устройство и способ оптической импульсной рефлектометрии

Формула изобретения

1. Устройство оптической импульсной рефлектометрии для определения параметра, предназначенного для измерения в исследуемой области, причем устройство содержит оптическое волокно (5, 6); средство (1) источника, выполненное с возможностью подачи в оптическое волокно (5, 6) оптического излучения (4) с зондирующей длиной волны; и средство (2) детектирования, выполненное с возможностью формирования электрических выходных сигналов в ответ на оптическое излучение обратного рассеяния из оптического волокна (5, 6); отличающееся тем, что оптическое волокно (5, 6) включает в себя первый отрезок (5) волокна, в который подается указанное оптическое излучение (4) на зондирующей длине волны, и подсоединенный к нему на расстоянии L_f второй отрезок (6), расположенный в исследуемой области, причем указанный первый отрезок (5) волокна имеет более высокий порог интенсивности возникновения нелинейных эффектов, чем указанный второй отрезок (6) волокна, причем указанное средство (1) источника выполнено с возможностью подачи оптического излучения (4) на зондирующей длине волны в указанный первый отрезок (5) волокна с интенсивностью ниже, чем порог интенсивности нелинейных эффектов указанного первого отрезка (5), но превышающей порог интенсивности нелинейных эффектов второго отрезка (6) волокна, причем характеристики ослабления первого отрезка (5) волокна являются такими, что интенсивность оптического излучения (4) на зондирующей длине волны, достигающей второго отрезка (6) волокна, находится ниже порога возникновения нелинейных эффектов в указанном втором отрезке (6) волокна.

2. Способ оптической импульсной рефлектометрии определения параметра, предназначенного для измерения в исследуемой области, причем способ содержит следующие этапы: подачу оптического излучения (4) на зондирующей длине волны в оптическое волокно (5, 6) и формирование выходных электрических сигналов в ответ на оптическое излучение обратного рассеяния из оптического волокна (5, 6), отличающийся тем, что оптическое волокно (5, 6) содержит первый отрезок (5) волокна и подсоединенный к нему на расстоянии L_f второй отрезок (6), расположенный в исследуемой области, причем второй отрезок (6) волокна имеет более низкий порог интенсивности возникновения нелинейных эффектов, чем первый отрезок (5) волокна, причем указанный второй отрезок (6) волокна расположен в исследуемой области, и оптическое излучение (4) на зондирующей длине волны подается в указанный первый отрезок (5) волокна с интенсивностью ниже, чем порог интенсивности нелинейных эффектов первого отрезка (5) волокна, но выше, чем порог интенсивности нелинейных эффектов второго отрезка (6) волокна, причем характеристики ослабления указанного первого отрезка (5) волокна выбраны таким образом, что интенсивность оптического излучения (4) на зондирующей длине волны, достигающего второго отрезка (6) волокна, ниже, чем порог интенсивности указанного второго отрезка (6) волокна.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что ослабление оптического излучения (4) на зондирующей длине волны в указанном первом отрезке (5) волокна является пропорциональным длине первого отрезка (5) волокна.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что смежная со вторым отрезком (6) волокна эффективная площадь A_eff первого отрезка (5) волокна уменьшается до эффективной площади A_eff второго отрезка (6) волокна.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что уменьшение эффективной площади A_eff является постепенным,

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что уменьшение эффективной площади A_eff осуществляется в два или несколько этапов.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что для волокна (5, 6), включающего в себя i отрезков волокна, имеющих прогрессивно уменьшающуюся эффективную площадь A_eff, при известном отношении уровней обратного рассеяния в i-ом и (i+1)-ом отрезках и ослаблении на единицу длины в (i+1)-ом отрезке, оптимальная длина Lopt_i+1(i+1)-ого отрезка дается

,

где В является поглощенной частью обратного рассеяния, является потерями на рассеянии для спектрального компонента, представляющего интерес, S представляет собой потери в дБ в точке сращивания между отрезком i и отрезками i+1 и _s является общими потерями в отрезке в дБ/км, и, допуская, что Lopt_i+1 меньше, чем длина исследуемой области, и что интенсивность излучения в точке сращивания между i-м и (i+1)-м отрезками, находится ниже порога интенсивности возникновения нелинейных эффектов для (i+1)-го отрезка волокна.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый отрезок (5, 50) волокна содержит первое (5а; 50а) и второе волокна (5b; 50b), причем первое волокно (5а; 50а) размещено с возможностью проведения оптического излучения (4) на зондирующей длине волны в направлении второго отрезка (6; 60) волокна и второе волокно (5b; 50b) размещено с возможностью проведения оптического излучения обратного рассеяния, возвращаемого из второго отрезка (6; 60) волокна к средству (2) детектирования.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что оптическое излучение (10) на длине волны накачки также подается в первое волокно (50а) первого отрезка (50).

10. Способ оптической импульсной рефлектометрии определения параметра, предназначенного для измерения в исследуемой области, причем способ включает в себя подачу оптического излучения (4) на зондирующей длине волны с предварительно выбранной интенсивностью в оптическое волокно (50, 60) и формирование выходных электрических сигналов в ответ на оптическое излучение обратного рассеяния из оптического волокна (50, 60), отличающийся тем, что оптическое волокно (50, 60) содержит первый и второй отрезки (50, 60) волокна, соединенные при помощи удаленного усилителя (7; 11а), причем коэффициент усиления усилителя (7; 11а) выбирается таким образом, чтобы компенсировать ослабление на зондирующей длине волны в первом отрезке (50) волокна, при этом оптическое излучение (4) подается в первый отрезок (50) волокна на зондирующей длине волны с интенсивностью меньшей по сравнению с интенсивностью порога возникновения нелинейных эффектов в первом отрезке (50) волокна, и коэффициент усиления удаленного усилителя (7; 11а) выбран таким образом, чтобы увеличивать интенсивность оптического излучения (4) на зондирующей длине волны, передаваемого во второй отрезок (60) волокна, до интенсивности немного ниже порога интенсивности возникновения нелинейных эффектов во втором отрезке (60) волокна.

11. Устройство оптической импульсной рефлектометрии для определения параметра, предназначенного для измерения в исследуемой области, причем устройство содержит оптическое волокно; средство источника, выполненное с возможностью подачи в оптическое волокно оптического излучения с зондирующей длиной волны; и средство детектирования, выполненное с возможностью формирования электрических выходных сигналов в ответ на оптическое излучение обратного рассеяния из оптического волокна; отличающееся тем, что оптическое волокно содержит первый отрезок волокна, в который подается указанное оптическое излучение на зондирующей длине волны, и второй отрезок волокна, расположенный в исследуемой области, причем первый отрезок волокна оптически соединен со вторым отрезком в точке, удаленной от средства источника, и содержит первое и второе волокна, причем первое волокно расположено таким образом, что оно проводит оптическое излучение на зондирующей длине волны в направлении второго отрезка волокна, и второе волокно расположено таким образом, что оно проводит оптическое излучение обратного рассеяния, возвращаемое из второго отрезка волокна к средству детектирования.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что удаленный усилитель предусмотрен между первым волокном первого отрезка волокна и вторым отрезком для усиления оптического излучения на зондирующей длине волны, передаваемого по указанному первому волокну первого отрезка во второй отрезок, и оптическое излучение на длине волны накачки усилителя также вводится в первое волокно первого отрезка волокна.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что дополнительный удаленный усилитель предусмотрен между вторым отрезком и вторым волокном первого отрезка для усиления оптического излучения обратного рассеяния, возвращаемого из второго отрезка.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что оптическое излучение на длине волны накачки указанного дополнительного усилителя подается во второе волокно первого отрезка волокна.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к оптико-волоконным датчикам, основанным на оптической импульсной рефлектометрии, а именно измерении коэффициента отражения (ОИКО), при которой импульс или серии импульсов вводятся в волокно и сигнал возвращается к концу ввода и порожден отраженным и рассеянным светом в волокне.

Одним из примеров таких датчиков является рамановский ОИКО датчик, при помощи которого могут быть определены профили температуры из распределения интенсивности обратного сигнала, измеряемого как функция времени от момента подачи тестового импульса или, аналогично, расстояния вдоль волокна. Технология ОИКО чрезвычайно широко применяется в телекоммуникации для оценки качества и целостности оптоволоконных линий связи. В этом случае линия связи определяется требованиями системы связи и ОИКО должна быть разработана с возможностью взаимодействия с оптоволоконной системой. Однако в приложениях ОИКО для датчиков существует гораздо больше гибкости при выборе оптоволоконной системы и ее межсоединений для удовлетворения требований разработчика ОИКО датчиков.

Известно, что производительность ОИКО датчиков ограничена мощностью, которую можно подавать в волокно вследствие наличия нелинейных оптических эффектов. Источник указанных нелинейных оптических эффектов меняется в зависимости от характеристик тестового импульса. Для коротких импульсов, имеющих большую спектральную ширину, превалирующим эффектом обычно является вынужденное рамановское рассеяние (ВРР). Для более длинных импульсов с меньшей спектральной шириной превалирующим эффектом является общее вынужденное бриллюэновское рассеяние (ВБР). Для узкополосных импульсов ограничивающим эффектом в общем случае является фазовая автомодуляция (ФАМ) в случаях, когда от импульса требуется поддержка малой спектральной ширины. Более подробное объяснение указанных явлений может быть найдено в литературе, например G.P. Agrawal "Nonlinear fiber optics", Academic Press 1995 ISBN 0-12-045142-5.

Ограниченная мощность, которая может быть подана в оптическое волокно для измерений типа ОИКО, является серьезным ограничением производительности этих систем. Сигналы, принимаемые от тестового импульса в таких системах, обычно очень слабы; как правило, только несколько фотонов возвращаются в обратных сигналах от наиболее удаленных точек, представляющих интерес, в системе. Поскольку принятый сигнал является пропорциональным мощности зондирующего импульса, очевидно, что возможность увеличения мощности зондирующего импульса приводит к более высокой производительности. В качестве альтернативы, если энергия, возвращаемая для данной введенной мощности, может быть увеличена, тогда может быть увеличено отношение сигнал-шум и тем самым улучшено качество измерения. Наконец, следует учесть, что измерения ОИКО обычно усредняются по большому количеству измерений для улучшения отношения сигнал-шум, последняя величина улучшается как корень квадратный числа усредненных измерений. Такое улучшение отношения сигнал-шум, получаемое при более высокой подаваемой мощности, может использоваться для получения более коротких времен обновления при измерении.

Следовательно, необходимым является обеспечение способов и устройств для улучшения отношения сигнал-шум в измерениях ОИКО отрезка волокна, представляющего интерес, когда такой отрезок отделен от устройства конечным расстоянием. Часто случается, что наиболее важный отрезок находится на наиболее удаленном конце волокна. Хотя может потребоваться измерение ближнего отрезка волокна, настоящее изобретение направлено на улучшение качества измерения удаленного отрезка волокна.

Главной причиной для концентрации на улучшении измерения на удаленном конце волокна является то, что в этой области ослабление, испытываемое зондирующим импульсом в исходящем направлении и сигналы в обратном направлении, является наивысшим. Однако имеются приложения, в которых оконечная секция представляет главный интерес и в которых качество данных на ближних дистанциях менее важно. Один пример таких приложений представляет собой измерение температурных профилей в морских нефтяных скважинах. В этом случае является важным знать температуру жидкости, протекающей в скважине, обычно с точностью до 0,1°С. Однако оборудование обычно расположено на платформе, которая размещена на некотором расстоянии от скважины, причем скважина соединена с платформой при помощи подводного трубопровода, который лежит (или заглублен) на морском дне, причем вертикальный трубопровод доставляет нефть от подводного трубопровода вверх к платформе. Горизонтальная дистанция между платформой и устьем подводной скважины известна как дистанция "удаления". В типичном примере скважин, предназначенных для глубоководной добычи нефти, скважина может простираться до десяти километров ниже морского дна. Дистанция удаления может составлять до 20-30 км и глубина может достигать 2000 м и в будущем может превысить это значение. В этом примере именно отрезок оптического волокна в скважине конечные 10 км является важным. Волокно, которое соединяет платформу с устьем скважины, является менее важным: оно может предавать информацию о закупорках подводного трубопровода, но температурное разрешение, требуемое для целей гарантирования потока в подводном трубопроводе, является гораздо менее требовательным, чем таковое, требуемое в скважине.

Для дополнительного раскрытия концепции настоящего изобретения обсуждается взаимосвязь между максимальной мощностью, которая может быть подана в волокно, и полученной в результате мощностью обратного рассеяния.

Разрешение измеряемой величины (т.е. температуры) датчиков типа ОИКО, таких как рамановские ОИКО или бриллюэновские ОИКО, в общем случае определяется отношением сигнал-шум сигнала обратного рассеяния. Дополнительное обсуждение этого может быть найдено в справочнике "Optical Fibre Sensor Technology" под редакцией Grattan и Meggit (Chapman&Hall, London, 1995, ISBN 0 412 59210 X) и особенно в главе, посвященной распределенным оптоволоконным датчикам. Подводя итог, возвращаемый сигнал в таком датчике пропорционален энергии зондирующего импульса. Для увеличения энергии импульса может быть увеличена либо длительность импульса, либо мощность импульса. В первом случае пространственное разрешение (т.е. способность датчика различать близко расположенные особенности профиля измеряемой величины) ухудшается. Во втором случае пиковая мощность ограничивается нелинейными эффектами, которые преобразуют зондирующий импульс в длины волн, отличные от вводимой, если мощность превышает определенные пределы.

В общем случае именно интенсивность оптической мощности в волокне определяет возникновение нелинейных эффектов. Под интенсивностью понимается отношение подаваемой оптической мощности к площади, через которую указанная мощность распространяется. Поскольку оптическая мощность не является однородной, "эффективная" площадь обычно определяется следующим образом

где (r) представляет распределение электрического поля как функцию радиальной координаты r. Масштаб нелинейных эффектов обратно пропорционален A_eff (эффективной площади). Из этого следует, что для данного предела, при котором нелинейные эффекты становятся неприемлемыми, мощность, которая может быть подана в волокно, возрастает пропорционально A _eff. Однако было обнаружено, что коэффициент обратного рассеяния, т.е. отношение мощности сигнала обратного рассеяния к энергии зондирующего импульса, обратно пропорционален A _eff. Из этого следует, что, если конфигурация волокна меняется для увеличения A_eff, в волокно может быть подана большая мощность, но часть энергии импульса, которая преобразуется в обратный сигнал, уменьшается приблизительно пропорционально возрастанию A_eff, что приводит к тому, что обратный сигнал остается неизменным. Хотя присадки, используемые для модификации коэффициента преломления приводят к тому, что указанная зависимость некоторым образом отличается от пропорциональности с A_eff, приведенное выше обсуждение остается верным, по меньшей мере, приблизительно. Хотя некоторые эффекты масштабируются дополнительно. Например, для небольших добавок GeO₂ к диоксиду кремния, показатель преломления сердцевины возрастает пропорционально молярной концентрации GeO ₂, что приводит к тому, что эффективная площадь уменьшается обратно пропорционально квадрату концентрации GeO ₂. Однако порог для вынужденного рамановского рассеяния уменьшается в такой же пропорции, поскольку и сечение рамановского усиления, и спонтанное рамановское рассеяние (следствием чего является вынужденное рамановское рассеяние) оба пропорциональны концентрации GeO₂.

В предыдущем параграфе используются термины, которые относятся к одномодовым волокнам; однако очевидно, что те же принципы применимы к многомодовым волокнам.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается устройство для оптического измерения коэффициента отражения для восприятия параметра, предназначенного для измерения в исследуемой области, причем устройство включает в себя: оптическое волокно; средство источника, выполненное с возможностью ввода оптического излучения в оптическое волокно с зондирующей длиной волны; и средство детектирования, выполненное с возможностью формирования электрических выходных сигналов в ответ на оптическое излучение обратного рассеяния из оптического волокна; оно отличается тем, что оптическое волокно включает в себя первый отрезок, в который подается указанное оптическое излучение на зондирующей длине волны, и второй отрезок, расположенный в исследуемой области, причем указанный первый отрезок имеет более высокий порог интенсивности возникновения нелинейных эффектов, чем указанный второй отрезок, причем указанный источник выполнен с возможностью подачи оптического излучения на зондирующей длине волны в указанный первый отрезок с интенсивностью ниже, чем порог интенсивности нелинейных эффектов указанного первого отрезка, но превышающей порог интенсивности нелинейных эффектов второго отрезка, причем характеристики ослабления первого отрезка являются такими, что интенсивность оптического излучения на зондирующей длине волны, достигающей второго отрезка, находится ниже порога возникновения нелинейных эффектов указанного второго отрезка.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения также предлагается способ оптического измерения коэффициента отражения для определения параметра, измеряемого в рассматриваемой области, причем способ включает в себя подачу оптического излучения на зондирующей длине волны в оптическое волокно и формирование выходных электрических сигналов в ответ на оптическое излучение обратного рассеяния из оптического волокна, он отличается тем, что оптическое волокно включает в себя первый отрезок и второй отрезок, причем второй отрезок имеет более низкий порог интенсивности возникновения нелинейных эффектов, чем первый отрезок, причем указанный второй отрезок расположен в рассматриваемой области и оптическое излучение на зондирующей длине волны подается в указанный первый отрезок с интенсивностью ниже, чем порог интенсивности нелинейных эффектов первого отрезка, но выше, чем порог интенсивности нелинейных эффектов второго отрезка, причем характеристики ослабления указанного первого отрезка выбраны таким образом, что интенсивность оптического излучения на зондирующей длине волны, достигающего второго отрезка, ниже, чем порог интенсивности указанного второго отрезка.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается устройство для оптического измерения коэффициента отражения для определения параметра, измеряемого в рассматриваемой области, причем устройство включает в себя: оптическое волокно; средство источника, выполненное с возможностью подачи в оптическое волокно оптического излучения с зондирующей длиной волны, имеющее предварительно выбранную интенсивность; и средство детектирования, выполненное с возможностью формирования электрических выходных сигналов в ответ на оптическое излучение обратного рассеяния из оптического волокна; оно отличается тем, что оптическое волокно включает в себя первый отрезок, в который подается указанное оптическое излучение на зондирующей длине волны, и второй отрезок, расположенный в рассматриваемой области, причем имеется удаленный усилитель, расположенный между первым и вторым отрезками, выполненный с возможностью компенсации ослабления интенсивности на зондирующей длине волны в первом отрезке волокна.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения также предлагается способ оптического измерения коэффициента отражения для определения параметра, измеряемого в рассматриваемой области, причем способ включает в себя подачу оптического излучения на зондирующей длине волны с предварительно выбранной интенсивностью в оптическое волокно и формирование выходных электрических сигналов в ответ на оптическое излучение обратного рассеяния из оптического волокна, он отличается тем, что оптическое волокно включает в себя первый и второй отрезки, соединенные при помощи удаленного усилителя, причем усиление усилителя выбирается с возможностью компенсирования ослабления на зондирующей длине волны в первом отрезке.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предлагается устройство оптического измерения коэффициента отражения для определения параметра, измеряемого в рассматриваемой области, причем устройство включает в себя: оптическое волокно; средство источника, выполненное с возможностью подачи в оптическое волокно оптического излучения с зондирующей длиной волны; и средство детектирования, выполненное с возможностью формирования электрических выходных сигналов в ответ на оптическое излучение обратного рассеяния из оптического волокна; оно отличается тем, что оптическое волокно включает в себя первый отрезок, в который подается указанное оптическое излучение на зондирующей длине волны, и второй отрезок, расположенный в рассматриваемой области, причем указанный первый отрезок оптически соединен с вторым отрезком в точке, удаленной от средства источника, и включает в себя первое и второе волокна, причем первое волокно расположено таким образом, что оно обеспечивает прохождение оптического излучения на зондирующей длине волны в направлении второго отрезка, и второе волокно расположено таким образом, что оно обеспечивает прохождение оптического излучения обратного рассеяния, возвращаемого из второго отрезка к средству детектирования.

Ниже для примера приводятся ссылки на сопутствующие чертежи, в которых:

На Фиг.1 показано устройство ОИКО согласно первому варианту осуществления первого аспекта настоящего изобретения;

На Фиг.2 показано устройство ОИКО согласно первому варианту осуществления второго аспекта настоящего изобретения;

На Фиг.3а показано устройство ОИКО согласно второму варианту осуществления второго аспекта настоящего изобретения;

На Фиг.3b более подробно показана часть устройства по Фиг.3а;

На Фиг.4а показано устройство ОИКО согласно второму варианту осуществления второго аспекта настоящего изобретения;

На Фиг.4b показано устройство ОИКО согласно третьему варианту осуществления второго аспекта настоящего изобретения;

На Фиг.4с показано устройство ОИКО согласно четвертому варианту осуществления второго аспекта настоящего изобретения;

На Фиг.4d показано устройство ОИКО согласно пятому варианту осуществления второго аспекта настоящего изобретения.

Согласно варианту осуществления первого аспекта настоящего изобретения может быть предложен способ, в котором мощность обратного рассеяния от удаленного конца оптического волокна может быть увеличена, в то же время допуская, чтобы мощность, подаваемая в волокно, оставалась ниже предела нелинейности. В этом способе оптическое волокно изготовлено, по меньшей мере, из двух отрезков волокна таким образом, что числовая апертура монотонно возрастает с увеличением расстояния от измерительного устройства. Этот способ проиллюстрирован на Фиг.1, где устройство измерения обратного рассеяния ОИКО, представленное схематически источником 1, детектором 2 и соединителем 3, подает импульсы 4 высокой мощности в первое волокно 5. Интенсивность импульсов 4 выбирается ниже порога значимых нелинейных эффектов (в зависимости от области применения системы и ее конструкции ограничивающие эффекты могут быть ВРР (вынужденное рамановское рассеяние), ВБР (вынужденное бриллюэновское рассеяние), ФАМ (фазовая автомодуляция) или др.). Отрезок волокна, представляющий собой основной интерес, является вторым волокном 6, которое соединено с волокном 5 на расстоянии L_f. Волокно 5 выбирается таким образом, что оно имеет высокий порог нелинейных эффектов (и, следовательно, низкий показатель обратного рассеяния), а волокно 6 - значительно более высокий порог (и, следовательно, значительно более высокий показатель обратного рассеяния), причем взаимосвязь между расстоянием L_f и эффективными площадями волокон 5 и 6 выбрана таким образом, что мощность, распространяющаяся в волокне 6, ослабляется при ее распространении в волокне 5 до такой степени, что она оказывается ниже порога нелинейности в волокне 6, хотя она превышала бы указанный порог при непосредственном ее введении в волокно 6 без прохождения через волокно 5. Таким образом, ослабление в волокне 5 используется для приведения интенсивности импульсов 4 до уровня, допустимого в волокне 6 без нелинейных эффектов. Поскольку в определенных приложениях волокну 5 требуется покрыть определенное расстояние до достижения начала волокна 6, преимущество от данного способа может быть существенным.

В качестве примера преимущества, которое может быть получено при помощи этого способа, числовая апертура (величина, которая относится к разнице показателя преломления между сердцевиной и оболочкой) протяженного волокна обычно составляет 0,12, и соответствующий диаметр поля моды составляет порядка 11,5 мкм. Однако для специальных приложений доступны волокна, имеющие числовые апертуры вплоть до 0,29. Поскольку эффективная площадь обратно пропорциональна квадрату числовой апертуры и коэффициент обратного рассеяния пропорционален ее квадрату, очевидно, что для одной и той же подаваемой мощности замена на волокно с более высокой числовой апертурой на расстоянии, где зондирующая мощность падает пропорционально величине, равной, по меньшей мере, квадрату отношения числовых апертур первого и второго волокон, даст в результате возрастание принимаемого сигнала пропорционально квадрату указанного отношения. В приведенном выше примере улучшение принятого сигнала составляет примерно 6.

Обычно волокна, имеющие большую числовую апертуру (маленькую эффективную площадь), подвержены в некоторой мере более высоким потерям при передаче, чем волокна, имеющие большие эффективные площади. Следовательно, расположение соединения между волокнами 5 и 6 может быть оптимизировано. Помимо этого, в общем случае желательно, чтобы эффективная площадь могла меняться несколькими шагами. Причиной для изменения свойств волокна от больших к малым A_eff несколькими шагами является то, что потери на стыках обычно ниже и, помимо этого, тем самым минимизируется длина с наибольшими потерями (с самым низким A_eff). Как пример предельного случая, свойства волокна постепенно уменьшаются таким образом, что потери, связанные с изменением в свойствах волокна, являются нулевыми, поскольку изменения происходят адиабатически и к тому же отношение потери/A_eff вдоль волокна может быть оптимизировано.

Ниже описан способ для выбора относительных длин каждой секции в волокне, состоящем из секций волокна, имеющих последовательно увеличивающуюся числовую апертуру.

При известном отношении между уровнем обратного рассеяния в i-ой и (i+1)-ом отрезке, потерях на стыке между ними и ослаблении на единицу длины (i+1)-ого отрезка оптимальная длина для (i+1)-ого отрезка может быть получена из следующего рассуждения. Чем короче длина (i+1)-ого отрезка, тем выше будет обратное рассеяние, возвращающееся из ее удаленного конца. Однако, если этот отрезок очень короткий, тогда сигнал рассеяния от удаленного конца предыдущей секции будет более слабым, чем сигнал от конца (i+1)-го отрезка. Из этого следует, что оптимальная длина (i+1)-го отрезка дается:

где В является поглощенной частью обратного рассеяния (т.е. частью рассеянного света, который повторно поглощается в волноводе в обратном направлении), _S является потерями на рассеянии для спектрального компонента, используемого в измерении, S представляет потери на стыке между секцией i и секцией i+1 и является общими потерями в секции. Во всех случаях значения, которые меняются от секции к секции, идентифицируются индексами рассматриваемой секции. В этом случае выражается в дБ/км, S в дБ и _S выражается в линейных единицах (как часть проходящего вперед света, рассеиваемого на единицу длины). К полученной в результате оптимальной длине для (i+1)-й секции применимы следующие допущения:

1. Полученная в результате длина меньше, чем длина критической длины, представляющей интерес, предназначенной для измерения с наивысшей точностью: если это условие не выполняется, тогда оптимальная длина просто является такой же, что и у конечного рассматриваемого отрезка.

2. Мощность, остающаяся в зондирующем импульсе в соединении, ниже необходимой для появления нелинейного эффекта, ограничивающего производительность системы. Если это условие не удовлетворяется, тогда соединение между двумя секциями перемещается дальше в сторону удаленного конца волокна. Перемещение соединения имеет два эффекта, а именно уменьшение мощности конечного отрезка, когда его достигает импульс и также увеличение порога нелинейных эффектов в этом конечном отрезке, поскольку порог зависит от длины конечного отрезка.

При наличии более чем двух отрезков различных волокон вышеописанная процедура повторяется для всех соединений между отрезками волокна, начиная от наиболее удаленного.

Описанные выше способы являются полностью пассивными. Однако аналогичные преимущества могут быть получены, используя средство усиления, расположенное на расстоянии от измерительного устройства. Согласно второму аспекту изобретения мощность от удаленного отрезка волокна, воспринимаемая датчиком ОИКО, может быть увеличена посредством применения удаленного встроенного в линию средства оптического усиления для увеличения уровня мощности в конечном отрезке волокна и для усиления в том же усилителе сигнала, возвращающегося из этого отрезка. Хотя в приведенном ниже описании усилитель расположен на расстоянии и, предпочтительно, с удаленной накачкой, также возможен удаленный усилитель с подпиткой в удаленном местоположении от электрического источника (возможно приводящего в действие локальный источник накачки).

Усилитель с удаленной накачкой представляет собой вариант оптического усилителя, в котором мощность накачки передается в усилитель по оптическому волокну и который, следовательно, является электрически пассивным. Хотя удаленные усилители интенсивно используются в телекоммуникации и массивах дискретных датчиков (например, при импульсном опросе массивов акустических датчиков, US 5866898), они до настоящего времени не применялись в датчиках типа ОИКО, особенно в датчиках температуры, основанных на рамановском или бриллюэновском рассеянии. В случае рамановского рассеяния спектральная ширина сигнала является очень большой (порядка 10-15 ТГц), что обеспечивает в результате очень высокий уровень шума на входе в усилитель. В случае бриллюэновского рассеяния требуется фильтрация спектра обратного рассеяния для получения какого-либо преимущества от этого способа. Это может быть причиной, по которой эти способы не были предложены до настоящего времени.

Датчик типа ОИКО, использующий второй аспект настоящего изобретения, включает в себя, по меньшей мере, первый отрезок волокна, в который подаются импульсы, причем за указанным первым отрезком следует, по меньшей мере, второй отрезок волокна, причем два отрезка разделены оптическим усилителем. Усилитель предпочтительно включает в себя отрезок волокна, легированный редкоземельными ионами, со свойством усиления на зондирующей и/или сигнальной длине волны при облучении излучением накачки с заданной длиной волны. В одном из предпочтительных вариантов осуществления сигнальная длина волны находится в области от 1525 до 1580 нм и усилитель включает в себя отрезок одномодового волокна, легированного ионами эрбия. Накачка усилителя предпочтительно осуществляется на длине волны примерно 1480 нм и предпочтительно излучение накачки передается по тому же волокну, что и зондирующий, и излучение обратного рассеяния. Усилитель с волокном, легированным эрбием, особенно подходит для применения, имея в виду то, что время жизни верхнего состояния ионов эрбия является достаточным для устройства для сохранения значительного количества энергии и тем самым относительно низкая мощность накачки может обеспечить эффективное усиление за небольшой промежуток времени (рабочий цикл), за который это требуется.

Эта конфигурация проиллюстрирована на Фиг.2, где источник 1 вводит зондирующие импульсы 4 в первый отрезок волокна 50 через направленный ответвитель 3. В конце отрезка 5 волокна 7, легированного эрбием, он состыкован в линию с первым отрезком 50 волокна и затем со вторым отрезком 60 волокна. Второй, селективный по длине волны, ответвитель 8 используется для ввода света 10 накачки в волокно, причем ответвитель 8 выбирается таким образом, что он передает по существу все зондирующие сигналы и сигналы обратного рассеяния неискаженными и вводит в отрезок 50 волокна практически все излучение накачки, которое имеет длину волны, отличную от других сигналов (зондирующего и отраженного сигналов). Излучение накачки проходит по отрезку 50 волокна и частично поглощается усиливающим волокном 7. Необязательно, может быть добавлен селективный по длине волны отражатель 9 на удаленном конце усиливающего волокна 7 для отражения непоглощенной мощности накачки обратно в усилитель, тем самым улучшая эффективность, с которой используется мощность накачки. Отражатель 9 выполнен таким образом, что оказывает минимальное воздействие на передачу всех сигналов, отличных от сигнала накачки. Предпочтительно это реализовано в виде волоконной решетки Брегга. Необходимо отметить, что в данном варианте осуществления усилитель служит для увеличения уровня как зондирующих импульсов, так и сигналов, отраженных от отрезка 60 волокна.

Если коэффициент усиления усилителя подобран для компенсации потерь в первом отрезке 50 волокна, то производительность системы будет аналогичной производительности системы, проводящей измерение только конечного отрезка 60 волокна, однако со следующими недостатками: а) коэффициент шума усилителя ухудшает отношение сигнал-шум, b) частота повторения импульсов ограничена общей длиной волокна (отрезки 50+60), а не менее ограничивающим пределом, определяемым только отрезком 60, и с) мощность, которая может быть введена в первый отрезок 50, всегда меньше, чем она могла бы быть в случае измерения только конечного отрезка 60 вследствие большей длины, в которой могут генерироваться новые длины волн в зондирующем импульсе (предшественник полного проявления оптической нелинейности).

В предпочтительном варианте осуществления изобретения уровень мощности зондирования, вводимый в первый отрезок волокна, является значительно ниже уровня, при котором в этом отрезке появляются нелинейные эффекты, и коэффициент усиления усилителя выбирается таким образом, что его усиление превышает ослабление в первом отрезке и что мощность зондирования на выходе усилителя во второй отрезок ближе к пределу мощности для указанного второго отрезка, определяемому ограничениями на нелинейные оптические эффекты в указанном втором отрезке.

Хотя интуитивно можно ожидать, что мощность зондирования предпочтительно должна быть максимизирована, работа датчика типа ОИКО, как это было только что описано, имеет следующие преимущества. Определенные типы нелинейных эффектов в оптических волокнах развиваются постепенно вдоль волокна. Такое развитие задерживается при уменьшении мощности, подаваемой в секцию волокна. В результате мощность зондирования в отрезки волокна за усилителем может быть настроена на более высокий уровень, чем это было бы в случае, если уровень мощности в отрезке перед усилителем был бы ближе к пределу для этого отрезка. Такое преимущество иллюстрируется в следующем примере, который является специфическим для одномодового волокна. Предполагается, что ограничение на вводимую мощность является следствием фазовой автомодуляции. Также предполагается, что рассматриваемый отрезок волокна представляет собой последние 10 км 30-ти км волокна с усилителем, размещенным непосредственно перед последними 10 км, т.е. в 20-ти км от измерительного устройства. Также предполагается, что максимально приемлемое спектральное уширение вследствие ФАМ составляет 500 МГц. Также предполагается, что коэффициент усиления усилителя установлен только для компенсации потерь в первом отрезке волокна и что мощность, вводимая в первую секцию, максимизирована. При таких условиях мощность зондирования должна быть ограничена мощностью порядка 140 мВт для 14 нсек гауссовских импульсов. Напротив, если в первый отрезок подается только 50 мВт, тогда коэффициент усиления усилителя может быть подобран для подачи 250 мВт в последний отрезок волокна с таким же спектральным уширением. Следовательно, при разработке решения об ограничении мощности в первом отрезке волокна, можно увеличить на 78% мощность зондирования в рассматриваемом отрезке волокна. Аналогичные преимущества существуют, если первое ограничение на вводимую мощность является следствием вынужденного рамановского рассеяния. Например, если коэффициент усиления удаленного усилителя установлен так, что оно соответствует потерям в первом отрезке волокна, то можно вычислить, что максимальная мощность, которая может быть подана при условии того, что кумулятивные нелинейные потери зондирующего импульса будут ниже на 0,3% (что соответствует ошибке 1°С для основанных на интенсивности бриллюэновских системах), составляет 0,9 Вт. Однако мощность, подаваемая в первый отрезок волокна, ограничивается до уровня значительно ниже 0,9 Вт, например 0,1 Вт, тогда коэффициент усиления усилителя может быть подобран для подачи 2 Вт во второй отрезок волокна для того же уровня искажений, т.е. увеличение мощности зондирования в отрезке волокна, в котором это имеет значение, на коэффициент, превышающий 2.

Второе преимущество, которое достигается при работе удаленного усилителя с усилением, превышающим требуемое для простой компенсации потерь при распространении в первом отрезке волокна, применимо в системах, где один и тот же усилитель используется для сигнала, возвращающегося от второго отрезка волокна. В этом случае более сильный сигнал, возвращающийся из удаленного отрезка волокна, может быть подобран для устранения ослабления дополнительных оптических компонентов приемного отрезка оптического волокна и для подавления шума на этапе предварительного усиления. Таким образом, дополнительное преимущество, соответствующее сумме (по логарифмической шкале) оптических потерь в измерительном устройстве перед следующим этапом усиления плюс коэффициент шума этого этапа, может быть получено путем уменьшения мощности зондирования в первом отрезке волокна.

В качестве примера реализации предполагается, что адаптирован предпочтительный вариант осуществления усилителя с волокном, легированным эрбием, удаленная накачка которого выполняется лазером на длине волны 1480 нм с сигналами, расположенными в районе 1550 нм. Предполагая, что 50 мВт вводится в первый отрезок 20-ти км длины и усиливается до 250 мВт в усилителе и, полагая, что потери при распространении в первом отрезке волокна составляют 4,8 дБ, получаем, что общее требуемое усиление составляет 9,8 дБ. Средняя мощность излучения усилителя составляет 2,1 мкВт, в дополнение к которой предполагается 4нВт мощности обратного рассеяния в обратном направлении из второго отрезка волокна. При таких условиях отрезок - примерно 8 м волокна типа НЕ980 (поставляемого Lucent Technologies of New Jersey, USA) будет достаточным для обеспечения требуемого усиления. Менее чем 2 мВт мощности накачки будет поглощено и с 5 мВт, принятыми в усилителе, вычисленный коэффициент шума составляет 4 дБ. На длине волны 1480 нм потери в волокне в первом отрезке оцениваются как имеющие порядок 0,25-0,3 дБ/км и, следовательно, будет достаточным ввести 20 мВт в первый отрезок для того, чтобы в усилитель попало 5 мВт. В качестве альтернативы при вводимой мощности зондирования, уменьшенной до 25 мВт, будет достаточным усиление 15 дБ, что может быть достигнуто при помощи 12 м отрезка того же волокна с накачкой 10 мВт оптической мощности на длине волны 1480 нм (предполагая, что установлен необязательный отражатель накачки). В последнем примере сигнал из второго отрезка волокна возвращается в начало первого отрезка с величиной, в 10 раз превышающей ту, с которой он вышел бы из второго отрезка, имея только 4 дБ добавленного шума. Увеличенный сигнал может значительно снизить влияние шума на последующем этапе усиления в системе.

В определенных обстоятельствах может требоваться выполнять определенные оптические функции на расстоянии, например фильтрацию зондирующего сигнала перед вводом в последний отрезок. Операция фильтрации позволяет устранить эффект побочного света, сопровождающего зондирующий импульс, такой как уширение вследствие ФАМ в первом отрезке, перед критическим последним отрезком. В общем случае эти функции могут применяться к зондирующему импульсу или сигналу обратного рассеяния. Дополнительно может потребоваться подобрать усиление удаленного усилителя так, чтобы оно было различным для зондирующих импульсов и сигналов, возвращающихся из второго отрезка. Следовательно, может потребоваться предусмотреть оптическую сборку, расположенную удаленно от измерительного устройства и перед отрезком волокна, измерение которого должно выполняться, в которой проходящее вперед (зондирующее) излучение отделяется от излучения, распространяющегося в обратном направлении, и обрабатывается перед вводом в последний отрезок волокна. Излучение, возвращающееся из последнего отрезка, также может обрабатываться (например, усиливаться) и возвращаться в измерительное устройство. Зондирующее излучение, проходящее от измерительного устройства в сборку, может совместно использовать то же волокно, что и излучение, возвращающееся из сборки. Такая конструкция показана на Фиг.3а, где пара циркуляторов 13а, 13b используется для разделения света при входе в сборку 71, которая включает в себя усилители 11а и 11b и фильтр 12, и для повторного комбинирования света перед выходом из сборки. Циркулятор является особенно эффективным средством осуществления такой функции, хотя также возможна комбинация направленных ответвителей (для расщепления света) и изоляторов (для гарантии однонаправленного распространения) в расщепляющих узлах. В зависимости от спецификации расщепляющих устройств может быть необходимо использование проходных ответвителей накачки, которые аналогичны направленному ответвителю 8 в том, что их селективность по длине волны позволяет разделить накачку и другие сигналы. Для ясности это не показано на Фиг.3а, но более подробное изображение предпочтительной конструкции сборки 71 приведено на Фиг.3b.

На Фиг.3b показаны дополнительные ответвители 81 а-d. Они предназначены для удаления мощности накачки волокна из первой секции 50 непосредственно перед циркулятором 13а (эти устройства обычно не подходят для передачи как накачки, так и сигнала) и повторного ввода мощности накачки в усилители 11а, 11b, как это необходимо. Мощность накачки передается по маршруту, показанному стрелками, а именно в один усилитель 11b (в данном случае усилитель для обратных сигналов опять же, как предпочтительная опция), и оставшаяся мощность затем удаляется из маршрута сигнала и затем вводится в другой усилитель 11а. Необязательно фильтр 12 может включать в себя селективное отражающее устройство, которое возвращает остаточную мощность накачки назад через усилители 11а, 11b для улучшения эффективности использования накачки.

Чувствительность к потерям в компонентах сборки должна быть тщательно рассмотрена и может быть необходимо тщательно скремблировать поляризацию света, посылаемого в и/или возвращаемого из указанной сборки.

В качестве альтернативы может быть предпочтительным передавать распространяющуюся в переднем направлении мощность зондирования и сигналы, возвращающиеся из последнего отрезка волокна по отдельным волокнам. Например, удаленная оптическая сборка может быть соединена с измерительным устройством, по меньшей мере, двумя оптическими волокнами, соединенными с различными частями измерительного устройства, причем, по меньшей мере, одно из этих волокон служит для проведения зондирующего импульса от измерительного устройства в сборку и, по меньшей мере, одно волокно проводит обратные сигналы, возвращающиеся из отрезка волокна, предназначенного для измерения, через сборку и обратно в измерительное устройство. Одно или несколько дополнительных волокон могут использоваться для проведения мощности накачки к удаленному усилителю, расположенному в сборке.

Хотя такая конструкция требует двух волокон в кабеле до удаленной сборки (и тем самым увеличивает стоимость), она устраняет потребность в одном наборе расщепляющих компонентов и допускает очень простые оставшиеся комбинирующие устройства. Она также допускает, чтобы волокно, проводящее зондирующий импульс, оптимизировалось независимо от волокна, проводящего сигнал обратно в измерительное устройство. Наконец, она допускает увеличение частоты повторения импульсов до уровня, который определяется только временем распространения прохождения в обе стороны в последнем отрезке волокна, а не всей дистанции от измерительного устройства до самого удаленного конца. В результате время измерения в случае удаления 20 км с последующей скважиной 10 км, где измерения должны производиться только в скважине, может быть уменьшено примерно в 3 раза.

Очевидно, что хотя такая конструкция обладает большими преимуществами при использовании в сочетании с ранее описанными аспектами настоящего изобретения, как показано на Фиг.4а-с ниже, использование одного волокна для передачи зондирующего импульса ко второму отрезку волокна и другого волокна для передачи сигналов обратного рассеяния от второго отрезка волокна к устройству детектирования или ему подобному может быть преимущественной вне зависимости от того, используются ли для улучшения передачи по второму отрезку волокна способы, осуществляющие первый или второй аспекты настоящего изобретения.

Фиг.4а соответствует устройству по Фиг.1, но отличается тем, что тестовые импульсы 4, излучаемые источником 1, подаются в первый отрезок 5а волокна. Направленный ответвитель 3 в этом случае расположен на расстоянии непосредственно перед исследуемой областью, в которой расположен отрезок 6 волокна. Сигналы, возвращающиеся из отрезка 6 волокна, проходят через ответвитель 3 и обратно в измерительное устройство через отдельный отрезок 5b волокна. Согласно первому аспекту настоящего изобретения выполнение отрезка 6 может быть выбрано с большим коэффициентом обратного рассеяния, чем в отрезке 5а волокна.

Фиг.4b соответствует устройству по Фиг.2, но так же, как Фиг.4а, отличается тем, что зондирующие импульсы проходят в исследуемую область по первому волокну 50а и возвращаются по второму волокну 50b через направленный ответвитель 3. Отличие от конструкции по Фиг.4а заключается в том, что отрезок 7 усилительного волокна включен между ответвителем 3 и отрезком 60 волокна. В этом случае ответвитель 3 выполнен селективным по длине волны таким образом, что вся мощность накачки, введенная в волокно 50а через ответвитель 8 и достигшая ответвителя 3, направляется в отрезок 7 усилительного волокна. Соотношение разветвления ответвителя 3 на длине волны сигнала и зондирования может быть выбрано таким образом, что отводятся неравные доли мощности, что в сочетании с регулировкой усиления удаленного усилителя 7 может быть использовано для оптимизации производительности системы.

В устройстве по Фиг.4с, которое соответствует таковому по Фиг.3а, предусмотрена удаленная оптическая сборка, включающая в себя отдельные части для зондирующих импульсов и сигналов, возвращающихся из рассматриваемого отрезка 60 волокна, который соединен с измерительным устройством через отдельные волокна 50а и 50b и с отрезком 60 волокна через один циркулятор 13. На Фиг.4с не показаны ответвители, требующиеся в удаленной сборке 71 для удаления остаточной мощности в усилителе 11а, соединенном с 50а, и последующего введения этой мощности во второй усилитель 11b. Необязательно могут быть предусмотрены отражающие накачку фильтры для улучшения использования мощности накачки. Ответвитель 8 может быть введен в отрезок волокна 50b, а не в 50а, как показано на Фиг.4с.

В качестве альтернативы мощность накачки может передаваться независимо по каждому из волокон 50а и 50b, как показано на Фиг.4d. В этом случае мощность 10 накачки вводится как в волокно 50а, так и в волокно 50d, через отдельные селективные по длине волны ответвители 8а и 8b. Относительная накачка может быть отрегулирована для достижения относительных достижений мощности в каждом из усилителей 11а и 11b. В случае по Фиг.4d удаленная сборка является упрощенной, поскольку не требуется селективных по длине волны ответвителей для проведения мощности накачки между усилителями 11а, 11b, что улучшает надежность сборки. Дальнейшее улучшение может быть достигнуто путем замены одиночного циркулятора 13 на сварной конический ответвитель (не показано). В случае сварного конического ответвителя общая эффективность может быть очень высокой при установлении ассиметричного соотношения разветвления, такого как 90%/10%, в пользу сигналов, возвращающихся из отрезка 60 волокна. Хотя зондирующие импульсы вводятся неэффективно в такой конструкции, допустимость локального усилителя позволяет увеличить их мощность для компенсации и пиковая вводимая мощность может быть ограничена только нелинейными эффектами в отрезке 60 волокна.