CN109799573B - 一种用于超长距离传感的散射增强型传感光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超长距离传感的散射增强型传感光纤，其中光纤上含有沿轴向分布的多个散射增强点，可以提供稳定的增强型后向散射信号；散射增强点的反射率沿光纤长度方向依次增加，散射增强点之间的连接光纤作为传感区域，传感光纤被散射增强点分为多个独立的传感段。散射增强型传感光纤是在普通单模光纤上通过激光曝光的方式使其纤芯中的折射率发生调制，在纤芯的折射率调制区域中形成超宽带反射的散射增强点，散射点的间距和反射率可通过控制光纤移动速度、激光曝光时间和曝光强度来控制。该散射增强型传感光纤可提供稳定的增强型后向散射信号，传感检测时不需要多次光信号平均，有助于实现超长距离、快速解调、高定位精度的分布式传感。

Description

一种用于超长距离传感的散射增强型传感光纤

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种用于超长距离传感的散射增强型传感光纤。

背景技术

光纤传感技术自从20世纪70年代光纤被发明以来迅速崛起，经过几十年的研究和发展已经广泛用于多个领域，具有微型化，抗电磁干扰，耐腐蚀，可测量物理量多的特点，更适合于恶劣环境中检测信息并且具有分布式传感和远距离传感的能力，所以近年来分布式光纤传感技术成为研究的热点。分布式光纤传感技术可以使得沿布设路径上的光纤成为敏感元件，具有实时获取整个传感区域内被测量的信息参数，将传输和传感合二为一，减少了布设传感器件的成本。

目前研究最广泛的分布式光纤传感技术主要是基于光时域反射仪以及光频域反射仪的，其采用单模通信光纤作为传传感器，可以实现数十公里的全分布式或准分布式传感。但是由于普通单模通信光纤的后向散射强度过低，反射回解调端的传感信号强度弱，信号光需要经过多次平均才能提供足够的信噪比，使得长距离传感和快速解调不可兼得。同时，由于单模光纤中的散射信号不稳定，容易造成较大的定位误差，限制了其在高精度定位领域中的应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出一种用于超长距离传感的散射增强型传感光纤，旨在解决长距离分布式传感系统中单模光纤存在的后向散射弱，散射信号不稳定的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种用于超长距离传感的散射增强型传感光纤，该光纤为单模光纤，其上含有沿轴向分布的散射增强点，用于在光纤指定位置提供增强的稳定的后向散射光信号，散射增强点的反射率沿光纤长度方向依次增加；散射增强点之间的连接光纤可作为传感区域，即传感光纤可被所述散射增强点分为多个独立的传感段。

进一步地，所述的散射增强点，其反射带宽包含整个传感波段，当外界环境变化或者系统波动导致信号光波长发生漂移时，能够保证始终都有传感信号反射回解调端。

进一步地，所述的散射增强型传感光纤上，沿光纤长度上分布的多个散射增强点的反射率依次增加，为保证每个散射增强点返回到解调端的后向散射光功率一致，其反射率需满足：

其中P为所需反射回解调端的光功率，单位为dBm，R_i为第i个散射增强点的反射率，N为散射点的个数，L为相邻散射增强点间距，α为光纤损耗系数，反射率的误差不超过系统的动态测量范围。

优选地，反射率的配置可以简化为多个不同的区间，区间内散射增强点的反射率可以一致。

进一步地，本发明提供的散射增强型传感光纤的制作方法，使用连续在线刻写装置，通过直接激光曝光的方式在单模通信光纤上制作超宽带反射的散射增强点。

进一步地，通过控制光纤的移动速度和激光曝光的时间间隔来调节相邻散射增强点的间距。实现当一个散射增强点制作完成后，等待光纤移动到位时开启激光，进行下一个散射增强点制作。

进一步地，散射增强点的反射率通过激光曝光时长和强度来控制。

通过本发明所提出的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供的散射增强型传感光纤可以提供较强的后向散射光信号，相较于普通单模光纤，后向散射信号强度可提高10～30dB；

2、本发明提供的散射增强型传感光纤采用多个散射增强点增强光信号，不需要多次光信号平均，可以实现实时快速解调；

3、本发明提供的散射增强型传感光纤在散射增强点位置可提供稳定的后向散射信号，并且其位置在制作时已确定，可以实现传感信号的高精度定位。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种散射增强型传感光纤的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的散射增强型传感光纤的时域光谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种用于超长距离传感的散射增强型传感光纤，如图1所示，该光纤上含有沿轴向等间距分布的散射增强点，用于提供增强的稳定的后向散射光信号，所述散射增强点之间的连接光纤作为传感区域，传感光纤被所述散射增强点分为多个独立的传感段，即传感段1，传感段2，……传感段N-1，N为散射增强点的个数。

本发明提供一种通过紫外曝光方式在光纤上刻写散射增强点的方法，。所用的单模光纤的涂层可以透过紫外光，利用绕纤装置连续移动光纤，控制光纤移动速度以及紫外脉冲光的频率调节相邻散射增强点的间距，通过调节激光脉冲的强度改变散射增强点的反射率。如图2所示，在普通的单模通信光纤上刻写了100个散射增强点，散增强点的间距为10m，反射率为-50～-37dB，相对于光纤中的瑞利散射提高了约20dB。经过传感链路损耗后反射回解调端的后向散射光功率波动为13dB，小于常规解调系统的20dB动态范围。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于超长距离传感的散射增强型传感光纤，其特征在于，所述光纤为单模光纤，光纤上含有沿轴向分布的多个散射增强点，用于提供稳定的增强型后向散射信号；散射增强点的反射率沿光纤长度方向依次增加，所述散射增强点之间的连接光纤作为传感区域，传感光纤被所述散射增强点分为多个独立的传感段；

所述散射增强点的反射率的误差不超过传感系统的动态测量范围，反射率配置为多个不同的区间，区间内散射增强点的反射率一致，反射率沿光纤长度方向依次增加；为保证每个散射增强点反射回解调端的后向散射光功率基本一致，其反射率需满足：

其中P为所需反射回解调端的光功率，单位为dBm，R_i为第i个散射增强点的反射率，N为散射增强点的个数，L为相邻散射增强点间距，α为光纤损耗系数。

2.根据权利要求1所述的散射增强型传感光纤，其特征在于，所述光纤上的散射增强点的反射带宽包含整个传感波段。

3.根据权利要求1或2所述的散射增强型传感光纤，其特征在于，所述散射增强点使用直接激光曝光的方式使纤芯中的折射率发生调制制作而成。

4.根据权利要求3所述的散射增强型传感光纤，其特征在于，通过控制光纤的移动速度和激光曝光的时间间隔来调节相邻散射增强点的间距。

5.根据权利要求3所述的散射增强型传感光纤，其特征在于，所述散射增强点的反射率通过激光曝光的时长和光强来控制。

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