausgegeben werden, und mit dem einen oder den mehreren Detektoren verbindet, so dass der eine oder die mehreren Detektoren zurückgestreutes Licht, das aus einer inelastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, zurückgestreutes Licht, das aus einer elastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, und zurückgestreutes Licht, das aus der elastischen Streuung des dritten optischen Signals entsteht, erfassen; und einer zweiten Konfiguration, in der der Schalter die Lichtleitfaser mit der einen oder den mehreren Lichtquellen verbindet, so dass das zweite optische Signal in die Lichtleitfaser ausgegeben wird, und mit dem einen oder den mehreren Detektoren verbindet, so dass der eine oder die mehreren Detektoren zurückgestreutes Licht, das aus einer elastischen Streuung des zweiten optischen Signals entsteht, erfassen. Diese Anordnung ist eine bequeme Art zum Bereitstellen von getrennten Detektoren für die zwei Typen von zurückgestreutem Licht mit der zweiten Wellenlänge. Die Detektoren können dann einzeln für die Erfassungsaufgabe, die sie ausführen sollen, in Bezug auf Parameter wie z. B. Empfindlichkeit und Bandbreite optimiert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie sie realisiert werden kann, erfolgt nun beispielhaft eine Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen; es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels der Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels der Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines dritten Beispiels der Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels der Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels der Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines dritten Beispiels der Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels der Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels der Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Darstellung einer Lichtquelle, die Teil der Vorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
11 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur Verwendung in eine Ölbohrung eingesetzt ist.
GENAUE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Modifikation an einer bekannten Technik zum Erhalten von verteilten Lichtleitfasermessungen vor [3], indem ein zusätzliches Signal gemessen wird und dieses zum Kompensieren der bekannten Messungen verwendet wird. Dieser Lösungsansatz ermöglicht, sowohl Verluste als auch nichtlineare Verzerrungen in der endgültigen Messung zu berücksichtigen, so dass die Genauigkeit der Messung verbessert werden kann.
Die Technik nach dem Stand der Technik verwendet zwei Lichtquellen und entsprechende Detektoren, um drei Signale aus einer Lichtleitfaser zu erhalten, die in einen interessierenden Messbereich eingesetzt wurde. Der interessierende Parameter, der gemessen werden soll, kann z. B. die Temperatur sein. In diesem Fall sind die Lichtquellen so konfiguriert, dass sie optische Ausgänge mit unterschiedlichen Wellenlängen bereitstellen, wobei diese eine grundlegende Sondenwellenlänge λ₀ und die Anti-Stokes-Wellenlänge λ_-1, die durch Raman-Streuung von λ₀ in dem speziellen Material, aus dem die Faser hergestellt ist, erzeugt wird, sind. Ein optisches Signal in Form eines Lichtimpulses mit λ₀ wird in die Faser ausgegeben und erzeugt zurückgestreutes Licht mit der Anti-Stokes-Wellenlänge λ_-1 über inelastische Raman-Streuung sowie außerdem zurückgestreutes Licht mit λ₀ über elastische Rayleigh-Streuung. Dieses Licht wird gemessen, um zwei Ausgangssignale zu erhalten, ein Ausgangssignal, das von der Temperatur unabhängig ist (die Rayleigh-Streuung), und ein Ausgangssignal, das von der Temperatur abhängig ist und deshalb als eine Messung der Temperaturverteilung längs der Faser verwendet werden kann (die Raman-Streuung). Beide Messungen sind mit einem Verlust behaftet, der aufgrund der Transmissionseigenschaften der Faser, die typischerweise wellenlängenabhängig ist, für beide nicht gleich sein kann.
Außerdem wird ein weiteres optisches Signal als ein Impuls mit der Wellenlänge λ_-1 in die Faser ausgegeben. Dieses erzeugt seine eigene Rayleigh-Zurückstreuung mit λ_-1, die erfasst wird und ein drittes Ausgangssignal ergibt.
Dieses ist ebenfalls temperaturunabhängig, jedoch vom Faserverlust bei λ_-1 abhängig.
Anschließend wird das geometrische Mittel der beiden Rayleigh-Signale berechnet. Dies ergibt ein synthetisches Rayleigh-Signal, das eine Mischung der Eigenschaften des Faserverlusts oder der Dämpfung, sowohl bei der Sondenwellenlänge λ₀ als auch der Anti-Stokes-Wellenlänge λ_-1 aufweist. Auf diese Weise wird ein Signal erhalten, das den Gesamtverlust, der durch das Raman-Signal auftritt, wiedergibt, das auf seinem Hinweg zur Streuungsstelle die Sondenwellenlänge λ₀ besitzt und nach der Rückstreuung auf seinem Rückweg die Anti-Stokes-Wellenlänge λ_-1 besitzt. Damit sich schließlich ein Temperaturprofil ergibt, das unabhängig ist von allen Unterschieden im Verlust bei den beiden Wellenlängen, wird das Raman-Signal auf das synthetische Rayleigh-Signal normiert.
THEORIE
Um das Verfahren genauer zu erläutern, erfolgt nun eine mathematische Analyse, die mit der Modifikation gemäß der vorliegenden Erfindung abschließt.
Im Folgenden wird das Anti-Stokes-Signal durch den Index TTS bezeichnet, abgeleitet von "temperature sensitive" (temperaturempfindlich); das Rayleigh-Signal mit der Sondenwellenlänge λ₀ wird durch den Index NTSA bezeichnet, abgeleitet von "non temperature sensitive, optical source A" (nicht temperaturempfindlich, Lichtquelle A); und das Rayleigh-Signal mit der Anti-Stokes-Wellenlänge λ_-1 wird durch den Index NTSB bezeichnet, abgeleitet von "non temperature sensitive, optical source B" (nicht temperaturempfindlich, Lichtquelle B). Die drei Signale P_TTS, P_NTSA und P_NTSB, die von dem erfassten zurückgestreuten Licht erhalten werden, können wie folgt definiert werden:
wobei z die Strecke längs der Faser ist;
Ng der Gruppenindex bei der relevanten Wellenlänge ist;
c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist;
α_s der Streuungsverlust ist;
S der Erfassungsanteil ist, der der Anteil des gestreuten Lichts ist, der in der numerischen Apertur der Faser in der Rückkehrrichtung erfasst und somit zurückgestreut wird;
P die Energie in dem auftreffenden Lichtimpuls ist;
W die Impulsdauer ist; und
K eine Konstante ist, die Systementwurfsaspekte berücksichtigt, wie etwa die Transmission von Filtern und die Empfindlichkeit von Detektoren.
Der Index "Ray0" bezeichnet den Verlust bei der Sondenwellenlänge λ₀ und die Suffixe "0" und "b" bezeichnen die auswärts gerichtete bzw. rückwärts gerichtete Ausbreitungsrichtung. Der Index "as" bezeichnet den Verlust bei der Anti-Stokes-Wellenlänge λ_-1. Der Index "btts" bezeichnet insbesondere die Verluste, die das Anti-Stokes-Signal auf seinem Rückweg von der Streuungsstelle erfährt. Dieser kann sich möglicherweise von dem Verlust für diese Wellenlänge in der rückwärts gerichteten Ausbreitungsrichtung α_asb unterscheiden (z. B. aufgrund von Unterschieden in der spektralen Breite). Deswegen treten die beiden unterschiedlichen Ausdrücke in den Gleichungen für das λ_-1-Raman-Signal und das λ_-1-Rayleigh-Signal auf. Für die Variablen P, W und K bezeichnet der Index "0" die Wellenlänge λ₀ und die Indizes "as" und "tts" bezeichnen die Wellenlänge λ_-1 (wobei "tts" speziell für Raman-Anti-Stokes-Rückstreuung verwendet wird).
Wie oben beschrieben wurde, ist das endgültige interessierende Ausgangssignal eine normierte Version des Raman-Signals, das auf das geometrische Mittel der Rayleigh-Signale normiert wird. Wenn dieses durch η bezeichnet wird, dann gilt
Somit werden alle Faktoren vor dem Integralzeichen in der folgenden Weise normiert:

– der Anti-Stokes-Raman-Streuungskoeffizient durch das geometrische Mittel des Rayleigh-Streuungskoeffizienten bei der Sonden- und Anti-Stokes-Wellenlänge.
– die Impulsenergien PW, Gruppenindizes Ng und Konstanten K.
– der Erfassungsanteil S, normiert durch das geometrische Mittel bei den beiden Wellenlängen (alternative Modelle können nur auf die Anti-Stokes-Wellenlänge normieren). Außerdem sollte der Ausdruck im Integral 0 sein, wenn die folgenden beiden Bedingungen erfüllt sind:
– der Verlust bei der Sondenwellenlänge ist in der Auswärtsrichtung gleich dem in der Rückkehrrichtung.
– der Verlust, der an dem zurückgestreuten Anti-Stokes-Signal auf seinem Rückweg zum Ausgabeende der Faser beobachtet wird, ist gleich dem Mittel der Verluste, die bei den Rayleigh-Signalen auf dem Hinweg und dem Rückweg beobachtet werden.

Der Integrand kann außerdem 0 sein, wenn Unterschiede in den Verlusten bei der Sondenwellenlänge durch jene bei der Anti-Stokes-Wellenlänge exakt kompensiert werden, obwohl dies unwahrscheinlich ist.
Bei der obigen Analyse wird angenommen, dass die Verluste, die bei den verschiedenen Signalen beobachtet werden, lediglich Verluste der geradlinigen Ausbreitung sind, die von den Charakteristiken der Faser und nicht vom Lichtleistungspegel abhängen. Bei dem NTSA-Signal, das die ersten beiden Ausdrücke α_Ray0o(u) und α_Ray0b(u) im Integral betrifft, gibt es jedoch ein spezielles mögliches Problem mit der optischen Nichtlinearität. Es ist erwünscht, stets mit einer hohen Impulsleistung zu arbeiten, um die zurückgestreuten Signale maximal zu machen. Wenn jedoch die Lichtleistungsschwelle für den Beginn nichtlinearer optischer Effekte (insbesondere stimulierte Raman-Streuung) überschritten wird, wird der Sondenimpuls mit λ₀ einen künstlich hohen Verlust erleiden, der dem Ausbreitungsverlust entspricht, vergrößert um einen nichtlinearen Verlust, der aus der Umsetzung von Leistung von λ₀ zu der Stokes-Wellenlänge bei λ₊₁ entsteht. Das zurückgestreute Rayleigh-Signal mit λ₀ hat dagegen eine viel geringere Leistung und ist deshalb frei von nichtlinearen Effekten. Bei diesen Umständen ist deshalb α_Ray0o größer als α_Ray0b.
Die vorliegende Erfindung versucht, sich diesem Problem zu widmen, indem eine Möglichkeit geschaffen wird, den durch die Nichtlinearität vergrößerten Verlust in der Auswärtsrichtung zu berücksichtigen. Um das Raman-Signal zu normieren, ist es vor allem erforderlich, alle auftretenden Verluste zu berücksichtigen, die sich aus einer Wellenlängenabhängigkeit und aus einer nichtlinearen Umsetzung ergeben. Das Raman-Signal wird von sich auswärts ausbreitendem Licht mit λ₀ erhalten, das einen nichtlinearen Verlust erfährt, gefolgt von sich rückwärts ausbreitendem Licht mit λ_-1, das keinen nichtlinearen Verlust erleidet, deshalb sollte der Mittelwert von diesen erreicht werden, um sich einen vollständigen Überblick über den Verlust zu verschaffen. Der zuletzt genannte lineare Fall mit λ_-1 wird bereits durch das NTSB-Signal repräsentiert. Das NTSA-Signal liefert jedoch ein Maß des Mittelwerts der linearen und nichtlinearen Verluste bei λ₀, da auf dem auswärtsgerichteten Weg ein nichtlinearer Verlust und auf dem zurückkehrenden Weg ein linearer Verlust auftritt. Somit kann dann, wenn eine Messung von Licht erfolgt, dass lediglich einem linearen Verlust unterzogen wurde, der Beitrag infolge des nichtlinearen Verlustes in der Auswärtsrichtung ermittelt werden.
Dies wird erreicht, indem die NTSA-Messung bei einer niedrigen Lichtleistung wiederholt wird, um nichtlineare Effekte zu vermeiden. Dadurch wird ein viertes Signal aus einer Messung der Rayleigh-Streuung mit λ₀, die bei einer niedrigen Lichtleistung ausgeführt wird, erhalten. Wenn dieses Signal durch den Index NTSC (es ist ein Rayleigh-Signal, deswegen ist es nicht temperaturempfindlich) bezeichnet wird, gilt
In diesem Ausdruck repräsentiert der Verlustterm α_Ray0ol(u) den linearen Verlust in der Auswärtsrichtung. Dieser sollte dem Verlustterm α_Ray0o(u) in dem Ausdruck für P_NTSA gegenübergestellt werden, der in Abhängigkeit vom Leistungspegel linear sein kann.
Da das NTSA-Signal als das geometrische Mittel von nichtlinearen und linearen Signalen betrachtet werden kann und das lineare Signal durch P_NTSC angegeben ist, kann ein synthetisches Signal berechnet werden, das die Verluste genau wiedergibt, die das Sondensignal mit λ₀ erleidet, wenn es das TTS-Signal erzeugt. Unter Verwendung eines Index D wird das synthetische Signal angegeben durch
Die Verwendung von P_NTSD anstelle von P_NTSA im Ausdruck für η berücksichtigt somit den gewünschten Beitrag von dem möglicherweise nichtlinear verzerrten auswärts gerichteten Sondenimpuls, somit gilt
Aus dem obigen Ausdruck kann erkannt werden, dass der Beitrag zum Verlust von α_Ray0o(u), der eine nichtlineare Komponente besitzt, eliminiert wurde. Durch das Ausführen einer vierten Messung kann somit eine nichtlineare Verzerrung des Verhältnisses der Raman- und Rayleigh-Signale, die durch hohe Impulsleistungen bewirkt wird, aus dem endgültigen Ergebnis eliminiert werden. Somit können die erwünschten hohen Impulsleistungen verwendet werden, um ohne eine Verminderung bei der Genauigkeit der Ergebnisse einen verbesserten Signalabstand und einen größeren Messabstand zu erhalten.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
Eine Vorrichtung kann auf mehrere Arten konfiguriert sein, um die vorliegende Erfindung zu realisieren.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels einer Vorrichtung, die geeignet ist, das Verfahren der vorliegenden Erfindung zu realisieren.
Die Vorrichtung 10 umfasst einen Abschnitt der Lichtleitfaser 12, der so beschaffen ist, dass er in einen interessierenden Messbereich eingesetzt werden kann, der einen zugehörigen interessierenden Parameter besitzt, derart, dass er die optischen Ausbreitungscharakteristiken der Faser 12 beeinflusst. Der Abschnitt der Lichtleitfaser 12 ist so beschaffen, dass er sich wenigstens über eine Strecke in dem interessierenden Messbereich erstreckt. Die Faser 12 ist für eine einseitige Operation beschaffen, indem alle zugehörigen Geräteausrüstungen an einem Ende der Faser 12 positioniert sind. Dies ist vorteilhaft, da Messungen in Umgebungen und bei Umständen gemacht werden können, bei denen es nicht möglich oder machbar ist, auf beide Enden der Faser 12 zuzugreifen.
Wie oben in dem theoretischen Abschnitt erläutert wurde, werden Messungen gemacht, indem eine Kombination von vier getrennten Signalen verwendet wird, die aus drei optischen Signalen erhalten werden, die in die Faser 12 ausgegeben werden, wobei jedes optische Signal unterschiedliche Eigenschaften besitzt. Deswegen enthält die Vorrichtung 10 drei einzelne Lichtquellen. Die erste dieser Lichtquellen 14 ist so betreibbar, dass sie Licht mit einer Wellenlänge λ₀ erzeugt. Diese Wellenlänge kann soweit erforderlich gewählt werden, sie kann z. B. eine Wellenlänge sein, bei der die Lichtleitfaser 12 eine geringe Absorption und einen niedrigen Transmissionsverlust besitzt, so dass sich das Licht über eine große Stecke ausbreiten kann, wodurch große Faserabschnitte verwendet werden können. Die erste Lichtquelle 14 sendet außerdem Licht mit einem Leistungspegel aus, der nahe an der Lichtleistungsschwelle für den nichtlinearen Effekt der stimulierten Raman-Streuung der Wellenlänge λ₀ in dem Material ist, aus dem die Faser 12 hergestellt ist, oder über dieser Lichtleistungsschwelle liegt. Dies ist in 1 durch die Angabe "HI" angegeben. Die erste Lichtquelle sendet deswegen ein erstes optisches Signal mit λ₀ aus, das in der Faser 12 zurückgestreutes Licht sowohl mit der Anti-Stokes-Wellenlänge λ_-1 (bestimmt durch λ₀ und das Raman-Spektrum des Fasermaterials), das aus inelastischer Raman-Streuung entsteht, wobei λ_-1 eine kürzere Wellenlänge als λ₀ ist, als auch mit λ₀, das aus elastischer Rayleigh-Streuung entsteht, erzeugt.
Eine zweite Lichtquelle 18 ist so betreibbar, dass sie Licht mit der Anti-Stokes-Wellenlänge λ_-1 der ersten Wellenlänge λ₀ erzeugt. Wenn sich dieses Licht in der Faser 12 ausbreitet, erzeugt es Rayleigh-Streulicht mit λ_-1.
Eine dritte Lichtquelle 16 ist ebenfalls so betreibbar, dass es Licht mit der Wellenlänge λ₀ erzeugt, jedoch mit einem Leistungspegel, der niedriger ist als jener, der durch die erste Lichtquelle 14 erzeugt wird, und der unter der Raman-Schwelle liegt (in 1 durch "10" angegeben). Wenn Licht von der zweiten Lichtquelle in die Faser 12 ausgegeben wird, erzeugt es zurückgestreutes Rayleigh-Licht mit λ₀, das frei von nichtlinearen Verzerrungen ist, die beim Beginn der stimulierten Raman-Streuung entstehen.
Um eine zeitliche Auflösung von Messungen, die mit der Vorrichtung 10 ausgeführt werden, zu erhalten, wird Licht von den drei Lichtquellen 14, 16, 18 erzeugt und in Form von Lichtimpulsen in die Faser 12 ausgegeben. Wenn eine Strahlung mit kontinuierlicher Welle verwendet wird, kann der Zeitpunkt, an dem zurückgestreutes Licht zum Faserende zurückgeführt wird, nicht genau gemessen werden, da gleichzeitig eine Rückstreuung von vielen Punkten in der Faser empfangen wird. Dem wird durch Verwendung eines Lichtimpulses entgegengewirkt. Die Lichtquellen 14, 16, 18 können deswegen z. B. Q-Switch-Laser (gütegeschaltete Laser) sein. Die Zeitinformationen können alternativ erhalten werden, indem Eingaben von frequenzmodulierten kontinuierlichen Wellen verwendet werden, bei denen die Lichtquellen mit einer sinusförmigen Signalform moduliert werden, deren Frequenz z. B. mit einer linearen Chirp-Modulation variiert wird. Wenn die zurückgeführten Lichtsignale einer Fourier-Transformation unterzogen werden, ergibt sich eine Signalform, die der im Zeitbereich enthaltenen Signalform gleichwertig ist. Eine weitere Alternative besteht darin, pseudo-zufällig codierte Impulsfolgen zu verwenden und eine Korrelationsoperation zwischen dem ausgegebenen Code und den gemessenen zurückgestreuten Signalen auszuführen. Jeder dieser Lösungsansätze kann bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Eine Anordnung aus Lichtleistungskombinierern und Leistungsteilern wird verwendet, um die Ausgaben der Lichtquellen 14, 16, 18 in das Ende der Lichtleitfaser 12 auszugeben und um außerdem das zurückgestreute Licht, das von der Faser 12 ausgesendet wird, zu empfangen und zu leiten. Mehrere dieser Vorrichtungen sind in 1 gezeigt und haben in diesem Beispiel die Form von schmelzgeformten Faserkopplern mit vier Anschlüssen. Ein erster Eingangskoppler 20 empfängt die Lichtimpulse von der ersten und dritten Lichtquelle 14, 16 an seinen beiden Eingangsanschlüssen und sendet die Impulse von seinen beiden Ausgangsanschlüssen aus. Einer der Ausgangsanschlüsse ist mit einem Eingangsanschluss eines zweiten Eingangskopplers 22 verbunden. Der andere Eingangsanschluss des zweiten Eingangskopplers 22 empfängt die Impulse, die von der zweiten Lichtquelle 18 erzeugt werden. Somit werden die Ausgänge aller drei Lichtquellen 14, 16, 18 an die Ausgangsanschlüsse des zweiten Eingangskopplers 22 gesendet. Einer dieser Ausgangsanschlüsse ist dann mit einem Eingangsanschluss eines Eingangs/Ausgangskopplers 24 verbunden. Die Lichtleitfaser 12 ist mit einem der Ausgangsanschlüsse des Eingangs/Ausgangskopplers 24 verbunden. Auf diese Weise können Impulse von allen Lichtquellen 14, 16, 18 in die Faser 12 ausgegeben werden.
Das zurückgeführte zurückgestreute Licht wird von dem Ende der Faser 12 ausgesendet und tritt somit in den Eingangs/Ausgangskoppler 24 ein. Es wird durch den Eingangs/Ausgangskoppler zu dem verbleibenden Eingangsanschluss übertragen (in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des ausgegebenen Impulses). Dieser Anschluss ist mit einem Ausgangskoppler 26 verbunden, der so konfiguriert ist, dass er Licht mit λ₀ nur zu einem seiner Ausgangsanschlüsse und Licht mit λ_-1 nur zu seinem anderen Ausgangsanschluss leitet. Es kann erwünscht sein, dass für jede Wellenlänge ein Filter vorhanden ist.
Ein Paar von Lichtdetektoren 28, 30, wie etwa Photodioden, sind an diesen Ausgangsanschlüssen angeordnet und so betreibbar, dass sie Licht mit der jeweiligen Wellenlänge, das vom dementsprechenden Ausgangsanschluss ausgesendet wird, erfassen und ein Ausgangssignal erzeugen, das der Menge des Lichts, das in Bezug auf die Zeit erfasst wurde, entspricht. Dies kann erreicht werden, indem zwei unterschiedliche Typen von Detektoren oder zwei Detektoren des gleichen Typs, falls die spektrale Antwort ausreichend breit ist, so dass sowohl λ₀ als auch λ_-1 enthalten sind, verwendet werden.
Ein erster Detektor 28 ist so betreibbar, dass er λ_-1 erfasst. Er erfasst somit das Raman-Streulicht mit λ_-1, das durch ein erstes leistungsstarkes optisches Signal mit λ₀ erzeugt wird, das durch die erste Lichtquelle 14 ausgesendet wird, und erzeugt hiervon ein erstes Ausgangssignal. Er erfasst ferner Rayleigh-Streulicht mit λ_-1, das von einem zweiten optischen Signal mit λ_-1 stammt, das durch die zweite Lichtquelle 18 ausgesendet wird, und erzeugt hiervon ein drittes Ausgangssignal.
Ein zweiter Detektor 30 ist so betreibbar, dass er λ₀ erfasst. Er erfasst somit Rayleigh-Streulicht mit λ₀, das aus dem ersten optischen Signal erzeugt wird, und erzeugt ein entsprechendes zweites Ausgangssignal. Er erfasst außerdem Rayleigh-Streulicht mit λ₀, das von einem dritten leistungsschwachen optischen Signal mit λ₀ stammt, das durch die dritte Lichtquelle 16 ausgesendet wird, und erzeugt ein entsprechendes viertes Ausgangssignal.
Die vier Ausgangssignale, die durch die Detektoren 28, 30 erzeugt werden, werden zu einem Prozessor 32, der z. B. einen Mikroprozessor mit geeigneter Software enthalten kann, oder zu einer Hardwarekonfiguration, wie etwa eine elektronische Schaltung oder eine Kombination hiervon, geschickt. Der Prozessor ist so betreibbar, dass er die vier Ausgangssignale verarbeitet, um das interessierende Ergebnis zu erhalten, das das Raman-Signal mit λ_-1 ist, das durch die Rayleigh-Signale in geeigneter Weise korrigiert oder normiert wurde, um die Wirkungen von wellenlängenabhängigen und nichtlinearen Verlusten zu entfernen. Deswegen kann der Prozessor 32 vorteilhaft einen oder mehrere Analog/Digital- Umsetzer enthalten, um die gemessenen Ausgangssignale für eine bequemere Datenverarbeitung in eine digitale Form umzusetzen.
Deswegen ist der Prozessor in Übereinstimmung mit der bereits dargestellten Theorie so betreibbar, dass er aus dem zweiten Ausgangssignal und dem vierten Ausgangssignal ein synthetisches Ausgangssignal erzeugt. Das erfolgt, indem das Quadrat des zweiten Ausgangssignals berechnet wird und anschließend das Quadrat auf das vierte Ausgangssignal normiert wird. Somit gilt, synthetisches Signal = (zweites Signal)²/viertes Signal. Dann wird das geometrische Mittel des synthetischen Signals und des dritten Signals berechnet und verwendet, um das erste Signal zu normieren, um ein endgültiges Ausgangssignal zu erhalten, so dass gilt: endgültiges Ausgangssignal = erstes Signal/√(synthetisches Signal × drittes Signal). Das endgültige Ausgangssignal kann dann auf Wunsch verarbeitet und/oder gespeichert werden, damit sich die gewünschte Messung ergibt. Das Signal kann z. B. verarbeitet werden, um die darin enthaltenen Zeitinformationen in eine entsprechende Strecke längs der Faser 12 umzuwandeln.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 10. In diesem Fall werden die erste und die dritte Lichtquelle 14, 16 durch eine einzelne Lichtquelle 34 ersetzt, die so betreibbar ist, dass sie Licht mit λ₀ erzeugt, und ferner eine Leistungssteuerung 36 aufweist, um die von ihr erzeugte Lichtleistung zwischen dem hohem und dem niedrigen Pegel zu ändern, die zuvor durch die erste und die dritte Lichtquelle 14, 16 getrennt erzeugt wurden. Dies kann auf eine beliebige geeignete Weise erfolgen, wie etwa unter Verwendung einer Laserdiode als die einzige Lichtquelle 34 und durch das Bereitstellen von Steuerungseinrichtungen zum Verändern ihrer Stromversorgung oder indem ein Filter mit neutraler Dichte bereitgestellt wird, das in dem Strahlengang angeordnet wird, um das hindurchgeschickte Licht zu dämpfen. Die Verwendung einer einzigen Lichtquelle 34, um das erste und das dritte optische Signal zu erzeugen, verringert die Gesamtzahl von Lichtquellen auf 2. Dadurch kann der erste Eingangskoppler 20 weggelassen werden, da die beiden Lichtquellen mit den beiden Eingangsanschlössen des zweiten Eingangskopplers 22 verbunden werden können, wie in 2 gezeigt ist.
Darüber hinaus können die Leistungssteuereinrichtung 36 und die tatsächlich vorhandene einzige Lichtquelle 34 durch eine oder mehrere Steuerleitungen 38 mit dem Prozessor 32 verbunden werden, so dass der Prozessor 32 den Betrieb der einzigen Lichtquelle 34 steuern kann, um Lichtimpulse zum erforderlichen Zeitpunkt und mit dem erforderlichen Leistungspegel zu erzeugen. Die zweite Lichtquelle 18 kann in ähnlicher Weise ebenfalls durch eine Steuerleitung 40 mit dem Prozessor 32 verbunden werden, damit der Prozessor 32 den Ausgang der zweiten Lichtquelle 18 steuern kann. Auf diese Weise kann der Messprozess vollständig automatisiert werden.
3 zeigt ein drittes Beispiel der Vorrichtung 10. In diesem Beispiel werden die zwei Detektoren 28, 30 durch einen einzigen Detektor 42 ersetzt, der sowohl λ₀ als auch λ_-1 erfassen kann. Deswegen muss der Detektor 42 eine ausreichend große Bandbreite besitzen. Der Ausgang des Detektors 42 wird direkt zum Prozessor 32 gesendet. Der Prozessor 32 kann so betreibbar sein, dass er eine spektrale Filterung ausführt, die erforderlich ist, um die Signale mit λ₀ und λ_-1 voneinander zu trennen. Alternativ können ein oder mehrere entnehmbare oder umschaltbare optische Filter 43 vor dem Detektor 42 angeordnet sein und betätigt werden (d. h. in den oder aus dem Strahlengang bewegt oder auf andere Weise aktiviert werden, um die geeigneten Wellenlängen λ₀ und λ_-1 zu geeigneten Zeitpunkten zu wählen, um nacheinander die verschiedenen Ausgangssignale zu erhalten). Das oder die Filter 41 können über eine Steuerleitung 41 mit der Steuereinheit 32 verbunden sein, so dass sie automatisch betätigt werden. Das Beispiel von 3 ermöglicht, dass der Ausgangskoppler 26 weggelassen wird, da keine Notwendigkeit besteht, eine Teilungsmöglichkeit bereitzustellen, um die zurückgestreuten Ausgänge auf zwei unterschiedliche Detektoren zu verteilen.
In jedem dieser Beispiele können die schmelzgeformten Faserkoppler durch andere Typen und/oder Anordnungen optischer Koppler ersetzt werden, die die gewünschte Kopplungsfunktion ausführen, d. h. die drei optischen Signale an die Lichtleitfaser liefern und den zurückgestreuten Ausgang an den oder die Detektoren liefern.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
Die bisher dargestellten Beispiele und Ausführungsformen verwendeten schmelzgeformte Faserkoppler, um die verschiedenen Lichtsignale zwischen den Lichtquellen, den Erfassungsfasern und den Detektoren zu leiten. Koppler dieser Art sind insbesondere anwendbar bei Systemen, die Einzelmoden-Lichtleitfasern verwenden, für die schmelzgeformte Einzelmoden-Koppler mit den erforderlichen Möglichkeiten der wellenlängenabhängigen Leistungsteilung und Kopplung leicht verfügbar sind. Wenn jedoch eine Mehrmoden-Lichtleitfaser für die Erfassungsfaser verwendet wird, kann ein alternativer Lösungsansatz verwendet werden. Schmelzgeformte kegelförmige Faserkoppler sind für Mehrmodenfasern verfügbar, bei diesen Vorrichtungen fehlt jedoch die erforderliche wellenlängenabhängige Funktionsweise. Deswegen kann ein Mehrmodensystem stattdessen umfangreiche optische Kopplungs- und Teilungsanordnungen enthalten, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines derartigen Systems. Die Vorrichtung 200 umfasst eine erste Lichtquelle 202, die betreibbar ist, um Licht mit einer Wellenlänge λ_-1 zu erzeugen, um das zweite optische Signal zu bilden, und eine zweite Lichtquelle 204, die betreibbar ist, um Licht mit einer Wellenlänge λ₀ zu erzeugen, um das erste und das dritte optische Signal zu bilden. Bei diesem Beispiel wird angenommen, dass die zweite Lichtquelle einen Ausgang mit veränderlicher Leistung hat, um jedes dieser Signale zu erzeugen, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde.
Die verschiedenen Kopplungen und Teilungen der Eingangs- und Ausgangssignale werden durch einen optischen Block 206 ausgeführt, der so beschaffen ist, dass er die optischen Signale von den Lichtquellen 202 und 204 empfängt, die optischen Signale in die Erfassungsfaser 208 koppelt, zurückgestreutes Licht mit λ₀ und λ_-1 empfängt und dieses Licht zu einem von zwei Detektoren 210, 212 leitet, von denen der erste Detektor so konfiguriert ist, dass er Licht mit λ_-1 erfasst, und der zweite Detektor so konfiguriert ist, dass er Licht mit λ₀ erfasst. Wie zuvor erzeugen die Detektoren 210, 212 Ausgangssignale und liefern sie an den (nicht gezeigten) Prozessor.
Der optische Block 206 umfasst vier winkelförmige dichroitische Strahlteiler/Spiegel A, B, C und D. Jeder besitzt eine bestimmte Reflexionsfähigkeit/Transmissionsfähigkeit bei den beiden interessierenden Wellenlängen, so dass durch den optischen Block 206 unterschiedliche Strahlengänge erzeugt werden. Verschiedene (nicht gezeigte) Linsen sind typischerweise an den Grenzflächen zwischen Lichtleitfasern und dem optischen Block 206 erforderlich, um im optischen Block 206 im Wesentlichen gebündeltes Licht zu erhalten. Die Charakteristiken der Reflexionsfähigkeit jedes Strahlteilers sind in Tabelle 1 gezeigt.
Unter Verwendung dieser Anordnung aus hoher und geringer Reflexionsfähigkeit (die Werte können von den in Tabelle 1 gezeigten Werten etwas abweichen) werden Strahlengänge in der folgenden Weise gebildet: der Ausgang von der ersten Lichtquelle 202 mit λ_-1 tritt in den optischen Block ein und trifft auf den Strahlteiler B auf. Er wird hiervon reflektiert und in die Erfassungsfaser 208 geleitet. Der Ausgang von der zweiten Lichtquelle 204 mit λ₀ tritt in den optischen Block 206 ein und verläuft durch den Strahlteiler A und anschließend durch den Strahlteiler B, so dass der Strahlengang mit jenem für Licht mit λ_-1 von der ersten Lichtquelle 202 übereinstimmt, und das Licht mit λ₀ wird ebenfalls in die Faser 208 gekoppelt. Das zurückkehrende zurückgestreute Licht sowohl mit λ₀ als auch λ_-1 verlässt die Faser 208 und tritt in den optischen Block 206 ein, wo es durch den Strahlteiler B verläuft und vom Strahlteiler A zum Strahlteiler C reflektiert wird. Der Strahlteiler C lässt Licht mit λ_-1 von dem optischen Block 206 durch und gibt es auf den λ_-1-Detektor 210 und reflektiert Licht mit λ₀ am Strahlteiler D. Dieser endgültige Strahlteiler D lässt dann Licht mit λ₀ zu dem λ₀-Detektor 212 durch, der in dem Prozess als Filter wirkt, um restliches Licht mit λ_-1 oder andere Wellenlängen wie z. B. das Stokes-Band von λ₀ mit λ₊₁ zu entfernen.
5 zeigt ein alternatives Beispiel eines optischen Blocks 206. Die Vorrichtung 200 umfasst wiederum eine erste und eine zweite Lichtquelle 202, 204, eine Erfassungsfaser 208 und zwei Detektoren 210, 212, die mit dem optischen Block 206 verbunden sind. Der optische Block 206 enthält vier angewinkelte dichroitische Strahlteiler A, C, D und E. Die zweite Lichtquelle 204, die Erfassungsfaser 208, der λ₀-Detektor 212 und die Strahlteiler A, C und D sind wie in 4 angeordnet, wobei die Strahlteiler die gleichen Reflexionsfähigkeiten wie zuvor haben. Das Beispiel von 5 unterscheidet sich hiervon durch die Ersetzung des Strahlteilers B durch einen Strahlteiler E, der unterschiedliche Charakteristiken der Reflexionsfähigkeit aufweist (siehe Tabelle 1) und zwischen dem Strahlteiler C und dem λ_-1-Detektor 210 positioniert ist. Wie bei dem Strahlteiler B von 4 wirkt der Strahlteiler E als ein Eingangsstrahlteiler für Licht von der ersten Lichtquelle 202.
Im Betrieb verlässt Licht mit λ₀ die zweite Lichtquelle 204, verläuft durch den Strahlteiler A und wird direkt in die Faser 208 gekoppelt. Licht mit dieser Wellenlänge, das die Faser 208 verlässt, erreicht seinen Detektor, indem es vom Strahlteiler A zum Strahlteiler C und von dort zum Strahlteiler D reflektiert wird, wo es durchgelassen und gefiltert wird, bevor es den Detektor 212 erreicht. Licht mit λ_-1 wird dagegen durch die erste Lichtquelle 202 erzeugt und folgt einem gefalteten Weg über eine Reflexion vom Strahlteiler E, die Transmission durch den Strahlteiler C und die Reflexion vom Strahlteiler A, damit es mit dem von der zweiten Lichtquelle 204 kommenden Licht mit λ₀ übereinstimmt, um in die Faser 206 gekoppelt zu werden. Zurückgestreutes Licht mit λ_-1 folgt diesem Pfad in der umgekehrten Richtung, mit der Ausnahme, dass es am Strahlteiler E durchgelassen wird, um den λ_-1-Detektor 210 zu erreichen.
Im Vergleich zu dem ersten Beispiel dieser Ausführungsform hat das Beispiel von 5 größere Transmissionsverluste für das Licht mit λ_-1 auf seinem Hinweg von der ersten Lichtquelle 202 zur Faser 206 zur Folge, erreicht jedoch eine größere Filterung von Rayleigh-Zurückstreuung mit λ₀ aus dem zurückkehrenden Signal mit λ_-1.
6 zeigt ein drittes Beispiel einer Kopplungsanordnung mit optischem Block. In diesem Fall sind die beiden Lichtquellen und die Ausgangssignale, die sie erzeugen, getrennt. Die zweite Lichtquelle, die die Wellenlänge λ₀ erzeugt, die Erfassungsfaser 208, der λ₀-Detektor 212 und der λ_-1-Detektor 210 sind wie zuvor um den optischen Block 206 angeordnet, der wiederum die Strahlteiler A, C und D umfasst. Es ist jedoch kein vierter Strahlteiler vorhanden und der optische Block 206 empfängt keinen Eingang mit λ_-1 von der ersten Lichtquelle 202. Dieser Teil der Vorrichtung ist deswegen betreibbar, um das erste und das dritte optische Signal mit λ₀ zu erzeugen und in die Faser 208 zu koppeln und das resultierende Rayleigh-Streulicht mit λ₀ und hoher und niedriger Leistung und Raman-Streulicht mit λ_-1 zu erfassen.
Ein zweiter optischer Block 214 ist in Verbindung mit der ersten Lichtquelle 202 vorgesehen und umfasst einen weiteren Strahlteiler F mit Charakteristiken, die in Tabelle 1 gezeigt sind, und besitzt einen zugehörigen Detektor 216, der so betreibbar ist, dass er Licht mit λ_-1 erfasst. Licht, das durch die erste Lichtquelle 202 erzeugt wird, tritt in den zweiten optischen Block 214 ein und wird durch den Strahlteiler F durchgelassen und zur Lichtleitfaser 206 geleitet. Zurückkehrendes zurückgestreutes Licht mit dieser Wellenlänge tritt in den optischen Block 214 ein und wird vom Strahlteiler F zum zweiten λ_-1-Detektor 216 reflektiert. Deswegen kann dieser Teil der Vorrichtung so betrieben werden, dass er das zweite optische Signal mit λ_-1 erzeugt und das resultierende Rayleigh-Streulicht ebenfalls mit λ_-1 erfasst.
Um das Koppeln der Eingänge von den beiden optischen Blöcken in die Faser 208 und das Leiten des zurückgestreuten Lichts zu den entsprechenden optischen Blöcken zu ermöglichen, ist die Vorrichtung ferner mit einem Lichtleitfaserschalter 218 versehen, der am proximalen Ende der Faser 208 vorgesehen ist. Jeder der optischen Blöcke 206, 214 ist mit einer Eingangs/Ausgangsfaser 220 versehen, die mit dem Schalter verbunden ist, um Licht zwischen dem optischen Block und der Faser 208 zu transportieren. Deswegen kann die Erfassungsfaser 208 bei Bedarf mit dem einen oder dem anderen der optischen Blöcke 206, 214 und ihren entsprechenden Lichtquellen 204, 202 und Detektoren 210, 212, 216 verbunden werden, indem der Schalter 218 in geeigneter Weise positioniert wird. Der Schalter 218 und die Lichtquellen 202, 204 werden sämtlich durch den Prozessor 32 (nicht gezeigt) gesteuert, so dass die Faser 208 korrekt gekoppelt werden kann, um die verschiedenen optischen Signale zu empfangen.

Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass getrennte Detektoren für die beiden λ_-1-Ausgangssignale vorgesehen sind, die dann einzeln für Leistungscharakteristiken, wie etwa Empfindlichkeit, optimiert werden können. Der Schalter kann außerdem in Verbindung mit einer Anordnung eines schmelzgeformten Faserkopplers, ähnlich jenen der 1, 2 und 3, vorgesehen sein.

Dichroitisch	A	B	C	D	E	F
Transmission mit λ₀	80 %	100 %	~0 %	>90 %	~0 %	beliebig
Reflexion mit λ₀	20 %	0 %	>99 %	<1 %	100 %	beliebig
Transmission mit λ_-1	0 %	85 %	>90 %	~0 %	85 %	50 %
Reflexion mit λ_-1	100 %	15 %	<1 %	100 %	15 %	50 %

Tabelle 1

DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
Der Zweck des dritten Ausgangssignals, das das Rayleigh-Signal mit λ_-1 ist, besteht darin, die Verluste, die durch das erste Ausgangssignal entstanden sind, das das Raman-Signal mit λ_-1 ist, zu normieren. Diese beiden Signale stammen jedoch von unterschiedlichen Quellen und zwar das Raman-Streuungsereignis bei dem ersten Ausgangssignal und die zweite Lichtquelle 18 bei dem dritten Ausgangssignal. Das Spektrum der Raman-Streuung ist typischerweise breit, so dass es die spektrale Bandbreite der zweiten Lichtquelle 18 übersteigen kann. In einigen Fällen kann das Raman-Spektrum das Spektrum einer verfügbaren Lichtquelle, das bei der geeigneten Wellenlänge betrieben wird, übersteigen. Die Dämpfung, die durch die beiden Signale beobachtet wird, ist deswegen wahrscheinlich unterschiedlich.
Um die Genauigkeit der Normierung zu verbessern, wird deswegen gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung das Spektrum der zweiten Lichtquelle 18 an das Raman-Spektrum angepasst. Ein Spektralmodifizierer, der auf verschiedene Arten implementiert sein kann, kann vorgesehen sein, um dies zu erreichen.
Ein erstes Beispiel modifiziert die Vorrichtung 10, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, indem ein Schmalbandfilter vorgesehen wird, um das Raman-Licht zu filtern und dadurch die spektrale Bandbreite zu verringern, um diese an die Bandbreite der zweiten Lichtquelle 18 anzupassen.
7 zeigt die Vorrichtung 10, die ein derartiges Filter enthält. Das Filter 44 ist zwischen dem Ausgangskoppler 26 und dem ersten Detektor 28, der Licht mit λ_-1 erfasst, angeordnet. Deswegen bewegt sich das Anti-Stokes-Raman-Licht durch das Filter 44, bevor es erfasst wird. Das Rayleigh-Streulicht mit λ_-1 verläuft ebenfalls durch das Filter 44, bleibt jedoch entweder unbeeinflusst, wenn seine Bandbreite geringer ist als die des Filters 44, oder wird durch das Filter 44 geringfügig beschnitten. In jedem Fall wird das Spektrum des Raman-Lichts mit jenen des Rayleigh-Lichts besser in Übereinstimmung gebracht.
Ein zweites Beispiel verwendet einen entgegengesetzten Lösungsansatz und verbreitert das Spektrum des Ausgangs der zweiten Quelle 18, so dass das sich ergebende Rayleigh-Licht mit λ_-1 ein Spektrum hat, das besser auf das breite Raman-Licht-Spektrum angepasst ist. Eine Möglichkeit, um das zu erreichen, besteht darin, die Mittenwellenlänge λ_-1 des Ausgangs der zweiten Lichtquelle 18 über einen kleinen Bereich Δλ_-1 rasch zu variieren, so dass das zeitlich gemittelte Spektrum des Ausgangs breiter ist als es normalerweise sein würde und somit enger am Raman-Licht liegt. Die Abstimmung kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren ausgeführt werden, wie etwa eine Temperaturabstimmung oder Winkelabstimmung einer im Hohlraum befindlichen spektralselektiven Komponente.
8 zeigt die Vorrichtung 10, die in Übereinstimmung mit diesem Beispiel modifiziert wurde. Eine Spektralverbreiterungsvorrichtung 46, die betreibbar ist, um die Ausgangswellenlänge der zweiten Lichtquelle 18 rasch zu variieren, ist für die zweite Lichtquelle 18 vorgesehen. Die Spektralverbreiterungsvorrichtung 46 kann die Ausgangswellenlänge durch eine beliebige geeignete Technik abstimmen, wie etwa Erhitzen und Kühlen der Quelle 18 oder von Teilen hiervon, um die Temperaturabstimmung zu verwenden, oder Drehen eines aktiven Mediums in der Quelle 18, um eine Winkelabstimmung zu erreichen. Die meisten geeigneten Lösungsansätze sind von dem Wesen der Quelle 18 abhängig. Bei einem Laser, dessen Wellenlänge durch eine Faser mit Bragg-Gitter gesteuert wird, kann dies entweder durch Temperaturabstimmung oder Belastungsabstimmung erreicht werden. Die Spektralverbreiterungsvorrichtung kann unabhängig betätigt werden oder sie kann so konfiguriert sein, dass vom Prozessor 32 gesteuert wird, wie in 8 durch die in Phantomlinien gezeigte Steuerleitung 48 angegeben ist.
Alternativ können die Wellenlängenabstimmung und die Filtertechniken in Kombination verwendet werden, um die Raman- und Rayleigh-Rückstreuungsspektren mit λ_-1 möglichst ähnlich zu machen.
VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die Erfindung kann unter Verwendung einer Einzelmoden- oder einer Mehrmodenfaser implementiert werden. Mehrmodenfasern können besondere Probleme in Bezug auf den Ausbreitungsverlust einführen. Die verschiedenen optischen Signale können sich durch die Faser mit unterschiedlichen Modalstrukturen ausbreiten und der Verlust für diese kann unterschiedlich sein, da Verluste sich zwischen Modengruppen unterscheiden. Mit der Zeit kann sich die Leistungsverteilung unter den verschiedenen Moden, die durch die Faser unterstützt werden, ändern, so dass ein differentieller Verlust zwischen den Signalen verändert wird. Dies kann durch Biegungen, die eingeführt werden, oder Verbindungsstellen, die fehlerhaft ausgerichtet sind, wenn die Faser gestört ist, auftreten. Ein spezielles Problem besteht darin, dass die Dämpfung für eine Ausbreitung in der Vorwärtsrichtung sich von der Dämpfung durch den gleichen Abschnitt der Faser für die Ausbreitung in der umgekehrten Richtung unterscheiden kann.
Um dieses Problem zu bewältigen, wird deswegen vorgeschlagen, ein Modenfilter zu verwenden [4]. Veränderungen in der modalen Leistungsverteilung, die in der Faser auftritt, sind bei Moden höherer Ordnung am ausgeprägtesten, deshalb verringert das Entfernen dieser Moden mit einem Modenfilter differentielle Verluste in den gemessenen Signalen. Die unerwünschten Wirkungen der modalen Leistungsverteilung werden dadurch gemindert. Das Modenfilter kann implementiert werden, indem ein zweiter Faserabschnitt bereitgestellt wird, durch den die zurückgestreuten Signale übertragen werden, und der einen kleineren Kerndurchmesser und eine kleinere numerische Apertur als die Hauptsensorfaser 12 besitzt. Die Moden höherer Ordnung können nicht von der größeren Faser in die kleinere Faser gekoppelt werden und werden deswegen entfernt. Die Sensorfaser kann z. B. einen Kerndurchmesser von 62,5 μm und eine numerische Apertur von 0,27 aufweisen und die Modenfilterfaser kann einen Kerndurchmesser von 50 μm und eine numerische Apertur von 0,2 besitzen.
9 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung 10, die ein Fasermodenfilter dieses Typs enthält. Ein Abschnitt der Lichtleitfaser 50 mit einem geeigneten Kerndurchmesser und Eigenschaften der numerischen Apertur ist so angeordnet, dass er das zurückgestreute Licht empfängt, wenn es den Eingangs/Ausgangskoppler 24 verlässt, und das Licht zum Ausgangskoppler 26 überträgt. Dadurch werden die Moden höherer Ordnung entfernt, bevor das zurückgestreute Licht durch die Detektoren 28, 30 empfangen wird. Andere Anordnungen können implementiert werden, um die gleiche Wirkung zu erreichen. Abschnitte einer "kleinen" Faser können z. B. unmittelbar vor jedem Detektor angeordnet sein oder die relevanten Wege durch den Ausgangskoppler 26 können so konfiguriert sein, dass sie die gleichen optischen Charakteristiken haben wie die "kleine" Faser, so dass die Filterungs- und Kopplungsanforderungen durch eine einzige Komponente bereitgestellt werden können. Alternativ kann ein Abschnitt einer "kleinen" Faser direkt in Reihe mit der Erfassungsfaser 12 zwischen dem Eingangs/Ausgangskoppler 24 und dem proximalen Ende der Faser 12 positioniert sein. In dieser Position werden die Moden höherer Ordnung von dem zurückgestreuten Licht entfernt, wenn es von der Erfassungsfaser 12 ausgesendet wird, wohingegen die ankommenden optischen Signale von den verschiedenen Lichtquellen 14, 16, 18 sich unbeeinflusst durch die Filterfaser und in die Erfassungsfaser 12 bewegen, da die Ausgänge von typischen Laserquellen, die für eine Verwendung als die Lichtquellen 14, 16, 18 geeignet sind, in einer Lichtleitfaser gewöhnlich nur Moden niedrigerer Ordnung belegen. Diese Anordnung kann außerdem in Verbindung mit den Ausführungsformen der 4 bis 6 verwendet werden.
Ein oder mehrere umfangreiche optische Modenfilter können optional anstelle eines Fasermodenfilters verwendet werden. Sie umfassen räumliche Filter (Aperturen), die in dem Strahlengang der zu filternden Ausgangssignale angeordnet sind, beschränken die numerische Apertur des Systems und entfernen dadurch die Moden höherer Ordnung. Umfangreiche optische Filter können in Systemen vorteilhaft implementiert werden, die eine umfangreiche optische Kopplung besitzen, wie unter Bezugnahme auf die 4, 5 und 6 beschrieben wurde, indem die Aperturen in dem optischen Block oder den optischen Blöcken enthalten sind, die die umfangreichen Kopplungsvorrichtungen enthalten. Das Fasermodenfilter kann jedoch allgemein bevorzugt sein, da es im System an der vorhandenen Position geteilt werden kann und dadurch in geeigneter Weise ausgerichtet bleibt.
FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM
Es ist außerdem vorteilhaft, die Tatsache zu berücksichtigen, dass die Raman- und Rayleigh-Streuungsprozesse unterschiedliche Verluste und Streuungsquerschnittseigenschaften selbst für die gleiche Wellenlänge des Lichts haben können. Dies kann einen weiteren differentiellen Verlust zwischen den verschiedenen interessierenden Signalen einführen. Die Beziehung zwischen Raman- und Rayleigh-Streuung besitzt eine gewisse Abhängigkeit von dem optischen Material, in dem die Streuung erfolgt.
Das gebräuchlichste Material, aus dem Lichtleitfasern hergestellt werden, ist Siliciumoxid, das gewöhnlich mit verschiedenen Materialien dotiert ist, um die optischen Eigenschaften wie z. B. den Brechungsindex zu ändern. Der Kern einer Lichtleitfaser hat einen höheren Brechungsindex als die Ummantelung, um Wellenleitereigenschaften zu erhalten, wobei dies gewöhnlich durch selektives Dotieren des Kernbereichs erreicht wird. Germanium ist eine gebräuchliche Dotiersubstanz. Bei dem Problem der Raman- und Rayleigh-Streuung ist zufälligerweise die Relation zwischen den beiden in Siliciumoxid, das mit Germanium dotiert ist, gut ausgeprägt. Es wurde ermittelt, dass der Streuungsverlust ungefähr im gleichen Verhältnis wie der Querschnitt der Raman-Streuung ansteigt. Der Raman-Streuungsquerschnitt für Germanium ist z. B. etwa das Zehnfache von jenem des Silicumoxids im 440 cm^-1-Raman-Band. Durch Hinzufügen von 10 m% Germanium zu dem Siliciumoxid im Kern einer Faser wird somit erwartet, dass sich die Raman-Streuung im Kern verdoppelt. Der Rayleigh-Streuungskoeffizient verläuft außerdem etwa linear mit der Germanium-Dotierkonzentration und verdoppelt sich ebenfalls bei einem 10 m%-Pegel. Dadurch sind die Raman- und Rayleigh-Streuungseigenschaften gut angepasst, so dass eine Germanium-Siliciumoxid-Glasfaser ermöglicht, dass das Raman-Signal auf das Rayleigh-Signal gut abgestimmt ist, so dass der Normierungsprozess exakt ist.
Deswegen ist es zu bevorzugen, dass die vorliegende Erfindung unter Verwendung von mit Germanium dotiertem Siliciumoxid für den Kern der Lichtleitfaser 12 implementiert wird. Vorzugsweise sind keine anderen Dotiersubstanzen vorhanden, da einige eine nachteilige Wirkung auf die Raman-Rayleigh-Beziehung haben. Phosphor vermindert z. B. die Rayleigh-Streuung und hat ein Raman-Spektrum, das sich von dem des Siliciumoxids unterscheidet.
SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die bisher dargestellten Ausführungsformen verwendeten separate Lichtquellen zum Erzeugen der beiden Wellenlängen λ₀ und λ_-1. Dabei wurde angenommen, dass zuverlässige Quellen, die Ausgänge mit einer ausreichenden Leistung aufweisen, vorhanden sind, wobei die Ausgänge in der Wellenlänge in geeigneter Weise beabstandet sind. Dies kann nicht immer leicht erreichbar sein, insbesondere dann, wenn die zusätzlichen Beschränkungen der Transmissionsbandbreite und des Raman-Spektrums der Erfassungsfaser sowie die Empfindlichkeiten von verfügbaren Detektoren berücksichtigt werden.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung widmet sich diesem Problem, indem eine einzige Lichtquelle verwendet wird, um beide Ausgangswellenlängen zu erzeugen. Dies kann erreicht werden, indem eine Lichtquelle ausgewählt wird, um die kürzere Wellenlänge λ_-1 direkt zu erzeugen und die längere Wellenlänge λ₀ durch eine Raman-Verschiebung eines Teils des Lichts mit λ_-1 in einer Lichtleitfaser zu erhalten, die ein Raman-Spektrum aufweist, das mit dem Raman-Spektrum der Erfassungsfaser übereinstimmt, wodurch sich der korrekte Wellenlängenabstand ergibt. Um eine ausreichende Leistung bei der größeren Wellenlänge zu erhalten, sollte ein Leistungspegel mit λ_-1, der die Schwelle für stimulierte Raman-Streuung überschreitet, in die Raman-Faser eingeleitet werden, um sicherzustellen, dass stimulierte Streuung auftritt. Um dies zu erreichen, kann ein Faserverstärker mit einer zugehörigen optischen Pumpquelle vor der Raman-Faser angeordnet werden, um den λ_-1-Eingang zu verstärken.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die zum Ausführen der Raman-Verschiebung geeignet ist. Eine Lichtquelle, wie etwa ein Q-Switch-Laser, die betreibbar ist, um Licht mit λ_-1 zu erzeugen, ist vorgesehen. Der Ausgang hiervon wird in einen schmelzgeformten Faserkoppler 302 gekoppelt, der das Licht auf seine beiden Ausgangsanschlüsse aufteilt. Licht von einem Ausgangsanschluss bildet das optische Signal mit λ_-1 . Licht von dem anderen Ausgangsanschluss kann durch einen Lichtleitfaserverstärker 308, wie etwa ein mit Neodym oder Erbium dotierter Faserverstärker, geleitet werden, um seinen Leistungspegel zu vergrößern. Der Faserverstärker 308 besitzt eine zugeordnete optische Pumpquelle 310, um eine optische Verstärkung in dem Verstärker bei λ_-1 zu schaffen, der typischerweise eine Laserdiode sein kann. Das verstärkte λ_-1-Signal wird dann in einen Abschnitt einer Raman-Verschiebungsfaser 312 geleitet, in der es einer stimulierten Raman-Verschiebung zumindest zu seinem ersten Stokes-Band mit λ₀ unterzogen wird. Eine weitere Verschiebung zu noch größeren Wellenlängen bei Stokes-Bändern höherer Ordnung wird außerdem typischerweise auftreten. Um ein reines Signal mit λ₀ zu schaffen, wird deshalb der Ausgang von der Raman-Verschiebungsfaser (in der Vorwärtsrichtung) durch ein Bandpassfilter geleitet, um restliche Leistung mit λ_-1 und Stokes-Licht höherer Ordnung zu entfernen.
Um die beiden unterschiedlichen Leistungspegel, die bei λ₀ benötigt werden, zu erhalten, sollte die Leistung des Lichts, das durch die Raman-Verschiebungsfaser erzeugt wird, modifizierbar sein. Dies kann z. B. erreicht werden, indem eine Einrichtung mit veränderlicher Dämpfung bereitgestellt wird, um das Licht entweder vor oder nach der Raman-Verschiebungsfaser oder durch Einstellen des Leistungsausgangs an der Pumpquelle 310 zu dämpfen, um die Verstärkung, die durch den optischen Verstärker 308 bereitgestellt wird, zu vergrößern oder zu verringern. Alternativ kann der Ausgang der Lichtquelle, die Licht mit λ_-1 erzeugt, in drei Teile unterteilt werden, so dass zwei getrennte Raman-Verschiebungsfasern verwendet werden können, jeweils eine, um eines der erforderlichen optischen Signale mit λ₀ zu erzeugen.
Es gibt außerdem einen Bereich zum Erhalten optischer Signale mit λ₀ und λ_-1 mit dem erforderlichen Wellenlängenabstand durch nichtlineare optische Frequenzumsetzung (optische parametrische Erzeugung oder additive oder subtraktive Frequenzmischung) des Ausgangs von einer oder mehreren optischen Pumpquellen.
SIEBTE AUSFÜHRUNGSFORM
Lichtleitfasern werden gewöhnlich als Sensoren in der Ölindustrie verwendet, da sie ausreichend robust sind, um den Widrigkeiten der Bohrlochumgebung zu widerstehen. Die vorliegende Erfindung kann zur Erfassung in einer Ölbohrung z. B. als ein Temperatursensor verwendet werden. Temperaturprofile von Ölbohrungen werden gewöhnlich aufgezeichnet, da die erhaltenen Informationen nützliche Einzelheiten über den Betrieb des Bohrlochs ergeben.
Um einen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung auf diese Weise zu verwenden, muss er in eine Ölbohrung eingesetzt werden. Die Faser muss sich typischerweise von der Oberfläche bis in die Tiefe des Bohrlochs erstrecken, wobei sich die zugehörige Gerätschaft und Ausrüstung am Oberflächenende der Faser befinden, da das ferne Ende der Faser abgelegen und nicht zugänglich ist. Deswegen muss auf einseitige Messtechniken, wie etwa jene der vorliegenden Erfindung, vertraut werden. Ferner ermöglicht der verteilte Aspekt der Ausführungsform der Erfindung, dass die vollständige Tiefe eines Bohrlochs mit einer einzigen Faser bei Bedarf überwacht werden kann. Die Faser kann in das Bohrloch eingesetzt und langfristig an der Verwendungsstelle gehalten werden, um eine ununterbrochene Überwachung zu ermöglichen, oder kann bei Bedarf und falls erforderlich für eine kurzfristige Einsetzung beschaffen sein. Eine geeignete Technik zum Installieren der Faser besteht in der Verwendung eines Hochdruckfluids, um sie in ein geschlossenes Hydrauliksystem, das sich von der Oberfläche in dem Bohrloch nach unten erstreckt, zu pumpen [5].
Deswegen umfasst eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung, die zum Implementieren des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gemeinsam mit einem Fasereinsetzmechanismus geeignet ist, der betreibbar ist, um die Faser in ein Bohrloch einer Ölbohrung einzusetzen.
11 zeigt eine vereinfachte schematische vertikale Schnittansicht einer Ölbohrung, die einige grundlegende Merkmale veranschaulicht. Die Ölbohrung oder das Bohrloch 110 umfasst ein äußeres Gehäuse 112, das in den Erdboden 114 abgesenkt wurde und durch eine Kohlenwasserstoff-Lagerstätte 116 verläuft, deren Inhalte unter Verwendung der Bohrung 110 extrahiert werden sollen. In dem Gehäuse 112 ist ein Förderrohr 118 angeordnet, das verwendet wird, um Öl von der Lagerstätte 116 zur Oberfläche nach oben zu transportieren. Das Förderrohr 118 ist an seinem unteren Ende offen und wird in dem Gehäuse 112 durch einen Dichtungsring 122 an der Verwendungsstelle gehalten. Ein Bohrlochkopf 120 ist am oberen Ende des Förderrohrs 118 angeordnet. Ausrüstungen, die zum Extrahieren des Öls verwendet werden, wie etwa Pumpausrüstungen und Steuereinrichtungen für Ventile und dergleichen (nicht gezeigt), sind außerdem vorgesehen. Öl fließt mit Hilfe von Perforationen 124, die sich durch die Seitenwände des Gehäuses 112 und in die Lagerstätte 116 erstrecken, von der Lagerstätte 116 in das Gehäuse 112 und anschließend in dem Förderrohr 118 nach oben.
Wie außerdem in 11 gezeigt ist, ist eine Lichtleitfaserinstallation zum Erhalten von verteilten Messungen gemäß der vorliegenden Erfindung vorhanden. Eine Lichtleitfaser ist in einem schützenden Fasereinsetzrohr 126 angeordnet. Das Einsetzrohr 126 verläuft durch den Bohrlochkopf 120 und über den Abschnitt der äußeren Oberfläche des Förderrohrs 118 nach unten und ist durch mehrere Befestigungseinrichtungen 128 daran befestigt. Das Einsetzrohr 126 kann alternativ an der inneren Oberfläche des Förderrohrs 118 oder an einer Oberfläche des äußeren Gehäuses 112 angeordnet sein. Alternativ kann die Faser dauerhaft installiert sein, indem sie oder ein Gehäuse, das sie enthält, direkt an dem Rohr 118 oder dem Gehäuse 112 befestigt wird, wenn die Ölbohrung gebildet wird.
Eine Steuereinheit 130, die mit dem oberen Ende der Lichtleitfaserinstallation verbunden ist, ist außerhalb der Ölbohrung 110 vorgesehen. Die Steuereinheit 130 enthält Ausrüstungen zum Betreiben des Fasersensors, wie etwa jene, die in den vorhergehenden Figuren gezeigt wurden, einschließlich geeigneter Lichtquellen, Koppler und Detektoren, sowie außerdem einen Einsetzmechanismus, um die Faser in das Einsetzrohr 126 einzuführen und hiervon zu extrahieren, wie etwa das oben erwähnte hydraulische System.
WEITERE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorhergehende Beschreibung basierte auf der Erfassung von Raman-Streulicht in dem Anti-Stokes-Band für die Messung der Temperatur. Die verschiedenen Ausführungsformen können jedoch für die Messung weiterer Parameter einschließlich Druck und Belastung und für die Erfassung von anderem zurückgestreuten Licht angepasst sein. Eine Fluidströmung an der Faser vorbei kann z. B. mit Hilfe von Temperaturmessungen überwacht werden, indem auf die Kühlwirkung des beweglichen Fluids an der Faser vertraut wird. Außerdem kann Brillouin-Streuung anstelle von Raman-Streuung und/oder Rayleigh-Streuung oder gemeinsam hiermit überwacht werden. Brillouin-Streuung ist ein inelastischer Streuungsprozess, der wie Raman-Streuung auf jeder Seite der Mittenwellenlänge des ausgegebenen Impulses einen spektralen Spitzenwert ergibt, der sich mit einigen äußeren Faktoren verändern und deshalb gemessen oder überwacht werden kann. Die Brillouin-Spitzenwerte sind schmäler und näher an der Mittenwellenlänge als Raman-Spitzenwerte.
Die Kopplung des Lichts zwischen den Lichtquellen, der Lichtleitfaser und den Detektoren wurde unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben, die schmelzgeformte Faserkoppler für Einzelmoden-Faserkonfigurationen und umfangreiche optische dichroitische Strahlteiler für Mehrmoden-Faserkonfigurationen verwenden. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern jede geeignete optische Vorrichtung kann verwendet werden, die das gewünschte Ergebnis erreicht, wobei sowohl andere umfangreiche optische Vorrichtungen wie Spiegel oder Gitter als auch Fasereinrichtungen, wie etwa Bragg-Gitter und Lichtzirkulatoren, verwendet werden können.
REFERENZEN

[1] GB 2.140.554
[2] EP 0.213.872
[3] US 5.592.282
[4] AR Michelson und M Eriksrud, "Theory of the backscattering process in multimode optical fibers", Appl. Opt. 21(11), S. 1898-1909; 1982
[5] US RE37.283 E

Claims

Verfahren zum Verwenden einer Lichtleitfaser (12), um eine verteilte Messung eines interessierenden Parameters zu erhalten, wobei das Verfahren umfasst: Einsetzen einer Lichtleitfaser (12) in einen interessierenden Messbereich; Ausgeben eines ersten optischen Signals mit einer ersten Wellenlänge λ₀ und einem ersten Lichtleistungspegel in die Lichtleitfaser (12); Erfassen von zurückgestreutem Licht, das von der Lichtleitfaser (12) mit einer zweite Wellenlänge λ_-1 ausgesendet wird, das aus der inelastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, und Erzeugen eines ersten Ausgangssignals hiervon, wobei das erste Ausgangssignal den interessierenden Parameter angibt; Erfassen von zurückgestreutem Licht, das von der Lichtleitfaser (12) mit der ersten Wellenlänge λ₀ ausgesendet wird, das aus der elastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, und Erzeugen eines zweiten Ausgangssignals hiervon; Ausgeben eines zweiten optischen Signals mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 in die Lichtleitfaser (12); Erfassen von zurückgestreutem Licht, das von der Lichtleitfaser (12) mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 ausgesendet wird, das aus der elastischen Streuung des zweiten optischen Signals entsteht, und Erzeugen eines dritten Ausgangssignals hiervon; und gekennzeichnet durch: Ausgeben eines dritten optischen Signals mit der ersten Wellenlänge λ₀ und einem zweiten Lichtleistungspegel, der niedriger als der erste Lichtleistungspegel ist, in die Lichtleitfaser (12); Erfassen von zurückgestreutem Licht, das von der Lichtleitfaser (12) mit der ersten Wellenlänge λ₀ ausgesendet wird, das aus der elastischen Streuung des dritten optischen Signals entsteht, und Erzeugen eines vierten Ausgangssignals hiervon; Erzeugen eines synthetischen Ausgangssignals aus dem zweiten Ausgangssignal und dem vierten Ausgangssignal; und Erzeugen eines endgültigen Ausgangssignals, das den interessierenden Parameter angibt, durch Normieren des ersten Ausgangssignals auf das geometrische Mittel des synthetischen Ausgangssignals und des dritten Ausgangssignals.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zweite Lichtleistungspegel so gewählt wird, dass er unter einer Schwelle für nichtlineare optische Wechselwirkungen von Licht mit der ersten Wellenlänge λ₀, das sich in der Lichtleitfaser (12) ausbreitet, liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das synthetische Ausgangssignal durch Normieren des Quadrats des zweiten Ausgangssignals auf das vierte Ausgangssignal erzeugt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die inelastische Streuung eine Raman-Streuung ist und die zweite Wellenlänge λ_-1 ein Anti-Stokes-Band der erste Wellenlänge λ₀ ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der interessierende Parameter die Temperatur ist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, das ferner das Anpassen von spektralen Merkmalen des inelastisch zurückgestreuten Lichts mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 an die spektralen Merkmale des zweiten optischen Signals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das inelastisch zurückgestreute Licht mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 spektral gefiltert wird, bevor das erste Ausgangssignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem das zweite optische Signal spektral verbreitert wird, bevor es in die Lichtleitfaser ausgegeben wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren ferner das Schicken des von der Lichtleitfaser (12) ausgesendeten zurückgestreuten Lichts durch einen Modenfilter umfasst, um Moden höherer Ordnung zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Lichtleitfaser (12) einen ersten Kerndurchmesser und eine erste numerische Apertur besitzt und das Modenfilter eine Lichtleitfaser (50) mit einem zweiten Kerndurchmesser, der kleiner als der erste Kerndurchmesser ist, und einer zweiten numerischen Apertur, die kleiner als die erste numerische Apertur ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Modenfilter ein räumliches Filter umfasst, das so beschaffen ist, dass es die Moden höherer Ordnung dämpft.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Lichtleitfaser (12) einen Kernbereich besitzt, der mit Germanium dotiertes Siliciumdioxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Lichtleitfaser (12) einen Kernbereich besitzt, der Siliciumdioxid enthält, das nur mit Germanium dotiert ist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Lichtleitfaser (12) in ein Bohrloch einer Ölbohrung (110) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, das ferner das Erzeugen des ersten optischen Signals und/oder des dritten optischen Signals durch Verwenden eines optischen Signals mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 von einer Lichtquelle (18), die das zweite optische Signal erzeugen kann, und das Schicken des optischen Signals mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 durch eine Ramanverschiebungs-Lichtleitfaser, um Licht mit der ersten Wellenlänge λ₀ durch den Prozess der stimulierten Raman-Streuung mit der Ramanverschiebungs-Lichtleitfaser zu erzeugen, umfasst.
Vorrichtung (10) zum Erhalten einer verteilten Messung eines interessierenden Parameters, die umfasst: eine Lichtleitfaser (12) zum Einsetzen in einen interessierenden Messbereich; und gekennzeichnet durch: eine oder mehrere Lichtquellen (14, 16, 18), die so betreibbar sind, dass sie die folgenden Signale erzeugen und in die Lichtleitfaser (12) ausgeben: ein erstes optisches Signal mit einer ersten Wellenlänge λ₀ und einem ersten Lichtleistungspegel; ein zweites optisches Signal mit einer zweiten Wellenlänge λ_-1; und ein drittes optisches Signal mit der ersten Wellenlänge λ₀ und einem zweiten Lichtleistungspegel, der niedriger als der erste Lichtleistungspegel ist; und einen oder mehrere Detektoren (28, 30), die so betreibbar sind, dass sie: zurückgestreutes Licht erfassen, das von der Lichtleitfaser (12) mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 ausgesendet wird, das aus einer inelastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, und hiervon ein erstes Ausgangssignal erzeugen, wobei das erste Ausgangssignal den interessierenden Parameter angibt; zurückgestreutes Licht erfassen, das von der Lichtleitfaser (12) mit der ersten Wellenlänge λ₀ ausgesendet wird, das aus einer elastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, und hiervon ein zweites Ausgangssignal erzeugen; zurückgestreutes Licht erfassen, das von der Lichtleitfaser (12) mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 ausgesendet wird, das aus einer elastischen Streuung des zweiten optischen Signals entsteht, und hiervon ein drittes Ausgangssignal erzeugen; und zurückgestreutes Licht erfassen, das von der Lichtleitfaser (12) mit der ersten Wellenlänge λ₀ ausgesendet wird, das aus einer elastischen Streuung des dritten optischen Signals entsteht, und hiervon ein viertes Ausgangssignal erzeugen; und einen Signalprozessor (32), der so betreibbar ist, dass er aus dem zweiten Ausgangssignal und dem vierten Ausgangssignal ein synthetisches Ausgangssignal erzeugt und außerdem ein endgültiges Ausgangssignal erzeugt, das den interessierenden Parameter angibt, indem er das erste Ausgangssignal auf das geometrische Mittel des synthetischen Ausgangssignals und des dritten Ausgangssignals normiert.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 16, bei der die eine oder die mehreren Lichtquellen (14, 16, 18) eine einzige Lichtquelle (34) umfassen, die so betreibbar ist, dass sie das erste optische Signal und das dritte optische Signal erzeugt, wobei die einzige Lichtquelle (34) eine Leistungssteuerung (36) umfasst, die so betreibbar ist, dass sie den Lichtleistungspegel eines durch die einzige Lichtquelle (34) erzeugten optischen Signals zwischen dem ersten Lichtleistungspegel und dem zweiten Lichtleistungspegel ändert.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, bei der die eine oder die mehreren Lichtquellen (14, 16, 18) eine Lichtquelle (18) umfassen, die so betreibbar ist, dass sie das zweite optische Signal erzeugt, und eine oder mehrere Ramanverschiebungs-Lichtleitfasern umfassen, die so beschaffen sind, dass sie ein optisches Signal mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 von der Lichtquelle (18), die so betreibbar ist, dass sie das zweite optische Signal erzeugt, empfangen und das erste optische Signal und das dritte optische Signal durch den Prozess einer stimulierten Raman-Streuung in der Ramanverschiebungs-Lichtleitfaser erzeugen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei der der zweite Lichtleistungspegel so gewählt ist, dass er unter einer Schwelle für nichtlineare optische Wechselwirkungen von Licht mit der ersten Wellenlänge λ₀, das sich in der Lichtleitfaser (12) ausbreitet, liegt.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei der der Prozessor (32) so betreibbar ist, dass er das synthetische Ausgangssignal durch Normieren des Quadrats des zweiten Ausgangssignals auf das vierte Ausgangssignal erzeugt.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei der die inelastische Streuung eine Raman-Streuung ist und die zweite Wellenlänge λ_-1 ein Anti-Stokes-Band der ersten Wellenlänge λ₀ ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 21, bei der der interessierende Parameter die Temperatur ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 22, die ferner einen Spektralmodifizierer umfasst, der so betreibbar ist, dass er die spektralen Merkmale des inelastisch zurückgestreuten Lichts mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 an die spektralen Merkmale des zweiten optischen Signals anpasst.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 23, bei der der spektrale Modifizierer ein oder mehrere Spektralfilter umfasst, durch die das inelastisch gestreute Licht mit der zweiten Wellenlänge λ_-1 geschickt wird, bevor das erste Ausgangssignal erzeugt wird.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, bei der der spektrale Modifizierer eine Spektralverbreiterungsanordnung umfasst, die so betreibbar ist, dass sie das zweite optische Signal spektral verbreitet, bevor es in die Lichtleitfaser (12) ausgegeben wird.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 25, wobei die Vorrichtung ferner ein Modenfilter umfasst, das so betreibbar ist, dass es Moden höherer Ordnung aus dem zurückgestreuten Licht, das von der Lichtleitfaser ausgesendet wird, entfernt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 26, bei der die Lichtleitfaser (12) einen ersten Kerndurchmesser und eine erste numerische Apertur besitzt und das Modenfilter eine Lichtleitfaser (50) umfasst, die so beschaffen ist, dass sie das zurückgestreute Licht, das von der Lichtleitfaser (12) ausgesendet wird, empfängt, und eine Lichtleitfaser (50) mit einem zweiten Kerndurchmesser, der kleiner als der erste Kerndurchmesser ist, und einer zweiten numerischen Apertur, die kleiner als die erste numerische Apertur ist, umfasst.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 26, bei der das Modenfilter ein räumliches Filter umfasst, das so beschaffen ist, dass es die Moden höherer Ordnung dämpft.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 28, bei der die Lichtleitfaser (12) einen Kernbereich besitzt, der mit Germanium dotiertes Siliciumdioxid enthält.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 29, bei der die Lichtleitfaser (12) einen Kernbereich besitzt, der Siliciumdioxid enthält, das nur mit Germanium dotiert ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 30, bei der die Lichtleitfaser (12) dazu vorgesehen ist, in ein Bohrloch einer Ölbohrung (110) eingesetzt zu werden.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 31, die ferner einen Fasereinsetzmechanismus umfasst, der so betreibbar ist, dass er die Lichtleitfaser (12) in das Bohrloch (110) einsetzt.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 32, die ferner einen Schalter (218) umfasst, der umschaltbar ist zwischen: einer ersten Konfiguration, in der der Schaltung (218) die Lichtleitfaser (208) mit der einen oder den mehreren Lichtquellen (202, 204) verbindet, so dass das erste optische Signal und das dritte optische Signal in die Lichtleitfaser (208) ausgegeben werden, und mit dem einen oder den mehreren Detektoren verbindet, so dass der eine oder die mehreren Detektoren zurückgestreutes Licht, das aus einer inelastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, zurückgestreutes Licht, das aus einer elastischen Streuung des ersten optischen Signals entsteht, und zurückgestreutes Licht, das aus der elastischen Streuung des dritten optischen Signals entsteht, erfassen; und einer zweiten Konfiguration, in der der Schalter die Lichtleitfaser mit der einen oder den mehreren Lichtquellen (202, 204) verbindet, so dass das zweite optische Signal in die Lichtleitfaser (208) ausgegeben wird, und mit dem einen oder den mehreren Detektoren (210, 216) verbindet, so dass der eine oder die mehreren Detektoren zurückgestreutes Licht, das aus einer elastischen Streuung des zweiten optischen Signals entsteht, erfassen.