具有兩步式評估的分布式光學傳感的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及分布式光學傳感的領域。
【背景技術】
[0002] 分布式光學傳感系統(tǒng)為測量例如溫度該樣的基本量（primaryquantity)的光電 裝置，其通過諸如起到線性傳感器作用的光纖該樣的光波導管的方式進行。舉例來說，使用 拉曼效應確定沿著在長度上可W為數(shù)千米的光纖的溫度是已知的。
[0003]光學快報 2010,Vo. 18,No. 10,P. 9747ff.中的D.Hwang等人的文章一Novel auto-correlationmethodinafiber-opticdistributed-temperaturesensorusing reflectedAntiStrokesRamanScatteringII描述了一種方法，其用于使用反斯托克斯拉 曼背散射及其出現(xiàn)的反射信號自動校正光纖光學分布式溫度傳感器。該個方法處理兩個部 分的測量信號，一個部分是正常的背散射反斯托克斯信號W及另一個部分為反射信號，其 不僅消減了由于光纖的微小彎曲或損害導致的局部損失的效應而且消減了差分衰減。由于 相同波長的光線被用于抵償在傳送介質(zhì)中的局部變化，所W其不存在固有的差分衰減。該 自動校正概念通過在不同的彎曲點上的彎曲試驗來驗證。
[0004] 電氣與電子工程師協(xié)會（I邸巧光子學技術快報，Vol. 23,No. 9, 2011上的Marcelo A.Soto等人的文章一High-PerformanceRaman-BasedDistributedFiber-OpticSensing UnderaLoopSchemeUsingAnti-StrokesLi曲tonlyII。光纖的兩個端部都已經(jīng)通過 1X2的光開關連接到傳感器，其允許脈沖在向前和向后的兩個方向上可選擇地發(fā)送。在向 前和向后方向中的標準化的反斯托克斯痕量（trace)被計算。該回路方案被描述，其在反 射鏡方案上是有利的，其中該光脈沖由于在反射鏡方案中的雙向的光路徑通過反射鏡被反 射，但是光纖的后端部必須通過傳感器進入。
[0005] W02006/045340A1設及測量在測試的光學裝置值UT)的分布式物理特性（T(X))。 因此，包含在傳輸波長上的一系列光學脈沖的探測信號被發(fā)射到DUT中，從DUT返回的相 應的光學響應被檢測并在第一響應Q波長范圍上的至少第一響應信號從該光學響應中被 分離，其中該第一響應波長范圍不包含傳輸波長，第一相關函數(shù)由與第一響應信號相關的y W及該探測信號確定，W及該分布式物理特性在該第一相關函數(shù)的基礎上確定。所描述的 方法可W進一步包含在第二響應波長上分離第二響應函數(shù)W及通過關聯(lián)該第二響應信號 和該探測信號確定第二相關函數(shù)，W及基于第一相關函數(shù)和第二相關函數(shù)確定該分布式物 理特性。
[0006]EP0 692 705B1號專利文件公開了一種方法，其用于評估用于確定背散射媒介 的溫度曲線的光學背散射信號。該光源的光線相對于時間在其振幅上被調(diào)制。該被評估的 信號進行了傅里葉變換。
[0007]EP0 300 529A1號專利文件公開了一種測量溫度的方法，其包含將光輸入脈沖 發(fā)射進入到溫度傳感元件中并獲得在元件中的該個位置上的溫度，其源于所述位置上的散 射的光強度，元件的一部分被維持在已知的溫度上W便于提供在元件的其他位置上進行溫 度測量的參考，從而避免執(zhí)行該方法的裝置的校準所產(chǎn)生的困難。
[0008]GB2 400 906A號專利文件公開了一種獲得分布式測量的方法，其包含在感興趣 的測量區(qū)域中布置光纖，W及W第一波長和高能級發(fā)射第一光學信號進入光纖中，W第二 波長發(fā)射第二光學信號進入光纖中，W及W第=波長和低能級發(fā)射第=光學信號進入光纖 中。該些光學信號在該第二波長上產(chǎn)生背散射光，第二波長由表不被測量的參數(shù)的第一光 學信號的拉曼散射引發(fā)，該些光學信號在該第一波長上產(chǎn)生背散射光，該第一波長由第一 光學信號的瑞利散射引發(fā)，該些光學信號在第二波長上產(chǎn)生背散射光，該第二波長由第二 光學信號的瑞利散射引發(fā)，W及該些光學信號在第一波長上產(chǎn)生背散射光，該第一波長由 第=光學信號的瑞利散射引發(fā)。該背散射光被檢測W產(chǎn)生四個輸出信號，W及最終的輸出 信號通過將該拉曼散射信號歸一化為函數(shù)得到，該函數(shù)來自于=個瑞利散射信號，其移除 了波長依賴效應和非線性損耗。
[0009]W0 2009/092436A1號專利文件設及分布式溫度傳感，其使用不同于波導管的拉曼 頻移的兩個波長。與常規(guī)的信號輸入波長法相比，其中當傳送到檢測器時，與斯托克斯線和 反斯托克斯線相關的光線經(jīng)歷相應的電磁福射束的不同的衰減和傳播速度（在時間上和/ 或在空間上），示例性的實施例應用具有頻率n和f2的相繼的激勵信號，然而f2-n大約 為v，v為材料的拉曼頻移。結果為，檢測器一看到II對于兩個測量值的本質(zhì)上相同的衰減 和傳播速度，W及光纖的衰減和分散效應可W被至少部分地取消。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 考慮到W上所描述的狀況，存在對分布式光學傳感技術改進的需求，其能夠提供 所感興趣的基本量（例如，溫度）的高信號質(zhì)量或精度，同時實質(zhì)上避免或至少減少了已知 的分布式傳感技術的問題和缺點。該個需求可能通過按照獨立權利要求的主題解決。此處 所公開的主題的有利的實施例通過從屬權利要求描述。此外，與一些方法相關聯(lián)的增加的 測量時間（雙波長需要在第二波長上的測量值或者經(jīng)典的分布式光學傳感（例如，分布式 溫度傳感，DT巧如果不是與反斯托克斯福射記錄同步完成的話則需要用于斯托克斯福射記 錄的附加時間）還可W通過此處公開的主題的實施例減少。用于第二波長激光的需要的 功率還可W被減少同時可W獲得相似的或更好的噪聲標準。于是此處所公開的主題的益處 可W為在測量結果中的更好的信噪比，福射源或其任意組合的較短測量時間或較低功率等 級。福射源（例如，激光器）的較低功率等級可W進一步降低系統(tǒng)的成本。在下文中一斯 托克斯II被縮寫為一SIIW及一反斯托克斯II被縮寫為一ASII。
[0011] 根據(jù)此處公開的主題的第一方面的實施例，其提供了用于確定沿著波導管的基本 量的分布式光學傳感裝置，該分布式光學傳感裝置包含；適于將電磁福射禪合進入到波導 管中從而在波導管中產(chǎn)生（例如，通過與波導管的相互作用）第一響應福射和第二響應福 射的電磁福射源，該第二響應福射與該第一響應福射不同；適于提供表示第一響應福射的 第一測量信號的檢測裝置；該檢測裝置進一步適于提供表示第二響應福射的第二測量信 號；評估單元，其適于基于該第一測量信號和第二測量信號獲得第二量；該評估單元進一 步適于基于該第二量W及第一測量信號和第二測量信號中的至少一個獲得基本量。
[0012] 根據(jù)此處公開的主題的第二方面的實施例，用于沿著波導管的基本量的間隙分布 式確定的分布式光學傳感方法被提供，該方法包含：將電磁福射禪合到波導管中從而產(chǎn)生 第一響應福射和不同于第一響應福射的第二響應福射；提供表示第一響應福射的第一測量 信號W及表示第二響應福射的第二測量信號；基于該第一測量信號和該第二測量信號獲得 第二量；W及基于該第二量和該第一測量信號和該第二測量信號中的至少一個獲得基本 量。
[0013]根據(jù)此處公開的主題的第=方面的實施例，當在諸如計算機該樣的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 上運行時，其提供了用于控制和執(zhí)行根據(jù)此處公開的主題的一個或多個實施例的方法的計 算機程序。
[0014]此處公開的主題的該些方面基于該樣的想法，基本量的信號質(zhì)量可W通過首先獲 得不同于基本量被優(yōu)化的第二量來增加。舉例來說，例如如果該第二量比該基本量在時間 上變化的更慢，則該第二量可W在長于基本量的時段上被平均。
[0015]根據(jù)一個實施例，該第一測量信號表示沿著波導管的第一響應福射產(chǎn)生的空間分 布W及該第二測量信號表示沿著波導管的第二響應福射產(chǎn)生的空間分布。
[0016]根據(jù)一個實施例，該電磁福射為紅外線福射。然而，應當理解的是，電磁福射的波 長被選擇W對用于該應用的相關參數(shù)進行優(yōu)化。
[0017]根據(jù)一個實施例，該評估單元適用于對第一測量信號取樣W便基于該第一測量信 號產(chǎn)生多個第一值；W及該評估單元適用于對該第二測量信號取樣W便基于該第二測量信 號產(chǎn)生多個第二值；其中該第一值和第二值中的每一個與波導管的空間區(qū)域對應。
[0018]根據(jù)實施例，該評估單元適用于基于來自多個第一值的一個第一值W及基于來自 多個第二值的一個第二值獲得第二量的值，其中該第一值、第二值和由其獲得的第二量對 應于波導管的相同的空間區(qū)域。舉例來說，根據(jù)實施例，根據(jù)對應于該相同的空間區(qū)域的第 一值與第二值計算該第二量。
[0019]根據(jù)一個實施例，獲得用于波導管的空間區(qū)域的第二量的值包括（i)計算對應于 空間區(qū)域的第一值與第二值的比率；和/或（ii)計算對應于空間區(qū)域的第一值和第二值的 差。根據(jù)一個實施例，獲得該第二量的值包括在各個值的對數(shù)上執(zhí)行前述的計算（i)和/ 或m)。
[0020] 根據(jù)一個實施例，該第二量為與沿著（i)電磁福射、（ii)該第一響應福射W及 (iii)該第二響應福射中的至少一個的沿波導管的損耗相關或來源于該損耗的量。
[0021] 根據(jù)一個實施例，該電磁福射包括第一電磁福射和在例如波長上不同于第一電磁 福射的第二電磁福射。
[0022] 根據(jù)一個實施例，在下文中也被稱為雙波長法，該第一值相當于來自第一波長的 第一電磁福射的第一響應福射（例如，相當于AS響應）W及該第二值相當于來自第二波長 的第二電磁福射的第二響應福射（例如，相當于S響應），其中該第二波長可W被例如可選 擇地挑選W匹配來自于第一波長的AS波長（在W0 2009/092436A1中詳細描述）。該第二 量接著可W例如通過在線性空間（在對數(shù)空間對應于算術平均值）中的第一波長和第二波 長上的光纖損耗的幾何平均值來描述。該第二量可W作為由基本的拉曼理論產(chǎn)生的第一值 和第二值之間（在線性空間中）的加權差分來計算。在該點上，考慮到例如對不同的激光 功率、濾波器損耗或裝置的檢測器響應度，一加權II意味著第一值和第二值相互之間可W 通過因數(shù)被歸一化。該基本量（例如，溫度）可W接著由第一值（例如，AS痕量）和第二 量（例如，損耗痕量）來計算。
[0023] 按照進一步的實施例，該評估單元適于基于第二量和（i)來自多個第一量中的一 個第一量W及（ii)來自多個第二量中的一個第二量中的至少一個獲得基本量的值，其中 該第二量的值，第一值和第二值中的至少一個，W及從其中獲得的基本量的值對應于波導 管的相同空間區(qū)域。
[0024] 根據(jù)一個實施例，獲得用于波導管的空間區(qū)域的基本量的值包括基于與空間區(qū)域 對應的第二量修正對應于空間區(qū)域的第一值和第二值中的至少一個，從而產(chǎn)生對應于空間 區(qū)域的第一修正值和/或第二修正值。
[00巧]根據(jù)一個實施例，修正第一值和第二值中的至少一個通過根據(jù)第一值和第二量計 算第一修正值和/或通過根據(jù)第二值和第二量計算第二修正值（所有的都對應于空間區(qū) 域）來計算。使用術語一修正II在此由于根據(jù)實施例，該第一值和第二值包括不期望的分 量（component)，例如，損耗分量，其通過計算各自的修正的第一和/或第二值至少部分地 被移除，從而進行第一值和/或第二值的一修正II。
[0026] 根據(jù)一個實施例，獲得用于波導管的空間區(qū)域的基本量包括根據(jù)對應于空間區(qū)域 的第一修正量和對應于空間區(qū)域的第二修正量的至少一個計算基本量。
[0027] 根據(jù)一個實施例，獲得用于波導管的空間區(qū)域的基本量包括計算對應于空間區(qū)域 的第一修正值和第二修正值的加權平均值，例如通過計算對應于空間區(qū)域的第一修正值和 第二修正值的加權和或加權積。根據(jù)一個實施例，該加權值通過評估單元選擇W便改進所 產(chǎn)生的基本量的信噪比。在其他實施例中，該加權值在評估單元中被預編程。
[0028] 根據(jù)一個實施例，該評估單元適于根據(jù)與各個第