產生並傳輸用於長距離測量的高能光脈衝的方法及設備的製作方法

2023-12-10 00:59:36 1

專利名稱：產生並傳輸用於長距離測量的高能光脈衝的方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及感測系統，涉及一種產生並傳輸高能光脈衝的方法及設備，用於感測，特別是用於長距離測量，更具體說，是用於被測量對象，諸如溫度及長距離上損耗的分布式光纖測量，還涉及用於該種系統的發射器、用於該種系統的接收器、和用於該種系統產生脈衝的設備及方法。
背景技術：
工業上需要測量長距離上的所有點的溫度。典型的用途是監控長的光纜及管道。因為這些結構可以非常長，所以需要能在非常長的距離上工作的感測系統。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。
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。這裡需指出，來自雷射光源的光沿光纖發送，然後分析被散射回光源的少量光。通過使用脈衝光並測量作為時間函數的返回信號，能夠確定沿光纖所有點上產生的後向散射光。該後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，於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，常常用於測量沿光纖的損耗。
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，為使感測侵入預定的周長，把相干的脈衝光注入沿預定周長放置的光感測光纖。響應該相干光脈衝的接收，產生後向散射光，並耦合進光接收光纖。後向散射光由光電檢測器檢測，且侵入可以由後向散射光中的變化檢測。為增加設備的靈敏度，還可以採用參考光纖和幹涉儀。
隨著光纖長度的增加，溫度和損耗測量的解析度變得更低劣。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，於是，從遠端返回的信號更小，結果導致更大的噪聲。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，當沿光纖發送高功率的光時，非線性效應隨光纖長度的增加而變得更顯著。這些非線性效應中最成問題的是受激Raman效應。該受激Raman效應，從光源的光吸收功率，並使光向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在業已安裝的普通光纖上使用。
溫度和損耗的解析度，隨光纖長度的增加而變得更低劣的另一個原因，是每一脈衝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衝才是有用的，否則不可能確定返回的信號產生在何處(多個脈衝的後向散射信號將重疊)。光脈衝沿光纖傳播的時間，與光纖長度成正比，所以，隨光纖長度的增加，能夠注入的脈衝之間的時間，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，降低脈衝重複率的必要性表明，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，而脈衝重複率仍然受脈衝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，並且是誤差的來源，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諧光源，在兩種不同波長上發射，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。單個可調諧光源較為不實際，因為難以調諧和使該光源產生脈衝。

發明內容
本發明的一個目的，是提供改進的設備和方法。按照本發明的第一方面，是提供一種感測系統，用於沿波導發送電磁信號，以感測沿波導一個或多個感測位置上的狀態，本系統包括發射器裝置，用於發射適當形狀的脈衝，通過在到達感測位置前的受激非彈性散射過程，引起該脈衝的受控變換，變換為不同的波長，本系統包括接收裝置，用於接收從感測位置返回的信號，並根據接收的信號，確定這些狀態。
本系統巧妙地利用了非線性效應，該非線性效應是迄今避免發生或使之降至最小的。在經過短的轉變長度之後，所有原先的光被變換到該新的波長上，然後用該新波長照射光纖剩餘的長度。一個優點是，本系統對給定的感測精度或解析度，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。另一個優點是，本系統能提供一種自優化過程，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波長變換發生的地點有強烈的影響，但脈衝寬度及傳輸媒體的特性，也有部分影響。
作為附加的特徵，可以配置注入功率，使光纖的不同部分被多於一種不同波長照射，還可以配置接收裝置，使它區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點是，它能實現在同一時間使多於一個脈衝沿光纖傳播。可以對這些脈衝定時，使當第一脈衝已經變換到不同波長時，發送後繼的脈衝。現在，通過適當的濾波，能夠在接收器上，區分從後繼脈衝的後向散射，和從第一脈衝在不同的波長上需要的後向散射。對給定精度和空間解析度，該區分能力可以增加脈衝的重複率，通過實現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徵是，使發射裝置調整注入的功率，把發生變換的轉變長度，移至光纖的不同部分。這對避免因轉變長度引起的感測覆蓋區空隙，是有用的。
作為又一個附加的特徵是，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衝，實施更短距離的感測，又可用波長已變換的脈衝實施更長距離的感測。
作為又一個附加的特徵是，配置感測系統補償不同的光纖損耗。作為又一個附加的特徵，發射裝置包括產生脈衝的源、用於把脈衝分解為兩個或更多脈衝流的分解器、和在沿光纖發送兩個脈衝流之前變換脈衝流之一波長的變換器，以實現微分光纖損耗的補償。
作為又一個附加的特徵是，配置接收裝置檢測從第一波長上的脈衝之一返回的向上頻移分量，和檢測從第二波長上發射的脈衝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，該兩個分量已經經受相同的損耗，與微分損耗的量無關，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徵是，系統有控制器，用於控制脈衝的重複率。該控制器對重複率的最大化，例如，達到在任何時間各轉變區之間每一段有一個脈衝的極限，是有用的。如果改變功率，以引起沿光纖更多的波長變換，那麼，該控制器有助於利用更高重複率的可能性。
本發明的第二方面，是提供一種發射裝置，作為感測系統的一部分，用於沿光纖發送和接收光信號，以便感測沿光纖的狀態，該發射裝置有產生脈衝流的源、用於把脈衝分解為兩個或更多脈衝流的分解器、和在沿光纖發送兩個脈衝流前，變換脈衝流之一的波長的變換器。
從單個源創建兩個脈衝流的優點是，不需要精確控制兩個雷射器的波長間距，能精確校正微分光纖損耗。
每一脈衝流可以有足夠的功率，以便信號波長能被SRS變換，並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。
作為附加的特徵，該源及分解器用於為到達變換器的脈衝提供足夠的功率，以便通過受激非彈性散射，實施變換。
作為附加的特徵，該發射裝置還包括脈衝整形器，用於在沿光纖發送之前，使脈衝加長。
作為附加的特徵，該脈衝整形器包括色散單元。這是獲得脈衝擴展，以便控制峰值功率及脈衝寬度，同時保持脈衝能量的一種方法。更長的脈衝寬度降低空間解析度，但更高的脈衝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，以便使單元數量保持最少。
作為附加的特徵，該脈衝整形器包括脈衝串發生器和色散單元，該脈衝串發生器用於把每一脈衝變換為脈衝串，該色散單元用於對脈衝串整形。本特徵的一個優點是，對給定色散量，能夠使脈衝在時間上擴展得更寬。這樣能夠產生更平坦地擴展的脈衝，並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，寬擴展的脈衝對給出更多能量從而更遠的距離是有用的。
按照本發明的第三方面，是提供一種設備，用於啟動一個或多個受激Raman光的產生，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，並使光纖中有多於一個的脈衝；本設備還用於測量後向散射光不同分量的功率，以便實現長距離上溫度和/或損耗的分布式測量，本設備包括至少一根提供散射媒體的光纖、光源、光學濾波裝置、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，用於沿光纖發送及接收光信號，以便感測沿光纖的狀態，本系統有發射裝置和接收裝置，該發射裝置用於啟動一個或多個受激Raman光的產生，使光纖的不同部分能被不同波長照射，還用於同時發射多於一個的脈衝，送進光纖；該接收裝置用於測量後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，該接收裝置有光學濾波裝置和一個或多個檢測器，用於把光信號變換為電信號。
作為從屬權利要求的附加的特徵，該接收裝置用於區分從前向傳播脈衝向後散射的Raman Stokes或Raman反Stokes或Rayleigh波長。這些分量能夠用於校正光纖的損耗，和計算沿感測光纖的溫度。
作為又一個附加的特徵，該接收裝置有濾波器，配置該濾波器是用於在波長變換之前，在比發射的脈衝波長稍稍偏移的波長上，收集需要的後向散射信號。該濾波器有助於避免反Stokes波長與Rayleigh散射之間的串擾，該反Stokes波長是在變換後從脈衝返回的，該Rayleigh散射是在相同波長上，從仍在傳播的啟動脈衝任何剩餘部分變換之前返回的。
作為又一個附加的特徵，是以不同脈衝功率重複測量，並用測量結果校正非線性。
作為又一個附加的特徵，本系統包括光纖。
作為又一個附加的特徵，是使本系統控制脈衝的功率，改變發生波長變換的轉變長度沿光纖的位置。
作為又一個附加的特徵，該發射裝置包括雷射器、用於從雷射器輸出產生脈衝的調製器、和用於放大脈衝的光放大器。這些裝置有助於使脈衝整形更容易控制。
作為又一個附加的特徵，該接收裝置有濾波器，用於從一段光纖後向散射的Raman Stokes、和/或Raman反Stokes、和/或Rayleigh信號中，收集不與從其他段後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徵，該接收裝置，用於比較返回的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徵，該接收裝置，使用與被感測狀態關係處於飽和、非線性區的返回的Raman Stokes和Raman反Stokes分量的組合，來補償非線性。
本發明的第四方面，是使用脈衝變換方法，優化最後的脈衝能量，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，該脈衝變換方法是有用的。按照本發明的本方面，是提供對光輸入脈衝整形的脈衝整形器，該整形器有從輸入光脈衝產生脈衝串的脈衝串發生器，和位於該發生器前面或後面的色散單元，該發生器包括分解輸入脈衝的裝置和組合器，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衝分解，產生延時脈衝；該組合器把延時的脈衝組合，產生脈衝串；而該色散單元分別把輸入脈衝或脈衝串擴展。
這能使光脈衝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生需要的形狀，常常更容易實施。特別是在脈衝必須是高功率的且有嚴格控制的波長的情形。產生脈衝串的一個優點是，對給定的色散量，輸入脈衝能夠在時間或空間上擴展得更寬。這樣能夠產生更平坦地擴展的脈衝，並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，寬擴展的脈衝對給出更多能量從而更遠的距離是有用的。
作為附加的特徵，該整形器有一個或多個光開關，用於選擇以哪一種延時脈衝形成脈衝串。這是一種控制脈衝串形成，以便控制輸出形狀，例如脈衝串的長度的方式。
SRS極限取決於脈衝功率而不是能量，而返回的信號取決於脈衝能量而不是功率。為了不必使用SRS波長變換來擴展感測長度，則必須使脈衝能量最大，同時把脈衝功率保持在SRS閾值以下。這一要求可以通過使用長的、低功率脈衝達到。支配脈衝的最大有用長度的因素，是系統的空間解析度。脈衝寬度必須不超過要求的空間解析度的兩倍。因此，為了對給定SRS極限使返回信號最大，脈衝寬度應等於要求的空間解析度的兩倍，且脈衝功率不得超過SRS閾值。
另一方面，SRS功率閾值隨脈衝持續時間的下降而增加。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，由於光纖中玻璃的色散，這些分量在玻璃中以不同的速度傳播。如果輸入脈衝是短的，那麼該脈衝將在一定距離上「離散」並不再重疊。於是受激Raman過程停止增長。
雖然，對短的脈衝，SRS功率閾值可以更高，但當脈衝寬度明顯比空間解析度更短時，脈衝能量不是最佳的。該第四方面通過使用包括一系列短脈衝的長脈衝串，能夠克服這一限制。該第四方面的優點是，有長的脈衝串寬度，所以有大的能量，還有優點是，有允許離散出現的短的分量脈衝。
按照本發明該第四方面，是再提供一種產生並傳輸高能光脈衝的設備，使激發的光能量最大化，同時抑制受激Raman光，並測量後向散射光不同分量的功率，以便能在長距離上實現溫度和/或損耗的分布式測量，本設備包括至少一根提供散射媒體的光纖；光源；通過調製裝置、把單個高功率脈衝變換為脈衝串的脈衝選擇裝置或變換裝置；光學濾波裝置；和把光信號變換為電信號的一個或多個檢測器。
在本系統中脈衝串的使用，在擴展感測距離方面有優點，因為能夠降低SRS效應，下面還要解釋。短脈衝的串，可以通過直接或從外部調製雷射光源的光產生。然後，可以用光放大器把脈衝串放大，使最後的脈衝功率對給定的測量長度優化。另外，可以使用有脈衝選擇器的鎖模雷射器來選擇快速脈衝的串。
但是，使用Q開關技術的高功率、短脈衝的雷射器，更容易得到。這些雷射器通常產生非常高的峰值功率，能夠在非常短的距離上產生SRS。在現有技術中，是通過顯著衰減雷射器的功率來抑制SRS的。這表明，大量可用的脈衝能量沒有被利用，從而降低能夠有效地達到的距離。
在單個高功率脈衝被變換為低功率脈衝串的情形，脈衝串中每一個將不超過SRS閾值，雖然可能降低了功率，但脈衝能量是相同的，被浪費的光最小。該脈衝串的長度應接近要求的空間解析度的兩倍。對短的輸入脈衝，可以通過允許脈衝串中分量脈衝之間存在間隔，進一步抑制SRS。這種方法，是通過允許離散的出現和通過允許Raman散射光在遇到脈衝串中下一個脈衝前顯著衰落，來抑制SRS的。
作為從屬權利要求的附加的特徵，該光纖包括不同長度的光纖，用於提供沿長度的不同的Raman頻移，或用於改變傳播光的模態特性。這樣能在接收裝置上，區分從不同長度來的後向散射，或能減少幹擾量。這樣，一次能把多與一個的脈衝引進光纖、增加脈衝重複率、和從而在給定的測量時間內增加精度。
作為另一個這種附加的特徵，是變換輸入光脈衝，使產生的脈衝串的持續時間與要求的空間解析度匹配。
作為另一個這種附加的特徵，該脈衝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衝沿兩條或更多條不同光學長度的路徑發送，並把光組合成脈衝串。這是產生脈衝串的一種方式，在某些情形中，這比在光源產生各脈衝更為實際。
作為另一個這種附加的特徵，該脈衝變換裝置包括光纖和光纖部件。這種部件可以是堅固的並相對便宜的。
作為另一個這種附加的特徵，從脈衝變換得到的脈衝串持續時間和脈衝串模式，可以是固定的，也可以通過使用光開關控制，這些光開關選擇或淘汰使用的脈衝變換裝置數，和/或脈衝變換裝置中使用的路徑數。
作為另一個這種附加的特徵，當導出溫度和/或損耗數據或其他感測狀態時，可以改變脈衝串寬度和/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徵，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。
按照本發明該第五方面，是提供一種沿波導發送和接收光信號的感測系統，用於感測沿波導的狀態，本系統有沿波導發送脈衝的發射裝置、接收裝置、和波導，該波導包括許多有不同特性的段，使脈衝的後向散射有不同的光學性質，該接收裝置利用這些不同的光學性質，區分不同段的後向散射。
本系統的優點是，能使不同段的後向散射在接收裝置上被區分，或能降低不同段的後向散射之間的幹擾量。這樣能更精確感測，或能一次把多於一個的脈衝引進光纖，增加脈衝重複率、和從而在給定的測量時間內增加精度。
作為從屬權利要求的附加的特徵，這些段有提供不同Raman頻移的波導，用於在不同波長上提供後向散射分量。這些波長差能夠在接收裝置上相對容易地區分，無需昂貴的附加部件。
作為另一個這種附加的特徵，這些段有導致傳播光模態特性不同變化的波導，以不同的模態特性提供後向散射分量。作為另外的或與其他方式組合，這是另一種獲得相同優點的方式。
一般說，現有感測系統為了保持在SRS極限之內，拋棄雷射器脈衝輸出90％的能量。通過在接收裝置上提供波長鑑別濾波，能夠允許在波導的某些長度中的功率，超過SRS極限，同時降低通常會引起的幹擾。例如，在更長的距離上進行測量，可以這樣設置功率，使初始的10km為非線性，而讀出則在後面的1-5km上進行。
作為附加的特徵，是設置定時門，用於區分沿波導需要位置返回的後向散射。在接收器上，與波長鑑別結合的定時門的優點是，能夠使用更高的重複率，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，用開關把脈衝發送到至少兩根感測光纖和或發送到感測光纖的兩端。校準傳輸波長及開關的模態依賴性的手段，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，使用這種設備進行感測的相應方法、提供感測服務的方法、製造感測系統的方法、和產生感測信號的方法。
對本領域熟練人員，特別對涉及本發明人不熟識的其他現有技術的熟練人員，本發明的其他優點是顯而易見的。本領域熟練人員自然清楚，本發明的任何附加特徵可以組合在一起並與本發明的任何方面組合。


下面參照附圖，通過舉例方式，說明本發明的實施例和如何實施這些實施例，附圖有圖1和2畫出本發明包括SRS波長變換的實施例，圖3和4畫出本發明的實施例，表明發射裝置的配置，圖5畫出產生脈衝的雷射器的可能配置，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使用，圖7按照本發明的一個實施例，畫出表示接收裝置工作原理的示意圖，圖8、9、和10畫出本發明在把脈衝串沿光纖發送前，用變換把一個脈衝變換為脈衝串的實施例，和圖11和12示意畫出一個脈衝如何整形，或變換為脈衝串後如何整形。
具體實施例方式
圖1圖1畫出本發明一個實施例。發射裝置22與感測光纖30耦合，並沿光纖發送λ1的脈衝。脈衝有足夠的功率，使沿光纖建立SRS，並在λ轉變長度34上引起波長變換。用常規技術，把感測光纖所有點的後向散射與向前行進的光分離，並饋送至接收裝置20。該後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的感測值或狀態值，這些值是從後向散射信號導出的。這一步需要區分後向散射光的有用部分並計算感測的值。在畫出的例子中，光接收器24有光濾波器，用於從其他不需要的後向散射中分離出λ2的後向散射。
電輸出從接收器輸出到定時門26。從感測光纖每一點來的後向散射，經歷不同的時間後，返回接收器。可以把定時門的開始及結束的定時，精細地對照相應脈衝的注入時間，以便只讓來自需要感測的位置的後向散射通過。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後向散射分量計算感測值。通常，這一步需要對許多脈衝信號求平均，以降低噪聲影響。可以設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衝，那麼光接收器可以不必用濾波器。有了濾波器，能使後繼脈衝很快注入，因為在轉變長度之前可以有一脈衝，和在其後可以有一脈衝，而該濾波器能從每一脈衝中分離後向散射分量。
圖2圖2畫出本發明另一個實施例的簡圖，其中使用了脈衝雷射器，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、脈衝重複率、和脈衝持續時間可以控制的脈衝雷射器光源(1)，與諸如光耦合器的分解裝置(3)連接。可以用光放大器和/或衰減單元(2)，控制進入系統的光功率量。可以用光電檢測器(4)監控該光功率，以便監控輸入的功率。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，並在一些轉變距離(11)上，前向傳播的光轉移到新的波長λ2。然後，前向傳播的光繼續以波長λ2通過光纖傳播(12)。
在一些更遠的點上，SRS可以在一些轉變距離(13)上再次被起動，產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生的後向散射光，返回分解裝置(3)，然後被發送到衰減器和/或放大器(6)。這個光隨後被發送到濾波單元(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，並控制濾波單元(7)選擇的濾波器。處理單元還可以分析從監控光電檢測器(4)來的信號，和/或控制監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/或控制雷射器(1)的功率、和/或重複率、和/或脈衝寬度，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，雷射器把脈衝送進光纖，在光纖至少一個位置中產生SRS。對濾波單元選擇的每一波長，收集並記錄作為時間函數的返回信號。每一選擇的波長，與後向散射頻譜中感興趣的信號對應，並通過分析這些信號，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，能夠把整個光纖產生的弱信號的測量優化。隨著輸入光功率的增加，在光纖中一些點，經過一定互作用長度之後，SRS把輸入光轉移至更長的波長上。這個過程可以沿光纖再次重複，使光纖不同部分被不同波長照射。沿光纖的轉變點，可以通過改變輸入功率調整。
雷射器的脈衝光，經過分解裝置的發送，進入光纖。這個光沿光纖傳播，並且在它傳播時，它產生Raman Stokes及反Stokes，和Rayleigh後向散射光。該後向散射光，例如用濾波器、波分復用耦合器、或耦合器與濾波器的組合，分開成它的頻譜分量，然後被檢測和分析。數據的分析，能導出沿光纖的溫度分布和/或損耗分布或其他狀態。
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。這裡要指出，經過一段短的轉變長度後，光源的光功率被轉移至Stokes波長上，然後該Stokes波長照射光纖剩餘的長度。然後，設備如同對光源的光那樣處理該新的波長，並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複該過程。在那裡，新波長如同光源那樣被處理，並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複許多次。
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衝(與整個光纖中有一個脈衝相反)，即能避免或減少幹擾。理想的是，從每一分割部分獨立地收集數據，但應指出，只在當前考察的分割部分中有一個脈衝才必須這樣做。同樣，因為故意使系統超過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波長現在變成新的波源)，初始的波長現在與新的反Stokes波長重合。這樣會導致新的反Stokes波長，與任何仍在傳播的初始光源光的Rayleigh散射發生幹擾。這種幹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，是因為儘管受激Stokes光在頻譜上變得非常窄，但低得多功率驅動的自發發光，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，於是可以選擇不與後向散射信號另一個分量重疊的部分。
後向散射分量的功率，將取決於產生該後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。可以用算法組合Raman Stokes及Raman反Stokes、和Rayleigh信號，對這些效應解除卷積，以便確定溫度和/或損耗數據。在對溫度和/或損耗數據的解除卷積中，分析收集的不同輸入功率的數據，是有用的。在Stokes信號變成受激的區域(這些區域通常相對地短)，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，沿光纖移動這些區域。通過以不同輸入功率進行許多測量，本系統可以由此校正非線性，從而可靠地獲得溫度和/或損耗數據。
光纖可以是單模的、多模的，也可以是用於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，使互作用優化。
當導出溫度數據和改變光纖中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。可以選擇濾波作用，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，並計算溫度和/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實施例的發射裝置例子。應當指出，為在兩種或多種波長上發射脈衝，需在接收裝置中校正光纖內的微分損耗。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，例如涉及數公裡光纖，和在感測依賴於多於一個波長的後向散射的情形，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後向散射分量計算的，這些後向散射分量包括任何兩個或多個Raman Stokes、Raman反Stokes、和Rayleigh後向散射分量。
為校正這類微分損耗，使用兩個或多個波長的脈衝。如果把更長波長脈衝的Raman Stokes後向散射分量，與更短波長脈衝的Raman反Stokes後向散射分量比較，那麼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。要產生兩個或多個波長的脈衝，可以使用兩個分開的光源，例如兩個波長的微晶片雷射器，但圖3畫出的例子表明，如何用單個雷射器產生兩個波長的脈衝。雷射器110在脈衝定時控制部分100的控制下產生脈衝。該定時控制部分可以用常規電子電路，如微處理器實現。產生的脈衝有相對高的功率，例如10kW峰值功率、＜1nsec長、並在該區域中的能量為10μJ，用於起動SRS變換。該脈衝被分解器120分解為兩個脈衝流。能量的90％傳給第一脈衝流，10％傳給第二脈衝流。這樣做是為了克服變換器與整形器130引起第一脈衝流更大的損耗。
該變換器與整形器用於把第一脈衝流的脈衝波長，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。脈衝整形是為了把脈衝擴展，使它更長並在脈衝中以較低峰值功率保持更多的能量。這種脈衝整形可以用提供模態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生不同的延時。色散單元可以納入同一光纖的特性內，或者遵照已有的實踐，通過設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衝流被組合器組合之前或之後，該組合器可以是開關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衝流。這些脈衝應有相同的功率和其他特性。開關能按各種方式控制脈衝序列，各波長應有相等的脈衝數，而接收裝置120應對該序列報警，並通過例如圖示的定時控制部分100，對各脈衝定時。可以設想還有其他的方式。有些部分圖上沒有畫出或可供選擇。例如，沒有畫出的有，控制脈衝功率電平的衰減器。該衰減器可以安裝在光路徑中任何地方，並由例如微處理器控制。單個光源的優點是，兩種或多種波長脈衝的定時和功率有內在的關聯。無需匹配或校正雷射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，或更高質量的輸出。
分出輸出脈衝的一小部分，用於定時觸發。這一小部分的輸出脈衝，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。可供選擇地，這一小部分輸出脈衝可以在其他地方分出，或由脈衝控制裝置在電上驅動，但用發射裝置中光信號分量後面的光學分接頭，能夠更精確，也避免必需計及發射裝置中的延時。光學分接頭能夠向後饋送至脈衝控制裝置，在需要時提供有關輸出脈衝的定時及形狀一些反饋，用於監控或控制的目的。
圖4圖4按照一個實施例，畫出發射裝置的另一種配置。目的仍然是提供兩種波長的脈衝，使接收裝置(未畫出)能校正微分損耗。在本例中，設置兩個雷射器110，在脈衝控制裝置100的控制下，輸出脈衝光。該脈衝控制裝置可以用例如常規的微處理器實現。開始時，脈衝在相同的波長上，但提供的變換器和整形器130改變脈衝流之一的波長。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。然後，為對脈衝整形，提供脈衝串發生器220和整形器單元135。脈衝串發生器通過一系列分解器、延時器、和組合器，把每一脈衝變換為脈衝串。下面還要參照圖8到12更詳細說明。這一步使脈衝在時間上擴展。然後，整形器可以使脈衝串中的每一脈衝擴展，把這些脈衝再融合成單個長脈衝。目的仍然是使脈衝加長，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所示的系統使用。藉助脈衝串產生裝置的使用，整形器需要進行的擴展較小，使它的光學色散特性不致於太極端。因此，整形器可以更容易製作和/或最後的脈衝更平坦。如圖3所示，設置開關，用於把兩個脈衝流組合。如前面所示，分出光學定時觸發信號。
把通常小於1nsec的短脈衝，擴展為數十nsec的脈衝，是不尋常的步驟，但有助於使用短脈衝固態微晶片雷射器。這種雷射器在高效地產生足夠的峰值功率(如10kW)方面是優良的，但腔短，表明它難以產生長脈衝。另一種是使用主動Q開關雷射器而不是被動裝置。但更推薦使用被動裝置，因為它更堅固也更便宜。
圖5圖5畫出外部調製雷射器的一個例子。這種外部調製雷射器，能用作另一種產生脈衝的直接調製微晶片雷射器。為從連續波輸出形成脈衝，要設置調製器220，由例如圖3或4的脈衝控制部分100控制。在調製器的輸出上設置光放大器230，以增加功率並主動控制功率電平，保證功率在兩種波長上相同。把脈衝定時信號饋送至調製器，同時脈衝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的配置比較複雜，但它在脈衝形狀容易控制方面有一些優點。
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。進入的光的後向散射信號，被饋送至WDM(波分復用)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，儘管可以有更多輸出。四個輸出能對兩種不同波長的脈衝的3個後向散射分量實現分離。衰減器310用於衰減Rayleigh分量，因為它比其他分量亮得多，以免損壞檢測器。衰減器可以根據要接收的何種波長脈衝而開關。
O/E 320對每一波長通過光電檢測器執行光到電的變換。模擬的電信號，在饋送到數字變換器及定時門340之前，被放大器330放大。數字變換器及定時門，在由發射裝置發送的定時觸發信號設定的時間窗中，輸出按給定瞬間抽樣的數字值，抽樣頻率至少是信號最高頻率的兩倍。數據的數字流被發送至緩衝器和/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，也可以用位於本機或遠程的其他常用硬體電路實現。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，發送λ1的脈衝。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，相應的步驟是對λ2的脈衝，和在λ1、λ3上的Raman Stokes和Raman反Stokes分量進行檢測。這些步驟全部重複，以獲得後向散射分量的平均值。這些測量可以在不同脈衝功率電平上重複，以便對某些非線性實現一些校正。
在步驟470，用處理器獲得λ1來自λ2的脈衝對λ2來自λ1的脈衝的比值。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，如果脈衝功率足夠高，使後向散射分量按非線性方式變化，那麼按相反方式變化的兩個分量，能夠在數學上組合，給出與要測量的狀態確實有近似線性關係的值。按此方式，在步驟480，輸出根據上述比值的溫度值或其他狀態值，並校正各種誤差，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的脈衝對λ0來自λ1的脈衝的比值。
圖8圖8畫出本發明一個用於分布式測量的實施例，其中，來自雷射器光源的光，被變換為脈衝串，且只接入光纖的一端。雷射器光源(51)連接至脈衝變換裝置(52)，後者把輸入光轉換為脈衝串。該脈衝串然後發送到分解裝置(54)，例如光耦合器，分解裝置可以納入脈衝變換設備中。可以用光放大器和/或衰減器單元(53)，控制進入系統的光功率量。可以用光電檢測器(55)監控該光功率，以便監控輸入的功率。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)中前向傳播的脈衝串產生的後向散射光，返回分解裝置(54)，還可以發送至衰減器和/或放大器單元(57)。
這個光然後被發送到濾波單元(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控光電檢測器(55)來的信號，和/或控制監控光電檢測器(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/或控制雷射器(51)的功率、和/或重複率、和/或脈衝寬度，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/或用脈衝變換(52)控制脈衝串的寬度和形狀。
使用時，雷射器的光被送進脈衝變換裝置，脈衝變換裝置產生脈衝串，這些脈衝串被送進感測光纖，這些脈衝串在光纖中產生後向散射信號。對被濾波單元選擇的每一波長的後向散射信號，被作為時間函數收集並記錄。每一被選擇的波長，與後向散射頻譜中感興趣的信號對應，並且，通過分析這些信號，確定沿所有點上的溫度和/或損耗。
通過把輸入光脈衝送進分解裝置，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，可以有效地產生脈衝串。然後，在組合裝置上，沿這些路徑傳播的脈衝再組合，並引導到一共同路徑。因為每一脈衝沿各自路徑傳播不同的距離，這些脈衝再組合後，形成脈衝串。通過改變長度差和路徑數，可以在最後脈衝串的持續時間和形狀方面，獲得廣闊的變化。此外，如這裡說明的，可以把許多脈衝變換裝置一個接一個地組合。這樣做的優點是，由於可以使用分解裝置的性質，脈衝在每一分解單元上可以沿更少的路徑發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，使路徑數和/或變換裝置數可以選擇，產生特別指定的最後脈衝串持續時間和形狀。這樣能使脈衝串寬度調整到與要求的空間解析度匹配，也能在需要時，向脈衝串添加脈衝或從脈衝串中除去脈衝，例如，在脈衝之間增大間隔，可以進一步減弱SRS。還可以除去脈衝，使脈衝串有更複雜的脈衝模式。該模式例如可以反映待測量結構的某些已知周期性，給出比單個脈衝產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，雷射器的光被變換為脈衝串，使脈衝串寬度對要求的空間解析度優化。還可以形成這樣的脈衝串，使分量脈衝之間存在允許離散的間隔。該脈衝串經過分解裝置的發送，進入光纖。這個光沿光纖傳播，並且在它傳播時，它產生Raman Stokes及反Stokes，和Rayleigh後向散射光。該後向散射光，例如用濾波器、波分復用耦合器、或耦合器與濾波器的組合，分開成它的頻譜分量，然後被檢測和分析。數據的分析，能導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特性。
分解裝置的分解比，可以依賴于波長或依賴於模態，以便改進輸入光與後向散射光的功率轉移。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開關的、鎖模的、直接形成脈衝的、和外部形成脈衝的。可以變換輸入的光脈衝，使產生的脈衝串持續時間與要求的空間解析度匹配。
脈衝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衝沿兩條或更多條不同光學長度的路徑發送，並把光組合成脈衝串。脈衝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。
脈衝變換裝置可以包括光纖和光纖部件。從脈衝變換得到的脈衝串持續時間和脈衝串模式，可以是固定的，也可以用光開關控制，該光開關選擇或淘汰該脈衝變換裝置中使用的脈衝變換裝置數和/或使用的路徑數。可以選擇脈衝串中脈衝間的間隔標誌比，使受激Raman散射被脈衝與散射Raman光之間的感生離散進一步抑制。當導出溫度和/或損耗數據時，為幫助校正非線性，可以改變脈衝串寬度和/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、雪崩型光電二極體、單光子計數檢測器、或多光子計數檢測器，把光信號變換為電信號，並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的部件的運行。
圖9圖9畫出用作脈衝整形器的脈衝變換裝置的實施例。本例的脈衝整形器，可以用脈衝雷射器作為光源，有兩級串聯的延遲線，把輸入脈衝變換為四個脈衝的脈衝串。現在參考圖7，高功率脈衝(21)被送至分解裝置，例如光耦合器(22)，在這裡，耦合器把光引進兩條路徑，其中之一(23)比另一條(24)有更長的光學路徑長度。在這裡，分解比可使輸入光的相等部分被送進每一路徑，且路徑長度之差大於輸入脈衝的長度。兩條路徑每一條中的光脈衝，高度是輸入脈衝的一半，但有相同寬度(25和26)。這兩個脈衝然後通過再組合裝置(27)，在這裡，該再組合裝置是光耦合器。然後，該耦合器(27)把光分解，送進兩條路徑(28和29)，該過程對每一發射包括兩個脈衝的脈衝串的路徑重複，該兩個脈衝的每一個有相同寬度，高度是輸入脈衝的四分一(30和31)。現在，這兩條路徑長度的差，超過輸入脈衝寬度的兩倍，使當兩條路徑再組合時，得到的脈衝串(32和33)各包括四個脈衝，其中每一個有輸入脈衝的寬度，而高度是輸入脈衝的8分之一。得到的脈衝可以用再組合裝置(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)中得到的脈衝串(41)，高度是輸入脈衝(21)的四分一，寬度比輸入脈衝(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(37、38、39、和40)來阻止光通過一條或多條路徑。其結果是，通過除去分量脈衝，可以控制脈衝串的寬度和/或改變脈衝串的形狀。例如，如果開關(40)設置為阻擋光，那麼變換設備的輸出，將是高度為輸入脈衝的四分一，而寬度大於輸入脈衝寬度兩倍的脈衝串。而如果開關(40)設置為透射光，那麼輸出將是高度為輸入脈衝的四分一，而寬度超過輸入脈衝寬度四倍的脈衝串。
圖10圖10畫出從單個輸入脈衝創建脈衝串的脈衝整形器的另一個例子。在輸入上使用單模光纖，並耦合到三根也是單模的光纖，使進入的脈衝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，取決於需要把脈衝擴展得多大。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，以便實現某些脈衝擴展。每一支路中設有光開關630。擔任每一路徑的單模光纖，耦合進一根多模光纖，使不同延時的脈衝再組合。這樣能夠控制光開關來控制脈衝串的長度，以及控制脈衝串的脈衝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，能夠獲得脈衝形狀的進一步控制。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。圖9的配置可以與圖10的配置組合，建立任何類型的級聯的或子支路的布局。
圖11和12圖11畫出輸入脈衝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，脈衝如何被圖9和10的配置、或脈衝變換裝置的其他實施例、或脈衝整形器擴展。圖上作為第一步，畫出建立脈衝串的分解、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衝擴展的作用。色散例如可以在分解前提供，或在分解後提供，或在組合後提供，最終的結果是相同的。在一個典型的例子中，小於1nsec寬度的輸入脈衝，被變換為數十nsec寬度的脈衝。把各脈衝擴展，和融合它們，使脈衝串變換為單個長脈衝，都可以通過多模態效應，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。通過填充脈衝串中所有空隙和形成單個長脈衝，為給定峰值功率提供比不填充空隙更多的能量。通過產生脈衝串，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。
結束語雖然已經參照作為例子的光來說明，儘管清楚，但應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點。雖然已經參照溫度或損耗的感測來說明，但顯然，不應當認為僅限制在這些應用，可以相信，在其他應用中，也能使用本發明的各個方面。
已經說明用於產生和傳輸高能光脈衝的方法和設備。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。這裡要指出，來自雷射器光源的光，沿光纖發送，並分析被散射回光源的少量光。隨著光纖長度的增加，溫度和損耗測量的解析度變得更低劣。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。本發明通過使用脈衝變換方法，使得到的脈衝能量成為最大，同時把功率保持在SRS閾值以下，解決了這個問題。
權利要求
1.一種感測系統，用於沿波導發送電磁信號，並感測沿波導一個或多個感測位置上的狀態，本系統包括發射裝置，用於發射適當形狀的脈衝，通過在到達感測位置前的受激非彈性散射過程，使該脈衝發生受控變換，成為不同的波長，本系統包括接收裝置，用於接收從感測位置返回的信號，並根據接收的信號，確定這些狀態。
2.按照權利要求1的系統，脈衝的功率可使不同波長再次經受一次或多次變換，成為另外的不同波長，使波導的不同部分被不同波長照射，而該接收裝置用於區分每一不同波長上返回的光信號。
3.按照權利要求1或2的系統，有控制器，用於調整脈衝功率，使變換發生的轉變長度移動到光纖的不同部分。
4.按照權利要求1到3任一項的系統，被用於補償不同波長上的微分損耗。
5.按照權利要求4的系統，該發射裝置包括產生脈衝的光源、把脈衝分解為兩個脈衝流的分解器、和在兩個脈衝流沿光纖發送前使脈衝流之一變換波長的變換器，該接收裝置使用從兩個脈衝流返回的信號，補償波導中的微分損耗。
6.按照權利要求5的系統，該接收裝置通過檢測從第一波長上的脈衝之一返回的向上頻移分量，和從更高波長上發射的脈衝之一返回的、向下頻移至第一波長的向下頻移分量，補償微分損耗。
7.按照前面權利要求任一項的系統，該接收裝置還用於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.按照前面權利要求任一項的系統，有控制器，用於控制脈衝的重複率。
9.一種感測系統，用於沿波導發送電磁信號，並感測沿波導一個或多個感測位置上的狀態，本系統有接收裝置和有產生脈衝流的電磁源的發射裝置、把脈衝分解為兩個脈衝流的分解器、和在兩個脈衝流沿光纖發送前使脈衝流之一變換波長的變換器。
10.按照權利要求9的系統，該電磁源和分解器，用於在脈衝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變換。
11.按照前面權利要求任一項的系統，還包括脈衝整形器，用於使脈衝沿光纖發送前，把脈衝加長。
12.按照權利要求11的系統，該脈衝整形器包括色散單元。
13.按照權利要求11或12的系統，該脈衝整形器包括脈衝串變換器和色散單元，該脈衝串變換器把每一脈衝變換為脈衝串，該色散單元用於對脈衝串整形。
14.一種感測系統，用於沿波導發送電磁信號，並感測沿波導一個或多個感測位置上的狀態，本系統有發射器裝置，用於啟動一個或多個受激Raman光的產生，使光纖的不同部分能夠被不同波長照射，並用於同時在光纖中發射多於一個的光脈衝；還有接收裝置，用於長距離光纖上的感測，測量後向散射光不同分量的功率，該接收裝置有光學濾波裝置和一個或多個檢測器，用於把光信號變換為電信號。
15.按照前面權利要求任一項的系統，該接收裝置，用於區分從受激前向傳播信號的後向散射的Raman Stokes、或反Stokes、或Rayleigh波長。
16.按照前面權利要求任一項的系統，該接收裝置有濾波器，用於在波長變換前，在比發射的脈衝波長稍稍偏移的波長上，收集需要的後向散射信號。
17.按照前面權利要求任一項的系統，用於以不同脈衝功率重複測量，和用測量結果校正非線性。
18.按照前面權利要求任一項的系統，還包括光纖。
19.按照前面權利要求任一項的系統，用於控制脈衝功率，以改變沿光纖傳輸長度發生波長變換的位置。
20.按照前面權利要求任一項的系統，該發射裝置包括雷射器、從雷射器輸出產生脈衝的調製器、和放大脈衝的光放大器。
21.按照前面權利要求任一項的系統，該接收裝置有濾波器，用於收集從一段光纖後向散射的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後向散射的等價分量顯著重疊。
22.按照前面權利要求任一項的系統，該接收裝置，用於比較返回的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.按照權利要求22的系統，該接收裝置，使用與被感測狀態關係處於飽和、非線性區的返回的Raman Stokes和Raman反Stokes分量的組合，來補償非線性。
24.一種脈衝整形器，用於對光輸入脈衝整形，該脈衝整形器有從輸入光脈衝產生脈衝串的脈衝串發生器，和位於該發生器前面或後面的色散單元，該發生器包括分解輸入脈衝的裝置和組合器，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衝分解，產生延時脈衝；該組合器把延時的脈衝組合，產生脈衝串；而該色散單元分別把輸入脈衝或脈衝串擴展。
25.按照權利要求24的設備，有一個或多個光開關，用於選擇以哪一種延時脈衝形成脈衝串。
26.一種產生並傳輸高能光脈衝的設備，本設備使激發的光能量最大化，同時抑制受激Raman光，本設備還用於測量後向散射光不同分量的功率，以便能在長距離上實現溫度和/或損耗的分布式測量，本設備包括至少一根提供散射媒體的光纖；光源；通過調製裝置、脈衝選擇裝置、把單個高功率脈衝變換為脈衝串的脈衝選擇裝置或變換裝置；光學濾波裝置；和把光信號變換為電信號的一個或多個檢測器。
27.按照權利要求26的設備，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特性。
28.按照權利要求26或27的設備，其中，輸入的光脈衝被變換，使得到的脈衝串持續時間與要求的空間解析度匹配。
29.按照權利要求26到28任一項的設備，其中的脈衝變換裝置，包括一組或多組分解和再組合裝置，各把輸入光脈衝沿兩條或更多條不同光學長度的路徑發送，並把光再組合，形成脈衝串。
30.按照權利要求26到29任一項的設備，其中的脈衝變換裝置，包括光纖及光纖部件。
31.按照權利要求26到30任一項的設備，其中，從脈衝變換得到的脈衝串持續時間及脈衝串模式，可以是固定的，也可以通過光開關控制，這些光開關選擇或淘汰使用的脈衝變換裝置數，和/或脈衝變換裝置中使用的路徑數。
32.按照權利要求26到31任一項的設備，其中的脈衝串寬度和/或模式和/或能量，可以改變，以便在導出溫度和/或損耗數據時，有助於校正非線性。
33.按照權利要求26到32任一項的設備，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，用於沿波導發送電磁信號，並感測沿波導一個或多個感測位置上的狀態，本系統有沿波導發送脈衝的發射器裝置、接收裝置、和波導，該波導包括許多有不同特性的段，使從脈衝的後向散射有不同的光學性質，該接收裝置使用該不同的光學性質，區分來自不同段的後向散射。
35.按照權利要求34的感測系統，這些段有提供不同Raman頻移的波導，以便在不同波長上提供後向散射分量。
36.按照權利要求34或35的感測系統，這些段有導致傳播光模態特性不同變化的波導，以提供有不同模態特性的後向散射分量。
37.按照權利要求1到23或26到36的感測系統，有權利要求24或25的脈衝整形器，用於對發射裝置上的脈衝整形。
38.一種使用前面權利要求任一項的設備來提供感測服務的方法。
39.一種使用前面權利要求任一項的設備來產生感測信號的方法。
全文摘要
本發明說明一種產生並傳輸高能光脈衝的方法及設備。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。這裡需指出，來自雷射光源的光沿光纖發送，然後分析被散射回光源的少量光。隨著光纖長度的增加，溫度和損耗測量的解析度變得更低劣。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。本發明通過使用脈衝變換方法，使得到的脈衝能量最大化，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 優先權日2003年2月12日
發明者穆罕默德·法哈蒂羅山, 湯姆·R·帕克, 彼得·N·科恩 申請人:傳感網絡有限公司