使用少模感測光纖的分布式布里淵感測系統(tǒng)及方法
【專利說明】使用少模感測光纖的分布式布里淵感測系統(tǒng)及方法
[0001] 本發(fā)明專利申請是國際申請日為2012年4月11日、中國國家階段申請?zhí)枮?201280021083.1、題為"使用少模感測光纖的分布式布里淵感測系統(tǒng)及方法"的發(fā)明專利申 請的分案申請。
[0002] 相關(guān)申請交叉引用
[0003] 本申請要求2011年4月29日提交的、美國申請系列號No. 13/097，201 W及2012年1 月5日提交的、美國申請系列號No. 13/344，065的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，運(yùn)些申請的全部內(nèi)容通過引 用被依賴并結(jié)合于此。 發(fā)明領(lǐng)域
[0004] 本公開一般設(shè)及感測系統(tǒng)和方法，且尤其設(shè)及使用少模感測光纖的分布式布里淵 感測系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[000引對于形成用于測量大樓、橋、隧道、大巧和管道W及船和飛機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性的光纖 感測系統(tǒng)而言，基于布里淵散射的分布式傳感器有吸引力。最受歡迎的布里淵光纖感測系 統(tǒng)是布里淵光學(xué)時域反射計(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry(BOTDR))。 該技術(shù)非常類似于基于瑞利的OTDR，其中作為時間的函數(shù)記錄從強(qiáng)脈沖背散射的自發(fā)布里 淵光。關(guān)于每個時間步長測量背散射信號的頻率分布，W確定每個位置處的應(yīng)變或溫度。類 似于常規(guī)0TDR，B0TDR僅需要接入單個光纖端，運(yùn)對于很多應(yīng)用是方便的。然而，BOTDR的空 間分辨率實際上限于Im。
[0006] 另一種光纖感測系統(tǒng)利用布里淵光學(xué)時域分析(B0TDA)。該技術(shù)利用基于累浦-探 針技術(shù)的受激布里淵散射(SBS)，其中強(qiáng)累浦脈沖在其傳播期間與反向傳播的連續(xù)波(CW) 探針局部相互作用?？赏ㄟ^在時域中記錄探針振幅來分析每個位置處由探針經(jīng)歷的增益。 逐步掃描累浦和探針之間的頻率差，且可針對給定的累浦-探針頻率差獲得局部放大。然后 可通過作為頻率的函數(shù)分析給定位置處的增益，來重構(gòu)局部增益頻譜。BOTDA需要接入兩個 光學(xué)端，因為累浦脈沖和CW探針必須在感測光纖中反向傳播，運(yùn)在某些情況下是一種限制。 BOTDA受到與BOTDR類似的空間分辨率限制，即，約Im，因為1)空間分辨率和感測靈敏度之間 的折衷W及2)當(dāng)脈沖寬度減少到與聲學(xué)馳豫時間（~10ns)相對等時布里淵增益頻率顯著 加寬且降低。此外，本領(lǐng)域中關(guān)于常規(guī)BOTDR或BOTDA系統(tǒng)的一個問題是布里淵頻移對于應(yīng) 變和溫度的靈敏度。該效應(yīng)導(dǎo)致測量模糊，因為不知道所觀察的布里淵頻移是由應(yīng)變變化 引起的還是由溫度變化引起的。
[0007] 為了提高空間分辨率，已經(jīng)建議使用在維持極化的單模光纖中形成的布里淵動態(tài) 光柵(BDG)。在運(yùn)種方法中，聲波在一個極化中由累浦生成，且用于反射在與累浦不同光學(xué) 頻率下的正交極化探針。報告了實驗結(jié)果，其中在105m維持極化的單模光纖中WlOcm空間 分辨率測量分布是應(yīng)變。然而，維持極化的單模光纖通常具有較高的衰減且比標(biāo)準(zhǔn)光纖更 昂貴。此外，維持極化的單模光纖系統(tǒng)所需的感測方案維持極化的組件，運(yùn)增加了感測系統(tǒng) 的附加成本和復(fù)雜度。此外，難W在長光纖（即，幾千米或更長)上維持給定極化，運(yùn)限制了 傳感器系統(tǒng)的長度。
[0008] 因此，需要一種具有改進(jìn)的空間辨別率和同時測量溫度和應(yīng)變的低成本光纖感測 系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本公開的一個實施例是分布式布里淵光纖感測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括感測光纖，配置 成支持基本導(dǎo)模和至少一個較高階導(dǎo)模。該系統(tǒng)包括累浦光源，配置成將累浦光引入導(dǎo)模 之一，W限定累浦光導(dǎo)模。該累浦光在感測光纖內(nèi)形成布里淵動態(tài)光柵(BDG)。該系統(tǒng)還具 有探針光源，配置成將輸入探針光引入除累浦光導(dǎo)模W外的一個或多個導(dǎo)模，W從BDG形成 反射探針光。反射的探針光和輸入探針光相對于彼此頻移布里淵頻移。系統(tǒng)還包括光學(xué)禪 合到感測光纖的接收器。接收器被配置成檢測反射的探針光W確定布里淵頻移和反射位 置，且在一個示例中是或包括光譜分析器。
[0010] 本公開的另一個實施例是分布式布里淵光纖感測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有感測光纖，配 置成至少支持第一導(dǎo)模和第二導(dǎo)模。在示例中，感測光纖是非維持極化的。系統(tǒng)還包括光學(xué) 禪合到感測光纖的第一累浦光源。第一累浦光源配置成生成在第一導(dǎo)模中在感測光纖中傳 播的第一累浦光且形成包含感測光纖的本地布里淵頻率的信息的抓G。該系統(tǒng)還包括光學(xué) 禪合到感測光纖的探針光源。探針光源配置成形成在第二導(dǎo)模中在感測光纖中傳播的脈沖 探針光。脈沖探針光具有選擇的波長，使得脈沖探針光的至少一部分從布里淵動態(tài)光柵反 射且包括關(guān)于本地布里淵頻率的信息。該系統(tǒng)還包括接收器，該接收器光學(xué)禪合到感測光 纖且配置成接收經(jīng)反射的探針光W確定本地布里淵頻率、反射位置W及進(jìn)而沿感測光纖的 至少一個條件。
[0011] 本發(fā)明的另一個實施例是沿感測光纖感測至少一個條件的方法。該方法包括僅在 感測光纖支持的第一導(dǎo)模中沿光纖發(fā)送累浦光，W形成抓G。該方法還包括在感測光纖支持 的至少第二導(dǎo)模中沿光纖發(fā)送第一頻率的脈沖探針光，W從布里淵動態(tài)光柵獲得反射的探 針光。該反射的探針光具有相對于第一頻率移位一頻移的第二頻率且具有反射位置。該方 法還包括分析反射的探針光W確定其反射位置及其移位的頻率W確定至少一個條件。在示 例中，至少一個條件是作為沿感測光纖的位置(距離)的函數(shù)的溫度和應(yīng)變中的至少一個。
[0012] 根據(jù)至少一些實施例，分布式布里淵光纖感測系統(tǒng)包括：（a)感測光纖，配置成支 持基本的導(dǎo)模和至少一個較高階導(dǎo)模；（b)累浦光源，配置成將累浦光引入導(dǎo)模之一，W限 定累浦光導(dǎo)模，所述累浦光形成布里淵動態(tài)光柵(BDG); (C)探針光源，配置成將輸入探針光 引入除累浦光導(dǎo)模W外的一個或多個導(dǎo)模，W從BDG形成反射探針光，且反射的和輸入探針 光頻移布里淵頻移；W及(d)接收器，光學(xué)禪合到感測光纖且配置成檢測經(jīng)反射的探針光W 確定布里淵頻率、探針光的反射位置W及探針和累浦光之間的波長間距，所述接收器配置 成同時確定感測光纖中作為沿感測光纖的距離的函數(shù)的溫度和應(yīng)變。
[0013] 根據(jù)至少一些實施例，感測光纖系統(tǒng)包括:少模忍，具有4wii^r ^ IOwii的忍半徑， 且F因數(shù)(皿2)為76皿嗜306皿2。優(yōu)選地，感測光纖具有忍A在0.25 %至1 %之間，且忍半徑r 在4至10微米之間，且F-因數(shù)為100皿2 < F-因數(shù)< 200皿2，且有效面積Aeff為50皿2 < Aeff < 150WI12。在一些實施例中，忍半徑為5WI1含r含7曲1，且忍A在0.4%至0.7 %之間。
[0014] 根據(jù)至少一些實施例，分布式布里淵光纖感測系統(tǒng)包括：（i)感測光纖，配置成支 持基本的導(dǎo)模和至少一個較高階導(dǎo)模，所述感測光纖具有化m含ro含10皿的忍半徑和76皿2 至306WI1 2的F因數(shù)(Ml2); (ii)累浦光源，配置成將累浦光引入導(dǎo)模之一，W限定累浦光導(dǎo)模， 所述累浦光形成布里淵動態(tài)光柵(BDG); W及（iii)探針光源，配置成將輸入探針光引入除 累浦光導(dǎo)模W外的一個或多個導(dǎo)模，W從BDG形成反射探針光，且反射的和輸入探針光由于 布里淵波長移位而頻移。
[0015] 將在W下詳細(xì)描述中闡述附加的特征和優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)些特征和優(yōu)點(diǎn)在某種程度上對于 本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說根據(jù)該描述將是顯而易見的，或者通過實施包括W下詳細(xì)描述、權(quán) 利要求書W及附圖的本文所述的發(fā)明可認(rèn)識到。
[0016] 應(yīng)當(dāng)理解的是，W上一般描述和W下詳細(xì)描述兩者給出諸實施例，并旨在提供用 于理解實施例的本質(zhì)和特性的概觀或框架。包括的附圖提供了對本公開的進(jìn)一步的理解， 且被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖示出了多個實施例，并與詳細(xì)說明一 起用來解釋其原理和操作。
【附圖說明】
[0017] 圖IA是根據(jù)本公開的分布式布里淵感測系統(tǒng)的示例實施例的示意圖；
[0018] 圖IB是根據(jù)本公開的分布式布里淵感測系統(tǒng)的另一個示例實施例的示意圖；
[0019] 圖2A和2B是示出累浦光源（圖2A)和探針光源（圖2B)的示例實施例的示意圖；
[0020] 圖3A是用于圖1的系統(tǒng)的示例接收器的示意圖；
[0021] 圖3B是圖IB所示的系統(tǒng)配置的示例探針光源和接收器部分的示意圖；
[0022] 圖4A是感測光纖的輸入/輸出端的示意圖，示出累浦光、探針光、反射的探針光和 經(jīng)由累浦光的SBS在感測光學(xué)中形成的抓G的示例配置；
[0023] 圖4B類似于圖4A且進(jìn)一步示出采用在感測光纖中沿相反方向傳播的第一和第二 累浦光的示例配置；
[0024] 圖5A是示出在累浦光由階數(shù)比探針光的導(dǎo)模低的導(dǎo)模支持時在感測過程中設(shè)及 的有關(guān)頻率的頻譜；
[0025] 圖5B類似于圖5A，且示出在累浦光由階數(shù)比探針光的導(dǎo)模高的導(dǎo)模支持時在感測 過程中設(shè)及的有關(guān)頻率；
[0026] 圖6是感測光纖的示例折射率分布的示意圖；
[0027] 圖7A示出在第一實驗中由接收器測量的從感測光纖反射的光的測得光譜，其中累 浦光和探針光分別由LPoi和LPii導(dǎo)模支持；
[0028] 圖7B示出累浦光(LPoi)、探針光(LPii)和探針反射光之間的波長關(guān)系；
[0029] 圖8描繪針對感測系統(tǒng)的兩種不同的操作狀態(tài)由接收器測量的測得光譜，W確定 在1548.78nm處的波長峰值不是來自探針SBS，而是來自累浦光形成的BDG反射。
[0030] 圖9描繪探針光(LPii導(dǎo)模)的測得BDG光譜；
[0031] 圖10描繪反射的探針光的歸一化功率隨累浦光功率的變化；
[0032] 圖11描繪在第二實驗中由接收器測量的從感測光纖反射的光的光譜，其中累浦光 和探針光分別由LPoi和LPii導(dǎo)模支持；
[0033] 圖12描繪第二實驗的探針(化1導(dǎo)模)的測得BDG光譜；
[0034] 圖13描繪在第=實驗中由接收器測量