EA024802B1 - Распределенный оптоволоконный акустический датчик и способ определения направления и/или расстояния до источника акустической волны при распределенном оптоволоконном акустическом считывании с использованием указанного датчика - Google Patents
Распределенный оптоволоконный акустический датчик и способ определения направления и/или расстояния до источника акустической волны при распределенном оптоволоконном акустическом считывании с использованием указанного датчика Download PDFInfo
- Publication number
- EA024802B1 EA024802B1 EA201290326A EA201290326A EA024802B1 EA 024802 B1 EA024802 B1 EA 024802B1 EA 201290326 A EA201290326 A EA 201290326A EA 201290326 A EA201290326 A EA 201290326A EA 024802 B1 EA024802 B1 EA 024802B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- optical fiber
- segment
- acoustic wave
- acoustic
- source
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
- G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
- G01S3/80—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- G01S3/802—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
- G01S3/808—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using transducers spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems
- G01S3/8083—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using transducers spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems determining direction of source
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
- G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
- G01S5/22—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements
Abstract
Описаны подходы для определения поперечного смещения источника акустического возмущения в распределенном акустическом оптоволоконном датчике. Датчик содержит оптический источник (112) для опрашивания оптического волокна (104) и детектор (116) и процессор (108), выполненные с возможностью регистрации любого обратнорассеянного излучения и определения измерительного сигнала для множества дискретных продольных считывающих участков оптического волокна. Процессор также выполнен с возможностью анализа измерительных сигналов для идентификации сигналов, соответствующих одной и той же акустической волне, приходящей на разные части волокна, и определения, исходя из времени прихода упомянутой акустической волны, направления и/или расстояния источника упомянутой акустической волны относительно оптического волокна. Геометрия волокна может иметь конфигурацию, позволяющую разрешать любую неопределенность местоположения, и раскрыто использование множества волокон (501, 502).
Description
Настоящее изобретение относится к распределенному акустическому оптоволоконному считыванию и к способам и устройству для определения поперечного смещения источника акустической волны, падающей на распределенный акустический датчик.
Известны различные датчики, в которых применяются оптические волокна. В основе устройства многих таких датчиков лежат точечные оптоволоконные датчики или дискретные отражающие места, например волоконные решетки Брэгга и т.п., размещенные вдоль оптического волокна. Возвращенные сигналы из дискретных точечных датчиков или отражающих мест можно анализировать для обеспечения индикации температуры, деформации и/или вибрации вблизи дискретных датчиков или отражающих мест.
Для таких датчиков, в которых используются дискретные отражающие места или точечные оптоволоконные датчики, необходимо оптическое волокно, включающее в себя особым образом изготовленные считывающие участки. Кроме того, распределение датчиков в оптическом волокне является фиксированным.
Известны также полностью распределенные оптоволоконные датчики, в которых используется свойство рассеяния из отрезка непрерывного оптического волокна. Такие датчики позволяют использовать стандартный оптоволоконный кабель без преднамеренно внедренных отражающих мест, например волоконных решеток Брэгга и т.п. Все оптическое волокно, из которого можно регистрировать обратно рассеянный сигнал, можно использовать как часть датчика. Для разделения возвращенных сигналов на несколько временных ячеек обычно используются методы временного разделения, причем возвращенные сигналы в разных временных ячейках соответствуют разным участкам оптического волокна. Такие оптоволоконные датчики именуются распределенными оптоволоконными датчиками, поскольку возможности датчика полностью распределены по всему оптическому волокну. Используемый в этом описании изобретения термин распределенный оптоволоконный датчик означает датчик, в котором оптическое волокно само по себе образует датчик и который не базируется на наличии особых точечных датчиков или преднамеренно внедренных мест отражения или интерференции, т.е. собственно оптоволоконный датчик.
Известны различные типы распределенного оптоволоконного датчика, предложенные для использования в различных областях применения.
В патенте США № 5194847 описан распределенный оптоволоконный акустический датчик для обнаружения проникновения. Используется непрерывное оптическое волокно без каких-либо точечных датчиков или особых отражающих мест. В оптическое волокно запускается когерентный свет, и любой свет, испытывающий рэлеевское обратное рассеяние в оптическом волокне, регистрируется и анализируется. Изменение обратно рассеянного света во временной ячейке свидетельствует о падении акустической волны или волны давления на соответствующий участок оптического волокна. Таким образом, можно регистрировать акустические возмущения на любом участке волокна.
В патентной заявке Великобритании № 2442745 описана система распределенного оптоволоконного акустического датчика, в которой акустические колебания регистрируются путем запуска множества групп импульсно-модулированных электромагнитных волн в стандартное оптическое волокно. Частота одного импульса в группе отличается от частоты другого импульса в группе. Рэлеевское обратное рассеяние света из внутренних отражающих мест в волокне дискретизируется и демодулируется на разности частот между импульсами в группе.
Таким образом, распределенное оптоволоконное считывание или распределенное акустическое считывание (ΌΑδ) обеспечивает полезные и удобные решения считывания, позволяющие отслеживать большие отрезки оптического волокна с хорошим пространственным разрешением. Например, распределенный оптоволоконный акустический датчик, который, например, можно использовать для мониторинга трубопровода, может быть реализован посредством считывающих участков длиной 10 м в оптическом волокне протяженностью 40 км или более.
Каждый считывающий участок может регистрировать любые входящие акустические возмущения, и такой датчик был предложен для использования в системах обнаружения вторжения, системах мониторинга состояния, сейсморазведки и операционного мониторинга, т.е. мониторинга работы какого-либо устройства. Однако распределенный акустический датчик, например описанный в СВ 2442745, в принципе указывает, имеется ли акустическое возмущение в конкретной секции считывающего волокна. Это обеспечивает указание, в каком месте волокна произошло акустическое событие, но не дает информации о точке источника акустического возмущения по отношению к волокну, т.е. отсутствует информация, касающаяся поперечного смещения источника акустического возмущения относительно волокна удаленности и/или направления от волокна.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение распределенных акустических оптоволоконных датчиков, которые обеспечивают информацию о поперечном смещении источника акустической волны относительно считывающего волокна.
Таким образом, согласно первому аспекту настоящего изобретения предусмотрен распределенный акустический датчик, содержащий первое оптическое волокно; источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью запуска электромагнитного излучения в упомянутое первое оптическое
- 1 024802 волокно; детектор для регистрации электромагнитного излучения, обратно рассеянного из упомянутого первого оптического волокна; и процессор, выполненный с возможностью: обработки обратно рассеянного излучения для определения измерительного сигнала для множества дискретных продольных считывающих участков первого оптического волокна; анализа измерительного сигнала из упомянутых продольных считывающих участков для идентификации сигналов, соответствующих одной и той же акустической волне, приходящей на первое множество продольных считывающих участков, и определения, исходя из времени прихода упомянутой акустической волны на продольные считывающие участки упомянутого первого множества, направления и/или расстояния источника упомянутой акустической волны относительно оптического волокна.
Таким образом, способ настоящего изобретения обеспечивает распределенный акустический датчик, например описанный в СВ 2442745. Распределенный акустический датчик запускает оптическое излучение в оптическое волокно и регистрирует излучение, обратно рассеянное из упомянутого волокна, и обрабатывает обратно рассеянное излучение для обеспечения множества продольных считывающих участков. Затем датчик настоящего изобретения анализирует сигналы из считывающих участков для идентификации любых сигналов, соответствующих одной и той же акустической волне, падающей на разных считывающих участках. Если акустическая волна оказывает влияние на более чем один продольный считывающий участок волокна, время прихода волны на разных считывающих участках волокна можно использовать для определения направления и/или расстояния, т.е. поперечного смещения источника акустической волны относительно оптического волокна.
Используемый здесь термин акустическая волна следует понимать в смысле, включающем в себя любую волну давления или сейсмическую волну, и должен включать в себя любое распространяющееся механическое или вибрационное возмущение.
Таким образом, в настоящем изобретении используется методология, основанная на измерении времени прихода для определения направления и/или расстояния до источника акустической волны. Если акустическое событие происходит в конкретном местоположении, т.е. событие, которое порождает акустическую волну, акустическая волна будет распространяться наружу во всех направлениях согласно нормальным механизмам распространения волны давления или акустической волны. Волна может падать на различные продольные считывающие участки волокна и вызывать возмущение волокна, которое можно регистрировать. Поскольку разные части считывающего волокна будут располагаться в разных местоположениях относительно местоположения акустического события, время, необходимое акустической волне для достижения разных участков считывающего волокна, будет разным. Разность времен прихода акустической волны можно использовать для определения расстояния местоположения акустического события, т.е. источника акустической волны, относительно оптического волокна.
В сущности, исходя из того, что скорость распространения акустической волны между источником и каждым из считывающих участков волокна не изменяется, разность времен прихода можно использовать для определения, в пересчете на время, удаленности источника акустической волны относительно оптического волокна. Используя значение скорости распространения акустической волны, время можно перевести в расстояние. Разные времена прихода можно преобразовать в разности дальностей до источника до определения общей дальности до источника, или вычисление можно осуществлять в пересчете на время и затем переводить его в расстояние.
Скорость распространения для акустической волны может быть стандартным оценочным значением или может быть определено ранее путем испытания или калибровки.
Для определения поперечного смещения процессор предпочтительно использует время прихода акустической волны на трех или более разных продольных считывающих участках, которые могут представлять собой, например, три соседних продольных считывающих участка.
Процессор может быть выполнен с возможностью предполагать, что источник акустической волны располагается в конкретной плоскости. Например, если распределенный акустический датчик имеет закопанное волокно, например для мониторинга периметра, можно предположить, что все акустические источники, представляющие интерес, находятся на поверхности грунта. Если волокно не закопано очень глубоко в грунт, можно предположить, что акустический источник находится в плоскости, горизонтальной относительно волокна без значительной ошибки.
Если сигналы, используемые в анализе, поступают из коллинеарных продольных считывающих участков волокна, будет иметь место неопределенность при определении фактического местоположения акустической волны, т.е. расстояние до источника акустической волны может быть известно, но направление может быть неизвестно. Даже в случае, когда предполагается, что источник лежит в одной плоскости, может существовать неопределенность в отношении того, с какой стороны волокна располагается источник акустической волны.
Таким образом, процессор предпочтительно использует время прихода акустической волны на множестве неколлинеарных продольных считывающих участков. Используя три или более неколлинеарных считывающих участка волокна, т.е. которые нельзя аппроксимировать точечными датчиками, лежащими на одной прямой, можно устранить неопределенность местоположения источника акустической волны.
- 2 024802
Таким образом, в одном варианте осуществления оптическое волокно имеет такую геометрию, в которой, по меньшей мере, некоторые продольные считывающие участки волокна смещены относительно соседствующих с ними продольных считывающих участков оптического волокна. Например, каждые десять или около того продольных считывающих участков волокна могут содержать, по меньшей мере, один продольный считывающий участок, который смещен, т.е. не коллинеарен другим.
В одном варианте осуществления оптическое волокно может иметь извилистый путь, благодаря чему каждый продольный считывающий участок смещен относительно по меньшей мере одного из соседствующих с ним продольных считывающих участков.
Следует отметить, что использование геометрии, в которой продольные участки смещены относительно друг друга в поперечном направлении, позволяет определять направление источника для источника акустической волны даже без определения фактического расстояния до источника. Например, представим себе, что волокно изгибается, благодаря чему любые два продольных считывающих участка волокна разделены одним продольным считывающим участком, который смещен относительно двух других в поперечном направлении. В результате этой ситуации волокно можно аппроксимировать первым рядом датчиков, расположенных вдоль первого пути, и вторым, разреженным рядом датчиков вдоль второго пути, который смещен относительно первого пути в поперечном направлении. Если акустическая волна падает с любой стороны, датчики на пути, проходящем на соответствующей стороне, зарегистрируют ее первыми. Таким образом, для определения, с какой стороны располагается акустический источник, можно использовать очень простой алгоритм определения. Если бы источник находился между первым и вторым путями, разница между временами прихода на датчиках первого и второго путей была бы небольшой, что позволило бы распознать эту ситуацию. Таким образом, настоящее изобретение может обеспечивать сравнительно простую конфигурацию для определения, с какой стороны датчика находится источник акустической волны.
Датчик может содержать, по меньшей мере, второе оптическое волокно, проходящее вдоль первого оптического волокна, но отстоящее в первом направлении. Второе оптическое волокно можно опрашивать таким же образом, как первое оптическое волокно. Процессор может быть приспособлен для регистрации измерительных сигналов на продольных считывающих участках первого и второго оптических волокон, которые соответствуют одной и той же акустической волне, и определения направления источника акустической волны на основании времени прихода на первом и втором волокнах.
Процессор может быть дополнительно приспособлен использовать сигналы из продольных считывающих участков обоих, первого и второго, оптических волокон при определении поперечного смещения.
В одном варианте осуществления можно предусмотреть третье оптическое волокно, проходящее вдоль первого и второго оптических волокон, но отстоящее от них во втором направлении, по существу перпендикулярном первому направлению. Процессор может использовать сигналы из всех трех считывающих волокон для определения местоположения акустической волны в трех измерениях.
Хотя отдельные волокна являются удобным способом обеспечения множества продольных считывающих участков, проходящих вдоль друг друга, такой же результат можно получить, укладывая единое волокно кольцами само на себя, возможно, много раз.
Использование множества волокон представляет другой аспект настоящего изобретения. Таким образом, согласно другому аспекту изобретения предусмотрен распределенный акустический датчик, содержащий первый отрезок оптического волокна и второй отрезок оптического волокна, проходящий вдоль первого отрезка оптического волокна, но отстоящий от него в первом направлении; источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью запуска электромагнитного излучения в упомянутый первый отрезок оптического волокна и упомянутый второй отрезок оптического волокна; детекторное устройство для регистрации электромагнитного излучения, обратно рассеянного из упомянутого первого отрезка оптического волокна и упомянутого отрезка оптического волокна; и процессор, выполненный с возможностью: обработки данных, соответствующих зарегистрированному обратно рассеянному излучению, для определения измерительного сигнала для каждого из множества дискретных продольных считывающих участков каждого из первого отрезка оптического волокна и второго отрезка оптического волокна; анализа измерительного сигнала из упомянутых продольных считывающих участков для идентификации сигналов, соответствующих одной и той же акустической волне, приходящей на один или более продольных считывающих участков первого отрезка оптического волокна и один или более продольных считывающих участков второго отрезка оптического волокна; и определения, исходя из времени прихода упомянутой акустической волны на упомянутые продольные считывающие участки, направления и/или расстояния источника упомянутой акустической волны относительно оптического волокна.
Первый и второй отрезки оптического волокна могут содержать отдельные оптические волокна, или они могут содержать разные части одного и того же оптического волокна.
Процессор может просто определять направление акустической волны в первом направлении, т.е. по какую сторону двух отрезков оптического волокна располагается источник акустической волны, на основании того, какой отрезок оптического волокна первым регистрирует волну. Дополнительно или
- 3 024802 альтернативно, процессор может быть выполнен с возможностью использовать время прихода акустической волны на множестве продольных считывающих участков первого и/или второго отрезков оптического волокна для определения расстояния до источника.
В одном варианте осуществления датчик может содержать третий отрезок оптического волокна, проходящий вдоль первого и второго отрезков оптического волокна и смещенный относительно них во втором направлении, причем второе направление перпендикулярно первому направлению. Процессор может использовать возвращенные сигналы от всех трех отрезков оптического волокна для определения местоположения источника акустической волны в трех измерениях.
Расстояние до источника акустического возмущения также можно определять с учетом частотных характеристик зарегистрированных акустических сигналов. Это можно делать помимо или вместо анализа времени прихода акустического возмущения на разных считывающих участках волокна.
Акустические сигналы ослабляются при распространении через материал, и ослабление обычно является частотнозависимым. Для акустических сигналов, распространяющихся через грунт, например к закопанному волокну, высокочастотные составляющие сигнала, в общем случае, испытывают более сильное ослабление, чем низкочастотные составляющие. Таким образом, частотные характеристики принятого сигнала можно использовать для определения дальности до акустического источника. Таким образом, в другом аспекте изобретения предусмотрен распределенный акустический датчик, содержащий оптическое волокно; источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью запуска электромагнитного излучения в упомянутое первое оптическое волокно; детектор для регистрации электромагнитного излучения, обратно рассеянного из упомянутого первого оптического волокна; и процессор, выполненный с возможностью обработки данных, соответствующих зарегистрированному обратно рассеянному излучению, для определения измерительного сигнала для множества дискретных продольных считывающих участков упомянутого оптического волокна, причем упомянутый процессор приспособлен для осуществления частотного анализа на измерительных сигналах для определения местоположения акустического источника.
Указание дальности может быть относительным, т.е. оно может просто указывать, ближе ли или дальше источник одного акустического возмущения, чем источник другого акустического возмущения. Например, если один принятый сигнал имеет значительную высокочастотную составляющую, а другой принятый сигнал не имеет значительной высокочастотной составляющей, то можно предположить, что источник сигнала, принятого с высокочастотной составляющей, ближе, чем источник сигнала, который не имеет высокочастотной составляющей.
Очевидно, что характер акустического события, которое порождает акустическую волну, играет важную роль, поскольку акустическое событие, которое порождает, в основном, низкочастотный акустический сигнал, может вообще не иметь значительных высокочастотных составляющих. Также имеет значение относительная магнитуда начальной акустической волны, более сильное возмущение, происходящее на большем удалении, может обеспечивать более значительную высокочастотную составляющую, чем сравнительно более слабое возмущение, происходящее вблизи датчика. Однако обработка зарегистрированных сигналов от длительного возмущения, т.е. сравнение сигнала, принятого в один момент времени, с сигналом, принятым от того же возмущения в более поздний момент времени, позволяет определить, движется ли источник возмущения, и если да, приближается он или удаляется. Неуклонное увеличение высокочастотной составляющей регистрируемого акустического возмущения может указывать, что источник возмущения приближается к данной секции волокна.
Кроме того, многие акустические источники создают сравнительно широкополосную начальную акустическую волну с высоко- и низкочастотными составляющими, и относительное отношение низко- и высокочастотных составляющих можно анализировать. Таким образом, акустический сигнал, имеющий низкочастотную составляющую большой магнитуды и высокочастотную составляющую малой магнитуды, может представлять сравнительно дальний сигнал, поскольку высокочастотная составляющая сильнее ослабляется по сравнению с низкочастотной составляющей. Однако сигнал с примерно равными магнитудами низко- и высокочастотных составляющих может представлять сравнительно ближний сигнал, поскольку высоко- и низкочастотные составляющие присутствуют без значительного ослабления.
Кроме того, частотную характеристику измерительных сигналов из других частей волокна можно использовать для обеспечения степени калибровки. Например, представим себе, что акустическое возмущение регистрируется на первом считывающем участке волокна в первый момент времени и затем на втором, другом, считывающем участке волокна во второй момент времени. Анализ времени прихода для определения общей дальности или разности дальностей можно проводить вышеописанным образом. Однако, дополнительно или альтернативно, частотные характеристики сигналов, зарегистрированных на двух разных считывающих участках, можно анализировать для определения относительного ослабления высоко- и низкочастотных частей сигнала. Это можно использовать для определения относительных величин ослабления и, следовательно, для указания дальности до акустического источника.
В некоторых вариантах осуществления акустический сигнатурный анализ можно применять к зарегистрированным сигналам для регистрации конкретных акустических событий. Определенные типы активности порождают конкретный тип акустического сигнала с конкретной эволюцией во времени. Ана- 4 024802 лиз сигнала можно использовать для регистрации событий определенного типа, и в этом случае могут быть известны предполагаемые спектральные характеристики исходной акустической волны, т.е. относительное отношение низко- и высокочастотных составляющих. В таких случаях относительное отношение составляющих зарегистрированных сигналов в различных частотных диапазонах можно использовать для обеспечения указания дальности, которое может представлять собой оценку фактической дальности, а не просто относительную меру.
Однако в сравнительно простых реализациях, особенно когда большинство акустических событий, представляющих интерес, относится к одному и тому же общему типу, т.е. аналогичны по магнитуде и спектру, анализ частоты составляющих можно использовать непосредственно для обеспечения оценки дальности. Например, в конкретном, сравнительно высокочастотном диапазоне присутствие значительных составляющих в измерительном сигнале может указывать, что акустический источник находится в пределах определенного расстояния, например 5 м, тогда как отсутствие таких составляющих будет означать, что источник располагается дальше.
Можно также регистрировать составляющую нулевой частоты в измерительных сигналах. Такая составляющая нулевой частоты обычно обусловлена действием сравнительно близкого возмущения, и, таким образом, измерение составляющей нулевой частоты также можно использовать для определения указания дальности согласно вышеприведенному рассмотрению.
В другом варианте осуществления предусмотрен распределенный акустический датчик, содержащий распределенный акустический датчик, содержащий оптическое волокно; источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью запуска электромагнитного излучения в упомянутое оптическое волокно; детекторное устройство для регистрации электромагнитного излучения, обратно рассеянного из упомянутого оптического волокна; и процессор, выполненный с возможностью обработки данных, соответствующих зарегистрированному обратно рассеянному излучению, для определения измерительного сигнала для множества дискретных продольных считывающих участков упомянутого оптического волокна, причем упомянутый процессор приспособлен для осуществления формирование диаграммы направленности на измерительных сигналах для определения местоположения акустического источника.
Специалисту в данной области техники очевидно, что формирование диаграммы направленности это подход, который комбинирует возвращенные сигналы с надлежащими фазовыми сдвигами и весовые коэффициенты для обеспечения направленности.
Таким образом, соответствующие считывающие участки датчика можно использовать как распределенный акустический датчик. Направленность можно регулировать, изменяя фазовые сдвиги и весовые коэффициенты, применяемые к возвращенным сигналам, что позволяет эффективно сканировать датчик в различных направлениях. Таким образом, направление на акустический источник можно найти, определив направление, дающее большой отклик. Расстояние можно также определить, определяя направление на источник с использованием другого набора считывающих элементов и триангуляции.
Настоящее изобретение также относится к способу определения поперечного смещения акустической волны, регистрируемой распределенным акустическим датчиком. Таким образом, в другом аспекте изобретения предусмотрен способ определения поперечного смещения акустического события при распределенном акустическом считывании, содержащий этапы, на которых: берут данные, соответствующие зарегистрированному электромагнитному излучению, которое было рассеяно обратно из оптического волокна; обрабатывают упомянутые данные для обеспечения измерительного сигнала для каждого из множества продольных считывающих участков оптического волокна; анализируют измерительные сигналы из упомянутых продольных считывающих участков для идентификации сигналов, соответствующих одной и той же акустической волне, приходящей на первое множество продольных считывающих участков; и определяют, исходя из времени прихода упомянутой акустической волны на продольные считывающие участки упомянутого первого множества, направление и/или расстояние источника упомянутой акустической волны относительно оптического волокна.
В еще одном аспекте изобретения предусмотрен способ определения поперечного смещения акустического события при распределенном акустическом считывании, содержащий этапы, на которых: берут данные, соответствующие зарегистрированному электромагнитному излучению, которое было рассеяно обратно из первого отрезка оптического волокна, и зарегистрированному электромагнитному излучению, которое было рассеяно обратно из второго отрезка оптического волокна; обрабатывают упомянутые данные для обеспечения измерительного сигнала для каждого из множества продольных считывающих участков каждого из первого отрезка оптического волокна и второго отрезка оптического волокна; анализируют измерительный сигнал из упомянутых продольных считывающих участков для идентификации сигналов, соответствующих одной и той же акустической волне, приходящей на один или более продольных считывающих участков первого отрезка оптического волокна и один или более продольных считывающих участков второго отрезка оптического волокна; и определяют, исходя из времени прихода упомянутой акустической волны на упомянутые продольные считывающие участки, направление и/или расстояние источника упомянутой акустической волны относительно оптического волокна.
- 5 024802
Способы этих аспектов настоящего изобретения обеспечивают все те же преимущества и могут использоваться в тех же самых вариантах осуществления, которые описаны выше в связи с другими аспектами изобретения.
Изобретение охватывает способы, устройство и/или использование, по существу, аналогичные описанным здесь со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Любой признак в одном аспекте изобретения можно применять к другим аспектам изобретения, в любой уместной комбинации. В частности, аспекты способа можно применять к аспектам устройства, и наоборот.
Кроме того, признаки, реализованные аппаратными средствами, можно, в общем случае, реализовать программными средствами, и наоборот. Следует соответственно истолковывать любую приведенную здесь ссылку на программные и аппаратные признаки.
Предпочтительные признаки настоящего изобретения будут описаны ниже, исключительно в порядке примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
фиг. 1 иллюстрирует основные компоненты распределенного оптоволоконного датчика;
фиг. 2 иллюстрирует считывающее волокно и иллюстрирует продольные считывающие участки волокна;
фиг. 3 иллюстрирует принципы анализа времени прихода;
фиг. 4 демонстрирует геометрию волокна, позволяющую разрешать поперечную неопределенность; фиг. 5а и 5Ь демонстрируют виды в разрезе и в плане конфигурации множества параллельных считывающих участков;
фиг. 6 демонстрирует считывающие участки волокна, используемые в качестве матрицы формирования диаграммы направленности;
фиг. 7 иллюстрирует частотную зависимость ослабления акустического сигнала, распространяющегося через грунт.
На фиг. 1 схематически показана конфигурация распределенного оптоволоконного считывания. Один конец отрезка считывающего волокна 104 подключен к опросчику 106. Выходной сигнал опросчика 106 поступает на сигнальный процессор 108, который может быть совмещен с опросчиком или может быть удален от него, и, в необязательном порядке, пользовательский интерфейс/графический дисплей 110, который может быть практически реализован посредством надлежащим образом запрограммированного ПК. Пользовательский интерфейс может быть совмещен с сигнальным процессором или может быть удален от него.
Считывающее волокно 104 может иметь многокилометровую длину, которая в этом примере составляет приблизительно 40 км. Считывающее волокно является стандартным, немодифицированным одномодовым оптическим волокном, которое, например, традиционно используется в системах связи. В традиционных приложениях распределенных оптоволоконных датчиков считывающее волокно, по меньшей мере, частично содержится в среде, подлежащей мониторингу. Например, волокно 104 может быть зарыто в грунт для обеспечения мониторинга периметра или мониторинга подземного имущества, например трубопровода и т.п.
Изобретение будет описано в связи с распределенным акустическим датчиком, хотя специалистам в данной области техники очевидно, что идеи изобретения, в общем случае, применимы к любому типу распределенного оптоволоконного датчика.
В ходе эксплуатации опросчик 106 запускает опрашивающее электромагнитное излучение, которое, например, может содержать последовательность оптических импульсов, имеющих выбранный частотный шаблон, в считывающее волокно. Оптические импульсы могут иметь частотный шаблон, описанный в патенте Великобритании № СВ 2442745, содержание которого, таким образом, включено посредством ссылки. Как описано в СВ 2442745, явление рэлеевского обратного рассеяния приводит к тому, что некоторая часть света, поступающего в волокно, отражается обратно к опросчику, где она регистрируется для обеспечения выходного сигнала, выражающего акустические возмущения вблизи волокна. Таким образом, опросчик удобно содержит по меньшей мере один лазер 112 и по меньшей мере один оптический модулятор 114 для генерации множества оптических импульсов, разделенных известной разностью оптических частот. Опросчик также содержит по меньшей мере один фотодетектор 116, выполненный с возможностью регистрации излучения, испытавшего обратное рассеяние из внутренних мест рассеяния в волокне 104.
Сигнал от фотодетектора обрабатывается сигнальным процессором 108. Сигнальный процессор удобно демодулирует возвращенные сигнал на основании разности частот между оптическими импульсами, например, как описано в СВ 2442745. Сигнальный процессор также может применять алгоритм развертывания фазы, как описано в СВ 2442745.
Форма входного оптического сигнала и способ регистрации позволяют пространственно разбивать единое непрерывное волокно на дискретные продольные считывающие участки. Таким образом, акустический сигнал, считанный на одном считывающем участке, может обеспечиваться, по существу, независимо от считанного сигнала на соседнем участке.
Однако датчик, описанный в СВ 2442745, дает только информацию об акустическом сигнале, ока- 6 024802 зывающем влияние на волокно в каждом местоположении считывания. Этот датчик не дает информации об относительном положении источника акустического возмущения в направлении поперек волокна.
Фиг. 2 иллюстрирует отрезок оптического волокна 104, которое используется в качестве считывающего волокна в распределенном акустическом датчике. Волокно может быть закопано в грунт и может располагаться, например вдоль отрезка трубопровода, и выполнено с возможностью мониторинга вмешательства в работу трубопровода. Событие, порождающее акустические волны, происходит в положении 201. Акустические волны распространяются к волокну 104 и вызывают изменение регистрируемого обратно рассеянного излучения. Датчик обрабатывает возвращенные сигналы от каждого из множества считывающих участков волокна для обеспечения сигнала, указывающего акустическую интенсивность. График 203 демонстрирует иллюстративную гистограмму средней акустической интенсивности каждого канала считывания в секции 202 волокна в течение короткого периода времени. Можно видеть, что акустическое возмущение обуславливает заметный пик акустической интенсивности в каналах, ближайших к источнику акустического события. Это можно использовать для регистрации акустического события и указывает, в каком месте вдоль волокна произошло событие. Однако это не дает информации о поперечном смещении источника события относительно волокна. Акустическое событие, происходящее в положении 204, может обеспечивать точно такую же картину распределения акустической интенсивности. Поперечное смещение может играть важную роль, например, для системы мониторинга трубопровода. Земляные работы в пределах определенного расстояния от трубопровода могут стать причиной беспокойства и приводить к активации сигнала тревоги. Однако земляные работы, производимые сравнительно далеко от трубопровода, не будут вызывать опасений. Во многих других приложениях определение поперечного смещения также будет иметь преимущество.
Таким образом, в одном варианте осуществления настоящего изобретения процессор выполнен с возможностью определения величины поперечного смещения на основании времени прихода акустических сигналов на разных считывающих участках волокна.
На фиг. 3 секция считывающего волокна проиллюстрирована с тремя дискретными считывающими участками 301, 302 и 303. В положении А происходит акустическое событие, порождающее акустическую волну, которая распространяется к считывающему волокну и регистрируется считывающими участками волокна. Очевидно, что, предполагая, что скорость распространения акустической волны одинакова во всех направлениях, волна будет сначала падать на считывающий участок 302, поскольку он расположен ближе всех к источнику. Затем она упадет на считывающий участок 303 и, вскоре после этого, на участок 301.
Очевидно, что, поскольку считывающие участки имеют конечную длину, разные части считывающего участка будут возбуждаться в разные моменты времени. Однако, поскольку каждый участок имеет одну и ту же длину, возвращенные сигналы из каждого считывающего участка можно аппроксимировать одним возвращенным сигналов в центре считывающего участка. Таким образом, процессор выполнен с возможностью обработки возвращенных сигналов от соседних датчиков для регистрации возвращенных сигналов из нескольких соседних считывающих участков, которые выглядят обусловленными одним и тем же акустическим стимулом, например значительное изменение на одном считывающем участке, сопровождаемое, спустя короткое время, значительными изменениями на каждом соседнем считывающем участке. Таким образом, процессор может идентифицировать акустический отклик, обусловленный тем же стимулом, и, таким образом, может определять время прихода на трех или более соответствующих считывающих участках.
Фиг. 3 иллюстрирует время распространения к центру каждого считывающего участка. Время распространения акустической волны от источника А к считывающему участку 302 равно Т. Время распространения к считывающему участку 303 немного больше, Τ+Δί1. Время распространения к считывающему участку 301 равно Τ+Δΐ2. Таким образом, очевидно, что на основании времени прихода приход на считывающем участке 303 произойдет спустя время Δί1 после прихода на считывающем участке 302. Аналогично, приход на считывающем участке 301 произойдет спустя время Λΐ2 после прихода на считывающем участке 302.
Процессор может переводить разные времена прихода в расстояния на основании скорости распространения акустических волн в соответствующей среде, т.е. если волокно закопано в грунт, используется скорость акустических волн в грунте. Можно использовать среднюю оценку. Как упомянуто выше, это опирается на предположение о том, что скорость распространения акустических волн приблизительно одинакова в материале, окружающем волокно. В масштабах длин в несколько десятков метров и для обеспечения общей оценки местоположения акустического источника это разумная гипотеза.
В одном примере, вместо использования среднего значения можно использовать значение, полученное путем испытания или калибровки. Например, после монтажа датчик можно калибровать с использованием пробного акустического источника в известном местоположении. Это позволяет идентифицировать и учитывать сколько-нибудь значительные изменения скорости распространения акустической волны в разных частях волокна.
В любом случае, разные времена прихода можно переводить в разность расстояний, т.е. определе- 7 024802 ние, насколько дальше источник акустической волны располагается от центра считывающего участка 303, чем от центра считывающего участка 302.
В этом случае процессор может быть выполнен с возможностью определения поперечного смещения источника акустического источника. В сущности, очевидно, что зная время прихода в любых двух точках, можно графически представить кривую (в 2Ό) или поверхность (в 3Ό) позиционных положений источника. В простейшем примере, если времена прихода на двух считывающих участках в точности одинаковы, то источник лежит в плоскости (или на линии в двухмерном случае), пересекающей посередине линию, соединяющую центры двух участков. Таким образом, знать время прихода на двух разных считывающих участках недостаточно для определения фактического смещения - однако, на основании времени прихода по меньшей мере на трех считывающих участках можно определить величину поперечного смещения - например, можно построить первую кривую/поверхность возможных положений в зависимости от времени с использованием разных времен прихода на считывающих участках 301 и 302 и можно построить другую кривую/поверхность с использованием разных времен прихода на участках 302 и 303. Точки пересечения двух кривых/поверхностей определяют поперечное смещение, хотя можно использовать другие, более эффективные методы мультилатерации. Можно использовать более трех разных времен прихода, при их наличии, для возможного повышения точности.
Однако в примере, показанном на фиг. 3, хотя можно таким образом определять значение поперечного смещения, т.е. удаленность источника от волокна, конфигурация, показанная на фиг. 3, не позволяет определить, в каком направлении от волокна располагается источник акустического возмущения. В чисто двухмерном случае источник может располагаться по любую сторону волокна. В некоторых приложениях это может не иметь значения. Применительно к трубопроводу, оператору трубопровода может быть не важно, с какой стороны трубопровода располагается акустический источник, имеет значение только удаленность источника. В таком приложении можно предположить, что любой тип возможного вмешательства, скорее всего, осуществляется на поверхности или, по меньшей мере, на глубине залегания трубопровода, следовательно, задачу можно ограничить двумя горизонтальными измерениями для снижения сложности. В ряде случаев физическое окружение может быть таким, что акустический источник так или иначе может находиться только с одной стороны. Однако во многих приложениях желательно определить фактическое направление источника акустических волн по меньшей мере в двух измерениях.
Таким образом, в альтернативном варианте осуществления оптическое волокно имеет геометрию, которая, в общем случае, не является прямоугольной, и имеет такую конфигурацию, что, по меньшей мере, некоторые считывающие участки оптического волокна отстоят друг от друга в направлении поперек волокна. На фиг. 4 показан один пример, когда оптическое волокно имеет извилистый путь, благодаря чему соседние считывающие участки смещены относительно друг друга в направлении поперек волокна. Анализ времени прихода можно применять к соседним считывающим участкам волокна 401, 402 и 403 таким же образом, как описано выше, имея в виду, что центр считывающих участков больше не являются коллинеарными. Поперечное смещение можно определить, по существу, таким же образом, но смещение считывающих участков означает, что в результате отсутствует поперечная неопределенность по меньшей мере в двух измерениях. Опять же, в зависимости от применения можно предположить, что все акустические источники лежат в плоскости, содержащей волокно.
В альтернативном варианте осуществления датчик может содержать множество считывающих участков волокна. На фиг. 5а и 5Ь показаны виды в разрезе и в плане, соответственно, множества закопанных оптических волокон для распределенного акустического датчика, причем на фиг. 5а показано сечение по линии Ι-Ι на фиг. 5Ь. Первое волокно 501 выполнено с возможностью проходить параллельно второму волокну 502, но с горизонтальным разнесением. Два волокна могут удобно быть, по существу, параллельны и могут располагаться так, что считывающие участки каждого волокна имеют одинаковую пространственную длину и, по существу, выровнены. Такая конфигурация может упрощать обработку. Однако два волокна могут иметь разные изменения пути и могут иметь считывающие участки разных размеров, т.е. каждое из них может иметь разное пространственное разрешение, для обеспечения дополнительных функциональных возможностей.
Акустическое событие А будет порождать акустические волны, которые будут падать на волокна 501 и 502 и будут регистрироваться. Согласно фиг. 5а, если источник акустического события располагается по одну сторону двух волокон, это легко определить на основании времени прихода на соответствующих волокнах. В показанном примере считывающие участки волокна 502 будут регистрировать акустические сигналы раньше, чем считывающие участки волокна 501.
Очевидно, понадобится процессор для определения, что сигналы, зарегистрированные волокном 502, являются теми же сигналами, которые зарегистрированы волокном 501. Это, конечно, может усложняться тем фактом, что волокно 501 может применять другой акустический импульс с другой стороны пары волокон. Таким образом, процессор может анализировать акустические сигнатуры из считывающих участков двух волокон для идентификации акустических откликов, которые соответствуют одному и тому же событию.
Время прихода на двух разных волокнах, таким образом, можно использовать для разрешения любой поперечной неопределенности (по горизонтали) и вышеописанный анализ времени прихода можно
- 8 024802 использовать для определения величины поперечного смещения.
Разнесение двух волокон может частично определяться окружением, в котором размещены волокна. Однако если оптические волокна 501 и 502 находятся слишком близко друг к другу, может оказаться невозможно отчетливо идентифицировать время прихода на каждом волокне вследствие шума и/или ошибки измерения. Однако если волокна находятся слишком далеко друг от друга, может оказаться трудно коррелировать акустические сигналы между разными волокнами. Для некоторых приложений может быть желательно разнесение порядка 0,5 м или более, например до нескольких метров.
Таким образом, использование двух горизонтально разнесенных оптических волокон позволяет регистрировать поперечное смещение источника акустических волн и относительное горизонтальное направление, перпендикулярное волокнам. Как упомянуто выше, этого может быть достаточно для многих приложений. Однако в некоторых приложениях может быть желательно определять местоположения исходной акустической волны в трех измерениях. Например, при использовании для сейсморазведки или в скважинных приложениях, волокна могут располагаться вертикально, и может требоваться определять местоположение акустического события в трех измерениях, т.е. расстояние вдоль волокна и также местоположение источника в двух горизонтальных направлениях.
Этого можно добиться добавлением дополнительного волокна, которое не является коллинеарным с двумя другими волокнами. На фиг. 5 показано, что третье волокно 503 может располагаться на удалении от волокна 501 и 502 в направлении, перпендикулярном направлению разнесения волокон 501 и 502. Это позволит определить местоположение акустического события А в третьем измерении.
Альтернативный вариант осуществления использует методы формирования диаграммы направленности для объединения измерительных сигналов из множества разных считывающих участков. Формирование диаграммы направленности, как очевидно специалисту в данной области техники, предусматривает объединение сигналов возвращенных сигналов с разными фазами и весовыми коэффициентами для обеспечения направленности датчика, как показано на фиг. 6. Таким образом, возвращенные сигналы из считывающих участков 601-604 для обеспечения определенной желаемой направленности к датчику. Сравнивая возвращенные сигналы из считывающих волокон при объединении в разных направлениях, можно определить местоположение акустического источника.
Еще один вариант осуществления использует частотный анализ измерительных возвращенных сигналов по меньшей мере из одного считывающего участка волокна, предпочтительно считывающий участок с наибольшей магнитудой измерительного сигнала для конкретного акустического возмущения, для определения указания дальности.
Согласно варианту осуществления изобретения, где считывающее волокно внедрено в среду, при распространении акустической волны от источника к волокну через среду сигнал будет ослабевать, и степень ослабления обычно является частотнозависимой. Таким образом, акустические сигналы, распространяющиеся через грунт, испытывают более сильное ослабление на высоких частотах, чем на низких частотах. Таким образом, измерительные сигналы можно разделить на два или более различных спектральных диапазона и сравнивать относительную энергию каждого диапазона для обеспечения указания дальности до источника.
Фиг. 7 иллюстрирует, как можно использовать анализ только двух частотных диапазонов для обеспечения указания дальности. Фиг. 7 иллюстрирует относительные энергии акустического сигнала в двух частотных диапазонах на трех разных распространениях через грунт, например а) на источнике, Ь) на первом расстоянии к и с) на втором расстоянии 2к.
На источнике (а) энергия двух частотных диапазонов примерно одинакова, хотя в данном случае в низкочастотном диапазоне содержится больше энергии. Точное поведение спектральных характеристик исходной акустической волны, в ряде случаев, может быть известно, например, при попытке регистрации конкретных типов события или если сигнатурный анализ определяет тип события. Однако в других случаях исходное спектральное распределение может быть в точности не известно, но резонно предположить, что существует, по меньшей мере, распределение энергии на акустических частотах.
После распространения (Ь) на расстояние к происходит ослабление акустического сигнала в обоих частотных диапазонах, но в высокочастотном диапазоне ослабление значительно сильнее. После дальнейшего распространения (с), когда сигнал проходит расстояние 2к, сигнал в высокочастотном диапазоне может полностью затухнуть. Однако остается некоторый низкочастотный сигнал, который можно регистрировать.
Таким образом, анализ частотных характеристик можно использовать для обеспечения указания дальности. Это указание может быть относительным, т.е. при сравнении сигналов от возмущения, которые генерируются в течение времени, если сигнал первоначально имеет частотное распределение, напоминающее график (с), которое эволюционирует к виду, напоминающему график (Ь), это может свидетельствовать о приближении источника.
Однако указание также может быть количественным. Например, если зарегистрированный сигнал имеет частотный профиль, совпадающий с графиком (Ь), тот факт, что в соответствующем высокочастотном диапазоне осталась некоторая энергия, может указывать верхний предел расстояния от акустического источника до считывающего волокна. Для типичных акустических источников, т.е. не для событий
- 9 024802 большой магнитуды, например землетрясений, может существовать предельное расстояние, при превышении которого наличие высокочастотных составляющих не предполагается. Таким образом, регистрация высокочастотной составляющей будет означать, что акустический источник располагается ближе этой предельной дальности.
Фактическое значение предельной дальности будет зависеть от материала, в который внедрено волокно, а также от частоты, представляющей интерес, но специалисту не составит труда определить ряд пороговых значений для конкретных частот в конкретной среде.
Можно также регистрировать составляющую нулевой частоты в измерительных сигналах. Такая составляющая нулевой частоты обычно обусловлена действием сравнительно близкого возмущения, и, таким образом, измерение составляющей нулевой частоты также можно использовать для определения указания дальности согласно вышеприведенному рассмотрению.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления призваны иллюстрировать, но не ограничивать изобретение, и что специалисты в данной области техники могут предложить много альтернативных вариантов осуществления, не выходя за рамки объема нижеследующей формулы изобретения. Слово содержащий не исключает наличия элементов или этапов, отличных от перечисленных в пункте формулы изобретения, употребление единственного числа не исключает наличия множества, и один процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких устройств, упомянутых в формуле изобретения. Никакие ссылочные позиции в формуле изобретения не следует рассматривать в порядке ограничения ее объема.
Следует также отметить, что каждый признак, раскрытый в этом описании изобретения и (когда уместно) в формуле изобретения и чертежах, может быть обеспечен сам по себе или в любой уместной комбинации.
Claims (11)
1. Распределенный оптоволоконный акустический датчик, содержащий первый отрезок оптического волокна, источник электромагнитного излучения (112, 114), детекторное устройство (116) и процессор (108);
отличающийся тем, что второй отрезок оптического волокна проходит вдоль первого отрезка оптического волокна, но отстоит от него в первом направлении, которое является поперечным по отношению к первому отрезку оптического волокна;
при этом источник электромагнитного излучения (112, 114) выполнен с возможностью запуска электромагнитного излучения в упомянутый первый отрезок оптического волокна и упомянутый второй отрезок оптического волокна;
детекторное устройство (116) предназначено для обнаружения электромагнитного излучения, обратно рассеянного из упомянутого первого отрезка оптического волокна и упомянутого второго отрезка оптического волокна;
процессор (108) выполнен с возможностью обработки данных, соответствующих обнаруженному обратно рассеянному излучению, для определения измерительного сигнала для каждого из множества дискретных продольных считывающих участков каждого из первого отрезка оптического волокна и второго отрезка оптического волокна;
анализа измерительного сигнала из упомянутых продольных считывающих участков для идентификации сигналов, соответствующих одной и той же акустической волне, приходящей на один или более продольных считывающих участков первого отрезка оптического волокна и один или более продольных считывающих участков второго отрезка оптического волокна;
определения, исходя из времени прихода упомянутой акустической волны на упомянутые продольные считывающие участки, направления и/или расстояния источника упомянутой акустической волны относительно оптического волокна;
при этом направление акустической волны определяется на основании того, какой отрезок оптического волокна первым регистрирует волну.
2. Распределенный оптоволоконный акустический датчик по п.1, в котором процессор выполнен с возможностью использовать время прихода акустической волны на множество продольных считывающих участков первого и/или второго отрезков оптического волокна для определения расстояния до источника акустической волны.
3. Распределенный оптоволоконный акустический датчик по любому из пп.1, 2, содержащий третий отрезок оптического волокна (503), проходящий вдоль первого и второго отрезков оптического волокна и смещенный относительно них во втором направлении, причем второе направление перпендикулярно первому направлению.
4. Распределенный оптоволоконный акустический датчик по п.3, в котором процессор выполнен с возможностью использовать возвращенные сигналы от всех трех отрезков оптического волокна для определения местоположения источника акустической волны в трех измерениях.
5. Распределенный оптоволоконный акустический датчик по п.2, в котором процессор использует
6. Распределенный оптоволоконный акустический датчик по п.5, в котором значение, представляющее собой скорость распространения акустической волны, представляет собой значение, определенное ранее путем испытания или калибровки и сохраненное процессором.
7. Распределенный оптоволоконный акустический датчик по любому из пп.1-6, в котором процессор дополнительно выполнен с возможностью осуществления частотного анализа на измерительных сигналах для определения расстояния до источника упомянутой акустической волны.
8. Способ определения направления и/или расстояния до источника акустической волны при распределенном оптоволоконном акустическом считывании с использованием датчика по п.1, содержащий этапы, на которых берут данные, соответствующие обнаруженному электромагнитному излучению, которое было рассеяно обратно из первого отрезка оптического волокна, и обнаруженному электромагнитному излучению, которое было рассеяно обратно из второго отрезка оптического волокна, проходящего вдоль первого отрезка оптического волокна, но отстоящего от него в первом направлении, которое является поперечным по отношению к первому отрезку оптического волокна; обрабатывают упомянутые данные для обеспечения измерительного сигнала для каждого из множества продольных считывающих участков каждого из первого отрезка оптического волокна и второго отрезка оптического волокна; анализируют измерительный сигнал из упомянутых продольных считывающих участков для идентификации сигналов, соответствующих одной и той же акустической волне, приходящей на один или более продольных считывающих участков первого отрезка оптического волокна и один или более продольных считывающих участков второго отрезка оптического волокна, и определяют, исходя из времени прихода упомянутой акустической волны на упомянутые продольные считывающие участки, направление и/или расстояние источника упомянутой акустической волны относительно оптического волокна, при этом направление акустической волны определяется на основании того, какой отрезок оптического волокна первым регистрирует волну.
9. Распределенный оптоволоконный акустический датчик, содержащий отрезок первого оптического волокна (501), источник электромагнитного излучения (112, 114), детекторное устройство (116) и процессор (108);
отличающийся тем, что содержит отрезок второго оптического волокна (502), проходящий вдоль отрезка первого оптического волокна, но отстоящий от него в направлении, которое является поперечным по отношению к отрезку первого оптического волокна;
при этом источник электромагнитного излучения (112, 114) выполнен с возможностью запуска электромагнитного излучения в упомянутый отрезок первого оптического волокна и упомянутый отрезок второго оптического волокна;
детекторное устройство (116) предназначено для обнаружения электромагнитного излучения, обратно рассеянного из упомянутого отрезка первого оптического волокна и упомянутого отрезка второго оптического волокна;
процессор (108) выполнен с возможностью обработки данных, соответствующих обнаруженному обратно рассеянному излучению, для определения измерительного сигнала для каждого из множества дискретных продольных считывающих участков каждого из отрезка первого оптического волокна и отрезка второго оптического волокна;
анализа измерительного сигнала из упомянутых продольных считывающих участков для идентификации сигналов, соответствующих одной и той же акустической волне, приходящей на один или более продольных считывающих участков отрезка первого оптического волокна и один или более продольных считывающих участков отрезка второго оптического волокна;
определения, исходя из времени прихода упомянутой акустической волны на упомянутые продольные считывающие участки, направления и/или расстояния источника упомянутой акустической волны относительно первого и второго оптических волокон, при этом направление акустической волны определяется на основании того, какой отрезок оптического волокна первым регистрирует волну.
10. Способ определения направления и/или расстояния до источника акустической волны при распределенном оптоволоконном акустическом считывании с использованием датчика по п.9, содержащий этапы, на которых берут данные, соответствующие обнаруженному электромагнитному излучению, которое было рассеяно обратно из отрезка первого оптического волокна (501), и обнаруженному электромагнитному излучению, которое было рассеяно обратно из отрезка второго оптического волокна (502), проходящего вдоль отрезка первого оптического волокна, но отстоящего от него в направлении, которое является поперечным по отношению к отрезку первого оптического волокна; обрабатывают упомянутые данные для обеспечения измерительного сигнала для каждого из множества продольных считывающих участков каждого из отрезка первого оптического волокна и отрезка второго оптического волокна; анализируют измерительный сигнал из упомянутых продольных считывающих участков для идентификации сигналов, соответствующих одной и той же акустической волне, приходящей на один или более продольных считывающих участков отрезка первого оптического волокна и один или более продольных считывающих участков отрезка второго оптического волокна, и определяют, исходя из времени прихода
- 10 024802 время прихода и значение, представляющее собой скорость распространения акустической волны, для определения поперечного смещения.
- 11 024802 упомянутой акустической волны на упомянутые продольные считывающие участки, направление и/или расстояние источника упомянутой акустической волны относительно первого и второго оптических волокон, при этом направление акустической волны определяют на основании того, какой отрезок оптического волокна первым регистрирует волну.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GBGB0919904.3A GB0919904D0 (en) | 2009-11-13 | 2009-11-13 | Determining lateral offset in distributed fibre optic acoustic sensing |
| PCT/GB2010/002073 WO2011058313A2 (en) | 2009-11-13 | 2010-11-11 | Improvements in distributed sensing |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201290326A1 EA201290326A1 (ru) | 2012-12-28 |
| EA024802B1 true EA024802B1 (ru) | 2016-10-31 |
Family
ID=41509336
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201290326A EA024802B1 (ru) | 2009-11-13 | 2010-11-11 | Распределенный оптоволоконный акустический датчик и способ определения направления и/или расстояния до источника акустической волны при распределенном оптоволоконном акустическом считывании с использованием указанного датчика |
Country Status (10)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9631972B2 (ru) |
| EP (1) | EP2499471B1 (ru) |
| CN (1) | CN102483347B (ru) |
| AU (1) | AU2010317791B2 (ru) |
| BR (1) | BR112012011229B1 (ru) |
| CA (1) | CA2780623C (ru) |
| EA (1) | EA024802B1 (ru) |
| GB (1) | GB0919904D0 (ru) |
| MY (1) | MY159400A (ru) |
| WO (1) | WO2011058313A2 (ru) |
Families Citing this family (57)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110290477A1 (en) | 2008-12-31 | 2011-12-01 | Jaeaeskelaeinen Kari-Mikko | Method for monitoring deformation of well equipment |
| WO2010091404A1 (en) | 2009-02-09 | 2010-08-12 | Shell Oil Company | Method of detecting fluid in-flows downhole |
| AU2009339275B2 (en) | 2009-02-09 | 2013-06-27 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Areal monitoring using distributed acoustic sensing |
| CN104314552B (zh) | 2009-05-27 | 2017-09-26 | 光学感应器控股有限公司 | 压裂监测 |
| GB0919906D0 (en) * | 2009-11-13 | 2009-12-30 | Qinetiq Ltd | Improvements to distributed fibre optic sensing |
| WO2011079107A2 (en) | 2009-12-23 | 2011-06-30 | Shell Oil Company | Detecting broadside and directional acoustic signals with a fiber optical distributed acoustic sensing (das) assembly |
| US9109944B2 (en) | 2009-12-23 | 2015-08-18 | Shell Oil Company | Method and system for enhancing the spatial resolution of a fiber optical distributed acoustic sensing assembly |
| US9140815B2 (en) | 2010-06-25 | 2015-09-22 | Shell Oil Company | Signal stacking in fiber optic distributed acoustic sensing |
| CA2821583C (en) | 2010-12-21 | 2019-09-24 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | System and method for making distributed measurements using fiber optic cable |
| EP2656112A2 (en) * | 2010-12-21 | 2013-10-30 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Detecting the direction of acoustic signals with a fiber optical distributed acoustic sensing (das) assembly |
| AU2012225422B2 (en) | 2011-03-09 | 2015-07-02 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Integrated fiber optic monitoring system for a wellsite and method of using same |
| US20120262299A1 (en) * | 2011-04-14 | 2012-10-18 | Chia-Chun Hung | Earthquake-triggered emergency indicator |
| AU2012257724B2 (en) | 2011-05-18 | 2015-06-18 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Method and system for protecting a conduit in an annular space around a well casing |
| GB201109372D0 (en) * | 2011-06-06 | 2011-07-20 | Silixa Ltd | Method for locating an acoustic source |
| AU2012271016B2 (en) | 2011-06-13 | 2014-12-04 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Hydraulic fracture monitoring using active seismic sources with receivers in the treatment well |
| US9091589B2 (en) | 2011-06-20 | 2015-07-28 | Shell Oil Company | Fiber optic cable with increased directional sensitivity |
| GB201112161D0 (en) * | 2011-07-15 | 2011-08-31 | Qinetiq Ltd | Portal monitoring |
| CA2844334C (en) | 2011-08-09 | 2019-10-22 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Method and apparatus for measuring seismic parameters of a seismic vibrator |
| GB2493959B (en) * | 2011-08-25 | 2015-10-14 | Optasense Holdings Ltd | A fibre optic distributed sensor |
| BR112014014565B1 (pt) | 2011-12-15 | 2022-06-28 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Sistema de detecção acústica de fibra óptica distribuída |
| GB201122331D0 (en) * | 2011-12-23 | 2012-02-01 | Qinetiq Ltd | Location and monitoring of undersea cables |
| GB201122229D0 (en) * | 2011-12-23 | 2012-02-01 | Qinetiq Ltd | Seismic monitoring |
| GB201201727D0 (en) * | 2012-02-01 | 2012-03-14 | Qinetiq Ltd | Indicating locations |
| GB2519009B (en) | 2012-08-01 | 2017-09-13 | Shell Int Research | Cable comprising twisted sinusoid for use in distributed sensing |
| US9581489B2 (en) * | 2013-01-26 | 2017-02-28 | Halliburton Energy Services, Inc. | Distributed acoustic sensing with multimode fiber |
| FR3013449B1 (fr) | 2013-11-18 | 2015-11-13 | Thales Sa | Capteur a fibre optique grande sensibilite |
| CA2938526C (en) | 2014-03-24 | 2019-11-12 | Halliburton Energy Services, Inc. | Well tools with vibratory telemetry to optical line therein |
| US10843290B2 (en) * | 2015-01-19 | 2020-11-24 | Weatherford Technology Holdings, Llc | Acoustically enhanced optical cables |
| CN107810431B (zh) * | 2015-06-26 | 2019-06-11 | 国际壳牌研究有限公司 | 校准地震检波器阵列的深度的方法 |
| EP3670830B1 (en) | 2016-04-07 | 2021-08-11 | BP Exploration Operating Company Limited | Detecting downhole events using acoustic frequency domain features |
| US11530606B2 (en) | 2016-04-07 | 2022-12-20 | Bp Exploration Operating Company Limited | Detecting downhole sand ingress locations |
| GB201610996D0 (en) * | 2016-06-23 | 2016-08-10 | Optasense Holdings Ltd | Fibre optic sensing |
| WO2018045433A1 (en) | 2016-09-08 | 2018-03-15 | Mark Andrew Englund | Method and system for distributed acoustic sensing |
| GB2569495B (en) | 2016-10-06 | 2021-11-10 | Shell Int Research | Method of borehole time-lapse monitoring using seismic waves |
| WO2018085893A1 (en) | 2016-11-10 | 2018-05-17 | Mark Andrew Englund | Acoustic method and system for providing digital data |
| US20180149537A1 (en) * | 2016-11-30 | 2018-05-31 | Fiber Optic Sensor Systems Technology Corporation | Dual acoustic pressure and hydrophone sensor array system |
| LU100017B1 (en) * | 2017-01-09 | 2018-08-14 | Ws Tech Gmbh | A method and system for determining event-parameters of an object |
| GB201703051D0 (en) * | 2017-02-24 | 2017-04-12 | Optasense Holdings Ltd | Monitoring subsea cables |
| EP3583296B1 (en) | 2017-03-31 | 2021-07-21 | BP Exploration Operating Company Limited | Well and overburden monitoring using distributed acoustic sensors |
| SG11202000451WA (en) | 2017-07-18 | 2020-02-27 | Mark Andrew Englund | Method and system for distributed acoustic sensing in a marine environment |
| AU2018321150A1 (en) | 2017-08-23 | 2020-03-12 | Bp Exploration Operating Company Limited | Detecting downhole sand ingress locations |
| EP3695099A2 (en) | 2017-10-11 | 2020-08-19 | BP Exploration Operating Company Limited | Detecting events using acoustic frequency domain features |
| EP3477266B1 (en) * | 2017-10-26 | 2022-03-30 | AiQ Dienstleistungen UG (haftungsbeschränkt) | Distributed acoustic sensing device using different coherent interrogating light patterns, and corresponding sensing method |
| CN108387889B (zh) * | 2018-04-04 | 2024-01-16 | 广东电网有限责任公司 | 一种地面确定电力电缆纵向距离的装置 |
| WO2019209270A1 (en) * | 2018-04-24 | 2019-10-31 | Halliburton Energy Services, Inc. | Depth and distance profiling with fiber optic cables and fluid hammer |
| WO2020076436A1 (en) * | 2018-10-09 | 2020-04-16 | Exxonmobil Upstream Research Company | Methods of acoustically and optically distributed probing an elongate region and hydrocarbon conveyance systems that utilize the methods |
| US20210389486A1 (en) | 2018-11-29 | 2021-12-16 | Bp Exploration Operating Company Limited | DAS Data Processing to Identify Fluid Inflow Locations and Fluid Type |
| GB201820331D0 (en) | 2018-12-13 | 2019-01-30 | Bp Exploration Operating Co Ltd | Distributed acoustic sensing autocalibration |
| EP3948103A4 (en) | 2019-04-04 | 2023-01-04 | Vast Solar Pty Ltd | ASSEMBLY AND METHOD FOR ATTACHING A HELIOSTAT TO A BASE |
| WO2020255358A1 (ja) * | 2019-06-20 | 2020-12-24 | 日本電気株式会社 | 光ファイバセンシングシステム及び音源位置特定方法 |
| CA3154435C (en) | 2019-10-17 | 2023-03-28 | Lytt Limited | Inflow detection using dts features |
| EP4045766A1 (en) | 2019-10-17 | 2022-08-24 | Lytt Limited | Fluid inflow characterization using hybrid das/dts measurements |
| WO2021093974A1 (en) | 2019-11-15 | 2021-05-20 | Lytt Limited | Systems and methods for draw down improvements across wellbores |
| CA3180595A1 (en) | 2020-06-11 | 2021-12-16 | Lytt Limited | Systems and methods for subterranean fluid flow characterization |
| EP4168647A1 (en) * | 2020-06-18 | 2023-04-26 | Lytt Limited | Event model training using in situ data |
| CN112067113B (zh) * | 2020-09-08 | 2022-03-25 | 武汉理工光科股份有限公司 | 一种瑞利波在土壤中传播速度的确定方法及装置 |
| EP4016036A1 (en) * | 2020-12-17 | 2022-06-22 | AP Sensing GmbH | Optic distributed sensing in a blind region |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4654520A (en) * | 1981-08-24 | 1987-03-31 | Griffiths Richard W | Structural monitoring system using fiber optics |
| US6601671B1 (en) * | 2000-07-10 | 2003-08-05 | Weatherford/Lamb, Inc. | Method and apparatus for seismically surveying an earth formation in relation to a borehole |
| US20040246816A1 (en) * | 2003-05-19 | 2004-12-09 | Ogle Peter C. | Well integrity monitoring system |
| US20060126435A1 (en) * | 2004-12-15 | 2006-06-15 | Tam Hwa-Yaw | Ultrasound sensor and ultrasound measurement device |
| WO2008081157A1 (en) * | 2006-12-29 | 2008-07-10 | Schlumberger Holdings Limited | Fault-tolerant distributed fiber optic intrusion detection |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5194847A (en) | 1991-07-29 | 1993-03-16 | Texas A & M University System | Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing |
| WO2004044615A2 (en) * | 2002-11-09 | 2004-05-27 | Geoenergy, Inc. | Method and apparatus for seismic feature extraction |
| US7271884B2 (en) * | 2004-08-06 | 2007-09-18 | The United States Of America Represented By The Secretary Of The Navy | Natural fiber span reflectometer providing a virtual phase signal sensing array capability |
| GB0521713D0 (en) * | 2005-10-25 | 2005-11-30 | Qinetiq Ltd | Traffic sensing and monitoring apparatus |
| GB2442745B (en) | 2006-10-13 | 2011-04-06 | At & T Corp | Method and apparatus for acoustic sensing using multiple optical pulses |
| US20100200743A1 (en) | 2009-02-09 | 2010-08-12 | Larry Dale Forster | Well collision avoidance using distributed acoustic sensing |
| CN101539631B (zh) | 2009-04-30 | 2011-11-30 | 华中科技大学 | 一种地震监测装置 |
| US9140815B2 (en) * | 2010-06-25 | 2015-09-22 | Shell Oil Company | Signal stacking in fiber optic distributed acoustic sensing |
-
2009
- 2009-11-13 GB GBGB0919904.3A patent/GB0919904D0/en not_active Ceased
-
2010
- 2010-11-11 EA EA201290326A patent/EA024802B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2010-11-11 WO PCT/GB2010/002073 patent/WO2011058313A2/en active Application Filing
- 2010-11-11 CA CA2780623A patent/CA2780623C/en active Active
- 2010-11-11 MY MYPI2012002102A patent/MY159400A/en unknown
- 2010-11-11 US US13/509,407 patent/US9631972B2/en active Active
- 2010-11-11 AU AU2010317791A patent/AU2010317791B2/en not_active Ceased
- 2010-11-11 CN CN201080005242.XA patent/CN102483347B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2010-11-11 EP EP10785488.7A patent/EP2499471B1/en active Active
- 2010-11-11 BR BR112012011229A patent/BR112012011229B1/pt not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4654520A (en) * | 1981-08-24 | 1987-03-31 | Griffiths Richard W | Structural monitoring system using fiber optics |
| US6601671B1 (en) * | 2000-07-10 | 2003-08-05 | Weatherford/Lamb, Inc. | Method and apparatus for seismically surveying an earth formation in relation to a borehole |
| US20040246816A1 (en) * | 2003-05-19 | 2004-12-09 | Ogle Peter C. | Well integrity monitoring system |
| US20060126435A1 (en) * | 2004-12-15 | 2006-06-15 | Tam Hwa-Yaw | Ultrasound sensor and ultrasound measurement device |
| WO2008081157A1 (en) * | 2006-12-29 | 2008-07-10 | Schlumberger Holdings Limited | Fault-tolerant distributed fiber optic intrusion detection |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB0919904D0 (en) | 2009-12-30 |
| MY159400A (en) | 2016-12-30 |
| AU2010317791A2 (en) | 2012-12-06 |
| US9631972B2 (en) | 2017-04-25 |
| CN102483347A (zh) | 2012-05-30 |
| EA201290326A1 (ru) | 2012-12-28 |
| WO2011058313A3 (en) | 2011-10-06 |
| BR112012011229B1 (pt) | 2020-01-21 |
| EP2499471A2 (en) | 2012-09-19 |
| US20120226452A1 (en) | 2012-09-06 |
| CA2780623C (en) | 2018-07-24 |
| EP2499471B1 (en) | 2022-01-26 |
| BR112012011229A2 (pt) | 2018-03-27 |
| CA2780623A1 (en) | 2011-05-19 |
| CN102483347B (zh) | 2015-05-20 |
| AU2010317791B2 (en) | 2014-06-12 |
| AU2010317791A1 (en) | 2012-07-05 |
| WO2011058313A2 (en) | 2011-05-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EA024802B1 (ru) | Распределенный оптоволоконный акустический датчик и способ определения направления и/или расстояния до источника акустической волны при распределенном оптоволоконном акустическом считывании с использованием указанного датчика | |
| RU2518978C2 (ru) | Волоконно-оптическое акустическое измерение | |
| CA2915971C (en) | Improvements in fibre optic distributed sensing | |
| EP2350603B1 (en) | Distributed fibre optic sensing for event detection | |
| EA022899B1 (ru) | Усовершенствования в распределенном оптоволоконном считывании | |
| CA2859092C (en) | Seismic monitoring | |
| US9897470B2 (en) | Device for characterizing a physical phenomenon by ablation of an optical fiber with bragg gratings having a total flux of reflected radiation measurement | |
| JP2007506960A (ja) | 光ファイバ監視システム | |
| Gonzalez-Herraez et al. | Photonic Seismology |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM BY KG MD TJ TM |
|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AZ KZ RU |