光纤分布式感测

IPC分类号 : G01D1/00,G01D1/02,G01D5/353

申请号

CN201280027632.6

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专利摘要

本申请描述了用于分布式光纤感测，尤其是分布式声学/应变感测的方法和设备。该方法涉及向光纤中发射询问辐射并以一定速率对从所述光纤内反向散射的辐射进行采样，以便获取与每个感兴趣感测部分相对应的多个样本。所述多个样本被划分成单独的处理通道并被处理以确定用于该通道的相位值。然后将质量度量施加于已处理相位数据并基于质量度量来将数据组合以提供用于感测部分的总相位值。该质量度量可以是来自通道的已处理数据的相似程度的度量。询问辐射可以包括由相对宽的间隙所分离的两个相对窄的脉冲，并且采样率可以被如此设置，使得获取多个基本上独立的分集样本。

权利要求

1.一种分布式光纤传感器设备，包括：

光源，被配置成在使用中向光纤中发射询问辐射；

采样检测器，被配置成在使用中对从所述光纤内反向散射的询问辐射进行采样；以及

处理器，被配置成确定用于所述光纤的至少一个空间感测部分的任何相位调制；

其中，所述处理器被配置成：

在每次发射之后取得与从感兴趣空间感测部分的至少一部分反向散射的辐射相对应的多个样本；

将所述多个样本划分成多个处理通道；

处理所述多个处理通道中的至少一些，以确定用于所述通道的至少相位数据；

向来自所述处理通道的所述数据施加质量度量；以及

基于施加所述质量度量的结果来将用于所述通道的已确定相位数据组合成用于所述感兴趣空间感测部分的总相位值。

2.如权利要求1中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述质量度量包括关于用于给定通道的相位数据与来自其他已处理通道的相位数据之间的相似程度的确定。

3.如权利要求2中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成分析来自所述通道的相位数据，以确定来自一个通道的结果是否相似于来自其他通道的结果。

4.如权利要求3中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成基于来自一个通道的相位数据如何相似于来自另一通道的相位数据来确定分数。

5.如权利要求2至4中的任一项中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成使来自一个通道的相位数据与来自其他通道的相位数据相关。

6.如权利要求2至5中的任一项中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成通过针对每个通道确定当前相位值与用于该通道的平均相位值的变化程度来确定来自两个通道的相位数据之间的相似程度。

7.如权利要求6中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成针对两个通道的每个组合来确定具有以下形式的第一度量：

M1 (A, B) = (A - <A>).(B - ),

其中，A和B是来自所述通道的当前数据值，以及<A>和是来自所述通道的数据的平均值。

8.如权利要求7中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成通过针对两个通道的每个组合确定具有以下形式的第二度量来确定两个通道中的相位数据之间的差的量值的测量结果：

M2 (A, B) = ((A - <A>) - (B - ))²。

9.如权利要求8中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成通过确定所述第一和第二度量之间的差来确定用于两个通道的每个组合的总质量度量。

10.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成基于所述质量度量来施加被施加于来自每个处理通道的相位数据的加权，并根据所述加权来将来自所述通道的相位数据进行组合，以提供所述总相位值。

11.如权利要求10中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被如此配置，使得相互非常相似的来自通道的相位数据被给定比相互较不相似的已处理相位值相对更高的加权。

12.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被如此配置，以便使用仅来自所述处理通道的子集的已处理相位数据来形成所述总相位值，其中，该子集包括对于其而言所述质量度量指示高质量的那些通道。

13.如权利要求12中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，通道的所述子集包括预定数目的通道。

14.如权利要求13中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述预定数目的通道由所述设备的用户可配置。

15.如权利要求12中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，包括所述子集的通道的数目是基于所述通道的相位数据可变的。

16.如权利要求15中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成基于所述质量度量来确定用于来自每个通道的相位数据的分数，并在组合中使用具有在阈值以上的分数的任何相位数据来产生所述总相位值。

17.如权利要求15或16中的任一项中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成指示在组合中使用的相位数据的通道的数目以产生所述总相位值。

18.如权利要求14至17中的任一项中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成基于在组合中所使用的数据的通道的数目来对所述总相位值进行校准以产生所述总相位值。

19.如权利要求15或18中的任一项中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成提供以下各项中的至少一个的指示：用来产生所述总相位值的相位数据的特定通道和用来产生所述总相位值的相位数据的通道的扩展。

20.如权利要求15或18中的任一项中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成基于用来产生所述总相位值的相位数据的通道来提供感兴趣感测部分的相位中心的估计。

21.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成向每个通道的相位值施加任何必要时间调整，以在施加所述质量度量之前将声学刺激的到达方向考虑在内。

22.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成确定用于每个处理通道的相位数据和振幅数据。

23.如权利要求22中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，施加所述质量度量包括确定来自每个通道的振幅数据的AC与DC比值。

24.如权利要求23中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述AC与DC比值被用作用于该通道的信噪比的指示。

25.如权利要求23或权利要求24中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成丢弃具有在预定阈值以下的AC与DC比值的来自通道的任何相位值。

26.如权利要求23或权利要求24中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成基于用于该通道的所述AC与DC比值来向来自每个通道的相位数据施加加权，并考虑所述加权而形成所述总相位值。

27.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被如此配置，使得处理所述多个通道中的每个通道以确定相位值。

28.如权利要求1至26中的任一项中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成估计用于通道的信噪比并仅处理该通道中的数据，以对相位数据进行确定该信噪比是否在某个阈值以上。

29.如权利要求28中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述处理器被配置成使用每个通道中的分集样本的平均强度作为信噪比的估计。

30.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，与感兴趣感测部分相对应的多个样本中的大多数是基本上独立的分集样本。

31.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，在使用中，所述多个样本被如此获取，使得对于每个样本而言，可以在检测器处从其接收到来自询问辐射脉冲的反向散射信号的光纤的每个贡献区段基本上独立于所述多个样本中的其余部分中的大多数的对应贡献区段。

32.如权利要求31中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，在使用中，所述多个样本被如此获取，使得对于每个样本而言，每个所述贡献区段基本上独立于所述多个样本的其余部分中的75%或更多的对应贡献区段。

33.如权利要求31或权利要求32中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，与用于所述多个样本内的任何其他样本的对应贡献区段相比较的用于一个样本的光纤的每个所述贡献区段之间的重叠程度可以是50%或以下。

34.如权利要求31或权利要求32中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，与用于所述多个样本内的任何其他样本的对应贡献区段相比较的用于一个样本的光纤的每个所述贡献区段之间的重叠程度可以是25%或以下。

35.如权利要求31或权利要求32中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，每个样本是这样的，使得每个所述贡献区段基本上独立于用于所述多个样本的所有其余部分的对应贡献区段。

36.如权利要求31至35中的任一项中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述光源被如此配置，使得询问辐射至少包括具有第一脉冲持续时间的第一脉冲，并且所述采样检测器被如此配置，使得样本之间的时间差大于用于所述多个样本中的大多数的所述第一脉冲持续时间。

37.如权利要求36中所要求保护的分布式光纤传感器设备，所述采样检测器被如此配置，使得所述多个样本中的任何两个样本之间的时间差为所述第一脉冲持续时间的至少50%。

38.如权利要求36中所要求保护的分布式光纤传感器设备，所述采样检测器被如此配置，使得所述多个样本中的任何两个样本之间的时间差为所述第一脉冲持续时间的至少75%。

39.如权利要求36中所要求保护的分布式光纤传感器设备，所述采样检测器被如此配置，使得所述多个样本中的任何两个样本之间的时间差至少等于所述第一脉冲持续时间。

40.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述检测器的采样率是这样的，使得一系列连续样本能够被直接用作对应于感兴趣感测部分的多个样本。

41.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述检测器的采样率被配置成在询问辐射在光纤中行进等于感兴趣感测部分的长度的两倍的距离所花费的时间中获取多个样本。

42.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述检测器的采样率约为100MHz或以上。

43.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述光源被如此配置，使得所述询问辐射包括第一脉冲和第二脉冲，在其之间具有间隙。

44.如权利要求43中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述第一和第二脉冲之间的持续时间等于或大于所述第一脉冲和/或第二脉冲的脉冲持续时间。

45.如权利要求44中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述第一和第二脉冲之间的持续时间为所述第一脉冲和/或第二脉冲的脉冲持续时间的至少两倍。

46.如权利要求43至45中的任一项中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述光源被如此配置，使得脉冲对的脉冲在其之间具有频率差。

47.如任一前述权利要求中所要求保护的分布式光纤传感器设备，其中，所述光源被配置成反复地向光纤中发射脉冲对，其中，连续发射中的脉冲对具有与彼此相同的频率配置，并且被如此生成，使得一个脉冲对的脉冲的相位关系具有与连续脉冲对的相位关系的预定相对相位差。

48.一种分布式光纤感测的方法，包括：

向光纤中发射询问辐射；

对从所述光纤内反向散射的询问辐射进行采样；以及

确定用于所述光纤的至少一个空间感测部分的任何相位调制；

其中，确定任何相位调制的步骤包括：

在每次发射之后取得与从感兴趣空间感测部分的至少一部分反向散射的辐射相对应的多个样本；

将所述多个样本划分成多个处理通道；

处理所述多个处理通道中的至少一些，以确定用于所述通道的相位数据；

向所述已处理通道施加质量度量；以及

基于施加所述质量度量的结果将用于所述通道的已确定相位数据组合成用于所述感兴趣空间感测部分的总相位值。

49.如权利要求48中所要求保护的方法，其中，施加所述质量度量的步骤包括确定用于给定通道的相位数据与用于其他已处理通道的相位数据之间的相似程度。

50.如权利要求49中所要求保护的方法，其中，通过使来自每个通道的相位数据与来自其他通道的相位数据相关来确定来自通道的相位数据之间的相似程度。

51.如权利要求48至50中的任一项中所要求保护的方法，其中，基于施加质量度量的结果来将来自所述通道的相位数据与施加于每个已处理通道的相位数据的加权进行组合。

52.如权利要求48至51中的任一项中所要求保护的方法，其中，基于所述质量度量来选择仅来自通道的子集的相位值以形成组合相位值。

53.如权利要求48至52中的任一项中所要求保护的方法，其中，与感兴趣感测部分相对应的所述多个样本中的大多数是基本上独立的分集样本。

54.如权利要求53中所要求保护的方法，包括发射询问辐射并对所检测的反向散射辐射进行采样，使得对于每个样本而言，可以从其接收到来自询问辐射脉冲的反向散射信号的光纤的每个贡献区段基本上独立于所述多个样本的其余部分中的大多数的对应贡献区段。

55.一种处理从分布式光纤传感器获取的数据以确定任何相位调制的方法，包括步骤：

在向光纤中发射询问辐射之后取得与从所述光纤的感兴趣空间感测部分的至少一部分反向散射的辐射相对应的多个样本；

将所述多个样本划分成多个处理通道；

处理所述多个处理通道中的至少一些，以确定用于所述通道的相位数据；

向所述已处理通道施加质量度量；以及

基于施加所述质量度量的结果来将用于所述通道的已确定相位数据组合成用于所述感兴趣空间感测部分的相位值。

56.一种分布式光纤传感器，包括采样检测器，其被配置成在使用中获取用于感兴趣感测部分的多个样本，以及处理器，其被配置成在单独分集通道中处理所述样本并基于来自已处理通道的得到的数据的相似性来将来自所述通道的结果进行组合。

57.分布式光纤传感器中的询问辐射的用途，所述询问辐射包括由大于脉冲宽度的间隙所分离的两个脉冲，以允许获取多个在很大程度上独立的分集样本。

58.一种分布式光纤传感器设备，包括光源，其被配置成在使用中反射地向光纤中发射询问辐射，其中，所述询问辐射包括后面是第二脉冲的第一脉冲，其中，所述第一和第二脉冲之间的时间段大于所述第一和/或第二脉冲的脉冲持续时间，并且还包括采样检测器，其被配置成在使用中获取在持续时间方面等于脉冲之间的时间的多个样本。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤分布式感测，并且特别地涉及用于确定所述光纤上的相位调制的方法和设备，并且尤其涉及光纤分布式声学感测。

背景技术

光纤分布式声学传感器是已知的。此类传感器用光辐射来询问光纤并测量由影响光纤的声波引起的对辐射的改变。

美国专利US5,194,847（Texas A & M大学）描述了用辐射的重复相干脉冲来询问光纤并检测在光纤内被Raleigh反向散射的任何辐射。每次用单个脉冲来询问光纤，并分析反向散射辐射的振幅以检测由声/压力波引起的光纤的任何扰动。本文件教导的是能够出于周界监视目的使用掩埋式光纤作为分布式声学传感器。

英国专利申请GB2,222,247（Plessey）描述了另一分布式光纤传感器，其中，通过沿着光纤传输光脉冲来感测诸如声波的环境参数中的变化。本文件描述的是可以向光纤中传输两个紧密间隔的脉冲，第一脉冲具有与第二脉冲不同的频率。来自光纤内的脉冲的反向散射能够在载波频率下被检测和分析，该载波频率等于询问脉冲之间的频率差。在检测器处接收到的信号能够被选通并处理以确定表示影响光纤的期望区段的环境参数中的变化的信息。

英国专利申请GB2,442,745（AT & T）描述了使用光纤的分布式声学感测。本文件再次教导了脉冲对的使用，其中，脉冲对的各个脉冲具有不同的频率。反向散射信号在载波频率下被分析，该载波频率对应于脉冲对中的脉冲之间的频率差。本文件教导了在脉冲对中的脉冲之间的已知频率差下向所检测的反向散射信号施加复解调以提供用于载波频率的同相（I）和正交（Q）信号。这些然后被转换以提供信号的相位和振幅。然后监视来自相同光纤区段的连续样本的相位以确定入射在该光纤区段上的任何声信号。

本文件（GB2,442,745）教导的是脉冲对中的脉冲之间的频率差应与脉冲宽度有关。给出了20m宽度的脉冲和至少5MHz的一对中的脉冲之间的频率差的示例。

虽然在GB2,442,745中所描述的技术是有用的，但在某些情况下，在此类光纤传感器中所固有的基带结构，即所检测反向散射中的随机但系统化图案，能够掩蔽或破坏载波信号并减小传感器的信噪比。系统的此基带结构部分地由光纤中的散射部位的随机分布、由热漂移等所引起，并且因此不能被消除。通过使用例如约几百MHz的较高载波频率，能够缓解系统的测量信号和基带噪声的交叉的效应。然而，此类高载波频率的使用将要求超过几百MHz的检测器采样率。这不仅将要求用于询问器单元的非常快速的部件并大大地增加所需的处理量，而且高得多的检测器带宽也将影响检测器的灵敏度。

发明内容

本发明提供了用于光纤分布式传感器的改进方法和设备，尤其是缓解上述缺点中的至少一些的分布式声学传感器。

因此，根据本发明的第一方面，提供了一种分布式光纤传感器设备，包括：光源，被配置成在使用中向光纤中发射询问辐射；采样检测器，被配置成在使用中对从所述光纤内反向散射的询问辐射进行采样；以及处理器，被配置成确定用于所述光纤的至少一个空间感测部分的任何相位调制，其中，所述处理器被配置成：在每次发射之后取得与从感兴趣空间感测部分的至少一部分反向散射的辐射相对应的多个样本；将所述多个样本划分成多个处理通道；处理所述多个处理通道中的至少一些以确定用于所述通道的至少相位数据；向来自所述处理通道的所述数据施加质量度量；以及基于施加所述质量度量的结果将用于所述通道的所确定的相位数据组合成用于所述感兴趣空间感测部分的总相位值。

在使用中，分布式光纤传感器反复地用询问辐射来询问光纤并检测从光纤内反向散射的任何询问辐射，如在分布式光纤传感器中惯常的那样。传感器分析来自询问辐射的不同发射的从光纤反向散射的辐射以确定对于感兴趣感测部分而言在所检测辐射中是否存在任何相位调制。

如稍后将更详细地描述的，到达检测器的反向散射辐射将从光纤内的本征散射部位散射。在任何时刻到达检测器的辐射将对应于从散射部位反向散射的辐射，该散射部位遍及光纤的一个或多个区段而被分布（取决于询问辐射的形式）。各种反向散射信号将在检测器处干涉，并且得到的干涉信号将具有相位特性，该相位特性取决于询问辐射的特性、到散射部位的光程长度，以及还取决于散射部位在光纤内的分布。由于散射部位的分布是实际上随机的，所以得到的干涉信号具有随机元素。实际上，散射部位形成干涉仪，并且此干涉仪的相对相位偏置位置取决于散射部位在光纤内的分布，其是随机的。然而，在不存在任何外界刺激的情况下，来自第一组散射部位的反向散射特性在询问辐射的连续发射之间将是基本上相同的，即相位偏置位置在发射之间的时间标度上将保持相同。

导致光纤内的光程长度变化的光纤上的任何刺激，诸如光纤上的入射声波或其他压力波或应变，可能导致用于光纤的相关部分的反向散射信号中的相位调制，即随时间推移的来自光纤的给定部分的反向散射信号的相位特性中的变化。因此，通过确定影响感兴趣空间感测部分的任何相位调制的存在和程度，可以检测影响该感测部分内的光纤的任何刺激，诸如声学刺激。

由于散射部位的分布是实际上随机的，所以存在的可能性是，来自给定的一组散射部位的反向散射信号相消地干涉以有效地抵消或另外产生具有在系统的噪声基底以下的低强度的得到的信号。换言之，干涉信号可能遭受衰落。即使信号尚未完全衰落，其也可能遭受低信噪比，这可能降低传感器的灵敏度或准确度。因此，如果要针对每个感兴趣空间感测部分获取单个样本，则存在的可能性是，这样的样本将遭受衰落，并且可能不会检测到可靠的干涉信号，或者干涉信号的信噪比将是低的。

在根据本发明的此方面的分布式光纤传感器中，从询问辐射的每次发射针对每个感兴趣感测部分获取反向散射辐射的多个样本。处理对应于感兴趣感测部分的所述多个样本以确定用于该感测部分的相位值，并且因此可以在对应于感兴趣感测部分的分析面元（bin）中分析该样本。因此，例如，可以将分布式光纤传感器如此布置，以便提供光纤的多个纵向感测部分，光纤的每个感测部分具有特定长度，例如10m。采样检测器的采样率因此被设置得足够高，使得对于每个10m的光纤区段，取得多个单独样本。这些单独样本能够被视为分集样本。

根据本发明的此方面，反向散射数据的处理涉及将所述多个分集样本划分成多个处理通道并处理这些通道中的至少一些以确定用于该通道的相位数据。然后向已处理数据施加质量度量。然后将该质量度量考虑在内，将针对通道所确定的相位数据组合以提供用于感兴趣感测部分的相位值。这导致用于感兴趣感测部分的总相位值，与常规分布式光纤传感器相比，该总相位值较不易于衰落且具有更好的信噪比。然后能够使用该总相位值来检测影响感兴趣感测部分的任何相位调制。

实际上，质量度量确定来自特定通道的数据是具有高质量还是低质量。然后在将来自各种通道的数据组合时将来自通道的数据的质量的此评定考虑在内以确保用于感兴趣感测部分的高质量相位值。

存在能够考虑质量度量来将数据组合的各种方式，例如可以对较低质量数据给定相比较高质量数据更低的加权或者将其完全从组合中省略掉，如稍后将更详细地描述的。这样，能够在将来自各种通道的数据组合时将数据通道的相对质量考虑在内，结果是遭受高噪声或低信噪比的任何通道与具有良好信噪比的那些通道相比可以对总相位值具有较少的影响。

有利地，质量度量可以包括关于用于给定通道的数据与来自其他已处理通道的数据之间的相似程度的确定。换言之，分析来自已处理通道的数据以确定来自一个通道的结果是否相似于来自其他通道的结果。处理器因此可以分析来自各种通道的数据。处理器可以基于来自一个通道的数据如何相似于来自另一通道的数据来确定分数。

本发明已实现的是，针对上述类型的分布式光纤传感器，当外界刺激影响感兴趣感测部分时，其可以按照基本上相同的方式很好地影响对应于该感兴趣感测部分的多个样本。换言之，在理想条件下，对应于感兴趣感测部分的多个分集样本中的每一个将展现出相同的相位调制程度。

如上文针对分布式声学传感器所述，感兴趣感测部分的长度可以为约10m左右或更小，并且一些实施例可以使用短得多的感兴趣感测部分，例如约1m左右。对于约10m左右的感测部分而言，（从询问辐射的每次单独发射）获取对应于该感测部分的多个分集样本要求快速的采样时间。采样检测器可以被配置成在对于询问辐射在光纤中行进等于感兴趣感测部分的长度两倍的距离所花费的时间中获取多个样本。例如，获取对应于光纤的10m感测部分的十个样本要求在对于光纤中的辐射行进20m所花费的时间（即用于光进一步向光纤中行进10m并返回的时间）中获取十个样本。因此，对于具有约1.5的折射率的光纤而言，将要求约100MHz的采样率。因此可以在约一百MHz左右的相对高采样率下获取分集样本，其比扰动在正在测量的光纤上的演进速率快得多。在此时间标度内，即使很可能将被分布式光纤传感器所检测的最高频率声信号也将不会改变很多，采取低频率长k矢量声学扰动和缓慢的声学传播速度。对于其中光纤被掩埋在地下或被嵌入材料中的分布式光纤传感器而言，几百Hz以上的频率很可能将被强烈地衰减，并且传感器将主要检测200Hz或以下的频率。此外，对于此类入射信号而言，很可能的是，在感兴趣感测部分内引起光纤内的光程长度变化的任何入射声波很可能影响光纤的10m区段的大部分。因此，能够进行的假设是，与感兴趣感测部分相对应的所述多个样本中的每一个正在测量同一入射刺激。

本发明的此实施例因此基于以下假设进行操作，在处理之后，来自每个通道的数据在理想的非衰落条件下应展现出相同的相位调制。因此，其中已处理相位数据相似于来自其他通道的数据的通道可以指示相关通道全部正在正确地测量相同的刺激，而其中已处理数据与其他通道的数据不匹配的任何通道可以指示已衰落或噪声主导的样本。

因此向来自已处理通道的已处理相位数据施加质量度量以确定已处理通道之间的自相似程度。可以由使来自一个通道的数据与来自其他通道的数据相关的处理器来确定来自各种通道的已处理数据之间的自相似程度。

在一个实施例中，质量度量通过针对每个通道确定当前值与用于该通道的平均值的变化程度来确定来自两个通道的数据之间的相似性。度量可以包括将来自每个通道的变化程度乘在一起，即质量度量可以包括针对两个通道确定M1 (A, B) = (A - <A>).(B - )形式的第一度量，其中，A和B是来自通道的当前数据值，并且<A>和是来自通道的数据的平均值。然而，此度量仅能够给出用于具有大DC分量的信号的大的结果。因此，有利地，可以使用第二度量M2来确定两个信号之间的差的量值的测量结果。度量M2可以具有M2(A, B) = ((A - <A>) - (B - ))²形式。可以针对通道的每个组合来计算这两个度量并将其用来确定相互最相似的通道。可以通过以下来来计算总度量M_Q：确定第一和第二度量之间的差，即质量度量可以具有M_Q(A, B) = M1 (A, B) -M2(A, B)形式，或者确定第一和第二度量的平均值之间的差，即M_Q(A, B) = <M1(A, B)> - <M2(A, B)>。然后可以使用所计算的质量度量M_Q的值来确定最为自相似的那些通道。

在一个实施例中，处理器在考虑用于每个其他通道的数据时针对每个通道确定质量度量的结果。使用诸如上述的度量，这将有效地导致关于来自该通道的当前数据与来自另一通道的数据如何相似的一系列分数。因此，对于第一通道而言，将存在针对每个其他通道的分数。

然后可以基于此质量度量将相位数据与施加于每个已处理通道的结果的适当加权相组合。例如，在组合中可以对相互非常相似的来自通道的数据给定相对高的加权，而在组合中对相互较不相似的已处理相位值给定相对低的加权。以这种方式，该组合实际上对良好质量的样本给定更多权重且对不良质量的样本给定较少的权重，并且因此与常规组合技术相比提高了信噪比。

另外或者替换地，只有来自通道的已处理值（自相似的那些）的子集可以被用来形成组合相位值。

该子集可以包括来自预定数目的通道的数据。换言之，该方法可以包括以下步骤：当N>M且M的值是预定的时，从可用的N个通道中选择M个最为自相似的结果。例如，如果获取了与光纤的特定感测部分相对应的约10个样本且每个在单独的通道中被处理，即N＝10，则例如可以选择五个最为自相似的已处理数据值（M＝5）来组合。因此，当形成组合相位值时所使用的通道的数目以及因此样本的数目可以随时间推移是恒定的，并且对于光纤的每个感测部分而言可以是相同的。这可以使得稍后处理中的一些容易，因为每个组合相位值由相同数目的单独样本形成。可以由传感器的用户来预先配置从其取得数据以形成子集的通道的数目M。

替换地，被用来形成子集的已处理数据的通道的数目可以基于数据本身而是可变的。例如，可以向来自每个单独通道的结果施加质量度量以确定与来自其他通道的数据的自相似的程度，并且可以将相互充分相似的所有结果组合，其在某些情况下可以包括所有通道。可以对来自每个通道的数据给定分数，并且可以在组合中使用具有在设定阈值以上的分数的任何数据。因此，如果十个已处理数据值中的八个相互相似，例如分数足够高，则可以将这八个相似数据值组合，但是对于光纤的另一感测部分而言，如果仅四个通道产生相互相似的结果，则可以仅将来自那四个通道的数据组合。

改变被用于组合以产生总相位值的通道的数目将影响系统的噪声性质。因此，可以将处理器布置成基于在组合中所使用的通道的数目对总相位值进行校准。处理器还可以提供在执行组合时所使用的分析面元的通道数目的指示。

还将认识到的是，针对感兴趣感测部分的得到的值的相位中心可以根据实际上被选择用于组合的通道而变化。与感兴趣感测部分相对应的所述多个样本中的每一个将包括来自光纤的略微不同区段的反向散射辐射。因此，例如，如果来自十个可能通道中的五个通道的数据被选择用于组合，则如果前五个通道是所选择的那些，则得到的组合值的相位中心将向感测部分的一侧倾斜。因此还可以将处理器布置成提供在组合和/或相位中心的估计中所使用的相关通道或至少通道的扩展的指示。

如上所述，基于与感兴趣感测部分相对应的通道的已解调相位值的自相似性的质量度量依赖于的假设是，各种通道中的每一个正在经历相同的一般刺激。这在大多数情况下是合理的假设，但是其对于一些精密应用或者在可以预期具有高波数的入射波的情况下可能是不够的。在这种情况下，可能期望在评定之前向每个通道的相位值施加一些时间调整以将声学刺激的到达方向考虑在内，即应用一些波束成形类型的技术。

在一个实施例中，还可以处理与感兴趣感测部分相对应的多个样本以确定用于测量信号的振幅数据以及相位值。该振幅数据还可以在质量度量中被使用。如果获取遭受衰落的样本，则已解调测量信号将趋向于具有低振幅变化。然而，对于碰巧与导致最大反向散射强度的相位偏置位置一致的高质量信号而言振幅变化也可能是低的。因此处理器可以适合于基于当前振幅值和几个先前值来确定来自每个通道的振幅数据的AC与DC比，即与用于每个通道的平均振幅相比的振幅变化的水平的比。AC至DC比可以被用作相关通道数据的当前信噪比的指示。相对高的比可以指示相对高的SNR，而低值可以表示低SNR。因此可以丢弃来自具有在阈值以下的AC与DC比值的通道的导出相位值。另外或替换地，可以在形成组合值时对相位值给定加权，该加权至少部分地基于AC与DC比。

可以将处理器布置成处理与感兴趣感测部分相对应的所述多个样本中的每一个以导出已处理相位和可能振幅值。因此如果获取了与每个感兴趣感测部分相对应的比方说八个样本，则将存在八个通道且每个可以被处理。然而，在一个实施例中，处理器被配置成估计用于通道的信噪比，并且如果该信噪比在某个阈值以上，则仅处理该通道中的数据。因此可以将处理器配置成在处理样本以确定用于该通道的相位值之前确定每个通道中的分集样本的平均强度，即逐发射针对特定分集通道所获取的样本。样本的低平均强度很可能指示相关通道当前是衰落的。因此，为了降低处理开销，可以从处理中省略对于其而言平均强度在某个设定极限以下的通道。

有利地，与感兴趣感测部分相对应的多个样本中的大多数是基本上独立的分集样本。

如上所述，在任何给定时刻，根据询问辐射的形式，在检测器处接收到的反向散射信号可以包括从光纤的一个或多个区段反向散射的辐射。通常，询问辐射将包括光学辐射的一个或多个脉冲（注意，如本文所使用的，术语光学辐射将包括红外或紫外辐射以及可见光波长下的辐射）。例如，如果询问辐射将包括以一定间隙分离的两个脉冲，则将从光纤的两个单独区段产生在任何时刻到达检测器的反向散射辐射，两个贡献区段以一定间隙被分离。

因此每个样本根据询问辐射的形式而有效地对应于来自一个或多个贡献区段的反向散射信号。光纤的贡献区段有效地定义采样窗口。光纤中的采样窗口的位置取决于发射询问辐射之后的时间。在任何两个连续样本之间，光纤内的相应贡献区段的位置以及因此采样窗口将已移动。

因此有利地获取所述多个样本，使得对于每个样本而言，可以从其接收到来自询问辐射脉冲的反向散射信号的光纤的每个贡献区段基本上独立于所述多个样本的其余部分中的大多数的对应贡献区段。换言之，对于大多数样本而言，在对应的贡献区段之间基本上不存在重叠。因此，如果询问辐射包括以一定间隙分离的第一脉冲和第二脉冲，因此针对每个样本定义第一贡献区段和第二贡献区段，则获取样本，使得用于样本的第一贡献区段的位置基本上不与用于大多数其他样本的第一贡献区段的位置重叠，并且同样地用于该样本的第二贡献区段的位置基本上不与用于大多数其他样本的第二贡献区段的位置重叠。

如果对于两个或更多样本而言在对应的贡献区段之间存在显著重叠，则此类样本将不会完全相互独立。用于针对重叠区域中的任何散射部位出现的复合信号的光学特性对于每个样本而言将是实际上相同的，并且如果第一样本将展示出干涉信号的强衰落，则第二样本也将很可能展示出强衰落。通过确保对于大多数样本而言对应的贡献区段并不重叠，然后针对感兴趣感测部分获取多个独立的分集样本。其是通过处理基本上独立的样本且然后将实现改善的信噪比和衰落抵抗力的最佳益处的高质量样本进行组合。

在一些实施例中，可以获取所述多个样本，使得对于每个样本而言，每个贡献区段基本上独立于所述多个样本的其余部分的75%或更多的对应贡献区段。对于与其中存在一些重叠的感兴趣感测部分相对应的多个样本内的那些样本而言，与用于所述多个样本内的任何其他样本的对应贡献区段相比，用于一个样本的光纤的贡献区段之间的重叠程度可以是50%或更少，或者在一些实施例中为25%或更少，或者在一些实施例中为10%或更少。在一些实施例中，每个样本被如此布置，使得每个贡献区段基本上独立于用于所述多个样本中的所有其余部分的对应贡献区段。

将认识到，在询问辐射包括辐射的至少第一和第二脉冲，因此导致用于每个样本的光纤的至少相应第一和第二贡献区段的情况下，形成用于一个样本的第一贡献区段的一部分的光纤区段还可以形成用于不同样本的第二贡献区段的一部分，即在用于一个样本的第一贡献区段与用于第二样本的第二贡献区段的位置之间可以存在重叠。然而，与对应贡献区段的重叠相比，不同样本中的不同（非对应）贡献区段的重叠远不那么有意义。例如，第一和第二脉冲可以具有不同的光学特性，诸如不同的频率，并且与第二频率下的第二脉冲相比，响应于第一频率下的第一脉冲，散射部位的给定分布将引起不同的复合信号。即使两个脉冲的光学特性将是完全相同的，对于大多数样本而言，用于每个样本的对应贡献区段基本上不重叠的要求将意味着大多数样本在很大程度上是独立的。

对不同样本有贡献的光纤的贡献区段之间的重叠程度由相关样本之间的时间和询问辐射的形式所确定。例如，考虑在光纤中行进以便在用于第一样本的第一位置处和用于第二样本的第二位置处定义光纤的贡献区段的询问辐射的单独脉冲。对应贡献区段之间的重叠程度取决于脉冲的持续时间，其定义光纤中脉冲的空间宽度，以及还有第一和第二样本之间的时间。如果脉冲具有持续时间T_p且第一和第二样本之间的时间等于T_p的四分之一，则用于第一样本的贡献区段的四分之三（3/4）将与用于第二样本的贡献区段重叠，即将存在75%的重叠程度。

因此，可以相对于询问辐射的形式来布置检测器的采样率以获取分集样本，如上所述。因此，在一个实施例中，询问辐射可以至少包括具有第一脉冲持续时间的第一脉冲，并且获取所述多个样本，使得样本之间的时间差大于用于所述多个样本中的大多数的第一脉冲持续时间。换言之，如果在第一采样时间获取第一样本，则在与第一采样时间相差超过脉冲持续时间的采样时间获取所述多个样本的大多数其余部分。可以获取样本，使得与感兴趣感测部分相对应的多个样本中的任何两个样本之间的时间差为脉冲持续时间的至少50%。在一些实施例中，任何两个样本之间的时间差可以是脉冲持续时间的75%或更多，并且在一些实施例中该时间差可以至少等于脉冲持续时间。

常规上，检测器的采样率被如此布置，使得一系列连续样本能够被直接用作对应于感兴趣感测部分的多个样本。然而，如果采样率是这样的，使得连续样本未被认为是充分独立的，则可以通过仅取得在该采样率下将获取的样本的子集来形成所述多个样本。例如，可以使用每个第n样本来形成对应于感兴趣感测部分的所述多个样本。

在一个实施例中，可以将光源如此配置，使得询问辐射包括第一脉冲和第二脉冲，在其之间具有间隙或延迟，即询问辐射可以包括脉冲对，在该对的脉冲之间具有时间（且因此在光纤内，空间）间隔。第一脉冲的持续时间（且因此空间宽度）可以与第二脉冲的持续时间相同，虽然其不需要是相同的。在一个实施例中，第一和第二脉冲之间的持续时间，即第一脉冲的结束与第二脉冲的开始之间的时间，可以等于或大于第一和/或第二脉冲的脉冲持续时间。换言之，一个（和有利地两个）脉冲的空间宽度可以短于脉冲之间的空间间隔。有利地，第一和第二脉冲之间的间隙可以至少是脉冲宽度的两倍。与脉冲之间的间隙相比具有相对窄的脉冲宽度的脉冲结构在允许在传感器的最大可实现空间分辨率内获取分集样本方面可以是有利的。

如上所述，用包括在时间上与第二脉冲分离的第一脉冲的脉冲对来询问光纤确保了每个样本将对应于来自以一定间隙分离的光纤的第一和第二贡献区段中的第一贡献区段的反向反射信号。包括两个贡献区段及其之间的间隙的光纤长度实际上是用于该样本的采样窗口，并且在该采样窗口内，但尤其是在两个贡献区段之间，作用于光纤上的任何声学调制可以导致可检测的相位调制。

通过使用其中脉冲与其之间的间隙相比相对较窄的询问辐射，能够获取是基本上独立的分集样本的样本，如上文所讨论的，但是其中用于样本的采样窗口可以重叠。例如，考虑以一定间隙分离的包括均具有相同脉冲持续时间的两个脉冲的询问辐射，所述间隙至少为脉冲持续时间的两倍。对于此类询问辐射而言，用于每个样本的采样窗口对应于以一定间隙分离的每个具有某个长度（等于光纤内的脉宽的一半）的光纤的两个贡献区段，所述间隙等于贡献区段的宽度的至少两倍。如果采样率被设置成等于脉冲持续时间，则在样本之间的时间中，光纤中的采样窗口的位置将实际上移动等于贡献区段的宽度的距离。因此，在第一样本与第二样本之间，将基本上不存在用于每个样本的对应贡献区段之间的重叠，但是用于连续样本的采样窗口将基本上重叠。因此，能够从每个样本独立地检测影响两个采样区域内的光纤的任何声学刺激。此形式的询问辐射因此在使用以来自每个分集通道的已处理数据的相似性为基础的质量度量时是特别有利的。

将理解的是，所述多个样本中的每个样本对应于感兴趣感测部分，因为用于每个此类样本的采样窗口将至少部分地位于感兴趣感测部分内。然而，应注意的是，采样窗口可以仅部分地位于感兴趣感测部分内，并且还可以部分地位于感兴趣感测部分外面。例如，考虑到询问辐射包括在其之间具有间隙的第一和第二脉冲，使得对应于每个样本的采样窗口是光纤中的第一长度，比如说例如10m。因此，分布式光纤传感器的最佳可实现空间分辨率等于第一长度，即10m。因此，可以将感兴趣感测部分定义成与第一长度相同长度的光纤区段，即10m，其为最佳可实现空间分辨率。检测器的采样率被如此设置，使得针对每个感兴趣感测部分获取一定数目的样本，即在对于采样窗口在光纤中移动等于感测部分长度的距离所花费的时间中，例如可以获取十个样本，其对于在长度上10m的感测部分而言要求采样窗口的位置在样本之间相差1m。然后可以将感兴趣感测部分取为用于第一样本的采样窗口的位置与用于最后一个样本的采样窗口位置之间的光纤的任何10m区段，但是方便地，将其取为光纤的10m区段，其在用于第一和最后一个样本的采样窗口的位置之间的中途。

在一个实施例中，在询问辐射包括两个脉冲（即脉冲对）的情况下，可以将光源如此配置，使得脉冲对的脉冲在其之间具有频率差，即第一脉冲具有与第二脉冲不同的频率。该频率差可以定义诸如在GB2,442,745中所描述的载波频率。

将注意的是，GB2,442,745确实讨论了获取用于感兴趣感测部分的多个样本。给出的示例是，感兴趣感测部分约为20m长，并且以使得在每个样本之间用于每个样本的采样窗口的位置将移动大约稍稍超过1m的速率来获取样本。然而，GB2,442,745并未在分集通道中单独地处理每个样本以导出相位值。GB2,442,745教导了从每个样本生成I和Q信号，并且然后使用FIR滤波器有效地对采样一起求平均，并且然后取得用于每个感兴趣感测部分的单个输出值。然后仅处理平均值以确定相位值。因此，GB2,442,745实际上教导了在处理之前对若干个样本一起求平均。进一步要注意的是，在GB2,442,745中，询问辐射的优选形式是约20m长的辐射脉冲，其重叠或者是邻接的。因此，在100MHz的采样率下获取的单独样本将不会是在很大程度上独立的。

然而，在另一实施例中，光源被配置成反复地向光纤中发射脉冲对，其中，连续发射中的脉冲对具有与彼此相同的频率配置，并且被如此生成使得一个脉冲对的脉冲的相位关系具有与连续脉冲对的相位关系的预定相对相位差。

根据本实施例的感测设备确保脉冲对中的脉冲的相对相位关系受到控制。脉冲对因此具有已知相对相位编码。这种已知相位编码确保来自被第一脉冲对照亮的光纤中的任何给定位置的反向散射干涉信号具有与由来自光纤中的同一位置的第二脉冲对所生成的干涉信号相同的预定相对相位差。通过控制此相位编码，能够生成干涉的分析版本。因此，对于光纤中的给定位置而言，由第一和第二（即连续）脉冲对所生成的反向散射信号能够被处理以确定用于光纤的该区段的相位值，即使当干涉信号在传感器的基带噪声内时，如稍后将更详细地描述的。然后能够监视随时间推移针对光纤的给定区段而确定的相位值以检测由于光纤上的声学刺激而引起的任何相位调制。

处理器因此可以被配置成基于来自连续脉冲对的所检测反向散射辐射来确定用于光纤的至少一个给定区段的相位值。因此，使用从不同脉冲对的发射所获取的样本来有效地将相位值进行解调。

本领域的技术人员将认识到的是，在测量的时间标度内，脉冲对的脉冲应是充分地相干的，以允许处理确定相位值。光源因此可以是高度相干光源。

在一个实施例中，预定相对相位差具有约90°的量值。具有等于90°的预定相位相位差在易于后续处理以及返回物（returns）的良好质量方面可能是有利的，如将被描述的。如所述的，来自连续脉冲对的反向散射干涉信号将展示出预定相位差。因此在一些实施例中，使用90°相位差允许反向散射信号被直接用作同相（I）和正交（Q）分量。可以处理这些分量以导出I和Q值，其能够通过例如直角坐标至极坐标转换而被转换成相位值。然而，如果期望的话，可以使用其他预定相对相位差。

脉冲对具有与彼此相同的频率配置。如在本说明书中所使用的，术语频率配置将被理解为意指脉冲对中的脉冲的绝对频率。因此如果第一脉冲对的脉冲分别处于频率F1和F2（其可以是也可以不是相同频率），则第二脉冲对的频率也分别是F1和F2。

在一个实施例中，脉冲对中的脉冲在其之间具有频率差，并且脉冲对被如此生成，以便被发射到光纤中，使得不同脉冲对的发射之间的时间对应于等于一对中的脉冲之间的频率差的频率下的用于信号中的预定相对相位变化的时间。

在本实施例中，每个脉冲对包括在一对中的脉冲之间具有频率差的脉冲。如上所述，这将导致等于脉冲之间的频率差的载波频率下的反向散射干涉信号。在本发明的此实施例中，载波频率与脉冲对的发射速率有关。

如稍后将更详细地描述的，本发明的此实施例允许逐发射确定载波信号。因此，来自光纤的每个部分的信号，即包括在每个脉冲对的发射之后基本上同时地获取的反向散射辐射的样本的信号，能够在相关载波频率下被解调并被用来导出用于光纤的适当区段的相位值。为了逐发射样本准确地再现载波信号，载波频率应小于发射速率的一半。有利地，脉冲对的发射之间的时间可以允许载波频率下的干涉信号中的90°的预定相对相位变化。90°相位变化允许逐发射再现准确的载波信号并减少任何不必要的过采样。为了实现90°相对相位差，第一脉冲对和第二脉冲对的发射之间的时间段可以等于载波频率下的波周期的四分之一。换言之，载波频率可以是脉冲对的发射速率的四分之一。

本实施例因此使用这样的事实，即两个不同频率下，比如说F1和F2下的信号的相位关系将随时间推移而改变。在连续脉冲对的发射之间的时间中，将存在用于频率F1下的信号的n个循环和F2的频率下的信号的m个循环的时间。本实施例控制一对中的脉冲的频率F1和F2和脉冲对的发射速率，使得在发射之间的时间中，n-m具有期望值，例如期望90°相位差时的0.25。

因此将认识到的是光源产生具有相同性质的脉冲对的脉冲，如同其从一个在F1下运行且另一个在F2下运行的两个稳定频率源导出的一样。在实践中，确保来自两个单独源的适当稳定性可能是困难的，并且因此通常将使用诸如激光器和频率调制器的单个源。假如激光器和调制器在时间上相干，则针对连续脉冲对的脉冲所产生的光将展示出相同的性质。光源因此可以包括至少一个激光器和用于对来自激光器的光进行调制以产生第一和第二脉冲对的至少一个调制器。例如，该调制器可以包括声光调制器，虽然可以使用任何适当的频率调制器（可能将是强度调制器或开关）来生成脉冲。

将认识到的是，由于连续脉冲对具有与彼此相同的频率配置，所以不应与在检测器处接收到来自第二脉冲对的任何干涉信号同时地在该检测器处接收来自光纤的任何部分的来自第一脉冲对的干涉信号。因此可以将传感器如此配置，使得一个以上脉冲对不能够同时地处于光纤的感测部分中，即，任何反向散射返回物可以从其到达检测器的那部分光纤。因此，发射一个脉冲对和另一脉冲对之间的时间可以足以允许穿过光纤的来自第一脉冲对的任何信号返回物在发射第二脉冲对之前已经到达检测器。对于具有约40km的长度的感测光纤而言，这要求至少约0.40ms（假设1.48的用于光纤的折射率）的脉冲对之间的时间或慢于约2.5kHz的发射速率。对于在长度上5km的光纤而言，发射速率可以约为20kHz。

如上所述，载波频率可以低于发射速率（即，其一部分），并且因此，低于载波频率，即脉冲对中的脉冲之间的频率差可以约为几kHz，例如10kHz或以下，或者5 kHz或以下，或者1 kHz或以下。在此发射速率下，载波频率将很好地处于传感器的基带内，但是载波信号是逐发射可检测的，并因此能够生成可使用信号以及用来确定光纤的相关区段上的入射声学刺激的此信号的相位变化。

在另一实施例中，每个脉冲对包括具有与彼此相同的频率的两个脉冲，并且一个脉冲对中的脉冲之间的相位差与连续脉冲对中的脉冲之间的相位差相差所述预定相对相位差。换言之，第一脉冲对中的两个脉冲处于与彼此相同的频率，并且在发射时具有某种相位关系。一般地，在第一脉冲对的第一和第二脉冲中的光之间将存在P₁的相对相位差。第二脉冲对中的两个脉冲也处于与彼此相同的频率（并且第一脉冲对中的脉冲也是），并且在其之间还具有某个相位差P₂。然而，第一脉冲对中的脉冲之间的相位差被布置成与第二脉冲对之间的相位差相差预定相对相位差。例如，如果预定相对相位差为90°，则P₂可以等于P₁+ 90°。

改变连续脉冲对中的脉冲之间的相位差将导致形成得到的干涉信号的分量反向散射信号的相关相位中的变化。相位中的此变化允许处理来自光纤的同一位置的来自连续脉冲对的信号以确定用于光纤的该区段的相位值。对于任何给定分集通道而言（由脉冲对发射之后的采样的时间所定义），光纤的贡献区段对于第一发射而言将与对于第二发射而言是相同的。在后续脉冲对的发射之间的短时间内，任何路径长度变化将是最小的。因此，唯一的显著变化将是由于第一和第二脉冲对的脉冲之间的相位差中的受控变化而引起的。这同样适用于对干涉信号有贡献的所有散射部位。

在一个实施例中，发射之间的相位差中的变化被设置成等于90°。使用连续发射之间的90°的相位差变化意味着从连续发射接收到的来自光纤的给定区段的信号固有地提供I和Q分量信息。因此，可以对这些信号进行低通滤波以通过标准直角坐标至极坐标转换来提供针对该通道而确定的I和Q值及相位值。然而，将认识到的是，可以使用相位差中的其他变化值，并且可以通过使用适合于所使用的相位变化的其他转换方案对来自每个通道的信号进行滤波和处理。

因此，本实施例提供反向散射干涉信号，其中，在连续脉冲对中的脉冲之间存在相对相位差中的变化。来自连续脉冲对的返回物因此可以被用来确定然后能够受到质量度量的用于相关通道的相位值，如上所述。

光源因此可以包括至少一个激光器和至少一个相移器，诸如电光调制器，其被布置成对激光输出进行调制，以便产生第一和第二脉冲对。还可以存在强度调制器或开关以产生脉冲。

上述实施例还可以与波长复用技术一起使用，以允许同时地在感测光纤中存在具有不同频率配置的附加脉冲序列。该附加脉冲序列可以包括如上所述的脉冲对，虽然也可以使用其他脉冲序列，诸如单个脉冲或脉冲对的其他配置。

为了避免引起疑问，应注意的是，如在本文中所使用的术语脉冲对指的是包括光的至少两个不同脉冲的信号。各个脉冲在时间间隔或频率间隔或这两者的方面可以是不同的。在一些实施例中，脉冲对可以形成较长系列的脉冲的一部分，例如想象均具有不同频率F1、F2和F3的三个脉冲，其中，三个差频F1-F2、F2-F3和F1-F3全部是彼此不同的。此类脉冲结构可以被如此布置，使得例如F1-F2的至少一个载波频率与脉冲串的发射速率有关，如上所述。

本发明还适用于分布式光纤感测的方法，并且特别是分布式声学感测的方法。因此，根据本发明的另一方面，提供了一种分布式光纤感测的方法，包括：向光纤中发射询问辐射；对从所述光纤内反向散射的询问辐射进行采样；以及确定用于所述光纤的至少一个空间感测部分的任何相位调制，其中，确定任何相位调制的步骤包括：在每个发射之后取得与从感兴趣空间感测部分的至少一部分反向散射的辐射相对应的多个样本；将所述多个样本划分成多个处理通道；处理所述多个处理通道中的至少一些，以确定用于所述通道的相位数据；对所述已处理通道施加质量度量；以及基于施加所述质量度量的结果来将用于所述通道的已确定相位数据组合成用于所述感兴趣空间感测部分的总相位值。

上文相对于本发明的第一方面所述的所有优点同样地适用于本发明的此方面的方法，并且该方法可以在任何上述实施例中被实现。

特别地，施加质量度量的步骤可以包括确定用于给定通道的数据与来自其他已处理通道的数据之间的相似程度。可以通过使来自一个通道的数据与来自其他通道的数据相关来确定来自各种通道的已处理数据之间的自相似程度。然后可以基于此质量度量来将相位数据与施加于每个已处理通道的结果的适当加权相组合。另外或者替换地，只有来自通道的已处理值（自相似的那些）的子集可以被用来形成组合相位值。有利地，与感兴趣感测部分相对应的多个样本中的大多数是基本上独立分集样本。该方法因此可以包括发射询问辐射并对所检测的反向散射辐射进行采样，使得对于每个样本而言，可以从其接收到来自询问辐射脉冲的反向散射信号的光纤的每个贡献区段基本上独立于所述多个样本的其余部分中的大多数的对应贡献区段。

本发明的方法还可以被应用于先前通过使用分布式光纤传感器所已经获取的数据的处理，假如针对每个感兴趣感测部分获取了多个样本，有利地基本上是独立的样本。因此，在本发明的另一方面中，提供了一种处理从分布式光纤传感器所获取的数据以确定任何相位调制的方法，包括步骤：在向光纤中发射询问辐射之后取得与从所述光纤的感兴趣空间感测部分的至少一部分反向散射的辐射相对应的多个样本；将所述多个样本划分成多个处理通道；处理所述多个处理通道中的至少一些以确定用于所述通道的相位数据；对所述已处理通道施加质量度量；以及基于施加所述质量度量的结果来将用于所述通道的已确定相位数据组合成用于所述感兴趣空间感测部分的相位值。

再次地，上文相对于本发明的第一方面所述的所有优点同样地适用于本发明的此方面的方法，并且该方法可以在任何上述实施例中被实现。

一般地，本发明的一方面提供了一种分布式光纤传感器，特别是分布式声学传感器，其包括被配置成在时间上过采样以在使用中获取用于感兴趣感测部分的多个样本的采样检测器，和被配置成在单独分集通道中处理所述样本并基于来自已处理通道的得到的数据的相似性将来自所述通道的结果进行组合的处理器。

本发明的一方面还涉及在分布式光纤传感器中使用包括以大于脉宽的间隙分离的两个脉冲的询问辐射以允许获取多个很大程度上独立的分集样本。因此，在另一一般方面，提供了一种分布式光纤传感器设备，包括被配置成在使用中反复地向光纤中发射询问辐射的光源，其中，询问辐射包括后面是第二脉冲的第一脉冲，其中，第一和第二脉冲之间的时间段大于第一和/或第二脉冲的脉冲持续时间，并且还包括被配置成在使用中获取在持续时间上等于脉冲之间的时间的多个样本的采样检测器。

附图说明

现在将参考以下附图仅以示例的方式来描述本发明，在所述附图中：

图1图示出分布式声学传感器的一般部件；

图2图示出在本发明的实施例中所使用的询问脉冲对配置；

图3图示出此类脉冲对如何设置传感器的最大空间分辨率；

图4图示出来自光纤内的反向散射信号的起源；

图5图示出根据本发明的实施例的来自一系列脉冲对的发射的返回物；

图6图示出用于传感器通道的所检测信号的处理的一个实施例；

图7图示出用于产生具有不同偏振状态的脉冲对的实施例；

图8图示出用于从不同偏振状态的脉冲对独立地检测反向散射信号的检测器布置的实施例；

图9图示出在本发明的另一实施例中所使用的脉冲对系列的两个示例；

图10图示出脉冲对中的脉冲之间的90°相对相位变化对在检测器处接收到的信号的影响；

图11图示出用于生成脉冲对的脉冲之间的受控相位调制的调制器布置的实施例；

图12图示出在不同偏振状态下同时地产生的在脉冲之间具有相位差中的变化的两个脉冲对；

图13图示出用于生成如图12中所示的同时脉冲对的一个实施例；

图14图示出以不同波长发射的脉冲对的不同系列；

图15图示出脉冲对配置的三个示例；

图16图示出用以生成空间分集样本的时间过采样的原理；

图17图示出用于单个脉冲对的示例反向散射强度信号针对采样时间；

图18a和18b图示出空间分集样本如何能够避免衰落的问题；

图19图示出在一个分析面元中处理分集样本以生成用于每个通道的相位值；

图20图示出如何可以选择分析面元中的所选通道数目以用于组合；

图21示出了针对分析面元的通道所计算的相位值的示例和针对一个通道与其他通道的相似性所确定的得到的质量度量；

图22示出了针对分析面元的通道所计算的相位值的另一示例；

图23示出了用于分析面元的组合波形的示例；

图24图示出来自诸如图9a中所示的一系列脉冲对的发射的返回物；以及

图25图示出用于传感器通道的诸如图24中所示的所检测信号的处理的一个实施例。

具体实施方式

相对于图1来图示出分布式声学传感器的询问器单元的一般部件。在使用中，询问器单元100被连接到充当感测光纤的光纤101。使用常规光纤耦合手段将感测光纤耦合到询问器的输出/输入。该询问器单元被布置成向感测光纤101中发射相干光学辐射的脉冲并检测来自所述脉冲的任何辐射，其在光纤内被Rayleigh反向散射。为了生成光学脉冲，询问器单元100包括至少一个激光器102。激光器的输出被生成如稍后将描述的脉冲配置的光学调制器所接收。从光学调制器103输出的脉冲然后例如经由循环器104被传输到感测光纤101中。

从在感测光纤内传播的所述光学脉冲反向散射的任何光学辐射再次地例如经由循环器104而被引导到至少一个光检测器105。检测器输出被模数转换器（ADC）106所采样，并且来自ADC的样本被传递至处理电路107以用于处理。处理电路107处理检测器样本以确定用于多个分析面元中的每一个的相位值，每个分析面元对应于光纤的不同纵向感兴趣感测部分。将注意的是，询问器单元可以包括各种其他部件，诸如放大器、衰减器、滤波器等，但是在图1中为了解释询问器的一般功能时的清楚起见而已经省略了此类部件。

在本发明的实施例中，激光器102和调制器103被配置成以特定的发射速率产生至少一个系列的脉冲对。每个脉冲对至少包括第一脉冲和第二脉冲，并且优选地第一和第二脉冲在时间上相互分离，如图2中所图示。图2示出了处于第一频率F1且具有持续时间d1的第一脉冲201，短时间之后其后面是具有第二频率F2且具有第二持续时间d2的第二脉冲202。在一些实施例中，两个脉冲F1、F2的频率是相等的，而在其他实施例中，其是不同的，如稍后将解释的。优选地，两个脉冲d1、d2的持续时间（和因此的空间宽度）彼此相等，虽然该情况不需要如此。两个脉冲201、202具有在时间上等于Ts的间隔（如所示的，Ts表示脉冲的前沿之间的时间间隔）。

当具有此类配置的脉冲对在光纤内传播时，一些光将从来自光纤内的本征散射部位的每个脉冲被散射。此反向散射光中的至少一些将被引导回到光纤的起始点，在那里其能够被检测。在任何时刻，到达检测器的光可以包括从来自第一范围的散射部位的第一脉冲所散射的光和从来自第二范围的散射部位的第二脉冲所散射的光。

图3图示出脉冲对在光纤中的传播，并示出了沿着光纤的距离针对时间。线301和302分别地图示出第一脉冲的前沿和后沿，并且线303和304分别地图示出第二脉冲的前沿和后沿。因此，在时间t₀，第一脉冲的前沿进入光纤，并且在时间t₁，第一脉冲的后沿进入光纤。t₀和 t₁之间的时间因此对应于第一脉冲的持续时间，即d1。在时间t₂，第二脉冲的前沿进入光纤，并且在t₃，第二脉冲的后沿进入光纤。因此，t₂与 t₃之间的时间等于第二脉冲持续时间d2，并且t₀和 t₂之间的时间等于脉冲间隔时间Ts。脉冲在光纤中以等于c/n的速度传播，其中，c是光速，并且n是光纤的有效折射率。因此，线301、302、303和304的梯度等于c/n。这意味着在光纤中第一和第二脉冲将分别地具有由线301和302之间以及线303和304之间的垂直距离所表示的等于W₁和W₂的宽度。

随着脉冲在光纤中传播，一些光将被朝着光纤的起始点反向散射。此反向散射光也将以等于c/n的速度行进。考虑到达检测器的光。线305表示可能在时刻t₄在光纤的起始点处接收到的光的轨迹。在一定时间和位于线305上的到光纤中的距离下发生的任何反向散射可以在同一时刻t₄在光纤起始点处被接收。因此，能够看到的是，在第一范围的时间来自被第一脉冲所照亮的光纤的第一区段的光将与在不同范围的时间从光纤的第二、不同区段所散射的光一致。还可以看到的是，随着从脉冲散射的任何光以与脉冲本身向前传播的相同速率向后行进至光纤的起始点，光纤的第一区段的宽度等于光纤中的第一脉冲的宽度的一半，即W₁/2，并且同样地，光纤的第二区段的宽度等于光纤中的第二脉冲的宽度的一半，即W₂/2。并且，光纤的第一和第二区段之间的物理间隔等于光纤中的脉冲的物理间隔的一半。

这意味着，如图4中所图示的，在任何时刻，在光纤起始点处接收到的反向散射光对应于来自被第一脉冲照亮的散射部位的第一贡献区段401以及来自被第二脉冲照亮的散射部位的第二贡献区段402的光纤中的反向散射。散射部位的这些贡献区段之间的距离被称为计量长度L_G。如所图示的，可以在散射部位的区段401和402的中部之间测量计量长度。

在任何时刻在检测器处接收到的反向散射信号因此是从来自所有这些散射部位的散射光的组合得到的干涉信号。实际上，在任何时刻的反向散射信号对应于由区段401和402内的散射部位的位置所定义的来自行进干涉仪的信号。将认识到的是，将全部处于频率F2下的来自第二位置402的所有散射部位的反向散射能够被视为进行干涉以产生来自第二散射部位的复合信号，并且同样地，将全部处于第一频率F1下的来自第一区段401的所有散射部位的反向散射能够被视为进行干涉以产生来自第一散射部位的复合信号。这两个复合信号然后也将干涉。

本发明的分布式声学传感器依赖于这样的事实，即入射在光纤上的任何声波可以引起光纤中的扰动，例如应变，其因此能够对由行进干涉仪所生成的干涉信号进行相位调制。如将理解的，一直到散射部位的第二区段402的位置的光纤上发生的任何相位变化都将同样地影响来自光纤的第一区段401和第二区段402的光。然而，第一区段401和第二区段402之间的光纤区段上的任何相位调制Φ(t)将仅影响来自第一区段401的光。这能够引起干涉信号的相位中的变化。从光纤的特定区段检测干涉信号中的相位变化因此能够被用作光纤上的声学引起的应变的指示，并且因此用作在该光纤区段处入射的声波的指示。

本发明的实施例确保脉冲持续时间以及检测器和处理布置是这样的，使得传感器带宽足以检测即时样本中的反向散射信号的所有频率分量。这允许以良好的信噪比和良好的空间分辨率来检测调相信号。能够以各种方式来生成此信号的分析版本。

在一个实施例中，脉冲配置是这样的，使得第一脉冲的频率不同于第二脉冲的频率，即F1≠F2。这将导致具有处于等于脉冲之间的频率差（|F1 - F2|）的载波频率下的分量的反向散射干涉信号。通过监视此载波频率的相位，能够检测由于声学扰动而引起的任何相位调制。

在本发明的此实施例中，因此一系列的脉冲对被发射到光纤中，其中，该系列中的每个脉冲对具有相同的频率配置，即具有频率F1和持续时间d1的脉冲，在其之后的时间Ts，后面是具有频率F2和持续时间d2的脉冲。脉冲对到光纤中的发射速率（也称为ping速率）与这些脉冲对的载波频率有关，使得连续发射之间的时间等于载波频率下的信号演进预定相位量所花费的时间。

本发明的本实施例依赖于在脉冲对的连续发射之间正保持的感兴趣声学带宽内的载波。因此，脉冲对被发射到光纤中且在检测器处所接收的反向散射信号以间隔被采样以提供多个通道，每个通道对应于光纤内的散射部位的不同位置。在与载波频率下的信号改变预定相位量所花费的时间相对应的某个间隔之后，另一脉冲对被发射到光纤中，并且在发射之后以相同的间隔获取另外的多个样本。只要希望监视光纤，就重复这一点。

针对每个通道（由脉冲对的发射之后的某个采样时间定义），连续的检测器输出将提供由脉冲对的脉冲之间的频率差所定义的载波频率下的调相载波信号。

返回参考图1，调制器103因此可以包括用于对由激光器102所生成的光辐射的频率进行调制的声光调制器（AOM）。如本领域的技术人员将理解的，AOM可以由驱动频率（F_d）来驱动，并且在操作中，使输出光的光学频率移位了等于驱动频率的频率。因此，通过在第一脉冲的持续时间内以第一驱动频率且在第二脉冲的持续时间内以第二不同驱动频率来驱动AOM，第一脉冲中的光将具有与第二脉冲中的光的频率不同的得到的频率，并且脉冲之间的频率差将等于被用于AOM的各驱动频率之间的频率差。换言之，能够通过控制用来驱动AOM的驱动频率来控制脉冲对的载波频率。激光器和AOM是相位相干的，并且因此每个脉冲对中的脉冲具有相同的性质，如同其是从运行在相关频率下的两个稳定源所导出的一样。

在一个布置中，载波频率与发射速率有关，使得载波频率小于发射速率的一半，使得载波频率下的信号只能在连续发射之间在相位中改变小于180°。实际上，这意味着用于每个通道的逐发射采样率处于准确地在载波频率下重新创建信号所需的尼奎斯特（Nyquist）极限以上。

在一个布置中，载波频率被布置成是发射速率的四分之一，使得处于载波频率下的信号在连续脉冲对的发射之间在相位中演进90°。

使用90°的相位变化能够易于处理，如将描述的，但是也允许调制带宽的有效使用。如技术人员将认识到的，在频域中，任何调制都可以加宽处于载波频率的感兴趣信号周围的频谱。在DC周围以及在图像频率（是载波频率的两倍）下也将观察到相似效果。通过确保载波信号处于尼奎斯特极限的一半，与DC分量或图像频率分量交叉之前的可用带宽被最大化。

图5图示出本发明的本实施例如何进行操作。图5图示出来自具有如上所述的频率配置的脉冲对的一系列连续发射的已采样的检测器输出，其中，该对中的脉冲之间的频率差等于ping速率的四分之一，即脉冲对的发射速率的四分之一。在所示的示例中，ping速率是20 kHz，其可以是与在长度上约为5km或以下的光纤长度一起使用的典型ping速率，以便确保在任何的一个时间只有一个脉冲对正在光纤内传播。

因此，在本示例中，每50s向光纤中发射脉冲对，并检测随着脉冲对传播经过光纤而由该脉冲对所生成的反向散射返回信号。在脉冲对的每次发射之后，以相对高的速率对检测器输出进行采样，例如约80—100 MHz，以检测来自光纤内的多个不同位置的反向散射信号。在此样本时钟域中，散射部位的随机相位变化导致强度上的随机变化，这破坏了载波频率，并且可能检测不到可使用的信号。

然而，在光纤中的任何给定位置处，仍可以逐发射在载波频率下观察到强度上的变化。因此，通过比较来自光纤的同一区段的反向散射干涉信号，可以检测到载波信号，该光纤的同一区段来自不同脉冲对。图5图示出通过取得在每个脉冲对的发射之后同时地获取的适当样本，可以检测到处于等于发射速率的四分之一的频率下的载波信号。此载波信号将被如上所述影响光纤的相关区段的任何声信号进行相位调制，并因此通过随时间推移而监视此载波信号的相位，能够检测到入射在光纤的相关区段上的任何声信号。

图6图示出可以如何由处理电路107来处理此已调制载波信号以确定用于单个通道的载波信号的相位的一个实施例。可以对表示用于传感器的一个通道的已调制载波信号的样本进行高通滤波601来仅使处于相关载波频率下的信号通过。然后可以将已滤波信号划分成两个处理通道，并且可以将每个通道中的信号在载波频率下与正弦602和余弦603函数相乘，以便生成同相（I）和正交（Q）分量，如在复解调方案中已知的。在已知相位差是90°的情况下，这仅包括乘以+1和-1。然后可以对得到的I和Q信号进行低通滤波604和605并通过直角坐标至极坐标（RP）转换606来将其转换成相位值。RP转换还可以可选地生成振幅值。可以可选地对所产生的相位值Φ₀进行高通滤波607。

因此，使用从一系列脉冲对的连续发射针对每个通道获取的样本，能够检测到调相载波信号并对其进行解调，并且因此能够检测到由作用于光纤的相关区段上的声信号所引起的任何相位变化。

将理解的是，由于该系列的脉冲对中的每个脉冲对具有相同的频率配置，即处于频率F1下的第一脉冲和处于频率F2下的第二脉冲，则如果来自两个不同脉冲对的反向散射信号同时入射在检测器上，则反向散射信号将在相关载波频率下与另一个相干涉。因此，可以限制脉冲对的发射速率，以便确保在任何一个时间在光纤中存在来自仅一个脉冲对的辐射。因此，发射之间的时间应足以允许来自脉冲对的所有辐射到达光纤的末端，并且从光纤的末端反射或散射的任何辐射在发射另一脉冲对之前到达检测器。因此可以由光纤的长度来限制脉冲对的最大发射速率。具有约5km的长度的光纤可以利用达到约20kHz的发射速率进行操作（假设约1.48的折射率）。具有约40km的长度的光纤可以要求发射速率低于2.5kHz。在使用长得多的光纤长度的情况下，可以存在可以从其检测到反向散射信号的到光纤中的最大范围，并且在这种情况下，其也许有可能以允许用于来自每个脉冲对的辐射到达最大范围的此点并在连续发射之间返回到检测的时间的速率来发射脉冲。在发射之后的此时间，虽然仍可能存在来自光纤中的原始脉冲对的一些辐射，但到达检测器的任何此类散射辐射将是无关紧要的。

然而，在一个实施例中，能够通过使用偏振来增加脉冲对的总体发射速率以在连续脉冲对之间进行辨别。在本实施例中，在第一偏振状态下向光纤中发射一个脉冲对。下一个脉冲对以第二、不同偏振状态被发射到光纤中。第一和第二偏振状态被如此选择，使得以与来自第二脉冲对的反向散射信号的偏振状态正交的偏振状态在检测器处接收来自第一脉冲对的反向散射信号。这样，能够通过使用偏振敏感元件来将相关反向散射信号进行分离。

因此，用于生成询问脉冲的光程可以包括如图7中所示的可变起偏器元件。图7示出了一系列脉冲对可以从如上所述可以包括AOM的调制器103输出，并入射在可变起偏器元件702上。可变起偏器元件作用于脉冲对上以确保包括脉冲对的所有光被偏振至一个偏振状态并确保连续脉冲对具有不同的偏振状态。在所示的示例中，偏振状态是正交线性偏振状态，诸如垂直和水平偏振，虽然可以替代地使用任何正交偏振状态，诸如右和左圆形偏振。

图8图示出然后可以被用来在反向散射信号之间进行辨别的检测器布置的一个实施例。从光纤接收到的反向散射光被引导向偏振元件801，其在本示例中是偏振相关射束分离器。此射束分离器801将具有一个偏振状态的（比方说水平偏振的）光引导到第一检测器802，并将具有正交偏振状态的（垂直偏振的）光引导到不同检测器803。因此，每个检测器仅接收单偏振状态的光，并且因此仅接收从脉冲对中的一个反向散射的光。因此，能够如上文所讨论地处理来自每个检测器的信号以独立于其他脉冲对而从每个脉冲对生成一系列相位值。

将认识到的是，这种技术依赖于被保持

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