具有冗余输入和输出树的光感测系统的制作方法

专利名称：具有冗余输入和输出树的光感测系统的制作方法
具有冗余输入和输出树的光感测系统背景技术
此发明涉及光学监视系统，并且特别是涉及光学监视系统的改善的弹性。
光传感器提供监视位置的一系列物理性质的方便的方法。光传感器的相对简单性 和鲁棒性以及将传感器设置在距更复杂的询问硬件相当大的距离处的能力使得光学系统 在传感器设置在敌方环境中的地方特别有吸引力。
光感测系统的特定的家族利用光源和探测器(询问器)，光源和探测器(询问器)设 置在距实际传感器一定距离的方便的询问器位置处，其间具有光纤连接。该感测系统的特 定的应用是用于地震感测的海上油气工业，其中，传感器设置在海底并且询问位置在水面 平台或船只上。
远程和敌方环境中的传感器的位置以及传感器和询问位置之间的链接提出了该 系统的可靠性忧虑。访问传感器和连接以进行修理和维护可能是困难的，并且因此低的失 效率和失效容限是相当重要的。
因此，需要具有改善的可靠性和失效容限的光感测系统。发明内容
提供此发明内容以便以简化的形式引入以下在具体实施方式
中进一步描述的概 念的选择。此发明内容不是意在标识所声称的主题的关键特征或必要特征，其也不是意在 在确定所声称的主题的范围中用作帮助。
提供了一种光感测系统，包括多个光传感器；第一输入树，每一个传感器经由所 述第一输入树光学连接至第一光输入端，其中，所述第一输入树配置为将信号从所述第一 输入端引导至传感器；第二输入树，每一个传感器经由所述第二输入树光学连接至第二光 输入端，其中，所述第二输入树配置为将信号从所述第二输入端引导至传感器；第一输出 树，每一个传感器经由所述第一输出树光学连接至第一光输出端，所述第一输出树配置为 将信号从每一个传感器引导至所述第一光输出端；以及第二输出树，每一个传感器经由所 述第二输出树光学连接至第二光输出端，所述第二输出树配置为将信号从每一个传感器引 导至所述第二光输出端，其中所述第一输入树配置为将特定波长的信号从所述第一输入端 引导至特定传感器和/或所述第一输出树配置为将特定波长的信号从特定传感器引导至 所述第一输出端，并且所述第二输入树配置为将特定波长的信号从所述第二输入端引导至 特定传感器和/或所述第二输出树配置为将特定波长的信号从特定传感器引导至所述第 二输出端。
由所述第一输入树引导至每一个传感器的波长可以不同于由所述第二输入树引 导至相同的传感器的波长。
所述第一输出树可以配置为将由所述第一输入树引导至每一个传感器的所述特 定波长从每一个传感器弓I导至所述第一输出端。
所述第二输出树可以配置为将由所述第二输入树引导至每一个传感器的所述特 定波长从每一个传感器弓I导至所述第二输出端。
所述第一输入树和所述第一输出树可以具有相同的光学结构，但是由所述系统中 的信号以相反方向通过。
所述第二输入树和所述第二输出树可以具有相同的光学结构，但是由所述系统中 的信号以相反方向通过。
由所述第一输入树和所述第二输入树引导至每一个传感器的信号波长可以选自 相同的波长组，所述波长组中的每一个由所述第一输入树引导至至少一个传感器且由所述 第二输入树引导至至少一个传感器。
所述光感测系统还可以包括连接至所述第一输入端的光源，所述光源配置为提供 由所述第一输入树引导至传感器的每一个波长处的光信号。
输入树和所述输出树中的所述至少一个可以包括波长选择耦合器的层级。
所述光感测系统还包括至少一个参考单元，其中，第一波长通过所述第一输入树 弓I导至该参考单元，且第二不同的波长通过所述第二输入树弓I导至该参考单元。
还提供了一种重新配置如以上所述的光感测系统和输出多个波长并耦合至所述 第一输入端的光源的方法，所述方法包括以下步骤确定所述光源的一个波长的失效；以 及经由所述第二输入端引导波长以询问先前经由所述第一输入端通过所失效的波长询问 的传感器。
还提供了一种重新配置如上所述的光感测系统和输出多个波长并耦合至所述第 一输入端的光源的方法，包括以下步骤确定所述感测系统中的失效；以及经由所述第二 输入端引导波长以询问经由所述第一输入端不再可访问的传感器。
经由所述第二输入端引导的波长可以不同于先前经由所述第一输入端询问所述 传感器的波长。
还提供了一种操作如上所述的光感测系统的方法，所述方法包括以下步骤至少 将第一信号输入至所述第一输入端并将第二信号输入至所述第二输入端，其中，所述第一 波长和所述第二波长不同并且选择为使得它们经由所述第一输入树和所述第二输入树引 导至相同传感器；以及引导从所述第一输出端输出的所述第一信号和从所述第二输出端输 出的所述第二信号。
可以合适地组合优选特征，这对于本领域技术人员将是明显的，并且可以将优选 特征与本发明的任何方面进行组合。


将参照以下图通过范例描述本发明的实施例，其中
图1和2示出了光传感器区域的示意图3至5示出了图2的传感器区域中的潜在中断的示意图6示出了光传感器系统的规划的示意图7示出了具有冗余光路的光传感器系统的规划的示意图8示出了具有冗余光路的光传感器系统的规划和范例中断的示意图9不出了一对光传感器区域的不意图10至12示出了光接口单元耦合器布置和参考的示意图；以及
图13至14示出了一对光传感器区域和替代询问系统配置的示意图。
具体实施方式
以下仅通过范例描述本发明的实施例。这些范例描绘申请人当前已知的将本发明 付诸实践的最佳方式，然而，它们不是能够实现这个的仅有方式。描述提出了范例的功能以 及用于构建和操作范例的步骤序列。然而，可以通过不同范例来实现相同或等同功能和序 列。
图1示出了光传感器系统的示意图，其中，每一个传感器可以经由一个以上的路 线从光源接收询问信号并经由一个以上的路线将其输出信号送回接收器。传感器系统提供 沿感测区域101的长度设置的多个传感器100。主输入端103经由波长多路复用器的主输 入树102 (实线和空框)连接至传感器100中的每一个。传感器100中的每一个经由波长多 路复用器的主输出树105 (实线和空框)连接至主输出端106。副输入端104也经由波长多 路复用器的副输入树108 (虚线和阴影框)连接至传感器100中的每一个。传感器100中 的每一个也经由波长多路复用器的副输出树110 (虚线和阴影框)连接至副输出端107。与 串联连接系统相比，多路复用器的树结构提供了减小的光损耗。
主和副多路复用器树具有相同结构，但是一个在左端开始，且一个在右端开始。因 此总的结构为一对交错树，交错树提供了弹性。术语‘主’和‘副’用于方便而不是意在传 达描述的部件之间的任何功能性的差异。
在正常操作中，主输入端103和主输出端106经由光纤连接至询问系统。询问系 统包括用于将光输出至传感器的光源和用于接收从传感器送回的光的接收器。传感器区域 101可以设置为距询问系统相当大的距离，例如许多千米。感测区域也可以在相当大的距离 上延伸，例如小数量的千米。各种距离将由其中要利用感测系统的应用限定。在特定的范 例中，与多路复用器和传感器一起利用多光纤缆线，多路复用器和传感器沿缆线的长度连 接并且连接至缆线的相关光纤以形成图1中所示的结构。
光传感器100的操作对于当前公开不是重要的，并且传感器可以是任何常规光感 测器件。如以下将详细解释的，可以在两个波长询问每一个传感器，并且因此传感器必需是 能够被在多个波长询问的类型。在范例中，可以利用响应于加速或压力来调制光的相位的 传感器来监视海底上的地震活动。每个传感器从询问器接收光信号并将返回信号送回询问 器。可以以输入端和输出端的合适的连接来利用反射或透射传感器。传感器通过输入和输 出树而被波长多路复用，并且可以被时间多路复用以增大能够部署的传感器的数量。
光接口单元112a_112h包括光耦合布置，以将来自输入树的光耦合至连接至特定 单元的传感器中的每一个，并且将从那些传感器中的每一个送回的光耦合至输出树。以下 将详细描述光接口单元的结构和操作。
每一个光接口单元连接至两组传感器；图1中，每一个光接口单元左侧有四个传 感器且右侧有四个传感器。在不同波长询问这些组中的每一组，并且因此从每一个输入树 至每一个光接口单元的输入信号包括两个波长。那些波长在光接口单元内被分开并且耦合 至分别的传感器。在替代选择中，可以在光接口单元外部执行此分离。如将理解的，存在将 实现与图1中所示的功能相同的功能的许多可能的多路复用器规划。
由特定波长服务的每一个传感器安置于距光接口单元不同的光学距离处并且来 自那些传感器的返回信号从而被时间多路复用，由此容许区别来自每一个传感器的信号。
图1的系统的连接布局使得能够经由主和副输入端/输出端询问每一个传感器， 提供了冗余的连接系统来在光纤中断的情况下容许继续的操作。对于图1中所示的系统， 取决于光纤中断的位置，对于单个中断，四个传感器的最坏情况的损失发生，而对于许多中 断位置，在单个中断后操作能够继续而未受影响。相对于现有技术系统，这是非常大的改 进，现有技术系统中，单个中断能够导致整个感测区域的损失。
图1中所示的系统包括八个光接口单元，每一个接口单元具有联接的八个传感器 单元。每一个传感器单元可以包括单个传感器或许多传感器。例如，传感器单元可以包括 四个时间多路复用的传感器。这仅是范例性配置，并且连接布局能够扩展至任意数量的光 接口单元和传感器单元。因此给定系统的实际布局能够选择为与需求相匹配，同时保留于 此描述的连接布局的性能。
为了更清楚地解释系统的布局和配置、以及用以获得可靠性增强的方式，图2中 示出了具有两个光接口单元200、201的小的系统，两个光接口单元200、201中的每一个连 接至八个传感器单元206、207、208、209。如图1中的系统中，来自每一个源的每一个波长用 于四个传感器单元，那四个传感器单元是时间多路复用的。
图2示意性地示例了沿缆线的长度的各个部件的位置，缆线越过页面延伸。如能 够看到的，传感器单元沿缆线间隔地设置，经由沿缆线向前和向后延伸的连接部将信号引 导至每一个传感器单元。如先前解释的，能够使用多光纤缆线来构建此布局，光纤之间在合 适的位置处具有连接部。
主光输入端202承载标记为Ap B” Cp D1的四个波长。波长多路复用器203将这 些波长分离为两对ApB1和CpD1, ApB1在连接部204上输出，CpD1在连接部205上输出。 在光接口单元200中，波长A1连接至传感器单元206中的每一个，且波长B1连接至传感器 单元207中的每一个。在光接口单元201中，波长C1连接至传感器单元208中的每一个， 且波长D1连接至传感器单元209中的每一个。在替代配置中，波长A1 & 81和(1 & D1可以 在外部波长多路复用器中分开而不是在光接口单元内分开，或者多路复用器203可以设置 在光接口单元200内。
从传感器单元206和207返回的波长A1' B1处的信号在连接部210上被组合并且 输出至波长多路复用器211。类似地，从传感器单元208、209返回的波长CpD1处的信号在 连接部212上被组合并且输出至波长多路复用器211。波长多路复用器211组合四个波长 并将它们输出至主光输出端213。从而将输入至主输入端202的四个波长分开至四组传感 器单元，并且然后使用输入和输出波长多路复用器树的对称对将它们组合回主输出端。
副光输入端214可以承载与第一光输入端相同的标记为A2、B2、C2、D2的四个波长。 波长多路复用器215将这些波长分离为两对A2、B2和C2、D2，A2、B2在连接部216上输出，C2、 D2在连接部217上输出。在光接口单元200中，波长C2连接至传感器单元207中的每一个， 且波长D2连接至传感器单元206的组。在光接口单元201中，波长A2连接至传感器单元 209中的每一个，且波长B2连接至传感器单元208的组。
从传感器单元206、207返回的波长C2、D2处的信号在连接部218上被组合并且输 出至波长多路复用器219。类似地，从传感器单元208、209返回的波长A2、B2处的信号在 连接部220上被组合并且输出至波长多路复用器219。波长多路复用器219组合四个波长 并将它们输出至副输出端221。从而将输入至副输入端214的四个波长分开至四组传感器单元，并且然后使用以树布置的输入和输出波长多路复用器的对称对将它们组合回副输出端。
从而可以通过两个不同波长询问每一组传感器单元，该两个不同波长为从主输入 端202到达并输出至主输出端213的主波长和从副输入端214到达并输出至副输出端221 的副波长。
将理解，图1的系统是此基本结构的扩展，以提供较大数量等级的分离。在图1的 范例中，存在十六组传感器单元，并且因此十六个波长输入至主和/或副输入端。这十六个 波长在每一个多路复用器中相等地分离，使得如图2中那样，两个波长进入每一个光接口 单元。
图1和2的结构可以用于提供至光传感器单元的冗余连接。主输入端202和输出 端213可以经由主光缆连接至询问器，并且副输入端214和输出端221可以经由副光缆连 接至询问器。如以下将更详细地描述的，最有效地利用连接部的各种连接布置是可能的。
在正常使用中，仅利用系统的主输入端和输出端，并且如任何常规系统那样执行 感测。然而，在发生失效时，例如光纤中断，可以利用副输入端和输出端来继续系统的操作。
图3示出了图2的系统中的缆线中断300的示意图。连接部205和212被切断， 防止从主输入端和输出端202、213访问光接口单元201。然而，可经由副输入端和输出端 214、221访问光接口单元201。因为连接部217、218被切断，所以不能经由副输入端和输出 端214、221访问光接口单元200，但是经由主输入端和输出端202、213保持了至该光接口单 元的访问。传感器单元206、207的操作因此不受缆线切断的影响，并且能够通过询问器至 副输入端和输出端214、221的连接来重新开始传感器单元208、209的操作。如以下将详细 解释的，可以利用各种选择以有效方式来提供此重新配置。根据重新配置，所有传感器单元 是可操作的，并且没有归因于缆线中断的系统性能的退化。
图4示出了不同位置的缆线中断400，中断跨主输入端和输出端202、213发生。在 此情景中，损失了经由主输入端和输出端对所有传感器单元的访问，但是保留了经由副输 入端和输出端214、221至所有传感器单元的访问。因此通过将询问器重新连接至副输入端 和输出端214、221保留了整个服务。
图5示出了最坏情况位置的光纤中断。在此情景中，中断通过将传感器单元208 连接至光接口单元201的光纤。在传感器单元与光接口单元之间不存在冗余路径，并且因 此不能通过询问系统的重新配置来使传感器单元208再生效。然而，通过进行关于图3的 情景描述的改变，能够恢复对传感器单元209的访问。此情景描绘光纤中断的最坏情况位 置，并且损失仅四个传感器单元，然而在发生光接口单元之一的失效时，可以损失较大数量 的传感器。
当在缆线中断后重新配置询问系统时，可能需要重新校准系统，因为可能由不同 源和接收器询问传感器单元。以常规方式执行此校准。
为确保系统能够从以上描述的布局提供的弹性受益，至主输入端和输出端、以及 副输入端和输出端的连接部应当经由分开的路线，使得系统中任何地方的单个中断不会中 断两个连接部。因此最弹性的系统将利用连接至询问装置的两根缆线，从传感器区域的每 一端一根。然而，归因于连接缆线的成本和制造连接部的实际困难，该系统可能是不经济和 不实际的。例如，在基于海洋的系统中，传感器区域可以在海床上，而源和接收器设置在平台上。从平台至传感器区域提供两根独立的缆线将是困难和昂贵的，并且可能不被失效风 险证明是合理的。因此具有稍微减小的弹性的其它规划可能是优选的。
图6示出了部署用于海床监视的常规感测系统的示意图。询问器系统600设置在 平台601 (或任何水面船只或陆上)上，并且通过连接缆线603连接至海床上的传感器阵列 602。传感器阵列602包括多个感测臂604a-h，每一个包括以上参照图1和2描述的传感 器区域。取决于系统的需要来选择传感器单元的数量和至以及来自传感器单元的连接部， 但是在范例中，传感器的每一个‘臂’包括如图1中所示的一个传感器区域。在图6的规划 中，每一个传感器区域通过单个路径连接至询问器，并且因此如上所讨论的，存在单个失效
图7示出了图6的布置的修改，其中，通过连接部700a_d增大了弹性。每一个臂 包括如图1中所示的具有主输入端和输出端以及副输入端和输出端的传感器区域。每一个 传感器区域的主输入端和输出端经由连接缆线603直接连接至询问器。每一个区域的副输 入端和输出端经由连接部700a-d中的相应的一个连接至相邻臂，并且经由该臂和连接缆 线603连接至询问器。此连接布置提供至每一个传感器区域的替代连接路径，由此使得在 沿一个臂的长度发生中断时，系统能够从以上描述的布局的弹性受益。
图8示出了图7的具有跨一个臂604h的范例光纤切断800的系统。仍然能够经 由主输入端和输出端访问中断内侧的传感器单元，并且可以通过至相邻臂604g的连接部 700d经由副输入端和输出端访问中断的外侧的传感器单元。臂的连接的对中的任何单个中 断导致以上描述的弹性，最大损失一组传感器单元。连接缆线603仍然描绘单个失效点，但 是这描绘了总的系统的减小的区域，其中单个失效引起感测能力的相当大的损失。
图9示出了图1的一对传感器区域900、901，具有形成图7的一对臂的连接部。每 一个缆线具有连接回询问器的一对附加光纤902、903。光纤902、903沿对应的传感器区域 900,901的长度延伸，并且通过描绘图7的连接部700a-c之一的连接部903延伸至相邻传 感器区域，在相邻传感器区域，它们连接至该传感器区域的副输入端和输出端。传感器区 域900的主输入端和输出端因此通过主缆线经由第一路线连接至询问器，并且传感器区域 900的副输入端和输出端通过传感器区域901、连接部903、以及主缆线经由第二路线连接 至询问器。系统因此能够容忍如以上描述的传感器区域中的单个中断。
如对读者明显的，存在在询问器与传感器区域的主和副端之间提供连接部以提供 以上所述的弹性的广泛范围的选择。
先前提到的光接口单元包括一组光耦合器，以将输入树中的每一个连接至传感器 单元，以及将来自传感器单元的输出连接至输出树中的每一个。图10示出了将来自主和副 输入端的光耦合至传感器单元，以及将来自传感器单元的光送回主和副输出端的耦合器布 置。此耦合器布置描绘图1和2的光接口单元之一的一半，即其连接两个四个耦合器构成 的组之一。耦合器布置因此仅接收进入光接口单元的两个波长之一，另一波长连接至用于 第二组耦合器的等同布置。如关于图2提到的，将波长分开为单个波长可以如这里提到的 内部地执行，或者可以从光接口单元外部地执行。将使用图2的命名法来描述图10，好像布 置是在连接传感器单元206的光接口单元201中。
第一输入端1000从主输入树接收感测波长A1,且第二输入端1001从副输入树接 收感测波长Dp第一输出端1002将来自传感器单兀的信号输出至主输出树,且第二输出端1003将来自传感器单元的信号输出至副输出树。耦合器1004-1013中的每一个是非波长选 择性光功率耦合器。树连接结构将两个输入端连接至所有四个传感器单元1014。可以提供 延迟线圈1017以确保四个传感器单元的正确的时间多路复用。
特定的传感器类型是波长敏感的，使得探针信号的波长的变化在输出信号中引起 变化，并且因此在测量结果中引起误差。耦合器1006、镜1015、1018以及线圈1016提供能 够消除波长变化，由此改善传感器的精度，的参考。
由于线圈1016，镜1015比镜1018设置得距耦合器1006更远，线圈1016配置为 对物理影响是迟钝的(inert)。由传感器感测的例如振动或加速的物理改变因此对通过线 圈1016的光不具有任何(或最小)影响。如引导至传感器的，光脉冲也离开耦合器1006，传 播至镜1015和1018，并从镜1015和1018反射，并返回至耦合器1006，来自每一个镜1015 和1018的返回光在耦合器1006处组合并返回输出端1002。耦合器1006、镜1015、1018以 及线圈1016形成反射干涉仪，输出取决于经由每一个镜的路径之间的光路长度差。该输 出的变化因此能够用于确定光波长和光路长度差的改变，光路长度差取决于路径的物理性 质。因为由于物理影响，线圈(以及路径的其它方面)设计为有最小的改变，所以改变能够对 光的波长的改变做贡献。能够监视到这个并将其用于调整来自传感器的测量结果，以补偿 光源的波长变化。
因为仅短脉冲典型地用于询问传感器(以容许时间多路复用)，所以可能需要提供 延迟和交叠脉冲以实现干涉的方式。替代地，能够在不同时间发出多个脉冲，使得差分延迟 使得它们在耦合器1006的输出端交叠。
在图10的布置中，仅来自第一输入端1000的光I禹合至I禹合器1006,并且因此至参 考系统，并且因此以与以上描述的第一参考单元相同的方式配置的第二参考单元1019设 置为与第二输入端1001 —起使用。
耦合器1012和1013用作光衰减器以平衡在每一个传感器单元接收的功率。能够 替代地使用光衰减器，或者能够省略它们并且利用不相等的功率分配。
不同波长(此范例中为A1和D1)的光由每一个传感器单元修改，并且返回到两个输 出端，因为该部件不是波长选择性的。第一和第二输出端中的每一个因此承载两个不同波 长，但是在输出树的第一波长多路复用器中消除了不需要的波长(在第一输出端为D1，且在 第二输出端为A1),并且不需要的波长因此不影响操作。来自主和副输入树的到达每一个传 感器单元组的波长因此可以选择为确保不想要的返回波长被输出树有效地拒绝，例如通过 选择彼此良好分开的波长。
如先前提到的，传感器单元中的每一个设置在距光接口单元不同的光学距离处， 并且返回信号从而是时间多路复用的，使得能够区别每一个传感器单元。传感器以及它们 的询问的操作如同现有系统中，除当前系统中能够经由两个连接路线在两个波长询问每个 传感器单元外。
在范例布置中，耦合器1004、1006、1007、1008、1010和1011是将输入功率均匀分 离的50:50耦合器，而耦合器1005、1012、1013和1009是输出端口连接至传感器单元的较 高比例输出的87:13耦合器。
图11示出了利用减小数量的耦合器的图10的耦合器结构的替代耦合器结构。在 范例布置中，耦合器1100是50:50耦合器，并且耦合器1101是87:13耦合器。在此布置中，由镜1102和1103形成第一参考单元，并且由镜1103或1102，和1104形成第二参考单元。 这些单元的操作原理与关于图10描述的相同，除物理规划不同，经由不同耦合器访问两个 参考路径外。图1la示出了将单个参考单元用于两个输入端的另一替代耦合器结构。在图 11的布置中，从两个输入端访问两个参考单元，并且因此能够去除它们之一，保留一个参考 单元用于两个输入端。通过从图11的布置去除传感器和镜1102并保留传感器和镜1104 能够实现可比较的布置。
在前述描述中，已经利用图1的系统提供了归因于光纤中断的弹性。然而，该系统 也能够用于使得能够同时(一个经由主输入端和输出端，另一个经由副输入端和输出端)在 两个不同波长询问每一个传感器单元，这可以用于改善传感器单元的精度或其它因素。本 申请人:提交的UK专利申请No. 0919017. 4讨论了使用多波长来询问传感器单元，并且于此 通过引用并入了该申请的描述。
在某些系统中，操作系统而无参考传感器单元是可能的。在该系统中，能够将耦合 布置简化为图12中所示的那样，其中，所有耦合器是50:50耦合器。如以上讨论的，可以由 两个波长询问每一个传感器，这能够用于补偿波长变化，而无需参考。每一个传感器一次能 够仅具有一个物理长度，这适用于询问传感器的两个波长。此已知的限制能够与来自两个 波长的测量结果一起使用以消除传感器中的噪声。
如将理解的，2X2耦合器已经用于图10-12中仅作为范例，并且可以利用其它耦 合器，并提供相同功能性。例如，图12的耦合器可以由单个4X4耦合器替换。
为从以上描述的系统的改善的弹性受益，必需提供手段来在失效的情况下将询问 系统耦合至副输入和输出端。如以上已经描述的，取决于中断的位置，可以仅经由副输入端 和输出端，或经由主和副输入端和输出端的混合来执行随后的询问。因此存在对灵活地重 新配置询问器以提供此各种选择的需要
图13示出了连接至根据关于图9描述的原理配置的第一和第二传感器区域1300、 1301的询问器系统的示意性概图。每一个传感器区域与图2中所示的传感器区域等同，在 由四个构成的四个组中具有16个传感器，在不同波长询问每一个四个的组。潜在地在两个 不同波长询问每一个传感器单元组；经由至每一个传感器区域的主输入端1302、1303和输 出端1304、1305的A1' B1, C1, D1中的一个以及经由至每一个传感器区域的副输入端1306、 1307和输出端1308、1309的A2、B2、C2、D2中的不同的一个。
利用在波长A、B、C、D产生光的多波长光源1315，其可以由多个光纤激光器、或其 它合适的源器件来提供。如特定系统所需地在传输单元1310中组合和调制单独的波长。传 输单元的输出端连接至第一和第二传感器区域1300、1301的主输入端1302、1303中的每一 个。接收器单元1311、1312均包括四个接收器和将四个波长分开的多路分配器。多路分配 器也可以提供附加部件和功能性以提供对光信号的预接收器处理。
提供附加、备用输出端1313，其等同于用于第一和第二感测器区域1300、1301的 输出端，并且也提供备用接收器单元1314。
在感测区域1300、1301之一中发生中断的情况下，将备用源输出端1313和接收器 1314临时连接至相应的副输入端和输出端以容许传感器区域的询问继续。可以通过手动重 新连接光纤来执行临时连接，或者可以提供光开关系统来执行重新连接。可以提供自动系 统来自动探测失效并进行所需的重新连接。如果中断沿感测区域的长度，则使用感测区域的主和副端来进行询问，但是如果中断在感测区域的主输入端处，则仅经由副端进行询问。 在后一种情况下，主发送器和接收器能够从主输入端和输出端去除，并且连接至副输入端 和输出端，无需使用备用发送器和接收器。
可以提供另外的备用发送器输出端和接收器以使得在两个传感器区域中发生中 断的情况下操作能够继续。
归因于询问器处的发送器的失效，以上描述的传感器布局也可以用于提高弹性。 在其中每个传感器单元由单个波长询问的常规系统中，为了避免归因于用作光源的激光器 的失效的感测能力的损失，必需可以替换每种类型的激光器。因为利用的源激光器通常不 是可调谐的，并且不同的波长用于每一组传感器单元，所以需要若干备用激光器。激光器是 询问器硬件成本的相当大的部分，并且因此保持整个备用组是不期望的。
如以上参照图13解释的，经由主输入端和输出端由一个波长询问每一个传感器 单元组，并且在经由副输入端和输出端询问时由第二波长询问每一个传感器单元组。在以 上描述中，归因于缆线中断，这用于使得能够进行连续的感测，但是如现在描述的，其也能 够用于减小激光器和发送器的节省。
在图13的系统中的激光器失效的情况下，可以利用备用输出端1313和接收器 1314经由副第二输入端之一来询问传感器单元。例如，如果‘A’波长激光器失效，则将不 再询问‘A’传感器单元。然而，当经由副输入端和输出端询问时，那些传感器单元利用波长 ‘D’。该源仍然操作，并且所以备用输出端1313和接收器1314能够成功地保持整组传感 器。失效后要保持每一个感测区域需要一个备用输出端和输入端，并且所以在以上范例中， 仅一个感测区域保留完整的功能性。
系统能够容许高达一半源的失效，而不损失备用发送器和接收器可用的区域中的 任何传感器单元。例如，如果A和B源失效，则能够使用波长C和D经由副输入端和输出端 探查所有传感器单元。然而，如果配对的A & D波长失效，则将损失至每个区域中的两组传 感器单元的访问。传感器的损失取决于波长的配对。例如，如果两个激光器失效，则A-D、 B-A、C-B和D-C的配对导致一组传感器中最大的损失，但是与图13中所示的配对相比，损 失一组的可能性提高了。
图14示出了与先前描述的传感器区域一起使用以在激光器失效的情况下减小保 持操作所需的部件节省的询问配置系统。
在多路复用系统1310外部提供用于每一个激光器源1401的调制器1400，并且 在每一个调制器输出端提供形成备用输出端的分接点1402。提供可以连接至任何分接点 1402的分接输入端1403。分接输入端1403经由光放大器经由光放大器1404连接至副输 入端1306、1307。副输出端1308、1309设置有临时连接系统以使得它们能够临时连接至相 应的接收器单元中的任何接收器。
在激光器失效的情况下，分接输入端1403连接至与失效激光器配对的激光器，并 且副输出端连接至对应于失效激光器的接收器，由此使得操作能够继续。如果，例如激光器 A失效，则分接输入端1403连接至用于激光器D的输出端，因为在传感器单元中，那两个波 长是配对的。每一个副输出端于是连接至由激光器A利用的接收器(由多路分配器提供每 一个接收器的波长选择性，并且因此能够通过在将副输出端临时连接到多路分配器之后的 接收器中来改变接收器接收的波长)。经受重新校准，系统的操作于是能够继续利用所有传感器单元。从而能够容许单个激光器(或调制器)的失效，而无传感器单元的任何损失，并且 无需备用激光器。附加复杂性和成本是最小的。
如将明显的，在激光器失效的情况下，可以利用利用图13和14的原理的各种配置 来提供弹性。例如，与图14的分接输出端相反，光放大器可以连接至来自多路复用器的备 用输出端和用于选择所需波长的滤光器。还有，为避免在激光器失效的情况下需要重新连 接接收器，可以提供备用组接收器，然而这招致成本不利。然而，这些接收器也可以用于在 缆线切断的情况下提供弹性。如将理解的，各种等级和组合的备用器件可以用于提供弹性、 成本以及失效后重新配置的方便性之间所需的折衷。
如以上提到的，除波长分开外，接收器中的多路分配器部件可以包含附加功能性。 例如，在某些接收器设计中，可以利用延迟线圈来交叠返回脉冲。然而，在图14的系统中， 使用副光纤使波长绕过多路分配器。因此可能需要备用部件来使得能够提供附加功能性， 或者在失效的情况下可以接受降低的性能。如果需要整个接收器功能性，则每一个传感器 区域可能需要完整的备用接收器系统，但是无需备用发送器激光器，并且因此与其它技术 相比，例如图13中所示的技术，仍然可以减小总的成本。
以上讨论的失效可以不是总的失效，而是导致例如输出功率或波长控制的损失的 部分失效。失效意在包括导致感测能力损失的源中的任何退化。
在任何前述描述中，在如承载或引导特定波长的有源意义上描述了光纤、连接部 或部件，但是应当理解，这仅是为清楚目的，并且该语言意在指明相关部分可以执行那些波 长，或配置为这样做。清楚地，在光源将波长反馈至系统时，将仅存在波长，并且该源的存在 或不存在不影响于此描述的系统的物理结构。
在前述描述中，词语‘树’用于描述将信号路由至传感器和从传感器路由信号的波 长多路复用器的系统。如读者将理解的，本发明不限于范例实施例中示出的具体结构。分 支的等级的数量可以根据传感器的数量以及不同模式中分离的波长而变化。例如，范例中 每一个等级的分离将波长分开为两半，但是每一个等级也能够将它们分开为三个相等的、 或不相等的部分。此外，树能够包括单个等级的分开，仅单个器件将每个波长分开到连接至 光接口单元的单独的光纤上。这些范例中的每一个仍然是如本描述中设想的树，但是该术 语不包括其中传感器串联连接且波长必需经由其它传感器单元行进以到达它们探查的特 定传感器单元的布置；该布置将不能够实现树结构提供的减小光损失的优点。
在某些实施例中，仅输入和输出树之一可以是波长选择性的，或者它们都不是波 长选择性的。在使用非波长选择性树时，系统必需设计为使得在传感器之间串扰可接受地 低，因为每一个波长也可以通过传感器。可以通过波长选择性的输入或输出树之一，或通过 使用系统中合适位置处的波长选择性光纤，来减轻此串扰。光隔离器也可以有助于减小归 因于反射的串扰。
在输入树为非波长选择性的情况下，可以将所有波长引导至所有传感器，并且输 出树用于从每一个传感器选择所需的波长。
类似地，描述不是意在约束于波长多路复用器件的任何特定形式，并且可以利用 实现将所需波长引导至传感器的功能的任何器件。树中的分支点将由功率耦合器提供，并 且滤波系统于是设置在每一个光接口单元或传感器之前、之后或之前和之后以仅选择所需 的单个(多个)波长也是可能的。
如对本领域技术人员明显的，于此给定的任何范围或器件值可以扩展或更改而不 损失所寻求的效果。
将理解，以上描述的益处和优点可以涉及一个实施例或可以涉及数个实施例，实 施例不限于解决任何或所有阐述的问题的那些或具有任何或所有阐述的益处和优点的那些。
‘一’术语的任何引用指一个或多个该术语。术语‘包括’于此用于意指包括标识的 方法框或元件,但是该框或元件不包括排它列表并且方法或设备可以包含附加框或元件。
于此描述的方法的步骤可以以任何合适的顺序执行，或在合适的地方同时执行。 另外，可以不脱离于此描述的主题的精神和范围从任何方法删除独立的框。以上描述的任 何范例的方面可以与描述的任何其它范例的方面组合以形成另外的范例而不损失寻求的 效果。
将理解，仅通过范例方式给出了优选实施例的以上描述，并且本领域技术人员可 以进行各种修改。虽然以上在一定特定程度上或参照一个或多个独立实施例，描述了各实 施例，但是本领域技术人员将能够不脱离此发明的精神或范围对公开的实施例进行许多更 改。
权利要求
1.一种光感测系统，包括 多个光传感器； 第一输入树，每一个传感器经由所述第一输入树光学连接至第一光输入端，其中，所述第一输入树配置为将信号从所述第一输入端引导至传感器； 第二输入树，每一个传感器经由所述第二输入树光学连接至第二光输入端，其中，所述第二输入树配置为将信号从所述第二输入端引导至传感器； 第一输出树，每一个传感器经由所述第一输出树光学连接至第一光输出端，所述第一输出树配置为将信号从每一个传感器引导至所述第一光输出端；以及 第二输出树，每一个传感器经由所述第二输出树光学连接至第二光输出端，所述第二输出树配置为将信号从每一个传感器引导至所述第二光输出端，其中 所述第一输入树配置为将特定波长的信号从所述第一输入端引导至特定传感器和/或所述第一输出树配置为将特定波长的信号从特定传感器引导至所述第一输出端，并且 所述第二输入树配置为将特定波长的信号从所述第二输入端引导至特定传感器和/或所述第二输出树配置为将特定波长的信号从特定传感器引导至所述第二输出端。
2.根据权利要求1所述的光感测系统，其中，由所述第一输入树引导至每一个传感器的波长不同于由所述第二输入树引导至相同的传感器的波长。
3.根据任一前述权利要求所述的光感测系统，其中，所述第一输出树配置为将由所述第一输入树弓I导至每一个传感器的所述特定波长从每一个传感器弓I导至所述第一输出端。
4.根据任一前述权利要求所述的光感测系统，其中，所述第二输出树配置为将由所述第二输入树弓I导至每一个传感器的所述特定波长从每一个传感器弓I导至所述第二输出端。
5.根据任一前述权利要求所述的光感测系统，其中，所述第一输入树和所述第一输出树具有相同的光学结构，但是由所述系统中的信号以相反方向通过。
6.根据任一前述权利要求所述的光感测系统，其中，所述第二输入树和所述第二输出树具有相同的光学结构，但是由所述系统中的信号以相反方向通过。
7.根据任一前述权利要求所述的光感测系统，其中，由所述第一输入树和所述第二输入树弓I导至每一个传感器的信号波长选自相同的波长组，所述波长组中的每一个由所述第一输入树弓I导至至少一个传感器且由所述第二输入树弓I导至至少一个传感器。
8.根据任一前述权利要求所述的光感测系统，还包括连接至所述第一输入端的光源，所述光源配置为提供由所述第一输入树引导至传感器的每一个波长处的光信号。
9.根据任一前述权利要求所述的光感测系统，其中，所述输入树和所述输出树中的所述至少一个包括波长选择耦合器的层级。
10.根据任一前述权利要求所述的光感测系统，还包括至少一个参考单元，其中，第一波长通过所述第一输入树引导至该参考单元，且第二不同的波长通过所述第二输入树引导至该参考单元。
11.一种重新配置根据权利要求1至10中的任一项所述的光感测系统和输出多个波长并耦合至所述第一输入端的光源的方法，所述方法包括以下步骤 确定所述光源的一个波长的失效；以及 经由所述第二输入端引导波长以询问先前经由所述第一输入端通过所失效的波长询问的传感器。
12.一种重新配置根据权利要求1至10中的任一项所述的光感测系统和输出多个波长并耦合至所述第一输入端的光源的方法，包括以下步骤 确定所述感测系统中的失效；以及 经由所述第二输入端引导波长以询问经由所述第一输入端不再可访问的传感器。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，经由所述第二输入端引导的波长不同于先前经由所述第一输入端询问所述传感器的波长。
14.一种操作根据权利要求1至10中的任一项所述的光感测系统的方法，所述方法包括以下步骤 至少将第一信号输入至所述第一输入端及将第二信号输入至所述第二输入端，其中，所述第一波长和所述第二波长不同并且选择为使得它们由所述第一输入树和所述第二输入树引导至相同的传感器；以及 引导从所述第一输出端输出的所述第一信号和从所述第二输出端输出的所述第二信号。
全文摘要
一种光感测系统，包括多个光传感器(206...209)，第一(203...205)和第二(215，216)输入树、以及第一(210...212)和第二(219，220)输出树。所述第一和第二输入树配置为将相应的光信号从第一(202)和第二(214)输入端引导至每一个传感器，并且第一和第二输出树配置为将光信号从每一个传感器(206...209)引导至第一(213)和第二(221)光输出端。所述第一和第二输入端和/或输出树配置为将特定波长(A1...D-1，A2...D2)的信号从特定传感器分别引导至第一和第二输入端和/或输出端。这样提供的冗余连接系统容许在光纤或缆线中断(300)的情况下提供继续的操作。
文档编号G01D5/26GK103026178SQ201180026178
公开日2013年4月3日 申请日期2011年4月20日 优先权日2010年5月28日
发明者J·费尔斯, E·奥斯汀, P·纳什 申请人:斯汀格雷地球物理有限公司