專利名稱：產(chǎn)生并傳輸用于長距離測量的高能光脈沖的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及感測系統(tǒng)，涉及一種產(chǎn)生并傳輸高能光脈沖的方法及設(shè)備，用于感測，特別是用于長距離測量，更具體說，是用于被測量對象，諸如溫度及長距離上損耗的分布式光纖測量，還涉及用于該種系統(tǒng)的發(fā)射器、用于該種系統(tǒng)的接收器、和用于該種系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖的設(shè)備及方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)上需要測量長距離上的所有點的溫度。典型的用途是監(jiān)控長的光纜及管道。因為這些結(jié)構(gòu)可以非常長，所以需要能在非常長的距離上工作的感測系統(tǒng)。在通信和感測中需要測量沿光纖的損耗。因為這些光纖非常長，所以需要一種工作在非常長距離上的損耗測量系統(tǒng)。
分布式溫度傳感器通常使用光纖中的Raman散射，作為確定溫度的手段。這里需指出，來自激光光源的光沿光纖發(fā)送，然后分析被散射回光源的少量光。通過使用脈沖光并測量作為時間函數(shù)的返回信號，能夠確定沿光纖所有點上產(chǎn)生的后向散射光。該后向散射光包含在頻率上從光源向上頻移和向下頻移的分量(分別是Raman及Brillouin的反Stokes光和Stokes光)，和彈性散射光(Rayleigh光)。返回的Raman及Brillouin信號的功率，與溫度有關(guān)，于是從這些分量的分析可以得到溫度。通常用Raman Stokes和反Stokes信號確定溫度，但是有時用Rayleigh光作參考，有時還用Brillouin分量。Rayleigh光，和有時是Raman Stokes光，常常用于測量沿光纖的損耗。
一個例子可以從涉及光纖侵入感測的US專利5,194,847了解。在該例子中，為使感測侵入預(yù)定的周長，把相干的脈沖光注入沿預(yù)定周長放置的光感測光纖。響應(yīng)該相干光脈沖的接收，產(chǎn)生后向散射光，并耦合進光接收光纖。后向散射光由光電檢測器檢測，且侵入可以由后向散射光中的變化檢測。為增加設(shè)備的靈敏度，還可以采用參考光纖和干涉儀。
隨著光纖長度的增加，溫度和損耗測量的分辨率變得更低劣。這是因為光纖中存在引起信號衰減的損耗。隨著光纖長度的增加，在光纖長度上的整個損耗也增加，于是，從遠端返回的信號更小，結(jié)果導(dǎo)致更大的噪聲。一個顯而易見的解決該問題的方案，是把更強的光注入光纖來補償損耗，但是，能注入多少光，是存在極限的。這是因為，當沿光纖發(fā)送高功率的光時，非線性效應(yīng)隨光纖長度的增加而變得更顯著。這些非線性效應(yīng)中最成問題的是受激Raman效應(yīng)。該受激Raman效應(yīng)，從光源的光吸收功率，并使光向Raman Stokes信號的波長頻移。通常正是該受激Raman散射(SRS)，限制該種類型分布式傳感器可以工作的長度。已經(jīng)知道，為嘗試緩解該問題，“OpticalTime Domain Reflectometry”，Hartog，Arthur，Harold，和1997年1月8日的WO 1998GB 0000028，提出一種使SRS閾值出現(xiàn)在更高輸入功率的光纖，以便更多的功率可以用在這種光纖中。但是，這種解決途徑是有限制的，因為它要求的技術(shù)是在可能很昂貴的、專門的光纖中使用。該解決途徑還不允許系統(tǒng)在業(yè)已安裝的普通光纖上使用。
溫度和損耗的分辨率，隨光纖長度的增加而變得更低劣的另一個原因，是每一脈沖更長的往返行程延時。通常，任何時候在光纖中只能有一個脈沖才是有用的，否則不可能確定返回的信號產(chǎn)生在何處(多個脈沖的后向散射信號將重疊)。光脈沖沿光纖傳播的時間，與光纖長度成正比，所以，隨光纖長度的增加，能夠注入的脈沖之間的時間，必需增加。因為通常需要求許多平均，才能以合理的精度來測量信號，所以，降低脈沖重復(fù)率的必要性表明，隨著感測長度的增加，測量的精度變得更低。但是，SRS閾值不能無限提高，而脈沖重復(fù)率仍然受脈沖通過光纖全部長度的往返行程時間的限制。
另一個誤差來源是不同波長上的微分損耗。這是最普通類型光纖的一種性質(zhì)，并且是誤差的來源，因為溫度的計算涉及確定不同波長上返回的光功率的比值。Raman Stokes和反Stokes分量頻移到不同波長上，從而經(jīng)受不同的損耗量。隨著沿光纖需要測量的點的距離的增加，這一誤差來源變得更顯著。有些時候，可能要通過選擇注入的波長，使對給定光纖的微分損耗最小，來降低該誤差。也可能要使用兩個光源或單個可調(diào)諧光源，在兩種不同波長上發(fā)射，用來自一個光源的Stokes波長和來自另一個光源的反Stokes波長進行測量，以抵消微分損耗。這種方法見US專利4,767,219。這種方法能抵消微分損耗誤差，但要確保兩個光源有充分相同的工作壽命，不致引入其他的誤差，將是困難或昂貴的。單個可調(diào)諧光源較為不實際，因為難以調(diào)諧和使該光源產(chǎn)生脈沖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的，是提供改進的設(shè)備和方法。按照本發(fā)明的第一方面，是提供一種感測系統(tǒng)，用于沿波導(dǎo)發(fā)送電磁信號，以感測沿波導(dǎo)一個或多個感測位置上的狀態(tài)，本系統(tǒng)包括發(fā)射器裝置，用于發(fā)射適當形狀的脈沖，通過在到達感測位置前的受激非彈性散射過程，引起該脈沖的受控變換，變換為不同的波長，本系統(tǒng)包括接收裝置，用于接收從感測位置返回的信號，并根據(jù)接收的信號，確定這些狀態(tài)。
本系統(tǒng)巧妙地利用了非線性效應(yīng)，該非線性效應(yīng)是迄今避免發(fā)生或使之降至最小的。在經(jīng)過短的轉(zhuǎn)變長度之后，所有原先的光被變換到該新的波長上，然后用該新波長照射光纖剩余的長度。一個優(yōu)點是，本系統(tǒng)對給定的感測精度或分辨率，能提高該距離極限，因為注入的功率可以大得多，因而能夠檢測沿光纖從更大距離返回的返回光信號。另一個優(yōu)點是，本系統(tǒng)能提供一種自優(yōu)化過程，因為隨著距離的增加，光頻移到更長波長，而更長的波長導(dǎo)致更低的光纖散射損耗。該電磁信號可以是光信號或其他波長。該形狀是指例如功率對時間曲線的形狀。峰值功率是形狀的一部分，它對控制SRS波長變換發(fā)生的地點有強烈的影響，但脈沖寬度及傳輸媒體的特性，也有部分影響。
作為附加的特征，可以配置注入功率，使光纖的不同部分被多于一種不同波長照射，還可以配置接收裝置，使它區(qū)分每一不同波長上返回的光信號。配置該接收裝置的一個優(yōu)點是，它能實現(xiàn)在同一時間使多于一個脈沖沿光纖傳播?？梢詫@些脈沖定時，使當?shù)谝幻}沖已經(jīng)變換到不同波長時，發(fā)送后繼的脈沖?，F(xiàn)在，通過適當?shù)臑V波，能夠在接收器上，區(qū)分從后繼脈沖的后向散射，和從第一脈沖在不同的波長上需要的后向散射。對給定精度和空間分辨率，該區(qū)分能力可以增加脈沖的重復(fù)率，通過實現(xiàn)更多的平均或允許更快的感測，進一步改進感測的精度。
作為又一個附加的特征是，使發(fā)射裝置調(diào)整注入的功率，把發(fā)生變換的轉(zhuǎn)變長度，移至光纖的不同部分。這對避免因轉(zhuǎn)變長度引起的感測覆蓋區(qū)空隙，是有用的。
作為又一個附加的特征是，再令接收裝置接收變換前從一個或多個另外的感測位置返回的信號。這樣可用變換前更高功率的脈沖，實施更短距離的感測，又可用波長已變換的脈沖實施更長距離的感測。
作為又一個附加的特征是，配置感測系統(tǒng)補償不同的光纖損耗。作為又一個附加的特征，發(fā)射裝置包括產(chǎn)生脈沖的源、用于把脈沖分解為兩個或更多脈沖流的分解器、和在沿光纖發(fā)送兩個脈沖流之前變換脈沖流之一波長的變換器，以實現(xiàn)微分光纖損耗的補償。
作為又一個附加的特征是，配置接收裝置檢測從第一波長上的脈沖之一返回的向上頻移分量，和檢測從第二波長上發(fā)射的脈沖之一返回的向下頻移至第一波長的向下頻移分量，對微分損耗進行補償。這表明，該兩個分量已經(jīng)經(jīng)受相同的損耗，與微分損耗的量無關(guān)，因此，這兩個分量的比值將抵消任何微分損耗。
作為又一個附加的特征是，系統(tǒng)有控制器，用于控制脈沖的重復(fù)率。該控制器對重復(fù)率的最大化，例如，達到在任何時間各轉(zhuǎn)變區(qū)之間每一段有一個脈沖的極限，是有用的。如果改變功率，以引起沿光纖更多的波長變換，那么，該控制器有助于利用更高重復(fù)率的可能性。
本發(fā)明的第二方面，是提供一種發(fā)射裝置，作為感測系統(tǒng)的一部分，用于沿光纖發(fā)送和接收光信號，以便感測沿光纖的狀態(tài)，該發(fā)射裝置有產(chǎn)生脈沖流的源、用于把脈沖分解為兩個或更多脈沖流的分解器、和在沿光纖發(fā)送兩個脈沖流前，變換脈沖流之一的波長的變換器。
從單個源創(chuàng)建兩個脈沖流的優(yōu)點是，不需要精確控制兩個激光器的波長間距，能精確校正微分光纖損耗。
每一脈沖流可以有足夠的功率，以便信號波長能被SRS變換，并在至少兩種不同波長上照射感測光纖，對微分光纖損耗實施測量和校正，其中，該至少兩種不同波長是被其他波長的Stokes波長頻移分開的。
作為附加的特征，該源及分解器用于為到達變換器的脈沖提供足夠的功率，以便通過受激非彈性散射，實施變換。
作為附加的特征，該發(fā)射裝置還包括脈沖整形器，用于在沿光纖發(fā)送之前，使脈沖加長。
作為附加的特征，該脈沖整形器包括色散單元。這是獲得脈沖擴展，以便控制峰值功率及脈沖寬度，同時保持脈沖能量的一種方法。更長的脈沖寬度降低空間分辨率，但更高的脈沖能量可改進檢測及感測精度，或例如對給定精度改進距離。該色散單元是可供選擇地納入變換器內(nèi)，以便使單元數(shù)量保持最少。
作為附加的特征，該脈沖整形器包括脈沖串發(fā)生器和色散單元，該脈沖串發(fā)生器用于把每一脈沖變換為脈沖串，該色散單元用于對脈沖串整形。本特征的一個優(yōu)點是，對給定色散量，能夠使脈沖在時間上擴展得更寬。這樣能夠產(chǎn)生更平坦地擴展的脈沖，并降低在需要大量色散時引起的費用、延時、和損耗。對給定功率電平，寬擴展的脈沖對給出更多能量從而更遠的距離是有用的。
按照本發(fā)明的第三方面，是提供一種設(shè)備，用于啟動一個或多個受激Raman光的產(chǎn)生，使光纖的不同部分被不同波長照射，以便可以使用高的輸入功率，并使光纖中有多于一個的脈沖；本設(shè)備還用于測量后向散射光不同分量的功率，以便實現(xiàn)長距離上溫度和/或損耗的分布式測量，本設(shè)備包括至少一根提供散射媒體的光纖、光源、光學(xué)濾波裝置、和把光信號變換為電信號的裝置，該變換裝置可以包括單個檢測器或檢測器陣列。
本方面提供的是一種感測系統(tǒng)，用于沿光纖發(fā)送及接收光信號，以便感測沿光纖的狀態(tài)，本系統(tǒng)有發(fā)射裝置和接收裝置，該發(fā)射裝置用于啟動一個或多個受激Raman光的產(chǎn)生，使光纖的不同部分能被不同波長照射，還用于同時發(fā)射多于一個的脈沖，送進光纖；該接收裝置用于測量后向散射光不同分量的功率，以便在長距離的光纖上進行感測，該接收裝置有光學(xué)濾波裝置和一個或多個檢測器，用于把光信號變換為電信號。
作為從屬權(quán)利要求的附加的特征，該接收裝置用于區(qū)分從前向傳播脈沖向后散射的Raman Stokes或Raman反Stokes或Rayleigh波長。這些分量能夠用于校正光纖的損耗，和計算沿感測光纖的溫度。
作為又一個附加的特征，該接收裝置有濾波器，配置該濾波器是用于在波長變換之前，在比發(fā)射的脈沖波長稍稍偏移的波長上，收集需要的后向散射信號。該濾波器有助于避免反Stokes波長與Rayleigh散射之間的串擾，該反Stokes波長是在變換后從脈沖返回的，該Rayleigh散射是在相同波長上，從仍在傳播的啟動脈沖任何剩余部分變換之前返回的。
作為又一個附加的特征，是以不同脈沖功率重復(fù)測量，并用測量結(jié)果校正非線性。
作為又一個附加的特征，本系統(tǒng)包括光纖。
作為又一個附加的特征，是使本系統(tǒng)控制脈沖的功率，改變發(fā)生波長變換的轉(zhuǎn)變長度沿光纖的位置。
作為又一個附加的特征，該發(fā)射裝置包括激光器、用于從激光器輸出產(chǎn)生脈沖的調(diào)制器、和用于放大脈沖的光放大器。這些裝置有助于使脈沖整形更容易控制。
作為又一個附加的特征，該接收裝置有濾波器，用于從一段光纖后向散射的Raman Stokes、和/或Raman反Stokes、和/或Rayleigh信號中，收集不與從其他段后向散射的等價分量顯著重疊的信號分量。
作為又一個附加的特征，該接收裝置，用于比較返回的RamanStokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信號分量之一、之二、或全部，以校正信號中的任何非線性。
作為又一個附加的特征，該接收裝置，使用與被感測狀態(tài)關(guān)系處于飽和、非線性區(qū)的返回的Raman Stokes和Raman反Stokes分量的組合，來補償非線性。
本發(fā)明的第四方面，是使用脈沖變換方法，優(yōu)化最后的脈沖能量，同時保持功率在SRS閾值以下。對如上所述利用SRS波長變換的系統(tǒng)，該脈沖變換方法是有用的。按照本發(fā)明的本方面，是提供對光輸入脈沖整形的脈沖整形器，該整形器有從輸入光脈沖產(chǎn)生脈沖串的脈沖串發(fā)生器，和位于該發(fā)生器前面或后面的色散單元，該發(fā)生器包括分解輸入脈沖的裝置和組合器，該分解的裝置把在兩個或多個有不同延時的路徑之間輸入的光脈沖分解，產(chǎn)生延時脈沖；該組合器把延時的脈沖組合，產(chǎn)生脈沖串；而該色散單元分別把輸入脈沖或脈沖串擴展。
這能使光脈沖為各種用途修改自己的形狀(例如在不同時間或距離上的功率曲線方面)。這比試圖控制光源以產(chǎn)生需要的形狀，常常更容易實施。特別是在脈沖必須是高功率的且有嚴格控制的波長的情形。產(chǎn)生脈沖串的一個優(yōu)點是，對給定的色散量，輸入脈沖能夠在時間或空間上擴展得更寬。這樣能夠產(chǎn)生更平坦地擴展的脈沖，并降低在需要大量色散時引起的費用、延時、和損耗。對給定功率電平，寬擴展的脈沖對給出更多能量從而更遠的距離是有用的。
作為附加的特征，該整形器有一個或多個光開關(guān)，用于選擇以哪一種延時脈沖形成脈沖串。這是一種控制脈沖串形成，以便控制輸出形狀，例如脈沖串的長度的方式。
SRS極限取決于脈沖功率而不是能量，而返回的信號取決于脈沖能量而不是功率。為了不必使用SRS波長變換來擴展感測長度，則必須使脈沖能量最大，同時把脈沖功率保持在SRS閾值以下。這一要求可以通過使用長的、低功率脈沖達到。支配脈沖的最大有用長度的因素，是系統(tǒng)的空間分辨率。脈沖寬度必須不超過要求的空間分辨率的兩倍。因此，為了對給定SRS極限使返回信號最大，脈沖寬度應(yīng)等于要求的空間分辨率的兩倍，且脈沖功率不得超過SRS閾值。
另一方面，SRS功率閾值隨脈沖持續(xù)時間的下降而增加。原因是SRS要求輸入光與Raman Stokes光共同傳播。這些分量有不同的波長表明，由于光纖中玻璃的色散，這些分量在玻璃中以不同的速度傳播。如果輸入脈沖是短的，那么該脈沖將在一定距離上“離散”并不再重疊。于是受激Raman過程停止增長。
雖然，對短的脈沖，SRS功率閾值可以更高，但當脈沖寬度明顯比空間分辨率更短時，脈沖能量不是最佳的。該第四方面通過使用包括一系列短脈沖的長脈沖串，能夠克服這一限制。該第四方面的優(yōu)點是，有長的脈沖串寬度，所以有大的能量，還有優(yōu)點是，有允許離散出現(xiàn)的短的分量脈沖。
按照本發(fā)明該第四方面，是再提供一種產(chǎn)生并傳輸高能光脈沖的設(shè)備，使激發(fā)的光能量最大化，同時抑制受激Raman光，并測量后向散射光不同分量的功率，以便能在長距離上實現(xiàn)溫度和/或損耗的分布式測量，本設(shè)備包括至少一根提供散射媒體的光纖；光源；通過調(diào)制裝置、把單個高功率脈沖變換為脈沖串的脈沖選擇裝置或變換裝置；光學(xué)濾波裝置；和把光信號變換為電信號的一個或多個檢測器。
在本系統(tǒng)中脈沖串的使用，在擴展感測距離方面有優(yōu)點，因為能夠降低SRS效應(yīng)，下面還要解釋。短脈沖的串，可以通過直接或從外部調(diào)制激光光源的光產(chǎn)生。然后，可以用光放大器把脈沖串放大，使最后的脈沖功率對給定的測量長度優(yōu)化。另外，可以使用有脈沖選擇器的鎖模激光器來選擇快速脈沖的串。
但是，使用Q開關(guān)技術(shù)的高功率、短脈沖的激光器，更容易得到。這些激光器通常產(chǎn)生非常高的峰值功率，能夠在非常短的距離上產(chǎn)生SRS。在現(xiàn)有技術(shù)中，是通過顯著衰減激光器的功率來抑制SRS的。這表明，大量可用的脈沖能量沒有被利用，從而降低能夠有效地達到的距離。
在單個高功率脈沖被變換為低功率脈沖串的情形，脈沖串中每一個將不超過SRS閾值，雖然可能降低了功率，但脈沖能量是相同的，被浪費的光最小。該脈沖串的長度應(yīng)接近要求的空間分辨率的兩倍。對短的輸入脈沖，可以通過允許脈沖串中分量脈沖之間存在間隔，進一步抑制SRS。這種方法，是通過允許離散的出現(xiàn)和通過允許Raman散射光在遇到脈沖串中下一個脈沖前顯著衰落，來抑制SRS的。
作為從屬權(quán)利要求的附加的特征，該光纖包括不同長度的光纖，用于提供沿長度的不同的Raman頻移，或用于改變傳播光的模態(tài)特性。這樣能在接收裝置上，區(qū)分從不同長度來的后向散射，或能減少干擾量。這樣，一次能把多與一個的脈沖引進光纖、增加脈沖重復(fù)率、和從而在給定的測量時間內(nèi)增加精度。
作為另一個這種附加的特征，是變換輸入光脈沖，使產(chǎn)生的脈沖串的持續(xù)時間與要求的空間分辨率匹配。
作為另一個這種附加的特征，該脈沖變換裝置包括一組或多組分解和再組合裝置，其中每一組把輸入光脈沖沿兩條或更多條不同光學(xué)長度的路徑發(fā)送，并把光組合成脈沖串。這是產(chǎn)生脈沖串的一種方式，在某些情形中，這比在光源產(chǎn)生各脈沖更為實際。
作為另一個這種附加的特征，該脈沖變換裝置包括光纖和光纖部件。這種部件可以是堅固的并相對便宜的。
作為另一個這種附加的特征，從脈沖變換得到的脈沖串持續(xù)時間和脈沖串模式，可以是固定的，也可以通過使用光開關(guān)控制，這些光開關(guān)選擇或淘汰使用的脈沖變換裝置數(shù)，和/或脈沖變換裝置中使用的路徑數(shù)。
作為另一個這種附加的特征，當導(dǎo)出溫度和/或損耗數(shù)據(jù)或其他感測狀態(tài)時，可以改變脈沖串寬度和/或模式和/或能量，以幫助校正非線性。
作為另一個這種附加的特征，當計算溫度和/或損耗時，可以比較返回的Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信號分量之一、之二、或全部，以校正信號中的任何非線性。
按照本發(fā)明該第五方面，是提供一種沿波導(dǎo)發(fā)送和接收光信號的感測系統(tǒng)，用于感測沿波導(dǎo)的狀態(tài)，本系統(tǒng)有沿波導(dǎo)發(fā)送脈沖的發(fā)射裝置、接收裝置、和波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括許多有不同特性的段，使脈沖的后向散射有不同的光學(xué)性質(zhì)，該接收裝置利用這些不同的光學(xué)性質(zhì)，區(qū)分不同段的后向散射。
本系統(tǒng)的優(yōu)點是，能使不同段的后向散射在接收裝置上被區(qū)分，或能降低不同段的后向散射之間的干擾量。這樣能更精確感測，或能一次把多于一個的脈沖引進光纖，增加脈沖重復(fù)率、和從而在給定的測量時間內(nèi)增加精度。
作為從屬權(quán)利要求的附加的特征，這些段有提供不同Raman頻移的波導(dǎo)，用于在不同波長上提供后向散射分量。這些波長差能夠在接收裝置上相對容易地區(qū)分，無需昂貴的附加部件。
作為另一個這種附加的特征，這些段有導(dǎo)致傳播光模態(tài)特性不同變化的波導(dǎo)，以不同的模態(tài)特性提供后向散射分量。作為另外的或與其他方式組合，這是另一種獲得相同優(yōu)點的方式。
一般說，現(xiàn)有感測系統(tǒng)為了保持在SRS極限之內(nèi)，拋棄激光器脈沖輸出90％的能量。通過在接收裝置上提供波長鑒別濾波，能夠允許在波導(dǎo)的某些長度中的功率，超過SRS極限，同時降低通常會引起的干擾。例如，在更長的距離上進行測量，可以這樣設(shè)置功率，使初始的10km為非線性，而讀出則在后面的1-5km上進行。
作為附加的特征，是設(shè)置定時門，用于區(qū)分沿波導(dǎo)需要位置返回的后向散射。在接收器上，與波長鑒別結(jié)合的定時門的優(yōu)點是，能夠使用更高的重復(fù)率，改進信號的平均處理過程。
其他的方面包括，用已知溫度的參考段來接收散射分量和校準散射分量的振幅。
其他的方面還包括，用開關(guān)把脈沖發(fā)送到至少兩根感測光纖和或發(fā)送到感測光纖的兩端。校準傳輸波長及開關(guān)的模態(tài)依賴性的手段，例如使用至少一段已知溫度的參考段，也可以用來改進不同感測光纖之間溫度測量的精度。
其他的方面包括，使用這種設(shè)備進行感測的相應(yīng)方法、提供感測服務(wù)的方法、制造感測系統(tǒng)的方法、和產(chǎn)生感測信號的方法。
對本領(lǐng)域熟練人員，特別對涉及本發(fā)明人不熟識的其他現(xiàn)有技術(shù)的熟練人員，本發(fā)明的其他優(yōu)點是顯而易見的。本領(lǐng)域熟練人員自然清楚，本發(fā)明的任何附加特征可以組合在一起并與本發(fā)明的任何方面組合。


下面參照附圖，通過舉例方式，說明本發(fā)明的實施例和如何實施這些實施例，附圖有圖1和2畫出本發(fā)明包括SRS波長變換的實施例，圖3和4畫出本發(fā)明的實施例，表明發(fā)射裝置的配置，圖5畫出產(chǎn)生脈沖的激光器的可能配置，圖6按照一個實施例，畫出接收裝置的視圖，供圖1或2或3或其他實施例的系統(tǒng)使用，圖7按照本發(fā)明的一個實施例，畫出表示接收裝置工作原理的示意圖，圖8、9、和10畫出本發(fā)明在把脈沖串沿光纖發(fā)送前，用變換把一個脈沖變換為脈沖串的實施例，和圖11和12示意畫出一個脈沖如何整形，或變換為脈沖串后如何整形。
具體實施例方式
圖1圖1畫出本發(fā)明一個實施例。發(fā)射裝置22與感測光纖30耦合，并沿光纖發(fā)送λ1的脈沖。脈沖有足夠的功率，使沿光纖建立SRS，并在λ轉(zhuǎn)變長度34上引起波長變換。用常規(guī)技術(shù)，把感測光纖所有點的后向散射與向前行進的光分離，并饋送至接收裝置20。該后向散射具有從兩種向前行進的波長λ1和λ2衍生的Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh分量。
接收裝置的首要目的，是輸出沿感測光纖給定距離上的感測位置36的感測值或狀態(tài)值，這些值是從后向散射信號導(dǎo)出的。這一步需要區(qū)分后向散射光的有用部分并計算感測的值。在畫出的例子中，光接收器24有光濾波器，用于從其他不需要的后向散射中分離出λ2的后向散射。
電輸出從接收器輸出到定時門26。從感測光纖每一點來的后向散射，經(jīng)歷不同的時間后，返回接收器?？梢园讯〞r門的開始及結(jié)束的定時，精細地對照相應(yīng)脈沖的注入時間，以便只讓來自需要感測的位置的后向散射通過。如圖所示，下面還要更詳細說明，用處理器28從被濾波和被選擇的后向散射分量計算感測值。通常，這一步需要對許多脈沖信號求平均，以降低噪聲影響?？梢栽O(shè)想這種配置原理上的許多變化。例如，如果任何時候光纖中只有一個脈沖，那么光接收器可以不必用濾波器。有了濾波器，能使后繼脈沖很快注入，因為在轉(zhuǎn)變長度之前可以有一脈沖，和在其后可以有一脈沖，而該濾波器能從每一脈沖中分離后向散射分量。
圖2圖2畫出本發(fā)明另一個實施例的簡圖，其中使用了脈沖激光器，且只接入光纖的一端。圖上畫出SRS如何以不同波長光照射光纖的不同部分。功率、脈沖重復(fù)率、和脈沖持續(xù)時間可以控制的脈沖激光器光源(1)，與諸如光耦合器的分解裝置(3)連接?？梢杂霉夥糯笃骱?或衰減單元(2)，控制進入系統(tǒng)的光功率量?？梢杂霉怆姍z測器(4)監(jiān)控該光功率，以便監(jiān)控輸入的功率。光電檢測器(4)可以有可變的增益。來自分解裝置(3)的光，被送進一定長度的光纖(5)，該光纖可以是單模的或多模的，也可以是偏振保持的，還可以包括不同光纖連接的長度。初始時，光纖(5)中前向傳播的光的波長，與光源的光相同，即λ1(10)。在光纖的某些距離上，起動SRS，并在一些轉(zhuǎn)變距離(11)上，前向傳播的光轉(zhuǎn)移到新的波長λ2。然后，前向傳播的光繼續(xù)以波長λ2通過光纖傳播(12)。
在一些更遠的點上，SRS可以在一些轉(zhuǎn)變距離(13)上再次被起動，產(chǎn)生新波長的前向傳播光(14)。由光纖(5)中全部前向傳播分量產(chǎn)生的后向散射光，返回分解裝置(3)，然后被發(fā)送到衰減器和/或放大器(6)。這個光隨后被發(fā)送到濾波單元(7)，該濾波單元是從許多濾波器中，選出一個放進光路徑的設(shè)備。被濾波單元選擇的光由光電檢測器(8)檢測，光電檢測器可以有可變的增益。處理單元(9)分析從信號光電檢測器(8)來的信號，并控制濾波單元(7)選擇的濾波器。處理單元還可以分析從監(jiān)控光電檢測器(4)來的信號，和/或控制監(jiān)控光電檢測器的增益，和/或控制信號光電檢測器(8)的增益，和/或控制激光器(1)的功率、和/或重復(fù)率、和/或脈沖寬度，和/或控制放大和/或衰減單元(2和6)兩者之一和/或兩者的放大和/或衰減量。
使用時，激光器把脈沖送進光纖，在光纖至少一個位置中產(chǎn)生SRS。對濾波單元選擇的每一波長，收集并記錄作為時間函數(shù)的返回信號。每一選擇的波長，與后向散射頻譜中感興趣的信號對應(yīng)，并通過分析這些信號，確定沿所有點上的溫度和/或損耗。
使用光纖中的非線性效應(yīng)，能夠把整個光纖產(chǎn)生的弱信號的測量優(yōu)化。隨著輸入光功率的增加，在光纖中一些點，經(jīng)過一定互作用長度之后，SRS把輸入光轉(zhuǎn)移至更長的波長上。這個過程可以沿光纖再次重復(fù)，使光纖不同部分被不同波長照射。沿光纖的轉(zhuǎn)變點，可以通過改變輸入功率調(diào)整。
激光器的脈沖光，經(jīng)過分解裝置的發(fā)送，進入光纖。這個光沿光纖傳播，并且在它傳播時，它產(chǎn)生Raman Stokes及反Stokes，和Rayleigh后向散射光。該后向散射光，例如用濾波器、波分復(fù)用耦合器、或耦合器與濾波器的組合，分開成它的頻譜分量，然后被檢測和分析。數(shù)據(jù)的分析，能導(dǎo)出沿光纖的溫度分布和/或損耗分布或其他狀態(tài)。
在光纖的一定距離上，Raman過程變成非線性的，而向前傳播的Stokes光變成受激的。這里要指出，經(jīng)過一段短的轉(zhuǎn)變長度后，光源的光功率被轉(zhuǎn)移至Stokes波長上，然后該Stokes波長照射光纖剩余的長度。然后，設(shè)備如同對光源的光那樣處理該新的波長，并收集和分析該新的第二代光的Raman Stokes及反Stokes、和Rayleigh波長。新的向前傳播的Stokes信號本身，可以變成受激的，如此在光纖更遠的地方重復(fù)該過程。在那里，新波長如同光源那樣被處理，并收集和分析該新波長的Raman Stokes及反Stokes、和Rayleigh波長。這一過程可以沿光纖長度重復(fù)許多次。
按此方式，光纖事實上被分割，使每一分割部分有不同的波源波長。因此，只要求在每一分割部分中只有一個脈沖(與整個光纖中有一個脈沖相反)，即能避免或減少干擾。理想的是，從每一分割部分獨立地收集數(shù)據(jù)，但應(yīng)指出，只在當前考察的分割部分中有一個脈沖才必須這樣做。同樣，因為故意使系統(tǒng)超過SRS極限，返回的信號比不超過SRS極限有更高的功率。
當光從初始波長頻移到新的Stokes波長時(該Stokes波長現(xiàn)在變成新的波源)，初始的波長現(xiàn)在與新的反Stokes波長重合。這樣會導(dǎo)致新的反Stokes波長，與任何仍在傳播的初始光源光的Rayleigh散射發(fā)生干擾。這種干擾能夠在接收器中通過選擇適當濾波器消除，在本例中，該濾波器在比老的Rayleigh信號略微不同的波長上，收集新的反Stokes信號。這一解決途徑能夠起作用，是因為盡管受激Stokes光在頻譜上變得非常窄，但低得多功率驅(qū)動的自發(fā)發(fā)光，在頻譜上則非常寬。如有必要，只需在該頻譜的某些部分收集光，于是可以選擇不與后向散射信號另一個分量重疊的部分。
后向散射分量的功率，將取決于產(chǎn)生該后向散射分量的位置上的溫度、光源光的衰減度、和信號本身任何非線性的增長?？梢杂盟惴ńM合Raman Stokes及Raman反Stokes、和Rayleigh信號，對這些效應(yīng)解除卷積，以便確定溫度和/或損耗數(shù)據(jù)。在對溫度和/或損耗數(shù)據(jù)的解除卷積中，分析收集的不同輸入功率的數(shù)據(jù)，是有用的。在Stokes信號變成受激的區(qū)域(這些區(qū)域通常相對地短)，可能難以可靠地使用這些算法。為消除這一困難，可以通過改變輸入功率，沿光纖移動這些區(qū)域。通過以不同輸入功率進行許多測量，本系統(tǒng)可以由此校正非線性，從而可靠地獲得溫度和/或損耗數(shù)據(jù)。
光纖可以是單模的、多模的，也可以是用于不同波長的單模與多模的混合，還可以有特別指定的摻雜水平，或有不同的摻雜層，使互作用優(yōu)化。
當導(dǎo)出溫度數(shù)據(jù)和改變光纖中Stokes信號變成受激的一個位置或多個位置時，為幫助校正非線性，可以改變光源功率?？梢赃x擇濾波作用，以便從光纖每一段的Stokes和/或反Stokes和/或Rayleigh信號中，收集不與其他段產(chǎn)生的等價分量顯著重疊的信號分量。
可以比較返回的Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信號之一、之二、或全部，以校正信號中的任何非線性，和校正來自一個分割部分的信號與來自另一分割部分的信號之間的任何重疊，并計算溫度和/或損耗。
圖3圖3以示意形式畫出另一個實施例，表明用在圖1或2實施例的發(fā)射裝置例子。應(yīng)當指出，為在兩種或多種波長上發(fā)射脈沖，需在接收裝置中校正光纖內(nèi)的微分損耗。微分損耗表示不同波長沿光纖的不同損耗，它在長距離的情形，例如涉及數(shù)公里光纖，和在感測依賴于多于一個波長的后向散射的情形，微分損耗是顯著的。例如，感測溫度就是這種情形，此時，溫度值是從單個向前行進波長的后向散射分量計算的，這些后向散射分量包括任何兩個或多個Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh后向散射分量。
為校正這類微分損耗，使用兩個或多個波長的脈沖。如果把更長波長脈沖的Raman Stokes后向散射分量，與更短波長脈沖的Raman反Stokes后向散射分量比較，那么能夠抵消各自的損耗分量。因此，可以消除微分損耗帶來的誤差。要產(chǎn)生兩個或多個波長的脈沖，可以使用兩個分開的光源，例如兩個波長的微芯片激光器，但圖3畫出的例子表明，如何用單個激光器產(chǎn)生兩個波長的脈沖。激光器110在脈沖定時控制部分100的控制下產(chǎn)生脈沖。該定時控制部分可以用常規(guī)電子電路，如微處理器實現(xiàn)。產(chǎn)生的脈沖有相對高的功率，例如10kW峰值功率、＜1nsec長、并在該區(qū)域中的能量為10μJ，用于起動SRS變換。該脈沖被分解器120分解為兩個脈沖流。能量的90％傳給第一脈沖流，10％傳給第二脈沖流。這樣做是為了克服變換器與整形器130引起第一脈沖流更大的損耗。
該變換器與整形器用于把第一脈沖流的脈沖波長，從λ1變換到λ2。如在其他實施例所述，這些波長可以分別是1054nm和1115nm。變換器可以作為一定長度，例如500m的光纖實施，或者是足以使SRS發(fā)生的任何長度，該長度除其他因素外，將取決功率和光纖特性。脈沖整形是為了把脈沖擴展，使它更長并在脈沖中以較低峰值功率保持更多的能量。這種脈沖整形可以用提供模態(tài)色散的色散單元實施，換句話說，對不同的正在傳播的傳輸模產(chǎn)生不同的延時。色散單元可以納入同一光纖的特性內(nèi)，或者遵照已有的實踐，通過設(shè)置諸如階躍折射率多模光纖單元。濾波器140可供選擇地放在兩個脈沖流被組合器組合之前或之后，該組合器可以是開關(guān)150的形式，也可以是其他類型的組合器。濾波器對選擇散射波長和除去其他不需要的分量是有用的。
該組合器的輸出是兩種不同波長的脈沖流。這些脈沖應(yīng)有相同的功率和其他特性。開關(guān)能按各種方式控制脈沖序列，各波長應(yīng)有相等的脈沖數(shù)，而接收裝置120應(yīng)對該序列報警，并通過例如圖示的定時控制部分100，對各脈沖定時。可以設(shè)想還有其他的方式。有些部分圖上沒有畫出或可供選擇。例如，沒有畫出的有，控制脈沖功率電平的衰減器。該衰減器可以安裝在光路徑中任何地方，并由例如微處理器控制。單個光源的優(yōu)點是，兩種或多種波長脈沖的定時和功率有內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。無需匹配或校正激光器特性中長期和短期的變化，得到更簡單和更低廉成本效益的裝置，或更高質(zhì)量的輸出。
分出輸出脈沖的一小部分，用于定時觸發(fā)。這一小部分的輸出脈沖，可以如圖所示，饋送至接收裝置，使接收裝置中的定時門同步?？晒┻x擇地，這一小部分輸出脈沖可以在其他地方分出，或由脈沖控制裝置在電上驅(qū)動，但用發(fā)射裝置中光信號分量后面的光學(xué)分接頭，能夠更精確，也避免必需計及發(fā)射裝置中的延時。光學(xué)分接頭能夠向后饋送至脈沖控制裝置，在需要時提供有關(guān)輸出脈沖的定時及形狀一些反饋，用于監(jiān)控或控制的目的。
圖4圖4按照一個實施例，畫出發(fā)射裝置的另一種配置。目的仍然是提供兩種波長的脈沖，使接收裝置(未畫出)能校正微分損耗。在本例中，設(shè)置兩個激光器110，在脈沖控制裝置100的控制下，輸出脈沖光。該脈沖控制裝置可以用例如常規(guī)的微處理器實現(xiàn)。開始時，脈沖在相同的波長上，但提供的變換器和整形器130改變脈沖流之一的波長。如同圖3所示，能夠可供選擇地提供濾波器140，清除不需要的散射分量信號。然后，為對脈沖整形，提供脈沖串發(fā)生器220和整形器單元135。脈沖串發(fā)生器通過一系列分解器、延時器、和組合器，把每一脈沖變換為脈沖串。下面還要參照圖8到12更詳細說明。這一步使脈沖在時間上擴展。然后，整形器可以使脈沖串中的每一脈沖擴展，把這些脈沖再融合成單個長脈沖。目的仍然是使脈沖加長，使它能保持更多的能量，或者供SRS極限以下的感測光纖使用，或者供如圖1所示的系統(tǒng)使用。借助脈沖串產(chǎn)生裝置的使用，整形器需要進行的擴展較小，使它的光學(xué)色散特性不致于太極端。因此，整形器可以更容易制作和/或最后的脈沖更平坦。如圖3所示，設(shè)置開關(guān)，用于把兩個脈沖流組合。如前面所示，分出光學(xué)定時觸發(fā)信號。
把通常小于1nsec的短脈沖，擴展為數(shù)十nsec的脈沖，是不尋常的步驟，但有助于使用短脈沖固態(tài)微芯片激光器。這種激光器在高效地產(chǎn)生足夠的峰值功率(如10kW)方面是優(yōu)良的，但腔短，表明它難以產(chǎn)生長脈沖。另一種是使用主動Q開關(guān)激光器而不是被動裝置。但更推薦使用被動裝置，因為它更堅固也更便宜。
圖5圖5畫出外部調(diào)制激光器的一個例子。這種外部調(diào)制激光器，能用作另一種產(chǎn)生脈沖的直接調(diào)制微芯片激光器。為從連續(xù)波輸出形成脈沖，要設(shè)置調(diào)制器220，由例如圖3或4的脈沖控制部分100控制。在調(diào)制器的輸出上設(shè)置光放大器230，以增加功率并主動控制功率電平，保證功率在兩種波長上相同。把脈沖定時信號饋送至調(diào)制器，同時脈沖功率在原理上可以通過三個組成部分的任一部分控制。雖然圖5的配置比較復(fù)雜，但它在脈沖形狀容易控制方面有一些優(yōu)點。
圖6、7圖6和7分別畫出接收裝置一種可能的實施方案的配置和接收裝置的操作步驟。進入的光的后向散射信號，被饋送至WDM(波分復(fù)用)分用裝置300。該分用裝置通過波長來分離各種分量。這些裝置可以用普通可購得的裝置實施。圖上畫出四個分開的輸出，盡管可以有更多輸出。四個輸出能對兩種不同波長的脈沖的3個后向散射分量實現(xiàn)分離。衰減器310用于衰減Rayleigh分量，因為它比其他分量亮得多，以免損壞檢測器。衰減器可以根據(jù)要接收的何種波長脈沖而開關(guān)。
O/E 320對每一波長通過光電檢測器執(zhí)行光到電的變換。模擬的電信號，在饋送到數(shù)字變換器及定時門340之前，被放大器330放大。數(shù)字變換器及定時門，在由發(fā)射裝置發(fā)送的定時觸發(fā)信號設(shè)定的時間窗中，輸出按給定瞬間抽樣的數(shù)字值，抽樣頻率至少是信號最高頻率的兩倍。數(shù)據(jù)的數(shù)字流被發(fā)送至緩沖器和/或求平均部分350，該部分350把值或平均值饋送至處理器360。處理器例如能夠以PC(個人計算機)形式實現(xiàn)，也可以用位于本機或遠程的其他常用硬件電路實現(xiàn)。處理器輸出例如感測值和測量置信度指示。
如圖7所示，在步驟400，發(fā)送λ1的脈沖。在步驟410或更早，切換衰減器，確保只有λ1被衰減。在步驟420，檢測返回的在λ0、λ2的Raman Stokes和Raman反Stokes分量。在步驟430到450，相應(yīng)的步驟是對λ2的脈沖，和在λ1、λ3上的Raman Stokes和Raman反Stokes分量進行檢測。這些步驟全部重復(fù)，以獲得后向散射分量的平均值。這些測量可以在不同脈沖功率電平上重復(fù)，以便對某些非線性實現(xiàn)一些校正。
在步驟470，用處理器獲得λ1來自λ2的脈沖對λ2來自λ1的脈沖的比值。如上所述，該比值能以抵消的微分損耗確定溫度。處理器同樣能確定其他比值或進行計算。例如，如果脈沖功率足夠高，使后向散射分量按非線性方式變化，那么按相反方式變化的兩個分量，能夠在數(shù)學(xué)上組合，給出與要測量的狀態(tài)確實有近似線性關(guān)系的值。按此方式，在步驟480，輸出根據(jù)上述比值的溫度值或其他狀態(tài)值，并校正各種誤差，如非線性誤差。
在步驟490，可供選擇地，可以確定第二比值，以便估計誤差程度，如微分損耗量。該第二比值對判斷光纖或其他部件是否變壞，和對輸出測量的置信度，是有用的。對光纖不可接入的情形，和對例如為了安全的原因，測量成為危險的情形，特別有用。為達到該目的，例如可以使用λ1來自λ2的脈沖對λ0來自λ1的脈沖的比值。
圖8圖8畫出本發(fā)明一個用于分布式測量的實施例，其中，來自激光器光源的光，被變換為脈沖串，且只接入光纖的一端。激光器光源(51)連接至脈沖變換裝置(52)，后者把輸入光轉(zhuǎn)換為脈沖串。該脈沖串然后發(fā)送到分解裝置(54)，例如光耦合器，分解裝置可以納入脈沖變換設(shè)備中?？梢杂霉夥糯笃骱?或衰減器單元(53)，控制進入系統(tǒng)的光功率量。可以用光電檢測器(55)監(jiān)控該光功率，以便監(jiān)控輸入的功率。光電檢測器(55)可以有可變的增益。來自分解裝置(54)的光，被送進一定長度的光纖(56)，該光纖可以是單模的或多模的，也可以是偏振保持的，還可以包括不同光纖連接的長度。光纖(56)中前向傳播的脈沖串產(chǎn)生的后向散射光，返回分解裝置(54)，還可以發(fā)送至衰減器和/或放大器單元(57)。
這個光然后被發(fā)送到濾波單元(58)，該濾波單元可以是從許多濾波器中，選出一個放進光路徑的設(shè)備，或者可以包括例如耦合器的分解裝置，該分解裝置把光分解為兩條路徑，以便分開進行濾波和檢測。被濾波單元選擇的光由一個或多個光電檢測器(59)檢測，光電檢測器可以有可變的增益。處理單元(60)分析該一個或多個信號光電檢測器(59)來的信號，還可以控制由濾波單元(58)選擇的濾波器。處理單元還可以分析監(jiān)控光電檢測器(55)來的信號，和/或控制監(jiān)控光電檢測器(55)的增益，和/或控制一個或多個信號光電檢測器(59)的增益，和/或控制激光器(51)的功率、和/或重復(fù)率、和/或脈沖寬度，和/或控制放大和/或衰減單元(53和57)兩者之一和/或兩者放大和/或衰減的量，和/或用脈沖變換(52)控制脈沖串的寬度和形狀。
使用時，激光器的光被送進脈沖變換裝置，脈沖變換裝置產(chǎn)生脈沖串，這些脈沖串被送進感測光纖，這些脈沖串在光纖中產(chǎn)生后向散射信號。對被濾波單元選擇的每一波長的后向散射信號，被作為時間函數(shù)收集并記錄。每一被選擇的波長，與后向散射頻譜中感興趣的信號對應(yīng)，并且，通過分析這些信號，確定沿所有點上的溫度和/或損耗。
通過把輸入光脈沖送進分解裝置，該分解裝置把光的一小部分引進兩條或多條各有不同長度的路徑，可以有效地產(chǎn)生脈沖串。然后，在組合裝置上，沿這些路徑傳播的脈沖再組合，并引導(dǎo)到一共同路徑。因為每一脈沖沿各自路徑傳播不同的距離，這些脈沖再組合后，形成脈沖串。通過改變長度差和路徑數(shù)，可以在最后脈沖串的持續(xù)時間和形狀方面，獲得廣闊的變化。此外，如這里說明的，可以把許多脈沖變換裝置一個接一個地組合。這樣做的優(yōu)點是，由于可以使用分解裝置的性質(zhì)，脈沖在每一分解單元上可以沿更少的路徑發(fā)送而達到相同的目的，這樣可使再組合裝置上的損耗變成最小。還有，可以在配置中包括光開關(guān)，使路徑數(shù)和/或變換裝置數(shù)可以選擇，產(chǎn)生特別指定的最后脈沖串持續(xù)時間和形狀。這樣能使脈沖串寬度調(diào)整到與要求的空間分辨率匹配，也能在需要時，向脈沖串添加脈沖或從脈沖串中除去脈沖，例如，在脈沖之間增大間隔，可以進一步減弱SRS。還可以除去脈沖，使脈沖串有更復(fù)雜的脈沖模式。該模式例如可以反映待測量結(jié)構(gòu)的某些已知周期性，給出比單個脈沖產(chǎn)生的信號功率更高的信號功率，但不增加任何測量的不確定性。
對分布式測量，激光器的光被變換為脈沖串，使脈沖串寬度對要求的空間分辨率優(yōu)化。還可以形成這樣的脈沖串，使分量脈沖之間存在允許離散的間隔。該脈沖串經(jīng)過分解裝置的發(fā)送，進入光纖。這個光沿光纖傳播，并且在它傳播時，它產(chǎn)生Raman Stokes及反Stokes，和Rayleigh后向散射光。該后向散射光，例如用濾波器、波分復(fù)用耦合器、或耦合器與濾波器的組合，分開成它的頻譜分量，然后被檢測和分析。數(shù)據(jù)的分析，能導(dǎo)出沿光纖的溫度分布和/或損耗分布。
光纖可以是單模的或多模的，也可以有特別指定的摻雜水平，或許多不同的摻雜層，使互作用優(yōu)化。光纖可以是偏振保持的，以提供更為可控的互作用。光纖可以包括不同光纖的各種長度，以便沿這些長度提供不同的Raman頻移，或者改變傳播光的模態(tài)特性。
分解裝置的分解比，可以依賴于波長或依賴于模態(tài)，以便改進輸入光與后向散射光的功率轉(zhuǎn)移。返回光可以被放大和/或衰減，以增強檢測的效果。光源可以是Q開關(guān)的、鎖模的、直接形成脈沖的、和外部形成脈沖的?？梢宰儞Q輸入的光脈沖，使產(chǎn)生的脈沖串持續(xù)時間與要求的空間分辨率匹配。
脈沖變換裝置可以包括一組或多組分解和再組合裝置，其中每一組把輸入光脈沖沿兩條或更多條不同光學(xué)長度的路徑發(fā)送，并把光組合成脈沖串。脈沖變換裝置中使用的分解和再組合裝置，可以是通常的耦合器、單模耦合器、多模耦合器、或偏振模耦合器之一，或是它們的組合。
脈沖變換裝置可以包括光纖和光纖部件。從脈沖變換得到的脈沖串持續(xù)時間和脈沖串模式，可以是固定的，也可以用光開關(guān)控制，該光開關(guān)選擇或淘汰該脈沖變換裝置中使用的脈沖變換裝置數(shù)和/或使用的路徑數(shù)。可以選擇脈沖串中脈沖間的間隔標志比，使受激Raman散射被脈沖與散射Raman光之間的感生離散進一步抑制。當導(dǎo)出溫度和/或損耗數(shù)據(jù)時，為幫助校正非線性，可以改變脈沖串寬度和/或模式和/或能量。
光源的功率可以直接改變，或通過衰減或放大裝置改變。濾波可以用光濾波器、可變光濾波器、波分復(fù)用耦合器、或耦合器及濾波器的組合獲得。
當計算溫度和/或損耗時，可以比較返回的Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信號之一、之二、或全部，以校正信號中的任何非線性。用從光纖兩端的測量，能更好地校準光纖。光纖端部可以是折射率匹配的和/或角度解理的，防止端部反射。
用光電檢測器、光電檢測器陣列、雪崩型光電二極管、單光子計數(shù)檢測器、或多光子計數(shù)檢測器，把光信號變換為電信號，并把電信號饋進處理器和按需要形式記錄。處理器可以控制該系統(tǒng)的部件的運行。
圖9圖9畫出用作脈沖整形器的脈沖變換裝置的實施例。本例的脈沖整形器，可以用脈沖激光器作為光源，有兩級串聯(lián)的延遲線，把輸入脈沖變換為四個脈沖的脈沖串?，F(xiàn)在參考圖7，高功率脈沖(21)被送至分解裝置，例如光耦合器(22)，在這里，耦合器把光引進兩條路徑，其中之一(23)比另一條(24)有更長的光學(xué)路徑長度。在這里，分解比可使輸入光的相等部分被送進每一路徑，且路徑長度之差大于輸入脈沖的長度。兩條路徑每一條中的光脈沖，高度是輸入脈沖的一半，但有相同寬度(25和26)。這兩個脈沖然后通過再組合裝置(27)，在這里，該再組合裝置是光耦合器。然后，該耦合器(27)把光分解，送進兩條路徑(28和29)，該過程對每一發(fā)射包括兩個脈沖的脈沖串的路徑重復(fù)，該兩個脈沖的每一個有相同寬度，高度是輸入脈沖的四分一(30和31)?，F(xiàn)在，這兩條路徑長度的差，超過輸入脈沖寬度的兩倍，使當兩條路徑再組合時，得到的脈沖串(32和33)各包括四個脈沖，其中每一個有輸入脈沖的寬度，而高度是輸入脈沖的8分之一。得到的脈沖可以用再組合裝置(36)組合在一起，送進一根光纖，該再組合裝置(36)可以與再組合裝置(34)相同，也可以是有效地把兩條或更多路徑的光組合的耦合器。例如，它可以是組合若干小纖心的輸出，送進更大纖心的模態(tài)耦合器，或者，它可以是偏振光束耦合器。輸出光纖(35)中得到的脈沖串(41)，高度是輸入脈沖(21)的四分一，寬度比輸入脈沖(21)寬度的四倍還寬。如有必要，可以使用比圖2所示的兩個更多的變換單元。此外，可以使用開關(guān)(37、38、39、和40)來阻止光通過一條或多條路徑。其結(jié)果是，通過除去分量脈沖，可以控制脈沖串的寬度和/或改變脈沖串的形狀。例如，如果開關(guān)(40)設(shè)置為阻擋光，那么變換設(shè)備的輸出，將是高度為輸入脈沖的四分一，而寬度大于輸入脈沖寬度兩倍的脈沖串。而如果開關(guān)(40)設(shè)置為透射光，那么輸出將是高度為輸入脈沖的四分一，而寬度超過輸入脈沖寬度四倍的脈沖串。
圖10圖10畫出從單個輸入脈沖創(chuàng)建脈沖串的脈沖整形器的另一個例子。在輸入上使用單模光纖，并耦合到三根也是單模的光纖，使進入的脈沖分解為三個近似相等部分，在分開的路徑上傳播。當然，可以有更多的路徑，取決于需要把脈沖擴展得多大。每一路徑由延時器600、610、和620提供不同的延時。這些延時可以用不同長度光纖的形式實施，而且可供選擇地能夠排列成具有受控制的色散量，以便實現(xiàn)某些脈沖擴展。每一支路中設(shè)有光開關(guān)630。擔任每一路徑的單模光纖，耦合進一根多模光纖，使不同延時的脈沖再組合。這樣能夠控制光開關(guān)來控制脈沖串的長度，以及控制脈沖串的脈沖之間的重疊量或空隙。這種使用單模光纖和多模光纖的方式，能夠以最小損耗實施分解和再組合。如有必要，通過在一些或所有支路中加上可控衰減器或放大器，能夠獲得脈沖形狀的進一步控制。每一支路本身可以被分解為許多子支路，或者可以建立支路的級聯(lián)。圖9的配置可以與圖10的配置組合，建立任何類型的級聯(lián)的或子支路的布局。
圖11和12圖11畫出輸入脈沖如何被色散單元的作用所擴展的曲線表示，這是大家已知的。擴展量是受限制的，輸出不是平坦地擴展的，更多的功率集中在中心附近。圖12以曲線表明，脈沖如何被圖9和10的配置、或脈沖變換裝置的其他實施例、或脈沖整形器擴展。圖上作為第一步，畫出建立脈沖串的分解、延時、和組合的作用。圖上作為第二步，畫出提供一些色散使脈沖擴展的作用。色散例如可以在分解前提供，或在分解后提供，或在組合后提供，最終的結(jié)果是相同的。在一個典型的例子中，小于1nsec寬度的輸入脈沖，被變換為數(shù)十nsec寬度的脈沖。把各脈沖擴展，和融合它們，使脈沖串變換為單個長脈沖，都可以通過多模態(tài)效應(yīng)，例如通過使用不同模式有不同路徑的階躍折射率多模光纖獲得。通過填充脈沖串中所有空隙和形成單個長脈沖，為給定峰值功率提供比不填充空隙更多的能量。通過產(chǎn)生脈沖串，需要的擴展較小，所以，例如用只有500m光纖的色散單元，代替5km的光纖。這樣可以降低體積及成本，也降低損耗。
結(jié)束語雖然已經(jīng)參照作為例子的光來說明，盡管清楚，但應(yīng)當認為包括電磁頻譜的其他部分，這些部分有類似的特性，能獲得以上所述相同的那些優(yōu)點。雖然已經(jīng)參照溫度或損耗的感測來說明，但顯然，不應(yīng)當認為僅限制在這些應(yīng)用，可以相信，在其他應(yīng)用中，也能使用本發(fā)明的各個方面。
已經(jīng)說明用于產(chǎn)生和傳輸高能光脈沖的方法和設(shè)備。分布式溫度傳感器通常使用光纖中的Raman散射，作為確定溫度的手段。這里要指出，來自激光器光源的光，沿光纖發(fā)送，并分析被散射回光源的少量光。隨著光纖長度的增加，溫度和損耗測量的分辨率變得更低劣。這是因為光纖中存在引起信號衰減的損耗。一個顯而易見的解決該問題的方案，是把更強的光注入光纖來補償損耗，但是，能注入多少光，是受受激Raman散射限制的。本發(fā)明通過使用脈沖變換方法，使得到的脈沖能量成為最大，同時把功率保持在SRS閾值以下，解決了這個問題。
權(quán)利要求
1.一種感測系統(tǒng)，用于沿波導(dǎo)發(fā)送電磁信號，并感測沿波導(dǎo)一個或多個感測位置上的狀態(tài)，本系統(tǒng)包括發(fā)射裝置，用于發(fā)射適當形狀的脈沖，通過在到達感測位置前的受激非彈性散射過程，使該脈沖發(fā)生受控變換，成為不同的波長，本系統(tǒng)包括接收裝置，用于接收從感測位置返回的信號，并根據(jù)接收的信號，確定這些狀態(tài)。
2.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，脈沖的功率可使不同波長再次經(jīng)受一次或多次變換，成為另外的不同波長，使波導(dǎo)的不同部分被不同波長照射，而該接收裝置用于區(qū)分每一不同波長上返回的光信號。
3.按照權(quán)利要求1或2的系統(tǒng)，有控制器，用于調(diào)整脈沖功率，使變換發(fā)生的轉(zhuǎn)變長度移動到光纖的不同部分。
4.按照權(quán)利要求1到3任一項的系統(tǒng)，被用于補償不同波長上的微分損耗。
5.按照權(quán)利要求4的系統(tǒng)，該發(fā)射裝置包括產(chǎn)生脈沖的光源、把脈沖分解為兩個脈沖流的分解器、和在兩個脈沖流沿光纖發(fā)送前使脈沖流之一變換波長的變換器，該接收裝置使用從兩個脈沖流返回的信號，補償波導(dǎo)中的微分損耗。
6.按照權(quán)利要求5的系統(tǒng)，該接收裝置通過檢測從第一波長上的脈沖之一返回的向上頻移分量，和從更高波長上發(fā)射的脈沖之一返回的、向下頻移至第一波長的向下頻移分量，補償微分損耗。
7.按照前面權(quán)利要求任一項的系統(tǒng)，該接收裝置還用于從一個或多個另外的感測位置，接收返回的變換之前的信號。
8.按照前面權(quán)利要求任一項的系統(tǒng)，有控制器，用于控制脈沖的重復(fù)率。
9.一種感測系統(tǒng)，用于沿波導(dǎo)發(fā)送電磁信號，并感測沿波導(dǎo)一個或多個感測位置上的狀態(tài)，本系統(tǒng)有接收裝置和有產(chǎn)生脈沖流的電磁源的發(fā)射裝置、把脈沖分解為兩個脈沖流的分解器、和在兩個脈沖流沿光纖發(fā)送前使脈沖流之一變換波長的變換器。
10.按照權(quán)利要求9的系統(tǒng)，該電磁源和分解器，用于在脈沖到達變換器的過程中提供足夠的功率，以便通過受激非彈性散射而實現(xiàn)變換。
11.按照前面權(quán)利要求任一項的系統(tǒng)，還包括脈沖整形器，用于使脈沖沿光纖發(fā)送前，把脈沖加長。
12.按照權(quán)利要求11的系統(tǒng)，該脈沖整形器包括色散單元。
13.按照權(quán)利要求11或12的系統(tǒng)，該脈沖整形器包括脈沖串變換器和色散單元，該脈沖串變換器把每一脈沖變換為脈沖串，該色散單元用于對脈沖串整形。
14.一種感測系統(tǒng)，用于沿波導(dǎo)發(fā)送電磁信號，并感測沿波導(dǎo)一個或多個感測位置上的狀態(tài)，本系統(tǒng)有發(fā)射器裝置，用于啟動一個或多個受激Raman光的產(chǎn)生，使光纖的不同部分能夠被不同波長照射，并用于同時在光纖中發(fā)射多于一個的光脈沖；還有接收裝置，用于長距離光纖上的感測，測量后向散射光不同分量的功率，該接收裝置有光學(xué)濾波裝置和一個或多個檢測器，用于把光信號變換為電信號。
15.按照前面權(quán)利要求任一項的系統(tǒng)，該接收裝置，用于區(qū)分從受激前向傳播信號的后向散射的Raman Stokes、或反Stokes、或Rayleigh波長。
16.按照前面權(quán)利要求任一項的系統(tǒng)，該接收裝置有濾波器，用于在波長變換前，在比發(fā)射的脈沖波長稍稍偏移的波長上，收集需要的后向散射信號。
17.按照前面權(quán)利要求任一項的系統(tǒng)，用于以不同脈沖功率重復(fù)測量，和用測量結(jié)果校正非線性。
18.按照前面權(quán)利要求任一項的系統(tǒng)，還包括光纖。
19.按照前面權(quán)利要求任一項的系統(tǒng)，用于控制脈沖功率，以改變沿光纖傳輸長度發(fā)生波長變換的位置。
20.按照前面權(quán)利要求任一項的系統(tǒng)，該發(fā)射裝置包括激光器、從激光器輸出產(chǎn)生脈沖的調(diào)制器、和放大脈沖的光放大器。
21.按照前面權(quán)利要求任一項的系統(tǒng)，該接收裝置有濾波器，用于收集從一段光纖后向散射的Raman Stokes、和/或Raman反Stokes、和/或Rayleigh信號分量，這些信號分量不與從其他段后向散射的等價分量顯著重疊。
22.按照前面權(quán)利要求任一項的系統(tǒng)，該接收裝置，用于比較返回的Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信號分量之一、之二、或全部，以校正信號中的任何非線性。
23.按照權(quán)利要求22的系統(tǒng)，該接收裝置，使用與被感測狀態(tài)關(guān)系處于飽和、非線性區(qū)的返回的Raman Stokes和Raman反Stokes分量的組合，來補償非線性。
24.一種脈沖整形器，用于對光輸入脈沖整形，該脈沖整形器有從輸入光脈沖產(chǎn)生脈沖串的脈沖串發(fā)生器，和位于該發(fā)生器前面或后面的色散單元，該發(fā)生器包括分解輸入脈沖的裝置和組合器，該分解的裝置把在兩個或多個有不同延時的路徑之間輸入的光脈沖分解，產(chǎn)生延時脈沖；該組合器把延時的脈沖組合，產(chǎn)生脈沖串；而該色散單元分別把輸入脈沖或脈沖串擴展。
25.按照權(quán)利要求24的設(shè)備，有一個或多個光開關(guān)，用于選擇以哪一種延時脈沖形成脈沖串。
26.一種產(chǎn)生并傳輸高能光脈沖的設(shè)備，本設(shè)備使激發(fā)的光能量最大化，同時抑制受激Raman光，本設(shè)備還用于測量后向散射光不同分量的功率，以便能在長距離上實現(xiàn)溫度和/或損耗的分布式測量，本設(shè)備包括至少一根提供散射媒體的光纖；光源；通過調(diào)制裝置、脈沖選擇裝置、把單個高功率脈沖變換為脈沖串的脈沖選擇裝置或變換裝置；光學(xué)濾波裝置；和把光信號變換為電信號的一個或多個檢測器。
27.按照權(quán)利要求26的設(shè)備，其中的光纖包括不同光纖的長度，以便沿長度提供不同的Raman頻移，或改變傳播光的模態(tài)特性。
28.按照權(quán)利要求26或27的設(shè)備，其中，輸入的光脈沖被變換，使得到的脈沖串持續(xù)時間與要求的空間分辨率匹配。
29.按照權(quán)利要求26到28任一項的設(shè)備，其中的脈沖變換裝置，包括一組或多組分解和再組合裝置，各把輸入光脈沖沿兩條或更多條不同光學(xué)長度的路徑發(fā)送，并把光再組合，形成脈沖串。
30.按照權(quán)利要求26到29任一項的設(shè)備，其中的脈沖變換裝置，包括光纖及光纖部件。
31.按照權(quán)利要求26到30任一項的設(shè)備，其中，從脈沖變換得到的脈沖串持續(xù)時間及脈沖串模式，可以是固定的，也可以通過光開關(guān)控制，這些光開關(guān)選擇或淘汰使用的脈沖變換裝置數(shù)，和/或脈沖變換裝置中使用的路徑數(shù)。
32.按照權(quán)利要求26到31任一項的設(shè)備，其中的脈沖串寬度和/或模式和/或能量，可以改變，以便在導(dǎo)出溫度和/或損耗數(shù)據(jù)時，有助于校正非線性。
33.按照權(quán)利要求26到32任一項的設(shè)備，其中，當計算溫度和/或損耗時，可以比較返回的Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh信號分量之一、之二、或全部，以校正信號中的任何非線性。
34.一種感測系統(tǒng)，用于沿波導(dǎo)發(fā)送電磁信號，并感測沿波導(dǎo)一個或多個感測位置上的狀態(tài)，本系統(tǒng)有沿波導(dǎo)發(fā)送脈沖的發(fā)射器裝置、接收裝置、和波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括許多有不同特性的段，使從脈沖的后向散射有不同的光學(xué)性質(zhì)，該接收裝置使用該不同的光學(xué)性質(zhì)，區(qū)分來自不同段的后向散射。
35.按照權(quán)利要求34的感測系統(tǒng)，這些段有提供不同Raman頻移的波導(dǎo)，以便在不同波長上提供后向散射分量。
36.按照權(quán)利要求34或35的感測系統(tǒng)，這些段有導(dǎo)致傳播光模態(tài)特性不同變化的波導(dǎo)，以提供有不同模態(tài)特性的后向散射分量。
37.按照權(quán)利要求1到23或26到36的感測系統(tǒng)，有權(quán)利要求24或25的脈沖整形器，用于對發(fā)射裝置上的脈沖整形。
38.一種使用前面權(quán)利要求任一項的設(shè)備來提供感測服務(wù)的方法。
39.一種使用前面權(quán)利要求任一項的設(shè)備來產(chǎn)生感測信號的方法。
全文摘要
本發(fā)明說明一種產(chǎn)生并傳輸高能光脈沖的方法及設(shè)備。分布式溫度傳感器，通常使用光纖中的Raman散射，作為確定溫度的手段。這里需指出，來自激光光源的光沿光纖發(fā)送，然后分析被散射回光源的少量光。隨著光纖長度的增加，溫度和損耗測量的分辨率變得更低劣。這是因為光纖中存在引起信號衰減的損耗。這一問題的一個解決方案，是把更強的光注入光纖來補償損耗，但是，能注入多少光，是受受激Raman散射限制的。本發(fā)明通過使用脈沖變換方法，使得到的脈沖能量最大化，同時把功率保持在SRS閾值以下，解決了這一問題。
文檔編號G01K11/00GK1761857SQ200480007040
公開日2006年4月19日 申請日期2004年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月12日
發(fā)明者穆罕默德·法哈蒂羅山, 湯姆·R·帕克, 彼得·N·科恩 申請人:傳感網(wǎng)絡(luò)有限公司