專利名稱：使用跟蹤信號測量來自光纖的布里淵反向散射的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量來自光時域反射所采用的光纖的布里淵反向 散射光的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
光時域反射(OTDR)是一種使用光纖進行各種參數(shù)的遠程測量的技術(shù)。 將光探查脈沖發(fā)射到光纖的一端，將光纖配置為穿過感興趣的區(qū)域，例如 下至油井。該脈沖沿光纖傳播，從沿光纖的長度的點反向散射部分光，并 且將其返回到發(fā)射端，在發(fā)射端探測該部分光。在光返回時，對到達散射 點并返回的傳播時間進行記錄，從而能夠利用在光纖中的傳播速度來計算 散射點的位置。同樣，諸如溫度、應(yīng)變、和壓力等各種物理參數(shù)對光如何 散射具有影響，包括產(chǎn)生拉曼和布里淵散射頻移。根據(jù)這些頻移的大小、 寬度和強度，能夠計算參數(shù)的值。因此，通過進行從時間到距離的適當轉(zhuǎn) 換，能夠獲得沿著光纖長度的物理參數(shù)的分布圖。
在基于布里淵散射的OTDR中，在散射光譜中測量一個或多個布里淵 散射線。這些線的頻率相對于探查脈沖的頻率發(fā)生了移動。根據(jù)測量的布 里淵散射譜，至少能夠提取單條線或多條線的強度和寬度以及頻移的大小， 并使用該信息來確定沿光纖的物理參數(shù)。
通常，通過直接探測來測量布里淵散射信號，其中布里淵散射光直接 入射到光探測器上，或者通過外差探測來測量布里淵散射信號，其中將布 里淵散射信號與來自本地振蕩器的信號混合并且傳遞所產(chǎn)生的差頻信號用 于探測。
一種測量技術(shù)使用光鑒別，其中光學濾波器在Mach-Zehnder干涉儀的 兩臂之間切換光，并且根據(jù)從每個臂出現(xiàn)的光信號的相對強度來獲得布里 淵散射線的中心頻率的估算銜l]。 一種相似的過程改為依賴于電鑒別[2]。
基于鑒別器的技術(shù)的問題是需要使用寬的輸入頻譜，以捕獲整個范圍的潛在的輸出信號頻率。所需的寬的帶寬往往使性能退化。
其它技術(shù)基于頻率掃描和對每次掃描的強度/時間信號的記錄。例如， 在將過濾的光傳遞到探測器前，可以在期望的頻譜上掃描光學濾波器。光
學濾波器可以是Fabry-Perot干涉計，與探查脈沖的脈沖重復頻率相比，對 Fabry-Perot干涉計的掃描較慢。對于每個脈沖，進行一系列與時間/沿光纖 的距離相關(guān)的強度測量，并且還可以在每個頻率處對數(shù)個脈沖進行平均。 對濾波器的每個位置進行一系列的記錄，由此能夠構(gòu)成針對沿光纖的每個 位置的布里淵散射譜[3]。
替代方法[4、 5]使用微波外差方法，其中在光電二極管上混合反向散射 光，從而產(chǎn)生從光域到微波域轉(zhuǎn)移信息的拍頻譜。對電學本地振蕩器進行 頻率掃描，并且微波接收器部分傳遞被進一步放大、過濾并探測的固定中 頻，從而產(chǎn)生準-DC信號。后者在系統(tǒng)帶寬內(nèi)提供與沿光纖的位置相關(guān)的 功率指示。
對于此各種掃描方法，由于必須在兩個維度中對信號進行平均，所以 數(shù)據(jù)采集時間一般較慢。取決于頻偏域中的采樣間隔和將要覆蓋的頻率跨 度，這可能是一個冗長的過程，在此期間采集必須的但很少使用的信息。 對于沿光纖的每個位置，必須觀察大的頻率范圍以確保發(fā)現(xiàn)移頻，但是頻 率線本身只占有該范圍的一小部分。必須進行線外面的測量以定位該線， 但是線外面的測量不包含關(guān)于被測量參數(shù)的信息。

發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地，本發(fā)明的第一方面涉及一種用于測量來自光纖的布里淵反向 散射的方法，包括將頻率為f。的相干光探査脈沖發(fā)射到光纖中；接收來 自所述光纖的反向散射光，所述反向散射光包括至少一個因布里淵散射頻 移而從fo偏移到頻率fB(t)的布里淵散射譜線，所述布里淵散射譜線隨時間/ 沿所述光纖的距離而變化；產(chǎn)生表示fB (t)的第一信號；利用定義先前測 量的布里淵散射頻移的信息產(chǎn)生頻率為& (t)的第二信號，所述第二信號 與先前從所述光纖測量的布里淵散射頻移fe (t) -fQ以相同方式隨時間變化； 混合所述第一信號和所述第二信號以產(chǎn)生差頻為AF (t) =fB (t) - & (t) 的差頻信號，其中AF (t)相對時間而言具有標稱恒定值，該標稱恒定值對應(yīng)于所接收的反向散射光具有與所述先前測量的布里淵散射頻移匹配的布 里淵散射頻移；采集所述差頻信號；以及處理所述差頻信號以確定所接收 的反向散射光的所述布里淵散射譜線的 一個或多個性質(zhì)。
對布里淵反向散射與跟蹤布里淵反向散射的先前測量的頻率進行混頻 將測量有效地約束到預(yù)計在大多數(shù)情況下會包含該布里淵散射頻率或至少 與其交迭的已知頻率窗口。這樣，與根據(jù)常規(guī)布里淵散射測量技術(shù)掃描的 可能布里淵散射頻率的整個范圍相比，極大地減小了定位布里淵散射頻率 需要觀察的頻率范圍。由此大大減少了必需的測量時間和數(shù)據(jù)處理量。
所述方法還可以包括利用與通過處理所述差頻信號所確定的布里淵 散射譜線有關(guān)的信息來對定義先前測量的布里淵散射頻移的信息進行更 新，由此更新所述第二信號的頻率f, (t)。例如，該方法可以包括針對一 個或多個t值，確定通過混合所述第一信號和第二信號獲得的所述差頻A F (t)的實際值與標稱值厶F (t)之間的差異S;以及利用這樣確定的S值
來對定義先前測量的布里淵散射頻移的信息進行更新，由此更新所述第二 信號的頻率f, (t)。通過這種方式，可以適應(yīng)一次測量和下一次測量之間由 光纖環(huán)境變化導致的布里淵散射頻移的任何變化，從而在長期內(nèi)維持對所 接收的反向散射的頻率跟蹤，從而將所接收的光保持在觀察頻率窗口之內(nèi)。 在一些實施例中，產(chǎn)生表示fB (t)的第一信號的步驟包括產(chǎn)生頻率
為fl的相干光并將其引導到光探測器上；將所接收的反向散射光引導到所
述光探測器上以便與頻率為fl的所述相干光混合，并產(chǎn)生差頻為Afi (t) =fB (t) -fL的中間信號；以及將所述光探測器的頻率為Afi (t)的電輸出用 作所述第一信號；產(chǎn)生所述第二信號的步驟包括將定義先前測量的布里 淵散射頻移的信息應(yīng)用于電振蕩器，以產(chǎn)生頻率為& (t)的電信號；以及 混合所述第一信號和所述第二信號以產(chǎn)生差頻信號的步驟包括將所述光 探測器的電輸出與來自所述電振蕩器的電信號混合，以產(chǎn)生差頻為AF (t) 的電信號。因此，這種實施例利用了電信號的混頻，由此在與跟蹤先前測 量的布里淵散射頻移的電信號混合之前，將所接收的反向散射通過中頻混 頻級轉(zhuǎn)換成微波頻域中的電信號。差頻Afi (t)可以小于100GHz。
此外，頻率fo可以等于頻率fl。常規(guī)上就此而言，可以使用單個光源 來產(chǎn)生頻率為fl的相干光以及發(fā)射到光纖中的頻率為fo的探查脈沖。
13或者，可以使用不同的光源來產(chǎn)生這兩種光輸出。例如，可以通過如 下步驟產(chǎn)生頻率為fl的相干光調(diào)制用于產(chǎn)生發(fā)射到光纖中的探查脈沖的 光源的輸出，從而產(chǎn)生調(diào)制邊帶；將第二光源注入鎖定到調(diào)制邊帶之一； 以及將所述第二光源的輸出用作頻率為fl的相干光。
在其他實施例中，產(chǎn)生表示fB (t)的第一信號的步驟包括獲取所接 收的反向散射光；產(chǎn)生第二信號的步驟包括將定義先前測量的布里淵散 射頻移的信息應(yīng)用于可調(diào)諧光源，以產(chǎn)生頻率為f, (t)的相干光信號；以 及混合所述第一信號和所述第二信號以產(chǎn)生差頻信號的步驟包括將所接 收的反向散射光引導到光探測器上并將所述相干光信號引導到同一光探測 器上，以產(chǎn)生差頻為AF (t)的電信號。這種方式利用了光學域中的混頻， 由此將所接收的反向散射直接與跟蹤先前測量的布里淵散射頻移的光信號 混合。光探測產(chǎn)生了具有感興趣的差頻的電信號，從而適于根據(jù)本發(fā)明各 實施例的采集和處理。
所述方法還可以包括在處理所述差頻信號之前，將來自所述光探測 器的差頻為AF (t)的電信號與來自電學本地振蕩器的具有恒定頻率fc的 輸出進行混合，以將所述差頻AF (t)降低到更低頻率AF2 (t)。這有利于 獲得具有適于通過快速模數(shù)采樣進行采集的頻率的差頻信號。
對于光學域中的差頻混合而言，可以調(diào)制用于產(chǎn)生頻率為& (t)的相 干光信號的可調(diào)諧光源以及用于產(chǎn)生發(fā)射到光纖中的探查脈沖的光源之一 的輸出，以產(chǎn)生調(diào)制邊帶；將所述可調(diào)諧光源和所述光源中的另一個注入 鎖定到所述調(diào)制邊帶之一；以及利用定義先前測量的布里淵散射頻移的信 息來控制所述調(diào)制的頻率，以產(chǎn)生頻率為f, (t)的所述相干光信號。
一旦獲得了差頻信號，就可以釆取各種方式來記錄和處理數(shù)據(jù)。在一 些實施例中，采集差頻信號的步驟包括對所述差頻信號進行數(shù)字化以獲 得差頻信號的多個樣本；而處理所述差頻信號的步驟包括對所述樣本進 行數(shù)字信號處理。可以使用快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器來為該簡單技術(shù)產(chǎn)生適當數(shù)量 的樣本，從而給出具有有用精度水平的結(jié)果。例如，可以利用至少為AF(t) 的預(yù)計最大值兩倍的采樣速率來對所述差頻信號進行數(shù)字化。
在其他實施例中，采集所述差頻信號的步驟包括將所述差頻信號分 成多個通道，每個通道覆蓋單獨的頻帶；逐個探測所述差頻信號在每個通道中的部分；以及對所述差頻信號的每個探測到的部分進行數(shù)字化以獲得 每個通道的多個樣本；而處理所述差頻信號的步驟包括相對于時間對來 自每個通道的所述樣本進行數(shù)字信號處理，以確定所述布里淵散射譜線的 一個或多個性質(zhì)。
在又一個實施例中，可以將差頻信號通過一電路，該電路的輸出電壓 取決于差頻AF (t)的瞬間值。與現(xiàn)有技術(shù)的方法相反，在本發(fā)明中，可以 將鑒別器的范圍從布里淵散射移頻的可能值的整個范圍限制到僅針對差頻 預(yù)料的那些范圍。這使得有效帶寬大大減小，從而使得系統(tǒng)噪聲大大減小。
利用所述差頻信號確定的所述布里淵散射譜線的一個或多個性質(zhì)可以 包括如下各項中的至少一項布里淵散射頻率fB (t);所述布里淵散射譜線 的強度；以及所述布里淵散射譜線的線寬。
所述方法還可以包括利用所述布里淵散射譜線的一個或多個確定的 性質(zhì)來計算作用于所述光纖的一個或多個物理參數(shù)的值，并將時間轉(zhuǎn)換成 沿所述光纖的距離，.以獲得在所述光纖的長度上所述一個或多個物理參數(shù) 的分布的指示。
而且，所述方法還可以包括針對另外的連續(xù)探査脈沖，重復所述方 法，并在多個探查脈沖上進行平均，以便更精確地確定所述布里淵散射譜 線的一個或多個性質(zhì)和/或一個或多個物理參數(shù)。
在一些實施例中，所述方法還可以包括在將探查脈沖發(fā)射到光纖中 之前，通過如下步驟來測量由光纖產(chǎn)生的布里淵散射頻移以獲得定義布里 淵散射頻移的信息a)將頻率為f。的相干光探査脈沖發(fā)射到所述光纖中； b)從所述光纖接收反向散射光，所述反向散射光包括因布里淵散射頻移而 從fo偏移到頻率fB (t)的至少一個布里淵散射譜線；C)產(chǎn)生表示fB (t) 的初始信號；d)至少在從所述光纖的最遠部分接收到反向散射光所花的時 間內(nèi)產(chǎn)生處于恒定頻率fc:的另一信號；e)混合所述初始信號和所述另一信 號以產(chǎn)生差頻為AFi (t) =fB (0 -fc的差頻信號；f)采集所述差頻信號A Fj (t); g)針對在用于采集所述差頻信號的設(shè)備帶寬之內(nèi)產(chǎn)生差頻信號的 fc的可能值范圍上的多個fc值，重復步驟a)到f); h)處理所采集的差頻信 號，以確定所述布里淵散射頻移隨時間/沿光纖的距離的分布；以及i)存儲 定義所確定的布里淵散射頻移的信息，以用于產(chǎn)生頻率為& (t)的第二信號。可以認為這些額外在先步驟包括學習或校準階段，其中，通過進行詳 細測量，包括針對沿光纖的每個點對整個相關(guān)頻率范圍進行完全掃描，從 而獲得在光纖上的布里淵散射頻率分布全圖，以給出定義布里淵散射頻移 的必需信息，該信息使得利用頻率跟蹤進行的后續(xù)測量比常規(guī)完全頻率掃 描或基于鑒別器的測量快得多。
本發(fā)明的第二方面涉及一種用于測量來自光纖的布里淵反向散射的設(shè) 備，包括光源，用于產(chǎn)生具有頻率f。的相干光探查脈沖并且將探查脈沖 發(fā)射到光纖中；反向散射接收部件，用于從所述光纖接收反向散射光并由 此產(chǎn)生表示fB (0的第一信號，其中所述反向散射光包括因布里淵散射頻 移而從f。偏移到頻率fB (t)的至少一個布里淵散射譜線；可編程本地振蕩 器；存儲器陣列，用于存儲定義先前從所述光纖測量的布里淵散射頻移fB (t) -fo的信息，所述存儲器陣列連接到所述可編程本地振蕩器，從而所存
儲的信息能夠使得所述可編程本地振蕩器產(chǎn)生第二信號，所述第二信號的 頻率f, (t)與先前測量的布里淵散射頻移以相同方式隨時間變化；混頻器， 用于接收和混合所述第一信號和所述第二信號以產(chǎn)生差頻為(t) =fB (t) -& (0的差頻信號，其中AF (t)相對時間而言具有標稱恒定值，該標稱 恒定值對應(yīng)于所接收的反向散射光具有與所述先前測量的布里淵散射頻移 匹配的布里淵散射頻移；采集系統(tǒng)，用于從所述混頻器接收所述差頻信號 并記錄所述差頻信號；以及處理器，用于處理所記錄的差頻信號以確定所 接收的反向散射光的所述布里淵散射譜線的一個或多個性質(zhì)并相應(yīng)地更新 所述存儲器陣列。


為了更好地理解本發(fā)明，并且為了示出如何實施本發(fā)明，以舉例的方 式參考附圖，在附圖中-
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的用于實施布里淵反向散射測量的 設(shè)備的示意圖2示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于實施布里淵反向散射測量的 設(shè)備的示意圖；以及
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明又一實施例的用于實施布里淵反向散射測量的設(shè)備的示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提出了通過對接收到的反向布里淵散射光與頻變信號進行外差 作用(混頻)來測量來自光纖的布里淵散射偏移頻譜，該頻變信號實時跟 蹤布里淵散射頻移沿光纖長度的預(yù)期變化(等價于預(yù)期的隨時間變化)。這 樣，對于沿光纖的所有點而言，僅考慮由跟蹤信號界定的小頻率窗口，且 該窗口會發(fā)生移動以跟蹤布里淵散射線。因此，在每個點僅測量整個可能 布里淵散射頻率范圍的相關(guān)部分，從而消除了為沿光纖的每個點而掃描整 個頻率范圍來定位該點的布里淵散射線的方法所進行的大量冗余測量。與 利用鑒頻器直接測量布里淵散射頻率的備選方案相比，本發(fā)明降低了必需 帶寬，從而提高了信噪比。利用前面獲得的相關(guān)光纖的布里淵散射頻譜的測量(校準或?qū)W習測量) 來產(chǎn)生頻率隨時間變化的跟蹤信號，該跟蹤信號沿著光纖長度跟蹤布里淵 散射頻移，從而實現(xiàn)上述目的。將與先前測量相關(guān)的信息應(yīng)用于本地振蕩 器以產(chǎn)生跟蹤信號，然后將跟蹤信號與接收到的反向散射光進行外差作用。 如下文關(guān)于各實施例所進一步解釋的，可以用光學或電學方法執(zhí)行外差作 用。如果沒有或幾乎沒有變化影響到光纖以及影響到光纖在學習測量和本 測量之間產(chǎn)生的布里淵散射頻移，跟蹤信號將會精確地或非常接近地跟蹤 來自光纖的布里淵散射線的頻率。因此，外差作用產(chǎn)生的差頻將在光纖的 整個長度上大致恒定。由例如光纖的溫度或應(yīng)變的變化導致的布里淵散射 頻移的任何變動將導致所接收的布里淵散射線從其學習測量中的位置移 走，并且跟蹤信號將不再與接收到的光匹配。對于光纖中產(chǎn)生布里淵散射 頻移的條件已經(jīng)變化的那些部分，差頻將會不同于標稱恒定值。因此，外 差信號的頻率測量將指示出光纖中的、已經(jīng)存在偏離學習測量變化的任何 部分。偏離標稱恒定差頻的變動大小對應(yīng)于條件變化的大小，從而可以從 光纖長度上差頻的測量中導出本地條件沿光纖長度的測量。注意，可以選擇跟蹤信號使其匹配學習測量的頻率，使得該差頻的標稱恒定值為零?；蛘撸櫺盘柨梢?例如，通過在其中包括DC頻率分量)偏離于學習測量，從而給出大于零的標稱恒定值；這種布置往往會簡化采 集和處理差頻期間采用的任何信號處理。第一示例性實施例圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于實施測量方法的設(shè)備的示意圖。用于產(chǎn)生窄帶相干光(諸如激光)的光源10產(chǎn)生頻率為fc的輸出光束。 將光束引導到分束器12(諸如3dB光纖分束器)，該分束器12將輸出光束分 成用于發(fā)射到所配置的光纖中的第一部分和將與接收的、從光纖返回的光 相混合的第二部分。第一部分通過脈沖形成單元14，該脈沖形成單元14產(chǎn) 生具有所期望的重復頻率、脈沖持續(xù)時間和功率的光學探查脈沖，以適合 于探查所配置的光纖，從而獲得布里淵反向散射。在該實例中，脈沖形成 單元14包括兩個脈沖發(fā)生器/門，其間具有放大器；然而能夠使用光學部件 的任何所需的組合來產(chǎn)生所需的輸出。然后，將頻率為fo的脈沖發(fā)送到光 學循環(huán)器16,光學循環(huán)器16具有連接到所配置的光纖18的第一端口 16a。 從而，可以將脈沖發(fā)射到光纖18中。雖然光學循環(huán)器是優(yōu)選的器件，但是 也可以使用能夠?qū)崿F(xiàn)期望功能的其它裝置，例如功率分配器或有源器件(例 如，聲光偏轉(zhuǎn)器)。光學循環(huán)器16的第二端口 16b連接到光束組合器20.(諸如3dB光纖 分束器)，還連接該光束組合器20以從分束器12接收來自光源10的光束 的第二部分。將光束組合器20的輸出布置為用于將光引導到光探測器22 上，光探測器22例如是快速光電二極管。因此，在使用中，光源10產(chǎn)生了被分成兩部分的輸出光束。第一部分 通過脈沖形成單元14，以形成探查脈沖，經(jīng)由光學循環(huán)器16的第一端口 16a將該探查脈沖發(fā)射到光纖18中。每個脈沖沿光纖18的長度傳播，在傳 播期間從光纖18的每個部分產(chǎn)生布里淵反向散射。反向散射返回到光纖的 發(fā)射端，在第一端口 16a處由光學循環(huán)器16接收該反向散射，并且從第二 端口 16b引出該反向散射，并將該反向散射引入到光束組合器20中?？蛇x 地，在接收的反向散射到達光束組合器20之前，放大所接收的反向散射。 在光束組合器20中，接收的布里淵反向散射與來自光源10的頻率為fo的 輸出光束的第二部分相混合。布里淵反向散射包括至少一個處于布里淵散18射頻率fB(t)的布里淵散射譜線，其中時間變化源自從光纖18返回的光的時 間-距離對應(yīng)關(guān)系以及隨沿光纖的位置的布里淵散射頻移的變化(光纖的不同部分的溫度、應(yīng)變等不同)。將混合光引導到光探測器22上，該光探測 器22具有表示入射于其上的光的電輸出。因此混合產(chǎn)生了電信號，該電信 號是差頻為Afi(t)-fB(t)-f。的中頻信號。這被稱為第一信號，其包含關(guān)于布 里淵散射頻率和光纖產(chǎn)生的布里淵散射頻移的信息，因此第一信號表示fB (t)。例如，對于產(chǎn)生對應(yīng)于波長1550 nm的頻率fo的輸出光束的光源10 而言，該差頻將為llGHz左右。雖然在該實例中，將所接收的布里淵散射光與來自光源10的頻率為fo 的光混合以產(chǎn)生第一信號，但是也可以使用獨立光源，同樣產(chǎn)生頻率為f0 的光，或者產(chǎn)生不同光頻率fl的光。如果使用獨立光源，則可以對產(chǎn)生光 探查脈沖的第一光源的輸出進行調(diào)制以產(chǎn)生調(diào)制邊帶，并且用于產(chǎn)生要與 所接收的布里淵散射光混合的頻率為fo或fl的光的第二光源被注入鎖定到 調(diào)制邊帶之一。在每種情形中，效果是相同的兩個光信號的混合產(chǎn)生頻 率比所述光信號頻率低的電信號。優(yōu)選地，將fo和fL選擇成使得第一信號 的頻率小于約100GHz，即，第一信號處于微波域。返回圖1，光探測器22的輸出連接到混合器24。還連接到混合器24 的是電學本地振蕩器26。本地振蕩器26被編程以產(chǎn)生頻率為f, (t)的信 號，該信號與先前從光纖18產(chǎn)生和測量的布里淵散射頻移fB (t) -fo以同 樣的方式隨時間變化。因此，被稱為第二信號的該信號沿光纖18的長度跟 蹤布里淵散射頻移。在該實例中，本地振蕩器26是經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器28連 接到存儲器陣列30的壓控振蕩器，存儲器陣列30中存儲了描述先前測量 的布里淵散射頻移的信息。時鐘32連接到存儲器陣列30和數(shù)模轉(zhuǎn)換器28， 從而讀出存儲器陣列30存儲的信息并傳遞到本地振蕩器26，使得第二信號 與用于正確跟蹤布里淵散射頻移的第一信號同步。適當?shù)谋镜卣袷幤鞯膶?例為可快速調(diào)諧的壓控振蕩器，例如HittiteHMC588LC4B，其調(diào)諧范圍為 8.0 GHz到12.5 GHz，調(diào)諧帶寬為65 MHz，可快速調(diào)諧的壓控振蕩器快到 足以沿著光纖用優(yōu)于0.6 m的空間分辨率來跟蹤布里淵散射頻率的變化。然 而，作為替代，也可以使用其他振蕩器和方法來將關(guān)于先前測得的頻移的 信息應(yīng)用于振蕩器以產(chǎn)生第二信號的跟蹤。在從光探測器22接收到第一信號并從本地振蕩器26接收到第二信號 時，混合器24產(chǎn)生具有時變差頻AF (t) =fB (t) -f, (t)的差頻信號。因 為將頻率為f, (t)的第二信號設(shè)置成沿光纖長度跟蹤布里淵散射頻率，根 據(jù)較早的測量，差頻AF (t)具有標稱恒定值，該標稱恒定值對應(yīng)于當前測 量的布里淵散射頻移與先前的頻移匹配的情況，其中在兩次測量時間之間 未發(fā)生作用于光纖18并導致布里淵散射頻移的物理參數(shù)擾動。當在沿光纖 的對應(yīng)點處布里淵散射頻移有變化時，發(fā)生偏離標稱恒定值的變化。
一旦在混合器24中產(chǎn)生了差頻信號，就采集該差頻信號并對其加以處 理，以確定與沿光纖的布里淵散射頻移有關(guān)的性質(zhì)，例如布里淵散射線的 強度、頻率和線寬。通過這些性質(zhì)，可以利用預(yù)先確立的布里淵散射性質(zhì) 和參數(shù)之間的校準關(guān)系來計算物理參數(shù)值，例如溫度、應(yīng)變和壓力，以實 現(xiàn)沿光纖長度的一個或多個參數(shù)的分布式測量。
在圖1的實施例中，利用若干平行頻道來實現(xiàn)差頻信號的采集以供后 續(xù)處理。將差頻信號傳遞到帶通濾波器34，以在被分成多個平行通道36之 前消除采集系統(tǒng)帶寬之外的任何頻率成分，其中各個平行通道覆蓋單獨但 相鄰的頻帶。于是，按照頻率劃分差頻信號中的電能，這樣能夠執(zhí)行實時 頻率測定。在圖1中，示出了 N個通道(通道1 36a、 、通道i 36b、 、
通道N36c)。例如，可以使用八個通道(N-8)，但其他數(shù)量的通道可能是 優(yōu)選的。對于八個通道而言，每個通道的中心頻率可以間隔大約10-15 MHz。
這樣，圖1的設(shè)備還包括信號分配器35，用于在N個通道之間分配帶 通濾波器34的輸出。于是，每個通道i包括次級混合器38，其接收來自信 號分配器35的輸入信號以及來自次級電學本地振蕩器40的信號。將每個 本地振蕩器40設(shè)置為不同的頻率，使得每個通道中的混合過程選擇用于該 通道的相關(guān)頻帶。然后，在所得的差頻信號被微波探測器44探測之前，通 過放大器42傳遞所得的差頻信號。進一步在放大器46中放大探測器44的 輸出，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器48對放大后的信號進行采樣和數(shù)字化。將轉(zhuǎn)換器48 產(chǎn)生的數(shù)字化樣本存儲在存儲單元50中，其中每個通道36具有其自己的 存儲單元。變換器48的輸出是一系列波形，其定義了在相對于初級電學本 地振蕩器26的頻率的各個偏移頻率處的光功率的量。存儲單元50共同構(gòu) 成存儲器陣列。存儲器陣列將數(shù)字化樣本傳送到處理器52，處理器52用于執(zhí)行利用樣 本確定布里淵反向散射的期望性質(zhì)(強度、頻率、線寬等)所需的信號處 理，并可能進一步利用這些性質(zhì)來確定作用于光纖18的一個或多個物理參 數(shù)的值(溫度、壓力、應(yīng)變等)。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器48還連接到時鐘32，時鐘32連接到應(yīng)用于初級本地振蕩 器26的存儲器陣列30。由此，使來自本地振蕩器26的第二信號與數(shù)據(jù)采 集同步，從而維持頻率跟蹤。
一般地，圖1 (以及下文所述的其他實施例)的設(shè)備的第一次使用或測 量周期是要獲得學習測量或校準測量，這給出了定義布里淵散射頻移的、 用于產(chǎn)生跟蹤信號的信息。這要求該設(shè)備工作在常規(guī)方式，以采集沿光纖 長度的布里淵散射譜的詳細全圖。為此，在每個個體探査脈沖期間，將初 級本地振蕩器26的頻率保持恒定，但在脈沖之間在布里淵反向散射的整個 相關(guān)頻率范圍上對初級本地振蕩器26的頻率進行掃描。然后對所得信號進 行適當采集和處理，以給出與沿光纖的位置和頻率偏移(相對于初始脈沖 頻率fo的布里淵散射頻移)兩者相關(guān)的布里淵散射強度的三維全圖。然后， 進一步的處理(例如，將沿光纖的每個點的數(shù)據(jù)擬合到洛倫茲譜形)針對 沿光纖的所有位置確定布里淵散射峰值頻率。然后，將該信息存儲在存儲 器陣列30中，以供該設(shè)備的后續(xù)操作使用。
換言之，在后續(xù)測量周期期間，將存儲器陣列30中存儲的數(shù)據(jù)應(yīng)用于 初級本地振蕩器26以產(chǎn)生頻率為f, (t)的第二信號，從而沿光纖跟蹤所接 收的布里淵散射光。于是，在將探查脈沖沿光纖18發(fā)射下去之后，以選定 的速率依次將存儲器陣列30中的數(shù)據(jù)讀出并施加給本地振蕩器26，其中所 選定的速率與距返回當前反向散射的光纖處的距離相匹配；這個過程是由 時鐘32控制的。例如，如果要以2m的空間分辨率對光纖采樣，至少需要 每隔20 ns從存儲器陣列30讀出一個存儲器位置。優(yōu)選地，以一定格式在 存儲器陣列中存儲數(shù)據(jù)，該格式可用于直接對數(shù)模轉(zhuǎn)換器28編程，以產(chǎn)生 依賴于時間的波形，從而調(diào)諧用作初級本地振蕩器26的壓控振蕩器。結(jié)果, 壓控振蕩器26可以將頻率為f, (t)的第二信號安排到相對于平行測量通道 36的預(yù)定位置上。
如上所述，預(yù)計從長期上看(從一個測量周期到下一個測量周期)布里淵散射頻率和頻移會發(fā)生變化，這是因為在光纖18的環(huán)境中會發(fā)生物理 變化。于是，從初始學習測量導出的第二信號將開始較不精確地跟蹤布里 淵散射頻率。為了解決這個問題，更新存儲器陣列30中的信息以保持第二 信號的跟蹤能力。
可以通過將從當前測量周期新獲得的頻率數(shù)據(jù)與存儲器陣列30中存〈諸 的信息加以比較并針對光纖上的每個點確定差異S來實現(xiàn)這一 目的。對于 S不為零的那些位置，可以用新值替換存儲器陣列中的現(xiàn)有值。然后，接 下來的測量周期將比如果未進行更新的情況下具有更精確的跟蹤。如果測 量周期之間的變化是微小的，那么可以針對每個測量周期進行更新，或更 加定期地進行更新，或者僅在探測到顯著變化時進行更新。而且，可以在 其他值之間進行用于確定更新值5的比較(如果存儲器陣列30中存儲的信 息與上述實例不同，那么可能需要這種處理)，例如在差頻的當前值與其標 稱恒定值之間進行比較。
根據(jù)本發(fā)明跟蹤布里淵散射頻移的目的是產(chǎn)生標稱恒定且大致已知的 差頻，從而對于沿光纖的每個點無需考慮寬的頻率范圍。相反，對于沿光 纖的每個點僅需要考慮所預(yù)料的、差頻所在的小頻率窗口。與針對每個位 置掃描整個可能頻率范圍的常規(guī)方法相比，這大大減少了測量時間并降低 了復雜性。
因此，就此而言，可以假設(shè)所考慮的物理參數(shù)的任何變化相對于在 學習測量中記錄的變化不會超過特定水平。這為所接收的布里淵反向散射 與跟蹤信號之間的頻差賦予了對應(yīng)的最大尺寸，因此這為差頻相對于其標 稱恒定值的變化賦予了最大尺寸。于是，在配置該設(shè)備以采集和處理差頻 時，可以參考所預(yù)料的最大尺寸來設(shè)置要監(jiān)測的頻率帶寬。為了實現(xiàn)該目 的，優(yōu)選將測量系統(tǒng)的頻率帶寬選擇為使其覆蓋所預(yù)料峰值的兩側(cè)直到充 分低的水平，使得首先可以通過測量來確定峰值本身，第二可以適應(yīng)跟蹤 中的頻率變化。
然而，可能存在如下情形，即，光纖的一部分受到影響，造成參數(shù)變 化如此大，從而使得差頻在測量帶寬之外。在這種情況下，將不可能利用 所獲得的測量為光纖的該部分確定布里淵散射頻移的性質(zhì)以及基本的物理 參數(shù)。然而，可以容易地解決這個問題。差頻具有洛倫茲線型，該洛倫茲線 型從中央峰值緩慢下降。因此，即使失去了峰值，也有可能差頻頻譜的至 少一部分將落在測量帶寬之內(nèi)。通過考慮在整個測量窗口上所俘獲頻譜部 分的斜率，可以判斷峰值是位于高頻一側(cè)還是低頻一側(cè)。可以使用關(guān)于差 頻的該信息來沿適當?shù)姆较蛘{(diào)節(jié)跟蹤信號的頻率，以更好地匹配特定光纖 位置處的布里淵散射頻移，從而使該點的差頻在測量帶寬之內(nèi)，以便在整 個光纖長度上進行后續(xù)測量。如果在學習測量期間布里淵散射線相對于其 位置偏移非常遠，可能需要進行一次以上的調(diào)節(jié)。此外，差頻峰值可能落 在測量窗口之外很遠，使得不能確定跟蹤頻率中所需變化的方向。不是進 行隨機選擇，而是優(yōu)選在可能頻率的整個范圍上簡單掃描測量值以定位差 頻。僅需要針對沿光纖的特定點這樣做，沿光纖其他地方的采集不受影響。 因此，測量時間的增加僅是微小的，總時間仍然遠小于針對沿光纖的每個 點掃描整個頻率范圍的常規(guī)方法。
第二示例性實施例
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第二實施例的示意圖。與圖1相比， 類似部件使用了類似的附圖標記。
第二實施例采用與圖1相同的裝置，利用光源IO產(chǎn)生探査脈沖并將其 發(fā)送到光纖18中，對光源10的輸出進行門控和放大，以產(chǎn)生脈沖并經(jīng)由 循環(huán)器16將脈沖發(fā)送到光纖18中。同樣，在光纖端部接收返回的布里淵 散射光并由循環(huán)器將其傳遞到光束組合器20。
而且，采集部件和處理部件與圖1中的相同。在將差頻信號AF (t)在 多個平行頻率通道36之間進行劃分之前，通過帶通濾波器34傳遞該差頻 信號AF (t)，所述多個平行頻率通道36產(chǎn)生數(shù)字化樣本，從存儲器單元 50的陣列將數(shù)字化樣本傳送到處理器52。
再次與圖1相同，處理器52還連接到存儲器陣列30,存儲器陣列30 存儲在先前測量周期期間由光纖18產(chǎn)生的布里淵散射頻移值的信息。使用 該信息對壓控振蕩器26進行編程。而且，時鐘32將頻率測量通道與存儲 器陣列30和數(shù)模轉(zhuǎn)換器28連接起來，以保持跟蹤信號與所接收的布里淵 散射光同步。
23第二實施例與第一實施例的不同之處在于獲得差頻AF (t)的方式。如 上所述，在第一實施例中，混合第一信號和第二信號以產(chǎn)生處于AF (t)的 差頻信號是以電學方式進行的。頻率為& (t)的第二信號是電學本地振蕩 器的直接輸出，而表示布里淵散射頻率fB (t)的第一信號是通過在光探測 器中對處于fa (t)的布里淵散射光與頻率為fl (其中fl可以等于f。)的另 一光信號進行差頻混合以產(chǎn)生頻率在微波范圍中的電輸出來獲得的。
相反，在第二實施例中，混合第一信號和第二信號是以光學方式進行 的。表示fB (t)的第一信號是光纖18的直接輸出，gp，接收到的處于fB (t)的布里淵散射光。第二信號也是光信號，將存儲器陣列30編程的電學 本地振蕩器26的輸出施加到可調(diào)諧光源以給出可變頻率光輸出& (t)，該 光輸出f\ (t)具有與從先前測量周期發(fā)生的布里淵散射頻移匹配所需的頻 率變化，從而獲得該第二信號。然后，將第一信號和第二信號混合到一起 以產(chǎn)生適當形式的期望差頻信號，供該設(shè)備的采集部件處理。
在圖2的實例中，分束器12同樣位于光源10的輸出光束中。相反， 將不用于探查脈沖的輸出光束的一部分引導到移頻器54。移頻器54被施加 了電學本地振蕩器26的輸出，從而移頻器54的輸出，即第二信號是具有 必要的、頻率隨時間變化的光信號，這與存儲器陣列30中存儲的先前記錄 的布里淵散射頻移一樣。
然后，利用光束組合器20和混合器24將第一信號和第二信號混合在 一起，其中混合器24包括用于接收光束組合器20的輸出的光探測器。在 將光探測器24的電輸出傳遞到帶通濾波器34并接下來分配給采集頻率通 道36之前(如參考圖1所述)，在放大器33中放大該電輸出(這是任選的)。
可以采用任何適當?shù)挠糜诋a(chǎn)生頻率為& (t)的適當變化的光信號的方 法。例如，移頻器54可以包括電光調(diào)制器，作為由來自本地振蕩器26的 微波頻率信號驅(qū)動的調(diào)相器或調(diào)幅器而工作。在任一種情況下，在調(diào)制器 輸出中產(chǎn)生至少一個邊帶，通過改變所施加的微波頻率，可以調(diào)節(jié)邊帶的 頻率并將其用作第二信號?；蛘撸梢允褂脝为毜墓庠?，而不是直接從光
源10的處于fo的輸出中得到第二信號。如剛剛描述的那樣，調(diào)制主光源10 的輸出，不過將第二光源注入鎖定到調(diào)制器輸出，并將該光源的輸出用作 第二信號。這種方式實現(xiàn)了對第二信號強度和頻率的獨立控制[6]。然而，對于注入鎖定實施例而言，兩個光源哪個為主哪個為從并不重要。因此，
作為另一備選方案，可以將用于產(chǎn)生探査脈沖的光源IO注入鎖定到用于產(chǎn)
生第二信號的單獨調(diào)制光源。
光頻偏移提供的優(yōu)點在于來自光探測器24的電頻率處于比布里淵散
射頻移更低的頻率處，這減小了噪聲并允許采用更低成本的采集設(shè)備。更 平坦的頻率響應(yīng)也是可能的。此外，因為一旦完成了初始學習測量就僅使 用采集設(shè)備中的電頻譜很窄的部分，因此使電(微波)分量傳輸?shù)淖兓瘜?布里淵散射測量的影響最小化，這樣提高了測量的精度。
可以應(yīng)用在光頻混合實施例中的另一備選方案是在光探測器24與帶寬 濾波器34之間加入另一混合器，加上產(chǎn)生恒定頻率的信號的另一電學本地 振蕩器。在混合器中將該信號與來自光探測器的差頻信號AF (t)混合，以 產(chǎn)生另一差頻信號AF2 (t)，所述另一差頻信號AF2 (t)具有標稱恒定但比 AF (t)低的頻率。這種頻率的降低減小了噪聲和部件成本。
第三示例性實施例
參考第一示例性實施例和第二示例性實施例描述的頻率通道采集方法
的備選方案是全數(shù)字采集方法，該方法采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器以足以執(zhí)行頻率分 析的速率采集差頻信號。可以將這種方法應(yīng)用于第一示例性實施例的電混 合技術(shù)或應(yīng)用于第二示例性實施例的光混合方法。
圖3示出了使用全數(shù)字采集的設(shè)備的示意圖，出于示例的目的，僅結(jié) 合圖1的電頻率混合方法對其加以描述(全數(shù)字采集同樣適用于其他電混 合裝置和適用于包括圖2所示方式的光混合)。因此，圖3示出了很多與圖 l共同的特征，包括脈沖產(chǎn)生和發(fā)射部件、光探測器22中的中間差頻混合 以及混合器24中的電差頻混合，其中所述混合器24從由時鐘控制的存儲 器陣列30和數(shù)模轉(zhuǎn)換器28控制的電學本地振蕩器26接收第二信號(跟蹤 信號)。
然而，在該實例中，將混合器24的差頻為AF (t)的標稱恒定輸出傳 送到次級電混合器60。次級電混合器60也從次級本地振蕩器62接收恒定 頻率信號，因此該恒定頻率信號與差頻信號AF(t)混合。在通過帶通濾波器 66和另一放大器68傳遞所得的次級差頻信號之前，在放大器64中對該次級差頻信號進行放大。差頻信號的混合和濾波旨在使頻率處于適于模數(shù)轉(zhuǎn) 換的范圍內(nèi)(注意，如果降低的頻率對探測設(shè)備是有益的，那么也可以將 信號探測之前用于下變頻的該次級混頻與通道探測裝置一起使用)。通過將
修改的差頻信號傳遞到快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器70來執(zhí)行該轉(zhuǎn)換，其中適當選擇轉(zhuǎn) 換器使其適于對修改的差頻信號進行采樣。例如，以每秒250兆個樣本工 作的轉(zhuǎn)換器可以接受頻率在0-100 MHz范圍內(nèi)的修改差頻信號。至少是輸 入信號頻率的預(yù)計最高值兩倍的采樣速率對實現(xiàn)準確確定布里淵散射性質(zhì) 而言是有用的。因此，可以將次級混合器60進行的修改用來降低差頻信號 的頻率并使其更容易被轉(zhuǎn)換器70管理。
轉(zhuǎn)換器70以快的速率釆集數(shù)據(jù)并產(chǎn)生樣本。樣本的時間間距(由轉(zhuǎn)換 器的采樣速率決定)可以對應(yīng)于沿光纖的期望空間分辨率?；蛘?，可以將 樣本分成組，其中每組的時長是確定空間分辨率的時間窗口，對窗口之內(nèi) 的所有樣本一起處理，以針對光纖的對應(yīng)部分給出布里淵散射特征值。例
如，如果需要10m的空間分辨率，則對應(yīng)于100ns的采集時間，可以針對 光纖的每段采集25個樣本(假設(shè)采樣速率為每秒250兆個樣本)。然后在 存儲器72中存儲這些樣本并將其傳送到用于數(shù)據(jù)處理的處理器52，以確定 布里淵散射性質(zhì)并還可能確定物理參數(shù)。該處理例如可以包括數(shù)據(jù)的傅里 葉變換以及擬合到功率譜，但可以使用任何適當?shù)臄?shù)據(jù)處理技術(shù)。
同前述實施例一樣，為了更新跟蹤操作，將處理器連接到用于對本地 振蕩器26進行編程的存儲器陣列30。而且，利用時鐘32對用于樣本采集 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器70與存儲器陣列30和控制本地振蕩器26的數(shù)模轉(zhuǎn)換器28 一起定時，以確保跟蹤保持與所接收的布里淵散射光同步。
其他實施例
本發(fā)明并不局限于參照圖1、圖2和圖3所描述的實施例。可以使用任 何方案其中，將從所接收的布里淵散射線的頻率導出的并因此表示該頻 率的信號(第一信號)與從較早測量周期中測量的布里淵散射線的頻率導 出的并因此表示該頻率的信號(第二信號)混合。可以用光學或電學方式 混合各種信號，通過在外差作用之前進行和頻或差頻混合，可以將所述各 種信號偏移到其他頻率范圍(例如從光學頻率到微波頻率)。如果需要使所產(chǎn)生的差頻信號在特定的頻率范圍內(nèi)或在所選采集技術(shù)所用的范圍內(nèi)，可 以在外差作用之后進行進一步的頻移。根據(jù)需要，還可以包括各種濾波和/ 或放大級(光學和電學)。此外，可以使用除本文所述的平行通道方式和全 數(shù)字方式之外的采集技術(shù)和頻率確定方法。
對于任一實施例，可以執(zhí)行多個測量周期，即對于多個探查脈沖重復 測量過程(使用先前測量的結(jié)果對跟蹤進行或不進行更新)，以及對所確定 的布里淵散射性質(zhì)和/或物理參數(shù)進行平均，以便獲得性質(zhì)和/或參數(shù)的改善 確定。
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2權(quán)利要求
1、一種用于測量來自光纖的布里淵反向散射的方法，包括將頻率為f0的相干光探查脈沖發(fā)射到光纖中；接收來自所述光纖的反向散射光，所述反向散射光包括至少一個因布里淵散射頻移而從f0偏移到頻率fB(t)的布里淵散射譜線，所述布里淵散射譜線隨時間/沿所述光纖的距離而變化；產(chǎn)生表示fB(t)的第一信號；利用定義先前測量的布里淵散射頻移的信息產(chǎn)生頻率為f1(t)的第二信號，所述第二信號與先前從所述光纖測量的布里淵散射頻移fB(t)-f0以相同方式隨時間變化；混合所述第一信號和所述第二信號以產(chǎn)生差頻為ΔF(t)＝fB(t)-f1(t)的差頻信號，其中ΔF(t)相對時間而言具有標稱恒定值，該標稱恒定值對應(yīng)于所接收的反向散射光具有與所述先前測量的布里淵散射頻移匹配的布里淵散射頻移；采集所述差頻信號；以及處理所述差頻信號以確定所接收的反向散射光的所述布里淵散射譜線的一個或多個性質(zhì)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用與通過處理所述差頻信 號所確定的所述布里淵散射譜線有關(guān)的信息來對定義所述先前測量的布里 淵散射頻移的所述信息進行更新，由此更新所述第二信號的所述頻率& (t)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括針對一個或多個t值，確定通過混合所述第一信號和第二信號獲得的所 述差頻AF (t)的實際值與所述標稱值A(chǔ)F (t)之間的差異S;以及利用這樣確定的S值來對定義所述先前測量的布里淵散射頻移的所述 信息進行更新，由此更新所述第二信號的所述頻率fi (t)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中產(chǎn)生表示fB (t)的所述第一信號的步驟包括產(chǎn)生頻率為fL的相干光 并將其引導到光探測器上；將所接收的反向散射光引導到所述光探測器上 以便與頻率為fl的所述相干光混合，并產(chǎn)生差頻為AfS (t) =fB (t) -fL的中 間信號；以及將所述光探測器的頻率為Afi(t)的電輸出用作所述第一信號；產(chǎn)生所述第二信號的步驟包括將定義所述先前測量的布里淵散射頻 移的所述信息應(yīng)用于電振蕩器，以產(chǎn)生頻率為f, (t)的電信號；以及混合所述第一信號和所述第二信號以產(chǎn)生差頻信號的步驟包括將所 述光探測器的所述電輸出與來自所述電振蕩器的所述電信號混合，以產(chǎn)生 差頻為AF (t)的電信號。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述差頻Afi (t)小于100GHz。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中fffl。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，包括使用單個光源來產(chǎn)生頻率為l 的所述相干光和發(fā)射到所述光纖中的頻率為fo的所述探査脈沖。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中通過如下步驟產(chǎn)生頻率為fl的所 述相干光調(diào)制用于產(chǎn)生發(fā)射到所述光纖中的所述探査脈沖的光源的輸出，從而 產(chǎn)生調(diào)制邊帶；將第二光源注入鎖定到所述調(diào)制邊帶之一；以及將所述第二光源的輸出用作頻率為fL的所述相干光。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中產(chǎn)生表示fB (t)的所述第一信號的步驟包括獲取所接收的反向散射光；產(chǎn)生所述第二信號的步驟包括將定義所述先前測量的布里淵散射頻 移的所述信息應(yīng)用于可調(diào)諧光源，以產(chǎn)生頻率為& (t)的相干光信號；以 及混合所述第一信號和所述第二信號以產(chǎn)生差頻信號的步驟包括將所 接收的反向散射光引導到光探測器上并將所述相干光信號引導到同一光探 測器上，以產(chǎn)生差頻為AF (t)的電信號。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括在處理所述差頻信號之前， 將來自所述光探測器的差頻為AF (t)的所述電信號與來自電學本地振蕩器 的具有恒定頻率fc的輸出進行混合，以將所述差頻AF (t)降低到更低頻 率AF2 (t)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中調(diào)制用于產(chǎn)生頻率為f, (t)的所述相干光信號的所述可調(diào)諧光源以及 用于產(chǎn)生發(fā)射到所述光纖中的所述探查脈沖的光源之一的輸出，以產(chǎn)生調(diào) 制邊帶；將所述可調(diào)諧光源和所述光源中的另一個注入鎖定到所述調(diào)制邊帶之 一；以及利用定義所述先前測量的布里淵散射頻移的所述信息來控制所述調(diào)制 的頻率，以產(chǎn)生頻率為f, (t)的所述相干光信號。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中采集所述差頻信號的步驟包括對所述差頻信號進行數(shù)字化以獲得所 述差頻信號的多個樣本；以及處理所述差頻信號的步驟包括對所述樣本進行數(shù)字信號處理。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中利用至少為AF (t)的預(yù)計最大值兩倍的采樣速率來對所述差頻信號進行數(shù)字化。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中 采集所述差頻信號的步驟包括將所述差頻信號分成多個通道，每個通道覆蓋單獨的頻帶； 逐個探測所述差頻信號在每個通道中的部分；以及對所述差頻信號的每個探測到的部分進行數(shù)字化以獲得每個通道的多個樣本；以及處理所述差頻信號的步驟包括相對于時間對來自每個通道的所述樣本進行數(shù)字信號處理，以確定所述布里淵散射譜線的一個或多個性質(zhì)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 釆集所述差頻信號的步驟包括將所述差頻信號傳遞通過將頻率轉(zhuǎn)換成電壓的電路；以及 對所述電壓進行數(shù)字化；以及 處理所述差頻信號的步驟包括縮放所述數(shù)字化的電壓以提供所述布里淵散射頻移的量度。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中利用所述差頻信號確定的所 述布里淵散射譜線的所述一個或多個性質(zhì)包括如下各項中的至少一項布 里淵散射頻率fB(t);所述布里淵散射譜線的強度；以及所述布里淵散射譜 線的線寬。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用所述布里淵散射譜線 的所述一個或多個確定的性質(zhì)來計算作用于所述光纖的一個或多個物理參 數(shù)的值，并將時間轉(zhuǎn)換成沿所述光纖的距離，以獲得在所述光纖的長度上 所述一個或多個物理參數(shù)的分布的指示。
18、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括針對另外的連續(xù)探查脈沖， 重復所述方法，并在多個探查脈沖上進行平均，以便更精確地確定所述布 里淵散射譜線的所述一個或多個性質(zhì)和/或所述一個或多個物理參數(shù)。
19、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在將探查脈沖發(fā)射到所述 光纖中之前，通過如下步驟來測量由所述光纖產(chǎn)生的所述布里淵散射頻移 以獲得定義所述布里淵散射頻移的信息a)將頻率為fo的相干光探査脈沖發(fā)射到所述光纖中；b)從所述光纖接收反向散射光，所述反向散射光包括因布里淵散射頻 移而從fo偏移到頻率fB (t)的至少一個布里淵散射譜線； C)產(chǎn)生表示fe (t)的初始信號；d) 至少在從所述光纖的最遠部分接收到反向散射光所花的時間內(nèi)產(chǎn)生 處于恒定頻率fc的另一信號；e) 混合所述初始信號和所述另一信號以產(chǎn)生差頻為AFi (t) =fB (t) -fc 的差頻信號；f) 采集所述差頻信號AFi (t);g) 針對在用于采集所述差頻信號的設(shè)備帶寬之內(nèi)產(chǎn)生差頻信號的fc的 可能值范圍上的多個fc值，重復步驟a)到f);h) 處理所采集的差頻信號，以確定所述布里淵散射頻移隨時間/沿光纖 的距離的分布；以及i) 存儲定義所確定的布里淵散射頻移的信息，以用于產(chǎn)生頻率為f,(t) 的所述第二信號。
20、 一種用于測量來自光纖的布里淵反向散射的設(shè)備，包括 光源，用于產(chǎn)生具有頻率fQ的相干光探查脈沖并且將所述探査脈沖發(fā) 射到光纖中； 反向散射接收部件，用于從所述光纖接收反向散射光并由此產(chǎn)生表示 fB (t)的第一信號，其中所述反向散射光包括因布里淵散射頻移而從fo偏 移到頻率fB (t)的至少一個布里淵散射譜線；可編程本地振蕩器；存儲器陣列，用于存儲定義先前從所述光纖測量的布里淵散射頻移fB (t) -fo的信息，所述存儲器陣列連接到所述可編程本地振蕩器，從而所存 儲的信息能夠使得所述可編程本地振蕩器產(chǎn)生第二信號，所述第二信號的 頻率f, (t)與所述先前測量的布里淵散射頻移以相同方式隨時間變化；混頻器，用于接收和混合所述第一信號和所述第二信號以產(chǎn)生差頻為 AF (t) =fB (t) - f, (t)的差頻信號，其中AF (t)相對時間而言具有標 稱恒定值，該標稱恒定值對應(yīng)于所接收的反向散射光具有與所述先前測量 的布里淵散射頻移匹配的布里淵散射頻移；采集系統(tǒng)，用于從所述混頻器接收所述差頻信號并記錄所述差頻信號；以及處理器，用于處理所記錄的差頻信號以確定所接收的反向散射光的所 述布里淵散射譜線的一個或多個性質(zhì)。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中所述處理器還用于利用與通 過處理所述差頻信號所確定的所述布里淵散射譜線有關(guān)的信息來對定義所 述先前測量的布里淵散射頻移的所述信息進行更新，由此更新所述第二信 號的所述頻率f, (t)。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中所述處理器還用于針對一個 或多個t值，確定通過混合所述第一信號和第二信號獲得的所述差頻A F (t) 的實際值與所述標稱值A(chǔ)F (t)之間的差異S ;以及利用S值來對存儲在所 述存儲器陣列中的、定義所述先前測量的布里淵散射頻移的信息進行更新， 由此更新由所述可編程本地振蕩器產(chǎn)生的所述頻率f\ (t)。
23、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中 所述反向散射接收部件包括光源，用于產(chǎn)生頻率為fL的相干光；以及光探測器，用于接收頻率為fl的所述相干光和所接收的反向散射 光，使得所述相干光和所述反向散射光經(jīng)過混頻，并且用于產(chǎn)生中間差頻 為Afi (t) =fB (t) -fL的電輸出，所述電輸出包括所述第一信號；所述可編程本地振蕩器包括用于產(chǎn)生頻率為& (t)的電信號的電振蕩 器，所述電信號包括所述第二信號；并且所述混頻器用于進行電信號的差頻混合并產(chǎn)生差頻為A F(t)的電信號。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中選擇所述頻率fl以給出小于100 GHz的中間差頻Afi (t)。
25、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中f^fl。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其中用于產(chǎn)生探查脈沖的光源和用 于產(chǎn)生頻率為fl的相干光的光源是同一光源。
27、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中將用于產(chǎn)生頻率為fl的相干光 的所述光源注入鎖定到用于產(chǎn)生探査脈沖的所述光源的調(diào)制輸出的調(diào)制邊 帶。
28、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中所述反向散射接收部件包括用于從所述光纖接收反向散射光并對其進 行引導以使得所述第一信號包括所述反向散射光的部件；所述可編程本地振蕩器包括用于產(chǎn)生頻率為f, (t)的光信號的可調(diào)諧 光源，所述光信號包括所述第二信號；并且所述混頻器包括光探測器，所述光探測器用于接收和混合所述反向散 射光和所述光信號并產(chǎn)生差頻為AF(t)的電信號。
29、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的設(shè)備，還包括 次級電學本地振蕩器，用于產(chǎn)生具有恒定頻率fc的輸出；以及 次級混頻器，用于接收所述次級電學本地振蕩器的輸出并將所述次級電學本地振蕩器的輸出與來自所述光探測器的差頻為AF(t)的電信號混合， 以在所述采集系統(tǒng)接收所述差頻信號之前將所述差頻八F (t)降低到較低頻 率AF2 (t)。
30、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其中調(diào)制用于產(chǎn)生頻率為& (t)的所述光信號的所述可調(diào)諧光源以及用于 產(chǎn)生探查脈沖的所述光源之一的輸出，以產(chǎn)生調(diào)制邊帶；將所述可調(diào)諧光源和所述光源的另一個注入鎖定到所述調(diào)制邊帶之 一；以及利用所述存儲器陣列中存儲的定義所述先前測量的布里淵散射頻移的 信息來控制所述調(diào)制的頻率，以產(chǎn)生頻率為& (t)的所述光信號。
31、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中所述采集系統(tǒng)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲器陣列，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對 所接收的差頻信號進行數(shù)字化以產(chǎn)生所述差頻信號的多個樣本，所述存儲器陣列記錄所述樣本；并且所述處理器用于對所述樣本進行數(shù)字信號處理。
32、 根據(jù)權(quán)利要求31所述的設(shè)備，其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于以至少為 AF (t)的預(yù)計最大值兩倍的采樣速率對所接收的差頻信號進行數(shù)字化。
33、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中所述采集系統(tǒng)包括多個平行的頻率通道，每個通道覆蓋單獨的頻帶且每個通道包括: 具有相關(guān)聯(lián)的電學本地振蕩器的電學混頻器，其中每個電學 本地振蕩器產(chǎn)生不同頻率的信號，使得所述電學混頻器充當界定每個通道 的頻帶的濾波器；探測器，用于探測所述電學混頻器的輸出； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于對所述探測器的所述輸出進行數(shù)字化以產(chǎn) 生多個樣本；以及記錄所述樣本的存儲器；以及 信號分配器，用于劃分從所述混頻器接收的所述差頻信號并在所 述通道之間分配所述差頻信號；并且其中所述處理器用于相對于時間對來自每個通道的所述樣本進行數(shù)字 信號處理，以確定所述布里淵散射譜線的一個或多個性質(zhì)。
34、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中利用所述差頻信號確定的所述 布里淵散射譜線的所述一個或多個性質(zhì)包括如下各項中的至少一項布里 淵散射頻率fB(t);所述布里淵散射譜線的強度；以及所述布里淵散射譜線 的線寬。
35、根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中所述處理器還用于利用所述布里淵散射譜線的所述一個或多個確定的性質(zhì)來計算作用于所述光纖的一 個或多個物理參數(shù)的值，并將時間轉(zhuǎn)換成沿所述光纖的距離，以獲得在所 述光纖的長度上所述一個或多個物理參數(shù)的分布的指示。
全文摘要
一種用于測量來自光纖(18)的布里淵反向散射的方法，包括對第一信號和第二信號進行混頻以產(chǎn)生具有差頻ΔF(t)的差頻信號，所述第一信號的頻率f_β(t)表示從所配置的光纖接收的反向散射光中的布里淵散射頻移，所述第二信號的頻率為f_i(t)與先前從光纖測量的布里淵散射頻移以相同方式隨時間變化，該差頻ΔF(t)的標稱恒定值對應(yīng)于所接收的光具有與先前測量的頻移匹配的布里淵散射頻移的情形。采集該差頻信號并進行處理以確定布里淵散射頻移的性質(zhì)和產(chǎn)生該頻移的相應(yīng)物理參數(shù)?？梢杂霉鈱W方式或電學方式執(zhí)行混頻。用于采集差頻信號的技術(shù)包括利用平行頻率測量通道和快速數(shù)字采樣。
文檔編號G01M11/00GK101523183SQ200780037142
公開日2009年9月2日 申請日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月6日
發(fā)明者A·H·哈爾托赫 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司