专利名称：分布式感测的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及分布式声学光纤(fibre optic)感测并且涉及用于确定分布式声学传感器上的入射声波的起源的横向偏移的方法和装置。
背景技术：
利用光纤(optical fibre)的各种传感器是已知的。许多这样的传感器依赖于光纤点传感器或离散反射地点诸如光纤(Hbre)Bragg光栅等，其沿光纤的长度布置。可以分析来自离散点传感器或反射地点的返回以提供离散传感器或反射地点附近的温度、应变和 /或振动的指示。使用离散反射地点或光纤点传感器的这样的传感器需要特殊地制造包括传感器部分的光纤。此外，传感器在光纤内的分布是固定的。全分布式光纤传感器也是已知的，其中使用来自光纤的连续长度的本征散射。这样的传感器允许使用没有故意引入的诸如光纤Bragg光栅等的反射地点的标准光纤线缆。 可以从其检测到后向散射信号的整个光纤可以被用作传感器的部分。时分技术典型地用于将信号返回分为许多个时间段(time bin)，其中每个时间段中的返回对应于光纤的不同部分。由于传感器选择完全遍布于整个光纤分布，因此这样的光纤传感器被称为分布式光纤传感器。如本说明书中使用的，术语分布式光纤传感器将指的是其中光纤自身构成传感器并且不依赖于特定点传感器或者故意引入的反射或干涉地点的存在的传感器，即本征光纤传感器。各种类型的分布式光纤传感器是已知的并且已被提出用在各种应用中。美国专利第5，194，847号描述了用于入侵感测的分布式声学光纤传感器。使用没有任何点传感器或特定反射地点的连续光纤。将相干光发射到光纤中并且检测和分析在光纤内进行Rayleigh后向散射的任何光。时间段中的后向散射光的改变指示入射在光纤的相关部分上的声学或压力波。这样，可以检测光纤的任何部分处的声学扰动。英国专利申请公布第2，442，745号描述了一种分布式声学光纤传感器系统，其中通过将多组脉冲调制电磁波发射到标准光纤中来感测声学振动。组内的一个脉冲的频率不同于组中的另一脉冲的频率。在组中的脉冲之间的频率差下对来自光纤内的本征反射地点的光的Rayleigh后向散射进行采样和解调。因此分布式光纤感测或分布式声学感测(DAS)提供了有用的和便利的感测解决方案，其可以以良好的空间分辨率监控长光纤长度。例如，例如如可以用于监控管线的分布式光纤声学传感器可以用高达40km或更长的光纤中的IOm长的感测部分来实现。每个感测部分可以检测任何入射声学扰动并且这样的传感器已被提出用在入侵检测系统、状态监控系统、地震勘测和操作监控即监控一些装置的操作中。然而，诸如 GB2, 442，745中描述的分布式声学传感器基本上指示在感测光纤的特定部分处是否存在声学扰动。这提供了在沿光纤的何处出现了声学事件的指示但是它并未给出关于相对于光纤的声学扰动的起源点的信息，即不存在关于声学扰动的起源相对光纤的横向偏移——距光纤多远和/或在哪个方向上的信息。
发明内容
因此本发明的目的在于提供分布式声学光纤传感器，其提供关于声波源相对感测光纤的横向偏移的信息。因此根据本发明的第一方面，提供了一种分布式声学传感器，其包括第一光纤； 电磁辐射源，被配置为将电磁辐射发射到所述第一光纤中；检测器，用于检测从所述第一光纤后向散射的电磁辐射；以及处理器，被配置为处理后向散射辐射以确定针对第一光纤的多个离散纵向感测部分的测量信号；分析来自所述纵向感测部分的测量信号以识别与到达第一多个纵向感测部分的相同声波对应的信号并且根据所述声波到达所述第一多个纵向感测部分的时间来确定所述声波的起源相对光纤的方向和/或距离。因此本发明的方法提供了一种诸如GB2，442，745中描述的分布式声学传感器。该分布式声学传感器将光辐射发射到光纤中并且检测从所述光纤后向散射的辐射并且处理后向散射辐射以提供多个纵向感测部分。本发明的传感器随后分析来自感测部分的信号以识别与在不同感测部分处入射的相同声波对应的任何信号。如果声波确实影响光纤的不止一个纵向感测部分，则可以使用声波到达光纤的不同感测部分的时间来确定声波源相对光纤的方向和/或距离，即横向偏移。如这里使用的术语声波应被视为包括任何压力或地震波并且应包括任何传播的机械或振动扰动。因此本发明使用到达时间技术来确定到声波的起源的方向和/或距离。如果在特定位置处发生声学事件，即生成声波的事件，则声波将在易受常压或声波力学影响的所有方向上向外传播。该波可以入射在光纤的各种纵向感测部分上并且引起可以被检测到的光纤的扰动。由于感测光纤的不同部分将位于与声学事件位置不同的位置，因此声波到达感测光纤的不同部分所耗用的时间将变化。声波到达时间的差异可以用于确定声学事件的位置(即声波的起源)相对光纤的距离。实质上，假设声波的传播速度在起源和光纤的每个感测部分之间不变化，则到达时间的差异可以用于在时间方面确定声波的起源距光纤有多远。使用声波的传播速度的值，将时间转换为距离。在确定到起源的整体范围(range)之前，不同的到达时间可以转变为到起源的范围的差异，或者该计算可以在时间方面执行并且随后转化为距离。声波的传播速度可以是标准估计值或者它可以通过测试或校准而已先前确定。为了确定横向偏移，处理器优选地使用声波到达三个或更多不同纵向感测部分的时间，所述纵向感测部分可以例如是三个相邻的纵向感测部分。处理器可以被布置为假设声波的起源处于特定平面中。例如，如果分布式声学传感器具有用于周界监控的埋入光纤，则比如说可以假设所关注的所有声源位于地表面上。 如果光纤未埋入地中很深，则因此可以假设声源位于与光纤水平的平面中而无显著的误差。如果分析中使用的信号来自共线的光纤的纵向感测部分，则声波的实际位置将是不明确的，即声波的起源的距离可能是已知的但是方向可能不是已知的。即使在其中假设源位于一个平面中的情况下，关于声波源位于光纤的哪一侧仍可能是不明确的。
因此，处理器优选地使用声波到达非共线的多个纵向感测部分的时间。通过使用非共线的(即不能由所有均位于直线上的点传感器近似的)光纤的三个或更多感测部分，可以去除声波源的位置不明确性。因此，在一个实施例中光纤具有几何形状，使得光纤的至少一些纵向感测部分相对光纤的它们相邻的纵向感测部分被偏移。例如，光纤的约每十个纵向感测部分可以包括至少一个偏移的(即与其他纵向感测部分非共线的)纵向感测部分。在一个实施例中，光纤可以具有蜿蜒的路径，使得每个纵向感测部分相对其相邻的纵向感测部分中的至少一个被偏移。应当注意，其中纵向部分在横向方向上彼此偏移的几何形状的使用允许确定声波源的起源的方向，即使没有确定到起源的实际距离。例如设想光纤蜿蜒，使得光纤的任何两个纵向感测部分由一个纵向感测部分(其在横向方向上相对其他两个纵向感测部分偏移) 分隔。事实上在该情形中，光纤可以由沿第一路径具有的第一传感器行和沿第二路径的第二散置传感器行近似，其中第二路径在横向方向上相对第一路径偏移。如果声波从任一侧入射，则在相关侧的路径上的传感器将首先检测到它。因此可以使用非常简单的检测算法来确定声源位于哪一侧。如果该源位于第一和第二路径之间，则到达第一和第二路径的传感器之间的时间延迟将是低的并且因此该情形将是可检测的。因此本发明可以提供用于检测声波源位于传感器的哪一侧的相对简单的布置。传感器可以至少包括与第一光纤并排行进但是在第一方向上隔开的第二光纤。第二光纤可以以与第一光纤相同的方式轮询。处理器可以适于在第一和第二光纤的纵向感测部分中检测与相同声波对应的测量信号并且基于到达第一和第二光纤的时间来确定声波源的方向。处理器可以进一步适于在确定横向偏移时使用来自第一和第二光纤两者的纵向感测部分的信号。在一个实施例中，可以存在与第一和第二光纤并排行进但是在基本上垂直于第一方向的第二方向上与它们隔开的第三光纤。处理器可以使用来自所有三个感测光纤的信号来在三维中确定声波的位置。尽管分隔的光纤是实现彼此并排行进的多个纵向感测部分的便利方式，但是通过使单个光纤环回到其自身(可能许多次)，可以实现相同的效果。多个光纤的使用表示了本发明的另一方面。因此，根据本发明的另一方面，提供了一种分布式声学传感器，其包括第一长度的光纤和第二长度的光纤，该第二长度的光纤与第一长度的光纤并排行进但是在第一方向上与其分隔；电磁辐射源，被配置为将电磁辐射发射到所述第一长度的光纤和所述第二长度的光纤中；检测器装置，用于检测从所述第一长度的光纤和所述第二长度的光纤后向散射的电磁辐射；以及处理器，被配置为处理对应于检测到的后向散射辐射的数据以确定针对第一长度的光纤和第二长度的光纤中的每个的多个离散纵向感测部分中的每个的测量信号；分析来自所述纵向感测部分的测量信号以识别与到达第一长度的光纤的一个或多个纵向感测部分和第二长度的光纤的一个或多个纵向感测部分的相同声波对应的信号并且根据所述声波到达所述纵向感测部分的时间来确定所述声波的起源相对光纤的方向和/或距离。第一和第二长度的光纤可以包括分隔的光纤或者它们可以包括相同光纤的不同部分。处理器可以简单地基于哪个长度的光纤首先检测到声波来在第一方向上确定声波的方向，即声波的起源位于两个长度的光纤的哪一侧。此外或者可替选地，处理器可以被布置为使用声波到达第一和/或第二长度的光纤的多个纵向感测部分的时间来确定到起源的距离。在一个实施例中在那里传感器可以包括第三长度的光纤，其与第一和第二长度的光纤并排行进并且在第二方向上与它们偏移，其中第二方向垂直于第一方向。处理器可以使用来自所有三个长度的光纤的返回来在三维中确定声波的起源的位置。到声学扰动源的距离也可以通过考虑检测到的声信号的频率特性来确定。这可以补充(in addition to)或者替换声学扰动到达光纤的不同感测部分的时间的分析。声信号在传播通过材料时衰减并且该衰减典型地是频率相关的。对于例如通过地传播到埋入光纤的声信号，信号的高频分量通常比低频分量衰减得更强。因此可以使用接收信号的频率特性来确定到声源的范围。因此，在本发明的另一方面中，提供了一种分布式声学传感器，其包括光纤；电磁辐射源，被配置为将电磁辐射发射到所述第一光纤中；检测器，用于检测从所述第一光纤后向散射的电磁辐射；以及处理器，被配置为处理对应于检测到的后向散射辐射的数据以确定针对所述光纤的多个离散纵向感测部分的测量信号， 其中所述处理器适于对测量信号执行频率分析以确定声源的位置。范围的指示可以是相对的，即其可以简单地指示一个声学扰动的源是否比另一声学扰动的源更近或更远。例如，如果一个接收信号具有显著的高频分量而另一接收信号没有显著的高频分量，则可以假设具有高频分量的接收信号比没有高信号分量的接收信号更近。显然，生成声波的声学事件的本质是重要的，因为生成主要低频声信号的声学事件可能无论如何不具有显著的高频分量。初始声波的相对幅值也将有影响，与在传感器附近出现的相对较小的扰动相比，来自较远的较大的扰动可能导致较大的高频分量。然而，处理来自连续扰动的检测信号，即将在一个时间处的接收信号与在稍后时间处从相同扰动接收的信号比较，可以允许检测扰动的起源是否正在移动，并且如果是，则检测其正在变近还是变远。检测到的声学扰动的稳定增加的高频分量可以指示扰动源正在移动更接近光纤的该部分。此外，许多声源产生具有高频和低频分量的相对宽带的初始声波并且可以分析低频和高频分量的相对比。因此具有大幅值低频分量和低幅值高频分量的声信号可以表示相对远的信号，因为高频分量与低频分量相比已显著衰减。然而，具有相对相等幅值的低频和高频分量的信号可以表示相对近的信号，因为高频和低频分量两者均出现而没有显著的衰减。此外，可以使用来自光纤的其他部分的测量信号的频率响应来提供一定程度的校准。例如设想在第一时间在光纤的第一感测部分处并且稍后在第二时间在光纤的第二不同感测处检测到声学扰动。如上文讨论的，可以进行到达时间分析以确定一般范围或范围差异。然而，此外或可替选地，可以分析在两个不同感测部分处检测到的信号的频率特性以确定信号的高频和低频部分的相对衰减。这可以用于确定相对衰减量并且因此给出到声源的范围的指示。
在一些实施例中可以将声学标记(signature)分析应用于检测的信号以便检测特定的声学事件。某些类型的活动产生具有随时间的特定演化的特定类型的声信号。可以使用信号分析来检测特定类型的事件，在该情况中原始声波的预期频谱特性可以是已知的， 即低频和高频分量的相对比。在这样的情况中，可以使用各种频带中的检测信号的分量的相对比来给出范围的指示，其可以是实际范围的估计而非简单地相对测量。然而，在相对简单的实现方案中，特别是在大多数关注的声学事件具有相同一般类型，即具有相似的幅值和频谱的情况中，可以直接使用分量的频率分析来给出范围的估计。例如，特别地，测量信号中的显著的相对高频带分量的存在可以指示声源在特定距离内，比如说例如5m，而没有这些分量将意味着源较远。还可能检测测量信号中的直流(DC)分量。这样的DC分量典型地由于相对近的扰动的作用并且因此DC的测量还可以用于确定如上文讨论的范围的指示。在另一实施例中，提供了一种分布式声学传感器，其包括分布式声学传感器，其包括光纤；电磁辐射源，被配置为将电磁辐射发射到所述光纤中；检测器装置，用于检测从所述光纤后向散射的电磁辐射；以及处理器，被配置为处理对应于检测到的后向散射辐射的数据以确定针对所述光纤的多个离散纵向感测部分的测量信号，其中所述处理器适于对测量信号执行波束形成以确定声源的位置。如技术人员将认识到的，波束形成是一种将信号返回与适当的相移和权重组合以提供定向性的技术。这样，传感器的相关感测部分可以用作定向声学传感器。通过改变施加到信号返回的相移和权重而可以改变定向性，使得可以在各种方向上有效地扫描传感器。 因此通过确定给出大响应的方向而可以发现到声源的方向。通过使用感测元件和三角测量的不同集合还确定到源的方向，可以确定距离。本发明还涉及一种确定由分布式声学传感器检测到的声波的横向偏移的方法。因此在本发明的另一方面中，提供了一种在分布式声学感测中确定声学事件的横向偏移的方法，其包括步骤取得与已从光纤后向散射的检测到的电磁辐射对应的数据；处理所述数据以提供针对光纤的多个纵向感测部分中的每个的测量信号；分析来自所述纵向感测部分的测量信号以识别与到达第一多个纵向感测部分的相同声波对应的信号；以及根据所述声波到达所述第一多个纵向感测部分的时间来确定所述声波的起源相对光纤的方向和/或距离。在本发明的又一方面中，提供了一种在分布式声学感测中确定声学事件的横向偏移的方法，其包括步骤取得与已从第一长度的光纤后向散射的检测到的电磁辐射和已从第二长度的光纤后向散射的检测到的电磁辐射对应的数据；处理所述数据以提供针对第一长度的光纤和第二长度的光纤中的每个的多个纵向感测部分中的每个的测量信号；分析来自所述纵向感测部分的测量信号以识别与到达第一长度的光纤的一个或多个纵向感测部分和第二长度的光纤的一个或多个纵向感测部分的相同声波对应的信号并且根据所述声波到达所述纵向感测部分的时间来确定所述声波的起源相对光纤的方向和/或距离。本发明的这些方面的方法提供了所有优点并且可以在如上文针对本发明的其他方面所描述的所有相同的实施例中使用。本发明延伸到基本上如这里参照附图所描述的方法、装置和/或使用。本发明的一个方面中的任何特征可以以任何适当的组合应用于本发明的其他方面。特别地，方法方面可以应用于装置方面，反之亦然。此外，以硬件实现的特征通常可以以软件实现，反之亦然。应当据此解释这里对软件和硬件特征的任何引用。
现在将参照附图纯粹通过示例的方式描述本发明的优选特征，其中 图1图示了分布式光纤传感器的基本部件；
图2图示了感测光纤并且图示了光纤的纵向感测部分； 图3图示了到达时间分析的原理； 图4示出了被布置为解决横向不明确性的光纤几何形状； 图如和恥示出了多个并行感测部分的布置的截面图和俯视图； 图6示出了用作波束形成阵列的光纤的感测部分；以及图7图示了通过地传播的声信号的频率衰减。
具体实施例方式图1示出了分布式光纤感测布置的示意图。一定长度的感测光纤104在一端连接到轮询器106。来自轮询器106的输出被传递到可以与轮询器共同安置或者可以远离轮询器的信号处理器108，并且可选地传递到用户接口 /图形显示器110，其实际上可以由适当指定的PC实现。用户接口可以与信号处理器共同安置或者可以远离信号处理器。感测光纤104的长度可以是许多千米，并且在该示例中长约40km。感测光纤是诸如电信应用中惯用的标准的、未做修改的单模光纤。在光纤分布式传感器的传统应用中，感测光纤至少部分地包含在希望监控的介质内。例如，光纤104可以埋入在地中以提供周界的监控或者诸如管线等的埋入资产(asset)的监控。将针对分布式声学传感器描述本发明，尽管技术人员将认识到本教导通常可以可应用于任何类型的分布式光纤传感器。在操作中轮询器106将轮询电磁辐射发射到感测光纤中，该轮询电磁辐射可以例如包括一系列具有选定频率式样(pattern)的光学脉冲。光学脉冲可以具有如GB专利公布2，442，745中描述的频率式样，其内容通过对其引用而合并于此。如GB2，442，745中描述的，Rayleigh后向散射现象导致了输入到光纤中的光的一些部分反射回到轮询器，其中它被检测以提供表示光纤附近的声学扰动的输出信号。轮询器因此便利地包括至少一个激光器112和至少一个光学调制器114以用于产生通过已知光学频率差异分隔的多个光学脉冲。轮询器还包括至少一个光检测器116，其被布置为检测从光纤104内的本征散射地点后向散射的辐射。来自光检测器的信号由信号处理器108处理。诸如GB2，442，745中描述的，信号处理器便利地基于光学脉冲之间的频率差异而对返回的信号解调。如GB2，442，745中描述的，信号处理器还可以应用相位展开算法。光学输入的形式和检测的方法允许将单个连续光纤在空间上分解为离散的纵向感测部分。就是说，在一个感测部分处感测的声信号可以基本上与相邻部分处的感测信号无关地提供。
然而，如GB2，442，745中描述的传感器仅给出了关于在每个感测位置处影响光纤的声信号的信息。该传感器并未给出关于声学扰动源相对于光纤的横向位置的信息。图2图示了用作分布式声学传感器中的感测光纤的一定长度的光纤104。该光纤可以埋入在地中并且可以例如沿管线的长度布置并且被布置为监控对管线的干扰。创建声波的事件在位置201处发生。声波传播到光纤104并且引起检测到的后向散射辐射的改变。 传感器处理来自光纤的多个感测部分中的每个的信号返回以给出指示声强度的信号。绘图203示出了在短时间段上的光纤的部分202中的每个感测通道的平均声强度的示例直方图。可以看到，声学扰动引起了与声学事件源最近的通道中的声强度的明显尖峰。这可以用于检测声学发生并且指示事件发生在沿光纤的何处。然而这并未给出关于事件源相对光纤的横向偏移的信息。在位置204处发生的声学事件可以引起完全相同的声强度式样。比如说对于管线监控系统，横向偏移可能是重要的。管线的特定距离内的挖掘可能是令人担忧的并且将生成警报。然而相对远离管线的挖掘将不是令人担忧的。在许多其他应用中， 确定横向偏移也将是有利的。因此在本发明的一个实施例中，处理器被布置为基于声信号到达光纤的不同感测部分的时间来确定横向偏移程度。参照图3，一部分感测光纤被图示为具有所示出的三个离散感测部分301、302和303。声学事件在位置A处发生，其生成声波，该声波传播到感测光纤并且由光纤的感测部分检测。将清楚的是，假设声波的传播速度在所有方向上相同，则该波将首先入射在感测部分302上，因为这与源最近。它接着将入射在感测部分203上，紧接着入射在感测部分201上。将显然的是，由于感测部分具有有限长度，因此不同部分的感测部分将在不同的时间被激励。然而，由于每个部分是相同的长度，因此来自每个感测部分的返回可以被近似为感测部分中心处的单个返回。因此处理器被布置为处理来自相邻传感器的返回以检测来自若干个相邻感测部分的信号返回，其看起来是由于相同声学刺激，例如一个感测部分中的显著改变在短时间内接着每个相邻的感测部分中的显著改变。处理器因此可以识别由于相同刺激引起的声学响应并且因此可以确定到达三个或更多相关感测部分的时间。图3图示了到每个感测部分的中心的飞行时间。声波从起源A传播到感测部分 302所耗用的时间是T。到感测部分303的时间略为较长，即Τ+Δ、。到感测部分301的传播时间是T+At2。因此将清楚的是，基于到达时间，到达感测部分303的时间应当是在到达感测部分302的时间后At10类似地，到达感测部分301的时间比到达感测部分302的时间晚At20处理器可以基于声波在相关介质中的传播速度(S卩如果光纤埋入在地中，则使用地中的声波速度)将不同的到达时间转变为距离。可以使用平均估计。如上文提到的，这确实依赖于声波的传播速度在光纤周围的材料中大致相同的假设。在数十米的长度尺度上并且为了提供声源位置的一般估计，这是合理的假设。在一些情况中，代替使用平均值，可以使用通过测试或校准而导出的值。例如，一旦被部署，则传感器可以通过使用已知位置处的测试声源来校准。这可以允许识别和考虑到光纤的不同部分处的声传播速度的任何显著变化。在任何情况下，不同的到达时间可以被转变为距离差，即确定声波的起源相对感测部分303的中心比相对感测部分302的中心远多少。
处理器随后可以被布置为确定声源的起源的横向偏移。事实上将认识到，给定到达任何两个点的时间，可以绘出源的一个或多个位置的曲线(在2D中)或表面(在3D中)。举个过分简单的示例，如果到达两个感测部分的时间完全相同，则起源位于对分连结两个部分的中心的线的平面(或者在二维中为线)上。到达两个不同感测部分的时间因此不足以确定实际偏移——然而利用到达至少三个感测部分的时间而可以确定横向偏移的程度—— 例如，可以使用到达感测部分301和302的不同时间来时间绘出可能位置的第一曲线/表面，并且使用到达部分302和303的不同时间来绘出另一曲线/表面。两个曲线/表面相交的点确定了横向偏移，尽管可以使用其他和更高效的多点定位(multilateration)技术。 如果可用于潜在地提高精度，则可以使用不止三个不同到达时间。然而，在图3中示出的示例中，尽管可以因此确定横向偏移值，即起源距光纤有多远，但是图3中示出的布置将不会分辨声学扰动源位于相对光纤的哪个方向上。在纯二维中，源可能位于光纤的任一侧。在一些应用中这可能不是问题。在管线应用中，管线运营商可能不关心声源位于管线的哪一侧，而仅关心声源有多远。在这样的应用中可以假设任何类型的潜在干扰很可能是基于表面的或者至少与管线齐平，因此问题可以被约束到两个水平维度以减少复杂度。在一些情况中，物理环境可能使得声源可以无论如何仅得自一侧。然而在许多应用中，希望至少在二维中确定声波源的实际方向。因此在可替选的实施例中，光纤具有通常不是直线的几何形状并且被布置为使得光纤的至少一些感测部分在相对光纤横向的方向上彼此隔开。图4示出了其中光纤具有蜿蜒的路径使得相邻的感测部分在相对光纤横向的方向上彼此偏移的一个示例。可以以如上文所述的相同方式将到达时间分析应用于光纤的相邻的感测部分401、402和403——记住感测部分的中心不再是共线的。可以以实际相同的方式确定横向偏移，但是感测部分的偏移意味着至少在二维中不存在结果的横向不明确性。再次，根据应用，可以假设所有声源位于包含光纤的平面中。在可替选的实施例中，传感器可以包括光纤的多个感测部分。图如和恥分别示出了针对分布式声学传感器的多个埋入光纤的截面图和俯视图，其中图5a示出了沿图恥的线I-I的截面。第一光纤501被布置为与第二光纤502并排行进但是在水平上与其分隔。两个光纤可以便利地基本上平行并且可以被布置为使得每个光纤的感测部分具有相同的空间长度并且基本上对准。这样的布置可以使处理更容易。然而，两个光纤可以具有不同的路径变化并且可以具有不同尺寸的感测部分，即每个可以具有不同的空间分辨率，以提供另外的功能。声学事件A将生成声波，该声波将入射在光纤501和502上并且将被检测。如图 fe中所示的，如果声学事件的起源位于两个光纤的一侧，则这将通过到达相关光纤的时间而容易地确定。在示出的示例中，光纤502的感测部分将在光纤501的感测部分之前检测
到声信号。显然处理器将需要检测由光纤502检测到的信号是由光纤501检测到的相同信号。当然，这可能因光纤501可能正从光纤对的另一侧接收不同的声学刺激的事实而复杂化。处理器因此可以分析来自两个光纤的感测部分的声学标记以识别对应于相同事件的声学响应。因此可以使用到达两个不同光纤的时间来解决(水平上的)任何横向不明确性并且可以使用如上文所述的到达时间分析来确定横向偏移量。两个光纤的间距可以部分地由其中部署光纤的环境支配。然而，如果光纤501和 502过近地在一起，则可能由于噪声和/或测量误差而不能清楚地识别到达每个光纤的时间。然而，如果光纤间隔过远，则可能难以使不同光纤之间的声信号相关。对于一些应用， 约0. 5m或更大(比如说高达数米)的分隔可以是期望的。因此两个水平分隔的光纤的使用允许检测声波源的横向偏移以及垂直于光纤的相对水平方向。如上文提到的，这对于许多应用而言可能是足够的。然而，在一些应用中， 可能希望在三维中确定声波的起源的位置。例如，当用于地震勘测或井下应用时，光纤可能被安置为竖直行进并且可能需要在三维中确定声学事件的位置，即沿光纤多远以及还有起源在两个水平方向上的位置。这可以通过添加与其他两个光纤非共线的另外的光纤来实现。图5图示了第三光纤503可以安置为在与光纤501和502的间距的方向垂直的方向上与光纤501和502隔开。 这将允许在三维中确定声学事件A的位置。可替选的实施例使用波束形成技术以组合来自多个不同感测部分的测量信号。如技术人员将认识到的，波束形成组合了具有不同相位和权重的信号返回以提供传感器的定向性，如图6中所示。这样，来自感测部分601-604的返回向传感器提供特定期望的定向性。 通过比较当在不同方向上组合时的来自感测的信号返回，可以确定声源的位置。又一实施例使用来自光纤的至少一个感测部分的测量返回的频率分析来确定范围的指示，该至少一个感测部分优选地是对于特定声学扰动具有最大幅值测量信号的感测部分。在其中感测光纤嵌入在介质中的本发明的实施例中，声波从源通过介质到光纤的传播将使信号衰减并且衰减程度将典型地是频率相关的。因此传播通过地的声信号在高频下将比在低频下衰减得更强。因此测量信号可以被分为两个或更多不同的频谱带并且比较每个带的相对能量以便给出到源的范围的指示。图7图示了如何可以使用仅两个频带的分析来给出范围的指示。图7图示了通过地传播的在三个不同距离处(例如a)在源处，b)在第一距离d处以及c)在2d的第二距离处)的两个频带中的声信号的相对能量。在源处(a)，两个频带的能量几乎相同，尽管在该情况中在低频带中存在更多的能量。在一些情况中，原始声波的频谱特性的准确本质可能是已知的，例如当尝试检测特定类型的事件时或者如果标记分析确定了事件的类型。然而在其他情况中，原始频谱散布可能不是准确已知的，但是可能合理的是假设在声频中存在至少能量散布。在传播(b)距离d之后，存在两个频带中的声信号的衰减，但是在高频带中存在程度更大得多的衰减。在进一步传播(C)使得信号行进了距离2d之后，高频带中的信号可能被完全衰减。然而仍存在可以被检测到的一些低频信号。因此可以使用频率特性的分析来给出范围的指示。该指示可以是相对的，即在比较随时间生成的来自扰动的信号时，如果信号初始具有类似曲线(C)的频率散布并且随后演化为类似曲线(b)，则这可以被视为源正在变近的指示。然而，该指示也可以是定量的。例如，如果检测到的信号具有与曲线(b)匹配的频率轮廓，则在相关的高频带中仍存在一些能量的事实可以指示关于声源相对感测光纤的距离的上限。对于典型的声源，即不是诸如地震的大幅值事件，可能存在距离限制，超过该距离限制将预期没有高频分量。因此检测到高频分量将意味着声源比该范围限制近。范围限制的实际值将取决于光纤嵌入在其内的材料并且还取决于关注的频率，但是技术人员将容易地能够确定特定介质中针对特定频率的一系列阈值限制。还可以检测测量信号中的DC分量。这样的DC分量典型地由于相对近的扰动的作用并且因此还可以如上文讨论的那样使用DC的测量来确定范围的指示。应当注意上文提到的实施例说明了本发明而并非限制本发明，并且本领域的技术人员将能够在不偏离所附权利要求的范围的情况下设计许多可替选的实施例。词“包括” 并未排除权利要求中列出的那些元素或步骤以外的元素或步骤的存在，“一个”并未排除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干个单元的功能。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制它们的范围。还将注意，说明书以及(在适当的情况中)权利要求和附图中公开的每个特征可以单独地或者以任何适当的组合提供。
权利要求
1.一种分布式声学传感器，包括第一光纤；电磁辐射源，被配置为将电磁辐射发射到所述第一光纤中；检测器，用于检测从所述第一光纤后向散射的电磁辐射；以及处理器，被配置为处理后向散射辐射以确定针对第一光纤的多个离散纵向感测部分的测量信号；分析来自所述纵向感测部分的测量信号以识别与到达第一多个纵向感测部分的相同声波对应的信号，以及根据所述声波到达所述第一多个纵向感测部分的时间来确定所述声波的起源相对光纤的方向和/或距离。
2.根据权利要求1所述的分布式声学传感器，其中处理器被配置为确定声波到达第一多个的每个纵向感测部分的时间的差异。
3.根据权利要求2所述的分布式声学传感器，其中处理器使用到达时间的差异和表示声波传播速度的值来确定横向偏移。
4.根据权利要求3所述的分布式声学传感器，其中表示声波传播速度的值是通过测试或校准而先前确定的并且由处理器存储的值。
5.根据任一项前述权利要求所述的分布式声学传感器，其中所述第一多个包括三个或更多纵向感测部分。
6.根据任一项前述权利要求所述的分布式声学传感器，其中第一多个纵向感测部分是连续的。
7.根据任一项前述权利要求所述的分布式声学传感器，其中处理器被配置为假设声波的起源处于特定平面中。
8.根据任一项前述权利要求所述的分布式声学传感器，其中第一多个纵向感测部分不是全都共线的。
9.根据任一项前述权利要求所述的分布式声学传感器，其中光纤具有几何形状，使得光纤的至少一些纵向感测部分相对光纤的它们相邻的纵向感测部分被偏移。
10.根据任一项前述权利要求所述的分布式声学传感器，其中光纤能够具有蜿蜒的路径，使得每个纵向感测部分相对其相邻的纵向感测部分中的至少一个被偏移。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的分布式声学传感器，其中处理器适于在不确定到起源的实际距离的情况下确定声波源的起源的方向。
12.根据任一项前述权利要求所述的分布式声学传感器，至少包括与第一光纤并排行进但是在第一方向上隔开的第二光纤，以及其中光源使用光学辐射来轮询第二光纤并且检测器检测从第二光纤后向散射的辐射。
13.根据权利要求12所述的分布式声学传感器，其中处理器适于在第一和第二光纤的纵向感测部分中检测与相同声波对应的测量信号并且基于到达第一和第二光纤的时间来确定声波源的方向。
14.根据权利要求13所述的分布式声学传感器，其中处理器适于在确定横向偏移时使用来自第一和第二光纤两者的纵向感测部分的信号。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的分布式声学传感器，包括与第一和第二光纤并排行进但是在基本上垂直于第一方向的第二方向上与它们隔开的第三光纤，其中光源使用光学辐射来轮询第三光纤并且检测器检测从第三光纤后向散射的辐射。
16.根据权利要求15所述的分布式声学传感器，其中处理器使用来自所有三个感测光纤的信号来在三维中确定声波的位置。
17.—种分布式声学传感器，包括第一长度的光纤和第二长度的光纤，所述第二长度的光纤与第一长度的光纤并排行进但是在第一方向上与其分隔；电磁辐射源，被配置为将电磁辐射发射到所述第一长度的光纤和所述第二长度的光纤中；检测器装置，用于检测从所述第一长度的光纤和所述长度的光纤后向散射的电磁辐射；以及处理器，被配置为处理对应于检测到的后向散射辐射的数据以确定针对第一长度的光纤和第二长度的光纤中的每个的多个离散纵向感测部分中的每个的测量信号；分析来自所述纵向感测部分的测量信号以识别与到达第一长度的光纤的一个或多个纵向感测部分和第二长度的光纤的一个或多个纵向感测部分的相同声波对应的信号；以及根据所述声波到达所述纵向感测部分的时间来确定所述声波的起源相对光纤的方向和/或距离。
18.根据权利要求17所述的分布式声学传感器，其中第一和第二长度的光纤包括分隔的光纤。
19.根据权利要求17所述的分布式声学传感器，其中第一和第二长度的光纤包括相同光纤的不同部分。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的分布式声学传感器，其中处理器基于哪个长度的光纤首先检测到声波来在第一方向上确定声波的方向。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的分布式声学传感器，其中处理器被配置为使用声波到达第一和/或第二长度的光纤的多个纵向感测部分的时间来确定到声波的起源的距离。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的分布式声学传感器，包括第三长度的光纤，与第一和第二长度的光纤并排行进并且在第二方向上与它们偏移，其中所述第二方向垂直于第一方向。
23.根据权利要求22所述的分布式声学传感器，其中处理器被配置为使用来自所有三个长度的光纤的返回来在三维中确定声波的起源的位置。
24.一种分布式声学传感器，包括分布式声学传感器，包括光纤；电磁辐射源，被配置为将电磁辐射发射到所述光纤中；检测器装置，用于检测从所述光纤后向散射的电磁辐射； 以及处理器，被配置为处理对应于检测到的后向散射辐射的数据以确定针对所述光纤的多个离散纵向感测部分的测量信号，其中所述处理器适于对测量信号执行波束形成以确定声源的位置。
25.一种在分布式声学感测中确定声波的起源的方法，包括步骤取得与已从光纤后向散射的检测到的电磁辐射对应的数据；处理所述数据以提供针对光纤的多个纵向感测部分中的每个的测量信号；分析来自所述纵向感测部分的测量信号以识别与到达第一多个纵向感测部分的相同声波对应的信号；以及根据所述声波到达所述第一多个纵向感测部分的时间来确定所述声波的起源相对光纤的方向和/或距离。
26.一种在分布式声学感测中确定声波的起源的方法，包括步骤取得与已从第一长度的光纤后向散射的检测到的电磁辐射和已从第二长度的光纤后向散射的检测到的电磁辐射对应的数据；处理所述数据以提供针对第一长度的光纤和第二长度的光纤中的每个的多个纵向感测部分中的每个的测量信号；分析来自所述纵向感测部分的测量信号以识别与到达第一长度的光纤的一个或多个纵向感测部分和第二长度的光纤的一个或多个纵向感测部分的相同声波对应的信号并且根据所述声波到达所述纵向感测部分的时间来确定所述声波的起源相对光纤的方向和/或距离。
27.—种分布式声学传感器，包括光纤；电磁辐射源，被配置为将电磁辐射发射到所述第一光纤中；检测器，用于检测从所述第一光纤后向散射的电磁辐射；以及处理器，被配置为处理对应于检测到的后向散射辐射的数据以确定针对所述光纤的多个离散纵向感测部分的测量信号，其中所述处理器适于对测量信号执行频率分析以确定声源的位置。
全文摘要
了用于在分布式声学光纤传感器中确定声学扰动源的横向偏移的技术。该传感器包括用于轮询光纤(104)的光源(112)以及检测器(116)和处理器(108)，其被布置为检测任何后向散射辐射并且确定针对光纤的多个离散纵向感测部分的测量信号。处理器还被布置为分析该测量信号以识别与到达光纤的不同部分的相同声波对应的信号并且根据所述声波的到达时间来确定所述声波的起源相对光纤的方向和/或距离。光纤的几何形状可以被布置为确保可以解决任何位置不明确性，并且公开了多个光纤(501、502)的使用。
文档编号G08B13/00GK102483347SQ201080005242
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月11日 优先权日2009年11月13日
发明者J. 希尔 D., 麦尤恩-金 M. 申请人:秦内蒂克有限公司