CN106706110B - 一种用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，包括石英支撑体、空气腔、包层和纤芯等组成部分，石英支撑体与包层相连，纤芯位于包层内部，空气腔在石英支撑体内部呈对称分布。该类型光纤解决径向灵敏度低的问题，可直接用于光缆生产线，实现分布式光纤声传感用光缆的大规模生产，降低成本。

Description

一种用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤
技术领域
本发明涉及特种光纤领域，特别是用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤。
背景技术
分布式光纤传感技术是光纤传感的一个重要分支，利用光波在光纤中传输时相位、偏振、幅度、波长等对外界敏感的特性，可以连续实时地监测光纤附近的温度、应变、振动和声音等物理量，具有很好的应用前景，在光纤传感市场占据主要地位。
根据传感原理，分布式光纤传感技术主要可分为基于干涉原理和基于后向散射探测技术两类。前者利用M-Z型、Sagnac型以及复合型结构通过定位算法和解调算法得到相关位置信息和外界物理信息。后者利用背向散射光的偏振、光强、频移和相位等变化来测量外界物理量。常用类型包括相位敏感光时域反射型(Φ-OTDR)，偏振光时域反射型(P-OTDR)、布里渊光时域反射型(B-OTDR)、拉曼光时域反射型(R-OTDR)等。其中，Φ-OTDR适合长距离高空间分辨率的分布式振动或声传感，在周界安全、地震勘探、管道监测等方面有着显著优势。
分布式光纤声传感(distributed acoustic sensing，DAS)采用Φ-OTDR技术，通过检测传感光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感。基本工作原理如下：当外界振动或声音作用于传感光纤某一位置时，该位置处的光纤将会感受到外界应力或应变的作用，引起导致背向散射光在传输时的相位发生变化，因此可以通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量。分布式光纤声传感系统存在多种方案，比如基于相位生成载波技术的分布式光纤传感系统，采用相位生成载波相位解调算法实现分布式振动或声信号的测量，解决了大动态范围信号的检测，克服了初始相位漂移对信号幅度的影响。
目前分布式光纤声传感系统采用的传感光纤普遍为通信单模光纤，该传感光纤具有轴向灵敏度高，径向灵敏度低的特点。在一些特定应用场合，比如垂直地震测井，要求轴向和径向都具有较好的灵敏度，从而实现纵波和横波的探测。因此，英国silixa公司F.Mahmoud等人提出将单模光纤进行螺旋缠绕形成光缆，当地震波无论沿光缆径向和横向传播时，在光缆内部的传感光纤都存在径向分量，因此对于传感光缆而言实现了轴向和径向敏感的要求。美国壳牌B.N.Kuvshinov等人提出将单模光纤成sin函数粘贴在弹性体表面形成光缆。上述两种方法都需要将单模光纤在空间上按照特定形状的缠绕形成传感光缆，由于无法与传统光缆生产线兼容，制作成本高且难以实现大规模生产。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，解决普通单模光纤径向灵敏度低的问题，可直接将该径向敏感光纤用于光缆生产线，实现分布式光纤声传感用光缆的大规模生产，降低成本。
(二)技术方案
一种用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，包括：支撑体、包层和纤芯；
所述包层位于所述支撑体内部，且与支撑体相连，所述支撑体与包层之间区域形成空气腔，所述纤芯位于所述包层内部；
径向应力引起的支撑体有效形变传递给包层和纤芯，进而实现径向增敏。
上述方案中，所述径向敏感光纤采用单纤芯结构，包含一组包层和纤芯，该组包层和纤芯位于所述支撑体的中心位置。
上述方案中，所述支撑体包括环形支撑体和支撑臂，所述包层通过支撑臂与所述环形支撑体连接。
上述方案中，所述光纤采用多纤芯结构，包含多组包层和纤芯，多组包层和纤芯以支撑体的中心为圆心呈圆周阵列分布。
上述方案中，所述支撑体包括环形支撑体、中心支撑体和支撑臂，所述中心支撑体位于所述环形支撑体内部，所述多组包层通过支撑臂与环形支撑体和中心支撑体连接。
上述方案中，所述环形支撑体与中心支撑体的中心重合。
上述方案中，包层和纤芯的折射率分布和尺寸与单模光纤相同。
上述方案中，所述支撑体为石英支撑体。
上述方案中，所述空气腔填充油膏，用于防止空气腔产生塌陷。
上述方案中，所述空气腔在支撑体内部呈对称分布。
(三)有益效果
本发明的优点在于，(1)由于空气腔的存在，当径向应力作用在该类型光纤时，将会引起石英支撑体的有效形变并传递给包层和纤芯，进而实现径向增敏；(2)包层和纤芯的折射率分布和尺寸同单模光纤一致，保证了与单模光纤的兼容性；(3)采用该类型光纤制成光缆过程中，无需特殊空间排布，与现有光缆生产线兼容，可大规模生产。
附图说明
图1为本发明实施例1的径向敏感光纤的横截面结构示意图；
图2为本发明实施例2的径向敏感光纤的横截面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
在图1所示的本发明的示意图中，一种用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤主要包括：石英支撑体11，包层13和纤芯14。本发明实施例提供的径向敏感光纤包括包层13和纤芯14，以及石英支撑体11。
石英支撑体11由环形支撑体111和一组支撑臂112组成，环形支撑体111为中空圆柱体，一组支撑臂包括两个支撑臂，支撑臂沿环形支撑体111的轴线延伸并对称设置于环形支撑体111的中空腔体内，二者的横截面轮廓沿环形支撑体111的同一条径线分布，支撑臂一端与包层13相连，另一端与环形支撑体连接，包层13位于石英支撑体11中心，两个支撑臂与包层13一起将环形支撑体111的中空腔体均分为两个呈轴对称分布的空气腔12，纤芯14位于包层13中心。石英支撑体直径500微米～1毫米之间，环形支撑体壁厚100微米～200微米之间，包层直径为125微米，纤芯直径为10微米。由于目前分布式光纤声传感系统采用的传感光纤普遍为通信单模光纤，为了与传统光缆生产线兼容，本发明实施例提供的光纤的包层和纤芯折射率分布同单模光纤一致，纤芯为光信号的传输通道。空气腔12内部可填充油膏，在高压环境中保证静压平衡，从而防止空气腔在高压环境下产生塌陷，比如在数千米深油井等高压环境中使用。该类型光纤结构与光子晶体光纤具有一定相似性，但两者有着明显区别，光子晶体光纤具有周期性微结构，利用折射率引导或者带隙引导实现无截至单模、色散可调、非线性等特性，本发明实施例提供的光纤仍保留普通光纤的特征，空气腔的引入是为了提高径向应变灵敏度。由于该光纤的内部为非实心结构，当径向应力作用时，产生的形变量远大于实心结构，进而带动包层和纤芯产生较大的应变，实现径向增敏。本发明实施例提供的光纤采用单纤芯结构，径向灵敏度随方位角变化，无法实现应力方位角的识别。
实施例2
在图2所示的本发明实施例提供的示意图中，一种用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤主要包括：石英支撑体21，包层23和纤芯24。石英支撑体21由环形支撑体211、中心支撑体212和4组支撑臂213组成，环形支撑体211为中空圆柱体，中心支撑体为与环形支撑体同心的圆柱体，一组支撑臂包括两个支撑臂，支撑臂沿环形支撑体211的轴线延伸，二者的横截面轮廓沿环形支撑体211的同一条径线分布，4组支撑臂213两两对称分布，呈十字形排列，4组包层和纤芯位于环形支撑体和中心支撑体之间，并且以石英支撑体21的中心为圆心呈圆周阵列分布，1组支撑臂的一个支撑臂一端与包层3相连，另一端与环形支撑体连接，另一支撑臂一端与包层3相连，另一端与中心支撑体连接，四组支撑臂与包层与中心支撑体一起将环形支撑体的中空腔体均分为四个呈对称分布的空气腔22，纤芯24位于包层23中心。
包层直径为125微米，纤芯直径为10微米，包层和纤芯折射率分布同单模光纤一致，纤芯为光信号的传输通道。石英支撑体直径500微米～1毫米之间，壁厚100微米～200微米之间。空气腔内部可填充油膏，防止在高压环境下产生塌陷，比如在数千米深油井中使用。该类型光纤结构与光子晶体光纤具有一定相似性，但两者有着明显区别，光子晶体光纤具有周期性微结构，利用折射率引导或者带隙引导实现无截至单模、色散可调、非线性等特性，本发明实施例提供的光纤仍保留普通光纤的特征，空气腔的引入是为了提高径向应变灵敏度。由于该类型光纤的内部为非实心结构，当径向应力作用时，产生的形变量远大于实心结构，进而带动包层和纤芯产生较大的应变，实现径向增敏。本发明实施例提供的光纤采用4芯结构，4个纤芯对不同方位角的径向应力具有不同灵敏度，根据应力大小关系，可以实现方位角的定位，此外可通过算法对4个纤芯的应力进行加权叠加，进一步提升光纤的径向灵敏度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，其特征在于，包括：支撑体、包层和纤芯；
所述包层位于所述支撑体内部，且与支撑体相连，所述支撑体与包层之间区域形成空气腔，所述纤芯位于所述包层内部；
径向应力引起的支撑体有效形变传递给包层和纤芯，进而实现径向增敏；
包层和纤芯的折射率分布和尺寸与单模光纤相同。
2.根据权利要求1所述的用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，其特征在于，所述径向敏感光纤采用单纤芯结构，包含一组包层和纤芯，该组包层和纤芯位于所述支撑体的中心位置。
3.根据权利要求2所述的用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，其特征在于，所述支撑体包括环形支撑体和支撑臂，所述包层通过支撑臂与所述环形支撑体连接。
4.根据权利要求1所述的用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，其特征在于，所述光纤采用多纤芯结构，包含多组包层和纤芯，多组包层和纤芯以支撑体的中心为圆心呈圆周阵列分布。
5.根据权利要求4所述的用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，其特征在于，所述支撑体包括环形支撑体、中心支撑体和支撑臂，所述中心支撑体位于所述环形支撑体内部，所述多组包层通过支撑臂与环形支撑体和中心支撑体连接。
6.根据权利要求5所述的用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，其特征在于，所述环形支撑体与中心支撑体的中心重合。
7.根据权利要求1所述的用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，其特征在于，所述支撑体为石英支撑体。
8.根据权利要求1-7任一项所述的用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，其特征在于，所述空气腔填充油膏，用于防止空气腔产生塌陷。
9.根据权利要求1-7任一项所述的用于分布式光纤声传感的径向敏感光纤，其特征在于，所述空气腔在支撑体内部呈对称分布。
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