TWI582393B - 分散式光纖感測 - Google Patents

Description

分散式光纖感測

本發明係有關於光纖分散式感測及特別是用以在該光纖上測定相位調變之方法及裝置，以及尤其是光纖分散式聲波感測。

光纖分散式聲波感測器係已知的。這樣的感測器以光輻射來詢問光纖及測量會影響光纖之聲波對輻射所造成之變化。

美國專利第5,194,847號(Texas A&M Univ)描述以輻射之重複同調脈衝詢問一光纖及檢測在該光纖內經雷利後向散射之任何輻射。一次以一單脈衝來詢問該光纖及分析該後向散射輻射之振幅，以檢測聲波/壓力波所造成之對該光纖的任何干擾。此文件教示，為了周圍監控，可使用一埋入式光纖做為一分散式聲波感測器。

UK專利申請案第GB2,222,247號(Plessey)描述另一分散式光纖感測器，其中藉由沿著一光纖傳送光脈衝來感測像聲波之環境參數的變化。此文件描述，可以將兩個緊密間隔脈衝傳送至該光纖中，該第一脈衝具有不同於該第二脈衝之頻率。可以一等於該等詢問脈衝間之頻率差的載波頻率檢測及分析在該光纖內之來自該等脈衝的後向散射。可閘控及處理一檢測器所接收之信號，以測定會影響該光纖之期望區段的環境參數之變化的資訊表示。

UK專利申請案第GB2,442,745號(AT&T)描述使用 一光纖之分散式聲波感測。此文件再次教示脈衝對之使用，其中一脈衝對之個別脈衝具有不同頻率。以一對應於在該脈衝對中之脈衝間的頻率差之載波頻率分析後向散射信號。此文件教示，以在一脈衝對中之脈衝間的已知頻率差對該檢測後向散射信號實施一複合調解(complex demodulation)，以提供該載波頻率之同相(I)及正交(Q)信號。接著將這些轉換，以提供信號之相位及振幅。然後，監控來自光纖之相同區段的連續取樣之相位，以測定在光纖之區段上入射之任何聲波信號。

此文件(GB2,442,745)教示，在一脈衝對中之脈衝間的頻率差應該關聯於脈衝寬度。在該範例中提供20m寬之脈衝及至少5MHz之一對脈衝間的頻率差。

雖然在GB2,442,745中所述之技術係有用的，但是在一些範例中，在這樣的光纖感測器中所固有之基頻結構(baseband structure)(亦即，在該檢測後向散射中之隨機但有系統的樣式)會遮蔽或破壞該載波信號及減少該感測器之信號雜訊比。該系統之基頻結構部分是由在該光纖中之散射部位的隨機分佈、熱漂移等所產生，且因此無法被去除。可藉由使用較高載波頻率(例如，數百個MHz之級數)減輕該系統之測量信號及基頻雜訊的交越(cross over)之效應。然而，這樣的高載波頻率之使用將需要超過數百個MHz之檢測器取樣率。此不但需要用於該詢問器單元之非常快的組件及大大地增加所需處理之數量，而且更高檢測器頻寬時間影響該檢測器之靈敏度。

本發明提供光纖分散式感測器之改良方法及裝置，特別是可減輕至少部分上述缺點之分散式聲波感測器。

因此，依據本發明之第一態樣，提供一種分散式光纖感測器裝置，包括：一光源，其係配置成在使用中發射詢問輻射至一光纖中；一取樣檢測器，其配置成在使用中取樣從該光纖內後向散射之詢問輻射；以及一處理器，其配置成用以測定該光纖之至少一空間感測部分的任何相位調變，其中該處理器係配置成：取得對應於在每一發射後從一感興趣空間感測部分之至少一部分後向散射之輻射的複數個取樣；將該複數個取樣分成複數個處理頻道；處理該複數個處理頻道之至少一些處理頻道，以至少測定該頻道之相位資料；對來自該等處理頻道之該資料實施一品質度量(quality metric)；以及根據該品質度量之實施結果組合該等頻道之已測定相位資料成為該感興趣空間感測部分之一總相位值。

在使用中，如同傳統的分散式光纖感測器，該分散式光纖感測器以詢問輻射重複地詢問該光纖及檢測在該光纖內後向散射之任何詢問輻射。該感測器從詢問輻射之不同發射分析從該光纖後向散射之輻射，以針對感興趣之感測部分測定是否在該檢測輻射中具有任何相位調變。

如後面所更詳細描述，將從該光纖內之固有散射部位散射到達該檢測器之後向散射輻射。任何時刻到達該檢測器之輻射將對應於從遍及該光纖之一個或以上區段所分佈之散射部位(依該詢問輻射之形式而定)後向散射 之輻射。該等各種後向散射信號將在該檢測器處干擾及該結果干擾信號將具有一依該詢問輻射之特性、至該等散射部位之光路徑長度及在該光纖內之散射部位的分佈而定的相位特性。當該等散射部位之分佈實際上是隨機時，該結果干擾信號具有一隨機元素。實際上，該等散射部位構成一干涉儀及此干涉儀之相對相位偏置位置依在該光纖內之散射部位的分佈而定，該分佈係隨機的。然而，在沒有任何外部刺激中，來自一第一組之散射部位的後向散射特性在詢問輻射之連續發射間將是相同的，亦即，該相位偏置位置在發射間之時間尺度上將保持相同。

在該光纖上之造成在該光纖內之光路徑長度變化的任何刺激(例如，在該光纖上之入射聲波或其它壓力波或應變)可能導致該光纖之相關部分的後向散射信號的相位調變，亦即，來自光纖之一既定部分的後向散射信號之相位特性隨時間之變化。因此，藉由測定影響一感興趣之空間感測部分的任何相位調變之存在及程度，可以檢影響在兩個感測部分內之光纖的任何刺激(例如，聲波刺激)。

當該等散射部位之分佈實際上是隨機時，具有這樣的可能性：來自一既定組之散射部位的後向散射信號破壞性地干擾，以實際抵銷或否則產生一具有在該系統之雜訊底線以下之低強度的結果信號。換句話說，該干擾信號可能遭受衰減。即使該信號沒有完全衰減，它可能遭受會減少該感測器之靈敏度或準確度的低信號雜訊 比。因此，如果針對每一感興趣之空間感測部分獲得單一取樣，則具有下面可能性：這樣的取樣將遭受衰減及沒有檢測到可靠干擾信號，或者該干擾信號之信號雜訊比係低的。

在依據本發明之此態樣的分散式光纖感測器中，從詢問輻射之每一發射獲得每一感興趣感測部分之後向散射輻射的複數個取樣。處理對應於該感興趣之感測部分的複數個取樣，以測定那個感測部分之相位值，以及因而，可以在一對應於該感興趣之感測部分的分析量化單元(analysis bin)中分析該等取樣。因此，例如，可以配置該分散式光纖感測器，以便提供光纖之複數個縱向感測部分，光纖之複數個感測部分具有一特定長度，例如，10m。因此，設定該取樣檢測器之取樣率有足夠高，以針對光纖之每一10m區段取得複數個個別取樣。可將該等個別取樣視為多樣性取樣。

依據本發明之此態樣，該後向散射資料之處理包含將該複數個多樣性取樣分成複數個處理頻道及處理該等頻道之至少一些頻道，以測定該頻道之相位資料。接著，對該已處理資料實施一品質度量。然後，考量該品質度量，組合對於該等頻道所測定之相位資料，以提供該感興趣之感測部分的相位值。此導致該感興趣之感測部分的總相位值，其不太容易受衰減之影響及相較於傳統分散式光纖感測器具有較佳信號雜訊比。然後，使用該總相位值，檢測影響該感興趣之感測部分的任何相位調變。

實際上，該品質度量決定是否來自一特定頻道之資 料係高或低品質。當組合來自該等各種頻道之資料時，考量來自該頻道之資料的品質之評估，以確保該感興趣之感測部分的一高品質相位值。

對於考量該品質度量來組合該資料，具有各種方法，例如，如後面所更詳細描述，相較於較高品質資料，可提供較低品質資料一較低加權或將其從該組合完全刪除。在此方式中，當組合來自該等各種頻道之資料時，可考量該等資料頻道之相對品質，結果是：相較於具有一良好信號雜訊比之那些頻道，遭受高雜訊或低信號雜訊比之任何頻道可能對該總相位值具有少的影響。

有利地，該品質度量可以包括關於在一既定頻道之資料與來自其它已處理頻道之資料間的相似性之程度的測定。換句話說，分析來自該等已處理頻道之資料，以測定是否來自一頻道之結果相似於來自其它頻道之結果。因此，該處理器可以分析來自該等各種頻道之資料。該處理器可以根據來自一頻道之資料如何相似於來自另一頻道之資料來測定分數。

本發明者已了解到，對於上述型態之分散式光纖感測器，當一外部刺激影響一感興趣感測部分時，它可以以實質相同方式適當地影響對應於那個感興趣感測部分之一些取樣。換句話說，在理想狀況下，對應於該感興趣感測部分之複數個多樣性取樣的每一者將顯露出相同程度之相位調變。

如上所述，對於一分散式聲波感測器，該等感興趣感測部分之長度可以是10m左右或以下之級數，以及一 些實施例可以使用更短之感興趣感測部分，例如，1m左右之級數。對於一具有10m左右之級數的感測部分，(從詢問輻射之每一個別發射)獲得對應於那個感測部分之複數個多樣性取樣，需要一快速取樣時間。該取樣檢測器可以配置成在該詢問輻射在該光纖中行進一等於該感興趣感測部分之長度的兩倍之距離所花費之時間中獲得複數個取樣。例如，獲得對應於光纖之一10m感測部分的10個取樣，需要在輻射在該光纖中行進20m所花費之時間(亦即，光在該光纖中行進10m及返回之時間)中獲得10個取樣。因此，對於一具有約1.5之折射率的光纖，將需要約100MHz之取樣率。因此，在一百MHz左右之級數的相對高取樣率下可以獲得多樣性取樣，該取樣率比被測量之光纖上的擾動之發展的速率更快。超出此時間尺度，甚至很可能被該分散式光纖感測器檢測之最高頻率聲波信號將不會改變太多。對於分散式光纖感測器，其中該光纖被埋入地下或嵌入一材料中，數百Hz以上之頻率很可能有強烈衰減及該感測器將主要檢測200Hz或以下之頻率。再者，對於這樣的入射信號，任何在一感興趣感測部分內之光纖中造成一光路徑長度變化之入射聲波很可能影響光纖之一10m區段的大部分。因此，假定對應於該感興趣感測部分之複數個取樣的每一者正在測量相同入射刺激。

本發明之此實施例因而在這樣的假定下操作：在處理後，來自每一頻道之資料應該在理想沒有衰減狀況下顯露出相同相位調變。因此。在該已處理相位資料相似 於來自其它頻道之資料的情況下之頻道可能表示，該等相關頻道皆正在正確地測量相同刺激，然而在該已處理資料沒有與其它頻道之資料相配的情況下之任何頻道可能表示一衰減或雜訊支配取樣。

因此，對來自該等已處理頻道之已處理相位資料實施該品質度量，以測定在該等已處理頻道間之自我相似性的程度。該處理器可以測定來自該等各種頻道之已處理資料間的自我相似性之程度，以使來自一頻道之資料與來自其它頻道之資料相關聯。

在一實施例中，該品質度量藉由針對每一頻道測定目前值相較於來自那個頻道之平均值的變化之程度，測定來自兩個頻道之資料間的相似性。該度量可以包括將來自每一頻道之變化的程度乘在一起，亦即，該品質度量可能包括針對兩個頻道測定式子M1(A,B)=(A-<A>)(B-<B>)之第一度量，其中A及B係來自該頻道之目前資料值以及<A>及<B>係來自該等頻道之資料的平均值。然而，此度量只單獨會對一具有大DC成分之信號提供大的結果。因此，有利地，可以使用一第二度量M2，決定該兩個信號間之差異的大小之測量。該度量M2可以是式子M2(A,B)=((A-<A>)-(B-<B>))²。可以針對頻道之每一組合計算這兩個度量及使用這兩個度量來測定彼此最相似之頻道。可以藉由測定該第一及第二度量間之差異來計算一總度量M_Q，亦即，該品質度量可以是式子M_Q(A,B)=M1(A,B)-M2(A,B)或在該第一及第二度量之平均值間的差異，亦即，M_Q(A,B)=<M1(A,B)>-<M2(A, B)>。然後，可以使用該計算品質度量M_Q之數值，測定最自我相似之那些頻道。

在一實施例中，當考量每一其它頻道之資料時，該處理器對於每一頻道測定該品質度量之結果。使用像上述度量，此將實際導致關於來自那個頻道之目前資料如何相似於來自另一頻之資料的一連串之分數。因此，對於一第一頻道，其它頻道之每一者將具有一分數。

然後，可以根據此品質度量使該相位資料與一對每一已處理頻道之結果所實施之適當加權組合。例如，可以在該組合中提供彼此非常相似之來自頻道的資料有相對高加權，而可以在該組合中提供彼此較不相似之已處理相位值有相對低加權。在此方式中，該組合實際上對良好品質取樣提供較多加權及對不良品質取樣提供較少加權及因而，相對於該傳統組合技術，改善信號雜訊比。

此外或在另一選擇中，可以只使用來自那些自我相似之頻道的一支組已處理數值，形成該組合相位值。

該支組可以包括來自一預定數目之頻道的資料。換句話說，該方法可以包括從N個可用頻道選擇M個最相似結果，此時N>M及M之數值係預定的。例如，如果獲得對應於光纖之一特定感測部分的約10個取樣及在一個別頻道中處理每一取樣，亦即N=10，則例如，可以選擇組合5個最自我相似已處理資料值(M=5)。因此，當形成該組合相位值所使用之頻道的數目及因而取樣之數目可能隨著時間是固定的及對於光纖之每一感測部分可能是相同的。此可能使一些後面處理變得容易，因為每 一組合相位值係由相同數目之個別取樣所形成。該感測器之使用者可以事先配置頻道之數目M，其中從該M個數目之頻道取得資料，以形成該支組。

在另一選擇中，用以形成該支組之已處理資料的頻道之數目可以根據資料本身而改變。例如，可對來自每一個別頻道之結果實施一品質度量及可以組合彼此充分相似之所有結果，其可能在一些情況下包括所有頻道。可以提供來自每一頻道之資料有一個分數及可以在該組合中使用具有在一組臨界值以上之分數的任何資料。因此，如果10個已處理資料值中之8個資料值係彼此相似的，例如，分數充分高，則可以組合這8個相似資料值，但是對於，光纖之另一感測部分，如果只有4個頻道產生彼此相似之結果，則可能只組合來自那4個頻道之資料。

改變用於該組合以產生該總相位值之頻道的數目將影響該系統之雜訊特性。因此，該處理器可以配置成用以根據在該組合中所使用之頻道的數目校正該總相位值。該處理器亦可以提供在實施該組合中所使用之一分析量化單元的頻道之數目的指示。

亦將察覺到，該感興趣之感測部分的結果數值之相位中心可能依用於組合所實際選擇之頻道而變化。對應於該感興趣之感測部分的複數個取樣將包括來自光纖之一稍微不同區段的後向散射輻射。因此，例如，如果選擇來自10個可能頻道中之5個頻道的資料用於組合，則如果前5個頻道係這些被選頻道，將使該結果組合值之 相位中心偏斜至該感測部分之一側。因此，該處理電路亦可以配置成用以提供該等相關頻道之指示或至少在該組合中所使用之頻道的分佈及/或相位中心之估計。

如上所述，一根據對應於該感興趣之感測部分的頻道之解調相位值的自我相似性之品質度量依賴這樣的假定：該等各種頻道之每一者正經歷相同一般刺激。此在大部分實例中是一合理假定，但是它對於一些精準應用或可能期望具有高波數之入射波的情況可能不是充分的。在這樣的情況下，可能期望在評估前對每一頻道之相位值施加一些時間調整，以考量聲波刺激之到達的方向，亦即，實施一些波束形成型態技術。

在一實施例中，亦可以處理對應於該感興趣之感測部分的複數個取樣 以測定該測量信號之振幅資料及相位值。鄉一品質度量中亦可以使用該振幅資料。如果獲得一遭受衰減之取樣，則該解調測量信號將傾向於具有一低振幅變化。然而，該振幅變化對於與一造成最大後向散射強度之相位偏置位置一致發生的高品質信號亦可能是低的。因此，該處理器可以適用以從每一頻道測定該振幅資料之AC對DC比率，亦即，相較於根據目前振幅值及一些前數值之每一頻道的平均振幅之振幅變化的位準之比率。該AC對DC比率可以用以做為該相關頻道資料之目前信號雜訊比的指示。一相對高比率可以表示一相對高SNR，而一低數值可以表示一低SNR。因此，可以拋棄從具有在一臨界值以下之AC對DC比率值的頻道所獲得之相位值。此外或在另一選擇中，可以在形成 該組合值中提供該等相位值有一加權，其中該加權至少部分根據該AC對DC比率。

該處理器可以配置成處理對應於該感興趣之感測部分的複數個取樣之每一者，以獲得一已處理相位及可能振幅值。因此，如果例如具有對應於每一感興趣之感測部分所獲得之8個取樣，則將具有8個頻道及可以處理每一頻道。然而，在一實施例中，該處理器可以配置成用以估計一頻道之信號雜訊比，以及如果該信號雜訊比係在某一臨界值以上，則只處理在那個頻道中之資料。因此，該處理器可以配置成用以測定在每一頻道中之多樣性取樣(亦即，一次次發射所獲得之一特定多樣性頻道的取樣)的平均強度。取樣之低平均強度很可能表示該相關頻道目前被衰減。因此，要減少處理負擔(processing overhead)，可以不要從該處理省略平均強度在一些設定極限以下之頻道。

有利地，對應於該感興趣之感測部分的複數個取樣之大部分係實質獨立多樣性取樣。

如上所述，依該詢問輻射之形式而定，任何既定時刻在該檢測器上所接收之後向散射信號可以包括從該光纖之一或多個區段所後向散射之輻射。通常，該詢問輻射將包括一個或以上脈衝之光輻射(注意，如在此所使用，術語光輻射將包括紅外線或紫外線輻射及可見光波長之輻射)。例如，如果該詢問輻射包括以一間隙分隔之兩個脈衝，則任何時刻到達該檢測器之後向散射輻射係由光纖之兩個個別區段所產生，該兩個作用區段 (contributing sections)係由一間隙所分隔。

因此，依該詢問輻射之形式而定，每一取樣實際上對應於來自一個或以上作用區段之後向散射信號。該光纖之作用區段實際上界定一取樣窗口(sampling window)。在該光纖中之取樣窗口的位置相依於在該詢問輻射之發射後的時間。在任何兩個連續取樣間，移動在該光纖內之個別作用區段的位置及因而移動該取樣窗口。

因此，有利地獲得該等複數個取樣，以致於對於每一取樣，光纖之每一作用區段(從每一作用區段可接收來自一詢問輻射之脈衝的一後向散射信號)實質上無關於該等複數個取樣之大部分剩餘取樣的對應作用區段。換句話說，在大部分的取樣之對應作用區段間實質上沒有重疊。因此，如果該詢問輻射包括以一間隙分隔之一第一脈衝及一第二脈衝，因而針對每一取樣界定一第一作用區段及一第二作用區段，則獲得該等取樣，以便一取樣之第一作用區段的位置實質上沒有與大部分其它取樣之第一作用區段的位置重疊，以及同樣地，那個取樣之第一作用區段的位置實質上沒有與大部分其它取樣之第二作用區段的位置重疊。

如果在兩個或以上取樣之對應作用區段間具有顯著重疊，則這樣的取樣不是完全彼此無關。對於每一取樣而言，在重疊區域中之任何散射部位所產生之複合信號的光學特性實際上是相同的，以及如果該第一取樣呈現該干擾信號之強衰減，則該第二取樣亦將很可能呈現強 衰減。藉由確保對於大部分取樣，該等對應作用區段沒有重疊，獲得對一感興趣之感測部分的複數個獨立多樣性取樣。藉由處理實質獨立取樣及然後組合該等高品質取樣，可完成改良信號雜訊比及抗衰減之最佳益處。

在一些實施例中，可以獲得該複數個取樣，以便對於每一取樣，西一作用區段實質上無關於該等複數個取樣之75%或以上剩餘取樣的對應作用區段。對於具有一些重疊之對應於該感興趣之感測部分的該複數個取樣內之那些取樣，一取樣之光纖的一作用區段與該複數個取樣中之任何其它取樣的對應作用區段間的重疊程度可能是50%或以下，或者在一些實區例中，25%或以下，或者在一些實施側中，10%或以下。在一些實施例中，配置每一取樣，以便每一作用區段實質上是無關於該複數個取樣之所有剩餘取樣的對應作用區段。

將察覺到，在該詢問輻射包括至少第一及第二脈衝之輻射，因而對於每一取樣導致光纖之至少個別第一及第二作用區段的情況下，構成一取樣之一第一作用區段的部分之光纖的一區段亦可能構成一不同取樣之一第二作用區段的部分，亦即，在一取樣之第一作用區段與一第二取樣之第二作用區段的位置間可能具有重疊。然而，相較於對應作用區段之重疊，在不同取樣中之不同(非對應)作用區段的重疊極少受到關注。例如，該第一及第二脈衝可能具有不同光學特性(例如，不同頻率)，以及相較於一在一第二頻率下之第二脈衝，散射部位之一既定分佈將引起一不同複合信號，以回應一在一第一 頻率下之信號。甚至在該兩個脈衝之光學特性係完全相同的情況下，對於大部分取樣而言，每一取樣之對應作用區段沒有實質重疊的要求意味著大部分取樣主要是獨立的。

由該等相關取樣間之時間及該詢問輻射之形式來決定促成不同取樣之光纖的作用區段間之重疊的程度。例如，考量在該光纖中行進之一個別脈衝的詢問輻射，以便在一第一取樣之一第一位置及在一第二取樣之一第二位置界定光纖之一作用區段。該等對應作用區段間之重疊的程度依該脈衝之持續時間而定，該脈衝之持續時間界定在該光纖中之脈衝的空間寬度，以及亦界定該第一及第二取樣間之時間。如果該脈衝具有一持續時間T_p以及該第一及第二取樣間之時間等於T_p之1/4，則該第一取樣之作用區段的3/4將與該第二取樣之作用區段重疊，亦即，將具有75%重疊程度。

因此，該檢測器之取樣率係配置成相關於該詢問輻射之形式，以獲得上述多樣性取樣。因此，在一實施例中，該詢問輻射可以至少包括一具有一第一脈衝持續時間之第一脈衝，以及獲得該複數個取樣，以便取樣間之時間差大於該複數個取樣中之大部分取樣的第一脈衝持續時間。換句話說，如果在一第一取樣時間獲得一第一取樣，則在一不同於該第一取樣時間有該脈衝持續時間以上之取樣時間獲得該複數個取樣之大部分剩餘取樣。可以獲得該等取樣，以便在對應於該感興趣之感測部分的該複數個取樣中之任何兩個取樣間的時間差係該脈衝 持續時間的至少50%。在一些實施例中，任何兩個取樣間之時間差可能是該脈衝持續時間的75%或以上，以及在一些實施例中，該時間差可能至少等於該脈衝持續時間。

傳統上，配置該檢測器之取樣率，以便可直接使用一連串之連續取樣做為對應於一感興趣之感測部分的複數個取樣。然而，如果該取樣率使得連續取樣沒有被視為充分獨立，則可藉由只取得一在那個取樣率下獲得之支組取樣，形成該複數個取樣。例如，可使用每一第n取樣，形成對應於一感興趣之感測部分的複數個取樣。

在一實施例中，可以配置該光源，以便該詢問輻射包括一第一脈衝及一第二脈衝，在它們之間具有一間隙或延遲，亦即，該詢問輻射可以包括一脈衝對，在該脈衝對之脈衝間具有一時間間隔(及因而，在該光纖內具有一空間間隔)。該第一脈衝之持續時間(及因而，空間寬度)可以相同於該第二脈衝之持續時間，但是它們不需是相同的。在一實施例中，在該第一及第二脈衝間之持續時間，亦即，在該第一脈衝之結束與該第二脈衝之開始間之時間，可以等於或大於該第一及/或該第二脈衝之脈衝持續時間。換句話說，一脈衝(有利的是兩個脈衝)之空間寬度可以比脈衝間之空間間隔短。有利地，該第一及第二脈衝間之間隙可以是該脈衝寬度之至少兩倍。在允許在該感測器之最大可達成空間解析度內獲得多樣性取樣方面，一相較於脈衝間之間隙具有相對窄脈衝寬度的脈衝結構會是有利的。

如上所述，以一包括一第一脈衝在時間上與一第二脈衝分隔之脈衝對詢問該光纖確保每一取樣將對應於來自光纖之第一及第二作用區段的第一作用區段的後向散射信號，該第一及第二作用區段係以一間隙分隔。包括該兩個作用區段之光纖的長度及它們的間隙實際上是那個取樣之取樣窗口，以及作用在該取樣窗口內(然而，特別是在該兩個作用區段間)之光纖上的任何聲波調變可能造成一可檢測相位調變。

藉由使用詢間輻射，其中該等脈衝相對於其間之間隙係相對窄的，可獲得如上所述係實質獨立多樣性取樣之取樣，但是其中，該等取樣之取樣窗口可能重疊。例如，考量包括兩個脈衝之詢問輻射，該兩個脈衝具有相同脈衝持續時間，它們以一為該脈衝持續時間之至少兩倍的間隙分隔。對於這樣的詢問輻射，每一取樣之取樣窗口對應於光纖之兩個作用區段，每一作用區段具有某一寬度(等於該光纖內之脈衝寬度的一半)，其以一等於該等作用區段之寬度的至少兩倍來分隔。如果該取樣率係設定成等於該脈衝持續時間，則在取樣間之時間中，在該光纖中之取樣窗口的位置將實際移動有一等於該等作用區段之寬度的距離。因此，在一第一取樣與一第二取樣間，每一取樣之對應作用區段間將不具有實質重疊，但是連續取樣之取樣窗口將實質重疊。因此，可從每一取樣獨立地檢測影響在兩個取樣區域內之光纖的任何聲波刺激。因此，當使用一根據來自每一多樣性頻道之已處理資料的相似性之品質度量，此形式之詢問輻射 係特別有利的。

將了解到，在該複數個取樣中之每一取樣對應於該感興趣之感測部分，其中每一這樣的取樣之取樣窗口將至少部分位於該感興趣之感測部分內。然而，應該注意到，該取樣窗口可能只部分位於該感興趣之感測部分內及亦可能部分位於該感興趣之感測部分外。例如，考量該詢問輻射包括其間具有一間隙之第一及第二脈衝，以便對應於每一取樣之取樣窗口在該光纖內為一第一長度，例如，10m。該分散式光纖感測器之最佳可達成空間解析度等於該第一長度，亦即，10m。因此，可以界定該感興趣之感測部分為具有相同於該第一長度(亦即，10m)之光纖的區段，該第一長度為最佳可達成空間解析度。設定該檢測器之取樣率，以便對於每一感興趣之感測部分獲得某一數目之取樣，亦即，在該取樣窗口在該光纖內移動一等於該感測部分之長度的距離所花費之時間中，可獲得例如10個取樣，此對於一長度為10m之感測部分需要該取樣窗口之位置在取樣間相差有1m。然後，可以將該感興趣之感測部分視為在該第一取樣與最後取樣之取樣窗口的位置間之光纖的任何10m區段，但是習慣上，將它視為在該第一及最後取樣之取樣窗口的位置間之一半處的光纖之10m區段。

在一實施例中，在該詢問輻射包括兩個脈衝(亦即，一脈衝對)之情況下，可以配置該光源，以便該脈衝對之脈衝在其間具有一頻率差，亦即，該第一脈衝具有一不同於該第二脈衝之頻率。該頻率差可以定義一像在 GB2,442,745中所述之載波頻率。

將注意到，GB2,442,745確實論述對於一感興趣之感測部分獲得複數個取樣。提供該取樣如下：一感興趣之感測部分係20m長之級數，以及以一速率獲得取樣，以便在每一取樣間，將使每一取樣之取樣窗口的位置移動剛好超過1m之級數。然而，GB2,442,745沒有個別處理在一多樣性頻道中之每一取樣來獲得一相位值。GB2,442,745教示從每一取樣產生I及Q信號及然後，使用一FIR濾波器實際一起平均等取樣及接著，針對每一感興趣之感測部分取得單一輸出值。然後，只處理該平均值，以測定一相位值。因此，GB2,442,745實際教示在處理前一起平均數個取樣。另外，注意到，在GB2,442,745中，詢問輻射之較佳形式係20m長之級數的輻射之脈衝，它們不是重疊，就是連續的。因此，在100MHz之取樣率下獲得之個別取樣將大部分不是獨立的。

然而，在另一實施例中，該光源係係配置成重複地發射脈衝對至該光纖中，其中在連續發射中之脈衝對具有彼此相同之頻率配置及係產生成使得一脈衝對之脈衝的相位關係對一連續脈衝對之相位關係具有一預定相對相位差。

依據此實施例之感測器裝置確保在脈衝對中之脈衝的相對相位關係受控制。因此，該等脈衝對具有一已知相對相位編碼。此已知相位編碼確保來自被一第一脈衝對照射之該光纖中之任何既定位置的後向散射干擾信號 對來自該光纖之相同位置的由一第二脈衝對所產生之干擾信號具有相同預定相對相位差。藉由此相位編之控制，可產生該干擾之分析形式。因此，如後面所更詳細描述，甚至當該干擾信號是在該感測器之基頻雜訊內時，對於該光纖中之一既定位置，可處理由第一及第二(亦即，連續)脈衝對所產生之後向散射信號，以測定光纖之那個區段的相位值。接著，可監控隨著時間對光纖之一既定區段所測定之相位值，以檢測因在該光纖上之聲波刺激所造成之任何相位調變。

因此，該處理器可以配置成用以根據來自連續脈衝對之檢測後向散射輻射來測定光纖之至少一既定區段的相位值。因此，使用從不同脈衝對之發射所獲得之取樣，實際解調該相位值。

熟習該項技藝者將察覺到，該脈衝對之脈衝在測量之時間尺度上應該是充分同調的，以允許處理來測定該相位值。因此，該光源可以是一高同調源。

在一實施例中，該預定相對相位差具有90°之級數的大小。可所要描述，在後續處理之容易性及回程(returns)之良好品質方面，具有一等於90°之預定相對相位差會是有利的。如所述，來自連續脈衝對之後向散射干擾信號將呈現該預定相位差。因此，在一些實施例中，使用一90°相位差，允許直接使用該等後向散射信號做為相同(I)及正交(Q)成分。可以處理這些成分，以獲得可藉由直角座標至極座標轉換轉換至一相位值之I及Q值。然而，如果期望，可使用其它預定相對相位差。

該等脈衝對具有彼此相同之頻率配置。如在此說明書中所使用，術語頻率配置表示在該脈衝對中之脈衝的絕對頻率。因此，如果一第一脈衝對之脈衝分別是在頻率F1及F2(它們可能是或可能不是相同頻率)下，則一第二脈衝對之頻率亦分別是F1及F2。

在一實施例中，在該等脈衝對中之脈衝間具有一頻率差，以及產生該等脈衝對，以便發射至該光纖中，以致於在該等不同脈衝對之發射間的時間對應於在一具有等於一脈衝對中之脈衝間的頻率差之頻率的信號中之預定相對相位變化的時間。

在此實施例中，每一脈衝對包括在該對中之脈衝間具有一頻率差之脈衝。如以所述，此將造成一在一等於該等脈衝之頻率差的載波頻率下之後向散射干擾信號。在本發明之此實施例中，該載波頻率係有關於該等脈衝對之發射率。

如後面所更詳細描述，本發明之此實施例允許從一次次發射來測定一載波信號。因此，一來自光纖之每一部分的信號(亦即，包括在每一脈衝對之發射後實質同時獲得之後向散射輻射的取樣)可在該相關載波頻率下被解調及用以獲得光纖之適當區段的相位值。要從一次次發射準確地再現該載波信號，該載波頻率應該小於該發射率之一半。有利地，脈衝對之發射間的時間可以允許在該載波頻率下之干擾信號中有90°之預定相對相位變化。一90°相位變化允許從一次次發射再現一準確載波信號及減少任何任何不必要的超取樣(oversampling)。要 達成一90°相對相位差，該第一脈衝對與該第二脈衝對之發射間的時間週期可以等於在該載波頻率下之波週期的1/4。換句話說，該載波頻率可以是該等脈衝對之發射率的1/4。

因此，此實施例利用這樣的事實：在兩個不同頻率(例如，F1及F2)下之信號的相位關係將隨著時間改變。在該等連續脈衝對之發射間的時間中，將有用於一在F1頻率下之信號的n個週期及用於一在F2頻率下之信號的m個週期之時間。此實施例控制在一對脈衝中之脈衝的頻率F1、F2及該等脈衝對之發射速，以致於當期望一90°相位差時，在發射間之時間中n-m具有一期望值(例如，0.25)。

因此，將察覺到，該光源產生具有相同特性之脈衝對的脈衝，宛如它們是從兩個穩定頻率源(一個在F1下進行，另一個在F2下進行)獲得的。實際上，從兩個個別光源來確保合適的穩定性可能是困難的，所以通常使用一像雷射及頻率調變器之單光源。假設該雷射及頻率調變器在時間上是同調的，則針對該等連續脈衝對之脈衝所產生之光將呈現相同特性。因此，該光源可以包括至少一雷射及至少一用以調變來自該雷射之光以產生第一及第二脈衝對的調變器。例如，該調變器可以包括一聲光調變器(acousto-optic modulator)，但是可以使用任何合適頻率調變器(其可能是一強度調變器或開關)，以產生該等脈衝。

將察覺到，當該連續脈衝對具有相同頻率配置時， 在該檢測器上接收來自第二脈衝對之任何干擾信號的同時，不應該在該檢測器上接收來自光纖之任何部分的第一脈衝對之干擾信號。因此，該感測器可以配置成使一個以上之脈衝對不會同時在該光纖之感測部分(亦即，任何後向散射回程可以離開而到達該檢測器之光纖的部分)中。因此，在發射一脈衝對與另一脈衝對間之時間可以足以容許來自行經光纖之第一脈衝對的任何信號回程在發射該第二脈衝對前到達該檢測器。對於具有約40km長之感測光纖，脈衝對間之時間需要至少約0.40ms(假設該光纖之折射率為1.48)或比約2.5kHz短之發射率。對於5km長之光纖，發射率可以是約20kHz。

如上所述，該載波頻率可以比該發射率低，亦即為該發射率之一小部分，以及因此，該載波頻率，亦即，脈衝對中之脈衝間的頻率差，可以是約數個kHz，例如，10kHz(含)以下或5kHz(含)以下或1kHz(含)以下。在此發射率下，該載波頻率在該感測器之基頻內係合適的，但是該載波信號從一次次發射係可檢測的及因此，可產生一可用信號及此信號之相位變化用以測定在光纖之相關區段上的入射聲波刺激。

在另一實施例中，每一脈衝對包括具有彼此相同頻率之兩個脈衝及在一脈衝對中之脈衝間的相位差不同於在一連續脈衝對中之脈衝間的相位差有該預定相對相位差。換句話說，在一第一脈衝對中之兩個脈衝處於彼此相同之頻率下且在發射時具有某一相位關係。通常，在此第一脈衝對之第一及第二脈衝中的光間具有一相對相 位差P₁。在一第二脈衝對中之兩個脈衝亦處於彼此相同之頻率(及在該第一脈衝對中之脈衝亦是如此)及在它們之間亦具有某一相位差P₂。然而，在該第一脈衝對中之脈衝間的相位差係配置成不同於在該第二脈衝對間之相位差有該預定相對相位差。例如，如果該預定相對相位差為90°，則P₂可以等於P₁+90°。

改變在連續脈衝對中之脈衝間的相位差將導致構成結果干擾信號之成分後向散射信號的相關相位之變動。此相位變動允許處理來自光纖之相同位置的連續脈衝對之信號，以測定光纖之那個區段的相位值。對於任何既定多樣性頻道(在一脈衝對之發射後以取樣之時間來界定)，第一發射具有相同於第二發射之光纖的作用區段。超過後續脈衝對之發射間的短時間，任何路徑長度變化將是最小。因此，只有顯著變化係歸因於該第一及第二脈衝對之脈衝間的相位差之受控變化所造成。此同樣地適用於促成該干擾信號之所有散射部位。

在一實施例中，設定該等發射間之相位差的變化等於90°。在連續發射間使用90°之相位差變化，意味著從連續發射所接收之來自光纖的一既定區段之信號固有地提供I及Q成分資訊。因此，可以使這些信號經低通濾波處理，以提供I及Q值以及一針對那個頻道以標準直角座標至極座標轉換所測定之相位值。然而，將察覺到，可使用相位差之其它變化值及可使用其它適用於所用相位變化之轉換方式過濾及處理來自每一頻道之信號。

因此，此實施例提供一後向散射干擾信號，其中在連續脈衝對中之脈衝間的相對相位差具有變化。因此，可使用來自該等連續脈衝對之回程，測定接著會經歷像上述品質度量之相關頻道的相位值。

因此，該光源可以包括至少一雷射及至少一移相器(例如，電光調變器(electro-optic modulator))，其配置成用以調變雷射輸出，以便產生該第一及第二脈衝對。亦可以有一強度調變器或開關，以產生該等脈衝。

上述實施例亦可使用於波長多工技術，以允許具有不同頻率配之額外脈衝序列同時存在於該感測光纖中。該等額外脈衝序列可包括像上述脈衝對，但是亦可以使用其它脈衝序列，例如，單一脈衝或其它配置之脈衝對。

為了免生疑問，應該注意到，在此所使用之術語脈衝對意指一包括至少兩個相異脈衝之光的信號。該等個別脈衝在時間間隔或頻率間隔或兩者方面可能是相異的。在一些實施例中，該脈衝對可能形成一較長連串之脈衝的部分，例如，想像3個脈衝，每一脈衝具有不同頻率F1、F2及F3，其中3個拍頻F1-F2、F2-F3及F1-F3後此完全不同。這樣的脈衝結構可配置成使得至少一載波頻率(例如，F1-F2)如上所述相關於脈衝列之發射率。

本發明亦適用於一種分散式光纖感測之方法，以及特別是一種分散式聲波感測之方法。因此，依據本發明之另一態樣，提供一種分散式光纖感測之方法，其包括：發射詢問輻射至一光纖中；取樣從該光纖內後向散射之詢間輻射；以及測定該光纖之至少一空間感測部分的任 何相位調變，其中測定任何相位調變之步驟包括：取得對應於在每一發射後從一感興趣之空間感測部分的至少部分後向散射之輻射的複數個取樣；將該複數個取樣分成複數個處理頻道；處理該複數個處理頻道之至少一些處理頻道，以測定該頻道之相位資料；對該等已處理頻道實施一品質度量；以及根據實施該品質度量之結果，組合該等頻道之已測定相位資料成為該感興趣之空間感測部分的一總相位值。

關於本發明之第一態樣的所有上述優點同等地適用於本發明之此態樣的方法及該方法可以以上述任何實施例來實施。

特別地，實施該品質度量之步驟可以包括測定一既定頻道之資料與其它已處理頻道之資料間之相似性的程度。可以藉由使來自一頻道之資料與來自其它頻道之資料相關聯，測定來自各種頻道之已處理資料間的自我相似性的程度。然後，可以以一根據此品質度量對每一已處理頻道之結果實施之適當加權組合該相位資料。此外或在另一選擇中，可以只使用來自那些自我相似之頻道的一支組已處理數值，形成該組合相位值。有利地，對應於該感興趣之感測部分的複數個取樣之大部分係實質獨立多樣性取樣。因此，該方法可以包括發射詢問輻射及取樣該檢測後向散射輻射，以致於對於每一取樣，光纖之每一作用區段(可從每一作用區段接收來自一脈衝之詢問輻射的一後向散射信號)係實質無關於該複數個取樣之大部分剩餘取樣的對應作用區段。

假若針對每一感興趣之感測部分獲得複數個取樣(有利的實質獨立取樣)，本發明之方法亦可應用至使用一分散式光纖感測器所事先獲得之資料的處理。因此，在本發明之另一態樣中，提供一種處理從一分散式光纖感測器所獲得之資料以測定任何調變之方法，其包括下列步驟：取得對應於在詢問輻射至一光纖內之發射後從該光纖之一感興趣的空間感測部分之至少部分後向散射之輻射的複數個取樣；將該複數個取樣分成複數個處理頻道；處理該複數個處理頻道之至少一些處理頻道，以測定該頻道之相位資料；對該等已處理頻道實施一品質度量；以及根據實施該品質度量之結果，組合該等頻道之已測定相位資料成為該感興趣之空間感測部分的一相位值。

此外，關於本發明之第一態樣的所有上述優點同等地適用於本發明之此態樣的方法及該方法可以以上述任何實施例來實施。

通常，本發明之一態樣提供一種分散式光纖感測器，特別是一種分散式聲波感測器，該感測器包括一取樣檢測器，其配置成在時間上超取樣，以在使用中獲得一感興趣之感測部分的複數個取樣；以及一處理器，其配置成在個別多樣性頻道中處理該等取樣及根據來自該等已處理頻道之結果資料的相似性來組合來自該等頻道之結果。

本發明之一態樣亦有關於在一分散式光纖感測器中之包括以一大於其脈衝寬度之間隙隔開之兩個脈衝的詢 問輻射之使用，以允許複數個主要獨立多樣性取樣之獲得。因此，在另一一般態樣中，提供一種分散式光纖感測器，其包括：一光源，其配置成在使用中重複地發射詢間輻射至一光纖中，其中該詢問輻射包括一第一脈衝，在該第一脈衝之後接著一第二脈衝，其中該第一及第二脈衝間之時間週期大於該第一及/或第二脈衝之脈衝持續時間及進一步包括一取樣檢測器，其配置成在使用中獲得在一等於該等脈衝間之時間的持續時間中之複數個取樣。

現在將參考下面圖式僅以範例來描述本發明。

描述關於第1圖之一分散式聲波感測器的一詢問器單元之一般組件。在使用中，該詢問器單元100連接至一充當感測光纖之光纖101。使用傳統光纖耦合裝置，使該感測光纖耦接至該詢問器之輸出/輸入。該詢問器單元係配置用以發射同調光輻射之脈衝至該感測光纖101中及檢測來自該等脈衝之在該光纖內端利(Rayleigh)後向散射的任何輻射。要產生該等光脈衝，該詢問器單元100包括至少一個雷射102。由一用以如後所述產生脈衝配置之光調變器接收該雷射之輸出。接著，將來自該光調變器103之脈衝輸出例如經由一循環器(circulator)104傳送至該感測光纖101中。

將來自該感測光纖內傳播之光脈衝的後向散射之任何光輻射，又例如經由該循環器104引導至至少一個光檢測器105。以一類比至數位轉換器(ADC)106取樣該檢 測器輸出，以及將來自該ADC之取樣傳送至一處理電路107以便處理。該處理電路107處理該等檢測器取樣，以測定複數個分析量化單元(analysis bins)之每一者的相位值，每一分析量化單元對應於光纖之感興趣的不同縱向感測部分。將注意到，該詢問器單元可以包括像放大器、衰減器、濾波器等之各種其它組件，但是為了清楚說明該詢問器之一般功能，在第1圖中省略這樣的組件。

在本發明之實施例中，該雷射102及調變器103係配置成用以在一特定發射率下產生至少一連串之脈衝對。每一脈衝對至少包括一第一脈衝及一第二脈衝，以及較佳地，如第2圖所示，該第一及第二脈衝在時間上係彼此分隔的。第2圖顯示在一第一頻率F1及具有持續時間d1之第一脈衝201後的一短時間之後是在一第二頻率F2及具有第二持續時間d2之第二脈衝202。在一些實施例中，該兩個脈衝之頻率F1及F2係相等的，而如後所述，在其它實施例中，它們係不同的。較佳地，該兩個脈衝之持續時間d1及d2(及因而，其空間寬度)係彼此相等的，但是沒有必要是這種情況。該兩個脈衝201及202具有一等於Ts之時間分隔(如所示，Ts表示在該等脈衝之前緣間之時間分隔)。

當一具有此型態之配置的脈衝對在該光纖內傳播時，從該光纖內之本質散射部位散射來自該等脈衝之每一者的一些光。此後向散射光之至少部分將被引導返回至該光纖之可被檢測的起點。在任何時刻到達該檢測器 之光可能包括從第一範圍之散射部位散射之來自該第一脈衝的光及從第二範圍之散射部位散射之來自該第二脈衝的光。

第3圖描述在該光纖中之脈衝對的傳播及顯示沿著該光纖之距離對時間之關係。線301及302分別描述該第一脈衝之前後緣以及線303及304分別描述該第二脈衝之前後緣。因此，在時間t₀，該第一脈衝之前緣進入該光纖，以及在時間t₁，該第一脈衝之後緣進入該光纖。因此，在t₀與t₁間之時間相當於該第一脈衝之持續時間，亦即，d1。在時間t₂，該第二脈衝之前緣進入該光纖及在時間t₃，該第二脈衝之後緣進入該光纖。因此，在t₂與t₃間之時間等於該第二脈衝持續時間，亦即，d2，以及在t₀與t₂間之時間等於該脈衝分隔時間Ts。該等脈衝以等於c/n之速度在該光纖中傳播，其中c為光之速度及n係該光纖之有效折射率。因此，該等線301、302、303及304之梯度等於c/n。此意味著，在該光纖中，該第一及第二脈衝將分別具有等於W₁及W₂之寬度，其以線301與302間及線303與304間之垂直距離來表示。

當該等脈衝在該光纖中傳播時，一些光將朝該光纖之起點後向散射。此後向散射光亦將以等於c/n之速度行進。考量到達該檢測器之光。線305表示在時刻t₄在該光纖之起點可能接收之光的軌跡(trajectory)。可在相同時刻t₄在該光纖之起點接收在線305之時間及距離上所發生之至該光纖中的任何後向散射。因此可看出來自在第一範圍之時間被該第一脈衝照射之該光纖的第一區 段之光，將與在不同範圍時間從該光纖之一第二不同區段散射之光一致。亦可看出，來自一脈衝所散射之任何光以相同於該等脈衝本身向前傳播之速率向後行進至該光纖之起點時，該光纖之第一區段的寬度等於在該光纖中之第一脈衝的寬度之一半，亦即，W₁/2，以及同樣地，該光纖之第二區段的寬度等於在該光纖中之第二脈衝的寬度之一半，亦即，W₂/2。並且，在該光纖之第一與第二區段間之實際間隔等於在該光纖中之脈衝的實際間隔之一半。

此意味著，如第4圖所述，在任何時刻在該光纖之起點所接收之後向散射光相當於來自被該第一脈衝照射之第一作用區段401的散射部位及亦來自被該第二脈衝照射之第二作用區段402的散射部位之在該光纖中的後向散射。這些作用區段之散射部位間的距離稱為標距(gauge length)L_G。如所述，可以在該等區段401及402之散射部位的中間間測量該標距。

因而，在任何時刻在該檢測器上所接收之後向散射信號係一由來自所有這些散射部位之散射光的組合所造成之干擾信號。實際上，在任何時刻之後向散射信號相當於來自一由在該區段401及402內之散射部位的位置所界定之行進干涉儀(traveling interferometer)的信號。將察覺到，來自該第二區段402之所有散射部位的後向散射(全部處於頻率F2)可視為干擾，以從該等第二散射部位產生一複合信號，以及同樣地，來自該第一區段401之所有散射部位的後向散射(全部處於頻率F1)可視為干 擾，以從該等第一散射部位產生一複合信號。接著，這兩個複合信號亦會干擾。

本發明之分散式聲波感測器根據這樣的事實：在該光纖上入射之任何聲波可能在該光纖中造成擾動(例如，應變)，此因而會相位調變該行進干涉儀所產生之干擾信號。如所了解，在該光纖上至該第二區段402之散射部位的位置所發生之任何相位變化將同樣地影響來自光纖之第一區段401及第二區段402之光。然而，在該第一區段401與該第二區段402間之光纖的區段上之任何相位調變Φ(t)將只影響來自該第一區段401之光。此會造成該干擾信號之相位變化。因而，從光纖之一特定區段檢測該干擾信號之相位變化，可用以做為在該光纖上之聲波誘導應變之表示，以及因此，做為在光纖之那個區段上入射之聲波的表示。

本發明之實施例確保脈衝持續時間及檢測器及處理配置使得該感測器頻寬足以在一瞬間取樣中檢測該後向散射信號之所有頻率成分。此允許以良好信號雜訊比及良好空間解析度來檢測該相位調變信號。可以各種方式來產生此信號之分析形式。

在一實施例中，該脈衝配置使得該第一脈衝之頻率不同於該第二脈衝之頻率，亦即，F1≠F2。此將導致該後向散射干擾信號具有一等於該等脈衝間之頻率差(|F ₁-F ₂|)的載波頻率之成分。藉由監控此載波頻率之相位，可檢測因聲波擾動所造成之任何相位調變。

因此，在本發明之此實施例中，發射一連串之脈衝 對至該光纖中，其中在該連串中之每一脈衝對具有相同頻率配置，亦即，一具有頻率F1及持續時間d1之脈衝在一時間Ts後緊接一具有頻率F2及持續時間d2之脈衝。至該光纖中之該等脈衝對的發射率(亦稱為聲脈衝速率(ping rate))係有關於這些脈衝對之載波頻率，以致於連續發射間之時間等於一具有該載波率之信號以一預定相位量逐步形成所花費之時間。

本發明之此實施例依賴一在感興趣聲波頻寬內之載波，其保存在脈衝對之連續發射間。因此，發射一脈衝對至該光纖中，以及以間隔取樣在該檢測器上所接收之後向散射信號，以提供複數個頻道，每一頻道對應於在該光纖中之不同位置的散射部位。在某一間隔後，該間隔對應於一在該載波頻率下之信號改變有一預定相位量所花費之時間，發射另一脈衝對至該光纖中及在發射後以相同間隔獲得另外複數個取樣。只要希望監控該光纖可重複這些。

對於每一頻道(由在一脈衝對之發射後的某一取樣所界定)，連續檢測器輸出將在一由一脈衝對之脈衝間的頻率差所界定之載波頻率下提供一相位調變載波信號。

返回參考第1圖，該調變器103因而可以包括一用以調變該雷射102所產生之光輻射的頻率之聲光調變器(AOM)。如熟習該項技藝者所了解，AOM可以以一驅動頻率(F_d)來驅動及在操作中改變輸出光之光頻率有一等於該驅動頻率之頻率。因此，藉由在一第一驅動頻率下驅動該AOM有該第一脈衝之持續時間及在一第二不同 驅動頻率下驅動該AOM有該第二脈衝之持續時間，在該第一脈衝中之光將具有一不同於在該第二脈衝中之光的結果頻率及該等脈衝間之頻率差將等於該AOM所使用之個別驅動頻率間的頻率差。換句話說，藉由控制用以驅動該AOM之驅動頻率，可控制該脈衝對之載波頻率。該雷射與該AOM係相位同調的及因而，在每一脈衝對中之脈衝具有相同特性，宛如它們是從在相關頻率下進行之兩個穩定源獲得的。

在一配置中，該載波頻率係有關於該發射率，以致於該載波頻率小於該發射率之一半，以便一在該載波頻率下之信號在連續發射間只有小於180°之相位變化。事實上，此意味著，每一頻道之發射至發射取樣率係在用以準確地重新產生在該載波頻率下之該信號所需的奈奎斯特極限(Nyquist limit)以上。

在一配置中，該載波頻率係配置成為該發射率之1/4，以便一在該載波頻率下之信號在連續脈衝對之發射間以90°之相位逐步形成。

使用90°之相位變化，不但可如上所述來輕易處理，而且亦容許調變頻寬之有效使用。如熟習技藝者所察覺，在頻域中，任何調變可以使在該載波頻率下之感興趣信號附近之頻譜加寬。在DC附近及亦在影像頻率(該載波頻率之兩倍)下亦可觀察到相似效果。藉由確保該載波頻率係處於奈奎斯特極限之一半上，使與該DC成分或影像頻率成分交越(crossover)前之可用頻寬最大化。

第5圖描述本發明之此實施例如何操作。第5圖描 述來自一具有如上所述之頻率配置的脈衝對之一連串連續發射的取樣檢測器輸出，其中在該脈衝對中之脈衝間的頻率差等於該聲脈衝速率(亦即，該脈衝對之發射率)之1/4。在所示之範例中，該聲脈衝速率係20kHz，其可以是一使用於5km或5km以下長之級數的光纖之典型聲脈衝速率，以便確保任何一次只有一脈衝對在該光纖中傳播。

因此，在此範例中，每50μs發射脈衝對至該光纖中及檢測該脈衝對在傳播經過該光纖時所產生之後向散射回程信號。在一脈衝對之每一次發射後，以一相對高速率(例如，80-100MHz之級數)取樣該檢測器輸出，以從該光纖內之複數個不同位置檢測該後向散射信號。在此取樣時域中，該等散射部位之隨機相位變化導致會破壞該載波頻率的強度之隨機變化以及沒有可用信號可以使檢測。

然而，在該光纖中之任何既定位置上，仍然可以從在一次發射至一次發射的該載波頻率觀察到強度之變化。因此，藉由比較來自不同脈衝對之在光纖之相同區段的後向散射干擾信號，可以檢測一載波信號。第5圖描述，藉由採取在每一脈衝對之發射後所同時獲得之適當取樣，可以檢測一在等於該發射率之1/4的頻率下之載波信號。將如上所述以影響光纖之相關區段的任何聲波信號相位調變此載波信號，以及因而，藉由隨時監控此載波信號之相位，可檢測在光纖之相關區段上入射之任何聲波信號。

第6圖描述如何藉處理電路107可處理此調變載波信號而對單一頻道測定該載波信號之相位的實施例。可以對代表該感測器之一頻道的調變載波信號的取樣實施高通濾波601，以只使在該相關載波頻率下之信號通過。然後，可以將該濾波信號分成兩個處理頻道及可以在該載波頻率下以正弦602及餘弦603函數乘在每一頻道中之信號，以便產生如複合解調方法所知之相同(I)及正交(Q)成分。在該已知相位差為90°之情況下，此簡單地包括以+1及-1來乘。然後，可以對該結果I及Q信號實施低通濾波604及605及以直角座標至極座標(RP)轉換606將它們轉換至一相位值。該RP轉換亦可以任意地產生一振幅值。可以任意地對該產生相位值Φ₀實施高通濾波607。

因此，使用從一連串之脈衝對的連續發射對每一頻道所獲得之取樣，可檢測及解調一相位調變載波信號及因此，可檢測在光纖之相關區段上作用之聲波信號所引起之任何相位變化。

將了解到，當在該連串之脈衝對中之每一脈衝對具有相同頻率配置時，亦即，一第一脈衝是處於一頻率F1及一第二脈衝處於一頻率F2，如果來自兩個不同脈衝對之後向散射信號同時入射在一檢測器上，則後向散射信號將在該相關載波頻率下彼此干擾。因此，可以限制該等脈衝對之發射率，以便確保任何一次只有一脈衝對之輻射存在於該光纖中。因此，發射間之時間應該足以在發射另一脈衝對前允許來自該脈衝對之所有輻射到達該 光纖之末端及從該光纖之末端反射或散射之任何輻射到達該檢測器。因此，該光纖之長度可以限制該等脈衝對之最大發射率。一具有5km級數之長度的光纖可以操作於高達約20kHz之發射率(假設約1.48之折射率)。一具有40km級數之長度的光纖可能需要小於2.5kHz之發射率。在使用更長之光纖的情況下，可以在該光纖中具有一可以檢測後向散射信號之最大範圍，以及在此情況下，可以以允許每一脈對之輻射在連續發射間之時間到達最大範圍之位置及返回至該檢測器之速率來發射脈衝。在此發射之時間後，雖然在該光纖中仍然有一些來自原始脈衝對之輻射，但是到達該檢測器之任何這樣的散射輻射將是微小的。

然而，在一實施例中，藉由使用極化以區分連續脈衝對，可增加脈衝對之總發射率。在此實施例中，以第一極化狀態發射一脈衝對至該光纖中。以一第二不同極化狀態發射下一脈衝對至該光纖中。選擇該第一及第二極化狀態，以便以一正交於來自該第二脈衝對之後向散射信號的極化狀態之極化狀態在該檢測器上接收來自該第一脈衝對之後向散射信號。在此方式中，藉由使用極化敏感元件，可使該等相關後向散射信號分離。

因此，用以產生該詢問脈衝之光徑可以包括一如第7圖所示之可變極化器元件。第7圖顯示可以從調變器103輸出一連串之脈衝對，該調變器103如上所述包括一AOM，以及該連串之脈衝對可以入射在一可變極化器元件701上。可變極化器元件對該等脈衝對起作用，以 確保將包括一脈衝對之所有光極化成一極化狀態及確保連續脈衝對具有不同極化狀態。在所示之範例中，該等極化狀態係正交線性極化狀態，例如，垂直及水平極化，但是可以使用像右及左旋圓極化之任何正交極化狀態來取代。

第8圖描述一可用以區分該等後向散射信號之檢測器配置的實施例。朝一極化元件801引導從該光纖所接收之後向散射光，該極化元件801在此範例中係一極化相依分光器。此極化元件801引導具有一極化狀態(例如，水平極化)之光至一第一檢測器802及具有一正交極化狀態(垂直極化)之光至一不同檢測器803。因而，每一檢測器只接收單一極化狀態之光及因此，只接收來自該等脈衝對中之一所後向散射之光。因此，如上所述，可處理來自每一檢測器之信號，以從每一脈衝對產生一連串之相位值，而無關於另一脈衝對。

將察覺到，此技衝依賴在該光纖中所維持之脈衝對間的輸入極化差異。在傳統光纖中，在該光纖中的某一範圍將維持該輸入極化差異。再者，在該光纖中造成極化之變化的任何因素可能影響兩個極化狀態。因此，該檢測器配置可能包括一極化調變器804，以補償在該光纖中發生之任何一般極化漂移。例如藉由週期性地只以一已知極化之光照射該光纖及在兩個檢測器上檢測響應，可以在使用中調整該極化調變器，以符合極化漂移之任何變化。在另一選擇中，在該輸出光學配置中可包括一極化調變化，以對被發射至該光纖中之脈衝施加前 補償(pre-compensation)。

取代使用一極化分光器及兩個檢測器，元件801可包括一可變極化器元件，其傳送光至單一檢測器(例如，檢測器801)，但是不快速地改變該兩個正交狀態間之極化。因此，該檢測器802可配置成用以在水平極化下採取一取樣及然後在垂直極化下採取另一取樣。因此，處理可使每一另外取樣分離成為一不同於根據該適當脈衝對之發射的時間之適當處理的信息流。

在另一實施例中，取代使用在不同頻率下之兩個脈衝，該脈衝對之脈衝可具有彼此相同之頻率。在此實施例中，F1=F2。然而，產生該等脈衝對，以便在該脈衝對中之脈衝間的相位差在連續脈衝對間改變有一預定量。

第9圖描述可以依據本發明之此實施例產生之數連串的脈衝對之一些範例。顯示在每一連串中之4個脈衝對，每一脈衝對包括在相同頻率(F1=F2)下之兩個脈衝。

連串(1)顯示一連串之脈衝對的第一範例。在一第一脈衝對中，在那個脈衝對中之脈衝間具有一相對相位差△P。這是一可能因用以產生該脈衝對之光學組件的配置所產生之任意相位差。在一些配置中，該第一脈衝對之兩個脈衝可能是同相的及因此，△P之數值可能是零。

在下一脈衝對中，控制在該脈衝對中之脈衝間的相位差，以相較於該前脈衝對之相位差改變有一預定量，在此範例中，90°(但是，如果是較佳的，可以使用其它相位變化量。)換句話說，在第二脈衝對中之脈衝間的相位差等於△P+90°。在第三脈衝對中，再控制在該對中之 脈衝間的相位差為△P，以及在第四脈衝對中，相位差再次為△P+90°。在此方式中，在連續脈衝對間具有90°之相對相位差。

此在該等脈衝對間之相位差的變化將導致來自光纖之一既定區段的後向散射干擾信號的變化，該後向散射干擾信號可用以測定光纖之相關區段的相位值。返回參考第4圖，將想起，在該檢測器上任何時刻所接收之後向散射信號係來自被該第一脈衝照射之光纖的第一區段401之散射部位的範圍及被該第二脈衝照射之第二區段402的散射部位之範圍的組合信號。如上所述，來自該第一區段401之所有散射部位的回程將干擾在一起，來自該第二區段之所有散射部位的回程亦如此。然而為了說明，考量來自該第一區段401之單一(第一)散射部位及來自該第二區段402之單一(第二)散射部位。

到達該檢測器之來自該第二散射部位的光之相位將相依於該脈衝對之第二脈衝的光之初始相位以及至該第二散射部位及返回至該檢測器之有效路徑長度。到達該檢測器之來自該第一散射部位的光之相位將相依於該脈衝對之第一脈衝的光之初始相位以及至該第一散射部位及返回至該檢測器之有效路徑長度。往返該第一散射部位之路徑長度等於往返該第二散射部位之路徑長度加上從該第二散射部位至該第一散射部位及再次返回之額外路徑長度。因此，從該第一及第二散射部位散射之信號間的相位差相依於該等散射部位間之路徑長度及該第一及第二脈衝之光間的任何相位差。

如果在足以使該光纖中發生之連續脈衝間的任何路徑長度變化係非常小的速率下以兩個連續脈衝對照射該第一及第二散射部位，則顯然影響該等後向散射信號之相位差的任何變化之唯一因素是該脈衝對之脈衝的相位差之變化。因此，如果該第一脈衝對具有一在那個脈衝對之脈衝間的初始相位差△P，則此將在該檢測器上接收之後向散射信號中造成某一相位差(△P')。如果該第二脈衝對具有一相位差△P+90°，則此將在來自該第一及第二散射部位之後向散射信號中造成△P'+90°之相位差。

熟習技藝者將察覺到，如第10圖所示，在相同頻率之兩個信號彼此干擾之情況下，結果是一相同頻率之信號，但是具有一依該等干擾信號間之相位差(及它們的初始振幅)而定之振幅。第10圖描述可以從該第一及第二散射部位接收之後向散射信號及將被檢測之結果干擾信號。為了簡化起見，描述來自該第一及第二散射部位之回程具有相同振幅，但是將察覺到，實際上可能不是如此。上圖顯示以一在脈衝間具有相位差△P之第一脈衝對照射時之後向散射信號。曲線1001描述來自該第一散射部位之後向散射信號的信號及曲線1002描述來自該第二後向散射部位之信號。在這些信號間具有由上述因素決定之某一相位差。曲線1003代表該結果干擾信號。

下圖顯示以一在該等脈衝間具有△P+90°之相位差的第二脈衝對照射時之後向散射信號。曲線1001同樣顯示來自該第一散射部位之後向散射信號。曲線1004顯示來自該第二散射部位之後向散射信號及曲線1005顯示該 結果干擾信號。將注意到，為了容易比較，在兩個圖中以相同相位位置顯示曲線1001。當然，此在實際上可能是不會發生的及可能具有一任意相位變化。然而，重要的是來自該第一及第二散射部位之後向散射信號間的相對相位差-其由在該等連續脈衝對中之脈衝間的相位變化所單獨決定。

在該第一及第二脈衝對中之脈衝間的相位差之變化造成該後向散射信號之相位變化，此導致可用以測定該第一及第二散射部位間之光纖的區段之相位值的該結果干擾信號中之總振幅變化。在連續脈衝對間之相位變化為90°之情況下，像在此範例中，這些干擾信號表示同相(I)及正交(Q)成分及該等信號之低通濾波可用以獲得I及Q值，該I及Q值接著可用以經由傳統直角座標至極座標轉換獲得一相位值。當然，其它相位值可用於連續脈衝對間之相位差的變化及其它被使用之轉換技衝。

為了容易說明，上述分析聚焦在來自該第一及第二區段之每一者的單一散射部位之散射。然而，將熟習該項技藝者將了解到，當一起考量所有該等散射部位時，整體效果通常是相同的。

第24圖描述本發明之此實施例如何操作。第24圖描述來自像第9(a)圖所示之脈衝對的一連串連續發射之取樣檢測器輸出，其中連續脈衝對在以90°變化之該脈衝對的脈衝間具有一相位差。

在一適用於該感測器之發射(聲脈衝)率(例如，20KHz)下，將脈衝對發射至該光纖中。檢測在傳播經過 該光纖時該脈衝對所產生之後向散射回程信號。在一脈衝對之每次發射後，在例如80-100MHz級數之相對高速率下取樣該檢測器輸出，以檢測來自在該光纖內之複數個不同位置的後向散射信號及確保針對每一感興趣之感測部分獲得複數個取樣。

結果，在該光纖中之任何既定位置上，在一次次發射之相關測量信號中具有90°相位差。因此，可使用一次次發射之來自光纖的一既定區段之信號，藉由使用連續取樣做為I及Q信號來測定影響該光纖之任何相位調變。

第25圖描述處理電路107如何處理該後向散射信號以測定一相位值之一實施例。

接收來自光纖之一既定區段(亦即，一既定頻道)的後向散射取樣及藉由開關2501將交替取樣分別切換成同相(I)及正交(Q)信號路徑。在每一信號路徑中，高通濾波器2502可以移除不需要信號成分及然後，對該I及Q信號實施低通濾波處理2503及藉由直角座標至極座標(RP)轉換2504將其轉換至一相位值。該RP轉換亦可以任意地產生一振幅值。可任意地使該產生相位值Φ₀經高通濾波處理2505。

因此，使用對來自一連串之脈衝對的連續發射的每一頻道所獲得之取樣且在連續脈衝對之脈衝間之相位差具有誘導變化，可重新取得及使用一測量信號之分析形式，以獲得一相位值，以便可檢測在光纖之相關區段上作用之聲波信號所引起之任何相位變化。

返回參考第9圖，該第一連串之脈衝對具有一在連續脈衝對間之交替相位差。連串(2)顯示一交替連串之脈衝對的一範例，其中在連續脈衝對間應用相同相對相位變化。

為了說明，參考在該連串中之第一脈衝的相位來界定每一脈衝之相對相位。因此，該第一脈衝對之第一脈衝具有0°之相對相位。在此第一脈衝對中之第二脈衝相較於此第一脈衝將具有一任意相位差P1，此係由用以產生該等脈衝之光學配置所引起。在一些配置中，在該第一脈衝對中之第一及第二脈衝間的相位差可以是零，亦即，P1=0°。

對於該第二脈衝對，該第一脈衝相較於該第一脈衝對之第一脈衝將具有另一任意相位差P2，其同樣可以是用以產生該等脈衝之光學的函數。當使用相同一般光學配置，產生在每一脈衝對中之脈衝時，將期望該等脈衝間之相同相位差P1亦將存在於該第二脈衝對之脈衝間。

因此，在沒有任何外部調變(或熱漂移)中，可能期望在每一脈衝對中之第一脈衝的相位不同於該前脈衝對之第一脈衝的相位有一相對相位差P2及亦將期望一脈衝對之脈衝間的相對相位差等於P1。

然而，此實施例慎重地在每一脈衝對中之脈衝間採用在連續脈衝對間相異之相位差。在所示之範例中，所採用之相位差係90°之正相位差。該第一脈衝對在該脈衝間產生具有固有相位差，亦即，P1。然而，對於該第二脈衝對，具有一對該第二脈衝施加之相位調變，以引 進一額外90°相位變化。因此，該第二脈衝對之脈衝間的相位差等於P1+90°。關於第三脈衝對，對該第二脈衝所施加之相位調變增加有另外的90°。因此，在該第三脈衝對之脈衝間的相位差等於P1+180°。關於該第四脈衝對，該相位調變增加有另一90°，以致於在該第四脈衝對之脈衝間的相位差等於P1+270°。關於未顯示的第五脈衝對，可將該相位調變重設至0°。

因此在每一連續脈衝對間，該脈衝對之脈衝間的相位差以90°變化。

將察覺到，第9圖描述實施一相位調變，以調變在每一脈衝對中之第二脈衝相位，但是可對在每一脈衝對中之第一脈衝實施相位調變來取代該相位差，或者可對在一脈衝對中之兩個脈衝實施相位調變，以提供所需要之相位差。

可以一些方式來產生在該等脈衝間之相位變化。例如，返回參考第1圖，調變器103可包括一電光調變器(EOM)(例如，一普克斯盒(pockels cell)或液晶電光調變器)，以對該等脈衝之至少一者實施一受控相位變化。因此，調變器103亦可以包括一用以形成該等脈衝之強度調變器。做為一個範例，對於一脈衝對，可控制該EOM，不對要該脈衝對施加相位變化，因而由於該世代光學之固有相位差而以該等脈衝間之任何相位差來傳送該脈衝對。對於一後續脈衝對，該EOM可對該等脈衝中之一或該兩個脈衝施加一相位差，以產生所需之相位差。

第11圖顯示調變器103之一替代範例。將入射光分 成兩個頻道1101及1102，以便分別產生該第一及第二脈衝。以一強度調變器1103調變在頻道1101中之光以形成該第一脈衝。在頻道1102中之光入射在EOM 1104上，其實施一所需的相位調變(其從脈衝對至脈衝對的變化)。然後，以強度調變器1105對該相位調變光實施強度調變。控制強度調變器1103及1104之時間，以便提供該等脈衝之所需持續時間及亦提供該等脈衝間之所需時間間隔。此外或在另一選擇中，在頻道1102中之一延遲1106可以提供該所需時間間隔中之至少部分時間隔(但是，在一些實施例中，較佳的是，該等脈衝之時間間隔係可變的及一固定延遲之使用可能不是適當的)。然後，使具有所需之相位差的兩個脈衝組合至一用於傳輸之輸出線。

當連續脈衝對具有彼此相同之頻率時，可以配置該等脈衝對之發射率成使得一次只有一脈衝對之輻射可到達該檢測器。再者，如同上述實施例，在連續脈衝對間亦可以使用極化區別，以允許一較快更新速率。

在另一實施例中，可以將一第一連串之第一及第二脈衝對(在該對中之脈衝間具有相位差之變化)與一第二連串之脈衝對同時或幾乎同時發射至該光纖中，其中該第一及第二連串具有不同極化狀態。因此，如第12圖所示，可以以一水平線性極化狀態將一第一連串之脈衝對(在連續脈衝對中之脈衝間具有變動相位差)發射至該光纖中。同時或幾乎同時，可以以一垂直線性極化狀態將在連續脈衝對間具有相位變化之一第二連串的脈衝對發 射至該光纖中。因此，該兩個脈衝對將一起朝該光纖下方傳播及將同時從光纖之相同區段產生後向散射信號。例如使用第8圖所示之檢測器配置，可獨立地傳送這些後向散射信號至不同檢測器，以容許從光纖之一既定區段的同時或幾乎同時測量。當該後向散射信號呈現一極化相依時，這樣的同時或幾乎同時詢問可協助避免關於衰減的問題，因為來自兩個連串之信號不會同時衰減。

可以一些不同方式產生具有不同極化狀態之兩個脈衝對。例如，第13圖顯示一可能配置，其中以一極化分光器1301使來自強度調變器1103之一脈衝對分離成為在不同頻道中之水平及線性極化成分。兩個頻道入射在一EOM 1302，其強加適當相位變化至該等脈衝中之至少一者，以在連續脈衝對中引進相對相位差，以及接著使該兩個頻道再組合，以致於該等脈衝在時間上係一致的，以便發射至該光纖中。然而，當兩個脈衝係一致時，兩個脈衝之總光功率應該在該光纖之非線性臨界值以下及因而增加在每一脈衝中可用之功率，其中如第12圖所示，可能使該等實際脈衝稍微錯開。

亦可使用波長分割多工技術，允許1個以上脈衝對同時在該光纖中，以例如增加該感測器之更新速率及/或提供不同感測器解析度或靈敏度。

將察覺到，上述技術依賴具有彼此相同頻率配置之兩個不同脈衝對，它們經由相對於一載波率之發射的時序或在該脈衝對中之脈衝間的相對相位差的直接控制以一在該等脈衝對間之預定相位關係被傳送至該光纖中。 因此，依據本發明之實施例的一連串之脈衝對應該具有相同頻率配置。然而，可使用波長分割技術，同時發射其它連串之詢問脈衝至該光纖中。

第14圖描述在不同時間及不同波長下發射一連串之脈衝。因此，可以在一第一波長λ₁下發射一第一連串之脈衝對，其中在每一脈衝對間具有週期T₁。亦可以在一不同波長λ₂下發射一第二連串之脈衝對至該光纖中，其中在此第二連串之每一脈衝對間具有週期T₂，以及亦可以在一不同波長λ₃下發射一第三連串之脈衝對至該光纖中，其中在每一脈衝對間具有週期T₃。在每一連串中之脈衝的發射間之時間不需要是相同的，亦即，T₁可以不同於T₂及T₃中之至少一者，但是在一些實施例中，該等脈衝對中之至少一些脈衝對的發射率係相同的(亦即，T₁可以等於T₂及/或T₃)，以便在相關連串中之脈衝對維持某一時間關係。

在這樣的應用中，可以配置脈衝對之相對發射時間，以便在該第一連串之一脈衝對與第二連串之一脈衝對的發射間具有一界定時間T₄，以及在該第二連串之一脈衝對與第三連串之一脈衝對間具有一界定時間T₅。可以規律地配置發射間之時間，以便在此範例中，T₄=T₅=T₁/3。如果每一連串之每一脈衝允許從光纖之相同區段的測量，則相較於使用單一脈衝對，此配置有效地從光纖之每一區段增加更新速率至原來的3倍。此在監控光纖之相對長的長度時係特別有利的，其中單一連串之脈衝對的發射率對於感興趣之聲波事件將太慢提供 一更新速率。

然而，在另一實施例中，可以使在每一連串之脈衝對中的脈衝之時序不規律地隔開，亦即，T₄≠T₅，以及T₄及T₅兩者可以是不同於該第三連串之一脈衝與該第一連串之一後續脈衝間之時間。藉由不規律地使每一連串中之脈衝對的時序隔開，光纖之每一感測部分的更新間之時間亦是不同的。某一更新速率比其它更新速率可以允許一些事件之較佳檢測。例如，如果某一聲波事件具有一等於該感測器之更新速率的倍數之頻率，則每次取樣光纖之相關感測部分時，檢測相同回程-此可能造成聲波信號之錯失。然而，如果以不規律間隔取樣光纖之相關區段，則在該等取樣中之至少一者中，因聲波信號所造成之變化係可檢測的。因此，不規律間隔之使用可以有助於事件之檢測。在這樣不規律間隔下所獲得之測量信號的進一步處理能提供一比可經由3個不規律隔開連串之脈衝對的使用獲得之取樣速率高的合成取樣速率。

這些連串之脈衝對中之一或多個可以由包括像在上述實施例中在彼此不同頻率下且具有一相關於該發射率之載波頻率的脈衝之脈衝對所構成，在此情況中，關於該脈衝對之波長可能意指一基本波長。

例如，考量該第一連串之脈衝對。一雷射可能產生波長λ1(例如，1550nm)之光，其對應於一基本頻率ω1(約193.4THz)，接著以一AOM來調變，以提供頻率分別為ω1+f1及ω1+f2之兩個脈衝(f1及f2係針對每一脈衝之該 AO的相關驅動頻率)。配置該AOM之驅動頻率，以便|f ₁-f ₂|(亦即，該載波頻率)係相關於該發射率(1/T₁)，以在一次次發射中在該載波信號中提供所需相位差，亦即，對於90°之相位差，該載波頻率可以等於該發射率之1/4。因此，該載波率可以是數個kHz之級數。

該第二連串(及/或第三連串)依據此實施例亦可以包括脈衝對，亦即，其具有相關於該發射率之頻率差的脈衝。在相關連串之發射率係相同的情況下，此意味著每一連串之脈衝對的載波頻率係相同的，但是該等脈衝之基本頻率係不同的。例如，對於第二連串，該基本波長λ2(例如，1530nm)將對應於一基本頻率ω2(約195.9THz)。可以以一在相同驅動頻率下操作之AOM調變在基本頻率下之光，以提供分別具有頻率ω2+f1及ω1+f2之兩個脈衝。第二連串之載波頻率因而亦將為|f ₁-f ₂|。當然，如果對於該等不同連串使用不同的發射率，則每一連串之載波頻率可能亦因而是相異的。

將注意到，即使調變該連串之脈衝對的脈衝至一不同於該基本頻率之頻率，此調變相較於在波長分割多工方法中所使用之分頻係相對小的(例如，上述波長1550nm及1530nm分別導致基本頻率193.4THz及195.9THz)。因此，通常甚至在DWDM(高密度波長分割多工)方法中使用之不同波長可用以做為不同連串之脈衝對的基本波長及仍然允許來自每一連串之脈衝對的後向散射信號之分離。

該等連串之脈衝對中之至少一者亦可以包括相同頻 率之脈衝，但是如上面關於第9圖所論述，在該等脈衝之每一者間的相位差具有變化。此外，或在另一情況中，至少一連串之脈衝對可包括在不同極化下且在脈衝間具有相位差之變化的一連串同時發射之兩個脈衝對，亦即，如第12圖所示之一連串發射之脈衝對。

將注意到，雖然上面論述聚焦在被發射至該光纖中之脈衝對，但是亦可以有被發射至該光纖中之其它脈衝配置。例如，可在一不同於一連串之脈衝對的波長下發射一連串之單脈衝至該光纖中。

如所述，可使用多連串之脈衝對的以提供比單獨使用單一脈衝對快之更新速率。然而，多連串之脈衝對的使用可以額外地提供在不同空間解析度及/或靈敏度下之感測。

返回參考第3及4圖，將回想到，當使用一包括在時間上相異之第一及第二脈衝的脈衝對詢問該光纖時，任何時刻在該檢測器上所接收之後向散射信號係從被該第一脈衝照射之光纖的第一區段401及從被該第二脈衝照射之光纖的第二區段402所接收之信號。光纖之這些區段的每一者在寬度上等於相關脈衝寬度之一半，以及被稱為標距的該等區段(之前緣)的間隔等於該等詢問脈衝之時間間隔的一半。

如先前所述，影響在光纖之第一及第二區段間之纖維的在光纖上之任何應變因而將造成相位之可檢測變化。亦將察覺到，在光纖之第一區段401或第二區段402中發生之路徑長度的變化將導致來自該等後向散射部位 中之至少一些部位的後向散射信號的相位變化。因此，在該第一及第二區段401及402之區域中發生之任何聲波誘導相位變化係可以檢測的(使用變動程度之靈敏度)。因此，該分散式聲波感測器之最大可達成空間解析度係依該等脈衝之間隔而定且亦依所使用之脈衝的寬度而定。

然而，脈衝結構之配置亦影響其它方面的系統性能。例如，該等脈衝之相對寬度會影響該感測器之信號雜訊比及亦影響可被可靠地監控之感測光纖的有效長度。

對於一以雷利(Rayleigh)後向散射為基礎之分散式聲波感測器，希望在該光纖中避免非線性光學效果。此通常表示，對於光纖之一特定長度，具有一最大功率臨界值，或者換句話說，對該等脈衝之輻射的強度之限制。在任何時間所接收之後向散射量不僅是有關於該等脈衝之強度，而且是有關於該等脈衝之寬度。簡單地說，在一脈衝中光子越多，後向散射量越大，以及如果設定該強度之上限，則唯一增加光子之數目的方法係增加該脈衝長度。因此，使用較寬脈衝，亦即，較長持續時間脈衝，可改善光纖之任何既定區段的信號雜訊比。

然而，使用較寬脈衝會導致光纖之相關區段的相位中心無法良好地界定。

例如，第15圖描述具有不同寬度之脈衝的不同脈衝配置之3個範例。第15圖顯示在光纖內之散射部位，其將促成瞬時信號到達該檢測器。在每一情況中，該第一 脈衝之開始與該第二脈衝之結束間的時間差係相同的。因此，在該光纖內，可能在任何時刻促成散射之光纖的區段之外緣以相同距離隔開。當該後向散射之強度在該脈衝寬度之大小上變化時，第15圖在沿著該光纖之空間長度方面亦描述(虛線)一理想最大強度變化。

第15a圖顯示一具有彼此緊隨之脈衝的範例。因此，可發生散射之光纖的區段1501及1502亦相鄰。第15b圖描述一範例，其中該等脈衝在時間上係分離的及該等脈衝相較於脈衝間之間隙係相對寬的(此導致在任何時刻促成散射信號之光纖的區段1502及1504之相似配置)。第15c圖顯示一範例，其中該等脈衝在時間上係分離的及該等脈衝之寬度相較於脈衝間之間隙係相對窄的及因而，光纖之區段1505及1506(從該等區段可以同時接收分別來自該第一及第二脈衝之散射)相較於它們之間的間隙同樣是相對窄的。

在第15a圖中所示之範例將提供這些脈衝配置之任何配置的最佳信號雜訊比。然而，關於第15圖所述之配置將具有一可變相位中心。

將察覺到，當被該第一脈衝照射時，可能從區段1501內之任何散射部位發生散射，以及同樣地，可能從區段1502內之任何散射部位發生散射。當散射部位之分佈實際上在該光纖內是隨機時，完全可能在光纖之一區段中，散射部位之分佈甚至沒有遍及該區段。該等散射部位可以集中在某些區域。考量在光纖之區段1501的大約中間處發生之路徑長度變化。在此擾動前發生之在區段 1501內之任何散射將顯然沒有經歷該路徑長度變化及因而將沒有導致在該干擾信號中之可檢測相位變化。在該路徑長度變化後發生之來自區段1501的任何散射顯然具有一可能導致在該干擾信號中之可檢測相位變化的相對相位差。如果均勻地分佈該等散射部位遍及區段1501，則來自區段1501之大約一半散射將具有該相關相位變化。然而，如果散射部位之分佈使得在該擾動之位置前發生大部分散射，則來自區段1501之大部分散射可能沒有呈現該相關相位變化及對這樣的擾動之靈敏度因極是相對低的。因此，關於第15圖所述之型態的脈衝配置將傾向於具有一根據散射部位之分佈而大大地變化之靈敏度。

第15b圖所示之範例中所使用之脈衝配置相較於第15a圖之脈衝配置具有一低SNR，但是具有一較佳界定相位中心。第15c圖所示之範例中所使用之脈衝配置具有一更低SNR，但是具有一甚至更佳界定相位中心。

此外，第15c圖及在程度上較少之第15b圖所述之脈衝配置範例提獲得可減少衰減問題之多個多樣性取樣的機會。

此外，第15c圖及在程度上較少之第15b圖所述之脈衝配置範例提獲得可減少衰減問題之多個多樣性取樣的機會。

返回參考第4圖，將回想到，任何時刻在該檢測器上所接收之信號係來自光纖之區段401及來自光纖之區段402的所有散射光之干擾的結果。如先前所述，可實 際考量來自區段401之所有散射干擾，以提供一頻率F1之複合信號，以及考量來自區段402之所有散射干擾，以提供一頻率F2之複合信號。將察覺到，當該等散射部位實際上是隨機分佈時，具有有限的機會：在該光纖中之任何位置上，來自區段401或區段402之散射破壞性地干擾，以致於沒有產生複合信號或只產生一非常低強度複合信號。在此情況下，對來自另一區段之複合信號將沒有可察覺之干擾及不可能在該光纖之那個位置上測定任何相位變化-該信號已衰減。

本發明之實施例藉由使用一包括在時間上分離之脈衝的脈衝配置，亦即，藉由使用第15b及15c圖所述之型態的脈衝對，克服衰減之問題，其中該等脈衝間之間隙等於或大於(至少該第二脈衝之)脈衝寬度。

考量這樣的脈衝對所產生之後向散射信號如何隨著該等脈衝經由該光纖傳播而變化。第16圖顯示在一第一取樣時間T₁，在該檢測器上所接收之信號係起因於來自被該第一脈衝照射之光纖的第一區段1601及被該第二脈衝照射之第二區段1602的散射。在一第二取樣時間T₂，在該檢測器上所接收之信號係起因於被該第一脈衝照射之光纖的第三區段1603及被該第二脈衝照射之光纖的第四區段1604。如果T₁與T₂間之取樣時間等於或大於一個別脈衝之持續時間的一半，則該第一脈衝在不同取樣時間下所照射之光纖的區段1602及1603將是不同的(亦即，沒有重疊)。同樣地，該第二脈衝所照射之光纖的區段1602及1604亦完全是不同的。當來自光纖 之這些不同區段的散射係不相關時，該等脈衝所形成之干涉儀的有效偏置位置亦是不相關的。因此，該後向散射信號強度(來自經由該光纖行進之單一脈衝對)將在脈衝長度之一半級數(亦即，在該光纖內之散射部位的區段之寬度級數)的時間長度上變化。第17圖描述該後向散射強度圖樣及該強度如何可以在該兩個取樣時間T₁及T₂間變化。因此，可將在該等不同取樣時間所獲得之取樣視為多樣性取樣。

實際上，在每一不同取樣時間上，該等散射部位所界定之干涉儀的相位偏置位置係不同的。第18圖顯示後向散射信號強度對相位偏置位置之說明曲線1801-當該等散射部位界定一具有零相位偏置之干涉儀時，亦即，該等後向散射信號係同相時，該強度處於最大值，以及當該相位偏置位置係±180°時，亦即該等信號不同相時，該強度處於最小值。

第18a圖描述在第一取樣時間T₁時之相位偏置位置1802。在光纖之區段1601及1602上之散射部位的分佈將決定相關相位偏置位置。第18b圖描述在第二取樣時間T₂時之相位偏置位置1804。

忽略熱漂移片刻，對於脈衝對之每一連續發射，在相同取樣時間(亦即，在發射後之T₁或T₂)所獲得之取樣(其將稱為一頻道)造成相同相位偏置位置。因此，在沒任何其它調變中，將從連續發射在每一頻道中檢測後向散射信號之相同一般強度。然而，任何聲波誘導相位調變1803將改變輸出信號之相位偏置位置及將導致可被 檢測之該頻道中的輸出強度之變化。在第18a圖中所示之範例顯示一相位偏置位置，其導致一將可被輕易檢測之強度調變。然而，對於第18b圖所示之範例，該頻道對應於一導致一低強度信號之相位偏置位置。第18圖亦描述該感測器之雜訊底線(noise floor)。熟習技藝者將察覺到，將具有某一雜訊底層，其由各種參考來定義，該雜訊底線設定可可靠地被檢測之下信號極限。可看出，從在取樣時間T₂獲得之頻道取樣所產生之輸出信號將大部分被該雜訊底線所遮蔽。

熱變化亦將隨著時間改變不同頻道之相位偏置位置。此熱變化在被監控聲波擾動之時間尺度上係緩慢的及因而，可明確地檢測聲波擾動。然而，熱變化可能隨時間導致一個別頻道之SNR的變化。

返回參考第16圖，因而，可看出，藉由使用一在該等脈衝間具有脈衝持續時間或更長之級數的間隙之脈衝對配置，可設定取樣間之時間，以便每一連續取樣係有關於一實質獨立組散射部位，但是在每一情況中由該等散射部位所界定之光纖的區段大大地重疊。此重疊意味著，可從任一取樣檢測造成在光纖之相關區段中的路徑長度變化之任何聲波信號。因此，如果在每一脈衝對之發射後的一取樣時間T1所獲得之多樣性取樣(亦即，對應於一第一頻道)因該結果干涉儀之相位偏置位置而具有一低SNR，則來自另一取樣時間T₂之多樣性取樣(一第二頻道)可能具有一最佳SNR及可用以測定影響光纖之那個區段的聲波信號。

如第16圖所述，一相較於脈衝間之間隙具有相對窄脈衝的脈衝配置可以允許獲得一些不同多樣性取樣，每一取樣對應於實質獨立散射部位及所有取樣界定部分重疊之光纖的部分。因此，可以獲得複數個多樣性取樣，其對應於光纖之複數個重疊空間感測部分。

因此，可以一速率設定該檢測器之取樣率，以便在該等脈衝在該光纖中傳播有一等於該標距之距離所花費之時間中獲得複數個取樣。相較於從等於該標距之光纖的一區段獲得單一取樣，此可減輕衰減之問題，因為所有取樣位置已衰減之可能性顯然比一個別取樣位置已衰減之可能性更低。因此，藉由在該標距內取得多個多樣性取樣，改善該感測器之SNR。

然而，將注意到，這樣的時間超取樣沒有增加該分散式聲波感測器之可達成最大空間解析度，該空間解析度如上所提及係由脈衝對寬度及間隔所界定。

可以在各種分析量化單元中分析該複數個連續多樣性取樣，每一分析量化單元對應於該光纖之某一界定感測部分，以提供對每一分析量化單元之單一測量。換句話說，考量該脈衝對配置使得該標距為例如10m。此對應於100ns級數之脈衝間隔。因此，該等分析量化單元可以對應於光纖之相連10m區段。該取樣率可能使得例如在後向散射輻射到達該檢測器所花費之對應於光纖之一不同10m區段的時間中獲得10個左右多樣性取樣，亦即該等脈衝在該光纖內移動10m所花之時間的兩倍(以容許該等脈衝於該光纖中移動10m及光返回額外10m 距離之時間)。換句話說，在將該光纖之折射率視為約1.5之情況下，可以以約100mMhz之速率獲得該等取樣。

在此範例中，每一分析量化單元因而可以包括10個頻道，每一連續頻道接收在一脈衝對之發射後所獲得之連續多樣性取樣。因此，每一頻道對應於光纖之一10m區段且該相關10m區段在每一頻道間移位1m，以及將以該等脈衝對之發射率更新每一頻道。因此，可以將該相關分析量化單元所屬之光纖的區段界定為光纖之10m，其係在對應於該等分析量化單元之所有頻道的光纖之長度的中間。換句話說，如果該分析量化單元之第一頻道界定光纖之一從位置x至x+10m之10m區段，以及該第二頻道界定一從x+1m至x+11m之區段等等，直到第10頻道界定一從x+9m至x+19m之區段為止，則可將該分析量化單元界定為有關於從x+4.5m至x+14.5m之光纖的區段。顯然，在此方式中將該等頻道分組成量化單元確實表示，任何影響對應於一分析量化單元之光纖的一區段之調變在一相關分析量化單元中亦將具有作用。此確實對空間解析度具有影響，但是該多樣性處理方法之優點補償這樣的空間解析度之減少。

可以許多不同方式實施用以產生對一分析量化單元之單一測量值的分析。

例如，該處理可以包含平均來自構成該分析量化單元之所有頻道的取樣及使用該平均取樣值來測定該分析量化單元之相位值。

然而，在本發明之實施例中，使用一品質度量評估 在該等個別頻道中之多樣化取樣及在組合來自該等不同頻道之取樣中使用該評估之結果。

在本發明之實施例中，處理在每一頻道中之多樣性取樣，以測定那個頻道之相位值、使用一品質度量評估每一頻道之結果相位值以及然後，測定該分析量化單元之組合值。

因此，在此實施例中，可以分別處理每一頻道，以測定那個頻道之相位值。可以使用標準解調技術針對每一頻道測定該相位值。例如，當使用依據上面第5圖所述之實施例的脈衝對時，可以應用一解調方法至如第6圖所述之每一頻道。當使用依據第9或12圖所述之實施例的脈衝對時，該等檢測信號例如固有地包括I及Q成分，其可經低通濾波處理及以直角座標至極座標轉換被轉換至一相位值或否則被轉換至I及Q成分。

這樣處理之結果為每一頻道之一相位值，以及任選地，是一振幅值。

可以使用每一頻道之AC對DC比做為該相關頻道之信號雜訊比的指示。因此，可以考量對於該等頻道之此比率來組合該等頻道之相位值。一相對高比率可能表示一相對高SNR，而一低數值可能表示一低SNR。因此，可以拋棄從具有在一臨界值以下之AC對DC比值的頻道所獲得之相位值。此外或在另一選擇中，在形成該組合值中，可以對該等相位值提供加權且該加權係至少部分根據AC對DC比。

在一實施例中，可以依據一根據來自每一頻道之信 號的自我相似性的程度之品質度量來分析針對該等頻道所獲得之相位值。對於大部分應用，可假設在從光纖之重疊感測部分獲得多樣性取樣之情況下，作用在該光纖上之那個一般位置的任何聲波擾動將在每一頻道中導致實質相同相位調變。因此，可以彼此比較所有頻道之所有處理相位值，以測定來自每一頻道之結果彼此如何相似。可將呈現高程度之相似性的頻道視為測量相同刺激，而一顯著不同於其它頻道之頻道實際由雜訊支配的。

因此，一品質度量可以應用至對每一頻道所測定之相位值，以便測定其它頻道之自我相似性的程度。然後，可以使該等相位值與一根據此品質度量對每一相位值所施加之適當加權組合。換句話說，在該組合中可以提供相對高加權給彼此非常相似之相位值，而在該組合中可以提供相對低加權給彼此很少相似之相位值。在此方式中，該組合提供更多加權給良好品質取樣及較少加權給不良品質取樣，以及因此，相較於傳統組合技術，改善信號雜訊比。

藉由比較對一頻道所測定之相位值與對其它頻道所測定之相位值，可以測定一取樣與其它取樣之自我相似性的程度。較佳地，使用一相對簡單且直接相關性來最小化處理負擔(processing overhead)。

在一實施例中，使用一第一度量M1來測定在比較頻道中之信號的變化之相似性。應用至來自頻道A及B之信號A及B的度量M1可以是下面形式： M1(A,B)=(A-<A>)．(B-<B>) 方程式(1)

此度量可對一具有大DC成分之信號提供一大結果。因此，有利地，可以使用一第二度量M2來決定兩個信號間之強度差的測量。該度量M2可以下面形式：M2(A,B)=((A-<A>)-(B-<B>))² 方程式(2)

這兩個度量可以針對在該分析量化單元中之頻道的每一組合來計算及用以測定彼此最相似之頻道。單一總度量M_Q可以由下面來計算：M_Q(A,B)=M1(A,B)-M2(A,B) 方程式(3)

然後，可以使用該計算品質度量M_Q之數值來測定最自我相似之那些頻道。

第19圖顯示如何針對在一分析量化單元中之各種頻道測定相關相位值。

在一分析量化單元中之n個頻道的每一者之I及Q成分可以被接收及經歷低通濾波1901處理，以獲得I及Q值。接著，將這些I及Q值以直角座標至極座標轉換1902轉換至一相位值Φ及一振幅值A。在後續處理1903中可以使用來自每一頻道之相位值Φ及振幅值A，以測定自我相似性。使每一頻道之相位值Φ經過一濾波器1904，以實施時間平均及產生一平均相位值<Φ>。接著，可以處理每一頻道之相位值Φ及平均相位值<Φ>，以測定上述度量。一旦已識別自我相似之頻道，可使來自該等相關頻道之相位值組合。然而，當該度量處理花費一些時間時，亦可以使每一頻道之相位值Φ經過一緩衝器1905做為一延遲。該延遲相位值Φ_d可用以做為要組合之 數值。在一實施例中，該組合包含組合目前與平均相位值間之差異及因而，亦可以使該延遲相位值Φ_d經濾波處理1904，以產生一亦可使用於該組合中之平均值。注意到，顯示相同濾波器區塊1904作用在該相位值及延遲相位值，以提供該等相關平均值。然而，將察覺到，實際上可以應用個別濾波器。

在一實施例中，該後續處理決定頻道之每一組合的度量及選擇對於組合是最自我相似之一預定數目的頻道。換句話說，該方法可以包括從在該分析量化單元中可用之n個頻道選擇m個最自我相似之頻道。側如，如果在該分析量化單元內具有10個頻道，亦即n=10，則可以從該等頻道選擇要被組合之5個最自我相似結果(m=5)。

被選以形成該組合相位結果之頻道的數目對於每一分析量化單元可能是相同的且隨著時間是固定的。此可以使後處理之部分變得容易，因為每一組合相位值係由相同數目之個別取樣所構成。亦將對該感測器確保一固定雜訊底線。然而，在一實施例中，在該組合中所使用之頻道的數目可由該詢問器單元之使用者來配置。

圖描述以該度量為基礎之處理的一個實施，以選擇該M個最自我相似頻道。對每一頻道接收相位值Φ及平均相位值<Φ>。對於每一頻道，測定用於與每一其它頻道組合之度量M_Q，以形成度量等級(metric score)之矩陣2001。在僅度量之程度大小重要的是對每一個通道結合的度量需只被計算一次，即度量M_Q(A,B)將等同於M_Q(B, A)。

對於每一頻道，此結果實際上是其它頻道之每一者的一連串之等級。在此階段，可以識別一頻道之一預定數目X的最高度量等級。例如在一長條統計圖型態配置中可以識別及計數那些最高度量等級之對應頻道。因此，對於例如頻道1，如果該最高X度量包括來自與頻2、5及6之組合的度量，則使頻道2、5及6之長條統計圖總數增加1。對於所有頻道，可重複此程序。然後，該長條統計圖將指示哪些頻道係最相似於其它頻道及可以選擇具有該最高直流統計圖總數之M個頻道用於組合。

對於每一被選頻道，在該組合中使用該延遲相位值Φ_d，以便組合資料係與該等度量之計算所根據之資料相同。在一實施例中，對於每一被選頻道，該組合係加總：

其中W_i係該頻道之一任選加權。例如，該加權W_i可根據該長條統計圖總數。

第21至23圖顯示來自從一以第2圖所示之形式的脈衝對詢問之分散式聲波感測器獲得之複數個多樣式取樣頻道的一些處理資料。以80MHz取樣該檢測器，以提供1.25m間隔之多樣性頻道及以一脈衝調變來刺激該光纖。在一分析量化單元中將8個連續多樣性頻道聚集在一起。

第21圖之上圖隨著時間顯示來自每一頻道之解調相位資料。從原始相位資料可看出，數個頻道顯示一約3弧度振幅調變之脈衝相位，但是其它頻道顯示一具有 較低振幅之更不清楚信號。第21圖之下圖對於一頻道顯示那個頻道與每一其它頻道之計算相似性度量M_Q。可看出，對於該被選頻道，其相較於數個頻道具有一相對高度量等級，但是其它頻道(在此情況中，係為雜訊頻道之頻道)之度量係低的。

第22圖再次顯示針對該8個多樣性頻道之每一者所得之相位資料。第23圖顯示依據上述方法處理後之輸出，亦即，該結果輸出相位波形。可看出，該輸出波形係一與大部分頻道之波形相配之乾淨波形(clean waveform)。因此，結果是具有良好信號對雜訊特性及非常低衰減變化的分析量化單元之組合相位值。

如上所述，選擇要組合之一預定數目的頻道意味著，每一分析量化單元之雜訊特性通常可以是相同的及可以隨著時間保持固定。然而，其它配置係可能的-例如，一品質度量可應用至每一頻道之相位值，以測定對其它頻道之自我相似性的程度，以及可以組合彼此充分相似之所有相位值。例如，可以將該等頻道分組成數組，其中在該組中之每一頻道組合的度量係在某一臨界值以上。接著，可以選擇這樣最大的組用於組合。

因此，如果在任何時間10個頻道有8個頻道彼此相似，例如，等級充分高，則可以組合這8個頻道，但是對於另一分析量化單元(或對於在不同時間之相同分析量化單元，其中熱變動可能已改變頻道特性)，如果只有4個頻道彼此相似，則可以只組合這4個頻道。

改變在該組合中所使用之頻道的數目將影響該系統 之雜訊特性，但是可以適當校正來處理。該處理電路亦可以提供在實施該結合中所使用之一分析量化單元的頻道之數目的指示。

亦將察覺到，該分析量化單元之相位中心可以依據用於組合所實際選擇之頻道而變化。例如，在一具有10個頻道之分析量化單元中選擇5個頻道用於組合，則如果前5個頻道係這些被選頻道，將使該結果組合取樣之相位中心偏斜至該分析量化單元之一側。因此，該處理電路亦可以配置成用以提供該等相關頻道之指示或至少在該組合中所使用之頻道的分佈及/或相位中心之估計。

上述度量尋找在該分析量化單元中之頻道的解調相位值之自我相似性。此依賴這樣的假定：該等各種頻道之每一者經歷一般刺激。此在大部分實例中是一合理假定，但是它對於一些精準應用或可能期望具有高波數之入射波的情況可能不是充分的。在這樣的情況下，可能期望在評估前對每一頻道之相位值施加一些時間調整，以考量聲波刺激之到達的方向，亦即，實施一些波束形成型態技術。

上述實施例使用脈衝對，其中甚至在該感測器之基頻內，不同脈衝對具有不同相位編碼，以恢復一可用相位調變信號。此避免非常高載波頻率之需求及非常快速成分之後續需求。

雖然上述實施例描述處理每一頻道，以針對該解調測量信號測定一相位及可能測定一振幅值，但是亦可以使用該後向散射信號本身之實際振幅(亦即，在處理前) 做為一基本度量。此平均強度可以隨著時間被測定及用以為那個頻道之SNR的指示。返回參考第18圖，顯然，該平均強度係依適用於那個頻道之相關相位偏置位置而定。可以拋棄具有在某一臨界值以下之SNR(亦即，具有在某一臨界值以下之平均強度)的取樣，以避免這些取樣之處理的需求，因而節省處理負擔。

100‧‧‧詢問器單元

101‧‧‧光纖

102‧‧‧雷射

103‧‧‧光調變器

104‧‧‧循環器

105‧‧‧光檢測器

106‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)

107‧‧‧處理電路

201‧‧‧第一脈衝

202‧‧‧第二脈衝

301‧‧‧線

302‧‧‧線

303‧‧‧線

304‧‧‧線

401‧‧‧第一區段

402‧‧‧第二區段

701‧‧‧可變極化器元件

801‧‧‧極化元件

802‧‧‧檢測器

803‧‧‧檢測器

804‧‧‧極化調變器

1001‧‧‧曲線

1002‧‧‧曲線

1003‧‧‧曲線

1101‧‧‧頻道

1102‧‧‧頻道

1103‧‧‧強度調變器

1104‧‧‧EOM

1105‧‧‧強度調變器

1106‧‧‧延遲

1301‧‧‧極化分光器

1302‧‧‧EOM

1501‧‧‧區段

1502‧‧‧區段

1503‧‧‧區段

1504‧‧‧區段

1505‧‧‧區段

1506‧‧‧區段

1601‧‧‧區段

1602‧‧‧區段

1603‧‧‧區段

1604‧‧‧區段

1801‧‧‧說明曲線

1802‧‧‧相位偏置位置

1803‧‧‧聲波誘導相位調變

1804‧‧‧相位偏置位置

1901‧‧‧低通濾波

1902‧‧‧直角座標至極座標轉換

1903‧‧‧後續處理

1904‧‧‧濾波器

1905‧‧‧緩衝器

2001‧‧‧度量等級之矩陣

2501‧‧‧開關

2502‧‧‧高通濾波器

2503‧‧‧低通濾波

2504‧‧‧直角座標至極座標(RP)轉換

2505‧‧‧高

A‧‧‧振幅值

d1‧‧‧持續時間

d2‧‧‧持續時間

L_G‧‧‧標距

P1‧‧‧相位差

T₁‧‧‧週期

T₂‧‧‧週期

T₃‧‧‧週期

Ts‧‧‧分隔時間

△P‧‧‧相位差

Φ‧‧‧相位值

Φ₀‧‧‧相位值

Φ_d‧‧‧延遲相位值

<Φ>‧‧‧平均相位值

λ₁‧‧‧波長

λ₂‧‧‧波長

λ₃‧‧‧波長

第1圖描述一分散式聲波感測器之一般組件；第2圖描述在本發明之實施例中所使用之一詢問脈衝對配置；第3圖描述這樣的脈衝對如何設定該感測器之最大空間解析度；第4圖描述在該光纖內之後向散射信號的起源；第5圖描述依據本發明之一實施例的來自一連串之脈衝對的發射之回程；第6圖描述一感測器頻道之檢測信號的處理之一實施例；第7圖描述用以產生具有不同極化狀態之脈衝對的一實施例；第8圖描述用以獨立地檢測來自不同極化狀態之脈衝對的後向散射信號之一檢測器的一實施例；第9圖描述在本發明之另一實施例中所使用的數連串之脈衝對的兩個範例；第10圖描述在該檢測器上所接收之信號上的一脈衝對中之脈衝間的90°相對相位變化之效果； 第11圖描述用以在一脈衝對之脈衝間產生一受控相位調變的一調變器配置之一實施例；第12圖描述在不同極化狀態下所同時產生之在衝間具有相位差之變化的兩個脈衝對；第13圖描述用以如第12圖所示產生同時脈衝對之一實施例；第14圖描述以不同波長發射之不同連串的脈衝對；第15圖描述脈衝對配置之3個範例；第16圖描述用以產生空間多樣性取樣之時間超取樣的原理；第17圖描述對於單一脈衝對之一範例後向散射強度信號對取樣時間；第18a及18b圖描述空間多樣性取樣如何可避免衰減之問題；第19圖描述在一分析量化單元中處理一多樣性取樣，以產生每一頻率之相位值；第20圖描述如何針對組合選擇在一分析量化單元中之一些被選頻道；第21圖顯示針對一分析量化單元之頻道所計算之相位值及針對一頻道與其它頻道之相似度所測定之結果品質度量的一範例；第22圖顯示針對一分析量化單元之頻道所計算之相位值的另一範例；第23圖顯示該分析量化單元之組合波形的一範例；第24圖描述來自像第9a圖所示的一連串之脈衝對 的發射之回程；以及第25圖描述一感測器頻道之像第24圖所述之檢測信號的處理之一實施例。

101‧‧‧光纖

1601‧‧‧區段

1602‧‧‧區段

1603‧‧‧區段

1604‧‧‧區段

T₁‧‧‧週期

T₂‧‧‧週期

Claims (56)

1. 一種分散式光纖感測器裝置，包括：一光源，其係配置成在使用中發射詢問輻射至一光纖中；一取樣檢測器，其配置成在使用中取樣從該光纖內後向散射之詢問輻射；以及一處理器，其配置成用以測定該光纖之至少一空間感測部分的任何相位調變，其中該處理器係配置成：取得對應於在每一發射後從一感興趣空間感測部分之至少一部分後向散射之輻射的複數個取樣；將該複數個取樣分成複數個處理頻道；處理該複數個處理頻道之至少一些處理頻道，以測定該頻道的至少相位資料；對來自該等處理頻道之該資料實施一品質度量；以及根據實施該品質度量之結果組合對該等頻道測定的相位資料成為該感興趣空間感測部分之一總相位值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該品質度量包括關於在一既定頻道之相位資料與來自其它已處理頻道之相位資料間的相似性程度之測定。
3. 如申請專利範圍第2項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置成分析來自該等頻道之相位 資料，以測定是否來自一個頻道之結果相似於來自其它頻道之結果。
4. 如申請專利範圍第3項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器根據來自一個頻道之相位資料如何相似於來自另一頻道之相位資料來測定分數。
5. 如申請專利範圍第2項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以使來自一頻道之相位資料與來自其它頻道之相位資料相關聯。
6. 如申請專利範圍第2項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以藉由針對每一頻道測定目前相位值相較於那個頻道之平均相位值的變化之程度，測定來自兩個頻道之相位資料間的相似性之程度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以針對兩個頻道之每一組合測定一如下式之第一度量：M1(A,B)=(A-<A>)．(B-<B>)，其中A及B係來自該頻道之目前資料值以及<A>及<B>係來自該等頻道之資料的平均值。
8. 如申請專利範圍第7項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以藉由針對兩個頻道之每一組合測定一如下式之第二度量，決定在兩個頻道中之相位資料間的差異之大小的測量：M2(A,B)=((A-<A>)-(B-<B>))²。
9. 如申請專利範圍第8項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以藉由測定該第一及第二 度量間之差異，測定兩個頻道之每一組合的一總品質度量。
10. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以根據該品質度量對來自每一處理頻道之相位資料實施一加權及依據該加權組合來自該等頻道之相位資料，以提供該總相位值。
11. 如申請專利範圍第10項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置成，給予來自彼此相似性相對較高之頻道的相位資料之加權，比彼此相似性相對較低之已處理相位值相對高。
12. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置成只使用來自該等處理頻道之一支組的已處理相位資料，形成該總相位值，其中該支組是根據該品質度量。
13. 如申請專利範圍第12項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該支組之頻道包括一預定數目之頻道。
14. 如申請專利範圍第13項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該預定數目之頻道係可由該裝置之使用者配置的。
15. 如申請專利範圍第12項所述之分散式光纖感測器裝置，其中包括該支組之頻道的數目根據該等頻道之相位資料係可變的。
16. 如申請專利範圍第15項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以根據該品質度量測定來自每一頻道之相位資料的分數及在該組合中使用具有 在一臨界值以上之分數的任何相位資料，以產生該總相位值。
17. 如申請專利範圍第15項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以指示在該組合中用以產生該總相位值之相位資料的頻道之數目。
18. 如申請專利範圍第14項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以根據在該組合中用以產生該總相位值之資料的頻道之數目校正該總相位值。
19. 如申請專利範圍第15項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以提供下列中之至少一者的指示：用以產生該總相位值之相位資料的特定頻道及用以產生該總相位值之相位資料的頻道之分佈。
20. 如申請專利範圍第15項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置成根據用以產生該總相位值之相位資料的頻道提供該感興趣感測部分之相位中心的估計。
21. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以在實施該品質度量前，對每一頻道之相位資料實施一時間調整，以考量聲波刺激之到達的方向。
22. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以測定每一處理頻道之相位資料及振幅資料。
23. 如申請專利範圍第22項所述之分散式光纖感測器裝置，其中實施該品質度量包括測定來自每一頻道之振 幅資料的AC對DC比率。
24. 如申請專利範圍第23項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該AC對DC比率係用以作為對此頻道之信號雜訊比的指示。
25. 如申請專利範圍第23項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以拋棄來自具有在一預定臨界值以下之AC對DC比率的頻道之任何相位值。
26. 如申請專利範圍第23項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以根據每一頻道之該AC對DC比率對來自那個頻道之相位資料實施一加權及考量該加權來形成該總相位值。
27. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置成處理該複數個頻道之每一頻道，以測定一相位值。
28. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以估計一頻道之信號對雜訊比以及，如果該信號雜訊比在某一臨界值以上，則只處理在那個頻道中之資料，以測定相位值。
29. 如申請專利範圍第28項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該處理器係配置用以使用在每一頻道中之多樣性取樣的平均強度做為信號對雜訊比之估計。
30. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中對應於該感興趣感測部分之該複數個取樣的大部分取樣係實質獨立多樣性取樣。
31. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝 置，其中獲得該複數個取樣，以便對於每一取樣，在該檢測器上可從光纖之每一作用區段接收來自一脈衝之詢問輻射的一後向散射信號之該每一作用區段係實質無關於該等複數個取樣之大部分剩餘取樣的對應作用區段。
32. 如申請專利範圍第31項所述之分散式光纖感測器裝置，其中在使用中，獲得該複數個取樣，以便對於每一取樣，每一該作用區段係實質無關於該等複數個取樣之75%或以上剩餘取樣的作用區段。
33. 如申請專利範圍第31項所述之分散式光纖感測器裝置，其中一取樣之光纖的每一該作用區段相較於在該複數個取樣內之任何其它取樣的對應作用區段間之重疊的程度是50%或是低於50%。
34. 如申請專利範圍第31項所述之分散式光纖感測器裝置，其中一個取樣之光纖的每一個該作用區段相較於在該複數個取樣內之任何其它取樣的對應作用區段間之重疊的程度是25%或是低於25%。
35. 如申請專利範圍第31項所述之分散式光纖感測器裝置，其中每一個取樣使每一個該作用區段係實質無關於該複數個取樣之所有剩餘取樣的對應作用區段。
36. 如申請專利範圍第31項所述之分散式光纖感測器裝置，其中配置該光源，以便該詢間輻射包括至少一具有一第一脈衝持續時間之第一脈衝，以及配置該取樣檢測器，以便取樣間之時間差大於該複數個取樣之大部分取樣的第一脈衝持續時間。
37. 如申請專利範圍第36項所述之分散式光纖感測器裝置，其中配置該取樣檢測器，以便該複數個取樣中之任何兩個取樣間之時間差係該第一脈衝持續時間之至少50%。
38. 如申請專利範圍第36項所述之分散式光纖感測器裝置，其中配置該取樣檢測器，以便該複數個取樣中之任何兩個取樣間之時間差係該第一脈衝持續時間之至少75%。
39. 如申請專利範圍第36項所述之分散式光纖感測器裝置，其中配置該取樣檢測器，以便該複數個取樣中之任何兩個取樣間之時間差係至少等於該第一脈衝持續時間。
40. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該檢測器之取樣率使得可直接使用一連串之連續取樣做為對應於一感興趣感測部分之該複數個取樣。
41. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該檢測器之取樣率係配置用以在該詢問輻射在該光纖中行進一等於該感興趣感測部分之長度的兩倍之距離所花費之時間中獲得複數個取樣。
42. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該檢測器之取樣率係100MHz或是高於100MHz之級數。
43. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中配置該光源，以便該詢問輻射包括其間具有 一間隙之一第一脈衝及一第二脈衝。
44. 如申請專利範圍第43項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該第一及第二脈衝間之持續時間等於或大於該第一脈衝及/或該第二脈衝之脈衝持續時間。
45. 如申請專利範圍第44項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該第一及第二脈衝間之持續時間係至少兩倍於該第一脈衝及/或該第二脈衝之脈衝持續時間。
46. 如申請專利範圍第43項所述之分散式光纖感測器裝置，其中配置該光源，以便該脈衝對之脈衝於其間具有一頻率差。
47. 如申請專利範圍第1項所述之分散式光纖感測器裝置，其中該光源係配置用以重複地發射脈衝對至該光纖中，其中在連續發射中之脈衝對具有彼此相同頻率配置及係產生成使得一個脈衝對之脈衝的相位關係對一連續脈衝對之相位關係具有一預定相對相位差。
48. 一種分散式光纖感測之方法，包括：發射詢問輻射至一光纖中；取樣從該光纖內後向散射之詢間輻射；以及測定該光纖之至少一空間感測部分的任何相位調變，其中測定任何相位調變之步驟包括：取得對應於在每一發射後從一感興趣之空間感測部分的至少部分後向散射之輻射的複數個取樣；將該複數個取樣分成複數個處理頻道；處理至少一些該複數個處理頻道，以測定該頻道 之相位資料；對該等已處理頻道實施一品質度量；以及根據實施該品質度量之結果，組合該等頻道之已測定相位資料成為該感興趣之空間感測部分的一總相位值。
49. 如申請專利範圍第48項所述之方法，其中實施該品質度量之步驟包括測定一既定頻道之相位資料與來自其它已處理頻道之相位資料之間相似性的程度。
50. 如申請專利範圍第49項所述之方法，其中藉由使來自每一頻道之相位資料與來自其它頻道之相位資料相關聯，測定來自該等頻道間之相位資料間的相似性之程度。
51. 如申請專利範圍第48項所述之方法，其中以一根據該品質度量之實施結果對每一已處理頻道之相位資料所實施之加權組合來自該等頻道之相位資料。
52. 如申請專利範圍第48項所述之方法，其中根據該品質度量，選擇只有來自該等頻道之一支組的該等相位值，以形成該組合相位值。
53. 如申請專利範圍第48項所述之方法，其中對應於該感興趣之感測部分的該複數個取樣之大部分取樣係實質獨立多樣性取樣。
54. 如申請專利範圍第53項所述之方法，包括發射詢問輻射及取樣該已檢測後向散射輻射，以便對於每一取樣，從光纖之每一作用區段可接收來自一脈衝之詢間輻射的一後向散射信號的該每一作用區段係實質無關 於該複數個取樣之大部分剩餘取樣的對應作用區段。
55. 一種處理從一分散式光纖感測器所獲得之資料以測定任何相位調變之方法，包括下列步驟：取得對應於在發射詢問輻射至一光纖中後從該光纖之一感興趣空間感測部分的至少部分後向散射之輻射的複數個取樣；將該複數個取樣分成複數個處理頻道；處理至少一些該複數個處理頻道，以測定該頻道之相位資料；對該等已處理頻道實施一品質度量；以及根據實施該品質度量之結果，組合該等頻道之已測定相位資料成為該感興趣空間感測部分之一相位值。
56. 一種在一分散式光纖感測器中之詢間輻射的使用，以允許複數個主要獨立多樣性取樣之獲得，該詢問輻射包括以一大於脈衝寬度之間隙分隔之兩個脈衝。