使用數(shù)字化來測量來自光纖的布里淵反向散射的制作方法

專利名稱：使用數(shù)字化來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)明涉及一種用于光時域反射法的、用于測量來自光纖的布里淵反 向散射的方法，該方法使用數(shù)字化。本發(fā)明還涉及用于執(zhí)行該方法的裝置。
背景技術(shù)：
光時域反射法(OTDR)是一種使用光纖進(jìn)行各種參數(shù)的遠(yuǎn)程測量的技 術(shù)。將光探查脈沖發(fā)射到光纖的一端，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(diǎn)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，記錄至散 射點(diǎn)并返回的傳播時間，從而能夠利用在光纖中的傳播速度來計算散射點(diǎn) 的位置。同樣，諸如溫度、應(yīng)變、和壓力的各種物理參數(shù)對光如何散射具 有影響，包括產(chǎn)生拉曼和布里淵頻移。根據(jù)這些頻移的大小、寬度和強(qiáng)度， 能夠計算參數(shù)的值。因此，通過進(jìn)行從時間到距離的適當(dāng)轉(zhuǎn)換，能夠獲得 沿著光纖的物理參數(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査脈沖的頻率發(fā)生了移動。根據(jù)測量的布 里淵散射譜，至少能夠提取單個線或多個線的強(qiáng)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(xué)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(qiáng)度來獲得布里 淵散射線的中心頻率的估算值[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個掃描位置的信號強(qiáng)度/時間的記錄。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(xué)濾波器。
光學(xué)濾波器可以是Fabry-Perot干涉計，與探査脈沖的脈沖重復(fù)頻率相比， Fabry-Perot干涉計的掃描較慢。對于每個脈沖，作為時間/沿光纖的距離的 函數(shù)進(jìn)行一系列的強(qiáng)度測量，并且還可以對數(shù)個脈沖進(jìn)行平均。對濾波器 的每個位置進(jìn)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]。
替代的途徑[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。對本地振蕩器進(jìn)行頻 率掃描，并且微波接收器部分傳遞被進(jìn)一步放大、過濾并探測的固定中頻， 從而產(chǎn)生準(zhǔn)-DC信號。后者提供系統(tǒng)帶寬內(nèi)的功率作為沿光纖的位置的函 數(shù)的指示。
對于此各種掃描方法，由于必須在兩個維度中對信號進(jìn)行平均，所以 典型地數(shù)據(jù)采集時間較慢。取決于頻偏域中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。 對沿光纖的每個位置必須有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(jìn)行線外面的測量以定位該線，但是不 包括關(guān)于被測量參數(shù)的信息。相反，至少在電域中，鑒別方法要求比布里 淵散射信號寬得多的接收帶寬，以允許可能的頻移范圍，以及因此遭受增 大的噪聲的影響。

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fo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通過布里淵頻移 從頻率fo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；提供頻率為&的相干光；在光探測器中將所接收 的頻率為fB(t)的反向散射光與頻率為&的所述相干光混合，以產(chǎn)生差頻為 AF(t):fB(t)-A的電信號；使用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器對所述電信號進(jìn)行數(shù)字化，以便以采樣速率對所述電信號進(jìn)行采樣，并從而產(chǎn)生表示所述電信號的一
系列數(shù)字采樣；以及處理所述數(shù)字采樣以確定作為時間/沿所述光纖的距離 的函數(shù)的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特性。
通過使用差頻混頻而產(chǎn)生用于采樣的具有相對低的頻率的電信號允許 通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器直接采樣所述電信號，而不需要任何插入探測器或接 收器。接收器增加噪聲并且從而劣化信號，降低最終測量的精度，所以去 除這樣的部件是非常有益的。以此方式操控采樣信號的頻率，允許以采樣 速率執(zhí)行直接數(shù)字化，該采樣速率很快足以用于從所述數(shù)字采樣提取精確 的布里淵散射信息。同樣重要的事實(shí)是，并行采集所有感興趣的頻率并且 因此可以節(jié)省大量的時間。
例如，優(yōu)選地，所述采樣速率至少是所述電信號的所述頻率AF(t)的最 高預(yù)期值的兩倍。
此外，所述差頻AF(t)可以小于100GHz。
所述方法還可以包括在數(shù)字化的步驟之前，將具有所述差頻AF(t)的所 述電信號與恒定頻率fc的第二電信號混合，以將所述電信號的頻率降低至 頻率AF2(t)，所述頻率AF2(t)小于所述差頻AF(t)。所述電信號的頻率的減小 允許減小所述采樣速率，減少對模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的需求，而且還減少了產(chǎn) 生的數(shù)據(jù)量，使得所述采樣的過程耗時較少。從而測量時間下降。例如， 頻率AF2(t)可以小于5GHz。
對于光信號的頻率，&可以等于&。這是方便的設(shè)置，因?yàn)榭梢詮膯蝹€ 光源產(chǎn)生頻率為f。的所述探査脈沖和頻率為A的相干光，所述單個光源的 輸出受到調(diào)制以產(chǎn)生探查脈沖。
替代地，&的值不同于f。是優(yōu)選的，以便考慮到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的采 樣速率，產(chǎn)生特定范圍的AF(t)的值。因此，可以使用兩個分離的光源。例 如，所述方法包括通過調(diào)制第一光源和第二光源中的一個的輸出以產(chǎn)生調(diào) 制邊帶，并將所述第一光源和所述第二光源的另一個注入鎖定到所述調(diào)制 邊帶中的一個，來從所述第一光源產(chǎn)生探査脈沖以及從所述第二光源產(chǎn)生 具有所述頻率fi的所述相干光。另外一種方法是，調(diào)制源的頻率為fo的至 少部分輸出，以便產(chǎn)生頻率&的至少一個邊帶。
從所述采樣確定的所述布里淵散射譜線的所述一個或多個特性包括如下特性中的至少一個所述布里淵散射頻率fB(t);所述布里淵散射譜線的 強(qiáng)度；以及所述布里淵散射譜線的線寬。
所述方法還可以包括從所述布里淵散射譜線的所述一個或多個確定的 特性來計算所述光纖所服從的一個或多個物理參數(shù)的值，以及包括將時間 轉(zhuǎn)換成沿所述光纖的距離以獲得所述一個或多個物理參數(shù)關(guān)于所述光纖的 長度的分布的指示。
另外，所述方法還可以包括對另外的探査脈沖重復(fù)所述方法，以及對 多個探査脈沖進(jìn)行平均，以獲得所述布里淵散射譜線的所述一個或多個特 性和/或所述一個或多個物理參數(shù)的更精確的確定。
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裝 置，包括第一光源，用于產(chǎn)生具有頻率fo的相干光探查脈沖并且將探査 脈沖發(fā)射到光纖中；第二光源，用于產(chǎn)生頻率為&的相干光；光探測器，
設(shè)置為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通
過布里淵頻移從頻率fo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，并且設(shè)置為接收頻率為&的所述相
干光以及用于根據(jù)頻率為fB(t)的所接收的反向散射光與頻率為&的所述相 干光的混頻而產(chǎn)生差頻為AF(t) = 的電信號；模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，設(shè)
置為接收所述電信號，并且用于以采樣速率對所述電信號進(jìn)行采樣，以產(chǎn)
生表示所述電信號的一系列數(shù)字采樣；以及處理器，用于處理所述數(shù)字采
樣以確定作為時間/沿所述光纖的距離的函數(shù)的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特性。


為了更好地理解本發(fā)明，并且為了示出如何實(shí)施本發(fā)明，以實(shí)例的方
式參考附圖，其中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的用于實(shí)施布里淵反向散射測量
的裝置的示意圖；以及
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的用于實(shí)施布里淵反向散射測量
的裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出通過執(zhí)行反向散射與第二光信號的差頻混合來測量從所設(shè) 置的光纖接收的反向散射光中的布里淵散射譜分量。光學(xué)探測器用作混頻
器，給出微波域中具有差頻的電輸出。該頻率下變頻(down-conversion) 允許差頻的數(shù)字采樣，以數(shù)字采樣的形式提供數(shù)據(jù)，由此能夠方便地判定 布里淵散射偏移的特性以及引起偏移的物理參數(shù)。直接對差頻電信號執(zhí)行 采樣，以便避免與微波探測器相關(guān)的問題，例如噪聲和帶寬限制，并且給 出更為精確的布里淵散射特性的確定。
第一實(shí)例實(shí)施例
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的用于實(shí)施測量方法的裝置的示 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fo的輸出光束。 將光束引入到分束器12(諸如3dB光纖分束器)，該分束器將輸入光束分成 用于發(fā)射到所配置的光纖中的第一部分，以及將與接收的、從光纖返回的 光混合的第二部分。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(fù)頻率、脈沖持續(xù)時間和功率的適合于探査所配置的光 纖以獲得布里淵反向散射的光學(xué)探査脈沖。在該實(shí)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(xué)部件的任何 所需的組合來產(chǎn)生所需的輸出。然后將頻率fo的脈沖發(fā)送到光學(xué)計算器16， 光學(xué)計算器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。
將光學(xué)計算器16的第二端口 16b連接到光束合成器20 (諸如3dB光 纖分束器)，還連接該光束合成器20以從分束器12接收來自光源10的光 束第二部分光束。設(shè)置光束合成器20的輸出以將光導(dǎo)引到光探測器22上， 光探測器22諸如是快速光電二極管。
因此，在使用中，光源10產(chǎn)生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(xué)計算器16的第一端口 16a將 該探査脈沖發(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18的發(fā)射端，在第一端口 16a處由光學(xué)計算器16接收，并且從第二端口16b導(dǎo) 引出并進(jìn)入到光束合成器20中?？蛇x地，在反向散射到達(dá)光束合成器20 之前可以放大所接收的反向散射。在光束合成器20中，接收的布里淵反向 散射與來自光源10輸出光束、頻率為fo的第二部分合成。布里淵反向散射 包括至少一個頻率從fo偏移到布里淵散射頻率fB(t)的布里淵散射譜線，其 中時間變化源自從光纖返回的光的時間-距離對應(yīng)關(guān)系和隨沿光纖的位置的 布里淵頻移中的變化(光纖的不同部分溫度、應(yīng)變等不同)。合成光混合在 一起(混頻)并且導(dǎo)引到光探測器22上，該光探測器22具有表示入射于 其上的光的電輸出。因此混頻產(chǎn)生差頻為AF(t) = fB(t)-fQ的電信號。
雖然在該實(shí)例中，將所接收的布里淵散射光與來自光源10的頻率為f0 的光混合以產(chǎn)生差分信號，但是也可以使用分離光源，產(chǎn)生不同光頻率& 的光，或者同樣產(chǎn)生頻率fo (f產(chǎn)fo)的光。如果使用分離光源，則產(chǎn)生用于 探査脈沖的光的第一光源可以使其輸出受到調(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f\的光的第二光源被注入 鎖定到調(diào)制邊帶的一側(cè)。相反地，可以調(diào)制第二光源并將第一光源注入鎖 定其中。在所有情形中，效果是相同的兩光信號的混合產(chǎn)生頻率比光源 信號頻率低的電信號。替代地，能夠在分束器12與光束合成器20之間調(diào) 制來自光源10的光，并且其調(diào)制邊帶與布里淵信號之間的混合產(chǎn)物在處理 鏈中進(jìn)一步受到應(yīng)用。優(yōu)選地，fo和&選擇成使得差頻為AF(t) = fB(t)-fi (其 中&可以等于fo)的電信號的頻率小于約lOOGHz， g口，電信號處于微波域 范圍。例如，如果fff產(chǎn)1550nm，則差頻將會是llGHz左右。
返回圖1，該裝置還包括用以接收和發(fā)送從光探測器22到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn) 換器30的電信號的第一放大器24、帶通濾波器26和第二放大器28。如所 期望的包括放大器24、 28以增大信號的功率；取決于返回的反向散射的功 率和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器30的功率處理能力，這不是必須的。包括帶通濾波器 26以去除與恢復(fù)布里淵移頻信息的過程無關(guān)的頻率。從光纖18返回的反向 散射的光，除了包括布里淵散射譜線之外還將包括寬范圍的頻率。如果將 這些光傳遞至光探測器22，則將以電信號的形式表示它們。如果接著將未 過濾的電信號傳遞至模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器30，則能夠產(chǎn)生大量的在隨后的數(shù)據(jù) 處理中沒用處的無關(guān)數(shù)據(jù)。因此，過濾電信號，只將預(yù)期包括源自布里淵散射譜線的差頻AF(t)的帶寬內(nèi)的頻率傳輸?shù)侥M-數(shù)字轉(zhuǎn)換器30。另外， 帶通濾波器26能夠去除可以由光探測器22產(chǎn)生的噪聲的一些分量。
模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器30接收電信號并且通過以特定的采樣速率對輸入的 電信號進(jìn)行采樣，產(chǎn)生一系列表示電信號的數(shù)字采樣。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器30 具有控制采樣速率的相關(guān)時鐘32，并且能夠用于使采樣與諸如探查脈沖發(fā) 射時間的事件同步，以便能夠方便地進(jìn)行從光纖18獲得分布測量所需的時 間至距離的轉(zhuǎn)換。 一旦采樣產(chǎn)生，則將它們存儲在連接到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器 30的存儲器陣列34中，能夠通過處理器36從存儲器陣列34讀取它們，處 理器36配置為執(zhí)行采樣的數(shù)字信號處理以便從所記錄的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提取布里 淵反向散射的特性(強(qiáng)度、頻率、線寬等)，并且還可以從那些特性確定一 個或多個作用于光纖18上而導(dǎo)致布里淵移動的物理參數(shù)(溫度、壓力、應(yīng) 變等)的值。將數(shù)據(jù)的時間變量轉(zhuǎn)換成沿光纖18的距離以便提供分布測量。
雖然具有每秒2千兆采樣(GSPS)的轉(zhuǎn)換器最適合用于本發(fā)明的裝置 中，但是模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器30優(yōu)選地為至少每秒500兆采樣(MSPS)的高 速轉(zhuǎn)換器。雖然500MSPS轉(zhuǎn)換器可以適合于溫度監(jiān)視應(yīng)用，其中光纖是松 弛的并且溫度限定于0-20(TC，但是通常需要更高速度的轉(zhuǎn)換器，特別是倘 若還要測量應(yīng)變時。這不僅是因?yàn)楸旧淼膽?yīng)變，還因?yàn)閼?yīng)變耦合線纜設(shè)計 通常對溫度更敏感，這還要增加必須被覆蓋的頻率范圍。
高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的使用允許以足夠高的速率對電信號進(jìn)行采樣， 能夠以有用精度從采樣確定所期望的布里淵散射特性。轉(zhuǎn)換器的采樣速率 (每單位時間采集的采樣數(shù)量)限定了空間分辨率和信息的精確度，歸因 于光學(xué)的時域分辨率系統(tǒng)中時間-距離的對應(yīng)關(guān)系，能夠具有空間分辨率可 以檢查(interrogate)光纖，能夠?qū)ρ毓饫w的每個位置確定信息的精確度。 當(dāng)前可用的高速轉(zhuǎn)換器能夠以2.2 GSPS的速率、10位的分辨率進(jìn)行采樣， 例如Atmd AT84AS008。該規(guī)格足以以有用精度涵蓋lGHz的頻率范圍。位 分辨率確定能夠被采樣的動態(tài)范圍。在具有諸如Rockwell RAD006的較低 位分辨率的轉(zhuǎn)換器中，較高的采樣速率是可用的，Rockwell RAD006以6 位分辨率、高達(dá)6GSPS的速率進(jìn)行數(shù)字化。如果期望布里淵散射頻率跨越 約700MHz的范圍，則通過適當(dāng)?shù)剡x擇兩個光頻率以給出150-850MHz范 圍內(nèi)的差頻，能夠?qū)⒉铑lAF(t)設(shè)置成中心位于500MHz處。能夠以2GSPS充分地采樣該范圍。優(yōu)選地，采樣速率至少是電信號的頻率AF(t)的最大期 望值的兩倍。
對于單個探査脈沖，以所選擇的采樣速率產(chǎn)生采樣，然后對應(yīng)特定光 纖段長度(每段處于沿光纖的不同位置)，將采樣分成所選周期的時間窗口 。 段長度限定了沿光纖的長度的布里淵散射測量的空間分辨率。在每個時間 窗口內(nèi)，存在多個采樣，由此能夠?qū)?yīng)的光纖位置確定所需要的布里淵 散射特性。對于給定的采樣速率，較大的窗口大小給每個窗口更多的采樣， 并從而給出針對布里淵散射特性的更精確的值，但是對應(yīng)地具有較低的空 間分辨率。因此，需要高的采樣速率，以便在小的窗口大小內(nèi)給出高空間 分辨率所需要的有用的大量采樣。重疊或滑動窗口會是有用的。
能夠?qū)⒉祭餃Y散射信號認(rèn)為是窄帶噪聲的突發(fā)。對所記錄的采樣執(zhí)行 的數(shù)字處理的任務(wù)是對沿光纖的每個可分辨的位置，估算中心頻率fB、布 里淵散射強(qiáng)度、以及線寬中的至少一個。如果不能根據(jù)從單個探査脈沖所 接收的反向散射以足夠精度確定這些特性，則能夠?qū)Χ鄠€探查脈沖重復(fù)該 方法。能夠在存儲器陣列中存儲針對每個脈沖的一組采樣，并且可以分別 處理每組采樣。然后能夠?qū)μ綎嗣}沖的處理的結(jié)果進(jìn)行平均，以提高確定 的布里淵散射特性和/或物理參數(shù)的精度。需要注意，是對所處理的結(jié)果執(zhí) 行平均，不能在處理之前對原始數(shù)字采樣進(jìn)行平均。
雖然能夠使用任何合適的信號進(jìn)行處理，但是可以發(fā)現(xiàn)將處理分成快 速率預(yù)處理階段和較慢后處理階段是有用的。能夠使用用于對由模擬-數(shù)字
轉(zhuǎn)換器30產(chǎn)生的必然大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理的可編程邏輯器件來實(shí)施前
者。能夠使用專用數(shù)字信號處理器或常規(guī)微處理器來執(zhí)行后者。 第二實(shí)例實(shí)施例
圖2示出了本發(fā)明的替代裝置的示意圖。其包括圖1中所示的所有部 件(使用相同標(biāo)號標(biāo)記)并且還包括具有相關(guān)的電本地振蕩器40 (諸如壓 控振蕩器)的電混頻器38，混頻器38從電本地振蕩器40接收電信號?；?頻器38配置為接收差頻為AF(t)的電信號作為輸入，并且將電信號的輸出 傳輸?shù)轿挥谀M-數(shù)字轉(zhuǎn)換器30之前的放大器和過濾裝置(24、 26、 28)。
本地振蕩器40用于產(chǎn)生恒定頻率fc的第二電信號?；祛l器38將該第
13200780033696.6
二信號與來自光探測器22的電信號混合，以便在數(shù)字化電信號之前，差頻
混合將電信號的頻率下變頻至較低的差頻AF2(t"AF(t)-fc。通常，將電信 號的頻率降低至小于5GHz。較低的頻率能夠降低噪聲，并且降低對模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器30的需求，以便可以使用更低成本的轉(zhuǎn)換器。由于采樣速率至 少是所使用的差頻的最高預(yù)期值的兩倍，所以將AF(t)降低至AF2(t)允許使 用較低的采樣速率。對于當(dāng)前可用的轉(zhuǎn)換器，其能夠得到相應(yīng)地更高的位 分辨率。
其它實(shí)施例
本發(fā)明并不局限于關(guān)于圖1和圖2所描述的實(shí)施例。在光和微波域中， 通過添加其它和頻或差頻混頻部件，還可以引入頻移階段。作為需要還可 以包括濾波和/或放大(光和電的)的各種階段。
對于任一實(shí)施例，執(zhí)行多個測量周期、即對于多個探査脈沖重復(fù)測量 過程(使用先前測量的結(jié)果進(jìn)行或不進(jìn)行跟蹤的更新)，以及對所確定的布 里淵散射特性和/或物理參數(shù)進(jìn)行平均，以獲得特性和/或參數(shù)的改善的確定 是可能的。
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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通過布里淵頻移從頻率f0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；提供頻率為f1的相干光；在光探測器中將所接收的頻率為fB(t)的反向散射光與頻率為f1的所述相干光混合，以產(chǎn)生差頻為ΔF(t)＝fB(t)-f1的電信號；使用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器對所述電信號進(jìn)行數(shù)字化，以便以采樣速率對所述電信號進(jìn)行采樣，并由此產(chǎn)生表示所述電信號的一系列數(shù)字采樣；以及處理所述數(shù)字采樣以確定作為時間/沿所述光纖的距離的函數(shù)的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特性。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述采樣速率至少是所述電信 號的所述差頻AF(t)的最高預(yù)期值的兩倍。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述差頻AF(t) 小于100 GHz。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3的任一項所述的方法，還包括，在數(shù)字化的步 驟之前，將具有所述差頻AF(t)的所述電信號與恒定頻率fc的第二電信號混 合，以將所述電信號的頻率降低至頻率AF2(t)，所述頻率AF"t)小于所述差 頻AF(t)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述頻率AF"t)小于5GHz。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5的任一項所述的方法，其中& = fo。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，包括從單個光源產(chǎn)生具有所述頻率f。 的探查脈沖和具有所述頻率fi的所述相干光，調(diào)制所述單個光源的輸出以 產(chǎn)生探查脈沖。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至5的任一項所述的方法，包括通過調(diào)制第一光源 和第二光源中的一個的輸出以產(chǎn)生調(diào)制邊帶，并將所述第一光源和所述第 二光源中的另一個注入鎖定到所述調(diào)制邊帶中的一個，來從所述第一光源 產(chǎn)生探查脈沖以及從所述第二光源產(chǎn)生具有所述頻率&的所述相干光。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1至5的任一項所述的方法，包括從光源產(chǎn)生探查脈 沖，以及通過調(diào)制所述光源的所述輸出的至少一部分以產(chǎn)生至少一個頻率 為f,的調(diào)制邊帶來產(chǎn)生具有所述頻率&的所述相干光。
10、 根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，從所述采樣確定 的所述布里淵散射譜線的所述一個或多個特性包括以下特性中的至少一個所述布里淵散射頻率fe(t);所述布里淵散射譜線的強(qiáng)度；以及所述布里淵散射譜線的線寬。
11、 根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，還包括從所述布里淵散 射譜線的所述一個或多個確定的特性來計算所述光纖所服從的一個或多個 物理參數(shù)的值，以及包括將時間轉(zhuǎn)換成沿所述光纖的距離以獲得所述一個 或多個物理參數(shù)關(guān)于所述光纖的長度的分布的指示。
12、 根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，還包括對另外的探查脈 沖重復(fù)所述方法，以及對多個探査脈沖進(jìn)行平均，以獲得所述布里淵散射 譜線的所述一個或多個特性和/或所述一個或多個物理參數(shù)的更精確的確 定。
13、 一種用于測量來自光纖的布里淵反向散射的裝置，包括 第一光源，用于產(chǎn)生具有頻率fo的相干光探査脈沖并且將探查脈沖發(fā)射到光纖中；第二光源，用于產(chǎn)生頻率為&的相干光；光探測器，設(shè)置為接收來自所述光纖的反向散射光，所述反向散射光 包括至少一個通過布里淵頻移從頻率fo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，并且設(shè)置為接收頻 率為&的所述相干光以及用于根據(jù)頻率為fB(t)的所接收的反向散射光與頻 率為f\的所述相干光的混頻而產(chǎn)生差頻為AF(t) = fB(t) - f,的電信號；模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，設(shè)置為接收所述電信號，并且用于以采樣速率對所 述電信號進(jìn)行采樣，以產(chǎn)生表示所述電信號的一系列數(shù)字采樣；以及處理器，用于處理所述數(shù)字采樣以確定作為時間/沿所述光纖的距離的 函數(shù)的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特性。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述采樣速率至少是所述電 信號的所述頻率AF(t)的最高預(yù)期值的兩倍。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述差頻AF(t) 小于100GHz。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13至15的任一項所述的裝置，還包括用于產(chǎn)生恒 定頻率fc的第二電信號的電本地振蕩器，以及電信號混頻器，所述電信號 混頻器用于將具有所述差頻AF(t)的所述電信號與所述第二電信號混頻，以 便在所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器接收所述電信號之前將所述電信號的頻率降低至 小于AF(t)的頻率AF2(t)。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中，所述頻率AF2(t)小于5 GHz。
18、 根據(jù)權(quán)利要求13至17的任一項所述的裝置，其中，& =
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述第一光源和所述第二光 源是同一光源，調(diào)制所述光源的輸出以產(chǎn)生探查脈沖。
20、 根據(jù)權(quán)利要求13至17的任一項所述的裝置，其中，調(diào)制所述第 一光源和第二光源中的一個的輸出，以產(chǎn)生調(diào)制邊帶，并且將所述第一光 源和所述第二光源中的另一個注入鎖定到所述調(diào)制邊帶中的一個。
21、 根據(jù)權(quán)利要求13至20的任一項所述的裝置，其中，從所述數(shù)字 采樣確定的所述譜線的所述一個或多個特性包括以下特性中的至少一個 所述布里淵散射頻率fB(t);所述布里淵散射譜線的強(qiáng)度；以及所述布里淵 散射譜線的線寬。
22、 根據(jù)權(quán)利要求13至21的任一項所述的裝置，其中，所述處理器 還用于從所述布里淵散射譜線的所述一個或多個確定的特性來計算所述光 纖所服從的一個或多個物理參數(shù)的值，以及用于將時間轉(zhuǎn)換成沿所述光纖 的距離以獲得所述一個或多個物理參數(shù)關(guān)于所述光纖的長度的分布的指
全文摘要
一種用于測量來自光纖的布里淵反向散射的方法，包括在光探測器中將接收的來自所述光纖的并且具有布里淵散射頻率fβ(t)的反向散射光與頻率為fi的相干光混合，以產(chǎn)生具有差頻ΔF(t)＝fβ(t)-f15的電信號，并使用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器對所述電信號直接數(shù)字化，產(chǎn)生一系列表示所述電信號的采樣，然后處理所述采樣以確定所述布里淵散射譜線的一個或多個特性。通過附加的混頻階段可以進(jìn)一步減小差頻，以便允許以較低的采樣速率進(jìn)行數(shù)字化。
文檔編號G01D5/353GK101512295SQ200780033696
公開日2009年8月19日 申請日期2007年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月16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