CN101688793B - 基于相位的感测 - Google Patents

Abstract

一种通过提供包括两个不同波长的脉冲输入来询问基于相位的变换器的方法。不同的波长分量可以用来导出合成波长所经历的相位变化，并且通过将合成波长布置为显著大于分量波长，如此检测的相位具有降低的灵敏度，且较不容易受过度影响。

Description

基于相位的感测

技术领域

本发明涉及利用询问信号的相位的变化来确定感测参数的传感器，并且具体而非专门地涉及光纤干涉测量感测。本发明在地震勘测和成像领域中具有特殊应用。

背景技术

光纤传感器采用一段光纤，该段光纤被布置成使得感测参数使应力被施加于光纤上。光纤一般被布置成线圈状，尽管也可能是其他布置。这样的应力引起在该光纤中传播的光信号的相位的变化，这一变化可以通过干涉测量技术检测到。之前已提出了用于这类变换器(transducer)的各种不同布置，其中多数都具有卷绕在可变形的芯轴或芯棒上的光纤线圈，其响应于诸如感测到的振动这样的感测参数而经历径向扩张或收缩。

这样的光纤传感器可表现出极高的灵敏度，并且具有完全无源的优点，从而使得在感测变换器中不用采用电源。这样的传感器也已被证实在需要大传感器阵列的应用中深受欢迎，因为其可以较容易地多路复用。

这样的应用示例是石油和燃气开采工业中的地震勘测，其中，可以使用包括成百上千个振动传感器和/或水听器的大型时分复用阵列来感测入射脉冲的来自海床底下的地质组成的反射。按规则的周期对这样的阵列进行采样来提供关于现有或潜在的新储藏的3D时延数据。

用该方法来感测存在的问题在于，对于给定采样率，一定幅度阈值以上的信号会使得基于相位的感测信息发生畸变，并且会引起解调处理的失败。此效应通常被称为过载或过度(overscaling)，并且取决于测量信号的频率。在地震系统中，随着入射脉冲的直接到达，尤其(通常由从水面舰船(vessel)牵引的气枪随着其在阵列上通过)靠近传感器产生该脉冲时这会造成特定问题。期望能够记录该入射脉冲，而不发生过度产生的畸变。

在光学计量领域中所公知的是，两个波长的组合可以被用来使用干涉测量技术来测量相对较大的(例如大约1mm)光程长度达极高的精度。这具有如下效应，即，传播通过干涉仪的光可以被认为是具有合成波长，从而生成合成相位或引起相位变化。例如参见R.Dandliker、R.Thalmann和D.Prongue的“Two-wavelength laser interferometry usingsuperheterodyne detection”Opt.Lett.13，339-(1988)，其描述了能够以合成波长工作的自由空间干涉仪，其中所述合成波长是由工作在多偏振状态下的两个激光源生成的。

发明内容

本发明的总体目的是提供改进的感测方法和装置，并且本发明的特定方面的目的是提供用于使用多路复用的光纤传感器阵列来进行感测的改进方法和装置。

根据本发明的第一方面提供了

一种询问基于相位的变换器的方法，所述变换器适合响应于感测参数而提供相位输出，所述方法包括：输入第一和第二输入脉冲到所述变换器，所述脉冲之间具有延时，响应于所述第一和第二输入脉冲而从所述变换器接收输出，并且对该输出进行处理，以确定感测参数的度量，其中，所述输入脉冲中的至少一个包含至少两个不同波长的分量。

这样，变换器可以被认为是响应于通过组合两个不同的输入波长而生成的合成波长而工作的，从而生成合成相位输出。通过将合成波长布置为显著大于两个分量波长中的任意一个，使合成相位相对较小，因而其较不容易受过度影响。此外，由于不需要偏振，所以可提供不太复杂的物理实现。因此，该方法适用于包括多路复用阵列的现有传感器布置，并且只需对硬件稍作修改或无需修改。

下面，更加详细地说明可能的实施例的波长和脉冲时序的精确布置，然而，在特别优选的实施例中，一个脉冲由具有第一波长和第一频移(λ₁和f₁)的第一分量和具有不同波长λ₂和不同频移f₂的第二分量组成。脉冲对中的另一脉冲也由两个分量组成，其中，第一分量具有第一波长λ₁且第二分量具有第二波长λ₂，即，两个脉冲实质上都具有相同的波长组合。然而，另一脉冲中的两个分量都具有共同的第三频移f₃。

在对变换器的输出进行处理以便提供相位度量且因而提供感测参数的度量中，该布置特别有利。根据本实施例，可以将变换器输出布置为包括处于不同波长且具有三个输入频率的不同组合的相位分量。输入频率的谨慎选择有利地允许通过频率选择性处理来导出所期望的输出相位。优选地，来自不同脉冲的频率之差显著大于同一脉冲中的两个频率之差。

这在下述布置中得到最为合理的利用，在所述布置中，变换器适合产生具有从两个所述输入脉冲导出的分量的输出脉冲，下面更加详细地说明其实施例。

本发明基本扩展到这里参照附图所说明的方法、装置和/或使用。

本发明的一个方面中的任何特征都可以任何适当的组合应用于本发明的其他方面。具体而言，方法方面可以应用于装置方面，或者反之亦然。

此外，以硬件实现的特征通常可以软件实现，并且反之亦然。在此对软件和硬件特征的任何提及都应当相应地给以解释。

附图说明

现在，将参照附图而仅通过示例的方式来说明本发明的优选特征，附图中：

图1示出了现有技术光纤变换器布置。

图2图示了一对时间隔开的输入脉冲。

图3示出了响应于图2中的输入而返回的输出脉冲。

图4示出了根据本发明的一个方面的用于产生询问信号的布置。

图5图示了图4中的布置的脉冲输出。

图6a和6b示出了检测布置。

图7是图示了图6中的探测器布置的方面的频率图。

图8a和8b图示了替代的探测器布置和相关的频率图。

具体实施方式

参照图1，示意性示出了一种公知类型的光纤传感器封装，其总体表示为102，并且包括四个单独的光纤感测线圈104、106、108、110，这些线圈由单一段光纤13形成，且被串联布置。光纤112的一部分用作封装输入/输出(i/o)光纤。光纤耦合镜114、116、118、120、122在沿着光纤13的相应位置处被耦合至该光纤，使得每个线圈在其每端都耦合有光纤耦合镜。可以使用诸如光纤内布拉格光栅这样的从每个传感器前后反射一部分光的其他装置来替代光纤耦合镜。实际上，例如，可以将线圈中的三个布置为形成三个正交光纤加速计，并且将第四个线圈形成水听器部分，来形成适合于地震勘测应用的四部件封装。每个变换器中的线圈的物理布置对本发明并不重要，并且不在此讨论，然而，一系列可能的布置对本技术领域的读者而言将是公知的。可以将这样的封装的大规模阵列耦合在一起，布置成空间构造，并且例如利用多路复用周期性地询问以提供时延的地震影像。

参照图2，可以通过将一对询问光脉冲202、204引入到封装i/o光纤112中来执行对图1中的封装102的询问。脉冲202、204具有相应的频率ω₁、ω₂并且脉冲202相对于脉冲204延迟了τ＝2L/c，其中，L为传感器中的线圈的长度且c为光纤中的光脉冲的速度。

图3通过考虑由该对输入脉冲中的每一个脉冲形成的输出而图示出封装的光输出响应。图3a中，到达封装的第一脉冲202被5个光纤耦合镜中的每一个反射，产生五个输出脉冲301、302、303、304和305，这五个输出脉冲是相对于任意时间基准测量的。类似地，参见图3b，脉冲204相对于相同的任意时间基准产生五个延时的输出脉冲322、323、324、325和326。因为输入脉冲被延迟的时间是通过单个线圈的时间的两倍，并且因为这些脉冲存在于同一光纤中，所以这两组输出被叠加，产生了图3c中所示的六个脉冲331、332、333、334、335和336。脉冲331和336表示单个脉冲的仅单次反射，然而，要理解的是，脉冲332至335(阴影示出的)每一个都对应于由相邻的光纤耦合镜反射的两个脉冲的组合。要理解的是，这些脉冲因而表示(两次)经过两个相邻镜之间的线圈的脉冲和未(两次)经过两个相邻镜之间的线圈的脉冲的组合。因此，可以用相位检测来确定该线圈所引起的相位变化，且因而正如本领域所公知的，获得感测参数的度量。

如果是感测参数，则从光电探测器得到的信号可以被写成

即，感测信息可以被表示为叠加在频率ω_c的载波信号上的相位变化，其中，所述光电探测器用于测量从上述类型的传感器返回的一系列脉冲。然后，可以用本领域技术人员所熟知的技术从载波中解调该相位信号。一般将载波频率选为奈奎斯特频率的一半，而其反过来又是采样频率的一半。通常对每个返回的光脉冲采样一次，因此，采样频率是将脉冲对传输到阵列中的速率。通过示例的方式，采样频率可以近似为320KHz，从而给出奈奎斯特频率近似为160KHz并且载波频率近似为80KHz。一般而言，除了其他因素以外，依据传感器的种类和布置，采样频率将具有实际上限。

当相位调制的载波的瞬时频率落在奈奎斯特频带之外时，即，当

或

(其中，ω_N和ω_c分别是奈奎斯特频率和载波频率)时，出现过度条件。实际上，这使得通过在频率空间中围绕奈奎斯特频带的界限之一折叠或弯折而将瞬时频率混叠(alias)回奈奎斯特频带中。依据感测参数的幅值和频率，可将瞬时频率弯折回多次。如果近似将感测参数建模成则不会出现过度条件，因为ω_N＝2ω_c的通常条件有时表示为

如下面将更加详细说明的，询问波长越大，则返回的相位值越小，因而对过度问题的灵敏度就越低。然而，对可以通过光纤传播的波长值存在实际限制，光纤是本发明的优选应用。然而，通过由两个或两个以上非常小的波长分量生成合成波长，可提供对过度的灵敏度下降的合成相位测量。

图4示出了依据本发明的用于产生询问信号的布置。激光源402产生具有波长λ₁的光，该光传播下去通过光纤并被耦合器404分束(split)使得一部分光进入第一声光调制器(AOM)406并且第二部分进入波分多路复用器(WDM)410。以类似方式，来自第二激光源412的波长λ₂的光也被耦合器414分束，并且一部分进入WDM 410而另一部分途经第二AOM 416。来自WDM 410的光传到第三AOM 418。

AOM适合于以特定间隔来调制其输出，从而允许光的脉冲通过设备。首先接通AOM 406并使波长λ₁移动了频率f₁(shift wavelength λ₁through frequency f₁)，同时，AOM 406使波长λ₂改变了(switch)频率f₂(switch wavelength λ₂ through frequency f₂)。在由正被询问的传感器的几何形状所确定的延迟时段之后，接通AOM 418并使这两个波长(已在WDM 410中组合)移动了频率f₃(shift both wavelengths(havingbeen combined in WDM 410)through frequency f₃)。在适合于询问如图1中所示的传感器系统的实施例中，延迟时段相当于通过阵列的线圈的时间的两倍，因而基本操作原理以及输入和输出的脉冲的模式基本未改变。当然，频率和波长的组合比下面将要说明的复杂得多。

由AOM施加的频率移动必然也会导致波长的变化。然而，这些变化是比其基值要小许多数量级，并且如本技术领域的读者将理解的，对于本说明书的目的而言，忽略该波长微扰是有益的，即，认为AOM的输出与其输入具有相同波长是有益的。对波长的提及应当相应地给以解释。类似地，两个不同频率移动一般会得到两个不同频率。这两个术语可以在这里使用，并且对频率和频率移动的提及如有必要应当适当地给以解释。

从AOM 406、416和418中出来的光在另一WDM 420中被多路复用到一起，用于向前传输到传感器阵列，从而通过脉冲网络几乎不损失光能。

参照图5，图4中的布置的结果得到包含通过频率f₁移动的λ₁(如“分量”脉冲502所示)和通过频率f₂移动的λ₂(如“分量”脉冲504所示)的第一脉冲。第二脉冲被示出为包含通过f₃移动的两个波长。虽然为了易于理解而单独考虑分量脉冲很方便，并且脉冲502和504被分别识别为图4中的AOM 406和416的输出，但要理解的是，施加给传感器或传感器阵列的真实信号是脉冲列506和508的波分多路复用的组合。

响应于上述输入的第一脉冲而从诸如图1中这样的传感器阵列接收到的输出被图示为脉冲列510，且类似于图3a，而来自第二脉冲的对应输出被示出为512，且类似于图3b。最后，组合输出被示出为514，且类似于图3c。可以看出，组合输出包含包括用于形成询问波形的两个波长和全部三个频率的脉冲。

尽管输入脉冲模式已被图示为在第一脉冲中具有第一和第二频率以及在第二脉冲中具有第三频率，但是要理解的是，这些脉冲的次序通过改变AOM的切换次序而同样可以逆反。

在实施本发明的干涉测量系统中，输出脉冲表示包含表示为相差的数据的输入脉冲的组合。这里，因为两个不同波长被输入到传感器或变换器，所以在干涉仪的两臂之间获取的相差也将会不同。这两个测量结果之差为

其中，λ₁＝λ，且λ₂＝λ+Δλ。因此，从该方法显而易见的是，干涉仪就如同传播通过其臂的光具有合成波长那样工作

λ_syn＝(λ+Δλ)λ/Δλ

因而波长之差越小，则合成波长越大，从而合成相位Φ就越小。

合成波长法将传感器的灵敏度降低为(Δλ/λ)倍。于是，期望进行合成相位的相位检测来确定由变换器所引起的相位变化，从而确定感测参数的度量。图5a和5b中示出了能够进行该相位检测的布置。

在进一步具体考虑该检测之前，考虑来自变换器的输出是有用的。相干强度可表示为

其中，I(λ₁)和I(λ₂)是对应于波长λ₁和λ₂的干涉图。

和是阵列中的镜M+1和M之间的由波长1获取的相位，或者更一般而言，是所讨论的干涉仪的不同臂之间的由波长1获取的相位。如果代入下列表达式：

ω₁＝2π(f₁-f₃)

ω₂＝2π(f₂-f₃)

则干涉图可被写成

现在参照图6a，首先，从阵列返回的包含两个波长的光在耦合器602或其他适合的装置中被第一次分束。包含两个波长的一部分行进到探测器604，而第二部分传播到在其中使波长分离的光学解复用器(de-multiplexer)606。波长λ₂被传送到探测器608。

图6b示出了图6a的探测器604的细节。包含高频(80-100MHz)的脉冲光信号落在光电探测器620上并被转换成电信号。该电信号是使用适合的高通滤波器622(例如是使用诸如巴特沃斯(Butterworth)滤波器这样的模拟滤波器的1KHz截止型(cut-on))来阻塞的第一dc。然后，该高通信号在使用高频均衡四象限乘法器的模拟平方器624中被平方。如下给出了2ω₁、2ω₂、(ω₁+ω₂)和(ω₁-ω₂)的频率分量：

${\left[I{({\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2)}_{\mathrm{ac}}\right]}^2=1/2{\left(I_{o1}{V}_1\right)}^2+1/2{\left(I_{o2}{V}_2\right)}^2+$

合成相位

在差频(ω₁-ω₂)处并且是通过在平方器后在626处对该信号低通滤波而得到的。

结果在628处被前置放大、由高频ADC 630数字化并传送到相位解调器632，这可以任何熟知方式操作。

如果选择f₁＝200MHz(上移)、f₂＝200.04MHz(上移)和f₃＝110MHz(上移)作为示例，则与每个干涉图相关联的载波频率为(f₁-f₃)＝90MHz和(f₂-f₃)＝90.04MHz。f₁、f₂和f₃的精确值一般由可用的声光调制器(AOM)频率、脉冲转变边沿和最后的载波频率(f₁-f₂)＝0.04MHz控制。一般将后者选为适应于阵列设计。

图7示出了这些频率和模拟低通滤波器626之间的关系。在该情况下，脉冲重复率为160kHz。为了维持大约10ns的脉冲转变边沿，低通滤波器被示出为具有大约100MHz的截止频率，并且为了避免来自和频(sum frequency)分量和双倍频率分量的干扰，滤波器抑制应当优选地在180MHz处至少为-60dB。

为了恢复“正常”相位信息，即，单个波长处的相位信息，以较低(但更加普遍的脉冲重复)采样频率160kHz通过模/数转换器(ADC)对从探测器608重新获得的脉冲进行欠采样(sub-sample)，使得所述信号的载波被混叠回(f₁-f₂)＝40kHz。然后，在解调器中解调欠采样信号。解调信号对应于一般操作的混叠条件为

{1-REM[(f₁-f₃)/f_N]}×f_N＝(f₁-f₂)

其中，‘REM’是[]中括号内的除法之后的余数，f_N是奈奎斯特频率。这里，奈奎斯特频率为80kHz。

在上述情况下，[(f₁-f₃)/f_N]＝[90.04MHz/80kHz]＝1125.5；REM(1125.5)＝0.5，从而{1-REM[(f₁-f₃)/f_N]}×f_N＝40kHz，即为(f₁-f₂)。可以容易使(f₁-f₃)＝90MHz(上移)、(f₂-f₃)＝90.nnMHz(上移)和(f₁-f₂)＝0.nnMHz，从而脉冲重复率为4×0.nnMHz，其中，nn为任何适当的十进制数组合。例如，如果0.nn＝0.05，则主信号的载波频率为50kHz且脉冲重复速率为200kHz。

可选地，来自探测器608的90.04MHz的电信号可以通过将其乘上90MHz信号并对结果进行低通滤波来进行降频转换。90MHz信号其本身是低通滤波之前的f₁和f₃的积，或者是来自单独的90MHz RF源。然后，像之前一样对降频转换后的信号进行解调。

图8a示出了用于恢复合成相位的又一实施例，并且涉及了光输出的直接使用，而不需要在光电探测器中对两个波长进行混合(mix)。因而，与其中混合光学地发生在光电探测之前的图6a中的布置相反，在光电探测之后，在电域(electrical domain)中进行波长的混合。从阵列返回以及从光学解复用器出来的光朝着检测波长λ₁的探测器800和检测波长λ₂的探测器802行进。如果f₁＝200.07MHz(λ₁)和λ₂＝200.02MHz(λ₂)和f₃＝110.00MHz(λ₁和λ₂)，则载波频率在807处为90.07MHz的(f₁-f₃)，且在809处为90.02MHz的(f₂-f₃)。从800和802出来的电信号分别在804和806中被带通滤波，其中，中心频率额定为(f₁-f₃)～90MHz，并且带宽大约为±10MHz。在带通滤波之后，在高频模拟四象限乘法器808中对信号进行混合，并且随后在810中进行低通滤波。低通滤波器的截止频率被设定成使得脉冲的边沿转变保持为在光电探测器800和802之后接收到的那样，但小于180.09MHz的和频2(f₁+f₂-2f₃)，从而对和频具有明显抑制。为了实际目的，本示例中的滤波器810的截止频率可以为大约100MHz。低通滤波器后面的输出信号为50kHz的下移频率，因此脉冲重复率为200kHz。然后，该模拟信号在812中被数字化，并且在814中被解调。图8b给出了一般频域图，其中示出了与低通滤波器相关的混合前后的输入频率、差频和和频分量。

这样，本发明的实施例允许变换器或变换器阵列被询问，以提供对过度的灵敏度降低了的合成相位输出和更常规的相位输出。可以适应性地选择输出，使得仅在过度条件下取决于合成相位。

将要理解的是，上面仅通过示例的方式来说明本发明，并且可以在本发明的范围内对细节做出修改。

说明书、(如有必要)权利要求书及附图中所公开的每个特征都可以单独提供或以任何合适的组合来提供。

Claims (17)

1.一种询问基于相位的变换器的方法，所述变换器适合响应于感测参数而提供相位输出，所述方法包括：

输入第一和第二输入脉冲到所述变换器，所述脉冲之间具有延时，并且其中所述输入脉冲中的至少一个包含至少两个不同波长的分量，

接收来自所述变换器的对应于所述第一和第二输入脉冲的组合的输出，并且

对该输出执行干涉测量检测，以产生表示处于合成波长的相位的信号，所述合成波长是所述两个不同波长的组合，所述信号提供感测参数的度量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，两个输入脉冲都包含至少两个不同波长的分量。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，一个输入脉冲经历第一和第二不同频移。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，另一输入脉冲经历第三单频移。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，使用波分多路复用来组合不同波长的分量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，一个脉冲由具有波长λ₁并移动了频率f₁的第一分量和具有波长λ₂并移动了频率f₂的第二分量组成，并且其中，另一脉冲由具有波长λ₁并移动了频率f₃的第一分量和具有波长λ₂并移动了频率f₃的第二分量组成。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，f₁-f₃＞＞f₁-f₂且f₂-f₃＞＞f₁-f₂。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，对输出进行处理，以产生表示具有基本处于f₁-f₂的载波频率的、合成相位的信号。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，对输出进行处理，以产生表示处于单波长的相位的、单输入波长的信号。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变换器包括至少一个固有的光纤传感器，所述至少一个固有的光纤传感器适合产生具有从两个所述输入脉冲导出的分量的单个输出脉冲。

11.一种根据任一项前述权利要求的方法，用于询问多路复用的光纤地震阵列。

12.一种用于询问基于相位的变换器的系统，所述系统包括

第一信号源，用于产生第一波长的信号，

第二信号源，用于产生第二波长的信号，

波分多路复用器，用于组合所述第一和第二波长的信号，和

声光调制器，用于对信号进行脉冲调制，

其中，该系统被布置用于输出至少两个脉冲到所述变换器，其中至少一个包含所述第一和第二波长两者。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述系统进一步包括：探测器，用于响应于所述至少两个脉冲接收从所述变换器返回的输出，以及用于使用所述输出来产生表示处于作为所述第一和第二波长的组合的合成波长的相位的信号。

14.一种根据权利要求12或13的系统，用于询问多路复用的光纤地震阵列。

15.一种对基于相位的光纤传感器的双波长询问的方法，该方法包括：

输入至少两个脉冲到所述传感器，所述两个脉冲包括至少两个不同波长和三个不同频率，以及

使用最后得到的输出来确定处于第三合成波长的相位的度量，所述第三合成波长是所述第一和第二波长的组合。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，一个脉冲包含第一和第二不同频率，而另一脉冲包含不同于所述第一和第二频率的第三频率。

17.一种根据权利要求15或16的方法，用于询问多路复用的光纤地震阵列。

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