CN102209888A - 检测系统及在此类系统中使用的光纤 - Google Patents

Abstract

一种检测系统(5)，包括：(i)光纤，该光纤(12)具有(a)长度L≥1km、(b)有效拍长在10m与100m之间以及(c)在长度L内至少100m的任何距离上的拍长均匀性由标准差σ所表征，其中|σ|≤10m；(ii)OTDR(10)，耦合至该光纤，并包括(a)向光纤提供脉冲辐射的辐射源、(b)能检测通过光纤反向散射回的辐射的检测系统以及(iii)位于该光纤与检测器之间的至少一个偏振器(18)，以使反向散射的辐射在到达检测器之前通过偏振器。

Description

检测系统及在此类系统中使用的光纤

技术领域

本申请要求2008年10月7日提交的题为“检测系统及在此类系统中使用的光纤(Detection System and Optical Fiber for Use in Such System)”的美国临时专利申请No.61/195,443的优先权，且基于该申请，该申请的全部内容通过引用结合于此。

本发明一般涉及用于检测沿着光纤长度的干扰的方法和系统，具体涉及利用偏振光时域反射计(POTDR)来识别这样的干扰的方法和系统。

技术背景

分布式光纤感测系统被用于需要建筑和结构监测、温度和压力测量以及入侵检测的应用中。标准的单模光纤和多模光纤经常被用于这些应用。分布式光纤感测系统已被用于监测诸如建筑物、输油管道和桥梁之类的关键基础设施。

在基础设施监测中，分布式光纤感测系统提供关于沿着路径的扰动的信息，该信息在存在实质的和/或反常的光纤应力改变时可触发警报。因此，分布式光纤感测系统在确保这些关键基础设施的劣化的早期检测和必要时的及时修复方面有重要应用。

在安全应用中，分布式光纤感测系统在周界的特定部分被干扰时提供关于对进入保护区域或设施中的入侵的信息。高度感兴趣的受保护区域或设施可以是政府或军事场所、商用机场、水处理厂或发电厂。对执行关键功能的站点的安保需求极大地推动了对入侵监测的需要，且近来政府的反恐议程进一步强调了这样的需要。

利用偏振效应的分布式光纤感测系统需要感测光纤中的小的改变。这样的改变可由例如应力、光纤弯曲或压力的变化而产生。偏振状态随着光脉冲沿着光纤长度传播而改变，并且对光纤扰动敏感。在光纤的本地化部分附近的干扰的发生和位置可基于识别这样的干扰改变了从光纤的被干扰部分反向散射的光的偏振条件而确定。光纤(感测光纤)中的偏振状态的改变可通过利用偏振敏感OTDR(POTDR)装置对反向散射光的检测而被检测到。通过在OTDR路径中插入诸如偏振器之类的偏振元件，偏振变化可将其显示为强度变化的形式。

一般而言，由于能够从测得的OTDR轨迹中提取的信噪为低，基于POTDR的监测技术经常需要大量的滤波和均化以产生更好的信噪比。

发明内容

根据本发明的一些实施例，一种检测系统包括：

(i)光纤，该光纤具有：(a)长度L≥1km；(b)拍长在10m到100m之间；以及(c)在(1)由标准差σ表征的光纤长度上(其中|σ|≤10m)或(2)光纤长度内的至少100m距离上的拍长均匀性是由标准差σ表征的，其中|σ|≤10m；

(ii)与所述光纤耦合的OTDR系统包括(a)向光纤提供脉冲辐射的辐射源，(b)检测由光纤反向散射的辐射的检测器；以及

(iii)位于光纤和检测器之间的至少一个偏振器，以便反向散射的辐射在到达检测器之前通过偏振器。

在另一实施例中，用于检测沿着光纤长度的干扰的方法包括以下步骤：

(i)向一段长度的光纤发射脉冲辐射，所述光纤具有：(a)长度L≥1km；(b)拍长在10m到100m之间；(c)由标准差σ表征的在光纤长度内的至少100m的任何距离上的拍长均匀性，其中|σ|≤10m；

(ii)测量通过光纤反向散射回的辐射；以及

(iii)分析所述测得辐射的强度的变化以产生与在沿着光纤长度的特定位置处的测得辐射的实时变化有关的信息。

将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这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，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的本发明可认识到。

应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者给出本发明的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本发明的各个实施例，并与本描述一起用于说明本发明的原理和操作。

附图简述

图1示意性地示出根据本发明的一个实施例的基于POTDR的检测系统。

图2示意性地示出根据本发明的实施例的替代的基于POTDR的检测系统。

图3示意性地示出有干扰的POTDR信号(曲线A)和没有干扰的POTDR信号(曲线B)以及图1或2检测系统的POTDR差信号(曲线C)；

图4示意性地示出制造具有附加的双折射的光纤预成型件的步骤；

图5是光纤的双折射因变于预成型件的修整深度d的曲线；

图6a和6b示意性地示出根据本发明的一些实施例的感测光纤的横截面图；

图7示出一种示例性感测光纤中的光纤拍长L_B与光纤纤芯中心和空气孔之间的距离D_空气之间的关系；

图8示出图6b所示的感测光纤的示例性折射率分布；

图9和10分别示出在扰动前和扰动后获得的示例性的POTDR轨迹；

图11和12示出示例性的经处理的POTDR轨迹；

图13是示例性的自相关函数的曲线；

图14和15分别示出在扰动前和扰动后获得的示例性的POTDR轨迹；以及

图16是与图14和15相对应的示例性的自相关函数的曲线。

具体实施方式

为了说明目的，现将仅通过某些实施例描述本发明；然而，应当理解本发明的其它目的和优点将通过以下根据本发明的附图描述变得显而易见。虽然公开优选实施例，但这不旨在限制。相反，本文所述的一般原理被认为仅仅是说明本发明的范围，应当进一步理解可作出许多改变而不偏离本发明的范围。

在基于光纤时域反射计的检测系统中，光的时间脉冲(通常10纳秒(ns)到10毫秒(ms))被发射到光纤(感测光纤)。当这个脉冲通过感测光纤传播时，由于瑞利散射，它的某些能量被反向散射。反向散射光的光学特性取决于光纤的物理和光学性质。当感测光纤被破坏、弯曲或以其它方式被扰动时，反向散射光的特性改变，且该改变可被检测并分析。

通过分析时域中的反向散射光的光学性质可获得因变于光纤长度的关于感测光纤的物理和光学性质的信息。此外，如果传感器光纤的局部性质被扰乱，那么对反向散射光中的改变的分析可被用于定位沿着光纤长度L的干扰。沿着光纤的长度测量反向散射光强度的光学仪器例如是光时域反射计(OTDR)。更具体而言，OTDR轨迹提供了关于反向散射光的强度的信息。诸如偏振或光损耗之类的其它信息可从关于反向散射光的信号强度的信息中导出并被分析。

现在将具体参考本发明的现有优选实施例，其示例在附图中示出。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或类似的部件。图1示出了用于沿着本发明的光纤的长度检测干扰的系统的一个实施例，该系统一般全部由附图标记5来标记。

更具体地，如图1所示，检测系统5(文中也称为感测系统)包括能够沿着光波导纤维(感测光纤)发送激光脉冲的光时域反射计OTDR 10(在这个示例中是POTDR装置)。即，OTDR能够向感测光纤注入一连串的光脉冲。OTDR也能够从感测光纤的同一端提取反向散射的光。返回脉冲的强度被测量并根据时间求积分，且被绘制成光纤中(沿着光纤长度)的位置的函数。光的时间脉冲被发射到光纤(感测光纤)中。脉冲持续时间优选为2ns到1us，且更优选50ns到500ns。例如，脉冲持续时间可以是60ns、100ns、125ns、150ns、200ns、250ns或300ns。如图1所示，OTDR 10向布置在一区域或其周围的感测光纤12发射脉冲辐射，在该区域中的光纤可例如由入侵者或由结构劣化所扰动。在图1所示的实施例中，检测系统利用两个光环流器14和16以及两个偏振器18和19。光环流器14和16被配置为使从OTDR 10发射的光的初始脉冲循环至感测光纤12。由于瑞利反向散射，某些光被光纤12反射或散射，并通过光纤12到OTDR 10。在优选的实施例中，这些反向散射脉冲通过不同的路径被转回到OTDR 10。例如，在图1所示的实施例中，在反向散射光到达OTDR内部的检测器之前，反向散射脉冲被引导通过偏振分析器18(可以是简单的偏振器)。(偏振分析器18使检测器具有偏振灵敏度)。在其它实施例中(未示出)，偏振分析器18包括至少波片(例如，半波片或四分之一波片)和偏振器的组合。注意在所示的光环流器14和16中，仅端口2允许光进入和离开。在所有其它端口中的光的传播是单向的。具体而言，允许光从端口1传输到端口2，以及从端口2单向传输到端口3。如果由OTDR发出的光脉冲已经被偏振化(这就是某些商用OTDR所存在的情况)，则如图1中所示的排列允许更多光返回到OTDR 10。当OTDR发出的光已经被偏振化(即，如POTDR的情况下)时，在光环流器14的端口3和光环流器16的端口1之间的偏振器19是不需要的，因此消除了一个损耗源，这有助于获得POTDR的更长的动态范围。

图2示出了根据本发明的能够使用的更简单和更低成本版本的POTDR，因为这个实施例没有使用在图1所示的实施例中使用的光环流器。在图2所示的实施例中，OTDR经由的偏振控制器20来发射脉冲光，偏振控制器20被用于使发射到感测光纤12中的光量最大化。本领域已知多种偏振控制器：偏振控制器的目的是使感测光纤12中的偏振状态对准以入射到偏振器18上。一些简单的偏振控制器包括附接在沿着感测光纤12的长度上以及在感测光纤12外边界上的不同位置上的一个或多个控制杆，以使得控制杆能移动以扭转感测光纤12的一段，使得感测光纤12的状态可以合适地被调节以使穿过偏振器18的光量最大。在脉冲光传播通过偏振控制器20之后，其随后被引导通过偏振器18而后进入感测光纤12。

在图1和2的POTDR系统中使用的偏振器18和19用作两个主要目的。首先，内联偏振器(图1中的)19和(图2中的)18确保进入感测光纤12的光是偏振的，虽然这在没有内联偏振器的情况下也能实现(例如，通过使用已经发出偏振光的OTDR)。更重要的是，内联偏振器18(参见图1和图2)担当从感测光纤12向OTDR 10反向散射回的光的分析，该光提供关于感测光纤12的偏振状态的信息。在没有偏振器处于适当位置以分析来自感测光纤12的反向散射光的情况下，OTDR仅可检测光脉冲的总强度。然而，通过包含偏振器18，还可获得与沿感测光纤12的偏振状态有关的信息。其原因在于，由于几何不对称性和应变，光波导纤维带有双折射。因此，当光已被反射时，在感测光纤12中传播的光脉冲的偏振状态既在前向传播方向又在后向传播方向上连续演变。偏振器18的插入确保了来自沿感测光纤12的长度的不同位置的偏振信息被捕获，偏振器18充当在反向散射光被OTDR检测器截取之前对反向散射光的偏振分析器。图2的偏振器18既担当偏振控制器又担当偏振分析器。

图3示意性地示出使用图2中所示设置而获得的简化POTDR轨迹，其中被表示为以dB单位的对数比例的信号强度I比上沿感测光纤12的距离d(以公里)。相似的结构也可从图1所示装置获得。更具体而言，曲线A示出了反向散射光学信号在时刻T₁的强度I₁。曲线B示出了反向散射光学信号在时刻T₂＝T₁+ΔT的强度I₂，其中光纤在时刻T₂被(例如被入侵者)扰动。曲线C是强度差曲线I₂-I₁。曲线C清楚地示出了曲线A和B最初是相同的，但在沿光纤的距离Do处变得不同，该距离Do处即为扰动点。产生与曲线C相似的曲线不需要滤波，优选不需要取平均。

更具体地，光纤的偏振状态对外部扰动非常敏感。在特定位置处存在扰动的情况下，偏振状态的准周期性调制的局部相位被改变，且随后的POTDR强度轨迹被改变。局部相位的改变能按照多种不同方式被检测出。例如，我们可以计算扰动之前和扰动之后的差轨迹。如图3中所示(曲线C)，本领域技术人员能清楚地看出建模化扰动的位置，因为在扰动位置处或在扰动位置以外的相减会产生非零结果。

在一些实施例中，例如，通过计算一窗口(例如约1km宽度)上的差轨迹的标准差并在计算期间使这样的窗口在光纤的整个长度L上滑动来进一步处理差轨迹，以确定扰动的位置。该分析在本文中被称为“滑动标准差轨迹”。标准差上升至充分大于零的位置是扰动点的位置。优选地，滑动窗口的宽度W在50m与2km之间(即50m≤W≤2km)。例如，宽度W可以是100m≤W≤2km，或100m≤W≤1km。

在理想情况下，当光纤不受任何双折射不均匀性(取向和程度)影响时，偏振状态沿光纤长度周期性地演变。根据本发明的实施例，图3中的轨迹的周期性本质源自感测光纤12的线性双折射。由于使用了偏振分析器(偏振器)，所以OTDR信号携带从感测光纤12反向散射的光脉冲的偏振状态信息。根据本发明的实施例，因为感测光纤12基本上是线性双折射的，所以偏振状态沿感测光纤12周期性地演变。在采用感测光纤12的检测系统5中，偏振循环周期未受干扰，因此得到高信噪比。从峰到峰的间距D是感测光纤的拍长的一半。光纤拍长是两个不同偏振模式累积一个延迟光波长的感测光纤12的长度。光脉冲在标准OTDR配置中通过感测光纤12的同一部分两次。因此，仅需要拍长的一半来累积一个延迟光波长。

根据本发明的实施例的基于POTDR的检测系统的特性可通过使用琼斯矩阵模型(Jones matrix model)来理解。以下方程描述了旋转光纤的性质，且被称为耦合模式方程。以下描述可应用于旋转光纤。注意，当光纤旋转幅值被设定为零时(无旋转光纤)，以下描述也可适用。描述旋转光纤的完全偏振性质的耦合模式方程采取以下形式，

$\left(\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dA}}_x}{\mathrm{dz}}\\ \frac{{\mathrm{dA}}_y}{\mathrm{dz}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}i\frac{\mathrm{\δ\β}}{2}& \mathrm{\α}\left(z\right)\\ -\mathrm{\α}\left(z\right)& -i\frac{\mathrm{\δ\β}}{2}\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{A}_x\\ A_y\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中A_x和A_y是每个局部偏振模式的电场的幅值，δβ是光纤的双折射，其与光纤拍长存在δβ＝2π/L_B的简单关系，其中L_B是无旋转光纤的拍长，且α(z)是光纤旋转分布。

在本发明的一些以下实施例中，感兴趣的光纤旋转分布是正弦旋转分布，

α(z)＝α₀cos(ηz)    (2)

其中α₀是旋转幅度且η是空间调制的角频率，η与旋转周期Λ以η＝2π/Λ的形式相关，z是光纤内相对于诸如光纤的输入端之类的基准点的特定位置。

通过针对初始条件A_x(0)＝1和A_y(0)＝0求解方程(1)可获得旋转光纤的琼斯矩阵。通过使用来自方程(1)的A_x(z)和A_y(z)可进一步构造琼斯矩阵J(z)，

$J\left(z\right)=\left(\begin{array}{cc}{A}_x\left(z\right)& -A_y^{*}\left(z\right)\\ A_y\left(z\right)& A_x^{*}\left(z\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

在POTDR配置中，光向前传播且被散射回，且描述返回行程的琼斯矩阵即为转置矩阵T(z)。因此，与来回行程相关联的琼斯矩阵是M＝J^T·J，其中是J^T是复矩阵J的转置。

此外，可在OTDR光路中插入偏振器以向光纤发射偏振化脉冲，且可将另一偏振器放置在返回路径中以作为偏振分析器。因此，在来回行程之后照射到检测器上的标准化电场为：

其中P(φ₂)是具有偏振角φ₂的偏振器的琼斯矩阵，其形式为

$P\left(\mathrm{\φ}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\cos }^2\left(\mathrm{\φ}\right)& \sin \left(\mathrm{\φ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\φ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)& {\sin }^2\left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right).---\left(5\right)$

我们可通过计算反向散射光的标准化强度来提取诸如空间周期之类的POTDR轨迹的关键特征。反向散射光相对于其峰值的标准化强度I为I(z)＝|E_x，输出|²+|E_y，输出|²。拍长为L_B的线性双折射光纤将呈现POTDR轨迹中的空间周期SP为L_B/2(即SP＝L_B/2)。

对于旋转光纤，我们可以通过使用方程(1)来探索偏振状态的演变以及影响光纤PMD的因素。我们已经确定将POTDR中观测到的空间周期SP与旋转光纤的光纤旋转参数和光纤本征拍长相联系的关键方程。由POTDR观测到的空间周期SP可以以下方程表示，

SP＝(1/2)L_B/|J₀(2α/η)|＝(1/2)L_B′    (6)

其中J₀(z)是零阶贝塞尔函数，而是周期性旋转光纤(例如正弦旋转光纤)的有效拍长。因此，有效拍长L_B′在偏振演变中被定义为等于空间周期SP的两倍。(注意如果旋转幅度(幅值)为0，则L_B′＝L_B)。因此，对于无旋转光纤，有效拍长与拍长相同。方程(6)描述了旋转和本征光纤参数拍长如何影响观测到的空间周期P。

在该模型中，我们将整个感测光纤12视为线性双折射光纤的一段，且无模式耦合。我们已经描述了空间周期与光纤拍长之间的联系，而且描述了对于无旋转光纤，信号在L_B/2的周期下调制，对于旋转光纤，信号在L_B′/2的周期下调制。

然而，多数光纤呈现不同的双折射不均匀性水平以及沿光纤长度出现的模式耦合。因此，具有与双折射不均匀性相关联的变化拍长的光纤可能不会呈现明显的周期性POTDR轨迹。例如，该POTDR轨迹可能是“有噪声的”，因为通过光纤传播的光的周期性偏振演变经常由光纤双折射轴和/或双折射水平的随机改变而扰乱。

在使用常规感测光纤的分布式感测系统中，光纤拍长也可能降低至POTDR分辨率以下，在此情况下沿光纤的强度变化将最终得到平衡且将不可观测。这是因为这样的强度变化将在一个OTDR脉宽内显著减少，从而得到低信噪比。在这种情况下，基于光纤的拍长会无法做出判断或做出错误的判断。这暗示常用光纤可能不足以用于传感器应用，或许多测量结果必须被求平均和/或滤波以提高信噪比。

然而我们发现，在基于POTDR的感测系统中利用具有(i)低双折射、更长拍长(等于或大于10m，且优选等于或大于20m，例如50m到100m)以及(ii)高拍长均匀性的感测光纤12有利地提供更敏感和/或更准确的测量结果。即，使用具有均匀和低双折射的感测光纤12可提供具有足够长周期的POTDR轨迹，以允许更好的灵敏度和/或高分辨率。注意，为了实现足够的空间分辨率，OTDR(或POTDR)有效脉宽EPW应当优选比偏振演变的空间周期SP的有效脉宽EPW短。优选地EPW＜SP，更优选地EPW≤0.8×SP，甚至更优选地0.1SP≤EPW≤0.8SP，其中SP为L_B/2或L_B’/2(对于旋转光纤而言)。优选地，光纤12具有偏振模式色散PMD≤0.05ps/km^1/2，更优选地PMD≤0.03ps/km^1/2，甚至更优选地PMD≤0.01ps/km^1/2，例如PMD≤0.005ps/km^1/2.优选地，光纤12具有由标准差σ表征的光纤长度内的至少100m的任何距离上的拍长均匀性，其中|σ|≤10m。优选地|σ|≤5m，更优选地|σ|≤2m，甚至更优选地|σ|≤1m。例如，|σ|可≤0.5m，或甚至≤0.025m。更优选地，光纤12具有由标准差σ表征的光纤长度内的至少200m的任何距离上的拍长均匀性，其中|σ|≤10m。更优选地，光纤12具有由标准差σ表征的光纤长度上的拍长均匀性，其中|σ|≤10m。优选地|σ|≤5m，更优选地|σ|≤2m，甚至更优选地|σ|≤1m。例如，|σ|可≤0.5m，或甚至≤0.025m。

例如，通过使光纤本征双折射提高至超过不均匀背景双折射，然后例如通过在拉制工艺期间的双向或正弦的光纤旋转降低双折射同时保持双折射水平均匀，可制造具有低双折射、更长拍长(L_B’＞10m且优选地L_B’≥20m)以及高拍长均匀性的感测光纤12。

我们可通过首先制造具有更高双折射的光纤预成型件(即能产生例如在1550nm下具有1.5m与20m之间的均匀拍长L_B的无旋转光纤的预成型件)，然后通过在拉制工艺期间使光纤旋转以降低有效双折射来生产光纤12，以制造出具有低且均匀双折射的感测光纤12，从而有效拍长例如在10m与100m之间。旋转可以是正弦旋转，旋转幅度例如在1-10转/每分钟之间，且旋转周期在0.8m与30m之间。注意L_B′＞L_B，例如L_B′≥1.5L_B。优选地L_B′≥2L_B或L_B′≥3L_B，甚至更优选地L_B′≥5L_B或L_B′≥10L_B。

例如，通过例如将芯坯棒(core cane)的一部分机械加工去除而使芯坯棒中包括有意引入的扭曲，或通过在预成型件制造工艺中引入不对称加热，可制造感测光纤12。

示例

本发明通过以下示例将更清楚。

示例1

我们将纤芯坯棒50的边缘加工去除以在光纤预成型件级引入受控的双折射量。这在图4中示出。在第一步骤中，芯坯棒50的侧部被加工以在棒的两个相对侧切去少量包层(修整深度d)。注意，芯坯棒50包括芯部52和包层54A的薄层。在加工之后，经加工的纤芯坯棒50′被附加的包层材料包覆以制造光纤预成型件50″，且整个预成型件可选地被重新拉制。在预成型件固结期间，预成型件的芯部变为椭圆形。由于芯坯棒表面处的张力，在预成型件处于熔融状态的固结期间，使预成型件的芯部扭曲以引入显著的双折射量。然后从光纤预成型件50″或从重新拉制的光纤预成型件拉制光纤12。例如，根据一些实施例，纤芯长度a与芯宽度b之比为：1＜(a/b)≤1.02且优选地1≤(a/b)≤1.01。修整量与所实现的双折射或拍长相关联。例如，以三个芯坯棒50开始，我们将每个芯坯棒的两侧的边缘加工去除。每个芯坯棒被修整不同量。芯坯棒50具有1％的芯Δ和14.4mm的总直径，其中芯直径为2.0mm。经修整的芯坯棒50′进一步被5700g的二氧化硅微粒(包覆材料)覆盖并固结。从所得的预成型件拉制出与三种不同的光纤12，与以不同方式修整的芯坯棒中的每一个相对应，且在1550nm波长下测量光纤的拍长。图5是光纤双折射(定义为B＝2π/L_B)因变于修整深度d的曲线。发现其趋势(即B与d之间的关系)逼近线性。使用该曲线，通过进行内插或外推，我们能方便地根据修整深度d预测无旋转光纤的拍长L_B。例如，如果修整深度d为0.41mm，则示例性的无旋转光纤的拍长为2m，且示例性的正弦旋转光纤12将具有均匀且低的PMD(低于0.05ps/km)。因此，给定所需的本征双折射水平，我们能得出将提供该双折射水平的修整量。

示例2

光纤双折射也能通过另一方法引入，该方法在下文参照图6a和6b进行讨论。更具体地，图6a示出一个示例性感测光纤12的横截面。该感测光纤12具有位于纤芯12A两侧的在包层12B中的两个空气孔13A。在图7中，我们示出了在一个示例性光纤12中的无旋转光纤拍长在1550nm下随着距离D_空气(即纤芯中心与空气孔中心的中心之间的距离)如何成比例变化。该示例性光纤具有Δ_芯为0.34％的芯Δ，4.2μm的芯半径R_芯，以及6μm的空气孔半径R_空气孔。然而，其它示例性光纤可能具有不同的Δ值，或不同的芯半径，或不同的空气孔半径。然而，可作出与图7的曲线相似的曲线，以确定拍长与纤芯中心和空气孔中心之间的距离之间的关系。

图7示出当拍长的轴以指数成比例变化时，拍长与距离D_空气之间的关系几乎是线性的。这使得容易预测指定拍长所需的D_空气。通过正确选择纤芯到空气孔中心的距离，可实现例如1.5m与20m之间的光纤拍长。例如，对于1550nm下3m的目标拍长，D_空气应当约为17.2μm。因此，优选地，根据本发明的一些实施例，感测光纤12包括至少一个空气孔，其中空气孔半径范围/半径在5m与12m之间，且纤芯与空气孔之间的中心到中心间距在12μm与40μm之间。具有预设双折射的预成型件可在被提供有双向或正弦旋转时被进一步拉制，以使均匀和低双折射光纤适用于偏振敏感的分布式感测。适当的双折射量也可由单个空气孔引入光纤，如图6b中所示。

还应注意，为了分布式感测中的强健性能，更长的拍长不总是更好的。我们依赖于POTDR所观测到的强度轨迹的准周期性演变来实现入侵感测。优选地，光纤12的有效拍长L_B′在10m与200m之间，更优选地在20m与100m之间，甚至更优选地在20m与60m之间。

在安装期间，感测光纤12可能局部弯曲至绷紧直径，因此优选地感测光纤12对弯曲不敏感。因此，任选地，感测光纤12可被设计成具有低弯曲损耗。该低弯曲损耗例如由具有低折射率沟槽12C的光纤来实现。该低折射率沟槽可例如由氟掺杂玻璃形成，或可替代地包括具有多个随机空气孔的环。此类光纤的示例性折射率分布在图8中示出。利用具有低弯曲损耗的光纤12的一个优点是，此类光纤12能防止在对由偏振信号引入的强度信号变化的确定期间的光纤弯曲损耗的干扰。此外，低弯曲损耗使感测光纤12适用于布置在苛刻的环境下，这样能拓宽检测系统5的适用性。

因此，根据本发明的一个实施例，检测系统5包括光纤12(在本文中也称为感测光纤)，该光纤12的特征在于：(a)长度L≥1km；(b)拍长L_B’在10m与100m之间；以及(c)由标准差σ表示的在光纤长度上的拍长均匀性，其中|σ|≤10m。优选地拍长L_B’小于80m，更优选地小于60m，最优选地在20m与50m之间。优选地|σ|≤5m，更优选地|σ|≤2m，甚至更优选地|σ|≤1m，以及最优选地|σ|≤0.5m。相比于使用标准光纤的OTDR检测系统所提供的灵敏度和信噪比，在检测系统5中使用改进的感测光纤12的一个优点是改善的检测灵敏度和更好的信噪比。光纤长度L可等于或大于2km，或等于或大于5km，或甚至等于或大于10km。

我们可通过首先制造具有更高双折射的光纤预成型件(例如，能产生具有在1550nm下测得的在1.5m与20m之间的均匀拍长的无旋转光纤的预成型件)，然后通过在拉制工艺期间使光纤旋转以降低有效双折射来生产光纤12，以制造出具有低且均匀双折射的感测光纤12，从而有效拍长例如在10m与200m之间。该旋转可以是正弦旋转，其旋转幅度例如在约1与10转/分钟之间(例如1、1.5、2、3、4、5、8、9或10转/分钟)，且旋转周期在约0.8m与50m之间(例如0.8、0.9、1、2、5、10、15、20、25、30或40m)。

示例3

本示例性实施例示出如何通过利用自动校正来检测扰动的位置。本实施例的感测光纤是缠绕在具有略大于10cm直径的实体上的单模光纤。该感测光纤具有大于OTDR脉宽的拍长，因此能观测到由POTDR轨迹中的强度波动所呈现的光纤的偏振演变。

首先，获得扰动之前和之后的POTDR轨迹。这样的示例性轨迹在图9和10中示出(分别是扰动之前和扰动之后)。这些附图中示出的轨迹看起来彼此相似。详细差别在未在这些附图中清楚示出的精细细节中。因此，为了确定扰动的精确位置，我们执行以下步骤。如图9和10所示，偏振相关信息一般被嵌入描述光纤衰减的背景中。注意，POTDR轨迹的中心线具有负斜率。由于偏振敏感信息携带与局部扰动有关的信息，所以在第一步骤中，我们从POTDR轨迹减去负斜率线，因此我们现在仅获得与局部信息有关的信息，我们称之为经处理的POTDR轨迹，且其在图11(扰动之前)和12(扰动之后)中示出。对于扰动之前和之后的轨迹，原始OTDR轨迹可分别被标记为Pb(z)和Pa(z)。去除线性斜率所得到的经处理的POTDR轨迹由方程S_i(z)＝P_i(z)-(c_i+d_iz)描述，其中i＝b或a，分别表示“之前”和“之后”或的轨迹，且c_i和d_i是唯一确定从P_i(z)获得的直线的两个参数，这两个参数由导致整体轨迹更好拟合的线性回归所确定。

通过构建两个经处理的POTDR轨迹的自动校正函数，可获得扰动的位置。我们根据以下等式计算自动校正，

$\mathrm{\τ}\left(z\right)=\frac{1}{w}\underset{z-0.5w}{\overset{z+0.5w}{\∫}}{S}_b\left(z^{\′}\right)S_a\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}$

其中w是用于计算自动校正的窗口的宽度。窗口宽度w的选择不是关键性的。例如，宽度w可以在50m与1000m之间。以200m的窗口宽度为例，如下文图13所示的，我们计算自动校正函数。自动校正曲线经过零水平的位置是扰动的位置。在该情况下，扰动的位置位于3.5km处，这与我们设定引发扰动的位置一致。

示例4

在本示例中，我们示出了根据本发明的一个实施例所制造的光纤的结果。首先将24.9mm直径的芯坯棒的每一侧修整d＝0.8mm的量。用附加的包覆材料覆盖经修整的芯坯棒50′以制造光纤预成型件50″。首先拉制无旋转光纤以测量无旋转效应的光纤拍长。所得的无旋转光纤在约1550nm波长下具有3m的拍长。因为无旋转光纤双折射(如由拍长所呈现)主要由对芯坯棒的修整(加工区掉芯坯棒的部分)所引起，所以无旋转光纤的整体双折射相对大且非常均匀。

接着，通过使光纤在拉制期间双向旋转，从光纤预成型件50″拉制旋转光纤。首先将旋转光纤缠绕在30cm直径的线轴上，且无张力。在此条件下，由于弯曲和张力引起的双折射非常小。例如，由将旋转光纤缠绕在线轴上引起的双折射通过至少300m或更长的拍长来表征。因此，感测光纤12的状况与现场布置的光纤状况或平直状况基本相同。

然后扰动沿光纤长度中部的某个短部分，从而我们可研究扰动的效果。获得扰动之前和之后的POTDR轨迹。这样的示例性轨迹在图14和15中示出。更具体地，图14示出在扰动之前获得的POTDR轨迹。将该轨迹的一段放大显示以更好地示出由于沿光纤的偏振演变引起的准周期性变化。图15示出在扰动之后获得的POTDR轨迹。

如图14中的放大部分所呈现，旋转光纤的有效拍长约为60m，这比由同一预成型件制成的无旋转光纤中的3m拍长要长许多，而且是我们所期望的(即双折射均匀且低)。这些附图中示出的POTDR轨迹看起来彼此相似。详细差别在未在这些附图中清楚示出的精细细节中。因此，为了确定扰动的精确位置，我们执行与示例3中执行的步骤相似的附加步骤。在去除线性斜率之后获得经处理的POTDR轨迹。以200m的窗口宽度为例，我们计算如图16所示的自动校正函数。自动校正曲线经过零水平的位置是扰动的位置(点A)。在这种情况下，扰动的位置位于2.32km的距离处(相对于OTDR装置的输出端口)。

因此，根据本发明的一些实施例，一种检测系统包括：

(i)光纤，该光纤(传感器光纤)具有(a)长度L≥1km、(b)拍长L_B在10m与100m之间以及(c)由标准差σ表征的在光纤的长度内的任何至少100m距离上的拍长均匀性，其中|σ|≤10m；

(ii)与所述光纤耦合的OTDR系统，且包括(a)向光纤提供脉冲式辐射的辐射源和(b)检测由光纤反向散射的辐射的检测器；以及

(iii)位于光纤与检测器之间的至少一个偏振器，以使反向散射的辐射在到达检测器之前通过偏振器。

优选地，光纤长度内的至少200m的任何距离上的拍长均匀性是由标准差σ所表征的，其中|σ|≤10m且更优选地|σ|≤5m。更优选地，由标准差σ表征在光纤整个长度上的拍长均匀性，其中|σ|≤10m，且更优选地|σ|≤5m。

对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因而，本发明旨在涵盖本发明的所有这些修改和变化，只要它们落在所附权利要求书及其等价技术方案的范围中即可。

Claims (19)

1.一种检测系统，包括：

(i)光纤，所述光纤具有(a)长度L≥1km、(b)有效拍长在10m与200m之间以及(c)由标准差σ表征的在所述长度L内至少100m的任何距离上的拍长均匀性，其中|σ|≤10m；

(ii)OTDR，与所述光纤耦合，且包括(a)向所述光纤提供脉冲式辐射的辐射源和(b)能检测由所述光纤反向散射回的辐射的检测系统；

(iii)位于所述光纤与所述检测器之间的至少一个偏振器，以使反向散射的辐射在到达所述检测器之前通过所述偏振器。

2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，|σ|≤5m。

3.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，在光纤长度L内至少200m的任何距离上的拍长均匀性由标准差σ所表征，其中|σ|≤10m。

4.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，L≥5km。

5.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，光纤拍长在20m与100m之间。

6.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，所述光纤具有偏振模式色散PMD≤0.05ps/km^1/2。

7.如权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述光纤具有偏振模式色散PMD≤0.02ps/km^1/2。

8.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，所述光纤具有至少一个空气孔，且所述纤芯与所述至少一个空气孔之间的中心到中心间距在12μm与40μm之间。

9.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，所述光纤的旋转幅度在1与10转/分钟之间，且旋转周期在0.8m与30m之间。

10.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光纤具有：(a)长度L≥2km、(b)有效拍长在20m与150m之间以及(c)由标准差σ表征的在所述长度L内至少100m的任何距离上的拍长均匀性，其中|σ|≤其中|σ|≤5m；以及偏振模式色散PMD≤0.03ps/km^1/2。

11.如权利要求10所述的检测系统，其特征在于，所述光纤的偏振模式色散PMD≤0.01ps/km^1/2，拍长在30m与100m之间，且具有由标准差σ表征的在光纤长度上的拍长均匀性，其中|σ|≤2m。

12.如权利要求1-9和10-11所述的检测系统，其特征在于，所述光纤是旋转周期为5m和50m的旋转光纤。

13.如权利要求12所述的检测系统，其特征在于，所述光纤是具有正弦旋转循环的旋转光纤。

14.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统进一步包括第二偏振器。

15.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，来自所述辐射源的所述脉冲辐射和所述反向散射辐射通过所述偏振器。

16.一种用于检测沿光纤长度的干扰的方法，包括以下步骤：

(i)向一段长度的光纤发射脉冲辐射，所述光纤具有(a)长度L≥1km、(b)有效拍长在10m与100m之间以及(c)由标准差σ表征的标准差σ表征的在所述长度L内至少100m的任何距离上的拍长均匀性，其中|σ|≤10m；

(ii)利用偏振敏感装置测量通过所述光纤反向散射回的辐射；

(iii)分析所述测得辐射的强度变化以产生与所测得的辐射在沿所述光纤长度的特定位置处的实时变化有关的信息。

17.如权利要求16所述的用于检测沿光纤长度的干扰的方法，其特征在于，所述方法还包括获得在光纤扰动之前和之后反向散射光的强度，并分析它们之间的差的步骤。

18.如权利要求17所述的用于检测沿光纤长度的干扰的方法，其特征在于，所述方法包括确定光纤扰动的位置的步骤。

19.如权利要求18所述的用于检测沿光纤长度的干扰的方法，其特征在于，所述方法利用：(i)滑动标准差轨迹；或(ii)自动校正函数；以及其中所述轨迹或自动校正函数利用窗口宽度W，其中50m≤W≤2000m。

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