专利名称：光纤传感器阵列的制作方法
技术领域：
该发明涉及光纤传感器的阵列。
背景技术：
已知类型的光纤传感器组件包括组件输入/输出(i/o)光纤和一个
或多个独立的光纤传感器，以及被布置成响应于一个或多个到该组件i/o 光纤的询问脉沖输入通过i/o光纤输出光输出脉冲的有限输出脉冲序列。 取决于组件的具体结构，输出脉冲序列可传送与周围环境的温度，气压， 加速度等相关的信息。这样的组件一般具有允许一个或多个询问脉冲中 的一部分经过该组件传送到第二个这样的组件的光学上耦合到该光纤部 分的输出光纤，从而提供第二组件的询问。许多组件可串联形成适于沿 线性阵列收集物理状态信息的线性阵列， 一个或多个询问脉沖被引入到
输入端。
这样的光纤传感组件阵列存在的问题是在长的阵列的情况下，有如 几百个组件串联阵列，在某些应用中由于对于一个或多个询问脉沖中的 一部分到达阵列的最后一个组件并且对于来自最后一个组件的输出脉冲 序列返回通过每个其他组件到达阵列的输入端所花费的时间确定该速率 的事实，阵列的最大询问速率会是无法接受的低(例如在快速变化物理 状态的探测中)。
发明内容
本发明的目标是改善这样的问题。根据本发明，这个目标由包括光 纤传感器组件的线性阵列的光纤传感器阵列完成，每个组件具有组件输 入/输出(i/o)光纤以及被排列成通过它的组件i/o光纤响应于输入到 那的一个或多个询问光学脉沖而输出光学输出脉冲的有限输出脉冲序 列，并且此处的阵列进一步包括沿线性阵列的长度延伸的光纤总线，每 一个组件i/o光纤沿该线性阵列在各自的位置光学耦合到光纤总线。因 为询问特定组件的脉冲不必首先通过阵列的其它组件，该发明的阵列的 每个组件的询问能够比在串行阵列的情况更快地完成。同样的，来自特 定组件的输出脉冲序列不必为了到达阵列的输入端而通过阵列中的其他组件。输出脉沖序列(具有一个来自每一个组件的序列)的完整周期从 本发明中阵列的单个询问中产生，因此具有比有相同数目的串联阵列的 光纤传感器组件的阵列的完整周期短的持续时间，提供用于询问的比在 现有技术中的更高的频率。
优选地光纤传感器阵列进一步包括i/o光纤阵列和包括光学上并联 耦合到i/o光纤阵列并沿线性阵列的长度延伸的N个总线光纤总线，如 果n/N-M+k/N，并且M是正整数或者O，线性阵列的第n个光纤传感器组 件的组件i/o光纤光学上耦合到第k个总线上(k=l到N)。例如，如果 N=4，沿阵列的第十个光纤传感器组件被耦合到第二总线光纤。这让耦合 到不同总线光纤上的输出脉冲序列组在多路复用到i/o光纤阵列上时交 错，另外减少从单个阵列询问中产生的输出脉冲序列的全周期的持续时 间，以及使得进一步增加阵列的询问最大速率。此外，如果总线光纤中 一个损坏时，对阵列的性能的影响小于所有组件被耦合到单个总线光纤 的情况，或者小于有N个总线光纤并且线性阵列由一组N个连续的组件 构成的情况，给定的 一组该组件耦合到相同的总线光纤。
优选地，沿给定总线光纤在组件i/o光纤耦合到那的位置由等长的 总线光纤间隔开，并且至少一个总线光纤包含在阵列i/o光纤和沿总线 光纤在该总线光纤的第一组件的组件i/o光纤耦合到的位置之间的光纤 的延迟长度。这允许沿阵列的组件的物理位置被独立选择以满足具体感 测要求，同时仍允许通过对于延迟光纤的长度作出合适选择，输出到不 同总线光纤上的输出脉冲序列组交错。
优选地，每个光纤传感器组件被排列成以1/T的速率输出输出脉冲 序列的光脉冲，每个脉冲具有持续时间t/N，并且其中一个或多个光纤 的延迟长度是在阵列的使用中，耦合到各自的总线光纤的输出脉沖序列 组在i/o光纤阵列中形成多路复用的输出序列，该序列包括多个所述组， 其中连续组有T/N的相对延迟。这样，来自相应的耦合到不同总线光纤 的组件的输出脉沖序列内的各个脉沖被交错在i/o光纤阵列中以形成连 续的一组脉冲，进一步减少在无用输出出现期间来自阵列的输出数据的
单个周期内的时间量。
如果阵列的每个组件依据询问以1/ t的速率产生m个独立脉冲的输 出脉沖序列，毎个脉冲具有t/N的持续时间并携带有用信息，此外优选 地在所有特定总线光纤上连接相邻组件的光纤具有cpmT/2的长度，这里P是整数，P>1并且C是在光纤中光速。这产生了从耦合到特定总线
pmT的延迟。如果p-l，那么从耦合到特定总线光纤的相邻组件中产生的 输出脉沖序列在时间上是连续的。如果P>1，存在来自一个组件的输出脉 冲序列的末端和来自耦合到相同总线光纤的相邻组件的输出脉冲序列的 始端之间的延迟，两个序列从单个询问中产生。然而，该延迟的持续时
总线光纤中获得。连接到在任何特定总线光纤上的相邻组件的光纤的长 度可包含各自的光纤延迟长度，以便选择耦合到总线光纤的组件的物理 分隔来满足特定感测要求，同时保持这个优点。
某光纤传感组件响应询问产生输出序列，其中该序列的第一和最后 光脉冲携带无用信息。如果阵列中已有这类型的组件，并且每个组件以 1/t的速率在各输出脉冲序列中产生m个持续时间为t/N的脉冲，那么 优选地在所有特定总线光纤上连接相邻组件的光纤具有cp(m-l) t/2的 长度，这里P是整数，p>l并且c是在光纤中光速。如果p-l，存在来 自耦合到特定总线光纤的相邻组件中的输出脉沖序列之间的并响应于单 个询问的p(m-l) T的延迟。这意味着输出脉冲序列的最后一个脉冲和下 一个序列的第 一个脉冲在时间上重叠，在那些无用信息传递期间减少在 阵列输出的全周期内的时间(和来自从任何单个总线光纤的一组输出脉 冲序列)。如果p〉1,存在来自一个组件的输出脉冲序列的末端和来自相 邻组件的输出脉冲序列的始端之间的延迟p(m-l) t ，这两个序列响应于 询问而生成。此外，这个延迟允许连续的输出脉沖序列通过对#_询问的 阵列的速率做适当选择从任何总线光纤中获得。另外， 一个序列的最后 的输出脉沖和下一个序列的第一个脉冲重叠。此外，连接到在任何特定 总线光纤上的相邻组件的光纤的长度可包含各自的光纤延迟长度，以便 选择耦合到总线光纤的组件的物理分隔来满足特定传感要求，同时保持 这个优点。
阵列的光纤传感器组件的每一个都包括m-2个光纤传感器线圏的串 联布置，每个线圏具有长度CT/2，并且其中每个所述线圈在其输入側被 提供有部分反射器并且其中该组件被提供有终端反射器。这样的组件可 通过一对持续时间为t/N的脉沖被询问， 一个脉冲相对于另一个脉沖延 迟T，以产生m个脉冲的输出脉沖序列。第一个和第m个脉冲携带无用的信息，但是第2,第3，…(m-l)个脉冲可携带关于组件附近中的物 理状态的信息。
该反射器可为光纤耦合反射器，或为如光纤内的布拉格光栅的光纤 内的反射器。
一个或多个传感线圈可被包含在一个或多个相应的光纤加速计或水 中地震检波器中以提供适用于探测震动或压力的的阵列。在具有个传感 线圏的组件中，三个线圏可包含在相应的光纤加速计中并且一个在光纤 水中地震检波器中以提供用于水下测量应用的光纤传感器阵列。
优选地，该光纤总线净皮包裹在防护电缆中以防止在配置或使用期间 的对阵列的损坏。
本发明的多个光纤传感器阵列可被包含在大规模的光纤传感器阵列 中，该传感器阵列中本发明中的独立的阵列作为子阵列，每个以不同的 波长工作。波长多路复用器/多路分离器可被用来耦合对应子阵列和大规 模阵列的i/o光纤之间给定波长的光。
如本文所述参考附图，本发明延伸到实际的方法、设备和/或使用。
本发明的一个实施形式中的所有特征可被以任何合适的组合应用与 本发明的其他实施形式。尤其是，方法的实施形式可被应用于设备的实 施形式中，反之亦然。
本发明的实施例通过所附的例子以及参考附图描述如下，其中
图1显示已知类型的光纤传感器组件；
图2显示一对适用于图1中的组件的询问的脉沖；
图3显示从图1中组件响应图2中输入脉冲对获得的输出脉冲序列；
图4筒图说明本发明的第一个光纤传感器阵列实例；
图4A说明图4阵列的物理阵列；
图5显示在阵列的延迟线圏具有零长度的情况下耦合到图4阵列中 总线光纤的输出脉冲序列组的时序；
图6显示当其中的延迟线圏具有合适长度时，从图4阵列获得的多 路复用输出序列；
图7图解说明本发明光纤传感器的第二个实例；
图8显示响应于单个询问脉冲对的输入从图7阵列的总线光纤获得 的一组三输出脉冲序列；图9显示响应于重复的总线光纤询问从图7阵列的总线光纤获得的 一组输出脉沖序列；
图IO显示在阵列的延迟线圏具有零长度的情况下，来自图7阵列中 总线光纤的输出脉沖序列组的时序；
图11显示当阵列的延迟线圏具有合适长度时，从图7阵列获得的多 路复用输出序列；
图12显示响应于重复的总线光纤的询问从本发明的另一个阵列的总 线光纤获得的一组输出脉冲序列；
图13显示响应于重复的总线光纤的询问从本发明的再一个阵列的总 线光纤获得的 一组输出脉冲序列；
图14图解说明本发明光纤传感器的第三个实例；
图15显示适于询问图14中的阵列的输入脉沖对；
图16显示响应图15中脉沖对的输入从图14中阵列组获得的输出脉 沖序列；
图17显示响应于重复的总线光纤询问从图14阵列的总线光纤获得 的一组输出脉沖序列；以及
图18显示当阵列的延迟线圏具有合适长度时，从图14阵列获得的 多路复用输出序列。
具体实施例方式
在图1中，通常用IO表示的已知的光纤传感器组件包括四个独立的 串联排列的光纤传感线圏1， 2， 3, 4。线圈1, 2， 3， 4由单一长度13 的光纤形成，其中的一部分12用作为组输入/输出(i/o)光纤。光纤耦 合反射镜5， 6， 7， 8， 9在沿光纤13在各自位置耦合到该光纤13，这样 使得线圏1， 2, 3， 4中的每一个都具有耦合在各自的末端的光纤耦合反 射镜。例如，线圏1， 2和3可形成各自对应的光纤加速计的一部分，同 时线圏4形成水中地震检波器的一部分，以形成适用于地震测量应用的 四个元件的组件(组件10的机械部分没有在图1中示出)。线圏1， 2， 3， 4中的每一个具有40m的长度。传感器10的光纤13的总长因此是160m (忽略i/o光纤12的少量长度和在邻近线圏之间的少量连接长度)。
参考图2，通过在组件的i/o光纤12中引进询问光脉冲对20， 22， 可进行图1中组件10的单个询问。脉冲20, 22具有各自频率Q)M 0)2， 并且脉冲22相对于脉冲20被延迟T-21/c， 1为在传感器10中线围长度
9(40m)， c为在光纤9中光脉冲的速度(为了说明假定为2xl08ms 1 )， 因此t-400ns。脉沖20, 22中的每个具有t/4=100ns的持续时间。参 考图3，组件10响应于脉冲20， 22的输入而输出六个脉冲30， 32， 34， 36， 38, 40的输出脉冲序列。脉冲30， 32， 34， 36， 38， 40中的每一 个具有t/4-100ns的持续时间并且在连续的脉冲之间存在延迟t 。脉冲 30由被组件10的光纤耦合反射镜5反射的一部分脉冲20生成。脉冲40 由被光纤耦合反射镜9反射的一部分脉冲22生成。脉沖32， 34， 36， 38 中的每一个由脉冲20与脉冲22 —致的部分组成。例如，脉冲34由来自 光纤耦合反射镜6反射的一部分脉冲22和由反射镜7反射的一部分脉冲 20组成。在这些双脉冲部分之间的相差的出现归因于一部分脉沖20因其 两次通过传感线圏2所经历的相位偏移。通过观察当多个输出脉冲序列 的每个的第二个脉冲入射到光电探测器上时产生的拍频信号的相位或频 率(响应于多个询问脉沖对)，可以获得组件10附近的物理状态信息(拍 频信号的相位或频率相对应的准确度依赖于线圏2为其一部分的独立传 感器类型)。类似的考虑也适用于脉沖34， 36和38。因此输出脉沖32， 34， 36， 38是各自包括线圏1， 2, 3， 4的独立传感器的输出。输出脉沖 30, 40携带无用信息。
图4图解说明本发明的光纤传感器阵列100的第一个实例。阵列100 包括光学上耦合到分别标为A， B， C，和D的四个总线光纤l(H， 106， 108， 110的阵列输入/输出(i/o)光纤102。分支A， B和C各自包括延 迟回路113, 114,和115。总线光纤A， B， C， D中的每一个有三个图l 中所示类型的组件，它们以200m的间隔耦合到各总线光学。耦合到总线 光纤B， C和D上的组件沿阵列100的长度相对于耦合到总线光纤A分别 偏移了AX产50m， AX产100m，和AX产150m。阵列100的组件净皮分组成三 个群X， Y， Z，每个群包含四个组件，每个组件耦合到每个总线光纤A， B, C， D。因此该阵列100包含12个组，图1所示的类型AX, BX，…CZ， DZ。组件耦合到阵列IOO的总线光纤A， B， C， D的位置也由图4中参考 符号AX， BX，…CZ， DZ指示(组件本身没有在图4中示出)。
图4A显示阵列100的物理糸夂列。组件AX， BX，…CZ， DZ形成线性 阵列；总线光纤A， B, C, D沿线性阵列的长度延伸并且被包入保护电缆 101中。沿线性阵列的第一，第五，和第九组件(分别为AX， AY， AZ) 耦合到总线光纤A。沿线性阵列的第二，第六和第十组件(分别为BX，BY， BZ)耦合到总线光纤B。沿线性阵列的第三，第七和第十一组件(分 别为CX， CY， CZ)耦合到总线光纤C。第四，第八和第十二组件(分别 为DX， DY， DZ)耦合到总线光纤D。如果一条总线光纤在它的第一组件 之前，耦合到该总线光纤的一组组件不能被询问，虽然对阵列100的性 能的这样破坏的影响显著地小于四个相邻组件的组以相邻的组之间有 800迈的间隔的方式耦合到三条总线光纤中的每一个条的情况。
在工作中，通过每个如图2中所示的被引入到阵列输入/输出(i/o) 光纤102的脉冲序列对询问阵列100。在输入到i/o光纤102后，每脉沖 对被分成四个部分； 一个部分被输入到总线光纤A, B， C， D中的每一个。 耦合到给定的总线光纤的输出脉冲序列形成输出脉冲序列组，其中总线 光纤；来自各自总线光纤的组在阵列i/o光纤102中被多路复用以形成
多路复用的输出序列。
图5显示在延迟线團113， 114， 115具有零长度的情况下响应于单 个询问脉沖对来自四条总线光纤104， 106， 108， 110(在图4中各自标 为A, B， C， D)中的每一条的输出脉冲序列组150， 152， 154， 156的时 序。图5中时间的起点作为当一对询问输入脉冲的第一个的一部分从组 件AX返回时的时间。来自总线光纤A的输出序列由16个脉沖的系列组 成；这些脉冲中的具体脉冲j ( j=1...16)在第一个脉沖之后的(j-1) t 时间返回。因为组件AX， AY, AZ沿总线光纤A以200n^5cT的间隔(对 应于2ms的来回行程延迟)被分隔开，组件AX的输出脉沖序列的第六 个脉冲和来自组件AY的输出脉冲序列的第 一个脉冲重叠，并且来自组件 AY的输出脉冲序列的笫六个脉冲和来自组件AZ的输出脉冲序列的第一 个脉冲重叠。输出序列组150中的独立的输出脉冲被标记以指示它们对 应哪个独立传感线圈，如AX3指示来自组件AX的第三个传感线圏的携带 信息的脉冲。来自总线光纤B， C， D的输出脉冲序列组152， 154， 156 具有与那些来自总线光纤A的输出相同的格式，然而因为在总线光纤B， C， D的组件相对于那些总线光纤A上的组件沿组件的线性阵列被分别偏 移50m， 100m和150m的距离，所以它们,皮分别相对于来自总线光纤A的 组150延迟了 500ns， 1000ns和1500ns。
如果分别合并到阵列IOO中的总线光纤A, B和C的延迟线圏113， 114, 115分别具有120m， 80m和40迈的长度，来自总线光纤A， B和C 的输出脉冲序列组150， 152， 154 4皮分别延迟了 1200ns (3t)， 800ns(2t )和400ns ( t ),这些延迟被显示在图5中。来自总线光纤B， C 和D的输出脉冲序列组152， 154， 156因此分别相对于来自总线光纤A 的組150被延迟了 100ns ( t /4 )， 200ns ( t /2 )和300ns ( 3 t /4 )。
参考图6， ^L延迟线團112， 114， 116引入的延迟引起在阵列i/o 光纤102中的多路传复用输出序列160，其中来自总线光纤A, B， C， D 的输出脉冲序列组150， 152， 154， 156^L交错以形成三个有用的(即， 携带数据)输出脉冲的连续块170， 172， 174，每个的持续时间是4T =1600ns,以及每个持续时间为t=400ns的四个周期162， 164, 166， 168， 其包含来自某组件的第一个和/或最后的光纤耦合反射镜的脉冲，由此没 有有用信息。块170， 172， 174被排列成使得相应于在具体群中的每个 组件中具有相同位置的传感线圈的输出脉冲被及时地连续分组。因为周 期168包含无用信息，阵列100可以以1/15 t 167kHZ的速率被询问以 产生来自阵列100的连续输出，这也是多路复用输出序列从阵列i/o光 纤102输出的速率。
本发明其他实施例可通过改变图4中的阵列100而获得，以使得间 隔AX" AX2， AX3具有不同于50m, 100m，和150m的值。那么延迟线團 112， 114和116的长度需要被调整来使得它们各自长度仍然分别等于A X广3ct/8，厶X广ct/4和AX广ct/8。在总线光纤B， C和D上的组件相 对于在总线光纤A的组件偏移期望的距离AX,， AX2， AX3的具体实施例 因此这可以仅通过对延迟线圈112， 114， 116的长度做出合适选择而获 得。本发明的另外实施例也可通过改变阵列100来获得，以使得每个组 件的独立传感线圏具有不同于40m的长度；如果线圈的长度为l，那么询 问脉沖的持续时间t必须被调整以使得t保持等于21/c。
参考图7，本发明中第二实例的光纤传感器阵列一般由200来指示。 使用比阵列100中的对应部分被标记的参考数字大的值100的参考数字 来标记相对于图4中阵列100的部分的阵列200的部分。对比图4中阵 列100的200m，耦合到给定总线光纤的相邻组件有800m的间距。阵列 200的物理阵列类似于图4A中所示的阵列，即，各个组件形成线性阵列， 阵列200的总线光纤沿该线性阵列的长度延伸。阵列200的每个组件具 有图1中所示的结构。
图8显示由具有图2中所示形状的单个询问脉冲对的输入产生的阵 列200的总线光纤的一组输出脉冲序列250。时间的起点是询问对的第一脉沖20从位置AX返回的时间。组件AX， AY， AZ中的每一个产生如图3 所示的六个光学输出脉冲的输出脉冲序列。三输出脉冲序列通过图8中 的AX， AY和AZ被指示(序列的结构没有示出)。输出脉沖序列AX， AY， AZ中的每一个具有持续时间21t/4-2. 1ms，如图3所示。因为组件AX， AY， AZ被800m的总线光纤间隔开，在连续输出脉冲序列之间的延迟为 20t=8 m s。
图9显示当通过图2中所示形状的脉冲对以1/15T的速率连续询问 时，来自总线光纤A的输出脉沖序列组249。该组249是由来自组件AX， AY， AZ的由一系列连续询问脉冲对n， n+l， n+2，…n+9生成的输出脉沖 序列组成。时间的起点是询问脉沖对n+2的第一脉冲20从组件AX返回 的时间。因为在由具体询问脉沖对产生的连续输出脉冲序列之间的延迟 为20t，并且因为每个序列的最后t/4包含无用输出，存在交错其他三 个输出脉冲序列的可能性，在由单个询问脉冲对生成的连续输出脉沖序 列之间，由其他询问脉冲对生成。因而例如，在输出脉冲序列组249中， 下列输出脉沖序列出现在由第(n+2)个询问脉冲对生成的组件AX和AZ 的输出脉冲序列之间
来自组件AY的输出脉冲序列由第(n+l)个询问脉冲对生成 -来自组件AZ的输出脉沖序列由第n个询问脉沖对生成，以及 来自组件AX的输出脉冲序列由第(n+3)个询问脉沖对生成。 由不同询问脉冲对产生的输出脉冲序列的交错允许在来自第一组件 的由下一个询问脉冲对生成的输出脉冲序列之前接收比如果来自耦合到
总线光纤的最后组件的由特定询问脉冲对生成的输出脉冲序列更高的采 样速率。
图IO显示在延迟线圏212， 214， 216具有零长度时响应于连续询问 输入脉冲对n, n+l， n+2，来自总线光纤204， 206， 208， 210 (在图7 中分别标为A， B， C， D)的输出脉沖序列组250， 252， 254， 256的时序。 图7中时间的起点被当作当询问脉冲对n+2的笫一脉冲的一部分从组件 AX返回时的时间。因为耦合到总线光纤B， C和D的组件沿阵列200相对 于耦合到总线光纤A的相应组件分别,皮偏移50m， 100m和150m的距离， 所以组252, 254, 256相对于组250净皮分别延迟500ns,1000ns和1500ns。
分别包含到阵列200中的总线光纤A， B和C的延迟线圈212， 214， 216将输出脉冲序列组250， 252， 254相对于它们的分支分别延迟了 3 t ，2t和t。(延迟线圏212， 214，和216因此分别具有120m， 80m和40m 的长度)。因此分别来自总线光纤B， C和D的输出脉冲序列组252， 254， 256对于来自总线光纤A的输出脉冲序列组250分别延迟了 t/4, t/2 和3t/4(即，分别延迟100ns， 200ns和300ns )。
图ll显示由阵列200的阵列i/o光纤202输出的多路复用输出序列 的一个全周期260。周期250具有与图6中的周期160相同的基本结构； 差异仅在于有用数据的各个块270, 272， 274通过连续询问脉冲对而不 是通过单个询问脉沖对来生成。阵列200的采样速率是1/15 t (等于询 问脉冲对被引入到阵列i/o光纤202的速率)。
耦合到总线光纤B， C和D的组件沿阵列200的长度相对于耦合到总 线光纤A上的组件被偏移的距离可以采取任何期望值，然而延迟线團的 长度必须随后按着如上面涉及阵列IOO所述的那样被调整。
再参考图9，因为耦合到给定总线光纤的相邻组件的分隔为800m, 所以在总线光纤A上输出的和产生于不同询问脉沖对的输出脉冲序列组 的交错是可能的。这在由具体询问脉冲对生成的连续输出脉冲序列之间 提供20T的延迟。因为在每个脉冲序列中的有用信息出现在每个序列的 第一个5t内，所以20T的延迟提供了可以用来容纳其他三个输出脉冲 序列的15T的时间窗(3x5t )。其他方案也是可行的，例如，图12显 示当^支以1/15 t的重复频率询问时，从具有三个组件AX， AY， AZ以1000m 的间隔沿其耦合的单个总线光纤中获得的输出脉冲序列组349。该序列组 349通过13个连续询问脉冲对n， n+l， n+2，…n+12所生成的输出 脉冲 序列组成。图13显示从具有三个组件AX， AY， AZ以组件之间间隔1400m 沿其耦合的单个总线光纤中获得的输出脉冲序列组449。询问速率为1/15 t。大体上，如果每个总线光纤有q个组件耦合到其上，并且如果来自 单个组件的输出脉冲序列中的有用输出的持续时间是T(取序列中的第一 个脉冲为"有用，，以用于这个目的，但是不是最后一个脉冲)，那么使用 采样周期qT询问阵列以从每个总线光纤中获得连续的输出脉冲序列是可 能的，提供在耦合到总线光纤的相邻的组件之间光纤长度x是2x/c=sT, 这里s=rq+l并且r为整数。r=0表示不重要的情况，这里2x/c=T并且由 具体询问脉沖对生成的来自分支的输出脉沖序列是连续的。r=l和r=2
的技术方案在图9和13分别说明。也存在s， r，和q的某些可能的不满 足条件s-rq+l的组合，图12中说明了这些中的一个例子。尽管图9, 12和13涉及分别由800m, 1000m和1400m的总线光纤长 度分隔开的组件，因为辅助延迟线團可以用在总线光纤上的多个组件之 间以便给出在通过具体询问脉冲对生成的总线光纤的输出脉冲序列之间 的期望延迟，所以在实际组件间隔的选择上存在灵活性。例如，耦合到 图7中的阵列200的总线光纤的相邻组件通过长度为800m的总线光纤被 连接，但是如果仅要求700m的物理间隔，那么两个100m的延迟线圏可 以用于给出图9的时序方案 一个线圏在组件AX与AY之间并且另一个 线圏在组件AY和AZ之间。如果想要的物理组件间隔是1100m，那么使用 两个300m的延迟线圏以^更允"^H吏用图12的定时方案。
图7中阵列200也可通过以一速率来引入询问脉冲对到阵列i/o光 纤202来#1询问，该速率低至能够允许来自阵列的所有组件的响应于具 体脉冲对而生成的输出脉冲序列在下一个询问脉沖对被引入之前,皮检 索。虽然延迟线圈可用于交错耦合到不同总线光纤上的输出脉冲序列组， 最大询问率为l/45T 55kHZ。此外，对于每个采样周期的《61%，没有 输出从该阵列中被接收。
为了说明上述思想可容易拓展到覆盖具有大量总线光纤和每分支组 件，以及有更多复合组件的阵列，图14显示本发明的另一个包括五个总 线光纤504， 506， 508， 510, 511 (分别标记A， B， C， D， E)的光纤传 感器阵列500，其中每条总线光纤有四个组件耦合到其上。因此阵列500 具有20个组件AW， AX，…EY， EZ。每个组件包括五个(sic )传感线團， 每个线圏长40m。该组件^皮排列成进四个群W， X， Y, Z,每个群具有五 个组件(耦合到五个总线光纤A， B, C， D， E中的每一个)。耦合到所有 给定总线光纤的相邻组件的物理间隔是1000m。耦合到总线光纤B， C， D 和E的组件沿着阵列500被布置为分别与耦合到总线光纤A的对应组件 相JE巨50m， 75m， 150m和175m。延迟线圏512， 514， 516， 518分别具有 143m， 101m， 84m和17m的长度。延迟线圈513A， B&C， 515A， B&C， 517A， B&C， 519A, B&C， 521A， B&C的每一个具有200m的长度。阵列500的物 理布局类似与图4A中所示的；阵列的独立组件净皮>#列成有总线光纤沿线 性阵列的长度延伸的线性阵列。总线光纤优选地被容纳在防护电缆内。
通过引入图15中所示形状的询问脉沖对到阵列500的阵列i/o光纤 502中来进行阵列500的询问。在一对脉冲之间的延迟为t =2 x 40/c=400ns,并且因为在阵列500中有五个总线光纤，各个询问脉冲的
15宽度为t /5。图6显示由单个组件响应单——个询问脉冲对的7脉冲输 出的输出脉冲序列.该输出脉冲序列的持续时间为31t/5。
图17显示交错耦合到总线光纤A上的输出序列的时序方案，该输出 脉沖序列由十个连续询问脉沖对n， n+l， n+2，…n+9生成。相同的方案 用于其他总线光纤.200m的延迟线圏513， 515， 517， 519， 521，连同 1000m的物理群间隔一起使得在来自特定总线光纤的并且由单个询问脉 沖对生成的连续输出脉冲序列之间有30t的延迟。响应于询问以1/24 t =104kHZ的速率从总线光纤输出连续的输出脉冲序列。
图18显示阵列500的多路复用输出序列的全周期560，该全周期560 由四个连续询问脉冲对n， n+l， n+2， n+3生成。周期的持续时间为24 t，因此阵列500的输出速率为104kHZ。
应当理解到本发明已经通过实例的方式在上面完全说明了 ，并且可 在发明的范围内进行细节上的修改。
在说明中的各特征，以及(合适处)权利要求和附图可被独立或以 任何合适的组合的方式提供。
权利要求
1、一种光纤传感器阵列，包括光纤传感器组件的线性阵列，每个组件具有组件输入/输出(i/o)光纤以及每个组件被排列成通过它的组件i/o光纤响应于输入到该光纤的一个或多个询问光学脉冲而输出光学输出脉冲的有限输出脉冲序列，其中该阵列包括沿线性阵列的长度平行延伸的N条光纤总线光纤，每条组件i/o光纤在沿线性阵列的各自位置处光学耦合到所述N条总线光纤中的一个，使得从耦合到不同总线光纤的组件输出的脉冲序列被交错。
2、 如权利要求1的光纤传感器阵列，其中在n/^M+k/N时，并且M 是正整数或者0，则线性阵列的第n个光纤传感器组件的组件i/o光纤光 学辆合到第k个总线光纤(k-l到N )。
3、 如权利要求2的光纤传感器阵列，其中沿给定总线光纤上的组件 i/o光纤耦合到的位置由等长的总线光纤间隔开，并且至少一个总线光纤 包含在阵列i/o光纤和沿总线光纤上的该总线光纤的第一组件的组件 i/o光纤耦合到的位置之间的相应光纤延迟长度。
4、 如权利要求3的光纤传感器阵列，其中每一个光纤传感器组件被 排列成以1/t的速率输出脉冲序列的光脉沖，每个脉沖具有t/N的持续 时间，并且其中一个或多个光纤的延迟长度使得在阵列的使用中，耦合 到各自的总线光纤的输出脉冲序列组在阵列i/o光纤中形成多路复用输 出序列，该序列包括多个所述组，其中连续组有T/N的相对延迟。
5、 如权利要求4的光纤传感器阵列，其中每个阵列的光纤传感器组 件被排列成响应一个或多个询问脉冲而输出m个光学输出脉冲的输出脉 冲序列，并且其中所述总线光纤的相等长度具有cpniT/2的长度，这里p 是整数，p>l并且c是在光纤中的光速。
6、 如权利要求5的光纤传感器阵列，其中所述光纤的相等长度中的 至少 一个包含光纤的延迟长度。
7、 如权利要求4的光纤传感器阵列，其中每个阵列的光纤传感器組 件被排列成响应一个或多个询问脉冲而输出m个光学输出脉冲的输出脉 沖序列，并且其中所述光纤的相等长度具有cp(m-l) t/2的长度，这里p 是整数，p>l并且c是在光纤中的光速。
8、 如权利要求7的光纤传感器阵列，其中所述光纤的相等长度中的 至少一个包含光纤的延迟长度。
9、 如权利要求7或8的光纤传感器阵列，其中每个光纤传感器组件 包括串联排布的m-2个光纤传感器线圈，每个线團具有ct/2的长度， 并且其中每个所述线圏在其输入侧具有部分反射器并且其中该组件具有 终端反射器。
10、 如权利要求9的光纤传感器阵列，其中每个反射器是光纤耦合 反射器。
11、 如权利要求9的光纤传感器阵列，其中每个反射器是光纤内反 射器。
12、 如权利要求9到11中的任一项光纤传感器阵列，其中一个或多 个传感线團包含在光纤加速计中。
13、 如权利要求9到11中的任一项光纤传感器阵列，其中一个或多 个传感线團包含在光纤水中地震检波器中。
14、 如权利要求9到13中的任一项光纤传感器阵列，其中每个组件 具有四个光纤传感线團，三个线圈包含在相应的光纤加速计中和一个线 圏包含在光纤水中地震检波器中。
15、 如前面权利要求中的任一项光纤传感器阵列，其中光纤总线被 容纳在沿线性阵列的长度延伸的防护电缆中。
16、 一种大规模光纤传感器阵列，其包括i/o光纤和多个如前面任 一权利要求所述的子阵列，该大规模阵列进一步包括波长多路复用器/多 路分离器，其被安排成耦合i/o光纤和对应子阵列之间的特定波长的辐 射。
17、 一种传感器系统，包括光纤传感器组件的线性阵列，每个组件包含至少一个光纤传感器， 沿阵列延伸的光纤总线包括多个N个并行的总线光纤， 其中该系统被排布成使得阵列的物理相邻组件总是耦合到所述N个 总线光纤中的不同一个上。
18、 如权利要求17的传感器系统，其中每个组件包括q个独立的传 感器，并且响应于输出脉冲而输出至少q+l个脉沖。
19、 如权利要求17或18的传感器系统，其中每个组件包括q个独 立的传感器，并且每个总线具有P个与其光学耦合的组件，以及其中每 个组件#_排列成以1/T的速率输出输出脉沖序列的光脉冲，其中该系统 的询问速率基本上是1/ ( Tp (q+l))。
20、 一种基本上如上所述的光纤传感器阵列参考图4， 5和6。
21、 一种基本上如上所述的光纤传感器阵列参考图7， 8， 10， 11和 图9， 12和13中任何一个。
22、 一种基本上如上所述的光纤传感器阵列参考图14和18。
全文摘要
一种光纤传感器阵列(100)包括光纤传感器组件(AX，BX，CX，DX，AY，BY，CY，DY，AZ，BZ，CZ，DZ)的线性阵列，每个组件具有组件输入/输出(i/o)光纤以及每个组件被排列成通过它的组件i/o光纤响应于输入到该光纤的一个或多个询问光学脉冲而输出光学输出脉冲的有限输出脉冲序列。该阵列进一步包括沿线性阵列的长度延伸的光纤总线(104，106，108，110)，每个组件i/o光纤沿线性阵列的各自位置处光学耦合到光纤总线上。该阵列允许以比同样数目的光纤传感组件串联更高的频率询问。
文档编号G01D5/26GK101454642SQ200780019250
公开日2009年6月10日 申请日期2007年3月8日 优先权日2006年3月25日
发明者D·J·希尔, J·J·维斯特霍尔, P·J·纳什, R·I·克里克摩尔 申请人:秦内蒂克有限公司