CN107209052B - 分布型光纤声波检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的分布型光纤声波检测装置是采用了基于激光的相位噪声消除的新分布型声波测量方式即PNC(phase noise cancelling)‑DAS(distributed acoustic sensing)方式的分布型光纤声波检测装置。

Description

分布型光纤声波检测装置
技术领域
本发明涉及采用光纤作为传感器，能够排除激光的相位噪声的影响来高灵敏度且高精度地检测到达其长度方向的各部位的声波的分布型光纤声波检测装置。
背景技术
存在向光纤入射激光，在该光纤的长度方向的各部位测量到达光纤的声波，用作侵入检测装置的装置(例如参照专利文献1)。该装置根据来自激光源的脉冲光的后向散射光即瑞利后向散射光(以下，简称瑞利散射光)，测量该瑞利散射光的光纤的各部位中的强度变化。
作为上述的侵入检测技术或感测油井、天然气井的技术，以往已知有采用分布型声波测量(DAS：distributed acoustic sensing。以下也简称DAS)的方法(例如，参照非专利文献1)。如上所述，该方法采用瑞利散射光的强度变化，是简称为DAS-I(opticalintensity-based DAS：基于光强度的DAS)的手法。DAS-I利用由声波使瑞利散射光的强度振动，信号处理本身简单，但是，灵敏度因位置而显著不同，声波的检测性能受限。另一方面，最近，称为DAS‐P(optical phase-basedDAS：基于光学相位的DAS)的采用瑞利散射光的相位变化的手法正在实用化。DAS-P中，声波的空间积分成为瑞利散射光的相位，因此相位的空间微分成为必要。另外，相位在其性质上以环绕环绕(wrapping)的形态被观测，因此展开(求出连续形态的相位波形)也成为必要。因而，DAS-P与DAS-I相比，信号处理复杂，但是声波的波形具有可忠实再现的特征。
采用上述任一分布型声波测量法，激光的相位噪声和接收器的观测噪声的两种噪声都会对声波的检测性能造成大影响，成为检测性能劣化的主要原因主要原因。另外，也必须考虑偏振的影响。这些主要原因中，能够通过采用脉冲压缩法提高信号的SN比来抑制观测噪声的影响(例如，参照专利文献2)。另外，能够通过采用偏振分集差式检波器等进行检波来抑制偏振的影响。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]美国专利第5194847号说明书
[专利文献2]国际公开第2013/051196号
[专利文献3]国际公开第2010/136810号
非专利文献
[非专利文献1]“Applying DAS in Oil&Gas Operations”，Novus LightTechnologies Today，[online]，Written by Anne Fischer，8October 2012，因特网<http：//www.novuslight.com/applying-das-in-oil-gas-operations_N320.html>
[非专利文献2]“Statistical properties of Rayleigh backscattering insingle-mode fibers”，Journal of Lightwave Technology，vol.8，no.4，1990，pp.561-567
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，传统采用特殊激光源来应对激光的相位噪声的影响。即，传统的分布型声波测量中，以可使用的激光源的频率的线幅(半值幅)通常是10kHz以下为前提(例如，参照专利文献1)。这是因为，频率的线幅若大于10kHz，则无法检测声音，因此，原本就无法进行声波的观测。这样，传统能够用于声波观测的激光源受到制约。
采用这样的激光源的传统的分布型声波测量中，存在以下的问题点。第一，激光源的频率的半值幅为10kHz以下的激光是外部谐振型的特殊激光，需要昂贵的激光源。第二，这样的外部谐振型的激光源中，例如在控制激光的振荡频率时，发生跳频(hopping)，无法使振荡频率连续地变化等，难以进行激光的驱动和控制。第三，这样的窄线幅的激光源的用途限于DAS，因此，无法与称为BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry：布里渊光时域反射仪)、TW-COTDR(Tunable Wavelength Coherent Optical Time DomainReflectometry：可调谐波长相干光时域反射仪)的其他光纤感测共用，因此，如果要共用，需要至少2种以上的激光源。
本发明鉴于上述的课题而提出，目的是提供为了使采用通常的激光源的声波测量成为可能而采用基于激光的相位噪声消除的新分布型声波测量方式的分布型光纤声波检测装置。
解决技术问题所采用的技术手段
本发明所涉及的分布型光纤声波检测装置，
其特征在于，
通过由声波发生的光纤的失真扰乱向该光纤入射的激光的后向散射光，来测定被测定对象即声波的分布状态，其特征在于，具备：
激光源；
对上述激光进行脉冲整形形成光脉冲并将该光脉冲注入上述光纤的脉冲发生器；
使上述激光延迟一定时间后注入上述脉冲发生器的延迟电路；
切换开关从而使得上述激光直接注入上述脉冲发生器或经由上述延迟电路注入的开关电路；
对在上述光纤中后向散射而返回该光纤的入射端的瑞利散射光进行检波、提取中频信号即IF信号的检波器；以及
处理由该检波器提取出的上述IF信号并转换为基带信号的信号处理器，
测量上述被测定对象的声波期间，
通过切换上述开关电路的开关，使声波探测用的光脉冲和该声波探测用的光脉冲的复制脉冲分别按第奇数个和第偶数个以一定的时间间隔反复，交替注入上述光纤，并且，
上述信号处理器处理从瑞利散射光的第偶数个信号减去其前一个的第奇数个信号后的IF信号。
发明效果
根据本发明，激光源即使不采用其频率的半值幅为10kHz以下的激光，也能够用通常的激光源进行声波测量。因而，激光的驱动和控制变得容易。另外，具有能够与BOTDR、TW-COTDR这样的其他光纤感测共用的显著效果。
附图说明
图1是表示成为本发明实施例1所涉及的分布型光纤声波检测装置的前提的装置的基本结构的一例的图。
图2是图1的A部放大图。
图3是表示DAS-I的信号分量和声波的振幅的关系的一例的图。
图4是表示DAS-P的信号分量和声波的振幅的关系的一例的图。
图5是表示本发明实施例1所涉及的分布型光纤声波检测装置的基本结构的一例的图。
图6是表示本发明实施例1所涉及的分布型光纤声波检测装置的模拟中采用的声波的一例的图。
图7是表示对图6的声波进行DAS-I的信号处理而获得的强度的时间波形的一例的图。
图8是将对图6的声波进行DAS-I的信号处理而获得的空间波形在整个时段重叠绘制的图。
图9是用时间对图7的强度的时间波形微分后的波形的图。
图10是将用图9的时间微分后的波形在整个时段重叠绘制的结果的示图。
图11是本发明实施例1所涉及的PNC-DAS-I的情况的模拟结果的一例，是将强度的时间波形用时间微分后的波形的图。
图12是本发明实施例1所涉及的PNC-DAS-I的情况的模拟结果的一例，是将用图11的时间微分后的波形在整个时段重叠绘制的图。
图13是对图6的声波进行DAS-P的信号处理而获得的模拟结果的一例，是表示相位的空间微分的时间波形的一例的示图。
图14是将图13所示的DAS-P的时间波形在整个时段重叠绘制的图。
图15是将图13的相位的空间微分的时间波形用时间微分后的图。
图16是将用图15的时间微分后的波形在整个时段重叠绘制的图。
图17是本发明实施例1所涉及的PNC-DAS-P的情况的模拟结果，是将相位的空间微分的时间波形用时间微分后的图。
图18是将用图17的时间微分后的波形在整个时段重叠绘制的图。
图19是表示本发明实施例2所涉及的分布型光纤声波检测装置的结构的示图。
具体实施方式
实施例1.
首先，用图说明成为本发明实施例1的前提的一般的分布型光纤声波测量法。图1是表示一般的分布型光纤声波检测装置的结构的一例的图。图2是图1的A部放大图，图2(a)是采用差式检波法检波时的图，图2(b)是采用零差检波法检波时的图。这些图中，激光源1出射的激光由脉冲发生器2整形为脉冲(图中设为时间宽度D，示意表示在脉冲发生器2的右侧)，从光纤3的输入端(图中表示为z＝0的部位部位。光纤的另一端设为z＝L。即光纤的长度方向设为z方向，光纤的z方向的长度设为L)注入。注入的脉冲在光纤3中瑞利散射，该瑞利散射后的瑞利散射光返回光纤3的输入端。返回的瑞利散射光由检波器4检波，提取中频信号即IF信号(Intermediate Frequency信号)。这里，作为通过检波器4检波的检波法，如上所述，可以大致分为2种。一种是差式检波法，作为检波器4的结构部件，如图2(a)所示，采用本地振荡器4a及频移器4b，将由这些结构部件频移后的激光源1的激光作为参照光，由偏振分集差式检波器4c进行差式检波后，提取中频信号即IF信号。该IF信号通过信号处理器5进行信号处理，转换为基带信号。同时通过与偏振分集接收进行组合，偏振分量也被提取。另一方面，作为其他检波法，也可以如图2(b)所示，采用零差检波法。该情况下，如图2(a)所示，不使用本地振荡器4a及频移器4b，仅仅采用零差检波器4d进行检波后，提取基带信号。
为了通过该装置测量声波，以声波的带宽的2倍以上的采样频率向光纤3注入探测脉冲(用于声波检测的脉冲)，通过进行被声波(图1中用记号S表示)发生的光纤3内的失真扰乱后的瑞利散射光的测量，进行声波的测量。即，除了图1中的光纤3以外的结构是一般的分布型声波检测装置的结构。
另外，上述信号处理中，为了求出瑞利散射光的信号的平均值，从测量该平均值得到的信号进行减法处理，反复实施瑞利散射光的测量。这是因为，必须求出瑞利散射光的信号的平均值。
上述的专利文献1中，将返回输入端的瑞利散射光的强度测量为注入光脉冲后的时间的函数。该测量在反复向光纤注入输入脉冲的同时进行。此时，声波引起的失真若不存在于光纤中，则除了噪音，在反复的各次中获得同一的瑞利散射光的散射强度。若声波引起的失真存在于光纤中，则在反复的各次中，瑞利散射光的散射强度变化。能够根据该变化检测声波。向光纤注入光脉冲到接收瑞利散射光为止的时间是到光纤的各点为止的光的往复时间，因此，确定了到光纤中的声波所在的(长度方向的)位置为止的距离。该原理在图1的分布型声波检测装置也适用。
上述的光纤中的瑞利散射由光纤中的分子的随机排列而引起。由于该随机排列，使得光的折射率或电感受率发生分子间距离的微米级的波动。该微米的波动的模式取决于光纤制造时，是每个光纤固有的。
以下，为了进行DAS-I及DAS-P的模拟研究的比较，首先考虑瑞利散射的数学模型。瑞利散射数学上表现为沿光纤的后向散射系数ρ(z)和光波的积的积分(例如，参照非专利文献2)。另外，ρ(z)是取复数值的空间的白色高斯过程。
若光设为完全相干，则光脉冲注入时的瑞利散射的基带信号成为ρ(z)的短时间傅里叶变换(STFT：short time Fourier transform)。此时，采用的光的频率以基准值ω为中心移动，表现为ω+Δω，该短时间傅里叶变换表达为下式(1)。在该情况下，作为基准值ω的值，例如设为200THz左右的值。另外，Δω是从该基准值ω变化的频率的值，不仅可取正的值，也可取负的值。
[式1]
这里，lp是空间的脉冲宽度，ωm＝2ω/vg是采用的光的频率ω所对应的空间频率(波数)，vg是激光在光纤中的光的群速度。这里，脉冲宽度若设为D，则用lp＝vgD/2表达。
另一方面，声波在光纤中感知为长度方向的失真的变化。具体地说，某声波在气体等介质中传播并到达光纤时，换言之，与光纤碰撞时，会在光纤产生极小的失真。这里，将第k个脉冲注入时的声波的振幅定义为ak(z)，作为位置的函数。此时，瑞利散射光若除去常数，则用式(2)表达。
[式2]
这里γ是确定瑞利散射中的失真和频移的关系的系数，γm＝2γ/vg。
根据式(2)，声波存在时的瑞利散射的强度用式(3)表达。
[式3]
Ik(z)＝IR(z，γak(z))
另外，声波存在时的瑞利散射的相位用式(4)表达。
[式4]
能够确认式(3)、式(4)都包含声波，但是在相位的情况下，声波以空间积分的形态被包含。
在基于强度变化的DAS即DAS-I的情况下，瑞利散射的强度频谱(随机频谱)沿着距离方向以间隔(该间隔等价于空间的脉冲宽度)lp成为独立，沿着频率方向以间隔vg/(2lp)(lp＝1m时为100MHz，lp＝5m时为20MHz)成为独立(光的群速度设为20万km/秒)。声波引起的失真的振动和沿着等价频率方向的振动导致强度的振动，从该强度的振动能够检测声波。但是，强度变化的方式因光纤的位置z而异(参照式(3))。另外，DAS-I的信号分量和声波的振幅的关系在声波足够小的情况下能够线性化，但是其系数依赖于位置z，符号也可以取正负两方的值(参照图3)。
另一方面，在基于相位变化的DAS即DAS-P的情况下，为了从瑞利散射的相位中测量声波的分布，由于声波以空间积分的形态被包含，因此需要沿着空间方向进行微分或差分。因而，预先将差分幅设为Δz，在该幅内，声波设为不变化。这样的情况下，声波引起的失真的振动(与沿着频率方向的振动等价)导致相位差的振动，声波和相位的关系为大致线性，倾斜度相等(参照图4)。从而，可知能够从相位差的振动检测声波。另外，可知脉冲宽度短的一方的声波和相位差的直线性变得良好。
这里，简单附加差式接收的说明。DAS中，为了消除上述偏振的影响，处理2个波形时，进行采用差式检波器的光差式接收。为了进行该光差式接收，接收光和参照光的偏振状态必须一致。但是，通常的光纤中，偏振状态沿光纤变化，接收光的偏振状态未知。为了应对该情况，将接收光分离为正交的2个偏振分量，按分量进行检测(该手法一般称为偏振分集)。
如上所述，一般的DAS中，检测声波时，激光的相位噪声对其检测性能造成大的影响。为了解决该课题，本发明中，提出了基于相位噪声消除(以下记载为PNC(phase noisecancelling))的DAS。但是，瑞利散射信号的SN比设为足够高。即，处理观测噪声足够小到可无视的情形。以下的说明中，基于该方式的分布型声波测量简称为PNC-DAS。
本发明实施例1所涉及的分布型光纤声波检测装置的一例如图5所示。与图1比较，不同点在于，在激光源1和脉冲发生器2间追加配置了延迟电路6和开关电路7的2个结构要素。PNC-DAS中，除了包含相位噪声的探测脉冲外，还采用该探测脉冲的副本。反复测量用的探测光对光纤3的注入按照探测脉冲(第1个)、该探测脉冲的副本脉冲(以下简称为副本)(第1个)、探测脉冲(第2个)、副本(第2个)，…，探测脉冲(第n个)、副本(第n个)的顺序反复进行必要的次数，即，在测量声波的时间的期间反复进行。另外，如上所述，探测脉冲和副本的注入必须规则地交替反复。
通常，以一定的时间间隔Δt反复进行。即，探测脉冲(第1个)和副本(第1个)的时间间隔、副本(第1个)和探测脉冲(第2个)的时间间隔、探测脉冲(第2个)和副本(第2个)的时间间隔等全部成为相同时间间隔Δt。该Δt为了使脉冲光彼此不重叠，设定成比式(5)表达的Δts大的值，即，Δt>Δts。
[式5]
Δts＝2Lf/vg
这里，Lf是光纤的(长度方向的)长度，vg是激光的光纤中的群速度。该Δt等于延迟电路的延迟时间。另外，此时的反复在声波观测期间继续进行。
接着，对于本发明实施例1所涉及的分布型光纤声波检测装置的动作，以不同于图1的动作为主说明如下。该反复动作采用图5所示分布型光纤声波检测装置进行。如图5所示，采用为赋予与脉冲反复间隔相当的延迟时间Δt而设的延迟电路6，由开关电路7交替切换来自激光源1的激光和经由延迟电路的激光，注入脉冲发生器。即，在激光反复注入脉冲发生器的动作中，利用开关电路交替切换从激光源直接出射的探测脉冲和用上述的延迟电路将该探测脉冲的副本延迟后的探测脉冲，注入脉冲发生器。
该情况下的PNC-DAS的信号处理中，从第偶数个信号即副本的信号减去其前一个的第奇数个信号。即，不是信号本身，而是成为运算不同时间中测量到的信号的差的处理，但是，声波所包含的相位噪声的影响原理上具有完全被排除的效果。但是，由两个两个的信号对获得一个信号，因此实质的反复次数成为一半。
具体的信号处理在利用强度的DAS-I和利用相位的DAS-P中互异，但是，这些和本实施例的PNC-DAS的信号处理方法的差异能够说明如下。首先，DAS-I和PNC-DAS-I的差异在于，在PNC-DAS-I中，为了测量声波的时间差分，不必求出瑞利散射光的信号的平均值，因此信号处理比DAS-I简单。即，仅仅从第偶数个信号减去其前一个的第奇数个信号即可。若采用上述的表达，则从副本(第j个)的瑞利散射光的信号减去探测脉冲(第j个)的瑞利散射光的信号即可。这里，j是1，2，…，n的自然数。
接着，说明PNC-DAS-P的信号处理。PNC-DAS-P的信号处理中，与DAS-P同样，相位的空间微分和相位展开是必要的。首先，说明相位的空间微分的必要性。若按座标z对上述的式(4)微分，则求出次式(6)，因此，可知能够由此求出声波的振幅ak(z)。这里，式(6)的左边与相位的空间微分相当。
[式6]
另外，DAS-P的测量中，其假设信号的相位处理具有0～2π的值来处理，因此相位信号被环绕。从而，产生信号被测量为不连续的部位，因此，为了将其修正为连续的信号，展开相位信号是必要的。该情形在PNC-DAS-P的信号处理中也同样。
因此，在PNC-DAS-P的信号处理中，采用与DAS-P相同的信号处理器，从第偶数个信号即副本的相位信号减去其前一个的第奇数个相位信号。
以下，由基于本发明实施例1的PNC-DAS的分布型光纤声波检测装置测量时，通过在一定条件下由DAS和PNC-DAS测量声波时的模拟结果的差，来说明消除激光的相位噪声的效果。
首先，作为采用的声波，采用次式(7)所示的衰减振动(参照图6)。这是因为，本实施例1中，处理声波与光纤碰撞的情形，衰减振动是由破坏、碰撞而产生声波时典型地出现的振动的形态，因此认为适合作为处理本实施例1时的振动模型。
[式7]
这里，a0是声波的最大振幅，fA是声波的频率，τA是衰减时间，t0是声波的开始时间。另外，光纤中的声波视为沿着长度方向的失真的振动。
图6中，纵轴的声波的振幅a(t)表示光纤中的失真的大小。该失真定义为单位长度的变位。通常，该失真极小。因而，这里由声波产生的失真以100万分之一的失真(＝1με)为单位来表示。横轴是时间(单位：秒)，此时间与式(7)的t对应。另外，注入探测脉冲的时间若设为tk＝kΔt(这里Δt脉冲的反复间隔)，k＝1，2，3，…，n，则第k个探测脉冲注入时的声波的振幅ak成为ak＝a(tk)。
模拟时的一定条件假定如下。即，将光纤的长度Lf设为100m，在光纤的长度方向的全部位置z中，设为存在同一的声波。激光的线幅(半值幅)设为与10kHz相比足够大的值即100kHz。另外，为了能够忽视观测噪声的影响，观测噪声的SN比设为40dB。即，将激光的线幅非常广且观测噪声非常少的情况确定为条件。
在以上的条件下，首先，用图7～图12说明DAS-I和PNC-DAS-I的模拟结果。图7～图10是DAS-I的模拟结果，图11、图12是PNC-DAS-I的模拟结果。
这些模拟中，采用的声波的最大振幅a0是0.02με(这里，如上所述，1με相当于100万分之一的失真)，lp是先前说明的空间的脉冲宽度，这里是5m(作为图1、图5所示D的值，为50ns)。其他参数的值如下。首先，声波的参数值为，fA＝0.1kHz，τA＝0.1s(s：秒，以下同样)，t0＝0.1s。DAS-I的参数值为：激光的线幅Δf＝100kHz，脉冲的反复间隔Δt＝1ms，数据的采样间隔为10ns(与光纤长1m相当)。
图7是对图6所示的声波用DAS-I的信号处理获得的强度的波形。另外，图8是将DAS-I的空间波形在整个时段重叠绘制得到的图。另外，图7表示位置z固定在40m时的声波的强度Ik(z)的时间波形。
一般，在光纤的位置z散射返回到输入端的瑞利散射光的强度设为时间和空间的函数，记载为I(t，z)。其中，由于时间是输入探测脉冲的离散的时间tk＝kΔt(k＝1，2，3，…，n)，因此瑞利散射光的强度对应于第k个探测脉冲，表达为Ik(z)。图7、图8绘制了该Ik(z)。图7绘制了固定z＝40m时的时间波形，即，tk和强度Ik＝I(tk)的关系。图7中，纵轴的显示设为I(t)。可知声波的振动波形被转换为强度的振动波形的情况。另外，若位置z变化，则该情况产生大变化(参照以下的图8)。另一方面，图8是将全部的z中的强度Ik(z)的空间波形在整个时段重叠绘制得到的图。
接着，图9～图12绘制了瑞利散射光的时间差分，即式(8)。
[式8]
ΔtIk(z)＝Ik(z)-Ik-1(z)
图9、图10的情况是关于k为全部的1，2，3，…的情况，图11、图12的情况是关于k是第偶数个2，4，6，…的情况。这是因为，在PNC-DAS的情况下，第偶数个探测脉冲是其前一个的第奇数个探测脉冲的副本，通过从第偶数个Ik(z)减去其前一个的Ik-1(z)，具有消除相位噪声的效果。图9、图11都是z固定时的时间波形，图10、图12重叠了全部的k(其中，在图12的情况下，是全部的第偶数个k)的空间波形。
图8中，白线的集合(记号C表示的纵轴零上及其附近的区域)是仅仅噪声时的空间波形(0秒<时间t<0.1秒)，黑线的集合(记号B表示的区域)是信号和噪声合并时的空间波形(0.1秒<时间t<0.5秒)。另外，成为相对于纵轴零的位置大致上下对称的波形图案，但是，这也可以认为声波的最大振幅a0足够小，保持了沿着强度变化的线性。从该图可知获得了因位置z而显著不同的结果。另外，在图10、12、14、16、18(图14、图16、图18的详细情况将后述)中，白线的集合是仅仅噪声时的空间波形，黑线的集合是信号和噪声合并时的空间波形。
图9是将图7的强度的波形用时间微分后的结果。图10是将图9的用时间微分后的波形在整个时段重叠绘制的图。与图8比较，仅仅噪声时的空间波形接近信号和噪声合并时的空间波形，可知噪声几乎无法消除。
相对于这些，图11、图12是PNC-DAS-I的情况的模拟结果，能够分别与DAS-I的模拟结果即图9和图10对应地进行比较。将强度的波形用时间微分得到的PNC-DAS-I的模拟结果与DAS-I的模拟结果有很大区别，反倒可以认为是接近图6所示原来的声波的衰减波形的形态。另外，图12同样表示了与图10对比的结果，但是在该情况下，与图10的结果有很大区别，噪声电平被抑制为比信号电平足够小的值，认为有效反映了本实施例1所涉及的分布型光纤声波检测装置的相位噪声消除的效果。
接着，用图13～图18说明DAS-P和PNC-DAS-P的模拟结果。图13～图16是DAS-P的模拟结果，图17、图18是PNC-DAS-P的模拟结果。
这些模拟中，采用的声波的参数值与DAS-I的情况相同，因此省略说明。空间的脉冲宽度lp在这里是1m(作为图1、图5所示D的值，是10ns)。其他DAS-P的参数的值与DAS-I的情况相同，因此这里省略说明。
图13是对图6所示的声波进行DAS-P的信号处理获得的相位的空间微分的时间波形。图13中，表示位置z固定在40m时的时间波形(图13中，纵轴的显示设为从这些可知声波的振动波形转换为相位的振动波形的情形。该情形随着位置z变化而变化，但是可以认为该差异比DAS-I的情况小(参照下图14)。
图14是将图13中作为一例表示的DAS-P的时间波形在整个时段重叠绘制的图。与图8同样，图中，白线的集合是仅仅噪声时的空间波形(0秒<时间t<0.1秒)，黑线的集合(记号B所示区域)是信号和噪声合并时的空间波形(0.1秒<时间t<0.5秒)。另外，相对于纵轴0(零)的位置，成为大致上下对称的波形图案。这反映了原来的声波波形的上下对称性，表示再现性佳。从该图可知，与DAS-I比，位置z引起的差异较小。
图15是将图13的相位的空间微分的时间波形用时间微分得到的结果。图16是将用图15的时间微分得到的波形在整个时段重叠绘制的图。与图14比较，仅仅噪声时的空间波形接近将信号和噪声合并时的空间波形，可知噪声几乎无法消除。
相对于这些，图17、图18是PNC-DAS-P的情况的模拟结果，能够分别与DAS-P的模拟结果即图15和图16对应地进行比较。将相位的空间微分的时间波形用时间进行微分得到的PNC-DAS-P的模拟结果与DAS-P的模拟结果有很大差异，与PNC-DAS-I的情况同样，反倒可以认为是接近图6所示原来的声波的衰减波形的形态。另外，图18同样表示了与图16对比的结果，但是该情况下，与图16的结果有很大差异，噪声电平被抑制为比信号电平足够小的值，认为有效反映了本实施例1所涉及的分布型光纤声波检测装置的相位噪声消除的效果。
如上所述，本实施例1所涉及的分布型光纤声波检测装置的相位噪声消除方式即PNC-DAS-I及PNC-DAS-P都呈现相位噪声消除的效果。即，在噪声中，相位噪声也占主导的条件即a)激光的相位噪声大(激光的线幅即半值幅为100kHz以上)及b)观测噪声小(SN比为40dB以上)的情况下效果好。
另外，以上的说明中，声波以衰减振动为例进行了模拟，但是不限于此，其他波形也具有同样的效果。另外，激光的线幅(半值幅)设为比10kHz足够大的值即100kHz，但是不限于此，100kHz以上的值也能够获得同样的效果。另外，观测噪声的SN比假定为40dB进行模拟，但是不限于此，只要是能够忽视观测噪声的影响的SN比，则即使除此以外的值也能够获得同样的效果。
实施例2.
用图19说明本实施例2。图19是本实施例2所涉及的分布型光纤声波检测装置的结构示图，瑞利散射光的检波方法不同于实施例1。即，本实施例中，在图2所示装置结构中，相当于不具备用于使激光源1的激光频移的本地振荡器4a及频移器4b的情况。在该图(图19)的情况下的检波法是称为零差检波的检波法。与采用实施例1的差式检波的情况比较，探测信号与基于本地振荡器的参照信号相同，因此具有电路结构简单的优点。
实施例3.
实施例1及实施例2中，以观测噪声的SN比为例如40dB等足够大到能够忽视观测噪声的情况为例进行了说明。本实施例中，说明观测噪声的SN比不够大时的分布型光纤声波检测装置。
本实施例中，分布型光纤声波检测装置采用除了图5的结构外还设有调制从脉冲发生器出射的光脉冲的调制部和对瑞利散射光进行与上述调制对应的解调的解调部的结构。通过这样的结构，在观测噪声的SN比不够大时也能够获得与实施例1同样的效果。
即，设置对从脉冲发生器出射的光脉冲的调制部和对瑞利散射光进行与上述调制对应的解调的解调部，用规定的代码序列进行光脉冲的调制，使该调制后的光脉冲入射到光纤，并且在解调部中对在该调制后的光脉冲中产生的瑞利散射光进行解调，即，采用进行使用了规定的代码序列的脉冲压缩的结构。该结构能够实现与采用具有小脉冲宽度且强信号强度的光脉冲进行声波检测时同样的效果(例如，参照专利文献2)。从而，即使观测噪声的SN比不够大也能够适用，因此可获得与实施例1同样的效果。
实施例4.
实施例1及实施例2中，说明了将激光源1的激光用作差式检波或零差检波的参照光的情况，而本实施例中，不采用基于激光源的参照光，而是取代图1的A部分，例如采用基于3×3光耦合器的干涉计或基于4×4光耦合器的干涉计(例如，参照专利文献3)。该方法也能够求出瑞利散射波的振幅及相位的空间差分，因此获得与实施例1、实施例2同样的效果。另外，上述中，说明了采用基于3×3光耦合器的干涉计或基于4×4光耦合器的干涉计的例，但是不限于此，即使将m设为3以上的自然数，采用基于m×m光耦合器的干涉计也能够获得同样的效果。
另外，本发明能够在其发明的范围内自由组合各实施例或者将各实施例适当变形、省略。
标号说明
1激光源，2脉冲发生器，3光纤，4检波器，4a本地振荡器，4b频移器，4c偏振分集差式检波器，4d零差检波器，5信号处理器，6延迟电路，7开关电路，D脉冲的时间宽度，lp空间的脉冲宽度，Lf光纤的(长度方向的)长度，vg激光的光纤中的群速度，ρ瑞利后向散射系数，Δf激光的线幅，Δt延迟电路的延迟时间及脉冲的反复间隔

Claims (6)

1.一种分布型光纤声波检测装置，其特征在于，
利用由声波产生的光纤的失真来扰乱向该光纤入射的激光的后向散射光，从而测定被测定对象即的声波的分布状态，其特征在于，具备：
激光源；
对所述激光进行脉冲整形形成光脉冲并将该光脉冲注入所述光纤的脉冲发生器；
使所述激光延迟一定时间后注入所述脉冲发生器的延迟电路；
切换开关来使所述激光直接注入所述脉冲发生器或经由所述延迟电路注入的开关电路；
对在所述光纤中后向散射而返回到该光纤的入射端的瑞利散射光进行检波并提取中频信号即IF信号的检波器；以及
处理由该检波器提取出的所述IF信号并转换为基带信号的信号处理器，
测量所述被测定对象的声波期间，
通过切换所述开关电路的开关，使声波探测用的光脉冲和该声波探测用的光脉冲的复制脉冲分别按第奇数个和第偶数个以一定的时间间隔反复交替注入所述光纤，并且，
所述信号处理器处理从瑞利散射光的第偶数个信号减去其前一个的第奇数个信号后的IF信号。
2.权利要求1所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，还具备：
调制从所述脉冲发生器出射的光脉冲的调制部；
对由所述调制部调制后的光脉冲的瑞利散射光进行解调的解调部，
由调制部利用确定的代码序列进行所述光脉冲的调制，向所述光纤入射该调制后的光脉冲，并且由所述解调部对在该光脉冲中产生的瑞利散射光进行解调。
3.权利要求1或2所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，
所述检波器是将由频移器频移后的所述激光源的激光用作参照光进行差式检波的偏振分集差式检波器，或将未频移的所述激光源的激光用作参照光的零差检波器，或将m设为3以上的自然数且所述2种参照光都不采用的基于m×m光耦合器的干涉计中任一种。
4.权利要求1或2所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，
所述一定的时间间隔比将光纤长度的2倍的值除以激光在光纤中的群速度的值得到的值大。
5.权利要求1或2所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，
所述激光源的激光的线幅为100kHz以上。
6.权利要求1或2所述的分布型光纤声波检测装置，其特征在于，
并行进行所述信号处理器的信号输出的相位的空间微分和相位的连续化处理即相位展开。
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