[发明专利]分布式光学感测系统和方法

说明书

一种分布式光学检测系统，其包括：宽带光源；以及相位和振幅接收器，用于测量来自感测介质的分布式反向散射信号的相位和振幅。还公开了以分布式方式定量地感测沿感测介质的光路长度变化的方法。

本申请是国际申请号为PCT/AU2018/050775，国际申请日为2018年07月26日、发明名称为“分布式光学感测系统和方法”的PCT申请于2020年01月16日进入中国国家阶段后申请号为201880047418.4的中国国家阶段专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于对光学透明介质中的光路长度变化进行定量和分布式测量的系统和方法，并且具体地涉及用于沿光学透明介质中的光路对光学相位变化进行定量和分布式测量的系统和方法。

开发本发明主要是为了用于对由声能、弹性能、地震能、振动能、热能或动能引起的沿光纤的光路长度变化进行定量和分布式感测的方法和系统，下面将参考本申请进行描述。然而，将理解的是，本发明不限于该特定使用领域。

背景技术

整个说明书中对背景技术的任何讨论决不应被视为承认此类背景技术是现有技术，也不是承认此类背景技术在澳大利亚或世界范围内是众所周知的或形成该领域公知常识的一部分。

本说明书中引用的所有参考文献(包括任何专利或专利申请)均通过引用结合于此。不承认任何参考文献构成现有技术。参考文献的讨论陈述了其作者的主张，而申请人保留对所引用文献的准确性和相关性提出质疑的权利。应当清楚地理解，尽管本文引用了许多现有技术出版物，但是这种引用并不意味着承认这些文献中的任何一个构成了无论是在澳大利亚还是在任何其他国家的本领域公知常识的一部分。

在将干扰检测应用于周边或基础设施安全时，通常只需要对单个干扰点进行检测和定位(无需定量测量)。授予Sikora的美国专利号US 7995197 B2公开了一种用于检测光纤上的奇异干扰的连续波非相干光源，而没有教导如何沿光纤定位干扰点。授予Healey的美国专利号US 8670662 B2扩展了Sikora的教导，提出了如何通过调频装置来定位这种奇异干扰的方法。但是，Sikora和Healey都通过仅使用一个不能直接测量相位的强度检测器仅依靠检测反向散射光的强度变化来检测干扰。光纤上干扰的大小与所导致的强度波动之间存在高度非线性和非唯一的关系。因此，在实际操作中不可能准确无误地测量光路长度变化(或其他物理参数，如应变)。此外，Sikora建议使用多个干扰独特的频谱特征来区分它们。这需要对干扰有先验知识，以便定位多个干扰。因此，由Sikora和Healey教导的方法没有提供例如测量感测介质内的多个光路长度变化的分布式感测装置。

例如，如授予Udd的美国专利号US 6459486 B1和授予Vakoc的欧洲专利号EP1496723 B1所教导的，基于Sagnac的光纤感测系统可以使用宽带光源或非相干光源工作。但是，它们依靠双向或反向传播的光路来利用萨尼亚克效应，并且显然不能扩展到分布式反向散射的情况，其中不提供对感测光纤两端的访问。

最近，诸如地震或声波录制之类的其他应用需要先进的系统设计，以使得能够对沿光纤的光纤应变变化进行定量、高度灵敏和分布式测量。该技术的应用包括：油气田的地震剖面分析；水力压裂储层增产过程中的微震监测；岩土地面勘测；和流体流量测量。支持这些应用的技术进步导致所用系统的成本和复杂性增加。

分布式声学感测(DAS，也称为分布式振动感测)是一种使用来自光学透明感测介质(通常是光纤)的瑞利反向散射来以分布式方式测量感测介质的物理特性沿该感测介质的整个长度的微小变化的方法。因此，如本说明内容中所使用的，分布式感测或分布式声学感测(DAS)被定义为一种技术，该技术使得能够连续、实时测量沿着感测介质的整个长度(即，沿着光路的每个点处)的分布式反向散射光信号的幅度和/或相位。