CN108292009A - 采用多纤芯光纤的分布式光纤传感器和系统 - Google Patents

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Abstract

一种光纤传感器，其包括：光纤，所述光纤构造成用于在约为300‑2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和约为10m至约100km的光纤长度。光纤包括：多个纤芯，所述多个纤芯具有等价纤芯直径和组成；以及包层，所述包层被光纤外直径所限定并且围绕纤芯。光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径。此外，在光纤的传输端将来自单源的光注入纤芯之后，光纤的传输端展现出从纤芯发射出的总后向散射信号。

Description

采用多纤芯光纤的分布式光纤传感器和系统
本申请根据35U.S.C.§119，要求2015年11月19日提交的美国临时申请系列第62/257,375号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本公开一般地涉及分布式光纤传感器和光纤传感器系统。更具体地，本公开涉及采用多纤芯光纤的这类传感器和传感器系统，其依赖瑞利散射机制进行感测。
技术背景
将依赖瑞利散射的分布式光纤传感器和系统用于许多应用，包括但不限于，结构健康监测(SHM)、岩土工程、电力线、石油和天然气管道、以及石油和天然气焊接。具体来说，这些传感器和系统可以采用瑞利散射机制来测量温度、压力、应变、声波和其他参数，空间分辨率小于1m。
依赖瑞利散射的常规方法通常在分布式光纤传感器和系统中采用电讯等级光纤，以获得这些测量(例如，温度、压力、应变等)。依赖此类光纤的分布式光纤传感器和系统存在许多缺点。例如，发射信号的光学功率会受到光纤中的低阈值和非线性效应的限制。作为结果，散射的信号通常是低的，特别是在远离传输端的光纤远端而言。作为另一个例子，这些光纤中的衰减还会限制光纤远端的散射信号强度，特别是对于跨越了数十千米的光纤而言。此外，构造用于单模运行的电讯等级光纤中的光学功率通常是低的，这是由于此类光纤的小的数值孔径所导致的。所有这些影响倾向于降低与采用电讯等级光纤的常规分布式光纤传感器和系统相关的信噪比。
随着依赖光纤和瑞利散射机制的分布式光纤传感器不断用于各种应用(例如，岩土工程、电力线等)，在越来越长的距离上，这些传感器和系统的使用最终受到它们的有效性的限制。
因此，存在对于能够以较小损耗和较高信噪比传输光学信号的采用光纤的分布式光纤传感器和光纤传感器系统的需求。更具体来说，存在对于采用多纤芯光纤的分布式光纤传感器和传感器系统的需求，其依赖瑞利散射机制，在一定距离(特别是数十千米量级的非常长距离上)具有较高的信噪比。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种光纤传感器，其包括：光纤，所述光纤构造成用于在约为300-2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和光纤长度。光纤包括：多个纤芯，所述多个纤芯具有等价(equivalent)纤芯直径和组成；以及包层，所述包层被光纤外直径所限定并且围绕所述多个纤芯。此外，光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径。
根据本公开的另一个方面，提供了一种光纤传感器，其包括：光纤，所述光纤构造成用于在约为300-2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和约为10m至约100km的光纤长度。光纤包括：多个纤芯，所述多个纤芯具有等价(equivalent)纤芯直径和组成；以及包层，所述包层被光纤外直径所限定并且围绕所述多个纤芯。此外，光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径。此外，在光纤的传输端将来自单源的光注入纤芯之后，光纤的传输端展现出从纤芯发射出的总后向散射信号。
在任意这些光纤传感器方面，多纤芯光纤可以构造成具有2-100个纤芯，它们具有等价的纤芯直径和组成。其它多纤芯光纤构造采用2-50个纤芯、2-40个纤芯、2-30个纤芯、2-20个纤芯、2-10个纤芯、2-5个纤芯，以及这些具体范围之间的任意纤芯数量。
在这些光纤传感器方面的一些实践方式中，多纤芯光纤构造成使得锥形光纤外直径和锥形纤芯直径分别相对于光纤的非锥形部分中相应的光纤外直径和纤芯直径降低了1％至95％。此外，锥形光纤外直径和锥形纤芯直径可以降低约1％、15％、30％、45％、60％、75％、90％、95％，以及在某些实践方式中，这些具体百分比之间的所有百分比。
在这些光纤传感器方面的其他实践方式中，多纤芯光纤构造成使得其长度范围约为10m至约100km。此外，光纤长度可以设定如下，约为：10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m、450m、500m、550m、600m、650m、700m、750m、800m、850m、900m、950m、1km、5km、10km、15km、20km、25km、30km、35km、40km、45km、50km、55km、60km、65km、70km、75km、80km、85km、90km、95km、100km，以及在某些实践方式中，这些具体长度之间的所有长度值。
在这些光纤传感器方面的其他实践方式中，多纤芯光纤构造成使得其纤芯-纤芯间距至少为10微米，纤芯-纤芯间距定义为每个纤芯的中心到相邻纤芯的中心的距离。在另一个实践方式中，纤芯-纤芯间距设定为至少20微米。此外，用于这些光纤传感器方面的多纤芯光纤可以构造成具有如下纤芯-纤芯间距，约为：0微米、5微米、10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、35微米、40微米、45微米、50微米、55微米、60微米、65微米、70微米、75微米、80微米、85微米、90微米、95微米、100微米，以及这些具体纤芯-纤芯间距量之间的所有间距值。
此外，用于这些传感器方面的多纤芯光纤的一些实践方式具有在光纤长度上变化不超过±1％的纤芯-纤芯间距。此外，多纤芯光纤可以具有变化不超过±10％、±15％、±20％、±25％、±30％、±35％、±40％、±45％、±50％的纤芯-纤芯间距，以及这些具体水平之间的所有变化值。
在这些光纤传感器方面的一个实施方式中，多纤芯光纤的特征可以在于，在光被传输进入光纤的传输端之后，串扰(crosstalk)不超过约-55dB。此外，根据这些光纤传感器方面的其他实践方式，多纤芯光纤可以构造成串扰不超过约-80dB、-50dB、-45dB、-40dB、-35dB、-30dB、-25dB、-20dB、-15dB、-10dB、-5dB、0dB，以及这些具体限值之间的所有串扰上限。
在这些光纤传感器方面的另一个实施方式中，多纤芯光纤可以构造成使得它的多个纤芯包括一个或多个最外纤芯，其根据约为1-200微米的纤芯-包层间距进行布置，纤芯-包层间距定义为从每个最外纤芯的中心到光纤外直径的距离。此外，用于这些光纤传感器方面的多纤芯光纤可以构造成具有如下纤芯-包层间距，约为：1微米、10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、75微米、100微米、125微米、150微米、175微米、200微米，以及这些具体纤芯-包层间距量之间的所有间距值。
在这些光纤传感器方面的另一个实践方式中，多纤芯光纤可以构造成使得其多个纤芯在光纤的传输端在光纤内被布置和构造成从光斑尺寸约为1-100微米的单光源接收入射光。此外，用于这些光纤传感器方面的多纤芯光纤可以构造成使得其多个纤芯从具有如下光斑尺寸的单光源接收入射光，所述光斑尺寸约为：1微米、10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米，以及这些具体光斑尺寸之间的所有光斑尺寸。
根据这些光纤传感器方面的另一个示例性实践方式，多纤芯光纤可以构造成使得在多纤芯光纤的传输端从纤芯发射出的总反向散射信号的信噪比大于从参照单纤芯光纤获得的反向散射信号的信噪比。在该实践方式中，所述参照单纤芯光纤没有逐渐变细，具有与多纤芯光纤相同的光纤外直径、纤芯直径、纤芯组成、包层组成和长度。此外，从多纤芯光纤的纤芯发射出的总反向散射信号可以超过与从参照单纤芯光纤获得的反向散射信号相关的信噪比，倍数约为其1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10倍，这些具体倍数之间的所有值，以及甚至更高的倍数，这基本与多纤芯光纤中的纤芯数量成比例。
根据本公开的另一个方面，提供了一种光纤传感器系统，其包括：光纤，所述光纤构造成用于在约为300-2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和光纤长度。光纤包括：多个纤芯，所述多个纤芯具有等价(equivalent)纤芯直径和组成；以及包层，所述包层被光纤外直径所限定并且围绕所述多个纤芯。此外，光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径。光纤传感器系统还包括：光源，其构造成将入射光的单光斑引导进入光纤传输端中的所述多个纤芯中；接收器，其构造成接收总反向散射信号，所述总反向散射信号是在光纤的传输端将单光斑注入纤芯之后从纤芯发射出的；以及信号询问元件，其构造成对反向信号进行加工，以获得传感器测量，所述传感器测量对应于靠近光纤或者与光纤接触的特征。
根据光纤传感器系统的其他实施方式，本公开所列出的任意前述多纤芯光纤和光纤传感器构造都可以用于所述系统。在光纤传感器系统的某些方面，传感器测量可以包括选自下组的一个或多个特性：温度、压力、应变、位移和噪音。
在光纤传感器系统的某些实践方式中，系统构造成用于监测结构、电力线、石油线或石油管线、气体线或气体管线、载水线或载水管线、地基、道路、通道、水道、储器、井或其他岩土特征的健康情况、完整性、性能和/或特性。
在以下的详细描述中提出了本文的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与文字描述一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
附图说明
图1是采用根据本公开的一个方面的4纤芯光纤的光纤传感器的轴向截面示意图；
图1A是图1所示光纤的非锥形部分的光纤传感器的横向截面示意图；
图1B是图1所示光纤传感器的锥形部分的端面示意图；
图2是采用根据本公开的一个方面的4纤芯光纤的光纤传感器系统的透视示意图；
图2A是从光源引导的入射光进入图2所示的光纤传感器系统的光纤的纤芯中的放大端面示意图；以及
图2B是从图2所示的光纤传感器系统的光纤的纤芯发射出来的反向散射光信号的放大端面示意图。
具体实施方式
下面详细参考本文的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。
可表征为低信号损耗和较高的信噪比的依赖瑞利散射机制进行感测的分布式光纤传感器和光纤传感器系统在本公开中以示例性方式列出。更具体来说，本公开详细描述了采用具有锥形传输端的多纤芯光纤的分布式传感器和传感器系统。
参见图1、1A和1B，显示根据本公开的一个方面的光纤传感器100。光纤传感器100包括光纤50，其限定为长度52、光纤外直径54、传输端10a和散射端10b。光纤50还包括多个纤芯30。如图1、1A和1B的示例性方式所示，光纤50含有数量为4的纤芯30。光纤50还包括包层40，其围绕纤芯30且限定为光纤直径54。
在光纤传感器100的一些实施方式中，光纤50限定为长度52的范围约为10m至约100km。在某些实施方式中，光纤长度52可以设定如下，约为：10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m、450m、500m、550m、600m、650m、700m、750m、800m、850m、900m、950m、1km、5km、10km、15km、20km、25km、30km、35km、40km、45km、50km、55km、60km、65km、70km、75km、80km、85km、90km、95km、100km，以及这些具体长度之间的所有长度值。此外，本公开的其他方面包括光纤长度52超过100km的光纤50，这对于光纤传感器100具有较不严格信噪比和/或空间分辨率要求(例如，>1m)的一些应用是可行的。
在一些方面中，用于本公开的光纤传感器100的光纤50具有约为40-1000微米的光纤直径54。此外，用于这些方面的光纤50可以构造成具有如下光纤直径54，约为：40微米、50微米、75微米、100微米、150微米、200微米、300微米、400微米、500微米、600微米、700微米、800微米、900微米、1000微米，以及这些具体直径之间的所有直径。
再次参见图1、1A和1B，光纤50(以及更具体来说，纤芯30和包层40)通常是由二氧化硅组合物制造的。此外，光纤50(以及更具体来说，纤芯30和包层40)优选构造成具有各种掺杂剂水平，从而在光纤中实现足以在约为300-2000nm波长进行单模或少模运行的整体折射率分布。此外，光纤50中所含的纤芯30构造成具有基本等价或等价的纤芯直径34和组成。在某些方面中，纤芯30掺杂了一种或多种掺杂剂，以提升纤芯30的折射率(例如，GeO2)。在某些实践方式中，包层40掺杂了一种或多种掺杂剂，以降低包层的折射率(例如，F)。
如图1、1A和1B进一步所示，根据本公开的光纤100的实践方式，光纤50构造成使得其纤芯30绕着光纤的中心轴80对称排列。此外，优选地，纤芯30排列成距离中心轴80基本等距离。对于图1A和1B，光纤50可以构造成使得纤芯-纤芯间距60约为0-100微米。纤芯-纤芯间距60定义为从每个纤芯30的中心到相邻纤芯30的中心的距离。在一个优选方面，在光纤50中采用大于或等于10微米的纤芯-纤芯间距60。在另一个优选方面，在光纤传感器100内的光纤50中采用大于或等于20微米的纤芯-纤芯间距60。此外，在本公开的某些方面，用于光纤传感器100的光纤50可以构造成具有如下纤芯-纤芯间距60，约为：0微米、5微米、10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、40微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米,以及这些具体纤芯-纤芯间距60的量之间的所有间距值。应理解的是，在相邻纤芯30与被轴80分开的相对纤芯30之间的纤芯-纤芯间距60可以发生变化。对于这些距离不等的情况，纤芯-纤芯间距60是两个值中较小的那个。
对于采用光纤50的光纤传感器100，增加纤芯-纤芯间距60可以降低与通过纤芯30传输的光学信号相关的串扰程度。相反地，降低纤芯-纤芯间距60可以有利地确保来自单光源的入射光完全进入每个纤芯30，在包层中和/或光纤50外侧没有可感知的损耗。基于这些纤芯-纤芯间距考虑，光纤传感器100的一个实施方式包括：光纤50，其可表征为在光从光纤的锥形部分20a传输进入传输端10a之后，串扰不超过约-55dB。此外，根据光纤传感器100的其他实践方式，光纤50可以构造成串扰不超过约-60dB、-50dB、-40dB、-30dB、-20dB、-10dB、0dB，以及这些具体限值之间的所有串扰上限。
同样如图1、1A和1B所示，光纤50构造成使得其纤芯30具有基本等价或等价的纤芯直径34。在本公开的一些方面，光纤50的纤芯30构造成具有约为1-20微米的纤芯直径34。在其他方面，优选地，光纤50的纤芯30构造成具有约为5-15微米的纤芯直径34。
根据光纤传感器100的一些实践方式，光纤50可以具有在光纤的长度52上变化不超过±1％的纤芯-纤芯间距60和/或纤芯直径34。此外，光纤50可以具有变化不超过±10％、±15％、±20％、±25％、±30％、±35％、±40％、±45％、±50％的纤芯-纤芯间距60和/或纤芯直径34，以及这些具体水平之间的所有变化值。不受限于理论，通过光纤长度52上的受控的纤芯-纤芯间距60和纤芯直径34的变化水平，在光纤传感器100的光纤50中传输的反向散射信号可以证实较小的损耗、较高的信噪比和/或更好的空间分辨率。
在光纤传感器100的一些实施方式中，光纤50可以构造成具有范围是2-100个的多个光纤30。光纤50的其它构造可以采用2-50个纤芯、2-40个纤芯、2-30个纤芯、2-20个纤芯、2-10个纤芯、2-5个纤芯，以及这些具体范围之间的任意纤芯数量。
如图1A所示，在光纤传感器100的另一个实施方式中，光纤50可以构造成使得其多个光纤30包括一个或多个最外纤芯30，其是根据约为1-200微米的纤芯-包层间距70布置的。此外，纤芯-包层间距70定义为从每个最外纤芯30的中心到光纤最外直径54的距离。此外，用于这些光纤传感器100方面的光纤50可以构造成具有如下纤芯-包层间距70，约为：20微米、30微米、40微米、50微米、75微米、100微米、125微米、150微米、175微米、200微米，以及这些具体纤芯-包层间距70之间的所有间距值。
再次参见图1和1B，光纤50还在传输端10a逐渐变细，以限定锥形部分20；因而，光纤50还包括与锥形部分20相邻的非锥形部分20。此外，锥形部分20具有锥形光纤外直径14a，其相对于非锥形部分20中的光纤外直径54是降低的。类似地，锥形部分20a中的纤芯30的锥形纤芯直径34a相对于非锥形部分20中的纤芯直径34是降低的。由此，光纤50的锥形部分20a可表征为锥形光纤外直径14a和锥形纤芯直径34a，它们相对于光纤50的非锥形部分20中相应的光纤外直径54和纤芯直径34降低了1％至95％。此外，在一些方面中，锥形光纤外直径14a和锥形纤芯直径34a可以相对于光纤50的非锥形部分20中相应的光纤外直径54和纤芯直径34降低了约1％、15％、30％、45％、60％、75％、90％、95％，以及在某些实践方式中，这些具体百分比之间的所有百分比。
对于本公开的光纤传感器100，光纤50的逐渐变细特性对于促进来自单光源的入射光注入所述多个纤芯30是有利的。也就是说，在光纤的锥形部分20a的传输端10a处，来自单光源的光斑图案可以与光纤50内的每个纤芯30重叠。因此，在光纤传感器100的一个实践方式中，光纤50可以构造成使得其多个纤芯30在光纤的传输端10a在光纤内被布置和构造成从光斑尺寸约为1-100微米的单光源接收入射光。此外，用于光纤传感器100的其他方面的光纤50可以构造成使得其多个纤芯30从具有如下光斑尺寸的单光源接收入射光，所述光斑尺寸约为：1微米、10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米，以及这些具体光斑尺寸之间的所有光斑尺寸。
光纤50逐渐变细所提供的另一个好处在于，在光纤的锥形部分20a的传输端10a处的纤芯密度增加，否则无法通过在具有相同纤芯数量的非逐渐变细光纤端中实现。通过使得光纤50逐渐变细，可以将更多的纤芯30放置在来自入射光源的给定光斑尺寸内。因此，从光源传输进入每个纤芯30的光学信号具有基本等价的时间和相同相位。然后接收来自每个纤芯30的反向散射信号的检测器可以将这些信号加和以增加反向散射信号的振幅，而不需要考虑纤芯30之间的任意相位差或者其他信号时间差。因此，对于从纤芯30发射出来的总反向散射信号，光纤50的逐渐变细的特性得到较低的信噪比，导致用于分布式传感应用的光纤传感器100中更高的空间分辨率。此外，本公开内容领域的技术人员可以将光纤50构造成具有特定数量的纤芯30具有特定的锥形水平，以适应选择用于光纤传感器100的单光源的光斑尺寸。
由于用于使得光纤传感器100中的光纤50逐渐变细的工艺可以成比例地将光纤直径54和纤芯直径34减小为锥形光纤直径14a和锥形纤芯直径34a(参见图1和1B)而不影响纤芯30在较短光纤长度(例如，小于1m)上的相对空间排列，相信使得与锥形部分20a相关的信号损耗最小化。此外，逐渐变细成比例地使得光纤50的非锥形部分20中的纤芯-纤芯间距60减小为锥形部分20a中的锥形纤芯-纤芯间距60a。类似地，逐渐变细成比例地使得光纤50的非锥形部分20中的纤芯-包层间距70减小为锥形部分20a中的锥形纤芯-包层间距70a。由此，在光纤的锥形部分20a中维持了纤芯-纤芯和纤芯-包层空间关系，导致与逐渐变细相关的光学信号损耗最小化。
根据图1、1A和1B所示的光纤传感器100的一个示例性实践方式，光纤50可以构造成使得在光纤的传输端10a从纤芯30发射出的总反向散射信号的信噪比大于从参照单纤芯光纤获得的反向散射信号的信噪比。在该实践方式中，所述参照单纤芯光纤没有逐渐变细，具有与光纤50相同的光纤外直径、纤芯直径、纤芯组成、包层组成和长度。此外，从光纤50的纤芯30发射出的总反向散射信号可以超过与从参照单纤芯光纤获得的反向散射信号相关的信噪比，倍数至少约为其1.5。在某些方面，从光纤50的纤芯30发射出的总反向散射信号可以超过与从参照单纤芯光纤获得的反向散射信号相关的信噪比，倍数约为其1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10倍，以及这些具体倍数之间的所有值。根据本公开的其他方面，可以实现与光纤50中的纤芯30的数量基本成比例的甚至更高的信噪因子(即，从光纤50发射出的反向散射信号相对于从参照单纤芯光纤发射出的反向散射信噪比而言)。
再次参见图2、2A和2B，显示根据本公开的另一个方面的采用光纤50的光纤传感器系统200。传感器系统200包括光纤50，其构造成在约300-2000nm的波长，以单模或少模中的一种运行。此外，光纤50受到传输端10a、散射端10b和锥形部分20a所限定。此外，用于传感器系统200的光纤50包括多个纤芯30，其沿着围绕纤芯30的包层40具有等价纤芯直径和组成。除非另有说明，否则图2、2A和2B所示的光纤50以及其相关的元件(例如，包层40)构造成具有与图1、1A和1B所示光纤50相同或相似的特征和功能。
图2、2A和2B所示的光纤传感器系统200还包括光源110，其构造成在光纤50的传输端10a，将入射光150a的单光斑160引导进入所述多个纤芯30。如图2A所示，光纤110产生具有光斑尺寸160的光学信号150a，其在光纤50的锥形部分20a的传输端10a处与纤芯30的端部重叠。通过使得光纤50逐渐变细，光斑160可以与光纤50内的每个纤芯30重叠，以确保注入纤芯的光学信号当其向下传输通过光纤的长度时具有相同的时间和相位。适用于光纤传感器系统200的光源110包括但不限于：可调节激光、LED灯源、半导体激光二极管和激光二极管。
再次参见图2、2A和2B，光纤传感器系统200还包括接收器110a，其构造成接收总反向散射信号150d，所述总反向散射信号150d是在来自单光斑160的入射光150a已经在光纤50的传输端10a被注入到纤芯30中之后从纤芯30发射出来的。如图2、2A和2B具体所示，光纤110和接收器110a被容纳在单个单元中，以及信号150a和150d通过本公开内容领域的技术人员所能理解的方式去耦。本领域技术人员还可理解的是，光纤110和接收器110a可以构造成传感器系统200中的分开的单元，每个处理相应的光学信号150a和总反向散射信号150d。用于光纤传感器系统200的接收器110a可以包括光检测器，例如，二极管组件、单光二极管或者适合执行系统200中的接收器110a的目标功能的任意其他接收器，这是本公开内容领域的技术人员所理解的。
仍然参见图2、2A和2B，光纤传感器系统200还包括信号询问元件120，其与光源110和接收器110a相连。信号询问元件120构造成处理反向散射信号150d以获得传感器测量，其对应于靠近光纤50或者与光纤50接触的特征。用于光纤传感器系统200的合适的信号询问元件120包括但不限于本公开内容领域的技术人员理解的能够检测或任意其他方式处理与反向散射信号150相关的信号振幅、信号相位和/或信号频率的装置、元件和组件。
同样如图2、2A和2B所示，光纤传感器系统200可以根据本公开的方面进行构造，以获得对应于如下特征(例如，靠近光纤50的脚步300)的传感器测量(例如，压力读数)。更具体来说，系统200中的光源110和光纤50可以构造成使得入射光150a产生的光斑160在光纤50的传输端10a被注入到所述多个纤芯30中(参见图1A)。入射光150a朝向散射端10b传播通过光纤50的纤芯30。根据瑞利散射机制，入射光150a在光纤的整个长度上散射(例如，从光纤中的微米级和/或纳米级缺陷散射)，以及一部分的入射光被朝向光纤的传输端10a散射回来通过光纤30作为反向散射信号150d。
再次参见图2、2A和2B，随着入射光150a传播通过光纤50的纤芯30，反向散射信号150d的波长会基于如下这些发生偏移：在特定位置(例如，图2所示的位置300a)处靠近光纤或者与光纤接触的特征(例如，脚步300)相关的光纤的局部位移、温度变化和/或变形。因此，总反向散射信号150d会具有相对于入射光150a发生偏移的波长。由此，从纤芯发射出来的反向散射信号150d会被接收器110a和/或信号询问元件120加和到总反向散射信号中，以计算会与入射光150a和反向散射信号150d之间的波长偏移相关的特征300(例如，压力)有关的特定参数。
光纤传感器系统200还可构造成利用总反向散射信号150d来评估与靠近光纤50或者接触光纤50的特征300有关的位置相关信息。具体来说，光源110、接收器110a和信号询问元件120可以被配置在光纤传感器系统200中，从而采用光时域反射仪(OTDR)来测量经由瑞利散射机制反射回来通过光纤50的那部分光。具体来说，光纤200可以在不同时间将总反向散射信号150d中的光量与入射光150a进行对比，以确定靠近或接触光纤50的特征300相关的位置300a。
本公开所列出的每种分布式光纤传感器和传感器系统(包括光纤传感器100和光纤传感器200)证实了相比于采用单纤芯光纤(例如，商业等级的电讯等级光纤)的常规分布式光纤传感器和传感器系统具有如下一种或多种优点。本公开的光纤传感器和传感器系统的一个优点在于，来自它们的多纤芯光纤的反向散射信号会大于来自常规单纤芯光纤的反向散射信号，大的倍数基本等价于多纤芯光纤中的纤芯数量。因此，与本公开的光纤传感器和传感器系统相关的反向散射信号的信噪比会相比于常规光纤传感器和系统的信噪比得到明显改善。另一个优点在于，可以将较不容易受到非线性散射效应影响的较低功率信号发射到本公开的多纤芯光纤的每个纤芯中，以实现与传输进入常规单纤芯光纤的较高功率信号大致相等的反向散射信号强度。本公开的传感器和系统中所采用的多纤芯光纤的另一个优点在于，其逐渐变细的端部可以容易地构造成匹配与现有光源和光检测器光斑尺寸相关的光斑尺寸。此外，用于使得这些多纤芯光纤的传输端逐渐变细的工艺成本较低，并且逐渐变细本身在光纤中诱发了非常少的信号损耗。本公开的分布式光纤传感器和系统的另一个优点在于，它们所采用的多纤芯光纤可以使用现有光纤涂层组合物、光纤光缆设计和分布式光纤传感器系统建筑，没有明显的工艺和/或设计调整。
此外，对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离权利要求书的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。

Claims (22)

1.一种光纤传感器，其包括：
光纤，所述光纤构造成用于在约为300-2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和光纤长度，所述光纤包括：
多个纤芯，其具有等价纤芯直径和组成；以及
被所述光纤外直径限定且围绕所述多个纤芯的包层，
其中，所述光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径分别相对于相应的光纤外直径和纤芯直径降低了1％至95％。
3.如权利要求1-2中任一项所述的传感器，其特征在于，所述光纤长度约为10m至100km。
4.如权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述光纤构造成在约300-2000nm的波长，以单模运行。
5.如权利要求1-4中任一项所述的传感器，其特征在于，所述纤芯构造成根据至少10微米的纤芯-纤芯间距布置，所述纤芯-纤芯间距定义为每个纤芯的中心到相邻纤芯的中心的距离。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述光纤的特征在于，在光被传输进入光纤的传输端之后，串扰不超过0dB。
7.如权利要求1-6中任一项所述的传感器，其特征在于，所述多个纤芯包括一个或多个最外纤芯，其根据约为1-100微米的纤芯-包层间距进行布置，所述纤芯-包层间距定义为从每个最外纤芯的中心到光纤外直径的距离。
8.如权利要求1-7中任一项所述的传感器，其特征在于，在光纤的传输端，光纤内的所述多个纤芯被布置和构造成从光斑尺寸约为1-100微米的单光源接收入射光。
9.一种光纤传感器，其包括：
光纤，所述光纤构造成用于在约为300-2000nm的波长以单模运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和约为10m至约100km的光纤长度，所述光纤包括：
多个纤芯，其具有等价纤芯直径和组成；以及
被所述光纤外直径限定且围绕所述多个纤芯的包层，
其中，所述光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径，以及
其中，在光纤的传输端将来自单源的光注入纤芯之后，光纤的传输端展现出从纤芯发射出的总后向散射信号。
10.如权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述总反向散射信号的信噪比大于来自参照单纤芯光纤的反向散射信号的信噪比。
11.如权利要求9-10中任一项所述的传感器，其特征在于，所述总反向散射信号的信噪比是来自参照单纤芯光纤的反向散射信号的信噪比的至少2倍。
12.如权利要求9-11中任一项所述的传感器，其特征在于，所述纤芯构造成根据至少10微米的纤芯-纤芯间距布置，所述纤芯-纤芯间距定义为每个纤芯的中心到相邻纤芯的中心的距离。
13.如权利要求12所述的传感器，其特征在于，所述光纤的特征在于，在光被传输进入光纤的传输端之后，串扰不超过0dB。
14.如权利要求9-13中任一项所述的传感器，其特征在于，所述多个纤芯包括一个或多个最外纤芯，其根据约为1-200微米的纤芯-包层间距进行布置，所述纤芯-包层间距定义为从每个最外纤芯的中心到光纤外直径的距离。
15.如权利要求9-14中任一项所述的传感器，其特征在于，在光纤的传输端，光纤内的所述多个纤芯被布置和构造成从光斑尺寸约为1-100微米的单光源接收入射光。
16.一种光纤传感器系统，其包括：
光纤，所述光纤构造成用于在约为300-2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和光纤长度，所述光纤包括：
多个纤芯，其具有等价纤芯直径和组成，和
被所述光纤外直径限定且围绕所述多个纤芯的包层，
光源，其构造成在光纤的传输端，将入射光的单光斑引导进入所述多个纤芯中；
接收器，其构造成接收总反向散射信号，所述总反向散射信号是在光纤的传输端使得光斑被注入到纤芯中之后从纤芯发射出来的；以及
信号询问元件，其构造成处理反向散射信号以获得传感器测量，其对应于靠近光纤或者与光纤接触的特征，
其中，所述光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述光纤长度约为10m至约100km。
18.如权利要求16-17中任一项所述的系统，其特征在于，所述光纤构造成在约300-2000nm的波长，以单模运行。
19.如权利要求16-18中任一项所述的系统，其特征在于，所述纤芯构造成根据至少10微米的纤芯-纤芯间距布置，所述纤芯-纤芯间距定义为每个纤芯的中心到相邻纤芯的中心的距离。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述光纤的特征在于，在光纤的传输端使得单光斑被注入到纤芯中之后，串扰不超过0dB。
21.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述多个纤芯包括一个或多个最外纤芯，其根据约为1-100微米的纤芯-包层间距进行布置，所述纤芯-包层间距定义为从每个最外纤芯的中心到光纤外直径的距离。
22.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述传感器测量包括选自下组的一个或多个特性：温度、压力、应变、位移和噪音。
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