用于提高分布式光纤传感器和分布式光纤测量装置的动态
范围并降低其测量不确定度的系统
[0002] 本发明属于物理技术领域并适用于基于分布式光纤传感器和分布式光纤测量装置的测量系统。
[0003] 本发明主要目的是提供一种基于利用光纤拉曼效应的分布式
放大器并使用不同
泵浦
激光器(pump laser)和反射镜的系统，其用于提高分布式光纤传感器和分布式光
纤度量装置的动态范围(增加测量范围)并降低其测量不确定度。
背景技术
[0004] 分布式传感器构成一种具有吸引
力并极具前景的技术，用于使用长
波长的物理参数(诸如
变形和
温度)进行感应。近年来，基于光纤技术和诸如瑞利散射的线性效应以及诸如
拉曼散射和布里渊散射的非线性效应的传感器已日益应用在各种民用
基础设施(
桥梁、隧道、
建筑物、大坝……)、交通设施(飞机、
铁路线……)以及工业(
煤气管线、
水管道、石油钻塔……)的监测设备中。
[0005] 此外，分布式光纤度量技术对评估和控制现有光纤
电缆有很大帮助，基本上应用于通信领域。近年来，光纤电缆安装需求已经显著增长以至于要求最大限度地均衡现有电缆和新电缆的安装。为此，具备允许对光纤具体特征进行分布式度量检测的测量装置变得日益重要。待确定的基本参数包括偏振模色散(PMD)、色散及其衍生出的参数，诸如零色散波长(λ0)。
[0006] 由于
光子与构成材料的
原子的互动，任何材料中都产生瑞利散射。这种互动的结果是，如果是某种具体光纤，部分光
信号穿过该光纤朝着发射源返回。
[0007] 拉曼效应是与材料介质中的
电子互动的光子的吸收以及随后的发射，其中，与所述介质发生
能量交换，引起电子跃迁到虚态并产生具有与入射光子差不多的能量的新光子。可用一种称作光学声子的粒子的生成来解释能量的损耗或增益。
[0008] 布里渊效应类似于所描述的拉曼效应，不同之处在于，通过声子的生成来解释该能量交换。产生与入射光子(或泵浦光子)的
频率不同频率的新光子的两种效应在本发明中得到均衡并用作分布式放大器，原因在于，
低信号光子在通过光纤的整个传播过程中从由这些处理所产生的光子中吸收能量。
[0009] 发生在光纤内的非线性拉曼散射和布里渊散射现象直接取决于温度变化(拉曼和布里渊)以及所述光纤的变形(布里渊)，这成为这些量值的直接感应技术。
[0010] 由于两种基本的传输偏振状态之间存在传播速度差异(慢速模式和快速模式)，偏振模色散(PMD)是一种加宽，通过光纤引导的光脉冲经历这种加宽。如果是统一的单模光纤(其为对称的且安装方式使得其
曲率不会引发双折射)，则它应具有零偏振模色散(PMD)。事实上，所有曲率、非对称光纤等的任意浮动会引起整个光纤双折射的任意浮动并因此产生光脉冲传输时间的差异，这取决于该光纤是朝着一个偏振定向还是朝着另一个定向。光纤双折射的任意浮动发生在所有安装的光纤内，并且取决于该光纤的物理特性(折射率、掺杂
密度、非圆环状以及
芯子椭圆形……)、该光纤安装的方式(曲率、微曲率、压力和
张力……)、传输线中包含的偏振元件(
滤波器、隔离器、布拉格(Bragg)网络……)以及来自环境的限制(例如，具体为温度)。
[0011] 色散(CD)是一种光透过光纤的线性传播产生的现象，其直接与传播常数对频率β(ω)的依赖程度有关(D＝dβ1/dλ，其中λ是穿过光纤传播的光波长，β1是β相对于频率ω的衍生)。色散对穿过光纤传播的信号的影响是使包含信息的光脉冲产生非预期扩宽(加宽broadening)。这要求对所述扩宽进行补偿以维持通信不受干扰，为此，了解具有测量(度量)
精度的光纤色散曲线至关重要。事实上非常有趣的是，当确定哪种光波长将用于通信时，商用光纤典型的色散曲线具有其参数D为零的波长。
[0012] 基于这些物理现象，历年来已经开发出了各种不同的传感器，诸如那些基于光时域反射仪(OTDR)线性散射和光频域反射计(OFDR)的传感器以及那些基于诸如拉曼光时域反射计(ROTDR)、拉曼光频域反射计(ROFDR)、布里渊光时域反射计(BOTDR)、布里渊光时域分析仪(BOTDA)以及布里渊光频域分析仪(BOFDA)的非线性散射的传感器。
[0013] 同样地，如果是光纤测量(度量)，已经基于偏振光时域反射计(POTDR)、相干光时域反射计(COTDR)以及可调相干光时域反射计(TCOTDR)(还已知为OCT-光学相干光反射)并基于类似频域方法(POFDR、COFDR以及TCOFDR)开发了色散分布测量技术(DC、关联参数分布以及PMD)。
[0014] 所有这些技术均可以在传统检测以及基于光子计数的检测中实施。它们均具有光纤固有的不可超越的局限性，其为光在穿过光纤传输中经历的衰减。测量长度范围在数十米至三十米之间。
[0015] 当前市场上可获得的分布式光纤感应系统有：
[0016] 富士达(FOS-TA)：光纤传感技术与应用、分布式温度应变传感系统(DTS&DTSS)(新加坡，最大测量范围为30km)；
[0017] Omnisens：DiTeSt分布式温度应变监测设备(瑞士、可达30km)；敏科(SMARTECH)出售一种类似设备(瑞士)；
[0018] 日本光纳株式会社(Neubrex Ltd.Japan)：采用预泵浦BOTDA技术(可达25km)；
[0019] 安捷伦(AGILENT)：基于多模光纤的拉曼散射的分布式温度系统N4385A/N4386A(可达12km)；
[0020] 横河(YOKOGAWA)AQ8603：基于自发布里渊散射的光纤应变分析仪。
[0021] 分布式光纤测量可获得的系统有：
[0022] EXFO：基于TCOTR的分布式PMD分析仪FTB-5600；
[0023] EXFO：单端色散分析仪FTB-5700；
[0024] GAP：基于光子计数技术的分布式色散分析仪；
[0025] LUCIOL：INSTRUMENTS OTDR LOR-200/220和v-OTDR；
[0026] ANRITSU：MW9076OTDR。
[0027] 在上述所有系统中，由于测量
信噪比(还有其他参数)随着随之而来的所测量值的错误而增大，传感器和测量装置中的测量不确定度随着距离感应点或测量点的距离增大而增加。
发明内容
[0028] 本发明重点说明了用于提高分布式光纤传感器以及分布式光纤测量装置的动态范围并降低其测量不确定度的系统，该系统基于使用不同激光泵和光纤反射镜的拉曼效应的分布式光纤放大器系统。这些元件在光纤传感器或测量对象内引发以虚拟透明模式传播传感器信号所需的条件，这提高了传感器或测量装置信号的信噪比，增加了动态范围并将传感器和测量装置两者的范围增加了250km。
[0029] 本发明还确保了这里所保护的每个变量的测量不确定度不随着距离感应点的距离而变化，所述不确定度在整个传播过程中(距离达250km)保持不变。
[0030] 同样地，说明了开发所述技术的不同可能：
[0031] a)分布式放大器系统基于双向拉曼泵浦，其中，从所述光纤传感器或测量对象两端发出单一频率，其中，传感或测量信号具有的波长类似于泵浦激光器的第一斯托克斯拉曼位移的波长。
[0032] b)分布式放大器系统中的变量基于具有各种不同频率的单向或双向的一阶或高阶的拉曼泵浦，其能够通过级联拉曼色散来级联其间的放大器，其中，传感或测量信号具有的波长类似于最低频率泵浦激光器的第一
斯托克斯位移的波长。
[0033] c)分布式放大器系统中的变量通过使用设置成与光纤传感器或测量对象对准的一个或多个反射镜来补充。
[0034] d)分布式放大器系统中的变量通过使用一个或多个反射镜来补充，反射镜用于在传感光纤或测量对象内形成有源光腔，从而使该光纤变成虚透明介质。
附图说明
[0035] 为了完善说明并帮助更好地理解本发明特性的目的，根据本发明
实施例中的优选实例，附图与
说明书一起构成本发明不可分割的一部分，其中以例证和非限制性方式说明附图，如下图表示：
[0036] 图1示出了根据本发明系统对象的实施例a)的视图。
[0037] 图2示出了根据本发明系统对象的实施例b)的视图。
具体实施方式
[0038] 所提出的用于提高分布式传感器和分布式光纤测量装置的动态范围并降低其测量不确定度的系统不论其测量技术是什么(OTDR、OFDR、ROTDR、ROFDR、BOTDR、BOTDA、BOFDA、COTDR)均适用于任何类型的分布式光纤传感器1或分布式光纤测量装置，也适用于任何类型的PMD分布式测量装置、色散或从其衍生出的参数(POTDR、PMD-OTDR、DC-OTDR、FWM-OTDR)并根据该系统进行测量的配置通过
耦合器3a、或3a和3b耦合至输入/输出端口2a或耦合至输入2a端口和输出2b端口。所述系统可以在以下实例中实现：
[0039] a)一个或多个
光源1a。这些光源发出的光通过耦合器3a经由输入端口2a射入光纤传感器4或测量对象。将具有一个或多个光源1a，这取决于容易改善的分布式传感器1或测量系统是否基于沿反传播方向引入光纤传感器4(例如，基于布里渊效应的分布式传感器1)内的两种信号的互动或基于单一信号与介质的互动(OTDR、基于拉曼效应的分布式传感器1、POTDR、COTDR)。此外，根据传感器或装置的具体设计，这些信号将以脉冲或连续模式发射。
[0040] 在分布式传感器1中，光纤传感器4沿着感应元件对象布置并用作基于拉曼效应在其中进行放大的介质。在分布式光纤测量中，这将成为发生分布放大的介质。将使用合适的
频谱分析系统或通过相应端口(输入/输出2a、输入2a和/或输出2b)连接至光纤传感器4一端的探测器1b进行探测。
[0041] 首先，提出了图1所示的视图，其基于遍及光纤传感器4或测量对象的分布式拉曼效应，其中将使用一个或多个泵浦激光器5从两端泵浦。这样，将具备朝向波长的双向泵浦。该波长必须使得其一阶斯托克斯拉曼色散接近由光纤传感器4传输的信号的波长。在
硅光纤传感器4中，该斯托克斯信号在具有太赫兹(terahertz order)频谱宽的放大带中实现。这样，整个光纤传感器4内的传输信号将相对于其中间点对称地放大。在该实验性示意图中，必须考虑光传播方向并在没有其它光束干扰的情况下引入该被传播的信号所需的隔离分量。
[0042] b)本发明第二实施例与先前实施例的区别在于，在第二实施例中，拉曼泵浦单向引入光纤传感器4或测量对象且具有初始自发产生高阶斯托克斯所需的强度特性。这些新信号将连续地互相放大，从而使拉曼放大现象的频谱位移达到希望频率，在这种情况下该频率接近传输信号的频率。
[0043] c)与b)部分中所说明的示意图相同，但使用了a)部分中所示出的双向拉曼泵浦示意图。
[0044] d)第四实验性实施例是基于a)、b)和c)部分中所说明的观点，但是在该情况下，引入与光纤传感器4或测量对象对准的光纤反射镜6。以这样的方式，b)部分所说明的高阶斯托克斯频率的产生将受益于拉曼增益曲线的特定部分的波长选择，其将发生在所述反射镜6内。
[0045] e)最后，提出了图2所示的示意图。在该实验性开发中，我们致力于d)部分所说明的示意图，但是反射镜6设置在光纤传感器4或测量对象的两端，这样以形成光腔，在光腔中发生连续阶的斯托克斯的级联放大。
