CN110006562A - 一种基于模式耦合的分布式光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模式耦合的分布式光纤传感系统，其特征在于，包括在发射端、接收端和长度为L的少模光纤，所述发射端与所述接收端通过该长度为L的少模光纤连接，所述发射端，用于产生脉冲光并注入该少模光纤的基模；所述在接收端，用于接收该少模光纤的光信号并将其转换为电信号；脉冲光的重复频率为R、脉冲宽度为T；1ps≤T≤1ns，τDMD表示该少模光纤的基模与该少模光纤所支持最高阶模式间的差分模式群时延。本发明可以实现对于沿光纤径向应力的高灵敏度与高精度测量，而且能够提供沿光纤径向任意角度应力的测量，在实际使用中具有重大意义。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤传感器技术领域，涉及一种基于模式耦合的分布式光纤传感系统及方法。
背景技术
分布式光纤传感由于其检测范围广，造价成本低的特点受到越来越广泛的关注，在地质灾害预测、结构健康监测以及周界安防等领域具有重要应用。分布式光纤传感器能够检测沿光纤线缆分布的振动、温度、沿光纤轴向应力以及沿光纤径向应力(压力)等物理量，具有良好的市场前景。
目前，常见的分布式光纤传感测量系统基于后向散射原理，这种原理通过散射光性质的改变来实现探测，比如相位、偏振以及频率等。具体的实现包括相位敏感型光时域反射仪偏振敏感型光时域反射仪(P-OTDR)、布里渊光时域反射仪(B-OTDR)、拉曼光时域反射仪(R-OTDR)以及光纤布拉格光栅(FBG)等。其中，相位敏感型光时域反射仪、布里渊光时域反射仪、拉曼光时域反射仪对于沿光纤径向应力不敏感；偏振敏感型光时域反射仪的空间对于沿光纤径向应力的测量准确度低；光纤布拉格光栅的测量范围小，只局限于光栅覆盖的区域。综上，常见的分布式传感系统不适合测量沿光纤径向应力，因此本发明提出一种基于模式耦合的分布式光纤传感系统，其能够解决目前测量沿光纤径向应力存在的问题。
以下介绍与本发明相关的现有技术：
i.基于偏振模式耦合的分布式光纤传感系统
这种分布式光纤传感系统的原理基于保偏光纤中偏振模式耦合，并且采用时域或频域的方法测量不同偏振模式接收的时间差。该种方法也能够测量沿光纤径向应力，但是测量灵敏度随着径向应力施加角度的改变而改变，当应力方向平行于某一偏振轴时，测量灵敏度为零，因此不能够实现对任意角度的应力的探测。
这种系统的典型代表是东京大学的基于偏振模耦合的分布式传感系统。该系统采用频域的方法测量偏振模式接收的时间差，具有测量长度长，空间分辨率高的特点。但是不能测量任意角度的沿光纤径向应力，使其未来应用受到极大地限制。
发明内容
针对现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于模式耦合的分布式光纤传感系统与方法，能够解决现存技术无法测量任意角度沿光纤径向应力的问题，同时相比市场上现有的分布式传感系统，具有对沿光纤径向应力灵敏度高、测量精度高的优势。
少模光纤中存在各个相互正交的线性偏振(Linearly polarized,LP)模式，基于模式耦合的分布式光纤传感系统的原理是，通过少模光纤中LP模式间耦合的改变来实现外界应力的探测，并且通过频域调制连续光波(Frequency-Modulated Continuous-Wave,FMCW)飞行时间(Time-of-Flight,TOF)的方法测量不同模式接收的时间差，以确定扰动位置。其原理显著区别于常见的分布式传感系统，为探测沿光纤径向应力提供了新的思路。
本发明的技术方案为：
一种基于模式耦合的分布式光纤传感系统，其特征在于，在发射端，脉冲发生器产生的脉冲光通过模式定向选择耦合器注入长度为L(0km<L≤100km)的少模光纤的基模，发射端与接收端用该长度为L的少模光纤连接。周期脉冲光的重复频率为R脉冲宽度为T(1ps≤T≤1ns)(τDMD表示基模与少模光纤中支持的最高阶模式间的差分模式群时延)，在接收端，使用以多模光纤为尾纤的光电探测器进行接收，将光信号转换为电信号，并使用电脉冲收集器进行接收并发送给数据处理单元。
数据处理单元根据接收的电信号计算应力的位置和大小，其中应力的大小根据接收到的各个脉冲的光强度得到，先考虑只有一个应力的情况，存在两个脉冲Pulse 1与Pulse 2，分别的光强度分别为I1与I2，接收到的时间差为△τ，扰动点的位置L0可以表示为应力的大小F可以表示为即F与I2/I1的比值呈正比关系。当应力点数n大于等于两个时，是只有一个应力时的简单扩展，只需考虑第n个脉冲Pulse n与Pulse 1的关系即可。
进一步的，发射的周期脉冲光由激光器、任意波形发生器、强度调制器配合产生，或者直接由脉冲激光器产生。
进一步的，光脉冲形状是高斯型或正弦型或矩形型。
进一步的，少模光纤基模的模式转换器件包括模式定向选择耦合器、空间光调制器、光子灯笼、相位片与多平面光转换器。
进一步的，使用的光波长范围覆盖C+L波段。
进一步的，所使用的少模光纤从折射率剖面上划分包括阶跃型少模光纤、渐变型少模光纤，从纤芯结构上划分包括圆芯少模光纤、环芯少模光纤、椭圆芯少模光纤、方芯少模光纤，从模式数上划分包括支持i(2≤i≤10)个LP模式数的少模光纤以及多模光纤。
进一步的，扰动区为光纤光缆，或者配合有以下形式长周期光纤光栅的光纤光缆，包括机械型长周期光纤光栅与刻蚀型长周期光纤光栅。
进一步的，能同时测量的外界扰动数量为j(△L表示传感系统的空间分辨率，即能分辨两个不连续的扰动点的最小距离)；
进一步的，扰动位置由接收到的对应不同LP模式的脉冲时间差除以相应LP模式之间的群时延得到。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
(1)基于模式耦合的分布式光纤传感器利用少模光纤中LP模式间的耦合作为传感机理，可以实现对于沿光纤径向应力的高灵敏度与高精度测量，而且能够提供沿光纤径向任意角度应力的测量。在实际使用中具有重大意义。
(2)使用强度调制/直接检测系统进行测量，结构简单，经济、低能耗。
附图说明
图1为基于模式耦合的分布式光纤传感系统结构图；
图2为基于模式耦合的分布式光纤传感系统实验图；
图3为模式耦合效率随沿光纤径向应力变化曲线。
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。
本发明提出一种基于模式耦合的分布式光纤传感系统与方法，能够解决现存技术无法测量任意角度沿光纤径向应力的问题，同时相比市场上现有的分布式传感系统，具有对沿光纤径向应力灵敏度高、测量精度高的优势。具体地，本发明提供的基于模式耦合的分布式光纤传感系统与方法具有如下优点：(1)基于模式耦合的分布式光纤传感器利用少模光纤中LP模式间的耦合作为传感机理，可以实现对于沿光纤径向应力的高灵敏度与高精度测量，而且能够提供沿光纤径向任意角度应力的测量；(2)使用强度调制/直接检测系统进行测量，结构简单，经济、低能耗。
本发明提出一种基于模式耦合的分布式光纤传感系统与方法，具体包括：在发射端，脉冲发生器产生的脉冲光通过模式选择复用器注入长度为L(0km<L≤100km)的少模光纤的基模。周期脉冲光的重复频率为脉冲宽度为T(1ps≤T≤1ns)(τDMD表示基模与少模光纤中支持的最高阶模式间的差分模式群时延)，在接收端，使用以多模光纤为尾纤的光电探测器进行接收，将光信号转换为电信号，并使用电脉冲收集器进行接收。
发射端的周期脉冲光由激光器、任意波形发生器、强度调制器配合产生，或者直接由脉冲激光器产生。
光脉冲形状是高斯型或者正弦型或者矩形型。
少模光纤基模的模式转换器件包括模式选择耦合器、空间光调制器、光子灯笼、相位片与多平面光转换器。
使用的光波长范围覆盖C+L波段。
所使用的少模光纤从折射率剖面上划分包括阶跃型少模光纤、渐变型少模光纤，从纤芯结构上划分包括圆芯少模光纤、环芯少模光纤、椭圆芯少模光纤、方芯少模光纤，从模式数上划分包括支持m(2≤m≤10)个LP模式数的少模光纤以及多模光纤。
扰动区为光纤光缆，或者配合有以下形式长周期光纤光栅的光纤光缆，包括机械型长周期光纤光栅与刻蚀型长周期光纤光栅。
能同时测量的外界扰动数量为n(1≤n≤L(m))，扰动区长度为D(0<D≤1m)；
扰动位置由接收到的对应不同LP模式的脉冲时间差除以相应LP模式之间的群时延得到。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，仅仅是提供其中一种可能的具体实施方案，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出一种基于模式耦合的分布式光纤传感系统，光脉冲信号从少模光纤的基模(LP01)注入，在一个或多个沿光纤径向应力作用下，基模与某一个或多个高阶模式(LPlm)发生耦合，通过测量LP01与LPlm接收的时间差，可以检测出径向应力作用在光纤的位置。
如图2所示，本发明提出的基于模式耦合的分布式光纤传感系统包括光脉冲发生器、模式转换器、少模光纤、光电探测器、示波器组成。其中光脉冲发生器可由激光器、任意波形发生器、强度调制器来构成，也可以直接使用脉冲激光器来构成。模式转换器可以用模式定向耦合器、相位片、空间光调制器、光子灯笼、多平面光转换器来构成。光电探测器使用多模光纤作为尾纤，可以同时接收多个模式。电脉冲收集器可以直接用示波器来构成，也可以用模拟/数字信号转换器、个人电脑来构成。扰动区既应力作用的范围可以是光纤光缆，也可以由机械型长周期光纤光栅、刻蚀型长周期光纤光栅来替代。少模光纤的长度范围为L(0km<L≤100km)，脉冲光的重复频率范围为脉冲宽度范围为T(1ps≤T≤1ns)(τDMD表示基模与少模光纤中支持的最高阶模式间的差分模式群时延)，实际少模光纤的长度、脉冲光的重复频率与脉冲宽度由实际实验选取，通过合理的选取以上参数，系统会取得最优的效果。
对于本发明提出的基于模式耦合的分布式光纤传感系统，提供一种实际的结构，光纤长度为5.27km，脉冲重复频率为80-kHz，脉冲宽度为40-ps，脉冲信号由激光器、任意波形发生器与强度调制器产生，使用模式选择耦合器来注入少模光纤的基模，使用光示波器来采集、记录数据。这种结构的实验结果如图3所示。
图3显示了模式转换效率随沿光纤径向应力的变化曲线。扰动区长度为1.5-cm，该结构的线性拟合度为0.9894，显示出了良好的线性度，最大的误差为0.0232，测量的径向应力分辨率为0.046-kg/cm，动态线性范围为0-1.567-kg/cm.
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于模式耦合的分布式光纤传感系统，其特征在于，包括在发射端、接收端和长度为L的少模光纤，所述发射端与所述接收端通过该长度为L的少模光纤连接，其中
所述发射端，用于产生脉冲光并注入该少模光纤的基模；
所述在接收端，用于接收该少模光纤的光信号并将其转换为电信号。
2.如权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述发射端包括一脉冲发生器，用于产生的脉冲光。
3.如权利要求2所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述发射端包括一与该脉冲发生器连接的模式转换器件，用于将所述脉冲光注入该少模光纤的基模。
4.如权利要求1或2或3所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述脉冲光的重复频率为R、脉冲宽度为T；其中，1ps≤T≤1ns，τDMD表示该少模光纤的基模与该少模光纤所支持最高阶模式间的差分模式群时延。
5.如权利要求3所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述模式转换器件为模式定向选择耦合器、空间光调制器、光子灯笼、相位片或多平面光转换器。
6.如权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述接收端包括一以多模光纤为尾纤的光电探测器，用于接收光信号并将其转换为电信号；所述接收端还包括一电脉冲收集器，用于存储电信号。
7.如权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，还包括一数据处理单元，所述数据处理单元与所述接收端连接，用于接收所述电信号并根据接收的电信号计算应力的位置和大小。
8.如权利要求7所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，应力位置应力的大小为其中，I1、I2分别为两相邻光脉冲的光强度，△τ为接收到两相邻光脉冲的时间差。
9.如权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述脉冲光是高斯型脉冲光、正弦型脉冲光或矩形型脉冲光。
10.如权利要求1所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，该少模光纤中设置若干扰动区，所述扰动区为光纤光缆或者配合有以下形式长周期光纤光栅的光纤光缆，包括机械型长周期光纤光栅或刻蚀型长周期光纤光栅。
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