使用少模感测光纤的分布式布里渊感测系统及方法
【专利说明】使用少模感测光纤的分布式布里渊感测系统及方法
[0001] 本发明专利申请是国际申请日为2012年4月11日、中国国家阶段申请号为 201280021083.1、题为"使用少模感测光纤的分布式布里渊感测系统及方法"的发明专利申 请的分案申请。
[0002] 相关申请交叉引用
[0003] 本申请要求2011年4月29日提交的、美国申请系列号No. 13/097，201 W及2012年1 月5日提交的、美国申请系列号No. 13/344，065的优先权权益，运些申请的全部内容通过引 用被依赖并结合于此。 发明领域
[0004] 本公开一般设及感测系统和方法，且尤其设及使用少模感测光纤的分布式布里渊 感测系统和方法。
【背景技术】
[000引对于形成用于测量大楼、桥、隧道、大巧和管道W及船和飞机的结构完整性的光纤 感测系统而言，基于布里渊散射的分布式传感器有吸引力。最受欢迎的布里渊光纤感测系 统是布里渊光学时域反射计(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry(BOTDR))。 该技术非常类似于基于瑞利的OTDR，其中作为时间的函数记录从强脉冲背散射的自发布里 渊光。关于每个时间步长测量背散射信号的频率分布，W确定每个位置处的应变或溫度。类 似于常规0TDR，B0TDR仅需要接入单个光纤端，运对于很多应用是方便的。然而，BOTDR的空 间分辨率实际上限于Im。
[0006] 另一种光纤感测系统利用布里渊光学时域分析(B0TDA)。该技术利用基于累浦-探 针技术的受激布里渊散射(SBS)，其中强累浦脉冲在其传播期间与反向传播的连续波(CW) 探针局部相互作用。可通过在时域中记录探针振幅来分析每个位置处由探针经历的增益。 逐步扫描累浦和探针之间的频率差，且可针对给定的累浦-探针频率差获得局部放大。然后 可通过作为频率的函数分析给定位置处的增益，来重构局部增益频谱。BOTDA需要接入两个 光学端，因为累浦脉冲和CW探针必须在感测光纤中反向传播，运在某些情况下是一种限制。 BOTDA受到与BOTDR类似的空间分辨率限制，即，约Im，因为1)空间分辨率和感测灵敏度之间 的折衷W及2)当脉冲宽度减少到与声学驰豫时间（~10ns)相对等时布里渊增益频率显著 加宽且降低。此外，本领域中关于常规BOTDR或BOTDA系统的一个问题是布里渊频移对于应 变和溫度的灵敏度。该效应导致测量模糊，因为不知道所观察的布里渊频移是由应变变化 引起的还是由溫度变化引起的。
[0007] 为了提高空间分辨率，已经建议使用在维持极化的单模光纤中形成的布里渊动态 光栅(BDG)。在运种方法中，声波在一个极化中由累浦生成，且用于反射在与累浦不同光学 频率下的正交极化探针。报告了实验结果，其中在105m维持极化的单模光纤中WlOcm空间 分辨率测量分布是应变。然而，维持极化的单模光纤通常具有较高的衰减且比标准光纤更 昂贵。此外，维持极化的单模光纤系统所需的感测方案维持极化的组件，运增加了感测系统 的附加成本和复杂度。此外，难W在长光纤（即，几千米或更长)上维持给定极化，运限制了 传感器系统的长度。
[0008] 因此，需要一种具有改进的空间辨别率和同时测量溫度和应变的低成本光纤感测 系统。
【发明内容】
[0009] 本公开的一个实施例是分布式布里渊光纤感测系统。该系统包括感测光纤，配置 成支持基本导模和至少一个较高阶导模。该系统包括累浦光源，配置成将累浦光引入导模 之一，W限定累浦光导模。该累浦光在感测光纤内形成布里渊动态光栅(BDG)。该系统还具 有探针光源，配置成将输入探针光引入除累浦光导模W外的一个或多个导模，W从BDG形成 反射探针光。反射的探针光和输入探针光相对于彼此频移布里渊频移。系统还包括光学禪 合到感测光纤的接收器。接收器被配置成检测反射的探针光W确定布里渊频移和反射位 置，且在一个示例中是或包括光谱分析器。
[0010] 本公开的另一个实施例是分布式布里渊光纤感测系统。该系统具有感测光纤，配 置成至少支持第一导模和第二导模。在示例中，感测光纤是非维持极化的。系统还包括光学 禪合到感测光纤的第一累浦光源。第一累浦光源配置成生成在第一导模中在感测光纤中传 播的第一累浦光且形成包含感测光纤的本地布里渊频率的信息的抓G。该系统还包括光学 禪合到感测光纤的探针光源。探针光源配置成形成在第二导模中在感测光纤中传播的脉冲 探针光。脉冲探针光具有选择的波长，使得脉冲探针光的至少一部分从布里渊动态光栅反 射且包括关于本地布里渊频率的信息。该系统还包括接收器，该接收器光学禪合到感测光 纤且配置成接收经反射的探针光W确定本地布里渊频率、反射位置W及进而沿感测光纤的 至少一个条件。
[0011] 本发明的另一个实施例是沿感测光纤感测至少一个条件的方法。该方法包括仅在 感测光纤支持的第一导模中沿光纤发送累浦光，W形成抓G。该方法还包括在感测光纤支持 的至少第二导模中沿光纤发送第一频率的脉冲探针光，W从布里渊动态光栅获得反射的探 针光。该反射的探针光具有相对于第一频率移位一频移的第二频率且具有反射位置。该方 法还包括分析反射的探针光W确定其反射位置及其移位的频率W确定至少一个条件。在示 例中，至少一个条件是作为沿感测光纤的位置(距离)的函数的溫度和应变中的至少一个。
[0012] 根据至少一些实施例，分布式布里渊光纤感测系统包括：（a)感测光纤，配置成支 持基本的导模和至少一个较高阶导模；（b)累浦光源，配置成将累浦光引入导模之一，W限 定累浦光导模，所述累浦光形成布里渊动态光栅(BDG); (C)探针光源，配置成将输入探针光 引入除累浦光导模W外的一个或多个导模，W从BDG形成反射探针光，且反射的和输入探针 光频移布里渊频移；W及(d)接收器，光学禪合到感测光纤且配置成检测经反射的探针光W 确定布里渊频率、探针光的反射位置W及探针和累浦光之间的波长间距，所述接收器配置 成同时确定感测光纤中作为沿感测光纤的距离的函数的溫度和应变。
[0013] 根据至少一些实施例，感测光纤系统包括:少模忍，具有4wii^r ^ IOwii的忍半径， 且F因数(皿2)为76皿嗜306皿2。优选地，感测光纤具有忍A在0.25 %至1 %之间，且忍半径r 在4至10微米之间，且F-因数为100皿2 < F-因数< 200皿2，且有效面积Aeff为50皿2 < Aeff < 150WI12。在一些实施例中，忍半径为5WI1含r含7曲1，且忍A在0.4%至0.7 %之间。
[0014] 根据至少一些实施例，分布式布里渊光纤感测系统包括：（i)感测光纤，配置成支 持基本的导模和至少一个较高阶导模，所述感测光纤具有化m含ro含10皿的忍半径和76皿2 至306WI1 2的F因数(Ml2); (ii)累浦光源，配置成将累浦光引入导模之一，W限定累浦光导模， 所述累浦光形成布里渊动态光栅(BDG); W及（iii)探针光源，配置成将输入探针光引入除 累浦光导模W外的一个或多个导模，W从BDG形成反射探针光，且反射的和输入探针光由于 布里渊波长移位而频移。
[0015] 将在W下详细描述中阐述附加的特征和优点，运些特征和优点在某种程度上对于 本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括W下详细描述、权 利要求书W及附图的本文所述的发明可认识到。
[0016] 应当理解的是，W上一般描述和W下详细描述两者给出诸实施例，并旨在提供用 于理解实施例的本质和特性的概观或框架。包括的附图提供了对本公开的进一步的理解， 且被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出了多个实施例，并与详细说明一 起用来解释其原理和操作。
【附图说明】
[0017] 图IA是根据本公开的分布式布里渊感测系统的示例实施例的示意图；
[0018] 图IB是根据本公开的分布式布里渊感测系统的另一个示例实施例的示意图；
[0019] 图2A和2B是示出累浦光源（图2A)和探针光源（图2B)的示例实施例的示意图；
[0020] 图3A是用于图1的系统的示例接收器的示意图；
[0021] 图3B是图IB所示的系统配置的示例探针光源和接收器部分的示意图；
[0022] 图4A是感测光纤的输入/输出端的示意图，示出累浦光、探针光、反射的探针光和 经由累浦光的SBS在感测光学中形成的抓G的示例配置；
[0023] 图4B类似于图4A且进一步示出采用在感测光纤中沿相反方向传播的第一和第二 累浦光的示例配置；
[0024] 图5A是示出在累浦光由阶数比探针光的导模低的导模支持时在感测过程中设及 的有关频率的频谱；
[0025] 图5B类似于图5A，且示出在累浦光由阶数比探针光的导模高的导模支持时在感测 过程中设及的有关频率；
[0026] 图6是感测光纤的示例折射率分布的示意图；
[0027] 图7A示出在第一实验中由接收器测量的从感测光纤反射的光的测得光谱，其中累 浦光和探针光分别由LPoi和LPii导模支持；
[0028] 图7B示出累浦光(LPoi)、探针光(LPii)和探针反射光之间的波长关系；
[0029] 图8描绘针对感测系统的两种不同的操作状态由接收器测量的测得光谱，W确定 在1548.78nm处的波长峰值不是来自探针SBS，而是来自累浦光形成的BDG反射。
[0030] 图9描绘探针光(LPii导模)的测得BDG光谱；
[0031] 图10描绘反射的探针光的归一化功率随累浦光功率的变化；
[0032] 图11描绘在第二实验中由接收器测量的从感测光纤反射的光的光谱，其中累浦光 和探针光分别由LPoi和LPii导模支持；
[0033] 图12描绘第二实验的探针(化1导模)的测得BDG光谱；
[0034] 图13描绘在第=实验中由接收器测量