[发明专利]光学感测的方法及装置

说明书

本申请涉及光学感测的方法及装置。本发明提供了用于快速定量测量沿着一段光纤传输、反射和/或散射的光场的扰动的新颖的装置及方法。本发明可以用于点传感器以及分布式传感器或两者的结合。特别地，这种技术可以应用于分布式传感器，同时显著地提高速度和灵敏度以允许检测沿一段光纤的任何地方的声波扰动，同时达到良好的空间分辨率。本发明在较广范围的声学感测和成像应用中提供了独特的优势。典型的用途是用于监测油井和气井，以用于诸如分布式流量计量和/或成像；地震成像，监测长电缆和管道；在大型容器内部成像以及安全应用。

本申请是申请日为2010年5月27日，申请号为201610225290.9，发明名称为“光学感测的方法及装置”的申请的分案申请。

申请日为2010年5月27日，申请号为201610225290.9，发明名称为“光学感测的方法及装置”的申请是申请日为2010年5月27日，申请号为201080033359.9，发明名称为“光学感测的方法及装置”的申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及光学传感器，并且特别地，涉及分布式光纤传感器及其应用。

发明背景

已在许多感测应用中证明了光纤的益处。两个主要领域是：(ⅰ)分布式光纤传感器，和(ⅱ)多路复用点传感器阵列。

分布式传感器利用反向散射光的强度，并利用光信号中的拉曼(Raman)峰值和/或布里渊(Brillouin)峰值来测量温度、张力或压力。分布式传感器提供了许多优点，包括沿光纤的全部长度连续感测，和传感器的灵活性及简易性，这可能是标准的电信光纤。例如，分布式传感器可以1m的空间分辨率沿10km的光纤提供10000个测量点。因此分布式传感器系统提供了较低的安装成本和所有权成本。

然而，由于其缓慢的响应，分布式传感器通常仅使用在可接受在数秒至数小时内进行测量的应用中。最常见的这种类型的传感器是分布式温度传感器(DTS)，分布式温度传感器由许多公司制造。DTS的典型性能是在10km范围在60秒内具有1m的空间分辨率和1℃的温度分辨率。

如在第6,555,807号美国专利[1]或第WO98/27406号专利[2]中所描述的，通过利用在反射光或反向散射光中的布里渊偏移，分布式传感器还被用来测量张力。所述布里渊偏移的频率大约是1MHz/10με以及其线宽大约为30MHz。使用所描述的窄频扫描方法可以确定沿着光纤的张力在10με的量级。然而，使用这些方法，扫描率比脉冲重复率慢很多，且测量时间通常在几秒至几分钟的范围内。

最近，一种利用布里渊频率偏移的快速测量技术已在第7,355,163号美国专利[3]中提出。这种技术使用频率-振幅转换器，其可以是在输出端具有3×3个耦合器的光纤马赫曾德尔干涉仪的形式。然而，应变分辨率受到布里渊光的线宽的限制，因此在干涉仪中的光路长度差应该保持在布里渊光的相干长度内。另外，在干涉仪的两个光路之间的偏振衰减、光电探测器接收机的偏移和增益变化将极大地限制张力测量。具有50με应变分辨率的在大约0.1秒(10Hz)的测量时间最近已经被报道使用了此技术。

对于许多应用，如声波感测，需要更高的灵敏度和在1毫秒(1kHz)，0.1毫秒(10kHz)或0.01毫秒(100kHz)的量级的更快的测量时间。

多路复用点传感器提供具有高灵敏度的快速测量并被用于如水听器阵列中。这些在能源市场中的主要应用是用于拖拽阵列和海底地震阵列。然而，与分布式传感器不同，当需要全面覆盖时不能使用多路复用点传感器。感测元件的大小和位置是固定的，并且在单个光纤上多路复用的传感器的数量通常被限制在50至100个元件。另外，该传感器设计依赖于附加的光纤部件，这导致庞大且昂贵的阵列结构。也做出了相当大的努力来增加可以有效地多路复用在单根光纤上的传感器的数量。