光纖光學聲感測的製作方法
2023-05-02 17:34:26
專利名稱：光纖光學聲感測的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖光學(fibre optic)聲感測，且更具體地涉及光纖光學分布式聲感測。
背景技術：
各種基於光纖光學的聲傳感器是已知的。很多這種傳感器使用複雜的幹涉測量技術和/或沿著光纖的長度布置的光纖光學點傳感器或反射部位來提供聲感測。近來，提出了來自連續長度的光纖光學線纜的本徵散射的使用，即使用標準光纖光學線纜而沒有諸如光纖(fibre)布拉格光柵等的有意引入的反射部位。GB專利申請公開號2，442，745描述了一種系統，其中通過將多組脈衝調製電磁波發射到標準光纖中來感測聲振動。一組內的一個脈衝的頻率不同於該組中的另一脈衝的頻率。來自光纖內的本徵反射部位的光的瑞利(Rayleigh)反向散射以組中的脈衝之間的頻率差被採樣且解調。使用N 個不同的分析倉(bin)，每一個與特定長度的光纖相關聯，且各個分析倉中的聲幹擾可以被檢測。已提出了使用這種光纖分布式聲感測系統來進行油或氣體傳輸管線的周界監控或監控。然而一般地，這種聲系統已知用於檢測特定分析倉中的聲事件，例如用於指示被監控的周界在特定點處已相交。
發明內容
本發明的目的是提供光纖分布式聲感測系統的新應用以及與這種應用中使用的光纖分布式聲感測相關的方法和設備。在本發明的第一方面中，提供一種在固體介質中檢測P波和S波的方法，該方法包含將至少第一光脈衝和第二光脈衝重複地發射到至少部分地位於所述固體介質內的光纖(optic fibre)中，其中第一和第二脈衝具有第一光頻率差；檢測從光纖瑞利反向散射的光；分析反向散射的光以確定針對光纖的多個分立縱向感測部分中的每一個的幹擾的測量；以及分析分立縱向感測部分中的幹擾的演變以檢測P波和S波。本發明的該第一方面因此提供一種檢測經過諸如地面或由諸如混凝土等的材料形成的結構的固體介質傳播的P波和S波的方法。P波和S波代表可以根據激勵的屬性而傳播經過材料的不同類型的波。有時被稱為初波或者壓力波的P波是可以行進經過固體、液體和氣體的壓縮波。有時被稱為次波或剪切波的S波是橫波且僅在固體材料中發生。注意，如此處使用的術語固體僅僅用於與液體和氣體區分且不意味著暗示某種連續材料。固體材料可以是集合體或諸如鹽、沙、淤泥等的膠質混合物。該方法使用光纖，該光纖例如可以是諸如將用於電信類型應用的未經修改的光纖，其至少部分地位於固體介質內，即至少一些光纖位於材料內。方便地，所有或大部分光纖位於介質內。
該方法涉及分布式聲感測。至少兩個光脈衝被發射到光纖中且瑞利反向散射輻射被檢測。為了確保輻射是瑞利反向散射輻射，使脈衝的光纖功率保持低於光纖的非線性閾值，即低於超過其將發生非線性光學效應的功率閾值。檢測的輻射被分析以確定針對光纖的多個分立縱向感測部分中的每一個的幹擾的測量。確定的幹擾是在光纖的該特定部分處影響光纖的機械振動的測量。光纖實際上用作沿著光纖的長度以規則間隔分布的一系列獨立聲傳感器。如上所述，已知分布式聲感測在如下情形中使用期望在光纖的感測部分處定位特定聲事件。然而一般地，在這種已知的分布式聲感測(DAS)系統中，該處理查詢在光纖的感測部分內發生的具有大於閾值的幅度的聲事件。本發明部分地在於如下實現DAS系統可以提供足夠的信息以允許對行進經過介質的P波和S波的檢測。常規的DAS系統不涉及對P波和S波二者的檢測。在常規的DAS 系統中，被監控的幹擾可以是使得不生成具有大幅度的S波。本發明的該方面的方法使用由DAS系統檢測的幹擾的演變來識別P波和S波。P 波和S波具有經過材料的不同傳輸屬性且一般地S波比P波慢一個相對因子，儘管絕對速度取決於這些波傳播所經過的確切材料。因而，如果遠程事件生成P波和S波二者，則P波將在S波之前入射。本發明的該方面利用這一事實以允許對P波和S波的檢測和識別。對於光纖的任何給定感測部分，由P波導致的幹擾將在由S波導致的幹擾之前發生。在常規的DAS系統中，在P波之後不久到達的任何入射S波將被看作是整體聲幹擾的一部分，且不將被視為不同的體波。該方法因此可以包含在光纖的多個分立縱向感測部分中識別第一系列幹擾，接著是第二相關系列幹擾。換句話說，該方法包含檢測由P波導致的幹擾，接著是由S波導致的幹擾。第二系列幹擾與第一系列幹擾相關之處在於在第一和第二系列的每一個中，基本相同的分立縱向感測部分以基本相同的順序經歷幹擾。換句話說，如果來自特定源的P波撞擊到光纖上，則它可以以特定順序導致光各個纖片段中的幹擾。例如，設想P波從側面入射的線性光纖。在第一時間周期中，P波可以撞擊到第一感測部分上，其中在該點處檢測所得到的相對大幅度幹擾。在接著的時間周期中，P波可以到達在第一感測部分的任何一側的光纖片段。在後續的時間周期中，該波可以撞擊到越來越遠離第一片段的片段。在某一點處，S波將到達且撞擊到第一片段上，導致第一片段處的另一大幹擾。S波然後將漸進地撞擊到相鄰片段以及然後更遠離的片段上且因此將發生類似系列幹擾。本發明利用這種特性的系列幹擾來識別P波和S波。上述簡單示例沒有考慮到可能應用於入射波的不同部分的傳播速度的變化。例如，對於經過地面行進的P波和S波，這些波行進所經過的巖石或者其他材料的類型將影響這些波的傳播速度。因而，當P波的一些部分比如(say)可能行進經過不同的材料到P波的其他部分時，波前可以具有上面指示的更複雜形式。而且，P波的波前可能不同於S波的波前。然而一般地，基本相同的分立感測部分將由於P波和由於S波而以基本相同的順序受到影響。本發明的該方面因此使用若干不同分立感測部分中的幹擾的檢測來檢測和識別特定事件(在這種情況下為P波和S波的入射)。因為S波比P波傳播得慢，所以第二系列幹擾具有比第一系列幹擾更慢的演變，即
4與對於由於P波引起的幹擾相比，對於由於S波引起的幹擾，在一個感測部分與另一遠程感測部分處檢測的幹擾之間的時間差將更長。幹擾的演變速率中的這種變化還可以用於識別由於P波和S波引起的幹擾。顯然，經歷由於P波和S波引起的幹擾的光纖感測部分的數目將取決於當P波和S 波到達光纖時它們的相對強度以及感測部分的空間尺寸。分立感測部分的空間尺寸由發射到光纖中的脈衝限定。最小空間尺寸部分地取決於光纖的長度。脈衝在功率方面受到限制以便不會導致光纖中的非線性效應，且對於給定脈衝寬度，將存在超過其就不能可靠檢測反向散射輻射的最大長度。分立感測部分的空間尺寸在很多實施例中可以小於或等於30m， 且在某些實施例中小於或等於20m或10m。在某些實施例中，光纖被詢問以提供大於或等於 20km的距離上的感測數據，並且在其他實施例中大於或等於30km或40km的距離是可實現的。該方法可以包含分析分立縱向感測部分的幹擾演變以及每個分立縱向感測部分的位置以識別第一波前接著是第二較慢波前。換句話說，如果已知分立感測部分的相對位置，則可以確定P波和S波的實際波前。P波和S波將一般地預期具有類似形狀的波前，但是它們將以不同的傳播速率前進。該方法可以包含確定第一波前和第二波前之一或二者的彎曲度的步驟。如果光纖以直線布置來布置，則分立感測部分的相對位置簡單地對應於相關感測部分的範圍。然而，其他光纖布置是可能的，諸如環形或曲線布置，且在這種情況下光纖的幾何形狀可以存儲在存儲器或查找表等中。該方法可以包含分析檢測的P波和S波以確定P波和S波的來源的另外步驟。本發明的該方面因此提供一種用於通過檢測和識別由於聲事件或地震事件引起的P波和S波且然後使用所述P波和S波以確定事件的位置來檢測聲事件或地震事件的來源位置的方法。P波和S波到達兩個或更多不同分立縱向感測部分的時間差可以用於確定P波和 S波的來源。儘管絕對速度取決于波傳播所經過的材料，但S波一般地以P波速度的約0. 6 倍的速度傳播。如果在第一分立感測部分處P波的檢測以及S波的後續檢測之間存在第一時間差，且P波和S波到達第二分立部分的時間之間存在第二時間差，則第一和第二時間差的比率可以假設為也是第一和第二感測部分與來源的距離之間的比率。通過查看來自很多不同感測部分的時間差，可以確定P波和S波的來源。然而應當理解，如果光纖是基本直線的，則來源的確定可能具有與之相關聯的某種不定性。該方法還可以包含使用第一和第二波前中的至少一個的形狀來確定P波和S波的來源。儘管在詢問光纖和處理採集的數據方面描述了方法，但是數據不需要實時地或者在光源和檢測器的位置處被處理。數據可以被記錄以進行稍後分析和/或傳輸到遠程位置以進行處理。在本發明的第二方面中，提供一種處理分布式聲傳感器數據以檢測P波和S波的方法，該方法包含以下步驟在將在其之間具有光頻率差的至少第一和第二光脈衝重複地發射到至少部分地包含在固體介質中的光纖中之後，取得對應於作為瑞利反向散射的檢測光的多個測量的數據；分析所述數據以確定針對光纖的多個分立縱向感測部分中的每一個的幹擾的測量；以及分析分立縱向感測部分中的幹擾的演變以檢測P波和S波。該處理方法可以利用關於本發明的第一方面的上述所有實施例，且還受益於所有相同的優點。本發明還提供一種用於實施此處描述的任何方法和/或用於體現此處描述的任何設備特徵的電腦程式和電腦程式產品、以及其上存儲有用於實施此處描述的任何方法和/或用於體現此處描述的任何設備特徵的程序的計算機可讀介質。合適編程的計算機可以控制光源且從合適的光檢測器接收數據。電腦程式可以以傳輸信號體現。本發明還涉及一種用於檢測P波和S波的設備。因而，在本發明的另外方面中，提供一種用於檢測固體介質中的P波和S波的設備，該設備包含光纖，至少部分地位於所述介質內；光源，配置成將至少第一光脈衝和第二光脈衝發射到光纖中，其中第一和第二脈衝具有第一光頻率差，脈衝的光功率低於非線性閾值；光檢測器，配置成檢測來自光纖的瑞利反向散射；以及處理器，配置成分析反向散射光以確定針對光纖的多個分立縱向感測部分的幹擾的測量並且分析分立縱向感測部分中的幹擾的演變以檢測P波和S波。根據本發明的該方面的設備可以包含適於執行本發明的第一或第二方面的方法的處理器。本發明的該方面的設備提供所有相同的優點且可以實施為利用上述任何實施例。具體地，處理器可以布置為確定P波和S波相對於光纖的來源。光纖可以是諸如標準電信光纖等的連續的、未經修改的光纖。換句話說，不向光纖提供分離的點傳感器或特定反射部位等。一般地，本發明涉及P波和S波的檢測。本發明的另一方面是使用光纖光學分布式聲傳感器來檢測和識別固體介質中的P波和S波。如上所述，常規的光纖光學DAS僅已用於檢測各個聲事件且不認為試圖使用DAS系統來檢測材料中的P波和S波是可能的或者優選的。分布式聲傳感器優選地是使用光學時域反射測量術而使用未經修改的光纖來提供多個獨立聲信道的傳感器。本發明延伸到基本如此處參考附圖所描述的方法、設備和/或用途。在本發明的一個方面中的任何特徵可以以任何合適的組合應用於本發明的其他方面。具體地，方法方面可以應用於設備方面，且反之亦然。而且，以硬體實現的特徵一般可以以軟體實現，且反之亦然。此處對軟體和硬體特徵的任何引用應當被相應地理解。
現在將參考附圖，僅僅通過示例的方式描述本發明的優選特徵，其中 圖1說明分布式光纖光學傳感器的基本部件；
圖加示出掩埋在地面中的分布式聲傳感器系統； 圖2b示出裝在結構中的分布式聲傳感器系統；
圖3示出由於P波和S波的入射引起的由分布式聲傳感器檢測的幹擾的理想化圖；以
及
圖如和4b示出從分布式聲傳感器系統獲得的數據。
具體實施例方式圖1示出分布式光纖光學感測布置的示意圖。一段長度的感測光纖104在一端處連接到詢問器106。來自詢問器106的輸出被傳送到信號處理器108以及可選地到用戶接口 110，該用戶接口實際上可以由合適指定的PC實現。感測光纖104在長度方面可以是很多公裡，且在該示例中約為40km長。感測光纖方便地是標準的、未經修改的光纖，諸如在電信應用中使用的單模光纖。在使用中，感測光纖至少部分地包含在希望監控的介質內。例如，如圖加所示，光纖104可以掩埋在地面200 中以提供周界的監控或諸如管線等的掩埋物質的監控。如圖2b所示，光纖可以至少部分地裝在結構202的一部分內以提供結構監控。在操作中，詢問器106向感測光纖中發射詢問光學信號，該詢問光學信號例如可以包含具有選定頻率模式的一系列脈衝。光脈衝可以具有如GB專利公開GB2，442，745中描述的頻率模式，該專利公開的內容由此通過對其引用被併入。如GB2，442，745所述，瑞利反向散射的現象導致到光纖中的某一部分光輸入被反射回到詢問器，在那裡它被檢測以提供代表光纖附近的聲幹擾的輸出信號。詢問器因此方便地包含至少一個雷射器112和至少一個光學調製器114以用於產生由已知光頻率差分離的多個光脈衝。詢問器還包含布置為檢測從光纖104內的本徵散射部位反向散射的輻射的至少一個光電檢測器116。來自光電檢測器的信號被信號處理器108處理。諸如GB2，442，745所述，信號處理器基於光脈衝之間的頻率差而方便地解調返回的信號。如GB2，442，745所述，信號處理器還可以應用相位展開算法。光學輸入的形式和檢測的方法允許把單個連續光纖在空間上分解成分立感測長度。即，在一段感測長度處感測的聲信號可以基本獨立於相鄰長度處的感測信號被提供。本示例中的空間解析度約為10m，導致採取4000個獨立數據信道的形式的詢問器的輸出。以這種方式，單個感測光纖可以提供感測數據，這類似於布置在線性路徑中的相鄰獨立傳感器的多路復用陣列。在本發明的一個實施例中，信號處理器108配置成分析收集的數據以檢測P波和 S波。如本領域技術人員將意識到P波和S波是可以在介質內發生的不同類型的體波。 例如，諸如由對地面或主體的顯著震動生成的地震波可以包含P波和S波。常被稱為初波或壓力波的P波是通過在波的行進方向上壓縮材料而傳播的縱波或壓縮波。P波可以行進經過固體以及氣體和液體。常被稱為次波或剪切波的S波是僅可以傳播經過固體材料的橫波。P波和S波以不同速度行進經過材料，其中在任何給定介質中S波的傳播速度約為P波的傳播速度的0. 6倍。儘管絕對傳播速度取決於介質，但是在大多數材料中相對速度保持大致恆定。因而，從生成P波和S波二者的任何遠程事件開始，P波將首先到達。本發明人已發現，如上所述的光纖光學分布式聲傳感器能夠檢測入射的P波和S 波二者的效應且可以分離地檢測P波和S波的到達。而且，P波和S波之間的到達時間差不僅可以用於檢測和識別P波和S波而且還可以用於估計P波和S波及來源的方向以及到來源的範圍。假定P波比S波傳輸得更快，P波將首先入射到光纖上。P波的通過將使得光纖的各個片段振動，這將被檢測為聲幹擾。典型地，P波將具有彎曲的波前，且因此根據光纖幾何形狀將在不同時間入射到光纖的不同片段上。設想P波從側面入射的線性光纖。波前首先將在某一位置X處遇到光纖且因此對應於位置X的光纖的感測部分將首先經歷由於P波引起的幹擾。隨著時間前進，波前將到達漸進更遠離位置X的片段。圖3示出分布式聲光纖的理想化響應。圖3的χ軸示出沿著光纖的位置，且y軸示出時間。軌跡301說明對入射ρ波的理想化響應。聲幹擾首先在位置X處被登記，且隨著時間繼續，幹擾到達光纖的其他片段。S波將跟隨在P波之後。因為P波和S波一般共享共同來源，所以S波將再次可能首先在位置X處入射到光纖上。因此可以看出類似的響應。首先是位置X處的幹擾，稍後接著是沿著從位置X擴展開的光纖的幹擾。然而因為S波具有較慢的傳播，所以幹擾的演變將較慢。這在圖3中通過由於S波引起的軌跡302的斜率具有較陡的梯度的事實說明。圖如和4b示出來自分布式聲光纖的信號返回的實際圖。圖如和仙示出相同的數據，但是在圖4b中，由於S波引起的返回被突出顯示。圖如和4b 二者均示出瀑布圖，其中時間繪製在y軸上，沿光纖的距離繪製在χ軸上且聲幅度由數據點的強度說明。從圖如可以看出，P波的入射可以顯然區分為在MOO附近信道處最初檢測的第一系列幹擾。因為在該實例中每個信道代表IOm的光纖片段，這對應於沿光纖長度約Mkm的距離。隨著時間前進，幹擾然後擴展到鄰近信道。從該圖的左手側可以看出，幹擾的開始遵循大致恆定梯度的線。S波在P波效應仍明顯時達到，這說明在區分P波和S波的效應中的難度。然而， S波可以被辨別出為隨時間影響傳感器的若干信道的強度變化。不幸的是，這不如黑白圖如和4b中顯然地表現。不過，第二系列幹擾可以被辨別出且到達的該次波前在圖4b中已被突出顯示。從這些圖可以看出，S波具有光纖上相同的一般入射點且以與P波一般相同的方式擴展，但是S波的斜率較陡以指示較慢的傳播。因此，信號處理器適於通過以下方式來檢測P波和S波檢測以特定順序影響光纖的信道的第一系列聲幹擾，短時間之後接著是影響光纖的基本相同信道且以基本相同順序但是具有較慢時間演變的第二系列聲幹擾，即第二系列幹擾擴展得更慢。從圖如和4b將顯然的是，由於P波，S波在增加的聲活動的周期中到達且因而第二系列聲幹擾代表聲幅度中的一系列變化。利用對P波和S波的入射的特性響應的知識，可以經過合適的信號處理來識別不同的P波和S波。一旦識別出S波和P波，在光纖的各個位置處的到達時間可以用於確定P波和S 波的來源相對於光纖的方向和/或範圍。針對P波和S波之一或二者的波前可以被確定且用於基于波前的曲率和關于波行進所經過的介質的任何現有知識來給出點來源的指示。此外或備選地，P波和S波的相對到達時間可以用於確定到來源的方向和/或範圍。這利用了這一事實P波和S波具有大致恆定的相對速度。因而，如果在光纖上的第一位置處P波的到達和S波的後續到達之間的時間差是T1且在光纖上的第二位置處P波的到達和S波的後續到達之間的時間差是T2,則可以假設第一位置到來源的距離與第二位置和來源的距離的比率是τ1:τ2。通過查看沿著光纖的若干位置處的相對時間差，可以估計來源的相對位置。P波和S波的到達的實際時間差也可以與傳播速度的估計一起用於估計來 JM^ 點 ο本發明因此涉及使用光纖光學感測來檢測在固體中傳播的P波和S波，且涉及布置為檢測P波和S波且使用P波和S波的檢測來確定其來源的DAS系統。
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應當注意，說明書以及(視情況而定)權利要求和附圖中公開的每個特徵可以獨立地或以任何合適組合被提供。
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權利要求
1.一種在固體介質中檢測P波和S波的方法，包含將至少第一光脈衝和第二光脈衝重複地發射到至少部分地位於所述固體介質內的光纖中，其中第一和第二脈衝具有第一光頻率差；檢測從光纖瑞利反向散射的光；分析反向散射的光以確定針對光纖的多個分立縱向感測部分中的每一個的幹擾的測量；以及分析分立縱向感測部分中的幹擾的演變以檢測P波和S波。
2.根據權利要求1所述的方法，其中分析分立縱向感測部分中的幹擾的演變包含識別該多個分立縱向感測部分中的第一系列幹擾接著是第二相關系列幹擾。
3.根據權利要求2所述的方法，其中該第二系列幹擾通過以基本相同的順序影響基本相同的分立縱向感測部分而與該第一系列幹擾相關。
4.根據權利要求3所述的方法，其中該第二系列幹擾具有比該第一系列幹擾更慢的傳播。
5.根據前述任一權利要求所述的方法，其中該方法包含分析分立縱向感測部分的幹擾的演變以及每個分立縱向感測部分的位置以識別第一波前接著是第二較慢波前。
6.根據權利要求5所述的方法，包含確定第一波前和第二波前之一或二者的彎曲度的步驟。
7.根據前述任一權利要求所述的方法，包含分析檢測的P波和S波以確定P波和S波的來源的另外步驟。
8.根據權利要求7所述的方法，其中P波和S波到達兩個或更多不同分立縱向感測部分的時間差被用於確定P波和S波的來源。
9.根據當直接或間接從屬於權利要求5時的權利要求7或權利要求8所述的方法，其中第一和第二波前中的至少一個的形狀被用於確定P波和S波的來源。
10.一種電腦程式，當運行在合適的計算機上時執行根據前述任一權利要求所述的方法。
11.一種用於在固體介質中檢測P波和S波的設備，包含光纖，至少部分地位於所述介質內；光源，配置成將至少第一光脈衝和第二光脈衝發射到光纖中，其中第一和第二脈衝具有第一光頻率差，脈衝的光功率低於非線性閾值；光檢測器，配置成檢測來自光纖的瑞利反向散射；以及處理器，配置成分析反向散射的光以確定針對光纖的多個分立縱向感測部分的幹擾的測量；並且分析分立縱向感測部分中的幹擾的演變以檢測P波和S波。
12.根據權利要求11所述的設備，其中該光纖是連續的、未經修改的光纖。
13.根據權利要求11或權利要求12所述的設備，其中該處理器布置為確定P波和S 波相對於光纖的來源。
14.光纖光學分布式聲傳感器用於檢測和識別固體介質中的P波和S波的用途。
全文摘要
本發明涉及用於檢測固體介質中的P波和S波的光纖光學分布式聲感測。通過將光脈衝發射到光纖中且檢測從中瑞利反向散射的輻射，可以使用未經修改的光纖來實現分布式聲感測。通過分析在分析倉中的返回，可以在光纖的多個分立縱向片段中檢測到聲幹擾。本發明把這種光纖分布式聲感測延伸對S波和P波的檢測。
文檔編號G01H9/00GK102197284SQ200980141858
公開日2011年9月21日 申請日期2009年8月21日 優先權日2008年8月21日
發明者D·J·希爾, M·麥克尤恩-金 申請人:秦內蒂克有限公司