光纤分布测量系统及用于光纤分布测量的信号处理方法与流程

1.本公开涉及一种光纤分布测量系统和用于光纤分布测量的信号处理方法。


背景技术：

2.关于分布式光纤传感(distributed fiber optic sensing，dfos)及其各种应用，特别是在油井中的应用特别地受到关注。在此类应用中，通过分布式声学传感(distributed acoustic sensing，das)可将瞬时变化有效地测量为声波(声学振动)(以下可称为弹性波测量)。对于逐渐变化的温度或应变，基于可调波长同调光时域反射器(tunable wavelength coherent optical time domain reflectometry，tw-cotdr)(以下可称为可调波长cotdr)的分布式温度和应变传感(distributed temperature and strain sensing，dtss)(以下可称为温度-应变分布测量)已应用于实际情况中。
3.另一方面，在用户中存在着从数天至数年的长期测量使用的需求，以及瞬时操作变化的测量使用的需求。
4.此外，从确定测量仪器的规格方面来说，特别是需要用于校正欲通过das测量的瑞利散射光的相位变化误差的信息。
5.在das技术中，已经提出了使用单一脉冲、多重波长或啁啾光源的时间闸数字(time gate digital，tgd)方法，并且其实践记录正在积累。
6.另一方面，在dtss技术中，使用布里渊散射光的类型和使用瑞利散射光的类型是可商购的(例如，参阅非专利文献1)。在tw-cotdr方法中，使用了光纤的宽频谱，并确保了其数年的稳定性(例如，参阅非专利文献2)。在10公里的距离内，已能实现每秒20000次的测量。
7.上述技术均已在单一测量仪器中实现商业化，并且均针对各种应用进行了开发。
8.参考文献清单
9.非专利文献
10.非专利文献1：luca palmieri，“用于光纤传感的分布式偏振测量(distributed polarimetric measurements for optical fiber sensing)”，optical fiber technology，2013年12月19日，第720-728页。
11.非专利文献2：andrea galtarossa等人，“分布式偏振传感(distributed polarization sensing)”，proc.spie 10323，第25届光纤传感器国际会议，1032318，2017年4月23日。
12.非专利文献3：toru sato，“雷达中的距离测量和脉冲压缩技术(distance measurement and pulse compression technique in radar)”，京都大学信息学研究所，通信与计算器工学系，集成化系统工学课程，超高速信号处理领域，数字信号处理讲义数据。
13.于此，图1显示了上述das和dtss技术的特征细节。由图1可知，在dtss中，被测量的光学物理量为瑞利散射频移，而在das中，被测量的光学物理量则是瑞利散射相移。由于上
述类型的差异，与后者的测量方法相比，前者的测量方法的空间分辨率较低，并且需要较长的测量时间。因此，它们之间存在着性能上的差异。


技术实现要素：

14.本发明欲解决的问题
15.下文将具体描述上述das和dtss的技术问题。在dtss中，在10公里的距离范围内进行测量需要几秒钟的时间。因此，dtss无法应用于振动或地震波的检测。
16.在das中，如上所述，欲测量的物理量为瑞利散射相移，并且因此需要测量相位。因此，存在着激光二极管(laser diode，以下简称为ld)本身因线宽而产生的相位噪声，以及在实际现场安装光纤时受影响的温度变化或应变变化所引起的瑞利散射光的相位偏移的问题。
17.参考图2和图3，上述问题将更详细地描述。图2说明了das测量中的相位变化。图3显示了在为根据相位变化的成分分析分类的三种模式下使用das的情况下所引起的问题。
18.图2显示了通过das测量所测量的信号的相位变化的多个模型图形的说明。图2中的上侧所示的图形(纵轴表示信号输出，且横轴表示经过时间)显示了测得的相变曲线a，以及通过仅提取曲线a的长周期的变化部分获得的曲线b。
19.此外，为了仅关注曲线a的短周期变化部分，下侧上所示的图形(纵轴和横轴为通过放大上侧所示图形的纵轴和横轴的比例来显示)仅表示在上侧的图形中用虚线圈表示的从p部分(其结束时间)到q部分(其正确的结束时间)的时间范围内，曲线c表示通过从与曲线a中的各个时间对应的值减去与曲线b中的各个时间对应的值而获得的特性，其中除其他以外特别显示了相变的快速变化部分。
20.在下侧显示的图形中，通过将上侧所示图形中p部分的左端时间到右端时间的时间范围扩大，得到时间范围s，下侧所示图形中的时间范围t是将上侧所示图形的q部分的从左端时刻到右端时刻的时间范围扩大而得到的。
21.于此，曲线b是das测量信号中于数十秒至数年内逐渐变化的部分，并且该部分被认为是受到了温度变化等的影响。
22.另一方面，曲线c是das测量信号中于10-5
～1[秒]内呈现快速变化的部分，并且该部分被认为是通过将ld相位噪声添加至声波信号而产生的。
[0023]
接着，在图2的基础上参考图3，das测量中的问题将具体描述。第一问题是ld的相位噪声，而这个问题要通过das测量器的内部处理来解决。第二问题是由振动等引起的光纤各点处的应变等引起的短周期相位变化的问题。关于此问题的解决，最初，此问题对应于优先使用das测量的原因，并且因此可通过das测量来解决。第三问题是由温度逐渐变化等引起的长周期相变问题。由于长时间进行测量，das测量性能无法满足规格要求。因此，这种情况需要消除。
[0024]
本发明被创造以解决上述问题，并且本发明的目的在于提供一种光纤分布测量系统及用于光纤分布测量的信号处理方法，其中，das和基于tw-cotdr的dtss相结合，并且使用dtss测量的瑞利频移，das中的相位值以比tw-cotdr方法中的测量速率更长的特定时间间隔进行校正，从而修正由于瑞利散射光偏移引起的误差，其以比das测量速率更长的周期变化，从而在das中实现长时间的测量稳定性。
[0025]
问题解决方案
[0026]
根据本发明的光纤分布测量系统包括：第一激光器，用于通过瑞利散射光的频移分析获得温度-应变分布测量信号；第二激光器，用于通过瑞利散射光的相移分析得到弹性波测量信号；用于分路或合并激光的第一至第四光耦合器；脉冲压缩编码电路，包括用于调制光信号强度的强度调制器和用于调制光信号相位的相位调制器，强度调制器和相位调制器串联设置；声光开关，用于产生脉冲光；循环器，用于分离光信号；校准光纤，用于通过接收激光以产生反向散射光；分集装置，用于组合光信号以去除噪声；数字化器，用于将输入信号转换为离散信号；及包括处理器和储存装置的中央处理单元，其可对信号进行计算与储存。来自第一激光器的发射光经第一光耦合器分路，以便被输入至脉冲压缩编码电路和第三光耦合器。来自第二激光器的发射光经第二光耦合器分路，以便被输入至声光开关和第三光耦合器。输入至第三光耦合器的来自第一激光器的发射光和来自第二激光器的发射光被输入至分集装置。来自脉冲压缩编码电路的输出信号和来自声光开关的输出信号由第四光耦合器合并，并且合并的输出信号产生的第一反向散射光和第二反向散射光输入至校准光纤，其通过循环器输入至分集装置。已经历了由分集装置进行信号处理的第一反向散射光、第二反向散射光、来自第一激光器的发射光、及来自第二激光器的发射光经由数字化器发送至中央处理单元(cpu)进行计算处理。
[0027]
发明效果
[0028]
根据本发明的光纤分布测量系统可以获得显著的效果，其可以提供一种光纤分布测量系统和一种用于光纤分布测量的信号处理方法，其中das和基于tw-cotdr的dtss相结合，并且使用dtss测量的瑞利频移，das中的相位值以比tw-cotdr方法中的测量速率更长的特定时间间隔进行校正，从而校正由于瑞利散射光的偏移而导致的误差，该偏移以比das测量速率更长的周期进行变化，因此，可在das中实现长期的测量稳定性。
附图说明
[0029]
图1是显示dtss和das的一般特征之间的比较的表格；
[0030]
图2显示了das中的相变示例；
[0031]
图3说明了根据相变的成分分析进行分类的das技术的问题；
[0032]
图4为示出根据实施例1的光纤分布测量系统的系统结构示例图；
[0033]
图5为说明根据实施例1的光纤分布测量系统中das信号校正方法的图；
[0034]
图6说明了根据实施例1的光纤分布测量系统中ld波长的设置；
[0035]
图7说明了使用dtss进行相位校正的原理；
[0036]
图8示出了根据实施例1的光纤分布测量系统中的信号处理方法的示例；
[0037]
图9示出了根据实施例1的光纤分布测量系统中的输出信号的示例。
具体实施方式
[0038]
实施例1
[0039]
以下，将参照附图对本发明的实施例1的光纤分布测量系统的一个示例进行说明。
[0040]
图4是示出根据实施例1的光纤分布测量系统100中系统结构的一个示例的图。从tw-cotdr型的可调波长分布反馈ld1(以下可称为第一激光器)发射的激光通过第一耦合器
3a，该第一耦合器3a是用于将光进行分路或合并的光学装置，其由包括强度调制器4a和相位调制器4b的脉冲压缩编码电路4进行编码处理，然后输入至第三耦合器3c。在这种情况下，在脉冲压缩编码电路4中，激光会首先输入至强度调制器4a，使得其强度可被强度调制器4a调制，以及然后从强度调制器4a输出结果信号(resultant signal)。此后，从强度调制器4a输出的信号被输入至相位调制器4b，输入的信号经受由相位调制器4b进行相位调制，以及然后输出结果信号。即，输出由脉冲压缩编码电路4进行了编码处理的信号。然后，输出信号会被输入至第四耦合器3d。
[0041]
于此，可调波长分布反馈ld1是全波段上波长可调(1553.5至1561.5纳米)的光源，其波长范围数十纳米，并且其线宽为1兆赫。
[0042]
在脉冲压缩编码电路4的编码处理中，使用了能够改善空间分辨率与s/n比率二者的巴克码(baker code)。即，脉冲宽度为pw的脉冲被分成n个子脉冲(子脉冲宽度：spw＝pw/n)，每个子脉冲的相位可用随机二进制码串调制，并传输结果信号。
[0043]
另一方面，作为用于das的光源的外部共振激光器2(以下可称为第二激光器)具有固定波长(1550.2纳米)，并且线宽小于2千赫。从外部共振激光器2发出的激光通过第二耦合器3b输入至可产生高强度脉冲光的声光开关5。于此之后，信号会输入至第三耦合器3c，以及然后通过优先使用优良的信号或组合接收的多个信号，信号会输入至用于提高信号质量或可靠性的分集装置8来去除噪声。分集装置8可提高极化和相位信号的质量或提高其可靠性。
[0044]
应注意的是，作为tw-cotdr型光源的可调波长分布反馈ld1和作为das光源的外部共振激光器2各自都需要四个通道的信号。
[0045]
已经受脉冲压缩编码、从脉冲压缩编码电路4输出的信号与从声光开关5输出的信号一起通过第四耦合器3d，输入至作为一种光纤放大器的掺铒光纤放大器6(erbium doped fiber amplifier，edfa)。多个信号从edfa 6输出后，所述信号通过循环器7，以分离两个或更多个沿彼此相反方向前进的信号，以及然后被输入至前述的分集装置8。应注意的是，校准光纤14与循环器7的一个输出端连接。
[0046]
用于四个通道(channels，以下简称4ch)的多个由分集装置8改善质量并从分集装置8输出的信号(两种偏振信号
×
两种相位信号)被分开地输入至四个平衡光电二极管9(balanced photo diode，以下简称bpd)，以及接着被分开地输入至具有大于500兆赫接收频带的四个放大器10，从而放大所述信号。然后，放大的信号会输入至用于4ch的数字化器11。应注意的是，原则上，即使未提供有四个放大器也没有问题。用于4ch的数字化器11与作为一种扩展总线的快速外围组件互连(pci-express)13(例如，与作为控制器的中央处理单元(cpu)12共享的输入/输出串行接口)连接。
[0047]
图5是说明根据实施例1的光纤分布测量系统中的信号处理流程图。
[0048]
在图5中，虚线左侧的区域表示以硬件收集用于4ch(ch1至ch4)的数字化器信号，该些信号从在光纤分布测量系统的多个构成部件的信号输出的最后阶段设置的4ch从数字化器11输出，如图4所示。
[0049]
在图5中，虚线右侧的区域表示个人计算机(pc)的数据处理细节，其在图4中显示为中央处理单元12。在虚线右侧区域，上方线条表示用于分析长期变化，即物理现象的渐变的线条，而下方线条则表示用于分析短期物理现象的线条。
[0050]
具体来说，在上方线条中，100兆赫数字lpf 21(lpf是low pass filter“低通滤波器”的缩写)通过tw-cotdr仅处理上述用于4ch的多个数字化器信号20的瑞利散射光(频率)偏移分量的低频分量，而该频移分量的变化δvr经长期(30秒到数分钟)的相关性分析23以获得dtss输出。应注意的是，若有需要，相关性分析23可持续进行数年。
[0051]
于此，进行相关性分析的原因将于下文详述。在脉冲压缩编码电路4的编码处理中，脉冲宽度为pw的脉冲被分割为n个子脉冲(子脉冲宽度：spw＝pw/n)，每个子脉冲的相位由一个随机的二进制码串(更具体地，在这种二进制码串中，使用了使下述自相关性函数的旁波瓣幅度最小化的巴克码)调制，并传输结果信号。
[0052]
于此情况下，理论上，通过计算所传输信号和由目标反射的反射信号的互相关函数，可计算其峰值时间位置，即时间延迟。因此，与不将脉冲分割为多个子脉冲的情况相比，可计算出更短的延迟时间，从而获得提高空间分辨率的效果。
[0053]
在实际装置中，并非计算互相关函数，而是执行计算所传输信号的自相关函数，由此可获得相同的结果。也就是说，在互相关函数中，使用由随机二进制码串调制的传输信号f(t)(于此，t是指时间)和由目标反射的反射信号。反射信号g(t)(于此，t是指时间)表示为g(t)＝a
×
f(t-d)，其中使用传输信号f(t)，其中a是指传输信号被目标反射后直至返回先前的衰减系数，d则是指延迟时间。因此，通过计算传输信号的自相关函数(例如，先前信号和当前信号的自相关)可得到传输信号f(t)和反射信号g(t)的互相关函数。
[0054]
自相关函数的峰值约为原始脉冲信号幅度的n倍，s/n比率中的s值增加，且峰值宽度为原始脉冲宽度的1/n。即，获得了提高空间分辨率和s/n比率二者的效果。
[0055]
然而，在如上所述地通过使用以随机二进制码串调制的传输信号来计算自相关函数的情况下，而当自相关函数的峰值增加，缺点是会出现峰值外的旁波瓣。为了补偿该缺点，使自相关函数的旁波瓣最小化的巴克码被用于上述编码(关于其说明，请参阅非专利文献3等资料)。
[0056]
另一方面，在下方线条中，使用通过300兆赫数字bpf 22(bpf是band pass filter“带通滤波器”的缩写；带宽为100兆赫)为4ch从多个数字化器信号20中提取的信号，瑞利散射光(相)位移分量经受相位分析24，在该分析中可通过das于短周期(约0.5毫秒)内执行处理，从而获得das输出信号。
[0057]
接着，如图5的下方线条所示，进行将上述计算出的dtss信号与das输出信号相加的计算。于此，作为允许上述结合das信号和dtss信号的计算的前提，必须利用彼此互补的信号进行计算。也就是说，要求同一根光纤发出的同相的多个光信号能在相同的接收条件下被接收和处理。图4和图5所示的装置或数据处理能够满足上述条件。
[0058]
具体来说，使用由dtss测量的瑞利频率，以规则的时间间隔校正das输出信号的相位值，从而校正由于光纤中的温度变化(由于测量位置的变化)引起的偏移量。因此，可以获得高质量的das输出。此外，在dtss中，可以进行为期数年的长期处理，并且因此也可以实现das中的长期测量稳定性。
[0059]
图6清楚地说明了在上述das测量和dtss测量中，系统中设置的光输出波长与接收系统中的频率之间的关系。
[0060]
如图6所示，das中光输出的波长固定为1550.2纳米，而dtss中光输出的波长是可调的，并且其扫描范围为1554.5纳米至1561.5纳米。
[0061]
关于接收系统中的频率，在dtss中，使用数字lpf，并且其截止频率为100兆赫，而在das中，使用数字bpf，并且带宽频率范围在
±
100兆赫之间，中心频率为300兆赫。
[0062]
接下来，参考图7，将描述分布式相位校正方法。图7的上部显示了使用tw-cotdr的测量概要。如图7所示，对应于tw-cotdr中的测量定时的速率t1约为30至60秒。通过以速率t1进行测量，可计算出由于外部环境(例如温度)的变化而导致的变化量δt，并将计算出的变化量δt转换为相位。相位可添加到已测量的das测量信号中，如图7的下部所示，从而对原始测量的das信号进行校正。在这种情况下，对应于das中的测量定时的das速率t2在对应于校正定时的时间间隔tc(》t1)内约为0.5毫秒。也就是说，通过dtss信号校正das信号的时间间隔tc设置为大于tw-cotdr中的速率t1。需注意的是，校正是针对整个光纤来加以执行的。
[0063]
在将图7中所示的测量方法应用于长期测量的情况下，使用了如图8所示的配置。图8示出了将根据实施例1的光纤分布测量系统应用于长期测量的情况下信号处理模型的配置示例。
[0064]
在图8中，das测量脉冲对应于图7所示的das速率t2，并且以2千赫或更高的速度重复输出。测量的信号可作为相位信号输出。同时，可输出在测量时间a(a约为30至60秒)期间使用tw-cotdr通过相关性分析获得的dtss信号。关于使用tw-cotdr进行的测量，在已进行n次测量后，在测量时间间隔b内总共进行了m次测量。在m次测量中的每一次，输出的dtss信号的瑞利频移信号δvr被转换为相位量该相位量被添加到das测量信号中，从而校正das测量信号。相位校正在必要的校正期间以相同的方式继续执行，由此获得在必要的期间已经历温度校正等的信号。于此，测量时间间隔b例如约为一小时。
[0065]
图9(图9(a)、图9(b))示出了根据实施例1的光纤分布测量系统的输出信号的一示例。在图9(a)和图9(b)二者中，横轴以任意刻度表示时间，且纵轴以任意刻度表示das输出。在两个图表之间，纵轴与横轴的每个刻度都是相同的。图9(a)表示不通过dtss信号进行相位校正的情况下的das输出结果，而图9(b)则表示通过dtss信号进行相位校正的情况下的das输出结果。
[0066]
对图9(a)所示的输出结果和图9(b)所示的输出结果加以比较，可明显发现，在进行相位校正的情况下，特定时间内的信号幅度较小，并且信号值相对于时间变化(预定时间内的信号平均值)过程中的变化较小，也就是说，即使由于温度变化等随时间逐渐变化的因素而发生转变，通过dtss信号执行相位校正会降低预定时间期间信号的幅度并也可抑制das输出由于随时间逐渐变化的因素而发生的变化。因此，现已发现，当使用dtss信号进行相位校正时，可校正das输出的逐渐变化的偏移量，从而可实现长期的das中的测量稳定性。
[0067]
尽管前文根据示例性实施例对本发明进行了描述，应理解的是，实施例中所描述的各种特征、方面和功能并不限于其对描述它们的特定实施例的适用性，而可单独或以各种组合应用于本发明的实施例中。
[0068]
因此可以理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以设计出许多未被举例说明的修改方案。例如，可修改、添加或消除构成组件中的至少之一。
[0069]
附图标记说明
[0070]1ꢀꢀꢀ
可调波长分布反馈激光二极管
[0071]2ꢀꢀꢀ
外部共振激光器
[0072]
3a
ꢀꢀ
第一耦合器
[0073]
3b
ꢀꢀ
第二耦合器
[0074]
3c
ꢀꢀ
第三耦合器
[0075]
3d
ꢀꢀ
第四耦合器
[0076]4ꢀꢀꢀ
脉冲压缩编码电路
[0077]
4a
ꢀꢀ
强度调制器
[0078]
4b
ꢀꢀ
相位调制器
[0079]5ꢀꢀꢀ
声光开关
[0080]6ꢀꢀꢀ
掺铒光纤放大器
[0081]7ꢀꢀꢀ
循环器
[0082]8ꢀꢀꢀ
分集装置
[0083]9ꢀꢀꢀ
平衡光电二极管
[0084]
10
ꢀꢀ
放大器
[0085]
11
ꢀꢀ
数字化器
[0086]
12
ꢀꢀ
中央处理单元
[0087]
13
ꢀꢀ
快速外围组件互连
[0088]
14
ꢀꢀ
校准光纤
[0089]
20
ꢀꢀ
数字化器信号
[0090]
21
ꢀꢀ
100兆赫数字低通滤波器
[0091]
22
ꢀꢀ
300兆赫数字带通滤波器
[0092]
23
ꢀꢀ
相关性分析
[0093]
24
ꢀꢀ
相位分析
[0094]
100 光纤分布测量系统