專利名稱：光纖管線監(jiān)測系統(tǒng)及使用其的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及管線監(jiān)測領(lǐng)域，更具體地，涉及用于使用光纖來監(jiān)測管線的改進(jìn)系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
光纖感測系統(tǒng)已經(jīng)用于大量應(yīng)用中，包括邊界安全、聲學(xué)感測和泄漏檢測。常規(guī)光 纖感測系統(tǒng)的示例包括(I)基于模干涉的系統(tǒng)；(2)基于時(shí)間相關(guān)的馬赫-澤德干涉儀的系統(tǒng)；及(3)基于相干瑞利反向散射的系統(tǒng)。這些常規(guī)系統(tǒng)中的每一個(gè)都遭受到某些缺陷。例如，基于模態(tài)干擾的系統(tǒng)提供極為有限的與事件有關(guān)的信息，諸如事件的位置和/或時(shí)間。此外，此類系統(tǒng)難以區(qū)分多個(gè)同時(shí)的事件。基于時(shí)間相關(guān)的馬赫-澤德干涉儀的系統(tǒng)難以辨別連續(xù)的事件(例如，管道泄漏)?；谙喔扇鹄聪蛏⑸涞南到y(tǒng)遭受到高詢問器成本和有限的靈敏度的問題。此外，這些常規(guī)系統(tǒng)中的某一些利用了位于整個(gè)陣列中的光子學(xué)箱(photonics boxes)，其需要本地提供的電力，從而使得此類系統(tǒng)對(duì)于遠(yuǎn)距離應(yīng)用是不切實(shí)際的。因此，需要并且期望提供用于管線監(jiān)測的改進(jìn)的光學(xué)檢測系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足這個(gè)及其他需要，鑒于其目的，根據(jù)示例性實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種用于監(jiān)測管線的光學(xué)檢測系統(tǒng)。該光學(xué)檢測系統(tǒng)鄰近或遠(yuǎn)離待監(jiān)測的管線。光學(xué)檢測系統(tǒng)包括主節(jié)點(diǎn)，該主節(jié)點(diǎn)包括(a)用于產(chǎn)生光信號(hào)的光源，以及(b)光接收器。光學(xué)檢測系統(tǒng)還包括位于管線本地的多個(gè)光纖傳感器，用于將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信息，每一個(gè)光纖傳感器包括(1)配置為感測振動(dòng)能量的至少一段光纖；(2)位于所述至少一段光纖的一端的反射器；以及(3)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)，用于接收來自所述主節(jié)點(diǎn)的光信號(hào)，所述現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)沿著所述至少一段光纖發(fā)送光信號(hào)，所述現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)接收從所述至少一段光纖返回的光信號(hào)，并且所述現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)將光信號(hào)發(fā)送到所述主節(jié)點(diǎn)的光接收器。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了另一種用于監(jiān)測管線的光學(xué)檢測系統(tǒng)。光學(xué)檢測系統(tǒng)包括鄰近或遠(yuǎn)離待監(jiān)測的管線的主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)包括用于產(chǎn)生光信號(hào)的光源、光接收器、以及位于待監(jiān)測的管線本地的光纖感測電纜。光纖感測電纜包括至少一個(gè)感測區(qū)域，所述至少一個(gè)感測區(qū)域由光纖感測電纜的一對(duì)光纖Bragg光柵限界。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種操作用于監(jiān)測管線的光學(xué)檢測系統(tǒng)的方法。所述方法包括步驟(a)在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)與要使用光學(xué)檢測系統(tǒng)監(jiān)測的管線有關(guān)的事件的多個(gè)預(yù)定特性；(b)將從監(jiān)測管線的光學(xué)檢測系統(tǒng)獲得的檢測特性與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的所述多個(gè)預(yù)定特性進(jìn)行比較；以及(C)確定在所述檢測特性與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的所述多個(gè)預(yù)定特性中的至少一個(gè)之間是否存在可接受級(jí)別的匹配。應(yīng)理解，本發(fā)明的前述的一般性描述及以下的詳細(xì)描述都是示例性的，而非限制性的。


結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)說明會(huì)最好地理解本發(fā)明。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，按照一般慣例，附圖的許多特征不是按照比例的。相反，為了清楚，任意地放大或縮小了多個(gè)特征的尺寸。包含在附圖中的是以下圖圖IA是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的光學(xué)檢測系統(tǒng)的方框圖；圖IB是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、與管線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合使用的圖IA的光學(xué)檢測系統(tǒng)的方框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的光學(xué)檢測系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)的方框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的光學(xué)檢測系統(tǒng)的第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的方框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的光學(xué)檢測系統(tǒng)的中間現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的方框圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的光學(xué)檢測系統(tǒng)的最終現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的方框圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于管線監(jiān)測的光學(xué)檢測系統(tǒng)的方框圖；圖7A-7B是示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的用于管線監(jiān)測的另一光學(xué)檢測系統(tǒng)的方框圖；以及圖8是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的操作用于管線監(jiān)測的光學(xué)檢測系統(tǒng)的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式為了實(shí)現(xiàn)與待監(jiān)測的管線有關(guān)的事件的檢測和分類，期望獲得干擾(例如，機(jī)械振動(dòng)、聲學(xué)振動(dòng)、沖擊、侵入等)的聞逼真度的電子表不。根據(jù)本發(fā)明的某些不例性實(shí)施例，提供了用于監(jiān)測管線的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其利用具有高線性和動(dòng)態(tài)范圍的干涉儀(例如，某些線性化的Sagnac干涉儀)。光學(xué)檢測系統(tǒng)還可以包括低噪聲、低失真的光接收器。在本發(fā)明的某些更特定的示例性實(shí)施例中，提供利用集成傳感器陣列的光學(xué)檢測系統(tǒng)(例如，包括劃分為多個(gè)感測區(qū)域的感測電纜，其可以設(shè)置為包括一系列線性化的Sagnac干涉儀)，用于監(jiān)測管線。此類光學(xué)檢測系統(tǒng)可以包括具有詢問子系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)和信號(hào)處理器。
現(xiàn)在參考附圖，其中，相似的附圖標(biāo)記在包括附圖的全部各圖中指代相似的元素，圖IA示出光學(xué)檢測系統(tǒng)10。光學(xué)檢測系統(tǒng)10包括多個(gè)光纜(S卩，光學(xué)感測電纜)400a、400b、……、400n (可以將其稱為換能器)，配置在分離的感測區(qū)域450、455、460、……、499中。光學(xué)檢測系統(tǒng)10還包括多個(gè)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)，包括第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300 ;中間現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a、500b等；及最終現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)600。光學(xué)檢測系統(tǒng)10還包括引線電纜200 (例如，用于來自每一個(gè)區(qū)域的探針和返回信號(hào)的遙測的引線電纜，這樣的引線電纜的長度是依賴于應(yīng)用的，示例性的引線電纜的長度在幾米到幾千米數(shù)量級(jí))、主節(jié)點(diǎn)100和信號(hào)處理器700。在圖IA所示的示例中，光學(xué)檢測系統(tǒng)10包括單個(gè)主節(jié)點(diǎn)100和單個(gè)第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300。取決于光學(xué)檢測系統(tǒng)10的確切結(jié)構(gòu)(例如，感測區(qū)域的數(shù)量，覆蓋每一個(gè)感測區(qū)域的電纜的長度等)，可以有多個(gè)主節(jié)點(diǎn)、第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)等，如在給定應(yīng)用中所期望的。圖IA中示出的結(jié)構(gòu)的示例性操作可以總結(jié)如下。主節(jié)點(diǎn)100(其結(jié)合信號(hào)處理器700工作)產(chǎn)生光信號(hào)，并沿著引線電纜200將信號(hào)發(fā)送到第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300 (例如，在此可以選擇包括引線電纜200的光學(xué)檢測系統(tǒng)的元件和結(jié)構(gòu)，以使得引線電纜對(duì)振動(dòng)的靈敏度最小)。如以下將詳述的，通過第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300并沿著光學(xué)感測電纜400a發(fā)送來自主節(jié)點(diǎn)100的部分光信號(hào)(打算用于監(jiān)測感測區(qū)域450)，在到達(dá)中間現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a后，反射回來，在此，反射信號(hào)沿著光學(xué)感測電纜400a返回，并最終返回主節(jié)點(diǎn)100和信號(hào)處理器700進(jìn)行處理。通過第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300并沿著光學(xué)感測電纜400a發(fā)送來自主節(jié)點(diǎn)100的另一部分光信號(hào)(打算用于監(jiān)測感測區(qū)域455)，通過中間現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a，沿著光學(xué)感測電纜400b，并在到達(dá)中間現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500b后反射回來，在此，反射信號(hào)沿著光學(xué)感測電纜400b、400a返回，并且信號(hào)最終返回到主節(jié)點(diǎn)100和信號(hào)處理器700進(jìn)行處理。對(duì)于每一個(gè)隨后的感測區(qū)域都發(fā)生類似的過程。如圖IA中明顯的，可以設(shè)想任何數(shù)量的期望的隨后感測區(qū)域(如 在區(qū)域460與499之間的虛線所表示的)，最終感測區(qū)域499終止于最終現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)600。圖IB示出用于感測沿管線155的干擾(例如，泄漏、損害事件等)的光學(xué)檢測系統(tǒng)10，其中每一個(gè)感測區(qū)域450、455、460……499都對(duì)應(yīng)于給定長度的管線155。光學(xué)感測電纜400a、400b、400c……400n固定于管線155 ;然而，光學(xué)檢測電纜也可以設(shè)置為接近管線155而無需固定到其上。在圖IB中，主節(jié)點(diǎn)100和信號(hào)處理器700安裝在控制室150或者其他所期望的環(huán)境中(例如，遙遠(yuǎn)而穩(wěn)定的環(huán)境)。如同圖IA中的一樣,光纖引線電纜200從主節(jié)點(diǎn)100延伸到第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300?，F(xiàn)在描述示例性光學(xué)檢測系統(tǒng)10的元件的細(xì)節(jié)。參照?qǐng)D2，主節(jié)點(diǎn)100包括外殼112中的一個(gè)或多個(gè)光源110 (例如,諸如超福射發(fā)光二極管、邊緣發(fā)射發(fā)光二極管、其他發(fā)光二極管源之類的LED源，激光器等)。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，光源110可以是以連續(xù)波(CW)模式工作的寬帶光源。光源110由源控制電路111控制。在當(dāng)前描述的示例性實(shí)施例中(相對(duì)于四個(gè)感測區(qū)域而描述并示出的)，經(jīng)由光纜120將光源110連接到標(biāo)記為光率禹合器130的I X4分光器(諸如I X4或4X4光纖稱合器或者集成分光器)。光稱合器130將來自光源110的光強(qiáng)度度輸出分為沿著各自光纖140a、140b、140c和140d的四個(gè)信號(hào)(例如四個(gè)基本上等強(qiáng)度的信號(hào))，它們輸出到相應(yīng)的光環(huán)行器150a、150b、150c和150d各自的輸入端(例如，相同的光環(huán)行器150a、150b、150c和150d)。沿著光纖引線電纜200中的每一條光纖160、161、162、163從各自的一個(gè)光環(huán)行器150a、150b、150c和150d提供輸出信號(hào)。如以上所提供的，根據(jù)本發(fā)明的某些示例性實(shí)施例，利用了線性化的Sagnac干涉儀。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到的，為了提供線性化的Sagnac干涉儀，修改(例如，折疊)了傳統(tǒng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)Sagnac干涉儀(例如，通常用于感測旋轉(zhuǎn))的架構(gòu)，以允許例如，通過結(jié)合1X2光纖耦合器來測量沿非環(huán)形結(jié)構(gòu)的光纖的相位擾動(dòng)。再次參照?qǐng)D2 (和圖3)，來自主節(jié)點(diǎn)100的光輸出沿引線電纜200中的每一條光纖160、161、162和163行進(jìn)，引線電纜200連接到第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300。第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300包括容納一系列組件的外殼310。
在圖3中，光纖160連接到光環(huán)行器320的輸入/輸出引線315。光環(huán)行器320的引線317連接到光耦合器330 (例如，3X3光纖耦合器)的引線322。光環(huán)行器320的引線319連接到光耦合器330的引線324。光耦合器330的引線332連接到延遲線圈340的引線335。光纖延遲線圈340的長度例如至少是光學(xué)感測電纜400a中光纖380的區(qū)域450長度的兩倍，其中為了最大的靈敏度，包括“展開的”感測光纖380的感測環(huán)路(例如，從3X3耦合器的一個(gè)輸出支路到另一個(gè)的)的中點(diǎn)在外殼310內(nèi)。延遲線圈340的引線341連接到光耦合器360 (例如，2X2光纖耦合器360)的引線342。光耦合器330的引線334連接到消偏器350的引線。光耦合器330的引線326打結(jié)和/或末端擠壓，以使得反射回光耦合器330中的光最少。類似地，光耦合器330的引線336打結(jié)和/或末端擠壓，以使得反射回光耦合器330中的光最少。
消偏器350顯著地減小了偏振引起的信號(hào)衰落，從而允許將廉價(jià)的單模光纖用于全部光組件和電纜光纖，而不是昂貴的保偏光纖。消偏器350可以是幾種市場上可以買到的消偏器之一，諸如再循環(huán)耦合器(單級(jí)或多級(jí))或者Lyot消偏器。消偏器350的引線352連接到光耦合器360的引線366。光耦合器360的引線362連接到光學(xué)感測電纜400a中的光纖380。光I禹合器360的引線364打結(jié)和/或末端擠壓，以使得反射回光I禹合器360中的光最少。盡管用于光稱合器360的一個(gè)不例是2X2光纖稱合器,但光稱合器360并不局限于該實(shí)施例。例如，可以使用1X2光纖耦合器來代替2X2光纖耦合器360，從而避免第二輸出引線364的打結(jié)。引線電纜200中的光纖161、162和163分別連接到現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300中的光纖370、372和374。這些是通過(pass-through)光纖,在第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300中不主動(dòng)地使用，而是連同其它節(jié)點(diǎn)中的感測來使用。光纖370、372和374分別連接到光學(xué)感測電纜400a中的光纖382、384和386。光學(xué)感測電纜400a中的光纖380用于在區(qū)域450內(nèi)進(jìn)行感測。光學(xué)感測電纜400a中的光纖380 (其已經(jīng)用于在區(qū)域450中進(jìn)行感測)附接到中間現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a中的光纖580 (見圖4)。光纖580連接到反射器581 (例如，寬帶反射器581 )。沿著感測電纜400a的干擾造成光纖380長度的小變化。這些變化導(dǎo)致通過Sagnac干涉儀行進(jìn)的光的相位的非往復(fù)的變化?，F(xiàn)在提供在圖3 (部分在圖4中)中示出的第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300的示例性操作。光信號(hào)(即，從主節(jié)點(diǎn)100進(jìn)入第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300的光)沿光纖160傳播到引線315，并進(jìn)入光環(huán)行器320的端口 2，隨后通過引線317離開光環(huán)行器320的端口 3，并且隨后沿引線322(一段光纖)傳播到光稱合器330。光稱合器330將光分為沿兩條反向傳播路徑的光信號(hào)所分開的光的第一路徑從引線332沿引線335延伸到延遲線圈340，隨后從引線341通過引線342延伸到光耦合器360 ;所分開的光的第二路徑從引線334通過引線354延伸到消偏器350，隨后從引線352通過引線366延伸到光耦合器360。這樣，將沿第一路徑的光相對(duì)于沿第二路徑的光延遲近似正比于延遲線圈340長度的時(shí)間。兩個(gè)反向傳播的光信號(hào)在光耦合器360重組，重組的光信號(hào)沿引線362離開光耦合器360，隨后沿光學(xué)感測電纜400a的光纖380 (用于在區(qū)域450中進(jìn)行感測)行進(jìn)。重組的光信號(hào)進(jìn)入光纖380上的現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a，并沿引線580傳播到反射器581，隨后沿光纖380反射回第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)300。光耦合器360將這一反射信號(hào)分為兩個(gè)光信號(hào)，其中每一個(gè)光信號(hào)均沿反向傳播路徑行進(jìn)，并在光耦合器330相干地重組。光信號(hào)在光耦合器330重組的結(jié)果是重組的光具有與來自沿光學(xué)感測電纜400a中光纖380的初始干擾的相位擾動(dòng)成比例的強(qiáng)度輸出。這一光信號(hào)(具有可變強(qiáng)度)從光耦合器330沿引線324 (即光纖324)輸出，隨后沿引線319進(jìn)入光環(huán)形器320的端口 I中。這一光信號(hào)從光環(huán)行器320的端口 I傳播到端口 2，隨后沿引線315傳播到引線電纜200的光纖160。沿引線電纜200的光纖160將信號(hào)發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)100的詢問器?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4，光學(xué)感測電纜400a中的光纖384和386分別連接到中間現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a中的光纖570、572。這些是通過光纖，在中間現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a中不主動(dòng)使用，而是連同在其它節(jié)點(diǎn)中的感測來使用。光纖570、572分別連接到光學(xué)感測電纜400b中的光纖584、586。光學(xué)感測電纜400b中的光纖582用于在區(qū)域455中進(jìn)行感測。光纖382從光學(xué)感測電纜400a連接到光環(huán)形器520的輸入/輸出引線515。光環(huán)形器520的引線517連接到光耦合器530 (例如，3X 3光纖耦合器530)的引線522。光環(huán)形器520的引線519連接到光耦合器530的引線524。
光耦合器530的引線532連接到延遲線圈540的引線535。光纖延遲線圈540的長度例如是光纖感測電纜400b中的光纖582的區(qū)域455的長度的至少兩倍，其中為了最大的靈敏度，包括“展開的”感測光纖582在內(nèi)，感測環(huán)路(例如，從3X3耦合器的一個(gè)輸出支路到另一個(gè))的中點(diǎn)在外殼510內(nèi)。延遲線圈540的引線541連接到光耦合器560 (例如，2X2的光纖耦合器560)的引線542。光耦合器530的引線534連接到消偏器550的引線554。光耦合器530的引線526打結(jié)和/或末端擠壓，以使得反射回光耦合器530中的光最少。類似地，光耦合器530的引線536打結(jié)和/或末端擠壓，以使得反射回光稱合器530中的光最少。消偏器550的引線552連接到光耦合器560的引線566。光耦合器560的引線562連接到光學(xué)感測電纜400b中的光纖582。光I禹合器560的引線564打結(jié)和/或末端擠壓，以使得反射回光I禹合器560中的光最少。盡管不例性的光稱合器560是2X2光纖稱合器,但光稱合器560并不限于該實(shí)施例。例如，可以使用1X2光纖耦合器來代替2X2光纖耦合器560，從而避免引線564的打結(jié)?，F(xiàn)在提供圖4中所示的現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a的示例性操作。光信號(hào)(即，從主節(jié)點(diǎn)100進(jìn)入現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a的光)沿光纖382傳播到引線515，并進(jìn)入光環(huán)形器520的端口 2，隨后通過引線517離開光環(huán)形器520的端口 3，隨后沿引線522 (—段光纖)傳播到光耦合器530。光耦合器530將光分為沿兩條反向傳播路徑的光信號(hào)所分開的光的第一路徑從引線532沿引線535延伸到延遲線圈540，隨后從引線541通過引線542延伸到光耦合器560 ;所分開的光的第二路徑從引線534通過引線554延伸到消偏器550，隨后從引線552通過引線566延伸到光耦合器560。這樣，沿第一路徑的光相對(duì)于沿第二路徑的光延遲近似正比于延遲線圈540長度的時(shí)間。兩個(gè)反向傳播的光信號(hào)在光耦合器560重組，重組的光信號(hào)沿引線562離開光耦合器560，隨后沿光學(xué)感測電纜400b的光纖582(用于在區(qū)域455中進(jìn)行感測)行進(jìn)。重組的光信號(hào)進(jìn)入光纖582上的現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500b (見圖1A-1G)，并沿光纖582反射回(使用現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500b中的反射器，其類似于現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a中的反射器581)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a。光耦合器560將這一反射信號(hào)分為兩個(gè)光信號(hào)，其中每一個(gè)光信號(hào)均沿反向傳播路徑行進(jìn)，并在光耦合器530相干地重組。光信號(hào)在光耦合器530重組的結(jié)果是重組的光具有與來自沿光學(xué)感測電纜400b中光纖582的初始干擾的相位擾動(dòng)成比例的強(qiáng)度輸出。這一光信號(hào)(具有可變強(qiáng)度)從光耦合器530沿引線524 (即光纖524)輸出，隨后沿引線519進(jìn)入光環(huán)形器520的端口 I中。這一光信號(hào)從光環(huán)行器520的端口 I傳播到端口 2，隨后沿引線515到光纖382(并通過光纖370)，到引線電纜200的光纖161。沿引線電纜200的光纖161將信號(hào)發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)100的詢問器。按照所期望的，重復(fù)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)500a、500b等與光學(xué)感測電纜400a、400b等的模式，并利用電纜內(nèi)可用數(shù)量的光纖?？梢允褂眠@個(gè)模塊化方案設(shè)想其它系統(tǒng)級(jí)布局技術(shù)(例如，支路、雙向/冗余等)。每一個(gè)光學(xué)感測電纜400a、400b等均可以用于提供聲學(xué)上獨(dú)立的感測區(qū)域。圖5示出最終現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)600，其包括用于容納最終光學(xué)感測電纜400n的外殼610。光學(xué)感測電纜400n包括連接到反射器681 (例如 ，寬帶反射器681)的光纖680。返回來參照?qǐng)D2，在耦合器330或530等處從相位信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度信號(hào)之后，與每一區(qū)域內(nèi)的相位擾動(dòng)(例如，起因于感測到的機(jī)械或聲學(xué)振動(dòng))成比例的光強(qiáng)度度信號(hào)通過光纖160、161、162和163，隨后通過環(huán)形器150a、150b、150c和150d返回到主節(jié)點(diǎn)100 (可以將其設(shè)想為詢問器)。環(huán)形器150a、150b、150c和150d配置為允許信號(hào)從光纖160通過，到達(dá)光纖174、信號(hào)從光纖161通過，到達(dá)光纖173、信號(hào)從光纖162通過，到達(dá)光纖172、以及信號(hào)從光纖163通過，到達(dá)光纖171。然而，環(huán)形器150a、150b、150c和150d防止光從光纖160或光纖174到光纖140a ;從光纖161或光纖173到光纖140b ;從光纖162或光纖172到光纖140c ;以及從光纖163或光纖171到光纖140d等的通過。在光電檢測器175處將來自光纖174的光轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。類似地，在光電檢測器176處將來自光纖173的光轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)、在光電檢測器177處將來自光纖172的光轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)、以及在光電檢測器178處將來自光纖171的光轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。由光電檢測器175、176、177和178轉(zhuǎn)換的電信號(hào)可以是極低噪聲的信號(hào)，具有小于約0. 5nA的暗電流。隨后使用互阻抗放大器180 (例如，極低失真(小于_90dB)、高增益帶寬(在500-2000MHz 數(shù)量級(jí))，且噪聲小于 InV/ V Hz(諸如 Analog Devices, Inc 生產(chǎn)的 AD8099 型)的放大器)來放大光電檢測器175、176、177和178的輸出。每一個(gè)互阻抗放大器180之后可以是多級(jí)的進(jìn)一步放大，如同本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。使用濾波器181對(duì)放大器180的電輸出進(jìn)行濾波。使用高質(zhì)量光電檢測器、放大器和濾波器會(huì)有利地產(chǎn)生具有高保真度的信號(hào)，其保真度足以進(jìn)行檢測事件的魯棒分類和無誤警的警報(bào)產(chǎn)生(或者基于機(jī)械/聲學(xué)振動(dòng)的其它指示)所期望的高級(jí)信號(hào)處理。從濾波器181輸出的信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)182采樣。來自ADC 182的所采樣的電信號(hào)由一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 184接收。可以將FPGA 184配置為執(zhí)行高速信號(hào)預(yù)處理。這樣的FPGA 184通常用于執(zhí)行來自每一個(gè)區(qū)域的采樣數(shù)據(jù)的濾波和快速傅立葉變換(FFT)，以確定沿每一個(gè)區(qū)域的干擾的瞬時(shí)譜。如圖2所示，由微處理器186執(zhí)行進(jìn)一步的處理。利用接口芯片188來實(shí)現(xiàn)與外部安全系統(tǒng)處理器及其它外圍設(shè)備的通信。接口芯片188例如可以是RS-232接口芯片或者USB收發(fā)器。示例性的信號(hào)處理順序如下實(shí)現(xiàn)。從每一個(gè)感測區(qū)域(例如，區(qū)域450、區(qū)域455、區(qū)域460等)，ADC 182對(duì)一組數(shù)據(jù)樣本(例如,每秒8192個(gè)樣本的示例性速率)進(jìn)行數(shù)字化。在這個(gè)示例中，F(xiàn)PGA 184執(zhí)行8192個(gè)樣本FFT以產(chǎn)生頻譜，該頻譜輸出到微處理器186。微處理器186將從FPGA184輸出的頻譜分組到數(shù)據(jù)窗口中(例如，以0. 25秒的數(shù)量級(jí))。
在這樣的示例中，由在已知事件的引入期間產(chǎn)生的處理信號(hào)來創(chuàng)建一系列的頻譜屏蔽(在此，可以根據(jù)應(yīng)用來配置這些事件)。在管線檢測應(yīng)用中，這樣的事件可以是惡意/警報(bào)事件，諸如對(duì)一部分管線鉆孔、切割一部分管線、從一部分管線的流體泄漏等。例如，可以以數(shù)據(jù)庫、查詢表或者其它數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)保存在這些事件期間由FPGA 184產(chǎn)生的頻譜。進(jìn)一步修改這些頻譜屏蔽中的每一個(gè)，以創(chuàng)建動(dòng)態(tài)信號(hào)閾值。將每一個(gè)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)接收數(shù)據(jù)的頻譜與信號(hào)閾值相比較。建立連續(xù)性要求，其要求每“n”個(gè)相連的時(shí)間窗口有“m”個(gè)頻譜超過頻譜屏蔽，當(dāng)為真時(shí)，將其報(bào)告為警報(bào)條件。連續(xù)性的使用有助于使起因于高能量的瞬時(shí)(非警報(bào))事件的誤警報(bào)減到最少。不斷更新動(dòng)態(tài)閾值，其中通過對(duì)環(huán)境區(qū)中的所有區(qū)的公共頻帶的值求和，來為頻譜內(nèi)的每一個(gè)頻帶計(jì)算單一值(在此，環(huán)境區(qū)是由用戶人為分組的一組真實(shí)感測區(qū)域)。在用戶定義的時(shí)間間隔上對(duì)這些值積分。這一動(dòng)態(tài)閾值用于補(bǔ)償影響多個(gè)區(qū)域的非瞬時(shí)的環(huán)境作用(例如，幾秒到幾小時(shí)數(shù)量級(jí)持續(xù)的)，諸如下雨、冰雹、公路交通、火車等。動(dòng)態(tài)閾值積分的這個(gè)時(shí)間間隔越短，動(dòng)態(tài)閾值改變就越快。這個(gè)時(shí)間間隔越長，動(dòng)態(tài)閾值響應(yīng)衰減得越多。另外，也可以限制任何一個(gè)瞬時(shí)頻譜能夠偏置動(dòng)態(tài)閾值的量，以避免單一事件(諸如來自墜落的樹枝的影響)對(duì)閾值具有過度的影響。 可以通過利用多路復(fù)用器、開關(guān)或其他適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)1000組合并辨別從主節(jié)點(diǎn)100中的濾波器181到放大器或線路驅(qū)動(dòng)器1011的電輸出，以提供用戶所需的任何區(qū)域的音頻輸出。通過使用戶能夠在產(chǎn)生警報(bào)時(shí)聽到檢測到的事件而提供音頻輸出增強(qiáng)了光學(xué)檢測系統(tǒng)10的功能。圖1A-1B中所示的光學(xué)檢測系統(tǒng)10涉及線性化的Sagnac型架構(gòu)；然而，本發(fā)明并不限于這個(gè)架構(gòu)?？商鎿Q的架構(gòu)的示例是諸如圖6中所示的時(shí)分復(fù)用(TDM)系統(tǒng)光學(xué)架構(gòu)，和諸如圖7A-7B中所示的Michelsen光學(xué)架構(gòu)。具體參照?qǐng)D6，提供配置為無限脈沖響應(yīng)干涉儀陣列的光學(xué)檢測系統(tǒng)1010，用于監(jiān)測管線1155。結(jié)合圖6描述的各個(gè)元件的功能類似于以上結(jié)合圖1A-1B描述的那些?？刂剖?150包括主節(jié)點(diǎn)1100 (包括詢問器)和信號(hào)處理器1700。主節(jié)點(diǎn)1100使用引線電纜1200連接到光學(xué)感測電纜1400，在此光學(xué)感測電纜1400沿管線1155延伸。光學(xué)感測電纜1400包含一系列干涉儀(例如，F(xiàn)abry-Perot干涉儀)，它們均是光學(xué)感測電纜1400的光纖的一段。段(其也可以稱為感測區(qū)域)的示例性長度在25-1000米之間。干涉儀由一對(duì)光纖Bragg光柵(FBG)限界。更具體地，段1400a由FBG 1410a、1410b限界。類似地，段1400b由FBG 1410c、1410d限界，如此等等，直到最終段終止于FBG 1410no根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，每一個(gè)FBG (例如，1410a、1410b、1410c、1410d、1410n)是對(duì)光纖的晶體結(jié)構(gòu)的周期性擾動(dòng)。這種擾動(dòng)可以由使用激光束的干涉圖而產(chǎn)生，如同本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。示例性的FBG具有百分之一數(shù)量級(jí)的峰值反射，并具有約4-6nm的頻譜寬度(最大值一半的總寬或者FWHM)。示例性FBG的中心波長取決于系統(tǒng)中使用的多路復(fù)用的類型。詢問器(主節(jié)點(diǎn)1100中的)的目的在于照亮干涉儀陣列(例如，用極窄的譜線寬度的光，例如，在0. I-IOkHz數(shù)量級(jí)FWHM)，并提供與到每一個(gè)干涉儀的聲學(xué)輸入成比例的電輸出。包括光源的這樣的詢問器的示例是低相位噪聲激光器，諸如外腔式激光器或光纖激光器。將相位信號(hào)施加到光上(例如，相位調(diào)制的光信號(hào))，該光也是脈沖化的，具有等于在相鄰FBG之間光通過的時(shí)間的兩倍的脈沖寬度。將脈沖發(fā)送到包括干涉儀的線性傳感器陣列，在此每一個(gè)FBG都將小百分比的光反射回主節(jié)點(diǎn)1100中的詢問器。更具體地，干涉儀(例如，由一對(duì)FBG光柵限界的光纖段)感測聲學(xué)和/或機(jī)械振動(dòng)(例如，從損壞或鄰近管線1155的人發(fā)出)，在從線性傳感器陣列返回到主節(jié)點(diǎn)1100后，解調(diào)(例如，下變頻)相位信號(hào)(例如，已經(jīng)被振動(dòng)導(dǎo)致的相位變化擾動(dòng)的光信號(hào))，并可用于由處理器1700(例如，微處理器、PC等)進(jìn)行后處理(例如，頻譜分析、屏蔽比較等)，在此處理這樣的振動(dòng)以解釋事件(例如，損壞管線1155)。具體參照?qǐng)D7A -7B，光學(xué)檢測系統(tǒng)2010的主節(jié)點(diǎn)2100 (在此，主節(jié)點(diǎn)2100在功能上與圖1A-1B中的主節(jié)點(diǎn)100多少有些類似，并可以設(shè)置在控制室或其他預(yù)期的環(huán)境中)連接到Michelsen結(jié)構(gòu)中的用于監(jiān)測管線等的傳感器陣列(例如，在此傳感器陣列固定到管線，或提供在其附近，為了簡單而沒有示出管線)。主節(jié)點(diǎn)2100包括光源2110(例如，諸如激光源的相干光源)，其向相位調(diào)制器2102發(fā)送光信號(hào)(S卩，光)。由解調(diào)器1(8卩，元件2106a)產(chǎn)生相位載波(例如，諸如正弦波之類的電信號(hào))，并由調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路2104 (例如，具有與相位調(diào)制器2102的輸出阻抗基本上匹配的輸出阻抗)進(jìn)一步放大。相位調(diào)制器2102可以是光纖纏繞的PZT (即，鋯鈦酸鉛)管、電光相位調(diào)制器(例如，鈮酸鋰平面波導(dǎo)器件)，或用于調(diào)制光相位的任何其他適合的器件。放大的相位載波由相位調(diào)制器2102輸出到光信號(hào)上。來自相位調(diào)制器2102的輸出光信號(hào)通過光I禹合器2130,在此光f禹合器2130是IXn光I禹合器(例如,在此“n”可以是光學(xué)檢測系統(tǒng)2010的傳感器或者感測區(qū)域的數(shù)量)。在光耦合器2130處劃分光信號(hào)(即，光)，用于每一個(gè)感測區(qū)域的化分的光通過各自的光環(huán)行器。更具體地用于區(qū)域A的光信號(hào)通過光環(huán)行器2150a ;用于區(qū)域B的光信號(hào)通過光環(huán)行器2150b ；以及用于區(qū)域N的光信號(hào)通過光環(huán)行器2150n (在此，在區(qū)域B與區(qū)域N之間可以有任意期望數(shù)量的區(qū)域)。引線電纜2200 (攜帶光纖A、B、N等)從主節(jié)點(diǎn)2100延伸到第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)2300。引線電纜2200可以按所期望的對(duì)如振動(dòng)和聲學(xué)能量的擾動(dòng)不敏感。在不包括最終現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)2600的每一個(gè)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)處(即，包括第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)2300、中間現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)2500a等)存在干涉儀，該干涉儀延伸到下一相鄰現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)干涉儀包括光耦合器2112a、2112b等，在此光耦合器可以是I X 2光耦合器、2 X 2光耦合器等；各自的參考線圈2114a、2114b等，在此示例性的參考線圈可以具有約等于感測區(qū)域中光纖長度的長度，以及在此，參考線圈對(duì)于振動(dòng)和聲學(xué)輸入相對(duì)穩(wěn)定；各自的光感測光纖Al、BI、NI ；以及反射器2116a、2116b等，在此示例性的反射器包括光纖或者法拉第旋轉(zhuǎn)鏡上的反射端面。更具體地，光纖A從光環(huán)行器2150a延伸到第一現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)2300中的光耦合器2112a。在光耦合器2112a處劃分光纖A上的光信號(hào)，在此所劃分的光信號(hào)的第一支路沿參考線圈2114a行進(jìn)，隨后到達(dá)反射器2116a。該劃分的光信號(hào)從反射器2116a反射回到光耦合器2112a。所劃分的光信號(hào)的第二支路沿光纖Al行進(jìn)，在此光纖Al用作沿管線的第一感測區(qū)域的感測光纖(在此，在圖7A-7BA中沒有示出管線)。期望感測光纖Al對(duì)振動(dòng)的和聲學(xué)的干擾敏感。更具體地，感測光纖Al通過拉緊和/或改變其長度來對(duì)這種干擾作出響應(yīng)(例如，在與干擾相同的頻率對(duì)干擾作出響應(yīng))，從而將振動(dòng)和/或聲學(xué)能量轉(zhuǎn)換為光相位信息。該光相位信息與從相位調(diào)制器2102引入的相位載波混合(例如，在IO-IOOkHz數(shù)量級(jí)上)。包含相位信息的光信號(hào)沿光纖Al (在電纜2400a中)行進(jìn)，在反射器2118a處反射，并返回到光耦合器2112a。在光耦合器2112a相干地重組沿第一支路和第二支路中的每一個(gè)反射回來的光信號(hào)(在此，在光耦合器2112a處將來自第二支路的相位信息轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度度信息)，重組的光信號(hào)沿光纖A返回到主節(jié)點(diǎn)2100的光環(huán)行器2150a，隨后到達(dá)解調(diào)器I。在解調(diào)器I處，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能并解調(diào)。處理器2108處理電信號(hào)，以確定作用于第一感測區(qū)域中光纖的擾動(dòng)和/或干擾是否指示管線上的預(yù)定活動(dòng)(例如，在此這樣的預(yù)定活動(dòng)可能是管線泄漏，或者管線破壞，諸如挖掘、切割、鉆孔等)。借助處理器2108的確定可以是基于頻率的處理、基于時(shí)間的處理或者其組合。以類似的方式監(jiān)測管線的后續(xù)感測區(qū)域(S卩，使用各自的解調(diào)器2，N，其被標(biāo)記為2106b、2106n)。例如，使用感測光纖BI (在電纜2400b中)監(jiān)測管線的第二感測區(qū)域，感測光纖BI從(I)中間現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)2500a中的光耦合器2112b延伸到(2)沒有示出的后續(xù)中間現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)中的類似于反射器2118a的反射器。最后，使用感測光纖NI (在電纜2400n中，圖7B中僅示出其一端)監(jiān)測最終感測區(qū)域，在此感測光纖NI終止于最終現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)2600處的反射器2118n。本發(fā)明還包括操作諸如相對(duì)于圖1A-1B和圖2-5示出并描述的光學(xué)檢測系統(tǒng)10之類的光學(xué)檢測系統(tǒng)的方法。圖8示出以閉環(huán)方式實(shí)現(xiàn)該方法的示例。在步驟800，將要使用光學(xué)檢測系統(tǒng)監(jiān)測的事件的多個(gè)預(yù)定特性存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中?！邦A(yù)定”意思是預(yù)先確定的，以使得在諸如實(shí)施該方法的一些事件之前必須確定預(yù)定特性，即，選擇或至少已知的。取決于光學(xué)檢測系統(tǒng)的應(yīng)用，這些事件(及因此的這些事件的預(yù)定特性)會(huì)廣泛地不同。例如，在示例性的管線檢測系統(tǒng)中，示例性的事件可能包括管線泄漏、對(duì)管線的破壞(例如，用鋸切割管線、管線被物體撞擊、對(duì)管線鉆孔等)，以及令人厭惡的警報(bào)(例如，動(dòng)物、天氣、正常的車輛交通等)。更進(jìn)一步地，事件的特性可以廣泛地不同。如以上提供地，這樣的特性可以是已知事件的多個(gè)頻譜或一個(gè)頻譜(例如，已知事件的振動(dòng)頻譜)。這樣的頻譜可以是在多個(gè)頻率上的能量分布等。在一個(gè)特定示例中，為了在步驟800提供特性，完成了多個(gè)子步驟。在第一子步驟中，對(duì)一系列已知事件(例如，泄漏、捶擊、切割等)期間的一系列時(shí)間窗口內(nèi)的一組采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)用開窗口函數(shù)(諸如漢寧函數(shù)或貝克曼函數(shù))。在第二子步驟中，通過對(duì)開窗數(shù)據(jù)實(shí)施快速傅立葉變換(FFT)來創(chuàng)建頻譜。在第三子步驟中，以包括對(duì)一系列類似事件的全體系統(tǒng)響應(yīng)的方式(例如，以使得誤報(bào)警最少的方式)來調(diào)整頻譜的比例，以創(chuàng)建頻譜屏蔽。在第四子步驟中，將所得到的頻譜屏蔽與每一個(gè)事件相關(guān)聯(lián)，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中(例如，數(shù)據(jù)庫或其它類似的可檢索的結(jié)構(gòu))。在步驟802，將從光學(xué)檢測系統(tǒng)獲得的(例如，通過從多個(gè)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)接收的光強(qiáng)度度信息的處理，從主節(jié)點(diǎn)獲得的)檢測特性與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的多個(gè)預(yù)定特性進(jìn)行比較。再次參考上述的頻譜示例，步驟802可以包括兩個(gè)子步驟。在第一子步驟中，在正常操作期間獲得數(shù)據(jù)的開窗樣本(例如，在管線監(jiān)測應(yīng)用中使用光學(xué)檢測系統(tǒng))，作為時(shí)間的函數(shù)產(chǎn)生這個(gè)數(shù)據(jù)的頻譜(例如，在此，可以通過對(duì)時(shí)間窗口上獲得的數(shù)據(jù)執(zhí)行快速傅立葉變換來產(chǎn)生這個(gè)頻譜)。隨后，在第二子步驟中，將在正常操作期間產(chǎn)生的頻譜與預(yù)先關(guān)聯(lián)于警報(bào)事件(及令人厭惡事件)并存儲(chǔ)的那些進(jìn)行比較(例如，與在步驟800中提供的特性進(jìn)行比較)。、
在步驟804，確定在步驟802檢測特性與步驟800中存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的多個(gè)預(yù)定特性中的至少一個(gè)之間的匹配是否是可接受的程度。如果不存在這種可接受級(jí)別的匹配(即，在步驟604處的答案是“否”)，那么處理返回到步驟802，進(jìn)一步與更新的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果存在這個(gè)可接受級(jí)別的匹配(即在步驟604處的答案是“是”)，則可以在步驟808產(chǎn)生警報(bào)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的，特定類型的事件可以具有瞬時(shí)性的特性，且瞬時(shí)匹配(即，在步驟804處瞬時(shí)的可接受級(jí)別的匹配)足以在步驟808產(chǎn)生警報(bào)。然而，其它類型的事件可以具有適合于確認(rèn)事件在預(yù)定時(shí)間段中持續(xù)的類型。在此情況下，即使在步驟802處存在可接受級(jí)別的匹配(即，在步驟804的答案是“是”)，處理也不會(huì)立即產(chǎn)生警報(bào)，而是可以繼續(xù)進(jìn)行到步驟806，在此確定可接受級(jí)別的匹配是否存在達(dá)預(yù)定時(shí)間段(例如，或者對(duì)處理的操作數(shù)據(jù)實(shí)施持續(xù)性測試，以查明它是否超過警報(bào)閾值，在此該閾值可以是預(yù)定的時(shí)間段，或者一些其它閾值)。如果在步驟806處的答案是“是”，則在步驟808產(chǎn)生警報(bào)。如果在步驟806處的答案是“否”，則處理就繼續(xù)進(jìn)行到步驟802以便繼續(xù)監(jiān)測。可以以閉環(huán)方式來完成確定可接受級(jí)別匹配是否存在達(dá)預(yù)定時(shí)間段的步驟806，其中，針對(duì)可接受級(jí)別的匹配存在的每一增量的時(shí)間段更新計(jì)數(shù)器。盡管與管線監(jiān)測相關(guān)地描述了本發(fā)明，但本發(fā)明的教導(dǎo)也可以應(yīng)用于如用戶所期 望的多個(gè)應(yīng)用中的任意一個(gè)?？梢砸匀魏晤A(yù)期的結(jié)構(gòu)布置在此示出并描述的光纖和電纜。例如，如所期望的，可以在元件之間的單個(gè)長度或多個(gè)長度中提供每一條光纖。在特定示例中，圖3中的光纖160通過引線315連接到光環(huán)形器320的端口 2 ;然而應(yīng)理解，如果需要，引線315可以是光纖160的一部分。類似地，光環(huán)形器320的端口 3和光耦合器330通過引線317和322連接；然而應(yīng)理解，如果需要，引線317和322可以是相同長度的光纖的一部分。盡管與特定示例性元件(例如，相對(duì)于圖2-7A、B示出并描述的元件)相關(guān)地描述了本發(fā)明，但其并不限于這些元件。光學(xué)檢測系統(tǒng)可以使用權(quán)利要求范圍和精神內(nèi)的多種組件中的任意一種。盡管主要相關(guān)于感測干擾的多段光學(xué)感測電纜400a、400b等(例如，圖1A-1B中的)描述了本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。例如，可以將一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)感測換能器集成到每一個(gè)感測區(qū)域中。這種點(diǎn)感測換能器可以用于感測在沿感測電纜段的特定“點(diǎn)”處的干擾，這與沿感測電纜段任意處的一般感測相反。此外，這樣的點(diǎn)感測換能器可以包括不同于(和之外附加的)感測電纜段的元件或結(jié)構(gòu)。盡管參照某些特定實(shí)施例示出并描述，但本發(fā)明并不旨在局限于所示的細(xì)節(jié)。相反，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可以在權(quán)利要求的等同物的范圍和區(qū)域內(nèi)在細(xì)節(jié)上做出許多修改。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)測管線的光學(xué)檢測系統(tǒng)，所述光學(xué)檢測系統(tǒng)包括 (a)主節(jié)點(diǎn)，鄰近或遠(yuǎn)離待監(jiān)測的管線，所述主節(jié)點(diǎn)包括(a)用于產(chǎn)生光信號(hào)的光源，以及(b)光接收器；以及 (b)多個(gè)光纖傳感器，位于所述待監(jiān)測的管線本地，所述多個(gè)光纖傳感器用于將振動(dòng)和聲學(xué)能量中的至少一個(gè)轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信息，每一個(gè)所述光纖傳感器包括(I)至少一段光纖，配置為感測振動(dòng)和聲學(xué)能量中的至少一個(gè)；(2)反射器，位于所述至少一段光纖的一端；以及(3)至少一個(gè)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)，用于接收來自所述主節(jié)點(diǎn)的光信號(hào)，所述現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)沿著所述至少一段光纖發(fā)送光信號(hào)，所述現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)接收從所述至少一段光纖返回的光信號(hào)，以及所述現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)將光信號(hào)發(fā)送至所述主節(jié)點(diǎn)的所述光接收器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，所述光源包括發(fā)光二極管和激光器中的至少一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，所述光源包括超輻射發(fā)光二極管和邊緣發(fā)射發(fā)光二極管中的至少一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，所述光源發(fā)射作為連續(xù)波(CW)模式的光能量的光信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，每一個(gè)所述光纖傳感器包括線性化的Sagnac干涉儀。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，所述線性化的Sagnac干涉儀包括3X 3光纖稱合器、光纖的延遲線圈、消偏器和2X2光纖稱合器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，所述光源的輸出端連接到所述3X3光纖耦合器的第一輸入引線，并且其中，所述3X3光纖耦合器的第二輸入引線連接到所述主節(jié)點(diǎn)的所述光接收器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，所述3X3光纖耦合器的第三輸入引線配置為使得其不支持引導(dǎo)光，并且因此，反射光無法沿所述第三輸入引線行進(jìn)回到所述.3X3光纖耦合器，并且其中，所述延遲線圈的引線連接到所述3X3光纖耦合器的輸出引線，以及所述延遲線圈的另一引線連接到所述2X2光纖耦合器的輸入引線。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，還包括在所述主節(jié)點(diǎn)與所述多個(gè)光纖傳感器中的最接近所述主節(jié)點(diǎn)的第一個(gè)光纖傳感器之間的引線電纜，所述引線電纜連接到所述多個(gè)光纖傳感器中的所述第一個(gè)光纖傳感器的現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，由所述引線電纜提供所述光源的所述輸出端與所述3X3光纖耦合器的所述第一輸入引線之間的連接，以及提供所述3X3光纖耦合器的所述第二輸入引線與所述主節(jié)點(diǎn)的所述光接收器之間的連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，通過第一光環(huán)形器提供所述光源的所述輸出端與所述3X3光纖耦合器的所述第一輸入引線之間的連接，以及通過第二光環(huán)形器提供所述3X3光纖耦合器的所述第二輸入引線與所述主節(jié)點(diǎn)的所述光接收器之間的連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，所述主節(jié)點(diǎn)配置為接收并解釋來自所述多個(gè)光纖傳感器的所述光強(qiáng)度信息，所述主節(jié)點(diǎn)配置為(1)收集并保存特定時(shí)間窗口上的一組數(shù)據(jù)樣本；(2)在每一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)該組數(shù)據(jù)樣本執(zhí)行傅立葉變換，以產(chǎn)生時(shí)間上的一系列頻譜；(3)產(chǎn)生表示預(yù)定多個(gè)事件的振動(dòng)頻譜的頻譜屏蔽；(4)將從所述多個(gè)光纖傳感器接收的所述光強(qiáng)度信息的頻譜與所述頻譜屏蔽進(jìn)行比較，以確定在時(shí)間窗口內(nèi)所接收的光強(qiáng)度信息是否超過所述頻譜屏蔽。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)將從所述至少一段光纖接收的相位信息轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度信息。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，每一個(gè)所述光纖傳感器包括Michelsen 干涉儀。
15.一種用于監(jiān)測管線的光學(xué)檢測系統(tǒng)，所述光學(xué)檢測系統(tǒng)包括 (a)主節(jié)點(diǎn)，鄰近或遠(yuǎn)離待監(jiān)測的管線，所述主節(jié)點(diǎn)包括用于產(chǎn)生光信號(hào)的光源和光接收器；以及 (b)光纖感測電纜，位于所述待監(jiān)測的管線本地，所述光纖感測電纜包括至少一個(gè)感測區(qū)域，所述至少一個(gè)感測區(qū)域由所述光纖感測電纜的一對(duì)光纖Bragg光柵限界。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)感測區(qū)域包括Fabry-Perot 干涉儀。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)感測區(qū)域包括多個(gè)感測區(qū)域，所述多個(gè)感測區(qū)域中的每一個(gè)分別由所述光纖感測電纜的一對(duì)光纖Bragg光柵限界。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)感測區(qū)域中的每一個(gè)包括Fabry-Perot 干涉儀。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)檢測系統(tǒng)，還包括位于所述主節(jié)點(diǎn)的光學(xué)相位解調(diào)器。
20.一種操作用于監(jiān)測管線的光學(xué)檢測系統(tǒng)的方法，所述方法包括步驟 (a)在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)與要使用所述光學(xué)檢測系統(tǒng)監(jiān)測的管線有關(guān)的事件的多個(gè)預(yù)定特性； (b)將從監(jiān)測所述管線的所述光學(xué)檢測系統(tǒng)獲得的檢測特性與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的所述多個(gè)預(yù)定特性進(jìn)行比較；以及 (C)確定在所述檢測特性與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的所述多個(gè)預(yù)定特性中的至少一個(gè)之間是否存在可接受級(jí)別的匹配。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括步驟(d):如果在步驟(c)確定存在可接受級(jí)別的匹配，則產(chǎn)生警報(bào)條件。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，如果在步驟(c)確定存在可接受級(jí)別的匹配，則所述方法還包括步驟(d):以閉環(huán)方式確定所述可接受級(jí)別的匹配是否存在達(dá)預(yù)定時(shí)間段，其中，針對(duì)存在可接受級(jí)別的匹配的每一個(gè)增量時(shí)間段更新計(jì)數(shù)器。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，如果在步驟(c)確定存在可接受級(jí)別的匹配，則所述方法還包括步驟(d):確定所述可接受級(jí)別的匹配是否存在達(dá)預(yù)定時(shí)間段。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括步驟(e):如果在步驟(d)確定所述可接受級(jí)別的匹配存在達(dá)所述預(yù)定時(shí)間段，則產(chǎn)生警報(bào)條件。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，步驟(a)包括(al)對(duì)一系列已知事件期間的一系列時(shí)間窗口內(nèi)的一組采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)用開窗口函數(shù)；(a2)在步驟(al)之后，通過對(duì)該組采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)用快速傅立葉變換(FFT)來創(chuàng)建頻譜；(a3)調(diào)整所述頻譜的比例以包括對(duì)多個(gè)預(yù)定事件的全體系統(tǒng)響應(yīng)，來創(chuàng)建頻譜屏蔽；(a4)將所述頻譜屏蔽與所述多個(gè)預(yù)定事件相關(guān)聯(lián)，以及(a5)將所關(guān)聯(lián)的頻譜屏蔽存儲(chǔ)在所述光學(xué)檢測系統(tǒng)可訪問的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，步驟(b)包括(bl)在所述光學(xué)檢測系統(tǒng)的操作期間獲取數(shù)據(jù)的開窗樣本；(b2)作為時(shí)間的函數(shù)產(chǎn)生所述數(shù)據(jù)的開窗樣本的頻譜；以及(b3)將在步驟(b2)中產(chǎn)生的所述頻譜與在步驟(a5)中存儲(chǔ)的所關(guān)聯(lián)的頻譜屏蔽進(jìn)行比較。
全文摘要
一種用于監(jiān)測管線的光學(xué)檢測系統(tǒng)。所述光學(xué)檢測系統(tǒng)包括鄰近或遠(yuǎn)離待監(jiān)測的管線的主節(jié)點(diǎn)。所述光學(xué)檢測系統(tǒng)包括(a)用于產(chǎn)生光信號(hào)的光源，以及(b)光接收器。所述光學(xué)檢測系統(tǒng)還包括位于管線本地的多個(gè)光纖傳感器，用于將振動(dòng)和聲學(xué)能量中的至少一個(gè)轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信息，每一個(gè)光纖傳感器具有(1)至少一段光纖，被配置為感測振動(dòng)和聲學(xué)能量中的至少一個(gè)；(2)反射器，位于所述至少一段光纖的一端；以及(3)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)，用于接收來自所述主節(jié)點(diǎn)的光信號(hào)，所述現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)沿著所述至少一段光纖發(fā)送光信號(hào)，接收從所述至少一段光纖返回的光信號(hào)，以及將光信號(hào)發(fā)送至所述主節(jié)點(diǎn)的光接收器。
文檔編號(hào)G01B9/02GK102762952SQ201180009975
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2011年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月18日
發(fā)明者A·H·謝爾貝特錢, E·L·戈德納, G·R·貝克, J·K·安德森 申請(qǐng)人:美國地震系統(tǒng)有限公司