CN103438927A - 一种多芯光纤的分布式传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤传感、测量领域中的多芯光纤的分布式传感方法，多芯光纤具有2条以上的n条纤芯，将n条纤芯的两端口作为输入端口或输出端口，构成一个有n个输入和n个输出的n条并行通道，所述n条并行通道单向或双向传感n组数据；每个芯作为独立的传感通道，与多次测量的效果相似，实现了多重传感，在完成长距离分布传感的同时又实现了多维的传感，提高了测量的准确度和精度。

Description

一种多芯光纤的分布式传感方法

技术领域

本发明涉及光纤传感、测量领域，具体是用于光纤传感器的光纤传感方法，采用光纤空分复用技术，对温度、应变、压力等环境参量实现分布式传感。　

背景技术

多芯光纤是单个包层内具有多个单芯的光纤，多芯光纤的空分复用是在一根光纤中将光束沿空间分割成多路传感通道，通过空分复用，在光纤链路上的每一点都作为传感元件，传感长度可达几十公里，可以连续测量沿光纤长度分布的环境参量，实现分布式光纤传感。

传统的分布式光纤传感技术主要包括：基于偏振的分布式传感技术（POTDR）、基于拉曼散射的分布式传感技术（ROTDR）和基于布里渊散射的分布式传感技术（BOTDR/A）等，包括：偏振光时域反射计（Polarization Optical Time Domain Reflectometry）、拉曼光时域反射计（Raman Optical Time Domain Reflectometry）以及布里渊光时域反射计/分析仪（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry / Analysis）等。其中，POTDR技术是通过检测光纤中偏振态的变化来达到分布式传感的目的。当光纤所处的外界环境发生变化，会对光纤的局部折射率分布形成调制，导致瑞利散射光的偏振态发生变化，通过检测偏振态的变化及光信号的延迟就可以实现对外界环境的传感。ROTDR是基于光纤中的非弹性碰撞拉曼散射效应实现的分布式传感，拉曼散射会发生频率漂移，其中相对于入射光发生频率上移的反斯托克斯拉曼散射光会随温度变化而发生显著的变化，但是发生频率下移的斯托克斯光则受温度变化影响甚微，所以只要探测出它们的光强，利用公式即可实现对温度的监测。BOTDR/A是基于光纤中的非弹性碰撞布里渊散射效应实现的分布式传感，常用的技术包括基于自发布里渊散射的BOTDR技术和基于受激布里渊散射的BOTDA技术，光纤中的布里渊散射光相对于泵浦光有一个频移，称为布里渊频移，当光纤所处环境的温度变化或受到应力作用时，会引起布里渊频移量及布里渊散射光能量的变化，所以通过测量布里渊散射光的频移和强度变化就可以得到传感光纤感受到的温度和应变。

 以上几种传统的分布式传感技术都是通过处理背向散射光得到传感信息的，存在以下不足：

1、在长距离传感中，背向散射光衰减会变得非常严重，甚至淹没在噪声中，大大的限制了传感距离，并且容易产生误差，导致精度下降，系统可靠性降低。为了提高系统的信噪比，可以增加脉冲宽度，以此提高入纤功率，但是增加脉冲宽度会导致空间分辨率的降低。另外为了降低由于信噪比劣化导致的误判事件的发生，常常采取的措施是多次测量，剔出误差，提高准确性，但这是以牺牲时间为代价的，并且有些物理量是稍纵即逝的，这也是很大的一个诟病。

2、都是在单芯光纤中实现的，利用具有单个芯的光纤，对某个事件在同一时间内都只能得到一组传感数据，在长距离传感中，受到噪声的影响，由于单次传感信息量不足，可能会引起误判，多次测量则可能由于中途延误导致错失对环境参数变化的捕捉，精度低，可靠性差。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述传统分布式光纤传感技术存在的问题而提供一种基于多芯光纤空分复用的分布式传感方法，在对待测量环境参量实现长距离分布式传感的同时还实现多重传感及多维传感，使得多芯光纤对环境的传感更立体化、更精确化，使采用本发明提出的分布式传感方法所构建的分布式传感器更加可靠和智能化。

本发明采用的技术方案是：所述多芯光纤具有2条以上的n条纤芯，将n条纤芯的两端口作为输入端口或输出端口，构成一个有n个输入和n个输出的n条并行通道，所述n条并行通道单向或双向传感n组数据。

所述将n条纤芯的两端口作为输入端口或输出端口是：多芯光纤一端全部的纤芯端口作为输入口，另一端的同条芯的纤芯端口作为对应的输出口，每条芯独立地单向传感一组数据。

所述将n条纤芯的两端口作为输入端口或输出端口是：多芯光纤一端的部分纤芯端口作为输入口，多芯光纤另一端的同条芯的纤芯端口作为对应的输出口；多芯光纤另一端的其余纤芯端口分别作为输入口，多芯光纤一端的其余的同条芯的纤芯端口作为输出口，每条芯独立地传感一组数据，双向传感n组数据。

本发明采用上述技术方案后，与已有技术对比，具有以下优点：

1、采用本发明所述基于多芯光纤空分复用的分布式传感方法，从宏观角度来说每个芯处在相同的环境下，每个芯作为独立的传感通道，与多次测量的效果相似，实现了多重传感，提高了准确度。从微观角度来说，每个芯作为一个独立的通道时，它们的空间位置又是不一样的，它们对环境的感知程度也是不一样的，方便判断外界物理量变化的空间分布信息，所以拓宽了传感维度，完成了长距离分布传感的同时又实现了多维的传感。

2、采用本发明所述基于多芯光纤空分复用的分布式传感方法，多组通道可以得到多组传感数据，提高了测量的准确度和精度。同时每个芯对于周围环境变化的响应有可能是不一样的，综合分析各组通道的传感信息，可以做到对局部区域的多维感知，方便分析物理变化量的空间分布信息，更加智能化。

3、由本发明所述基于多芯光纤空分复用的分布式传感方法构建成的分布式传感器，可以根据需要，合理地选择POTDR、ROTDR或BOTDR/A等传统的分布式光纤传感技术，根据需要，优化设计，搭建传感系统。合理地设置激光光源，对入射光进行调制，利用光谱仪或光电探测器或光偏振分析仪测出传感信息，计算得出温度、应力等传感信息，综合分析得到的传感信息，进行多重判断，踢出误报事件，对所得传感信息进行多维复现，实现对环境的多维感知。 

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明所采用的多芯光纤的结构示意图；

图2是实施例1中多芯光纤的分布式传感原理图；

图3是实施例2中多芯光纤的分布式传感原理图；

图4是采用本发明所述多芯光纤的分布式传感方法构建成的一种分布式传感器的结构示意图。 

 图中：1.多芯光纤；2.激光光源；3.环形器；4.光谱仪或光电探测器或光偏振分析仪；11、12、13、14、15、16、17、21、22、23、24、25、26、27.纤芯端口。

具体实施方式

参见图1所示的多芯光纤1，多芯光纤1是实现传感的载体，可以是单个包层内容纳有2条以上纤芯的光纤，如双芯光纤、三芯光纤、四芯光纤等光纤。为了更加清晰和完整地描述本发明的特点，图1仅采用中心对称分布的七条单芯的七芯光纤为例。七芯光纤的一端具有７个纤芯端口，分别是纤芯端口11、12、13、14、15、16、17，相应地，该七条单芯的多芯光纤1的另一端具有与一端的７个纤芯端口11、12、13、14、15、16、17分别一一对应的７个纤芯端口21、22、23、24、25、26、27。

假设多芯光纤1单个包层内容纳有大于2的n条纤芯，本发明可将n条纤芯的两端口作为输入端口或输出端口，构成一个有n个输入和n个输出口的n条并行通道，所述n条并行通道单向或双向传感n组数据。

多芯光纤1两端的任意个纤芯端口都可以作为输入端口，任意个纤芯端口也都可以作为输出端口。

任意个纤芯端口可以是一个、部分或全部的纤芯端口。当多芯光纤1一端全部的纤芯端口作为输入口时，每个纤芯端口分别作为输入口，多芯光纤1另一端的同条单芯的纤芯端口分别作为对应的输出口，每条单芯独立地传感一组数据，构成一个有多输入口和多输出口的多通路，有几条单芯就可以传感几组数据，可以传感的数据组数与输入口、输出口以及芯的条数相同。

当将多芯光纤1一端的部分纤芯端口作为输入口时，一端的部分纤芯端口分别作为输入口，而多芯光纤1另一端的同条单芯的纤芯端口分别作为对应的输出口，多芯光纤1另一端的其余纤芯端口则分别作为输入口，多芯光纤1一端的其余的同条单芯的纤芯端口分别作为输出口，双向传感，每条单芯独立地传感一组数据。

以下以七芯光纤为例提供本发明的2个实施例，其余多芯光纤的实施与七芯光纤的实施例相同。

实施例1

如图2所示，将多芯光纤1一端的所有纤芯都作为独立的通道，所有芯同时注入信号，同步传感。例如将七芯光纤一端纤芯端口11、12、13、14、15、16、17作为输入口，另一端纤芯端口11、12、13、14、15、16、17是与一端纤芯端口一一对应的输出口，每条纤芯可独立地得到一组传感数据。

实施例2

如图3所示，分别选择多芯光纤1两端的部分纤芯端口作为输入口，其余同条单芯的纤芯端口作为输出口，双向且每一路独立传感。例如选择将七芯光纤一端纤芯端口11、13、14、16作为输入口，则输出口分别为另一端纤芯端口21、23、24、26，另一端选择纤芯端口22、25、27作为输入口，则对应的输出口分别为一端的纤芯端口12、15、17，即各路通道传感路径为纤芯端口11→21；纤芯端口13→23；纤芯端口14→24；纤芯端口16→26；纤芯端口22→12；纤芯端口25→15；纤芯端口27→17，每个纤芯独立传输探测信号，实现了基于空间复用的双向传感。

以下提供本发明的应用例：

如图4所示，用图1所示的多芯光纤1与激光光源2等其它器件一起组成一种分布式传感器，该分布式传感器还可以包括环形器3和光谱仪或光电探测器或光偏振分析仪4等。该分布式传感器可以采用POTDR、ROTDR、BOTDR/A等不同的技术。由激光光源2发出的光经环形器3耦合到多芯光纤1中，然后，根据采用本发明所述的多芯光纤1的空分复用的分布式传感方法，从多芯光纤1得到的传感信号（散射光或者是探测光）经环形器3进入光电探测器或光偏振分析仪4中，其中的光谱仪可以测量频移，光电探测器可以测量光功率变化，光偏振分析仪可以测量光的偏振态，根据所采用的技术选择其中一种或多种仪器进行探测，由此可以获得测量数据。 

Claims (4)

1.一种多芯光纤的分布式传感方法，所述多芯光纤具有2条以上的n条纤芯，其特征是：将n条纤芯的两端口作为输入端口或输出端口，构成一个有n个输入和n个输出的n条并行通道，所述n条并行通道单向或双向传感n组数据。

2.根据权利要求1所述的一种多芯光纤的分布式传感方法，其特征是：所述将n条纤芯的两端口作为输入端口或输出端口是：多芯光纤一端全部的纤芯端口作为输入口，另一端的同条芯的纤芯端口作为对应的输出口，每条芯独立地单向传感一组数据。

3.根据权利要求1所述的一种多芯光纤的分布式传感方法，其特征是：所述将n条纤芯的两端口作为输入端口或输出端口是：多芯光纤一端的部分纤芯端口作为输入口，多芯光纤另一端的同条芯的纤芯端口作为对应的输出口；多芯光纤另一端的其余纤芯端口分别作为输入口，多芯光纤一端的其余的同条芯的纤芯端口作为输出口，每条芯独立地传感一组数据，双向传感n组数据。

4.根据权利要求2或3所述的一种多芯光纤的分布式传感方法，其特征是：n条纤芯同时注入信号，同步传感。

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