专利名称：光时域反射计系统中对动态信号范围的控制的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及光时域反射计系统中对动态信号范围的控制。
背景技术：
经常希望获得关注区域的温度相对深度的曲线。对于涉及井的应用， 温度相对深度曲线可用于如监控井中的水力压裂(作为例子)等目的。光 纤是一种传感器，可用于获得温度相对于深度的分布。更具体地，光纤可
以是光时域反射计(OTDR)系统的一部分，该系统通常包括反射计，其 将光学脉冲发射到光纤中，且跟踪反向散射辐射，作为自脉冲发射起经过 时间的函数。
检测到的反向散射辐射的强度表达了关于脉冲行进通过的介质的衰 减以及其他特性如局部散射系数的信息。该信息又可用于产生关注区域的 温度相对深度(或长度)的分布。OTDR技术也可用于确定其他量的深度 分布，所述其他量例如包括应变、扰动、磁场。根据对光在介质中的群速 度的认识，可以将经过时间转换为距离；因此，经过时间和沿光纤的距离 可互换引用。
对于相对长的范围，OTDR可能面临由于反射计接收的信号的动态范 围相对较宽而导致的挑战。 一些反射计的特有动态范围可达到单向(one way) 40分贝(dB)或更多(取决于光纤类型、分辨率和许多其他参数)， 这转化为反向散射信号光功率八个数量级的变化，或者以电学dB来说是 160dB。光纤的长度较长通常导致在向关注点传播或从关注点传播时强烈 衰减，且在分布式传感器的情况下，由于测量自身造成的信号强度的可能 变化增加了动态信号范围。
在传统OTDR系统中，光电装置，如雪崩光电二极管(作为例子)， 将接收到的光能量转换为电流。前置放大器将来自光电二极管的电流转换 为电压，随后该电压由系统的其他部分进一步处理(例如，进一步的放大、滤波和模数转换)。在动态信号范围的低端，前置放大器的噪声设置了可 在噪声本底上检测以进行给定程度后处理(例如信号平均)的最小信号电 平。在动态范围的高端，最强可允许信号是这样的信号产生足够的电流， 使得前置放大器输出摆向但不超过前置放大器最大输出电压。
尽管放大器的下游信号均衡可帮助改进模数转换处理的线性，但是这 种均衡不能解决上面提出的基本问题。另外，对于光源为窄带装置的情况， 例如在相干光时域反射计的情况，动态信号范围显著增加，例如增加一百 倍。
因此，对于控制OTDR系统中动态信号范围的更好方式存在持续的需求。
发明内容
在本发明的实施例中， 一种技术，包括向光纤提供光源信号以产生反 向散射信号。提供接收器以检测反向散射信号。在存在反向散射信号的获 取时段期间，相对时间改变接收器的灵敏度以调节接收器的放大器的输入 信号范围。
在本发明的另一实施例中，系统包括光源、接收器和电路。光源向光 纤提供光源信号以产生反向散射信号。接收器耦合到光纤以检测反向散射 信号，且包含前置放大器。电路适于在存在反向散射信号的获取时段期间， 相对时间改变接收器的灵敏度从而调节接收器的放大器的输入信号范围。
根据下面的附图、说明和权利要求，本发明的优点和其他特征将是显 而易见的。
图1是现有技术光时域反射计系统的示意图。
附图2是描述根据本发明的实施例控制光时域反射计接收器的前置放 大器的动态信号范围的技术的流程图。
附图3、 4和5是根据本发明实施例的光时域反射计系统的示意图。
具体实施方式
反射计(OTDR)系统10包括脉冲光源20和 定向耦合元件25，该定向耦合元件25将光源20耦合到光纤30。光纤30 穿过关注区域(例如，井的区域)，从而可获取或测得该区域的特性(例 如温度相对于深度的分布)。作为例子，根据本发明的具体实施例，定向 耦合元件25可以是分束器、定向耦合器、环行器或其他适合的装置。光 源20产生光脉冲，该光脉冲通过定向耦合元件25到达光纤30，且光脉冲 以光反向散射信号的形式产生反向散射辐射，反向散射辐射由定向耦合元 件25引导到系统10的OTDR接收器40。光反向散射信号的有效动态范围通常由接收器40，尤其是接收器40 的第一前置放大器限制，其中第一前置放大器从光电探测器接收电流。在 这点上，接收器的噪声本底以及接收器40在保持处于其线性区同时可接 收的最大信号确定动态信号范围。在设定动态信号范围时涉及许多折衷。例如，低噪声跨导前置放大器 理想地应具有尽可能高的反馈电阻，以便减少前置放大器引入的热噪声 (例如约翰逊噪声)。然而，大反馈电阻增加了前置放大器的总增益，因 此由于前置放大器最大输出电压的限制，与通过更大反馈电阻能够获得的 相比，给动态信号设置了更低的限制。因此，反馈电阻的减小增加了前置 放大器可接收的信号的最大幅值，但是这一方法提高了噪声本底，从而也 提高了可检测的信号的最小幅值。根据此处描述的本发明的实施例，基于反向散射波形的慢变分量的估 计，改变接收器的灵敏度。这种方法的结果是，从OTDR接收器的第一前 置放大器的立场，反向散射信号的动态信号范围与传统OTDR系统相比降 低了。该估计可基于类似光纤的典型特征或从随后低通滤波的实际信号得 到的测量。接收器的灵敏度可以多种方式改变，下面将进一步描述。因此，参考图2，根据此处描述的本发明的实施例，技术50可用于光 时域反射计系统中。该技术50包括将光脉冲发射到光纤中(方框52)以 产生反向散射信号。在光时域反射计接收器处接收反向散射信号的获取时 段期间，改变接收器的灵敏度(方框54)以调节第一前置放大器接收的信 号的动态范围。作为更具体的例子，附图3示出了根据本发明一些实施例的光时域反射计系统60。该系统60包括脉冲光源70，其在获取时段开始时产生光脉 冲。系统60的分束器80将光脉冲引导到光纤90中。光脉冲在光纤90中 以光反向散射信号的形式产生反向散射辐射，分束器80将该光反向散射 信号沿一定路径引导到接收器104，接收器104检测光反向散射信号并将 其转换为电信号。然而，在到达接收器104的第一前置放大器106之前， 光反向散射信号首先通过称作可变传输元件(VTE)的光学元件100，其 调节信号的动态范围。根据本发明的具体实施例，VTE100衰减或放大光反向散射信号。在 下面描述的本发明的实施例中，VTE100假定为衰减光反向散射信号(因 此，例如可以是可变光衰减器(VOA))，但是在本发明的其他实施例中 VTE100可引入增益(因此，例如可以为半导体光放大器)。根据VTEIOO 为衰减器的本发明实施例，VTE IOO与预期的反向散射信号强度成比例地 衰减光反向散射信号，从而确保至少到达接收器104的光信号的低频分量 与从光纤90出射的光反向散射信号的范围相比具有缩减的信号范围。真实反向散射信号可基于以下而重构1)接收器104提供的测量信 号；和2) VTE 100引入的传输变化。VTE 100的传输是可编程的，且VTE 100可具有足以跟踪至少反向散射信号的最慢分量的频率响应。根据本发 明的实施例，VTE100的传输由函数发生器110控制，函数发生器110产 生直接控制VTE 100的传输函数的控制信号120。VTE100例如可以是电光调制器，在该情况下，控制信号120是施加 到VTE 100以控制其传输的电压。可选地，VTE 100可由声光调制器 (AOM)代替，在该情况下，控制信号120是射频(RF)波形，其幅值 规定了AOM的瞬时传输。在本发明的其他实施例中，VTE100可由磁光 调制器代替，其传输由施加在该调制器上的磁场来确定，该磁场又由螺线 管中的电流确定。VTE IOO也可由例如基于微型机械系统(MEMs)的机 械衰减器代替。在本发明的其他实施例中，VTE100可由增益可编程的光 放大器代替。脉冲光源70和函数发生器110可由公共触发器同步，或者设计为一 个触发另一个，取决于本发明的具体实施例。因此，如图3所示，VTE 100 (或者例如上述备选之一的替换)对反向散射光信号近似与其强度成比例地进行衰减，从而产生具有縮减动态范围的信号。在VTE放大反向散射信号(g卩，VTE引入增益)的本发明实 施例中，VTE与反向散射光信号近似成反比例地改变其增益。可选地，根据本发明的其他实施例，接收器中具有内部增益的光电探 测器例如雪崩光电二极管(APD)的偏置可以改变。因此，APD的增益可 在获取时段期间改变，其中APD的偏置电压可由函数发生器控制的可编 程高压电源产生。该方法由图4中的光时域反射计系统150示出作为例子。 结合图3参照图4，注意到系统150(图4)与系统60类似(图3)，其中 相同附图标记用于指示相同部件。然而，系统150的不同之处在于系统150 的接收器154代替系统60的接收器104。该接收器154包括APD 160，其 将接收的光信号转换为由接收器154的第一前置放大器106接收的电信 号。APD160的增益由高压电源156控制，高压电源156又由函数发生器 110控制。在本发明的其他实施例中，APD160可由其他光电转换装置代替，例如光电倍增管。图5示出了根据本发明其他实施例的光时域反射计系统200。在系统 200中，光能由相干光源提供，例如激光器204。激光器204的光输出由 脉冲发生器214转换为光脉冲；且可选地，移频器218将光脉冲中的频率 转化，以产生光信号，该光信号由光定向装置225引导到光纤230。响应 于光脉冲，光纤230产生光反向散射信号，其由光定向装置225引导到光 纤耦合器250。光纤耦合器250将反向散射信号与本地振荡器信号混合，以改变接收 器274接收的光信号从而减小其动态信号范围。相干检测系统的目的还在 于改进信噪比，因为光电流与LO和信号(在此情况为反向散射)乘积的 平方根成比例。因此，通过将本地振荡器功率增加到充分水平，可使得光 电流比接收器噪声强，使得信噪比由散粒噪声支配。由于平方根的效果， 相干检测自身减少了信号的动态范围。然而，此处描述的技术更进一步减 小了动态范围。发射恒定输出的激光器204的输出，由光纤耦合器210分开，从而提 供本地振荡器信号。其余部分由脉冲发生器214调制为脉冲，并且(在外差检测的情况下)由移频器218移频。可变传输元件，例如VTE240，位 于本地振荡器路径，且控制可用于在光纤耦合器250与反向散射信号组合 的本地振荡器功率量。VTE 240通过光纤耦合器210光耦合到激光器204。值得注意的是，系统200仅仅是采用相干光源的示例性系统，其他系 统也可采用，例如采用可变增益光放大器(例如半导体光放大器)改变本 地振荡器功率的系统。理想的，接收器灵敏度的有效范围至少应该等于反向散射信号的慢分 量的有效范围。然而，更小的范围减少了对接收器的动态范围的要求。在所有情况下，首先决定函数发生器关于时间(或者沿光纤的距离) 的输出。如果该输出是恒定的，则该系统等价于传统OTDR系统。目标是 改变接收器灵敏度从而减小接收器第一电前置放大器的输入端呈现的信 号范围。在第一方法中，反向散射信号的慢变化可基于光纤衰减系数的典型值 来估计。在该假定下，接收器的信号(称为"Irx(Z)")可描述如下力"z) = ￡。 ，j.^O).B(z). Jexp(—a(w)—"加e麵,。》.甴 Eq.l本质上，光纤损耗偏移由Eq.l中称为"(Xa咖uat。r"的恒定衰减因子。此 外，在Eq.l中，"E。"表示探测脉冲的能量；"Vg"表示群速度；"(Xs"表示散射损耗系数；"B"表示散射再俘获系数；且"(x"表示总衰减系数。对于相对高质量的光纤，这些系数中的大部分为常数，且反向散射信号主要以指 数形式衰减。然而，局部化的损耗导致反向散射强度的突然变化，散射损 耗和俘获系数的纵向变化还导致反向散射波形通常的指数型表现的修正。 为了将这种传输实现为距离的函数，传输的指数型变化可被编程到函数发生器中。可选地，函数发生器可初始设置为恒定传输，然后可获取第一反向散 射信号。第一反向散射信号随后可用于将函数发生器编程为例如与沿光纤 的信号强度成反比的传输。基于该编程，反向散射信号与相应于光纤中每 个位置的瞬时衰减和针对该位置测得的信号的乘积成比例。该方法抵消了 接收器要求的大部分动态范围，剩余变化显示了更精细等级的细节，通常 为较高频的分量。因此，该系统可像逐次近似模数转换器一样运行，在逐次近似模数转换器中首先去掉信号的粗略测量，使得转换器可在更小范围 运行。如果需要，该处理可以进一步重复，其中使用重建的反向散射波形的 输出来调整传输/距离函数。在一些应用中，低频分量不被关注，因此，可 变灵敏度函数的校准不是非常重要。在一些情况下，VTE的响应时间可能小于反向散射信号变化的响应时 间，在该情况下，接收的电信号是真实反向散射信号的高通滤波形式。当 不关心低频分量时，电输出可不作改变进行使用。如果要求完整反向散射 函数，可通过将电输出乘上作为时间函数的VTE传输来获得。可变灵敏度函数可通过在测量未改变的光纤时改变控制电压函数来 校准。例如，在VTE传输的恒定设置下，对反向散射函数进行第一测量。 随后可施加VTE的一些时间调制，得到的反向散射函数的调制可被注意 并用于将传输与控制输入关联。尽管针对有限数目的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员受益 于该公开，可以从中得到众多修改和变化。所附权利要求应覆盖落入本发 明真实精神和范围内的所有这种修改和变化。
权利要求
1.一种方法，包括向光纤提供光源信号以产生反向散射信号；提供接收器以检测反向散射信号；以及在存在反向散射信号的获取时段期间，相对时间改变接收器的灵敏度从而调节接收器的放大器的输入信号范围。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中改变的动作包括改变接收器的 灵敏度以减小接收器的前置放大器的输入信号范围。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中前置放大器包括接收器的第一 前置放大器以处理反向散射信号。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中改变的动作包括 采用可变传输元件截取反向散射信号；以及 控制可变传输元件以具有与反向散射信号强度近似反比的传输。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中可变传输元件包括下列中的一个.电光调制器、声光调制器、磁光调制器、机械衰减器和光放大器。
6. 根据权利要求l所述的方法，其中 提供接收器的动作包括提供光电转换装置，以及 改变的动作包括改变光电转换装置的增益，从而与反向散射信号强度近似反比。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中光电转换装置包括雪崩光电二 极管。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中光电转换装置包括光电倍增管。
9. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括将反向散射信号与本地振荡器信号混合，以产生混合的反向散射信号 提供给接收器，其中改变的动作包括与反向散射信号强度近似反比地改变本地振荡 器信号功率。
10. —种系统，包括光源，向光纤提供光源信号以产生反向散射信号；接收器，耦合到光纤，以检测反向散射信号，该接收器包括放大器；和电路，在存在反向散射信号的获取时段期间，相对时间改变接收器的 灵敏度以调节放大器的输入信号范围。
11. 根据权利要求10所述的系统，其中接收器包括前置放大器。
12. 根据权利要求11所述的系统，其中前置放大器包括接收器的第 一前置放大器。
13. 根据权利要求10所述的系统，其中所述电路包括可变传输元件，用于接收反向散射信号，并提供指示反向散射信号的输出信号；和函数发生器，用于控制可变传输元件以具有与反向散射信号强度近似 反比的传输。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中可变传输元件包括下列中的 一个.电光调制器、声光调制器、磁光调制器、机械衰减器和光放大器。
15. 根据权利要求10所述的系统，其中 接收器包括光电转换装置，以及电路包括函数发生器，用于改变光电转换装置的增益从而与反向散射 信号强度近似反比。
16. 根据权利要求15所述的系统，其中光电转换装置包括雪崩光电 二极管。
17. 根据权利要求15所述的系统，其中光电转换装置包括光电倍增管。
18. 根据权利要求IO所述的系统，迸一步包括光耦合器，用于混合反向散射信号与本地振荡器信号，以产生混合反 向散射信号；和函数发生器，用于与反向散射信号强度近似反比地改变本地振荡器信 号功率。
19. 根据权利要求10所述的系统，其中光源包括相干源。
全文摘要
一种技术，包括向光纤提供光源信号以产生反向散射信号。提供接收器以检测反向散射信号。在存在反向散射信号的获取时段期间，相对时间改变接收器灵敏度，以调节接收器的放大器的输入信号范围。
文档编号E21B49/00GK101328803SQ200810108249
公开日2008年12月24日 申请日期2008年6月5日 优先权日2007年6月22日
发明者卡迈勒·卡迪尔, 阿瑟·H·哈尔托赫 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司