專利名稱：光時域反射計系統(tǒng)中對動態(tài)信號范圍的控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及光時域反射計系統(tǒng)中對動態(tài)信號范圍的控制。
背景技術：
經(jīng)常希望獲得關注區(qū)域的溫度相對深度的曲線。對于涉及井的應用， 溫度相對深度曲線可用于如監(jiān)控井中的水力壓裂(作為例子)等目的。光 纖是一種傳感器，可用于獲得溫度相對于深度的分布。更具體地，光纖可
以是光時域反射計(OTDR)系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)通常包括反射計，其 將光學脈沖發(fā)射到光纖中，且跟蹤反向散射輻射，作為自脈沖發(fā)射起經(jīng)過 時間的函數(shù)。
檢測到的反向散射輻射的強度表達了關于脈沖行進通過的介質的衰 減以及其他特性如局部散射系數(shù)的信息。該信息又可用于產(chǎn)生關注區(qū)域的 溫度相對深度(或長度)的分布。OTDR技術也可用于確定其他量的深度 分布，所述其他量例如包括應變、擾動、磁場。根據(jù)對光在介質中的群速 度的認識，可以將經(jīng)過時間轉換為距離；因此，經(jīng)過時間和沿光纖的距離 可互換引用。
對于相對長的范圍，OTDR可能面臨由于反射計接收的信號的動態(tài)范 圍相對較寬而導致的挑戰(zhàn)。 一些反射計的特有動態(tài)范圍可達到單向(one way) 40分貝(dB)或更多(取決于光纖類型、分辨率和許多其他參數(shù))， 這轉化為反向散射信號光功率八個數(shù)量級的變化，或者以電學dB來說是 160dB。光纖的長度較長通常導致在向關注點傳播或從關注點傳播時強烈 衰減，且在分布式傳感器的情況下，由于測量自身造成的信號強度的可能 變化增加了動態(tài)信號范圍。
在傳統(tǒng)OTDR系統(tǒng)中，光電裝置，如雪崩光電二極管(作為例子)， 將接收到的光能量轉換為電流。前置放大器將來自光電二極管的電流轉換 為電壓，隨后該電壓由系統(tǒng)的其他部分進一步處理(例如，進一步的放大、濾波和模數(shù)轉換)。在動態(tài)信號范圍的低端，前置放大器的噪聲設置了可 在噪聲本底上檢測以進行給定程度后處理(例如信號平均)的最小信號電 平。在動態(tài)范圍的高端，最強可允許信號是這樣的信號產(chǎn)生足夠的電流， 使得前置放大器輸出擺向但不超過前置放大器最大輸出電壓。
盡管放大器的下游信號均衡可幫助改進模數(shù)轉換處理的線性，但是這 種均衡不能解決上面提出的基本問題。另外，對于光源為窄帶裝置的情況， 例如在相干光時域反射計的情況，動態(tài)信號范圍顯著增加，例如增加一百 倍。
因此，對于控制OTDR系統(tǒng)中動態(tài)信號范圍的更好方式存在持續(xù)的需求。

發(fā)明內容
在本發(fā)明的實施例中， 一種技術，包括向光纖提供光源信號以產(chǎn)生反 向散射信號。提供接收器以檢測反向散射信號。在存在反向散射信號的獲 取時段期間，相對時間改變接收器的靈敏度以調節(jié)接收器的放大器的輸入 信號范圍。
在本發(fā)明的另一實施例中，系統(tǒng)包括光源、接收器和電路。光源向光 纖提供光源信號以產(chǎn)生反向散射信號。接收器耦合到光纖以檢測反向散射 信號，且包含前置放大器。電路適于在存在反向散射信號的獲取時段期間， 相對時間改變接收器的靈敏度從而調節(jié)接收器的放大器的輸入信號范圍。


根據(jù)下面的附圖、說明和權利要求，本發(fā)明的優(yōu)點和其他特征將是顯 而易見的。
圖1是現(xiàn)有技術光時域反射計系統(tǒng)的示意圖。
附圖2是描述根據(jù)本發(fā)明的實施例控制光時域反射計接收器的前置放 大器的動態(tài)信號范圍的技術的流程圖。
附圖3、 4和5是根據(jù)本發(fā)明實施例的光時域反射計系統(tǒng)的示意圖。
具體實施方式
反射計(OTDR)系統(tǒng)10包括脈沖光源20和 定向耦合元件25，該定向耦合元件25將光源20耦合到光纖30。光纖30 穿過關注區(qū)域(例如，井的區(qū)域)，從而可獲取或測得該區(qū)域的特性(例 如溫度相對于深度的分布)。作為例子，根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，定向 耦合元件25可以是分束器、定向耦合器、環(huán)行器或其他適合的裝置。光 源20產(chǎn)生光脈沖，該光脈沖通過定向耦合元件25到達光纖30，且光脈沖 以光反向散射信號的形式產(chǎn)生反向散射輻射，反向散射輻射由定向耦合元 件25引導到系統(tǒng)10的OTDR接收器40。光反向散射信號的有效動態(tài)范圍通常由接收器40，尤其是接收器40 的第一前置放大器限制，其中第一前置放大器從光電探測器接收電流。在 這點上，接收器的噪聲本底以及接收器40在保持處于其線性區(qū)同時可接 收的最大信號確定動態(tài)信號范圍。在設定動態(tài)信號范圍時涉及許多折衷。例如，低噪聲跨導前置放大器 理想地應具有盡可能高的反饋電阻，以便減少前置放大器引入的熱噪聲 (例如約翰遜噪聲)。然而，大反饋電阻增加了前置放大器的總增益，因 此由于前置放大器最大輸出電壓的限制，與通過更大反饋電阻能夠獲得的 相比，給動態(tài)信號設置了更低的限制。因此，反饋電阻的減小增加了前置 放大器可接收的信號的最大幅值，但是這一方法提高了噪聲本底，從而也 提高了可檢測的信號的最小幅值。根據(jù)此處描述的本發(fā)明的實施例，基于反向散射波形的慢變分量的估 計，改變接收器的靈敏度。這種方法的結果是，從OTDR接收器的第一前 置放大器的立場，反向散射信號的動態(tài)信號范圍與傳統(tǒng)OTDR系統(tǒng)相比降 低了。該估計可基于類似光纖的典型特征或從隨后低通濾波的實際信號得 到的測量。接收器的靈敏度可以多種方式改變，下面將進一步描述。因此，參考圖2，根據(jù)此處描述的本發(fā)明的實施例，技術50可用于光 時域反射計系統(tǒng)中。該技術50包括將光脈沖發(fā)射到光纖中(方框52)以 產(chǎn)生反向散射信號。在光時域反射計接收器處接收反向散射信號的獲取時 段期間，改變接收器的靈敏度(方框54)以調節(jié)第一前置放大器接收的信 號的動態(tài)范圍。作為更具體的例子，附圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的光時域反射計系統(tǒng)60。該系統(tǒng)60包括脈沖光源70，其在獲取時段開始時產(chǎn)生光脈 沖。系統(tǒng)60的分束器80將光脈沖引導到光纖90中。光脈沖在光纖90中 以光反向散射信號的形式產(chǎn)生反向散射輻射，分束器80將該光反向散射 信號沿一定路徑引導到接收器104，接收器104檢測光反向散射信號并將 其轉換為電信號。然而，在到達接收器104的第一前置放大器106之前， 光反向散射信號首先通過稱作可變傳輸元件(VTE)的光學元件100，其 調節(jié)信號的動態(tài)范圍。根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，VTE100衰減或放大光反向散射信號。在 下面描述的本發(fā)明的實施例中，VTE100假定為衰減光反向散射信號(因 此，例如可以是可變光衰減器(VOA))，但是在本發(fā)明的其他實施例中 VTE100可引入增益(因此，例如可以為半導體光放大器)。根據(jù)VTEIOO 為衰減器的本發(fā)明實施例，VTE IOO與預期的反向散射信號強度成比例地 衰減光反向散射信號，從而確保至少到達接收器104的光信號的低頻分量 與從光纖90出射的光反向散射信號的范圍相比具有縮減的信號范圍。真實反向散射信號可基于以下而重構1)接收器104提供的測量信 號；和2) VTE 100引入的傳輸變化。VTE 100的傳輸是可編程的，且VTE 100可具有足以跟蹤至少反向散射信號的最慢分量的頻率響應。根據(jù)本發(fā) 明的實施例，VTE100的傳輸由函數(shù)發(fā)生器110控制，函數(shù)發(fā)生器110產(chǎn) 生直接控制VTE 100的傳輸函數(shù)的控制信號120。VTE100例如可以是電光調制器，在該情況下，控制信號120是施加 到VTE 100以控制其傳輸?shù)碾妷??？蛇x地，VTE 100可由聲光調制器 (AOM)代替，在該情況下，控制信號120是射頻(RF)波形，其幅值 規(guī)定了AOM的瞬時傳輸。在本發(fā)明的其他實施例中，VTE100可由磁光 調制器代替，其傳輸由施加在該調制器上的磁場來確定，該磁場又由螺線 管中的電流確定。VTE IOO也可由例如基于微型機械系統(tǒng)(MEMs)的機 械衰減器代替。在本發(fā)明的其他實施例中，VTE100可由增益可編程的光 放大器代替。脈沖光源70和函數(shù)發(fā)生器110可由公共觸發(fā)器同步，或者設計為一 個觸發(fā)另一個，取決于本發(fā)明的具體實施例。因此，如圖3所示，VTE 100 (或者例如上述備選之一的替換)對反向散射光信號近似與其強度成比例地進行衰減，從而產(chǎn)生具有縮減動態(tài)范圍的信號。在VTE放大反向散射信號(g卩，VTE引入增益)的本發(fā)明實 施例中，VTE與反向散射光信號近似成反比例地改變其增益?？蛇x地，根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，接收器中具有內部增益的光電探 測器例如雪崩光電二極管(APD)的偏置可以改變。因此，APD的增益可 在獲取時段期間改變，其中APD的偏置電壓可由函數(shù)發(fā)生器控制的可編 程高壓電源產(chǎn)生。該方法由圖4中的光時域反射計系統(tǒng)150示出作為例子。 結合圖3參照圖4，注意到系統(tǒng)150(圖4)與系統(tǒng)60類似(圖3)，其中 相同附圖標記用于指示相同部件。然而，系統(tǒng)150的不同之處在于系統(tǒng)150 的接收器154代替系統(tǒng)60的接收器104。該接收器154包括APD 160，其 將接收的光信號轉換為由接收器154的第一前置放大器106接收的電信 號。APD160的增益由高壓電源156控制，高壓電源156又由函數(shù)發(fā)生器 110控制。在本發(fā)明的其他實施例中，APD160可由其他光電轉換裝置代替，例如光電倍增管。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明其他實施例的光時域反射計系統(tǒng)200。在系統(tǒng) 200中，光能由相干光源提供，例如激光器204。激光器204的光輸出由 脈沖發(fā)生器214轉換為光脈沖；且可選地，移頻器218將光脈沖中的頻率 轉化，以產(chǎn)生光信號，該光信號由光定向裝置225引導到光纖230。響應 于光脈沖，光纖230產(chǎn)生光反向散射信號，其由光定向裝置225引導到光 纖耦合器250。光纖耦合器250將反向散射信號與本地振蕩器信號混合，以改變接收 器274接收的光信號從而減小其動態(tài)信號范圍。相干檢測系統(tǒng)的目的還在 于改進信噪比，因為光電流與LO和信號(在此情況為反向散射)乘積的 平方根成比例。因此，通過將本地振蕩器功率增加到充分水平，可使得光 電流比接收器噪聲強，使得信噪比由散粒噪聲支配。由于平方根的效果， 相干檢測自身減少了信號的動態(tài)范圍。然而，此處描述的技術更進一步減 小了動態(tài)范圍。發(fā)射恒定輸出的激光器204的輸出，由光纖耦合器210分開，從而提 供本地振蕩器信號。其余部分由脈沖發(fā)生器214調制為脈沖，并且(在外差檢測的情況下)由移頻器218移頻?？勺儌鬏斣?，例如VTE240，位 于本地振蕩器路徑，且控制可用于在光纖耦合器250與反向散射信號組合 的本地振蕩器功率量。VTE 240通過光纖耦合器210光耦合到激光器204。值得注意的是，系統(tǒng)200僅僅是采用相干光源的示例性系統(tǒng)，其他系 統(tǒng)也可采用，例如采用可變增益光放大器(例如半導體光放大器)改變本 地振蕩器功率的系統(tǒng)。理想的，接收器靈敏度的有效范圍至少應該等于反向散射信號的慢分 量的有效范圍。然而，更小的范圍減少了對接收器的動態(tài)范圍的要求。在所有情況下，首先決定函數(shù)發(fā)生器關于時間(或者沿光纖的距離) 的輸出。如果該輸出是恒定的，則該系統(tǒng)等價于傳統(tǒng)OTDR系統(tǒng)。目標是 改變接收器靈敏度從而減小接收器第一電前置放大器的輸入端呈現(xiàn)的信 號范圍。在第一方法中，反向散射信號的慢變化可基于光纖衰減系數(shù)的典型值 來估計。在該假定下，接收器的信號(稱為"Irx(Z)")可描述如下力"z) = ￡。 ，j.^O).B(z). Jexp(—a(w)—"加e麵,?！?甴 Eq.l本質上，光纖損耗偏移由Eq.l中稱為"(Xa咖uat。r"的恒定衰減因子。此 外，在Eq.l中，"E。"表示探測脈沖的能量；"Vg"表示群速度；"(Xs"表示散射損耗系數(shù)；"B"表示散射再俘獲系數(shù)；且"(x"表示總衰減系數(shù)。對于相對高質量的光纖，這些系數(shù)中的大部分為常數(shù)，且反向散射信號主要以指 數(shù)形式衰減。然而，局部化的損耗導致反向散射強度的突然變化，散射損 耗和俘獲系數(shù)的縱向變化還導致反向散射波形通常的指數(shù)型表現(xiàn)的修正。 為了將這種傳輸實現(xiàn)為距離的函數(shù)，傳輸?shù)闹笖?shù)型變化可被編程到函數(shù)發(fā)生器中。可選地，函數(shù)發(fā)生器可初始設置為恒定傳輸，然后可獲取第一反向散 射信號。第一反向散射信號隨后可用于將函數(shù)發(fā)生器編程為例如與沿光纖 的信號強度成反比的傳輸。基于該編程，反向散射信號與相應于光纖中每 個位置的瞬時衰減和針對該位置測得的信號的乘積成比例。該方法抵消了 接收器要求的大部分動態(tài)范圍，剩余變化顯示了更精細等級的細節(jié)，通常 為較高頻的分量。因此，該系統(tǒng)可像逐次近似模數(shù)轉換器一樣運行，在逐次近似模數(shù)轉換器中首先去掉信號的粗略測量，使得轉換器可在更小范圍 運行。如果需要，該處理可以進一步重復，其中使用重建的反向散射波形的 輸出來調整傳輸/距離函數(shù)。在一些應用中，低頻分量不被關注，因此，可 變靈敏度函數(shù)的校準不是非常重要。在一些情況下，VTE的響應時間可能小于反向散射信號變化的響應時 間，在該情況下，接收的電信號是真實反向散射信號的高通濾波形式。當 不關心低頻分量時，電輸出可不作改變進行使用。如果要求完整反向散射 函數(shù)，可通過將電輸出乘上作為時間函數(shù)的VTE傳輸來獲得?？勺冹`敏度函數(shù)可通過在測量未改變的光纖時改變控制電壓函數(shù)來 校準。例如，在VTE傳輸?shù)暮愣ㄔO置下，對反向散射函數(shù)進行第一測量。 隨后可施加VTE的一些時間調制，得到的反向散射函數(shù)的調制可被注意 并用于將傳輸與控制輸入關聯(lián)。盡管針對有限數(shù)目的實施例描述了本發(fā)明，但是本領域技術人員受益 于該公開，可以從中得到眾多修改和變化。所附權利要求應覆蓋落入本發(fā) 明真實精神和范圍內的所有這種修改和變化。
權利要求
1.一種方法，包括向光纖提供光源信號以產(chǎn)生反向散射信號；提供接收器以檢測反向散射信號；以及在存在反向散射信號的獲取時段期間，相對時間改變接收器的靈敏度從而調節(jié)接收器的放大器的輸入信號范圍。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中改變的動作包括改變接收器的 靈敏度以減小接收器的前置放大器的輸入信號范圍。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其中前置放大器包括接收器的第一 前置放大器以處理反向散射信號。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中改變的動作包括 采用可變傳輸元件截取反向散射信號；以及 控制可變傳輸元件以具有與反向散射信號強度近似反比的傳輸。
5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其中可變傳輸元件包括下列中的一個.電光調制器、聲光調制器、磁光調制器、機械衰減器和光放大器。
6. 根據(jù)權利要求l所述的方法，其中 提供接收器的動作包括提供光電轉換裝置，以及 改變的動作包括改變光電轉換裝置的增益，從而與反向散射信號強度近似反比。
7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中光電轉換裝置包括雪崩光電二 極管。
8. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中光電轉換裝置包括光電倍增管。
9. 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括將反向散射信號與本地振蕩器信號混合，以產(chǎn)生混合的反向散射信號 提供給接收器，其中改變的動作包括與反向散射信號強度近似反比地改變本地振蕩 器信號功率。
10. —種系統(tǒng)，包括光源，向光纖提供光源信號以產(chǎn)生反向散射信號；接收器，耦合到光纖，以檢測反向散射信號，該接收器包括放大器；和電路，在存在反向散射信號的獲取時段期間，相對時間改變接收器的 靈敏度以調節(jié)放大器的輸入信號范圍。
11. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中接收器包括前置放大器。
12. 根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中前置放大器包括接收器的第 一前置放大器。
13. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述電路包括可變傳輸元件，用于接收反向散射信號，并提供指示反向散射信號的輸出信號；和函數(shù)發(fā)生器，用于控制可變傳輸元件以具有與反向散射信號強度近似 反比的傳輸。
14. 根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中可變傳輸元件包括下列中的 一個.電光調制器、聲光調制器、磁光調制器、機械衰減器和光放大器。
15. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中 接收器包括光電轉換裝置，以及電路包括函數(shù)發(fā)生器，用于改變光電轉換裝置的增益從而與反向散射 信號強度近似反比。
16. 根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中光電轉換裝置包括雪崩光電 二極管。
17. 根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中光電轉換裝置包括光電倍增管。
18. 根據(jù)權利要求IO所述的系統(tǒng)，迸一步包括光耦合器，用于混合反向散射信號與本地振蕩器信號，以產(chǎn)生混合反 向散射信號；和函數(shù)發(fā)生器，用于與反向散射信號強度近似反比地改變本地振蕩器信 號功率。
19. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中光源包括相干源。
全文摘要
一種技術，包括向光纖提供光源信號以產(chǎn)生反向散射信號。提供接收器以檢測反向散射信號。在存在反向散射信號的獲取時段期間，相對時間改變接收器靈敏度，以調節(jié)接收器的放大器的輸入信號范圍。
文檔編號E21B49/00GK101328803SQ200810108249
公開日2008年12月24日 申請日期2008年6月5日 優(yōu)先權日2007年6月22日
發(fā)明者卡邁勒·卡迪爾, 阿瑟·H·哈爾托赫 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司