用于纤维感测的定制分布式放大的制作方法

交叉引用

本申请要求于2017年9月29日提交的以色列专利申请号254803的优先权。

本公开的技术一般涉及长距离光纤感测系统，并且具体地，涉及用于改进光纤感测系统的距离而无需外部放大的方法和系统。

背景技术：

许多产业领域现在使用光纤传感器(本文中简称为fos)以用于需要在长距离上进行感测的应用。这包括分布式声感测系统、温度感测系统、泄漏检测系统、用于监测桥梁、建筑物、铁路等的结构稳定性的系统。长距离光纤感测应用可以包括用于确定在运送汽油和水之类的液体和气体的管道中的精确的泄漏位置的管道感测系统，以及用于检测边境上的侵入的边境检测系统。

光纤感测系统利用光纤电缆(也已知是且称为光纤或感测纤维)在长距离上从沿着光纤电缆设置的传感器运载信息。传感器可以是点式传感器、光纤布拉格光栅(本文中简称为fbg)等。所运载的信息本质上是光和与光有关的特性，其被提供给处理器以用于处理信息。例如，到达处理器的光的特性(诸如fbg反射振幅或谐振位移)的差异可以用于测量温度或应力。在其他光纤感测系统中，不是感测来自离散传感器的光，而是由从光纤的整个长度散射的光的散射强度、谐振或干涉图案来运载信息。在这个意义上，光纤感测系统是分布式感测系统。在这种类型的感测系统中，整个光纤可以用作连续的传感器阵列或分布式光纤传感器(本文中简称为dfos)。在dfos系统中，诸如瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射之类的不同的已知物理散射现象可以用于产生信号光，该信号光可以被测量用于感测目的。例如，沿着感测纤维的瑞利背向散射图案的扰动或相位变化图可以被生成并用于检测管子中的气体泄漏、入侵者、隧道中火的存在等等。可选地，物理参数(诸如温度、应力、压力等)可以由沿着感测纤维的上述散射现象中的一者的变化来确定。沿着感测纤维的温度图可以通过测量前向散射或背向散射光的布里渊散射谐振的位移或通过测量沿着感测纤维的拉曼散射的相对振幅来生成。在dfos系统中，所接收到的信号一定与感测纤维中的散射事件的位置相关联，因此实现了沿着感测纤维确定位置。这可以通过使用探测脉冲并分析时域中的散射信号来实现。在背向散射信号的情况下，这种方法被称为光时域反射法(本文中简称为otdr)。在分析前向散射信号的情况下，该方法被称为光时域分析(本文中简称为otda)。使信号与感测纤维中的位置相关联的可选方式是通过扫描激光信号并分析频域中的所测量的信号，如例如在称为光频域反射法(本文中简称为ofdr)的方法中实现的。

其中分析前向散射信号(诸如otda)的光纤感测系统必须允许在两端都接入感测纤维，或者实现环几何结构，或者具有在两个纤维端部处的两个不同的控制中心，每种情况都需要电力和在它们之间的通信。这种感测系统的示例是布里渊otda系统(本文中简称为botda)。其中测量背向散射信号的光纤感测系统可以被设计成使得该系统需要接入感测纤维的仅一端，其中探测脉冲或光束都从第一控制中心发射和接收。这些种类的系统在光纤的第二端无法接入或难以接入的情形中是有用的。这样的情形的示例包括管道、深钻系统、边境和道路，其中在光纤的第二端处铺设必需的基础设施(诸如电力和通信系统)是不可能的、存在问题的或昂贵的。也要注意因为这样的配置，在需要电力和通信系统的控制中心之间的距离可以是在不需要接入光纤的两端的情况下的感测纤维长度的两倍。

感测纤维的实际长度由弱的背向散射和/或前向散射信号以及由探测光或脉冲的衰减和反射信号的衰减来限制。所感测到的散射信号的信噪比(本文中简称为snr)必须足够高以区分所感测到的信号与信号中的噪声。对于足够弱的信号，散粒噪声是噪声的主要来源，引起snr随着所测量的功率而减小。典型的光纤感测系统可以在衰减足够明显以使信号检测困难之前提供信号直到20-50千米。用于增加这种光纤感测系统的检测长度的一个解决方案将是每40-50千米设置光放大器，使得信号可以根据需要行进几百千米的距离。然而，这种解决方案具有限制。它需要接入感测纤维，该感测纤维例如在埋设管道或边境违规检测系统的情况下可能埋在地下。此外，它需要在每一个放大站点处的电力和通信的基础设施。另外，这些站点可能需要针对篡改和/或破坏的保护，因此增加了这种系统的维护成本。设立和维护这种放大器阵列的成本使得该解决方案对于许多情形都呈现出不切实际。

用于增加fos系统的范围的另一个解决方案将是仅发送具有较高功率的初始探测脉冲或光束。然而，非线性效应和现象诸如受激的拉曼散射(本文中简称为srs)、受激的布里渊散射(本文中简称为sbs)和调制不稳定性(本文中简称为mi)将探测脉冲或光信号的功率限制到几毫瓦到几百毫瓦的范围，该功率取决于fos系统的应用和配置。高于该范围的功率将导致感测纤维中的非线性效应，从而防止准确检测任何散射信号。开始发生非线性效应和现象所高于的功率范围在本文中被称为非线性阈值。

现在参考图1，其是如本领域中已知的不具有附加放大的光纤感测系统(一般标记为10)的示意说明。光纤感测系统10是相位otdr系统，其使用来自感测纤维的背向散射光的直接检测，其中纤维的端部无法接入电子或光泵浦。光纤感测系统10包括询问单元26，其耦接到感测光纤22(也称为感测纤维、光纤或仅纤维)。询问单元26包括窄线宽探测激光器12、调制器14、环形器16、检测器18和处理器20。调制器14与探测激光器12和环形器16耦接。检测器18与处理器20耦接并与环形器16光学耦接以接收并检测来自环形器16的光。光纤22与环形器16耦接并且具有端点24。为了简便的目的，省略了任何放大阶段，其可能在光纤感测系统10中使用以用于放大在探测激光器12和感测光纤22之间的任何地方生成的探测光或用于放大在感测光纤22和检测器18之间的任何地方的背向散射光。

探测激光器12提供探测光，所述探测光由调制器14调制以产生探测脉冲。探测脉冲被发送到环形器16，该环形器16将探测脉冲沿着光纤22的长度发送。随着探测脉冲沿着光纤22行进，其朝向环形器16部分地背向散射。背向散射光通过环形器16与探测脉冲分离，该环形器16可以是光环形器或分光器。

背向散射光由环形器16提供给检测器18，该检测器18检测光的特性并将所检测到的特性提供给处理器20。处理器比较由不同的脉冲生成的干涉图案，并且使所接收到的信号的时间与其沿着感测纤维22反射的位置相关联。在探测脉冲的snr足够高的情况下，处理器20可以确定在距询问单元26多远处发生了可能指示泄漏、入侵者等的探测脉冲相位的足够明显的变化。

关于背向散射光的特性由检测器18捕获并提供给处理器20以用于提取关于背向散射光的信息。这样的特性的示例可以包括频率、相位、强度、干涉等。在图1中，空间分辨率由调制器14生成的脉冲宽度来确定。空间分辨率是指其中可以确定诸如温度或应力之类的被测变量变化的距离的分辨率，并且实际上是指其中可以定位泄漏或入侵者的纤维长度。为确保在连续探测脉冲的背向散射之间不存在重叠，探测激光器的脉冲重复率(本文中简称为prr)必须低于探测脉冲沿着光纤22传播到端点24并返回到环形器16所花费的往返时间的倒数。如上所述，探测脉冲的峰值功率必须受限制以避免沿着光纤22发生的非线性现象。

光纤感测系统10的实际用途是在边境保护系统上使用瑞利散射来检测入侵者。为了避免光纤22中的非线性现象，假定进入感测纤维22的峰值功率被限制为5毫瓦(本文中简称为mw)。由探测激光器12提供的探测脉冲沿着光纤22传播并且由于瑞利散射引起的沿着光纤22背向散射的任何光由环形器16接收并提供给检测器18。背向散射光的强度具有斑点状图案，其由不同的散射事件之间的干涉而产生，所述不同的散射事件在探测脉冲内在沿着光纤22的不同位置处发生，同时到达检测器18。折射率的任何局部变化将改变信号的背向散射成分之间的相位，并且将导致连续探测脉冲的斑点状图案的变化。背向散射探测光测量的这种变化指示入侵者，并且由于引起该变化的探测光的往返时间是已知的，因此可以确定沿着边境的入侵者违规位置。

现在参考图2，其是如本领域已知的使用图1的光纤感测系统进行仿真的图表(一般标记为30)，示出了在对数标度上的两个连续探测光测量结果之间的差的绝对值。图表30包括x轴32，示出了沿着感测纤维(诸如图1中的光纤22)的以千米(本文中简称为km)为单位的距离，以及y轴34，示出了以参考一毫瓦的分贝(本文中简称为dbm)为单位的功率。如图所示的仿真被设计为展示沿着光纤在以下距离处的测量结果之间的扰动：15km、40km、65km、90km和115km。如在图1中的感测系统中，散粒噪声是噪声的主要来源并且在图表30中经由箭头40示出。如通过箭头36可以看出，噪声水平存在大约每千米0.2分贝(本文中简称为db)的自然拟线性衰减。这是背向散射信号的大约0.4db/km的衰减(在往返行程的每个方向中存在0.2db/km)以及散粒噪声功率对信号功率的平方根依赖关系的结果。第一扰动在15km处经由箭头38示出，而第二扰动在40km处经由箭头42示出。在该仿真中，脉冲宽度被设置为100纳秒(本文中简称为ns)，其对应于大约10米的空间分辨率。对于所选定的参数，如图所示，在15km处的第一扰动(箭头38)容易由处理器检测，然而在给定沿着光纤的衰减的情况下几乎不可能检测在40km处的第二扰动(箭头42)。在40km，散粒噪声在扰动处较强，这不可解析，除非某种形式的在线放大用于将扰动信号增大超过噪声信号。在65km、90km和115km处的扰动被噪声淹没。因此，如图1所示的感测系统对于其中期望直到40km的范围的应用可能是良好的，然而，对于更大的距离，图1的感测系统不适当。这样的感测系统在现有技术中是已知的并且例如在grattan,k.t.v.和sun.t.的“fiberopticsensortechnology:anoverview,”sensorsandactuatorsaphysical,第82卷,第1-3期,2000年5月,第40-61页以及在santos,j.l.和farahi,f.的handbookofopticalsensors,crcpress,bocaraton,2015中被描述。

如上面在图1和图2中所示和所解释，由检测器所捕获的背向散射光脉冲或信号的功率通常是探测脉冲功率的小分数，该探测脉冲本身是受限的。在使用光纤布拉格光栅(本文中简称为fbg)光纤感测系统的情况下，所捕获的背向散射信号的功率可能小于探测脉冲功率的10％，而在dfos系统中，所捕获的背向散射信号的功率可能小于探测脉冲功率的10^-3％。除此之外，探测脉冲和背向散射光脉冲两者的自然衰减从而使dfos系统在几十千米的长度上的应用意义重大。如图2所示，背向散射光脉冲的低snr可以限制感测系统的空间分辨率，导致入侵检测系统中的高误报率、错误分类或错过事件，并且还在其他感测应用中导致诸如应力、温度、流量和/或压力之类的被测变量的低精确度。

如上所述，扩展光纤感测系统的范围(例如，扩展如图2中仿真的图1系统的范围)的一种方式是沿着光纤设置放大器以用于克服纤维内的衰减。这种方法在本领域中是已知的并且在lai,m.等人的“ultra-longdistancedistributedintrusiondetectingsystemassistedwithin-lineamplification,”ieeephotonicsjournal，第9卷，第2期，2017年4月，第1-10页中被描述。尽管该方法可以增加光纤感测系统的范围，但是它需要向沿着光纤的多个控制中心或控制点提供电力和通信。这会涉及向沿着光纤定位的附加放大器提供泵浦光，并且还添加维护点，因此失去了长距离fos的一些优点。

用于增加光纤感测系统的范围而无需使用外部放大器的一种方法是使用探测脉冲的在线拉曼放大、背向散射信号的在线拉曼放大或这两者。现在参考图3，其是如本领域中已知的使用在线拉曼放大的光纤感测系统(一般标记为50)的示意说明。光纤感测系统50包括询问单元70，该询问单元70耦接到感测光纤68。询问单元70包括窄线宽探测激光器52、调制器54、环形器56、检测器58、处理器60、波分复用器(本文中简称为wdm)滤波器62和拉曼泵浦激光器64。调制器54与探测激光器52和环形器56耦接。检测器58与处理器60耦接并与环形器56光学耦接以接收并检测来自环形器56的光。wdm滤波器62将来自拉曼泵浦激光器64的光耦合到感测纤维68。光纤68通过wdm滤波器62与环形器56耦接并且具有端点66。为了简便的目的，省略了任何放大阶段，其可能在光纤感测系统50中使用以用于放大在探测激光器52和感测光纤68之间的任何地方的探测光或用于放大在感测光纤68和检测器58之间的背向散射光。

如图3所示的感测系统以类似于图1所示的感测系统的方式操作，然而不同之处在于光纤感测系统50采用一阶拉曼放大。拉曼泵浦激光器64产生泵浦光，所述泵浦光与调制器54(从探测激光器52生成的光)产生的探测脉冲组合。泵浦光经由wdm滤波器62与光纤68结合，并且可以向沿着光纤68行进的探测脉冲和在感测纤维68中生成并朝向环形器56传播的背向散射光两者提供在线放大。一般来说，选择由拉曼泵浦激光器64生成的泵浦光的波长，使得其接近拉曼散射光谱的峰值。如同探测脉冲一样，由拉曼泵浦激光器64提供的泵浦光也随着其沿着光纤68传播而衰减。泵浦光衰减并且沿着光纤68的距离指数地衰变。因此，最大拉曼增益在最接近询问单元70的光纤68端部处。拉曼泵浦激光器64的功率必须被限制以避免不希望的非线性现象，诸如沿着光纤68发生的自发拉曼散射，其可以掩盖任何背向散射信号并且使信号snr恶化。拉曼激光器泵浦功率因此保持低于在沿着光纤68的所有位置处的自发拉曼散射的阈值。泵浦光随着其沿着光纤68传播而发生的衰减将探测脉冲的在线放大限制为与拉曼泵浦激光器64的波长的衰减长度成比例的距离。这通常是约10km。

如上所述，由拉曼泵浦激光器64生成的光放大背向散射光和探测脉冲本身两者。为了将探测脉冲功率保持低于要展现的非线性现象的阈值，与探测脉冲重叠的拉曼激光器功率必须被限制以实现非常低的放大，或者探测脉冲的功率必须被限制，这最终可以降低探测脉冲的snr。因此，当调制器54生成探测脉冲时，拉曼泵浦激光器64的功率可以被降低或甚至设置为零。

在光纤传感器系统50的变型中，由拉曼泵浦激光器生成的泵浦光可以耦合到感测纤维的端部并且反向传播到由探测激光器生成的探测脉冲(图3中未示出)。

现在参考图4，其是如本领域已知的使用图3的光纤感测系统进行仿真的图表(一般标记为80)，示出了在对数标度上的两个连续探测光测量结果之间的差的绝对值。图表80包括x轴82，示出了沿着光纤(例如，图3中的感测纤维68)的以千米为单位的距离，以及y轴84，示出了以dbm为单位的功率。如图所示的仿真被设计为展示沿着光纤在以下距离处的测量结果之间的扰动：15km、40km、65km、90km和115km。关于图3的传感器系统的参数，当生成探测脉冲时，将拉曼泵浦激光器设置为零。在所有其他时间，拉曼激光器的功率在400mw，其恰好低于自发拉曼散射的阈值。上面关于图2所述的所有其他参数都相同。散粒噪声经由箭头90示出。拉曼泵浦光及其提供给背向散射光的增益随着其沿着纤维传播而指数地衰减。从相对靠近的位置，例如直到约17km，该增益大于探测脉冲和背向散射光的衰减，因此来自该区域的返回信号事实上大于沿着感测纤维更远的位置。由于散粒噪声90和snr都随着功率而增长，因此散粒噪声90和背向散射光snr最初都增加，如部分86a所示。在近似17km周围之后，所提供的放大小于探测脉冲和背向散射光的组合衰减。因此，在约20km后，存在可以忽略的在线拉曼放大，并且如部分86b所示的信号的衰变率与图2的衰变率类似。三个单独的箭头88a、88b和88c分别示出了分别在15km、40km和65km处的所接收到的扰动功率。如图表中所示，沿着光纤的产生最强探测脉冲信号的距离约为20km。在15km和40km处的扰动清楚可见且可辨别，而由箭头88c所示的在65km处的扰动的功率与散粒噪声的功率相当。然而，在90km和115km处的扰动被散粒噪声掩盖并且不能够使用图3的传感器系统检测。图3的传感器系统将fos的范围改进超过了图1的传感器系统，然而，这种传感器系统的可用距离仍然受限。

如图3所述的感测系统在本领域中是已知的并且在例如发给hartog的题为“ramanamplificationindistributedopticalfibersensingsystems”的美国专利号8,989,526和martins,h.f.等人的“phase-sensitiveopticaltimedomainreflectometerassistedbyfirst-orderramanamplificationfordistributedvibrationsensingover>100km,”journaloflightwavetechnology，第32卷，第8期，2014年4月，第1510-1518页中被描述。

图3的传感器系统的限制可以通过使用采用二阶拉曼放大的传感器系统来部分地克服。这种传感器系统在图5中示出。现在参考图5，其是如本领域已知的使用二阶在线拉曼放大的光纤感测系统(一般标记为100)的示意说明。光纤感测系统100包括询问单元102和感测纤维126。询问单元102包括探测激光器106、调制器108、环形器110、检测器112、处理器114、第一wdm滤波器116、拉曼激光器118、第一fbg120a、第二fbg120b和第二wdm滤波器122。询问单元102与光纤126在两端耦接，从而形成光纤环路124。第二wdm122与拉曼激光器118耦接，并且第二fbg120b耦接第二wdm122与光纤126。调制器108与探测激光器106和环形器110耦接。检测器112与处理器114耦接并与环形器110光学耦接以接收并检测来自环形器110的信号。第一wdm滤波器116与环形器110、拉曼激光器118和第一fbg120a耦接。询问单元102基本上表示需要电力以便准备探测激光器和拉曼激光器的相应控制中心。拉曼激光器118可以经由第一wdm116和第一fbg120a提供前向传播的泵浦光，经由第二wdm122和第二fbg120b提供反向传播的泵浦光，或提供这两者。为了简便的目的，省略了任何放大阶段，其可能在光纤感测系统100中使用以用于放大在探测激光器106和光纤126之间的任何地方的探测光或用于放大在光纤126和检测器112之间的背向散射光。

图5所示的传感器系统是反向传播的泵浦光的示例，因为拉曼激光器118可以经由第二wdm122提供反向传播的拉曼泵浦光。然而，图5的传感器系统需要询问单元102接入光纤126的两端，仅实现了感测纤维126的环几何结构(即，光纤环路124)。然后，由于环几何结构，因此沿着感测纤维的用于测量的最大范围仅是感测纤维126长度的一半。这种传感器系统因此无法用于其中一个纤维端部为自由的且不可接入的情形，并且还使长距离情形中的控制点之间的最大距离减半。在其中感测纤维126不形成环路的情形中，可以使用与光纤感测系统50(图3)类似的系统，该系统具有两个自由端的感测纤维(各自去向相反的方向)，从而形成总长度为单个感测纤维长度的两倍的环路(如图5所示)。为了将图5的系统的性能与其他现有技术的系统进行比较，下面提出了图5的仿真，如图6所示，其中来自拉曼激光器的泵浦光仅共同传播，即，其中第二wdm122不存在并且第二fbg120b除外、感测纤维126具有自由端的系统。

图5所示的传感器系统还是二阶在线拉曼放大设置的示例，其与图3的传感器系统相比，使得放大范围在光纤中扩展地甚至更远。这的示例在martin-lopez,s.等人的“brillouinopticaltime-domainanalysisassistedbysecond-orderramanamplification,”opticsexpress，第18卷第18期，2010年8月，第18769-18778页中被描述。在martin-lopez等人的系统中，fbg和泵浦二极管激光器定位在光纤的两端作为光纤感测系统的部分，从而形成超长拉曼纤维激光器(本文中简称为urfl)。

在图5的感测系统中，由urfl的模式提供探测脉冲和背向散射光的拉曼增益。urfl的动力学需要该模式的多个往返行程以供其积累和提供实质的拉曼增益。在这种设置中，不可能根据所需的时间增益曲线来显著地调制拉曼增益，如同光纤感测系统50(图3)的情况一样。具体地，在图5的感测系统中，在探测脉冲的时间期间，拉曼增益不能减小。为了防止探测脉冲功率超出非线性阈值，需要减小被耦合到光纤126的探测脉冲功率，使得在拉曼放大后，探测脉冲功率将沿着感测纤维仅某个距离就达到最大允许功率(即，非线性阈值)。

现在参考图6，其是如本领域已知的使用图5的光纤感测系统进行仿真的图表(一般标记为140)，示出了在对数标度上的两个连续探测光测量结果之间的差的绝对值。图表140包括x轴142，示出了沿着光纤(图5中的这种光纤126)的以千米为单位的距离，以及y轴144，示出了以dbm为单位的功率。如图所示的仿真被设计为展示沿着光纤在以下距离处的测量结果之间的扰动：15km、40km、65km、90km和115km。关于图5的传感器系统的参数，为了保持在防止非线性现象的阈值内，探测脉冲的峰值功率减小到100微瓦。前向传播的泵浦光的二阶拉曼前向泵浦功率被设置为1.45瓦，并且为了实现单端操作(用于如上所解释的比较目的)，反向传播的泵浦光的拉曼后向泵浦功率被设置为零。这组参数确保探测脉冲将不超出5mw功率非线性阈值，并且还将urfl模式功率保持在自发拉曼散射的400mw阈值以下。

噪声功率的包络146被示出，其示出了在第一10-15km上初始减小，由箭头150示出，并且然后功率明显增加，在40km周围达到峰值，在此之后在接下来的100km上缓慢衰减。光纤中存在的散粒噪声152与多个箭头148a、148b、148c和148d一起被示出，所述多个箭头分别示出了在40km、65km、90km和115km处的扰动。然而，在15km处的扰动被散粒噪声掩盖，并且不能够使用图5的传感器系统检测。

需要注意，探测脉冲的低功率可能将附加噪声引入光纤中，未在图6的仿真中考虑该附加噪声。如图6所示的图5的系统的仿真不考虑前向传播的和后向传播的拉曼泵浦光两者，但是尽管如此，图5的系统需要接入光纤的两端以用于安装两个fbg，这可能是明显的缺点并且阻止将这种系统安装在例如现有的埋设光纤电缆上。虽然使用二阶在线拉曼放大确实在纤维中进一步增加了增益，其现在在40km周围达到峰值，但是该配置仍然遭受缺乏对放大的完整时间控制。一阶拉曼模式功率由fbg确定的事实使其不可能控制在比往返时间更短的时间量程上的拉曼增益功率，这是图4所示的仿真的情况。这种缺乏对拉曼增益功率的控制的结果是如由箭头150暗示的低的探测脉冲输入功率，其导致在探测脉冲放大到5mw前在光纤开始处所示的较差snr。如所提及的，这在15km处的探测脉冲中非常明显，其中信号功率与散粒噪声极限是相当的，基本上使15km处的扰动不明显且不可检测。

在图5中示出了二阶拉曼放大的现有技术使用。该传感器系统在几个方面与图1和图3的传感器系统不同。其一是光纤在每一端接合到fbg。fbg在探测脉冲波长接近拉曼散射光谱峰值的波长形成空腔。在两端泵浦空腔以形成urfl。泵浦二极管激光器的波长被选择为使得空腔波长接近拉曼散射峰值。如上所述，该架构具有几个缺点。首先，必须在两端都接入光纤。这消除了在由于电磁噪声、热量、极度寒冷或其他原因而无法使用电子器件的恶劣环境中该感测系统的用途。在诸如长管道和边境(其不是几千千米长，也会是几百千米长)之类的需要若干控制单元的应用中，图5的传感器系统使要安装检测器所在的控制站或控制点之间的距离减半。此外，在图5的传感器系统中，无法独立于二阶拉曼模式控制一阶拉曼模式，因此增益曲线由设计来确定并且在出现制造方差的情况下无法改变。此外，增益曲线无法动态改变以调整来适应环境条件、感兴趣的区域或探测脉冲和背向散射信号的功率变化。

技术实现要素：

本公开技术的目标是提供用于光纤感测系统中的高阶在线拉曼放大的新颖方法和系统，以扩展感测系统的放大范围而无需接入光纤的两端，并且具有对拉曼增益的动态控制。

根据本公开的技术，因此提供了在光纤感测系统中提供在线拉曼放大的方法。该方法包括以下过程：生成具有探测波长的探测光，将探测光发射到光纤中，以及生成在相应泵浦波长和泵浦功率下的至少一种拉曼泵浦光。相应泵浦波长比探测波长短，使得相应泵浦波长与探测波长之间的对应频率差是频移的倍数，对于该频移，拉曼散射系数是谐振拉曼散射系数的至少25％。该方法还包括以下过程：生成在相应种子波长和种子功率下的至少一种拉曼种子光，该相应种子波长在相应泵浦波长与探测波长之间；将拉曼泵浦光发射到光纤中；以及将拉曼种子光发射到光纤中。该方法还包括沿着光纤传播拉曼泵浦光、拉曼种子光和探测光的过程，以实现由探测光沿着光纤传播时产生的信号光的分布式拉曼放大。

根据本公开技术的另一方面，因此提供了利用在线高阶拉曼放大的光纤感测系统。感测系统包括探测源、光纤、分离器、检测器、处理器、至少一个拉曼种子激光器、至少一个拉曼泵浦激光器和至少一个耦合器。检测器光学地与分离器耦接，并且处理器与检测器耦接。探测源包括探测激光器，用于生成具有探测波长的探测光。探测光光学地耦合到光纤中。分离器用于将源于光纤的信号光与耦合到光纤中的光分离。检测器用于检测信号光，并且处理器用于分析所检测到的信号光。拉曼种子激光器用于生成具有相应种子波长和种子功率的相应拉曼种子光，并且拉曼泵浦激光器用于生成具有相应泵浦波长和泵浦功率的相应拉曼泵浦光。耦合器用于将拉曼泵浦激光器和拉曼种子激光器耦接到光纤。种子波长在泵浦波长与探测波长之间。相应拉曼泵浦光、相应拉曼种子光和探测光沿着光纤传播，以实现由探测光沿着光纤传播时产生的信号光的分布式拉曼放大。

根据本公开技术的又一方面，光纤感测系统还可以包括泵浦激光器，其与光纤的一端耦接，所述一端与探测源耦接到光纤的一端相对。泵浦激光器用于生成具有泵浦波长的泵浦光，并且分离器还用于将泵浦光耦合到光纤中。信号光是由泵浦光放大的探测光，以及探测源和泵浦激光器中的至少一者发生脉冲以具有空间分辨率。

附图说明

从结合附图进行的以下详细描述中将更充分理解和明白本公开的技术，在附图中：

图1是如本领域中已知的不具有附加放大的光纤感测系统的示意说明；

图2是如本领域中已知的使用图1的光纤感测系统的仿真的图表，其示出了在对数标度上的两个连续探测光测量结果之间的差的绝对值；

图3是如本领域中已知的使用在线拉曼放大的光纤感测系统的示意说明；

图4是如本领域中已知的使用图3的光纤感测系统的仿真的图表，其示出了在对数标度上的两个连续探测光测量结果之间的差的绝对值；

图5是如本领域中已知的使用二阶在线拉曼放大的光纤感测系统的示意说明；

图6是如本领域中已知的使用图5的光纤感测系统的仿真的图表，其示出了在对数标度上的两个连续探测光测量结果之间的差的绝对值；

图7是根据本公开技术的实施方案构造和操作的光纤感测系统的示意说明，所述系统使用二阶在线拉曼放大、仅需要接入光纤的一端；

图8是根据本公开技术的另一实施方案构造和操作的使用本公开技术的图7的光纤感测系统的仿真的图表，其示出了在对数标度上的两个连续探测光测量结果之间的差的绝对值；

图9根据本公开技术的另外实施方案构造和操作的图表，其示出了使用图7所述的感测系统和图3所述的现有技术感测系统的沿着光纤长度的不同拉曼模式的功率变化；

图10是根据本公开技术的另一实施方案构造和操作的图表，其示出了使用上面图7至图9所述的拉曼放大的沿着光纤的探测脉冲的放大；以及

图11是根据本公开技术的另外实施方案构造和操作的图表，其示出了与现有技术相比到达检测器的将图10所示的探测脉冲功率和图9所示的背向散射增益考虑的背向散射信号的理论平均功率作为在光纤中背向散射信号的位置的函数。

具体实施方式

本公开的技术通过提供光纤感测系统和方法克服了现有技术的缺点，该光纤感测系统和方法使用二阶在线拉曼放大扩展感测系统的放大范围而无需接入光纤的两端，并且具有对拉曼增益的动态控制。因此，提供了采用在线高阶拉曼放大的光纤感测系统，以及用于在光纤传感器系统中采用在线高阶拉曼放大的方法。这通过使用定位在单个控制单元或壳体中的两个拉曼激光器的新颖光纤感测系统配置来实现。本公开的技术提供二阶拉曼泵浦光和一阶拉曼种子光的独立功率控制，因此使得探测脉冲的增益和信号光的增益受控并定制适于光纤感测系统的特定应用。根据本公开的技术，通过使用经由多个拉曼散射阶次移位的泵浦光来泵浦光纤，因为(根据本公开的技术)限制因素不再是输入泵浦光的一阶自发拉曼散射，因此可以增加输入泵浦功率以及拉曼增益沿着光纤发生所在的距离。这是因为泵浦光的自发拉曼散射的波长与探测光波长和信号光波长显著不同，并且因此可以在检测之前被滤除。根据本公开的技术，泵浦光的波长比探测光的波长短，使得泵浦波长与探测波长之间的对应频率差是频移的倍数，对于该频移，拉曼散射系数是谐振拉曼散射系数的至少25％。

另外，本公开的技术允许对拉曼增益的时间控制，从而在诸如瑞利或布里渊背向散射光或从fbg反射的光的情况之类的所测量的信号反向传播到探测脉冲的情况下实现了对探测脉冲和所测量的信号的不同放大。

二阶拉曼激光器泵浦功率单独地导致探测脉冲和背向散射信号中的非常小的增益。本公开的技术因此包括拉曼种子激光器和拉曼泵浦激光器。拉曼种子激光器将拉曼泵浦光的受激拉曼散射(srs)激励到一阶拉曼模式中，并且从而用于探测光和信号光的拉曼放大的控制和细调。

在来自两个激光器的光沿着感测光纤传播时，此拉曼种子激光模式(本文中也称为一阶拉曼模式)由拉曼泵浦激光器通过srs放大。在来自拉曼种子激光器的一阶拉曼模式被放大时，它向探测脉冲和任何背向散射信号提供放大。其中在一阶拉曼模式中有明显功率的沿着光纤的距离由二阶拉曼模式的泵浦功率以及一阶拉曼模式的种子功率来确定。通过改变二阶拉曼模式的泵浦功率和拉曼种子激光器的功率的量，根据本公开的技术，可以设置光纤中一阶拉曼模式的最高功率以及设置实现该功率并且因此实现增益所在的沿着光纤的位置。因此，光纤感测系统中的分布式放大的量可以动态定制用于特定或具体用途而无需接入光纤的两端。

增加拉曼泵浦激光器或拉曼种子激光器的功率或调谐它们的波长以更接近拉曼散射谐振，增加了一阶拉曼模式种子脉冲的最大功率。该最大值沿着光纤的位置可以通过增加拉曼泵浦激光器功率并相应地减小拉曼种子激光器功率(或通过将拉曼泵浦和拉曼种子激光器之间的波长差调谐远离拉曼散射谐振)来增加。使用本公开的技术，可以将峰值放大引入沿着光纤的任何期望的距离，对于二阶拉曼泵浦，直到超过20km的距离。该最大距离取决于拉曼泵浦激光器和拉曼种子激光器的波长两者的衰减长度，以及取决于所使用的拉曼阶次，并且可以通过使用较高阶拉曼泵浦甚至更远地扩展。因此，可以优化拉曼种子光的特性以得到来自沿着光纤222的特定位置的背向散射信号光的放大。特性可以是拉曼种子光的功率和/或波长。如上所述，拉曼泵浦激光器和/或拉曼种子激光器的功率和/或波长可以用于细调感测系统和根据本公开的技术提供的在线拉曼放大的性质。根据本公开的技术调谐波长的示例可以包括调谐泵浦波长以优化从泵浦波长到种子波长的拉曼散射系数，从而调谐种子波长以优化从泵浦波长到种子波长、从泵浦波长到不同种子波长之间(在使用多于一个拉曼种子激光器的情况下)以及从种子波长到探测波长的拉曼散射系数。例如，使用三阶拉曼泵浦的5瓦拉曼泵浦和分别在二阶和一阶拉曼种子激光器中的20纳瓦和10纳瓦的拉曼种子功率，可以在沿着感测纤维的30km距离处达到400mw的最大一阶拉曼模式。

该控制可以被实现而不会超出自发拉曼散射的阈值，其将在光谱上与探测或信号模式重叠，但同时控制探测脉冲的峰值增益以确保探测脉冲功率水平保持在开始出现非线性现象所在的阈值以下。这与现有技术的一阶在线拉曼放大感测系统形成对比，该现有技术的一阶在线拉曼放大感测系统中，探测脉冲的最大增益在拉曼泵浦激光器耦接到光纤的点处是必需的，并且探测光的增益范围因此缩短。

根据本公开的技术，沿着光纤长度的增加的增益范围能够实现可以用于以下各项中的一者或多者的较高功率的背向散射信号：

1.增加可以从其将背向散射信号与散粒噪声区分开的光纤长度；

2.通过缩短探测脉冲长度来改进探测脉冲的空间分辨率；

3.增加背向散射信号的总snr以实现被测变量的更准确的测量结果；以及

4.减小背向散射信号的采集时间，因为需要更少的求平均值或甚至不需要求平均值，因此增加了探测脉冲测量的带宽。

需要注意，使用二阶拉曼种子激光器的示例描述了本公开的技术，然而光纤感测系统的纤维激光器配置可以扩展到具有更高拉曼泵浦激光器功率的更高阶拉曼模式散射。如下所述，这可根据本公开的技术使用用于多个拉曼阶散射控制的多个拉曼种子激光器来实现。由拉曼种子激光器一起提供的控制可以用于增加一阶拉曼模式功率沿着光纤从拉曼激光器与光纤耦接处开始的距离。

为了实现本公开技术与所述的现有技术的性能比较，本公开技术还在直接检测式相位otdr系统的背景下被描述，在该系统中光纤的一端不可接入到电子器件、光泵浦、通信和/或维护。然而，本公开的技术不受限于这样的系统并且可以用于其他类型的光纤感测系统和检测系统中。如上所述，本公开技术的一个用途是在诸如深钻到地表中之类的其中光纤的一端不可接入的情形和情境中。另一用途是在边境监视中，其中控制中心或控制站的数量要最小化。本公开的技术可以用于其他情形中，其中放大器不应该或无法设置在沿着光纤的某处以用于增加放大范围。

在边境控制的情况下，不希望不得不每几千米或甚至几十千米建造建筑物，以提供电力来放大信号，并且然后还需要沿着边境的附加保护以保护容纳放大器的建筑物。根据本公开的技术，可以沿着边境设置正规的光纤电缆，即，平常的正规电信电缆布线，而无需沿着边境设置许多放大器。如果在沿着光纤的某处设置了放大器，则需要用于放大器的能量，因此即使可维护性折衷并且这些放大器设置在地下以避免需要为可见建筑物提供安全，因为仍然需要向放大器提供电力，因此沿着光纤设置的每个放大器也增加感测系统的成本。

本公开技术其他用途可以包括沿着大距离的温度检查、监测铁路、道路、管道和其他基础设施(包括监测建筑物、桥梁和其他大型结构的稳定性)、沿着大距离的压力检查以及在大距离上的管道中油或其他液体的流量。在该背景下的大距离可以是几百到几千千米。根据本公开的技术，除了拉曼散射之外的其他类型的背向散射信号可以用于确定沿着光纤的被测变量或可以用于提取关于沿着光纤的扰动的信息。本公开的技术可以使用otdr以及光频域反射法(本文中简称为ofdr)系统中的瑞利散射来实施。如上所述，扰动表示处理器中的所分析散射图案的变化，并且可以由温度变化、压力变化或可能引起纤维折射率的局部变化或可能影响散射图案的其他物理现象的变化而引起。本公开的技术还可以使用otdr系统中的布里渊散射来实施。例如，布里渊散射位移测量温度或应力变化，因此该现象有效用于其中被测变量是温度或应力的用例。在本公开技术的这样的实施方案中，所测量的信号不需要从测量点后向传播。在botda(布里渊光时域分析)中，所测量的信号是由反向传播的布里渊泵浦光放大的前向传播的探测光。在该实施方案中，探测激光器和泵浦激光器(生成布里渊泵浦光)中的至少一者可以发生脉冲以具有空间分辨率。两者都可以通过本公开的技术进行放大。还需要注意，根据本公开的技术，所接收到的不同散射图案可以由处理器来分析，并且可以根据引起扰动和散射图案变化的对象的类型来分类。例如，在边境穿越感测系统中，不同的散射图案可以被识别为表示汽车、动物、人等。

现在参考图7，其是根据本公开技术的实施方案构造和操作的光纤感测系统(一般标记为200)的示意说明，所述系统使用二阶在线拉曼放大、仅需要接入光纤的一端。光纤感测系统200包括询问单元202和光纤222。询问单元202包括探测源203、分离器208、检测器210、处理器212、耦合器214、拉曼种子激光器216和拉曼泵浦激光器218。探测源203包括探测激光器204和调制器206。调制器206是任选部件。光纤222包括纤维端部220，其可能是不可接入的。探测源203与分离器208耦接。在一个实施方案(示出)中，调制器206与探测激光器204和分离器208耦接。检测器210与处理器212耦接并与分离器208光学耦接以接收并检测来自分离器208的信号。耦合器214与分离器208、拉曼种子激光器216、拉曼泵浦激光器218和光纤222耦接。询问单元202表示用于安装本公开技术的感测系统的控制点、控制中心或接入点。为了简便的目的，省略了任何放大阶段，其可能用于光纤感测系统200中在将探测光提供到光纤222中之前或在将背向散射光提供给检测器210之前。

探测激光器204可以被实施为任何种类的窄线宽激光器。探测激光器204可以是相位扫描激光器、相位调制激光器、调频激光器或调幅激光器。探测激光器204生成探测光，该探测光沿着光纤222行进并且产生最终由检测器210接收的背向散射光信号。探测光可以是连续波光或光脉冲。调制器206是任选部件并且对于图7所示的配置不是必要的。调制器206可以是用于调制激光的任何已知的调制器，诸如声光调制器、电吸附调制器或电光调制器，并且它的使用取决于所需的测量方案。例如，在otdr系统中，调制器产生探测脉冲并确定空间分辨率。所测量的信号然后通过飞行时间确定来与散射事件的位置相关联。在ofdr系统中，不使用调制器，并且根据信号和探测激光器204(在该情况下是扫频激光器)的跳动图案来确定空间相关性。分离器208用于将前向传播的探测脉冲与来自光纤222的任何背向散射光分离。分离器208可以被实施为环形器、耦合器、wdm滤波器或可以将前向传播的光束与后向传播的光束分离的任何其他已知元件。检测器210可以是具有从几兆赫(本文中简称为mhz)到几十千兆赫(本文中简称为ghz)的带宽范围的任何已知的光检测器。用于检测器210的检测器的种类可以尤其是光电二极管、雪崩光电二极管和光电倍增管。耦合器214将由拉曼种子激光器216和拉曼泵浦激光器218产生的光脉冲耦合到光纤222，并且可以被实施为任何类型的光耦合器。例如，耦合器214可以是wdm、2x2耦合器等。拉曼种子激光器216和拉曼泵浦激光器218可以各自被实施为二极管激光器、拉曼纤维激光器等。在一个实施方案中，拉曼种子激光器216可被实施为激光二极管，而拉曼泵浦激光器218可以被实施为纤维激光器、激光二极管或拉曼纤维激光器。拉曼泵浦激光器218可以以连续波(本文中简称为cw)模式或脉冲模式操作。在所示的实施方案中，拉曼种子激光器216经调制但不是发生脉冲，然而在其他实施方案中，它可以是发生脉冲。如图所示，询问单元202包括单个拉曼泵浦激光器和单个拉曼种子激光器，然而在本公开技术的其他实施方案中，如下面所述，如果需要更高阶拉曼放大，询问单元202可以包括多个拉曼种子激光器和/或拉曼泵浦激光器。在所示的实施方案中，拉曼种子激光器216和拉曼泵浦激光器218都与在分离器208之后的耦合器214耦接。在本公开技术的其他实施方案中，拉曼种子激光器216和拉曼泵浦激光器218可以耦接在分离器208和调制器206之间(未示出)。拉曼种子激光器216和拉曼泵浦激光器218还可以单独地耦接到光纤222(未示出)，其中拉曼种子激光器216和拉曼泵浦激光器218中的每一者经由单独的耦合器进行耦接(未示出)。另外，在图7所示的配置中，拉曼种子激光器216和拉曼泵浦激光器218耦接到光纤222的一端，使得纤维端部220可以保持不可接入。在本公开技术的其他实施方案中，拉曼种子激光器216或拉曼泵浦激光器218中的一者可以与纤维端部220耦接(未示出)。尽管这种配置损失了仅需要接入光纤222的一端的优点，但是与图7所示的配置相反，这种配置具有实现了沿着光纤的甚至更长范围的优点。图7所示的配置使用信号(即，背向散射光)的直接检测。在本公开技术的附加实施方案中，信号与探测激光器204的输出组合以实现单个检测器或平衡检测器(示出为检测器210)上的相干检测。该信号是由分离器208分离出的信号。一般来说，检测可以是零差检测或外差检测。而且，取决于图7的感测系统的特定用途，检测210检测到的信号光可以是从由探测激光器204产生的探测光生成的反射光、放大光、背向散射光、前向散射光、拉曼散射光、布里渊散射光或瑞利散射光。所检测到的信号从检测器210被提供给处理器212，该处理器212可以分析所检测到的信号光以得到关于光纤222、光纤222所定位在的环境或这两者的信息。还要注意，所检测到的信号可以与探测光或探测脉冲相关联。这样做是为了减小探测脉冲之间的时间，并且可以通过将每个探测脉冲编码有图案来实施。因此，可以在单个往返时间中发射多个探测脉冲。在单个往返时间内发射的各个探测脉冲之间的信号光的多义性可以通过所接收到的信号光与不同图案的相关性来去除。

根据本公开的技术，在两个不同波长下的激光与光纤222耦合，同时探测激光器204将探测光提供给光纤222，该探测光可以由调制器206转变为探测脉冲。拉曼泵浦激光器218提供泵浦光，而拉曼种子激光器216提供种子光。拉曼泵浦激光器218提供高功率的光，而拉曼种子激光器216提供较低功率的光。在一个实施方案中，拉曼泵浦激光器在整个测量周期内提供泵浦光，其中拉曼种子激光器仅在探测脉冲之间提供种子脉冲。在另一实施方案中，拉曼种子光功率在探测脉冲期间减小但不减小到零。这样做以防止种子脉冲将探测脉冲的功率增加到非线性现象可以在光纤222内发生所在的阈值以上。在一个实施方案中，拉曼泵浦激光器218提供具有在50mw直到10瓦之间的功率的光脉冲，而拉曼种子激光器216提供具有小于10mw功率的光脉冲。一般来说，由拉曼种子激光器216产生的种子光和/或由拉曼泵浦激光器218产生的泵浦光的特性可以被调制为与探测光中功率的变化相关。该特性可以是拉曼种子激光器和/或拉曼泵浦激光器的功率和/或波长。这样做是为了避免探测光中的高功率，该高功率可以引起在沿着光纤222的某处发生非线性现象。由拉曼泵浦激光器218提供的高功率的光被设置有几乎是探测光的拉曼位移的两倍的波长位移。例如，如果探测激光器204产生具有1550纳米(本文中简称为nm)波长的光，则拉曼泵浦激光器218可以生成具有从1340至1400nm的波长范围的泵浦光，其具有从150至210nm的拉曼位移范围(等于在20至30太赫兹(本文中简称为thz)之间的频移)。拉曼泵浦激光器218然后可能具有范围从50毫瓦到10瓦的功率。由拉曼种子激光器216提供的低功率的光被设置有接近泵浦光的斯托克斯拉曼峰值的波长和接近探测光的波长的斯托克斯拉曼波长位移。例如，如果探测激光器204产生具有1550nm波长的探测光，则拉曼种子激光器216可以生成具有从1430至1500nm的波长范围的种子光，其具有从50至120nm的拉曼位移范围(等于在7至16thz之间的频移)。拉曼种子激光器216然后可能具有小于10毫瓦的功率。一般来说，种子光的波长应该在泵浦光的波长和探测光的波长之间。如上所述，探测光、拉曼泵浦光和拉曼种子光的波长需要被选择在特定范围和关系内，以便本公开的技术实现所需的二阶在线拉曼放大。一般来说，根据本公开的技术，泵浦光的波长比探测光的波长短，使得泵浦波长与探测波长之间的对应频率差是频移的倍数，对于该频移，拉曼散射系数是谐振拉曼散射系数的至少25％。在本公开技术的一个实施方案中，泵浦波长、种子波长和探测波长被选择成使得泵浦波长与探测波长之间的对应频率差是频移的两倍，对于该频移，拉曼散射系数(或单阶拉曼散射系数)是谐振拉曼散射系数的至少25％。在这个实施方案中，波长还被选择成使得种子波长与探测波长之间以及种子波长和泵浦波长之间的频率差是频移，针对该频移，拉曼散射系数与谐振拉曼散射频移相比是至少25％。需要注意，在本公开技术的一个实施方案中，探测激光器204的功率不应该超出1瓦。

希望在整个光纤上具有良好分布的增益，以便克服探测脉冲和背向散射光这两者的衰减。根据本公开的技术，拉曼泵浦光和拉曼种子光一起在感测纤维中相互作用，以实现随着探测光沿着感测纤维传播而从其生成的背向散射光(即，信号光)的分布式拉曼放大。使用拉曼泵浦激光器218和拉曼种子激光器216，可以根据光纤感测系统200的用途来调整和定制向光纤222提供的增益。例如，通过增加泵浦光的功率和减小种子光的功率，可以沿着光纤向前移动该增益。然而，通过减小泵浦光的功率和增加种子光的功率，可以沿着光纤更靠近地朝向耦合器214后向移动该增益。需要注意，在本公开技术的一个实施方案中，光纤222的长度应该大于10km，并且光纤222应该被实施为单模光纤。

需要注意，在图7的感测系统中，拉曼种子激光器216和拉曼泵浦激光器218与由探测激光器204生成的光共同传播。如上所述，在本公开技术的其他实施方案中，拉曼种子激光器216和拉曼泵浦激光器218中的至少一者(或两者)还与纤维端部220耦接。在这样的实施方案中，种子光和/或泵浦光可以与探测光共同传播、与探测光反向传播或与探测光双向传播。

现在参考图8，其是根据本公开技术的另一实施方案构造和操作的使用本公开技术的图7的光纤感测系统的仿真的图表(一般标记为240)，其示出了在对数标度上的两个连续探测光测量结果之间的差的绝对值。图表240包括x轴242，示出了沿着光纤(例如，图7的光纤222)的以千米为单位的距离，以及y轴244，示出了以dbm为单位的功率。如图所示的仿真被设计为展示沿着光纤在以下距离处的测量结果之间的扰动：15km、40km、65km、90km和115km。图8所示的仿真使用与上面在图2中所示的仿真相同的参数，但是具有以下附加参数。拉曼泵浦激光器的功率被设置为1.9瓦，其产生二阶拉曼泵浦光，拉曼种子激光器的功率在探测脉冲生成时被设置为22纳瓦并且在其他时间被设置为1微瓦，其产生一阶拉曼模式光。这些泵浦功率被选择以防止一阶拉曼模式光超过沿着光纤的所有位置处的自发拉曼散射的400mw极限，并且防止探测脉冲功率超过5mw极限，在5mw以上将开始发生非线性现象。

如可以看出的，包络246示出了相对平坦的噪声功率水平(示出了近似10db的变化)，其指示与上面表示现有技术的图2、图4和图6所示的包络相比(示出了近似20db的变化)相对平坦的功率水平。包络246最终也衰减到散粒噪声与信号水平相当时的水平，然而这是在接近150km的距离处。在所设计的15km、40km、65km、90km和115km距离处的扰动峰值清晰可见，由箭头248a、248b、248c、248d和248e示出。在背向散射功率中的凹陷由箭头250示出，而在背向散射功率中的最大值由箭头252示出。该凹陷和最大值可根据本公开的技术通过调整一阶拉曼模式种子功率和二阶拉曼泵浦功率的功率水平来调整和细调。增加泵浦光功率并减小种子光功率使探测脉冲功率中的最大值(由箭头252示出)沿着光纤移动得更远，而减小泵浦光功率并增加种子光功率使探测脉冲功率中的最大值(由箭头252示出)沿着光纤向后移动并减小由箭头250示出的凹陷。如上所解释，本公开的技术使用可控二阶拉曼散射产生到达光纤深处的良好分布的增益。对拉曼泵浦光功率和拉曼种子脉冲功率两者的控制允许动态地调整增益分布以用于探测脉冲和背向散射光信号的最佳放大。

现在参考图9，其根据本公开技术的另外实施方案构造和操作的图表(一般标记为270)，其示出了使用图7所述的感测系统和图3所述的现有技术感测系统的沿着光纤长度的不同拉曼模式的功率变化。图9描述了使用图7的感测系统在假定背向散射信号功率相对较小(如图8所示)并且不耗尽一阶拉曼模式功率的情况下不同的拉曼模式随着其沿着光纤传播而发生的功率变化。出于比较的目的，图9还示出了针对使用图3的现有技术感测系统的用于在线拉曼放大的拉曼泵浦光的功率分布。

图表270包括x轴272，示出了沿着光纤的以千米为单位的距离，以及y轴274，示出了以瓦为单位的功率。线276示出了400mw的自发拉曼散射阈值，在该阈值以上，来自一阶拉曼模式的自发拉曼散射会减小snr。线278表示现有技术一阶拉曼模式功率的功率，线280表示如图7所示的本公开技术的一阶拉曼模式功率的功率，并且线282表示如图7所示的本公开技术的二阶拉曼模式泵浦的功率。如线282所示，由于与一阶拉曼模式而非背向散射信号的低功率相比，自发拉曼散射必须保持较小，因此允许二阶拉曼模式泵浦光的初始功率超出线276所示的400mw阈值达5倍(在2瓦附近)。线282示出了二阶拉曼模式泵浦光的衰减，其具有由srs引起的0.3db/km的衰减常数。另外，使用srs，功率从二阶拉曼泵浦光传递到一阶拉曼种子光，如示出为箭头284的线280的最大值所示。一阶拉曼种子模式功率的最大值被限制为线276所示的功率，以防止自发拉曼散射。拉曼种子模式(线280)和拉曼泵浦模式(线282)的初始功率确定一阶拉曼种子模式的峰值功率(箭头284)的位置和振幅。在图9中，选择了1微瓦的拉曼种子功率，使得一阶拉曼种子模式功率在沿着光纤稍多于20km的距离处达到400mw的最大功率。如上所述，出于比较的目的，将如图3的现有技术感测系统所示的用于在线放大的一阶拉曼模式功率的功率示出为线278，其具有与本公开发明的种子光的最大峰值功率相同的400mw峰值功率并且沿着光纤的长度衰减。提供给探测脉冲的拉曼增益与一阶拉曼模式泵浦光的功率成比例，被示出为线278(在现有技术的情况下)和280(在本公开技术的情况下)。如图9所示，本公开发明具有优于现有技术的以下优点。首先，一阶拉曼模式的峰值增益在光纤的更深处。其次，增益曲线具有进入光纤中的长尾。作为参考，拉曼放大恰好抵消沿着光纤的0.2db/km的衰减所在的功率是60mw。虽然该功率水平在利用现有技术在线拉曼放大感测系统的情况下到达30km附近，但是本公开的技术和放大方案使该增益实现超过50km。从15km及以上的每一个点处提供给探测脉冲的总增益在使用本公开技术的二阶拉曼模式种子光放大时更高。与现有技术的一阶拉曼模式泵浦相比，即使在更靠近感测系统的检测器的本公开技术的更低放大(由箭头288示出)也具有优点。由于初始泵浦光功率(线280)非常低并且不在接近最靠近耦合器(未示出)的纤维端部进行放大，因此可以在不降低探测脉冲的初始峰值功率的情况下进行探测脉冲的放大。

现在参考图10，其是根据本公开技术的另一实施方案构造和操作的图表(一般标记为300)，其示出了使用上面图7至图9所述的拉曼放大的沿着光纤的探测脉冲的放大。图表300被使用上面图8所示的仿真中使用的用于光纤感测系统200(图7)的相同参数来生成。图表300包括x轴302，示出了沿着光纤的以千米为单位的距离，以及y轴304，示出了以毫瓦为单位的功率。线306示出了探测脉冲随着其沿着光纤传播但不进行放大而展现出的功率，诸如上面在图1的现有技术感测系统中所述。线308示出了探测脉冲通过一阶拉曼模式种子光(未示出)放大后的功率，该一阶拉曼模式种子光具有22.5纳瓦的输入功率，使得探测脉冲的功率不超出5mw阈值。与线306类似，线308的功率随着距离而衰减，如由箭头310所示，但是由于根据本公开技术的放大沿着光纤推动增益，因此探测脉冲的功率沿着光纤的一定距离放大，如由箭头312所示，其在沿着光纤的50km附近达到峰值。在探测脉冲的功率在现有技术(线306)中以大约0.3db/km衰减时，本公开的技术使探测脉冲功率保持在阈值的10％以上(0.5mw附近)直到超过100km的距离。该定制的探测脉冲和背向散射信号的差分放大不可能使用现有技术来实现。图3的现有技术系统不具有如图所示的放大范围，而图5的现有技术系统缺少对差分放大所需的拉曼种子模式的自由时间控制。

现在参考图11，其是根据本公开技术的另外实施方案构造和操作的图表(一般标记为320)，其示出了与现有技术相比到达检测器的将图10所示的探测脉冲功率和图9所示的背向散射增益考虑的背向散射信号的理论平均功率作为在光纤中背向散射信号的位置的函数。图表320包括x轴322，表示沿着光纤的背向散射信号从其传播朝向感测系统中的检测器(未示出)的距离，以及y轴324，表示相对于共同参考功率的功率。线326表示在没有任何放大的情况下(诸如图1的现有技术感测系统中)到达检测器的背向散射信号的平均功率。线328表示使用仅一阶拉曼放大(诸如图3的现有技术感测系统中)到达检测器的背向散射信号的平均功率。线330表示使用二阶拉曼放大到达检测器的背向散射信号的平均功率，其中拉曼种子模式由形成ufrl的fbg生成(诸如图5的现有技术感测系统中)并且仅泵浦光纤的端部。线332表示使用本公开技术的放大方案到达检测器的背向散射信号的平均功率，其中单独控制泵浦光和种子脉冲的功率(诸如图7的感测系统中)。

图11中所表示的线326、328、330和332在对数标度上示出除以背向散射信号，该背向散射信号是从光纤的最靠近询问单元(未示出)的点处的5mw探测脉冲得到的。在没有拉曼放大(线326)的情况下，背向散射信号沿着光纤以0.4db/km的衰减(其由于探测脉冲和背向散射信号中的每一者的0.2db/km的衰减而引起)而衰变。在一阶拉曼放大(线328)的情况下，在背向散射信号中存在初始增加直到大约17km，由箭头340示出，在该点信号开始衰变。在现有技术二阶拉曼放大(线330)的情况下，相对功率基本上低于甚至是没有放大的情况，这是因为需要低的探测脉冲功率以避免在线放大情况下的非线性阈值，然而，在20km附近开始急剧增加，并且在30km附近(由箭头335示出)超越一阶放大的背向散射信号。在本公开的技术(线332)中，背向散射信号最初减小但是在15km附近增加(由箭头334示出)，并且在50km附近达到峰值(由箭头336示出)。线338示出了使用仅一阶拉曼放大的最大背向散射信号功率。如线338所示，使用本公开技术的拉曼放大的背向散射信号功率保持高于一阶拉曼放大的最大背向散射信号功率直到90km附近。在拉曼放大之后，所有的背向散射信号以0.4db/km的速率衰变，然而，与现有技术的拉曼放大方案相比，本公开技术的背向散射信号的总信号功率沿着光纤保持大8db以上，即使在背向散射信号衰减时也是如此。被选择用于图11所示的仿真的参数是典型值，因此呈现出本公开技术优于现有技术的益处。

需要注意，本公开的技术不受限于被选择用于生成图表320的参数，所述参数包括探测激光器、拉曼泵浦激光器和拉曼种子激光器的选定功率。图8至图11所示的图表仅仅作为本公开技术的益处和用途的示例。根据本公开的技术，使用n阶放大的拉曼放大用于控制提供给光纤感测系统中的探测脉冲的增益，其中n是二或更大。一般来说，根据本公开的技术，拉曼泵浦激光器所使用的波长使得第n个拉曼散射谐振符合探测光的波长。拉曼种子激光器使用接近拉曼泵浦光的所有中间n-1个拉曼散射谐振的波长。拉曼泵浦激光器可以耦接到感测光纤的一端或两端。拉曼种子激光器中的功率可以根据探测脉冲功率进行修改，因此优化探测脉冲和背向散射信号两者的增益振幅和分布。如上所述，例如，更高阶种子激光器(其可以是一个或多个种子激光器)可以在探测脉冲发射期间关闭，以防止探测脉冲的拉曼放大。可选地，更高阶种子光功率可以被设置以诸如仅在探测脉冲功率显著衰减的距离处提供实质增益。在一个实施方案中，拉曼泵浦激光器和拉曼种子激光器都与探测激光器共同传播。在其中感测纤维的远端可接入的其他实施方案中，拉曼泵浦激光器和拉曼种子激光器可以耦接到感测纤维的两端。通过动态地改变拉曼种子光的功率，从探测光移位一个拉曼谐振，可以控制探测脉冲和背向散射光的差分增益。因此，在本公开技术的一个实施方案中，可以使用定位在感测纤维(在它们可接入的情况下)的两端(每端一个)上的至少一对fbg来替换除了一个拉曼种子激光器之外的所有拉曼种子激光器或替换拉曼种子激光器中的一些，从而形成根据本公开技术的多阶urfl。在这样的实施方案中，在每fbg对中的每个fbg应该在具有由拉曼种子激光器生成的拉曼种子光未生成的阶次上的谐振拉曼散射的至少25％的拉曼散射效率的波长下具有高反射率。

如上所述，如果增益范围将扩展超出50km，可以使用更高阶拉曼放大(即，三阶及以上)。例如，三阶拉曼放大可以用泵浦二极管来实现，该泵浦二极管的波长使得三阶拉曼散射谐振符合探测脉冲的波长。如所提及的，在这个情况下可以使用两个拉曼种子激光器(未示出)，其中第一个接近泵浦二极管的第一拉曼散射谐振并且第二个接近泵浦二极管的第二拉曼散射谐振。在本公开技术的更高阶拉曼放大的另一实施方案中，拉曼种子激光器中的一者可以被在光纤端部处的fbg对替换，因此使用三阶拉曼泵浦激光器和拉曼种子激光器的功率水平来控制探测脉冲和/或背向散射信号的拉曼增益的最大功率和位置。然而，在这个实施方案中，光纤的两端都需要接入。

如所理解的，本公开的技术可以用于otdr系统、ofdr系统、botda系统、botdr系统、前向传播的感测系统以及后向传播的感测系统。

如图11所示，对于光纤的前近似25km，通过现有技术(线330)或根据本公开的技术(线332)的二阶拉曼放大的增益低于一阶拉曼放大(线328)的增益。根据本公开的技术，在该区域中的放大是可能的，如下所述。由于光纤的该部分最靠近感测系统的检测器(未示出)，可以向光纤感测系统200(图7)添加附加的泵浦激光器，与耦合器214(图7)耦接以用于附加的放大，从而向光纤222(图7)的最靠近耦合器214的端部传递增益。在一个实施方案中，该附加的泵浦激光器可以是布里渊泵浦激光器，其具有与探测激光器204(图7)的波长相比近似10千兆赫(本文中简称为ghz)的波长位移。该布里渊泵浦激光器形成用于感测纤维222中的后向传播的信号的分布式放大器。sbs相位匹配引起在与布里渊泵浦激光器的方向相反的方向上传播的信号模式的放大。在这个实施方案中，布里渊泵浦激光器可以放大在靠近更接近检测器210(图7)的光纤端部的区域中的背向散射信号。在本公开技术的另一实施方案中，代替使用布里渊泵浦激光器，如果在最靠近检测器210的区域中(例如，从检测器沿着光纤直到25km附近)需要更好的snr，则一阶拉曼模式种子激光器和二阶拉曼模式泵浦激光器的参数的正确设置可以导致更靠近检测器的峰值增益。如上所述，增加种子脉冲功率并减小泵浦光功率使峰值增益沿着光纤向后更靠近检测器移动。这些功率参数可以被动态改变以在光纤的长度上的不同区域中增加snr。在一个实施方案中，可以定期改变这些功率参数以便具有沿着光纤的整个长度的被测变量的准确测量结果。在另一实施方案中，可以根据需要，诸如在可能的事件或扰动的情况下，改变这些功率参数。

如图8至图11所示，使用本公开的技术而无需使用外部放大单元并且仅需要接入光纤的一个端部，可以检测扰动直到大约150km的距离。通过将图7所示的两个光纤感测系统背对背设置，每个面向不同方向，在超长距离应用中，可以仅每300km一次设置容纳图7的感测系统的控制中心或控制点，而其之间不需要任何放大、维护或通信中心。

在本公开技术的一个实施方案中，如上面的图7至图11所述，由于使用拉曼种子激光器，本公开的技术不像现有技术诸如urfl系统中那样依赖于来自光纤端部的在一阶拉曼位移内的波长的反射。在这个实施方案中，光纤的两端不需要都接入，并且可以使用本公开的技术用于从单端沿着光纤增加增益范围。然而，在本公开技术的另一实施方案中，fbg可以设置在光纤的任一端上。在这个实施方案中，需要接入光纤的两端。这个实施方案的优点在于光纤感测系统的元件的总成本可以比图7所示的感测系统更加成本有效，但是光纤的两端都需要接入。

如上所解释，本公开的技术使用n阶拉曼放大实现了沿着感测纤维的峰值增益位置的动态控制。然而，需要注意，本公开技术的检测数量不受限于由检测器检测到的并由处理器分析的背向散射信号。例如，检测器和处理器可以分析瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射的所检测到的背向散射信号，以确定沿着光纤的长度是否发生了扰动或事件，或者以测量纤维或周围环境的性质，诸如温度、压力波、声波或超声波。处理器可以分析被测量光的所接收到的强度图案、相位或频率，或这些属性和数量的组合。经分析的信号不必是从探测光散射的光并且可以是通过感测纤维发射的探测功率本身。例如，在布里渊otda中，信号是探测光本身。在本公开技术的这种用例中，处理器分析根据探测激光器频率从布里渊泵浦激光器到探测模式中的受激布里渊散射的峰值响应。根据本公开的技术，根据要由检测器210(图7)检测的特性或数量和要检测的散射类型来选择探测激光器204(图7)的特性。例如，在布里渊散射的情况下，诸如在布里渊otdr系统中，探测激光器204可以提供脉冲并且检测器可以检测脉冲或可以扫描所接收到的脉冲的频率。在瑞利散射中，诸如在推理otdr和ofdr系统中，对于相干检测，探测激光器204的线宽应该是千赫范围或更小，而对于非相干检测，探测激光器204的线宽应该是兆赫范围或更小。在这些情况下的探测激光器204可以是发生脉冲的激光器或具有被启用以对探测激光器204进行门控的调制器的cw激光器(如图7所示)。

根据本公开的技术，二阶拉曼放大可以用于使峰值增益沿着光纤更远地移位并且用于产生更均匀分布的增益，以及提供对分布式或准分布式光纤感测系统中的最新的分布增益的改进。这样，本公开的技术可以在宽广范围的系统中实施。它可适用于其中所检测到的信号是来自单个传感器的反射光的传感器系统或适用于诸如fbg阵列中的准分布式多传感器系统。它可以在不同来源的分布式散射诸如瑞利散射和布里渊散射上实施。它还可以在其中测量背向散射信号、反射信号或前向散射信号的配置中实施。由于本公开的技术涉及光纤中的在线放大，因此它可以结合光的诸如振幅、相位和频率之类的不同性质的测量结果来使用。本公开的技术不受限于将测量结果关联到位置的任何方法。如上所述，探测光可以是发生脉冲的(如在otdr系统中)、扫频的(如在ofdr系统中)或通过其他已知的方法进行编码的。本公开的技术不取决于所使用的检测方法并且可以与相干检测、非相干检测以及直接检测一起操作。在一些实施方案中，本公开的技术可以被配置为通过从光纤的任一端进行泵浦来放大探测脉冲，而在其他实施方案中，本公开的技术可以被配置为通过从光纤的两端进行泵浦来放大探测脉冲。在本公开的技术中，拉曼散射率由拉曼泵浦激光器和拉曼种子激光器的功率来控制。还如上所述，根据本公开的技术，由于每个拉曼模式由单独的激光器来控制，因此可以改变拉曼泵浦激光器和拉曼种子激光器中的一者或两者的波长以便增加或减小在一阶和二阶模式之间的拉曼散射，而与每个模式中的功率无关。

本领域中的技术人员将了解，本公开的技术不受限于上文具体示出和描述的内容。相反，本公开技术的范围仅由以下权利要求来限定。