CN114303327A - 光纤测量系统、将通信光纤适配到测量系统中的方法以及光纤测量和通信系统 - Google Patents

光纤测量系统、将通信光纤适配到测量系统中的方法以及光纤测量和通信系统 Download PDF

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Abstract

根据本发明，一种光纤测量系统，其配备有受控光生成系统（1）和经由包括定向设备（4）的光路连接的接收系统（2），并且其另外具有用于控制光生成系统（1）以及用于接收和处理来自接收系统（2）的信号的处理单元（9），其特征在于如下事实，它具有选择性模式设备（5），并且被适配为通过选择性模式设备（5）连接到光纤电信网络，并且处理单元（9）被适配为实现OFDR和/或COTDR测量技术，以用于测量光程的改变并将它们处理成一个或多个参数。此外，本发明的目的还在于将电信网络适配到传感器网络中的方法以及光纤测量和通信系统。

Description

光纤测量系统、将通信光纤适配到测量系统中的方法以及光 纤测量和通信系统
技术领域
本发明的目的是一种光纤测量系统、将通信光纤适配到测量系统中的方法以及旨在用于基于Rayleigh散射的分布式测量的光纤测量和通信系统。
最先进技术
最先进技术包括分布式系统解决方案，其用于基于有效折射率或光程中的改变来测量温度、应变或压力。这些是基于COTDR或OFDR技术的系统。由于难以检测来自多模光纤的信号，这些解决方案基于单模解决方案。由于随着光纤中传播的光学功率的增加而增加的非线性效应，单模光纤具有功率限制。
COTDR技术（相干光时域反射仪）也称为fi-OTDR、phi-OTDR和φ-OTDR（相位敏感光时域反射仪）。所有这些名称指的是测量设备的单一架构，其中相位测量基于发送相干脉冲和分析在时域中反射回来的信号。名称COTDR强调测量信号的相干性。φ-OTDR的名称吸引注意到对光纤中的相位改变执行定量测量的可能性。这两个名称可以互换使用。这些术语例如在如下文章中可互换地使用：“Coherent Rayleigh time domain reflectometry:novel applications for optical fibre sensing”（Xin LU, EPFL 2016, https://infoscience.epfl.ch/record/221427）；以及P. Xu, Y. Dong, J. Zhang, D. Zhou, T.Jiang, J. Xu, H. Zhang, T. Zhu, Z. Lu和L. Chen的“Bend-insensitive distributedsensing in singlemode-multimode-singlemode optical fiber structure by usingBrillouin optical time-domain analysis”，9 （2015）。
为了确定作为光纤长度或的函数的有效折射率光程，当分析沿光纤反射或散射的信号时，在最先进技术中还使用光频域反射仪：Ding，Zhenyang等人的“DistributedOptical Fibre Sensors Based on Optical Frequency Domain Reflectometry: Areview”Sensors（瑞士巴塞尔）18（2018）：104–127。
目前使用的多模光纤允许多于一百种模式的传送。模式之间的光传播速度的差异及其空间分布是使得以其典型形式使用COTDR技术的分布式光学测量在使用多模光纤的情况下不可能实行的主要因素。
专利申请CA2725353C揭示了一种光时域反射仪（OTDR）系统，其被配置为测量来自多模光纤的反向散射。该系统包括单个空间模式过滤系统，用于选择响应于引入多模光纤中的光学脉冲而产生的单个Rayleigh反向散射圆。所选择的单个散斑可以用于执行分布式振动测量。
申请US8520197B2揭示了一种分布式光纤系统，其中感测光纤至少包括用于独立振动测量操作的第一和第二波导。根据该文献的内容，感测光纤可以是具有单模纤芯和多模内包层的双绞光纤。
单模光纤在电信中用于长距离信号传送——以几公里、几十公里或者甚至几百公里的数量级。这种系统中使用的光纤被很好地绝缘和保护，以避免信号损失和串扰。由于这些保护，它们不能很好地作为传感器工作。
要解决的技术问题
已知的光纤测量系统一般使用具有小纤芯直径的单模感测光纤，其使用由于光纤结构中的非线性现象而涉及限制源的最大功率。因此，最大测量距离受到不引起非线性现象的最大功率的限制。附加地，由于测量信号的可视性降低，专用于单模光纤的测量系统不能很好地与多模感测光纤一起工作。这是不方便的，因为现在多模通信光纤在建筑和基础设施的构造期间被例行安装。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量系统、一种适配电信网络的方法以及一种测量和通信系统，它们提供了通过使用在短程电信网络、特别是在室内或建筑间网络中使用的多模光纤作为测量光纤来测量物理量的可能性。
根据本发明，一种光纤测量系统，其配备有受控光生成系统和经由包括定向设备的光路连接的接收系统，并且其另外具有用于控制光生成系统以及用于接收和处理来自接收系统的信号的处理单元，其特征在于如下事实：它具有选择性模式设备，并且适配为通过选择性模式设备连接到光纤电信网络，并且处理单元适配为实现OFDR或COTDR测量技术以用于测量光程的改变并且将它们处理成一个或多个参数、特别是温度和/或应变。选择性模式设备确保测量信号的足够可视性。OFDR和COTDR技术提供了作为测量光纤长度的函数来测量物理量（诸如温度、压力、应变）的可能性。根据本发明的测量系统——连接到多模光纤上的现有网络——使得其能够用作感测光纤。
优选地，该选择性模式设备是模式过滤器、特别是选择性地增加高阶模式损失的设备，诸如在US10502897B2中公开的那些。
优选地，该选择性模式设备是选择性模式激励系统。这种系统促进使用不同的模式同时测量两个参数。
一种选择性模式设备优选地是全息板或全息板序列。这种解决方案确保了输入到光纤中的光的低损失，并确保了关于寻址模式数量的相对自由度。存在用于独立寻址从几种到几十种模式的已知解决方案。替代地，该选择性模式设备是不对称耦合器系统。
优选地，处理单元配备有频率过滤模块，用于过滤光程改变的测量结果。这种解决方案允许该系统将由快速改变的变量（诸如振动）引起的光程改变与由缓慢改变的变量（诸如温度）引起的光程改变分离，并且因此允许同时测量它们。
优选地，该选择性模式设备被控制并连接到处理单元，并且被适配为进行不同阶模式的连续激励，而处理单元被适配为借助于不同阶的至少两种模式来确定测量中的两个参数、特别是温度和应变。
甚至更优选地，处理单元被适配为借助于不同阶的至少三种模式来确定测量中的两个参数、特别是温度和应力。这允许超定方程组并且减少误差。
优选地，光纤测量系统配备有耦合器和一段光纤以将其连接到电信网络。这允许系统插入网络，即使光纤的自由端不可用亦如此。
根据本发明的将具有大于或等于20 μm的纤芯直径的电信光纤适配到测量系统中的方法的不同之处在于，电信光纤经由选择性模式设备连接到测量系统的光路，该测量系统具有借助于定向设备连接的受控光生成系统和接收系统。使用具有20 μm或更大的纤芯直径的光纤促进获得足够的最大测量距离并促进激励测量模式。
优选地，现有光纤网络中的光纤段连接到根据本发明的光纤测量系统，并且电信网络的光纤被切断并连接到耦合器。
优选地，用于数据传送和用于确定表示物理量的参数（特别是当从包括温度和应变的组中选择时）的光纤测量和通信系统包括至少一个根据本发明的光纤测量系统，该系统附接到配备有传送器和接收器的电信网络，该传送器和接收器连接到具有大于20 μm直径的纤芯的光纤，并且传送器波长与光生成系统的波长相差至少10 nm。
优选地，电信网络的光纤具有大于47 μm的纤芯直径。这允许更大的模场和以更大的功率工作同时避免非线性现象的可能性。
优选地，传送器在低于900 nm的波长下操作，并且光生成系统在高于1000 nm的波长下操作。这允许使用具有不同波长灵敏度关系的检测器，以及测量和通信信号的更好分离。
根据本发明的传感器使得能够以分布式方式测量折射率的改变，即光程的改变。通过测量光程的改变，有可能借助于上述技术确定多模光纤的温度或应变的改变。该解决方案为现有的和已安装的多模光纤添加新的功能性，并且在SMDM（空间模分复用）技术发展的上下文中是重要的，这可能导致在长距离数据传送线路中增加使用少模和多模光纤。
使用本发明，可以测量不同模式之间传播常数的差异。这使得能够以分布式方式测量光纤的质量，即评估参数是否沿其长度保持以及保持到什么程度，而不只是来自在其上进行测量的段的整个长度的平均值。
测量系统以及测量和通信系统的结构限制了在这种测量中出现的非线性现象的影响。这种限制允许增加系统的输入功率，并且从而增加测量系统的最大距离。例如，对于长度超过50 km的单模光纤，传送损失太高，并且由于噪声而不可能进行测量，而增加输入功率导致非线性现象的发生，这也使得不可能进行测量。所提出的系统的使用允许在不生成非线性现象的情况下增加功率，并且因此增加最大测量可达范围。
优选地，光生成系统具有大于或等于5 dBm、并且更优选地大于20 dBm的光学功率，这使得能够在建筑内或建筑间网络的整个区域上实现足够的灵敏度。
附图说明
本发明的目的被描述为附图中的实施例，其中图1a示出了根据本发明的光纤测量系统的实施例的框图，图1b示出了根据本发明的光纤测量系统的替代实施例的框图，图1c示出了测试测量系统的示意图，图1d示出了根据本发明的测量系统的替代实施例的示意图，图2a-d示出了对于光纤a）SMF b）Draka OM4 c）Draka 6LP d）InPhoTech 4LP，用实线标记的测量信号及其用虚线标记的对于2 m段的可视性，图3a-d示出了作为光纤a）Draka OM4b）Draka 6LP c）InPhoTech 4LP的施加应变和线性匹配的函数的频率偏移的测量值。基于线性近似的基本模式上的测量灵敏度的确定值分别为138±16、133±17和152±16 MHz/με，图4a-c示出了作为光纤a）Draka OM4 b）Draka 6LP c）InPhoTech 4LP的所施加应变和线性匹配的函数的频率偏移的测量值，而图5a和b分别表示作为本发明实施例中的通信网络检测器和测量系统检测器的波长λ的函数的灵敏度R。
具体实施方式
图1a中示出了根据实施例的适配为连接到电信网络插座的光纤测量系统的框图。图1a中所图示的光纤测量系统包括经由光路连接的受控光生成系统1和接收系统2。光路包括定向设备4，它是通过单模光纤3连接到光源1和接收系统2的循环器。循环器输出经由单模光纤3连接到选择性模式设备5。选择性模式设备配备有连接到电信网络插座12b的插头12a。插头和插座的连接导致根据本发明实施例的光纤测量设备连接到电信网络。用多模光纤连接到现有网络使得该光纤能够用作感测光纤7。
当作为网络的一部分的光纤被放置在可接近的地方并且用标准光纤连接器（例如FC、SC、E200、LC或另一种标准连接器）端接时，该解决方案特别方便。
在该情况下，选择性模式设备的输出可以直接连接到作为网络一部分的光纤的可用端，或者连接到现有网络基础设施中的适当插座。如果使用光纤7来实行数据传送，则可以使用WDM耦合器来分离由光生成系统1生成的测量信号和电信信号。替代地，可以通过使用具有不同特性的其他检测器来实现分离，只要电信网络传送器的波长和光生成系统1的波长足够不同，这意味着它们中的一个明显高于1000 nm，并且另一个明显低于1000 nm。
通过用模式复用器寻址OM4多模光纤，可以实现测量和通信信号的附加分离，从而使得能够独立访问例如LP01和LP11模式。在这种情况下，模式复用器可以放置在光纤的不同端。传送系统应该连接到一对适当的复用器输出，其对应于LP01模式。测量系统应该连接到对应于LP11模式的输入。可以同时实行在模式LP01下借助于数据通信设备的传送和在模式LP11下借助于根据本发明的测量系统的测量。
电信网络7的多模光纤是测量光纤，其中来自光生成系统1的光被散射。散射结果返回到光纤测量系统，穿过提供足够可视性W的选择性模式设备5，并在接收系统2中受到干扰和检测。
当将根据本发明的光纤测量设备连接到如上所述的电信网络时，需要光纤连接器的标准清洁和检查网络的状况。网络检查可以借助于光学反射计实行。这种检查允许检测损坏或不起作用的连接器。此外，与任何COTDR设备连接一样，可能有必要调整输出功率水平，以避免光纤中出现非线性现象。可以通过修改光学放大器的电源参数或改变系统其他部分的设置来进行功率调整。基于在接收系统2的检测器处记录的作为时间函数的测量信号的可视性检查，可以选择适当的功率水平。
测量系统配备有处理单元9，用于控制光生成系统1并接收和处理来自接收系统2的信号。如Y. Koyamada, M. Imahama, K. Kubota和K. Hogari的“Fiber-OpticDistributed Strain and Temperature Sensing With Very High MeasurandResolution Over Long Range Using Coherent OTDR”（J. Light. Technol. 27, 1142–1146）中所述，使用处理单元实现用于测量光程改变并将它们转换为温度改变的COTDR测量技术。该解决方案可以特别用于服务器机房中的温度测量。服务器机房配备有网络基础设施。同时，服务器机房中光纤基础设施内的光程的改变主要是由温度改变引起的，温度改变是由于其他环境暴露的边缘存在所致，这些环境暴露引起诸如压力或应变改变之类的改变。当调谐小于或等于500 MHz的光生成系统1时，具有1°精度的测量需要使用波长步长。该步长被理解为脉冲频率的最小施加改变。
根据本发明的光纤测量系统也可以在其中多模电信光纤没有用方便的连接器端接的情形中插入电信网络。在这种情况下，光纤测量系统配备有通过选择性模式设备6的光纤8的一段附接的耦合器6。耦合器6插入电信网络的光纤7中，如图1b中所示。
根据本发明，提供了一种将光纤电信网络的多模光纤适配到测量系统中的方法。为了使能实现多模操作，网络应该配备有每个测量和通信系统具有纤芯直径为20 μm或更大的光纤。该适配包括将图1a、图1b或图1d中所示的根据本发明实施例的光纤测量系统连接到电信网络的光纤7。于是，光纤7是感测光纤，与测量系统一起形成传感器。特别地，匹配的连接器可以被连接，并且可以获得一种解决方案，其中根据本发明的光纤测量系统被附接到光纤7的端部——如图1a中所示，或者耦合器6可以被插入光纤7中，从而获得图1b中所示的配置。在这两种情况下，电信网络的光纤7成为感测光纤。测量光纤7经由选择性模式设备5连接到光纤测量系统的光路，该光纤测量系统配备有借助于定向设备4连接的受控光生成系统1和接收系统2。
为了用典型的多模电信光纤进行测试，根据本发明创建了一种光纤测量系统，其示意图在图1c中示出。光生成系统1包括激光器、偏振控制器PC、电光调制器EOM、和脉冲生成系统中的半导体光学放大器SOA以及光学放大器EDFA。
接收系统2包括具有检测器PD的示波器，检测器PD在输入处配备有光谱过滤器和光学放大器EDFA。
光生成系统1和接收系统2经由循环器4连接到选择性模式设备，选择性模式设备的第三端口经由单模光纤3被连接5。选择性模式设备5连接到感测光纤7，其中应变施加系统以测微台的形式提供10，其具有25 mm的调整范围和距离该台300 mm的手柄。在感测光纤的端部处保留有10 m长的自由段11。
光生成系统1由处理单元9控制。该单元也用于接收和处理来自示波器的数据。
为了检查在三个少模和一个多模光纤上实行的应变测量的灵敏度，构建了高分辨率φ-OTDR系统，类似于Y. Koyamada, M. Imahama, K. Kubota和K. Hogari的“Fiber-Optic Distributed Strain and Temperature Sensing With Very High MeasurandResolution Over Long Range Using Coherent OTDR”（J. Light. Technol. 27, 1142–1146）中所呈现的。
作为感测光纤7，测试了4 km的OM4光纤、1 km的Draka 6LP光纤和100 m的InPhoTech 4LP光纤。
该系统附加地扩展有以高阶模式过滤器（HOMF）形式的选择性模式设备5，其按照L. Chorchos, J. P. Turkiewicz, L. Szostkiewicz, M. Napierala, L. Ostrowski,B. Bienkowska和T. Nasilowski的“Passive higher order mode filter for 850 nmmultimode fiber transmission”（Microw. Opt. Technol. Lett. 59, 1959–1962(2017)）中的描述来执行。
在光生成系统1中，使用工作在1550 nm下的DFB激光器。在测量开始之前，通过改变电源电流来测量激光器的波长调整特性。调谐范围为29 GHz，使用更宽的范围可以实现更高的分辨率。为了正确测量作为激光调谐函数的光纤每个点辐射强度的改变，调谐期间的波长步长为92 MHz。这提供了充分的波长扫描，其对于正确测量温度或应变、更精确地确定光谱偏移是必需的，并且因此，可以用较小的步长获得测量。然而，测量时间随着激光长度步长的减小而增加。例如，92 MHz的步长转化为0.2°的温度测量精度。为了获得2 ns的光学脉冲，使用了电光调制器EOM。用作光闸的半导体光学放大器SOA——脉冲生成系统——与EOM同步，以便获得60 dB的消光系数，这允许我们在5 km长的光纤上获得20 cm的空间分辨率。通常，为了生成脉冲，需要连续源、短电脉冲生成器和根据设置的脉冲来调制输出处的光强度的元件。这样的元件可以是SOA或EOM，或者同时是两者。处于“关闭”状态的SOA和EOM让一些光通过。“打开”状态下传送的功率与“关闭”状态下传送的功率之比称为消光系数。该值越高，脉冲与噪声就越可区别。SOA和EOM调制器的串联连接提供了比它们中每一个单独而言更高的合成消光系数。这些设备必须同步，以便其中一个设备发射的脉冲不被另一个设备切断。为了增加脉冲功率，使用了光学放大器EDFA。
光学脉冲经由定向设备4——循环器以及选择性模式设备5馈送到感测光纤中。在该实施例中，选择性模式设备5是模式过滤器。在没有模式过滤器的情况下，在多模光纤中传播的脉冲将激励所有模式。为了避免这种影响，使用了高阶模式过滤器（HOMF），它允许我们过滤高阶模式并且仅激励基本模式。执行M2测试以对过滤器正常操作进行检查。对于每个光纤，获得的值小于1.1。在光纤结构中没有强扰动的情况下，光学功率仅在所选择的模式中传播；由于它们的正交性，从基本模式到高阶模式没有功率耗散。作为Rayleigh散射的结果，在光纤中传播的脉冲的部分功率从每个点反射回在测量光纤中传播的所有模式。返回信号再次被模式过滤器过滤，这导致更高的可视性W。
然后，返回信号被第二光学放大器放大，以增加信噪比。为了滤除自发发射ASE的噪声，在系统中使用了具有光谱宽度为1 nm的可调谐过滤器。信号由接收系统2记录，接收系统2以配备有1 GHz DC检测器的示波器的形式实现。该检测器带宽允许保持测量的适当空间分辨率；通过使用更多的宽带检测器可以实现更好的分辨率。一般来说，具有大于0.5GHz波段的检测器适当地工作。示波器以4 GHz的采样速率操作。
为了在光纤上施加已知的应变，构建了基于测微台10的系统，感测光纤7在距离其自由端近似10 m的地方连接到该测微台10。附接到模式过滤器的另一端已被固定。
光纤应变的测量包括记录来自两次激光扫描的数据。第一次扫描在未应变的光纤上实行，第二次扫描在光纤应变之后执行。对于光纤的每个点，已经计算了波长和强度之间的互相关值。基于最大互相关值，确定激光波长偏移，其通过线性相关性与光纤的应变相关。
测试是在三种不同的光纤上实行的。第一种是商业上可获得的多模光纤OM4（Draka），其中34个LP模群可以在1550 nm的波长下传播。下一种光纤是Draka的6 LP分级指数。测试的最后一种光纤是由InPhoTech制造的4 LP光纤，其纤芯直径为24 μm。所有这些光纤通过折射率的抛物线分布来表征。选择了这些光纤来测试通常用于室内通信并且用作短距离电信线路的少模和多模光纤两者上的单模测量。
使用一系列不同直径的光纤作为感测光纤来测试本发明。在从45到55 μm的范围内、特别是50 μm获得最佳结果。使用更大直径的光纤，由于更大的模场而可以实现更长的范围，这允许感测光纤7的线性范围内的更大功率低于导致非线性现象的功率值。还测试了具有62.5 μm纤芯的光纤的操作。利用具有20 μm纤芯的光纤已经可以实现足以在单个建筑内进行测量的范围。
为了在单模光纤上使用ϕ-OTDR系统进行正确测量，预期的信号可视性至少应为0.75。信号的可视性定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中I max 和I min 分别是最大和最小信号强度。为了正确表征该系统，已经计算了每2m感测光纤的可视性。如您可以看到的，对于光纤的每一段，可视性都达到0.75以上的值，这证明了测量的正确性。图2对于每个测量的光纤将光纤信号描绘为实线，连同它们的可视性用虚线标记。少模和多模光纤的结果类似于单模光纤的结果。
图2示出了对于光纤a）SMF b）Draka OM4 c）Draka 6LP d）InPhoTech 4LP使用检测器记录的用实线标记的测量信号及其用虚线标记的对于2 m段的可视性。
针对少模和多模光纤获得的可视性类似于针对单模光纤获得的可视性。
测量的第三步骤是分析通过改变光纤测试段上的光纤应变而引入的频率偏移。对于每个光纤，收集了针对不同应变的三个测量。为了验证测量条件的恒定性，对于给定的每个光纤和应变实行了两次测量。对于每对这样的测量，光纤每个点的波长偏移接近0 GHz，这指示测量的正确性和可重复性。图3示出了互相关值作为光纤长度和频率偏移的函数的图。图3（a）中呈现的绘图示出了整个Draka OM4光纤的测量数据。图3（b）、（c）和（d）分别呈现了仅来自在Draka OM4、Draka LP和InPhoTech 4 LP中应变的段的数据。对于所有光纤，应变段的最大互相关值的偏移清晰可见。同时，可以看出，该偏移仅涉及应变片段，并且没有发生在光纤的其余部分中。通过测量设置应力的三个不同值之间的频率偏移，并将直线调整到所获得的值，可能的是确定所有测试光纤的基本模式的测量灵敏度。由于激光长度调整步长，在测量中标识了测量误差。测量小于半个调谐步长的改变是不可能的。获得的所有值差异不超过来自单模光纤灵敏度（150 MHZ/με）的测量误差值。
图4示出了作为光纤a）Draka OM4 b）Draka 6LP c）InPhoTech 4LP的施加应变和线性匹配的函数的频率偏移的测量值。基于线性近似的基本模式上的测量灵敏度的确定值分别为138±16、133±17和152±16 MHz/με。
上述实施例示出了在多模光纤上使用COTDR技术的分布式应变测量，这在最先进技术中是未知的。基本模式的选择性激励和来自单模的返回信号的检测允许在现有和未来的多模通信线路上实行ϕ-OTDR测量。
上述配置允许获得包含具有可调谐波长的光生成系统的传感器系统，该光生成系统由连接到接收系统的处理单元控制。处理单元、光生成系统和接收系统可以彼此接近地定位，而感测光纤放置得更远7。这仅需要使用单模光纤3的较长段。
这也允许使用放置在不同位置中的多个传感器和多个感测光纤来获得可扩展的系统。
在根据本发明的光纤测量系统中使用与电信网络的波长不同的波长使得更容易确保传感器系统在现有电信网络中的共存。归因于此，可以在不中断电信网络中的传送的情况下实行测量。
通过将根据本发明的电信网络连接到根据本发明的光纤测量系统，根据本发明的电信网络的适配的结果是在测量期间使用电信光纤专门作为感测光纤的测量系统——如果电信设备在测量期间被关闭的话。
另一方面，如果确保在测量系统、电信网络的传送器和接收器之间的共存，则创建光纤测量和通信系统，以用于数据传送和参数（特别是温度和应变）确定。于是，该网络具有至少一个操作性电信数据传送器和接收器，其连接到具有超过20 μm直径的纤芯的光纤，从而允许使用多种模式和更高的功率。具有较大纤芯直径的光纤的较大数值孔径允许信号更容易地输入到光纤中，这简化了传送系统。同时，更大的模场允许使用更多的功率，这增加系统的最大测量距离。这是优选的，因为它使得使用高阶模式同时测量一个以上的参数成为可能。如果使用具有25 μm、并且又更好为47 μm或更大的直径的纤芯，这甚至更容易。
传送器的波长与光生成系统1的波长相差至少10 nm。
如果传送器（像典型的传送器一样）在低于900 nm的波长下操作，并且光生成系统1被设计为在大于1000 nm的波长下操作，则测量和通信信号的分离是容易的。该布置适于极大比例的通信网络。
如果λ1和λ2之间的差异大于10 nm，则在波长λ1下操作的根据本发明的光纤测量系统可以使用在建筑和建筑间电信网络中使用的在波长λ2下操作的现有多模光纤。将测量系统连接到这样的光纤允许获得传感器，其中通信光纤充当感测光纤。如果λ2是短于900nm的波长，并且λ1是长于1000 nm的波长，则由于需要使用由不同材料制成的接收系统，测量信号将不会被电信系统检测到，并且电信信号将不会被传感器系统检测到。如果λ1和λ2大于1000 nm，则可能的是使用电信中使用的WDM耦合器来分离不同波长的信号，从而分离测量和电信信号。λ1和λ2的这种系统所需的最小差异为10 nm。利用根据本发明的传感器和通信系统的同时共存和相互作用，实现了测量和通信系统。
例如，在配备有VCSEL（垂直腔面发射激光器）光源和波长λ2 = 850 nm下的硅检测器的多模光纤中的数据传送网络中，使用具有多模光纤7的传感器，该传感器配备有用于生成辐射的系统，该系统配备有波长为1550 nm的激光器。因此，数据网络和测量系统的激光器分别具有低于900 nm和高于1000 nm的波长。在本实施例中，在数据传送网络中和在测量系统中，在数据传送网络中使用用于其相应波段的适当检测器，即850 nm下的硅检测器和1550 nm下的InGaAs铟镓砷检测器。
图5a和5b中示出了灵敏度R作为通信网络检测器和测量系统2的λ波长的函数的绘图。硅检测器具有约为400-1100 nm的操作范围，并且InGaAS检测器具有为800-1700 nm的操作范围。检测器的操作范围部分重叠，但是它们响应的最大值存在于分离的波长值中。结果，操作在850 nm下的数据传送网络的源对接收系统2中的InGaAS检测器的响应几乎没有影响，并且光生成系统1不会干扰电信网络的硅检测器。结果，可能的是获得传感器和数据传送的不受扰动的同时操作。通过在传感器（图中未示出）中使用1300 nm高通过滤器，可以实现附加的噪声降低，该高通过滤器与选择性模式设备5串联地连接到路径。
替代实施例使用光生成系统1的波长λ1，其更接近数据传送网络中使用的波长λ2。当波长差异
Figure 568051DEST_PATH_IMAGE002
至少为10 nm、优选为50 nm时，测量信号成功地从传送信号中滤除。
如果λ1和λ2均大于1000 nm，则难以使用使能实现容易区分的检测器。可能的是使用电信中使用的WDM耦合器来分离不同波长的信号，从而分离测量和电信信号。
在该配置中，传感器和数据传送设备两者经由耦合器或将信号过滤到单独的通道中的WDM过滤器而连接到感测光纤7。在传感器的情况下，WDM耦合器放置在选择性模式设备和感测光纤7之间。传感器和数据传送系统之间所需的最小波长差异为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
例如，数据传送系统中波长λ2 = 1310 nm下的多模光纤可以用作根据本发明的传感器的感测光纤7，该传感器配备有用于生成波长λ1 = 1550 nm下的辐射2的系统。对于这样的波长，用于传送的光源和传感器中使用的光源之间的差异是240 nm，并且均在1000 nm以上的范围内操作。在这样的情况下，对于正常操作而言需要WDM过滤器。这种过滤器应该应用在所使用的光纤的两端。对于指定的波长，当传送设备连接到通道31并且传感器连接到通道55——根据ITU-T G.694.2采用通道指定——时，获得良好的结果。该配置允许传感器和数据通信网络的设备不中断地操作。
混合系统也可以使用多模多纤芯光纤以及在分离模式和/或分离纤芯中激励传感器和电信信号来构造。
根据本发明的解决方案与多模网络兼容，并且可以用作仅在一种光纤模式下操作的传感器。
模式过滤器可以用于选择性地增加高阶模式的损失。作为选择性模式设备5，也可以使用全息板或全息板序列。良好的模式过滤器的实施例也是美国专利US10502897B2的目的。
在一些情形中，由于多于一个参数，感测光纤被暴露于光程的改变。例如，当光纤暴露于振动和温度改变两者时就是这种情况。这使得测量更加困难，因为于是需要求解具有两个未知参数的线性方程，并且这在代数上是不可能的。其中振动和温度同时发生的情况可以通过使用频域鉴别来解决。机械振动与光程的改变相关联，光程改变比温度波动引起的改变快得多。借助于低通过滤器对表示作为时间函数的光程改变的信号进行频率过滤允许获得与温度相关的改变，以及借助于高通过滤器进行频率过滤允许获得与机械振动相关的改变。
使用在具有1 kHz或更高脉冲重复速率的脉冲模式下操作的固定波长光生成系统，可能的是以足以确定建筑中通常存在的频率范围内的机械振动频率的速率进行测量。在这种系统中，通过连续脉冲在连续测量中检测检测器上的测量信号的行为随时间的改变。通过分析具有连续脉冲的连续测量中的改变来确定感测光纤7的对应于时间上的给定延迟的点处的振动频率。测量机械振动频率对于评估在建筑附近实行的构造工作的危害性是重要的。这种测量一般不需要良好的空间分辨率，单米就足够良好。
例如，当测量建筑中的应变时，该方法并不总是可能的，在这种情况下，与温度相关的长度改变和与应变相关的光程改变均是缓慢改变的。使用频率过滤于是不能解决为两个未知参数求解一个方程的问题。需要增加方程的数量。这可以在测量中使用多于一种模式来完成。使用具有不同传播系数的不同阶模式使得能够同时测量两个参数。
当用两种不同的模式测量时，为了同时测量两个参数——即温度和应变，获得方程组：
Figure 406562DEST_PATH_IMAGE004
其中特定量意味着：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
使用光程的改变测量的第j模式的有效折射率的改变；
Figure 717458DEST_PATH_IMAGE006
在校准中确定的系数，表示受温度影响的第j模式的有效折射率的改变；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
在校准中确定的系数，表示受应变影响的第j模式的有效折射率的改变；
Figure 784771DEST_PATH_IMAGE008
温度改变；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示应变的相对长度改变。
在适当校准的测量系统中，该方程组是具有两个未知参数的两个方程的组，当行列式不为0时可求解：
Figure 21980DEST_PATH_IMAGE010
方程组的解允许两个未知参数被测试。
在其中设置更多参数和使用更多模式——确切地说：J个参数和J种模式，具有不同的有效折射率并且对表示待测量参数（例如：应变、压力、温度、辐射）的环境因素作出不同的反应——的实施例中，求解方程组的条件是测量矩阵Mp[J×J]的非零行列式。
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中
Figure 6292DEST_PATH_IMAGE012
是在第k物理量的影响下第j模式的有效折射率的改变。同时
Figure DEST_PATH_IMAGE013
并且
Figure 211009DEST_PATH_IMAGE014
。
在其中确定更多参数（K个参数）和使用更多模式（J种模式）——具有不同的有效折射率并且对表示待测量参数的环境因素作出不同响应——的实施例中，测量矩阵不是正方形的。方程组可求解性的条件是J≥K，以及矩阵的非零行列式，其是测量矩阵及其转置的乘积
Figure DEST_PATH_IMAGE015
。
Figure 98324DEST_PATH_IMAGE016
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE017
是在第k物理量的影响下第j模式的有效折射率的改变，而
Figure 95099DEST_PATH_IMAGE018
且
Figure DEST_PATH_IMAGE019
并且
Figure 652245DEST_PATH_IMAGE020
。
测量光纤质量的量度是矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE021
行列式的值，其中元素
Figure 593525DEST_PATH_IMAGE022
是在第k参数的影响下第j模式的有效折射率的改变。最大化所呈现矩阵的行列式使区分个体参数的误差最小化，该误差是由确定个体模式的有效折射率改变的测量误差的数值传播所产生的。
利用许多测量模式的测量需要使用受控的选择性模式设备5。
这样的设备的示例可以是模式复用器。该设备具有借助于少模或多模光纤执行的一个输出。此外，它具有几个或十几个输入。输入数量取决于该设备寻址的模式数量。输入光纤可以是单模光纤。模式复用器的操作包括将来自给定输入的光引入多模光纤的适当模式通道中。在某种精度下，可以假设通道是独立寻址的，并且能量仅被引入所选模式中。该设备在另一个方向上也类似地工作，过滤来自多模光纤的信号，将其分成适当的模式，其能量由相应的输入供应。
在图1d中所示的实施例中，选择性模式设备5被控制并连接到处理单元9，并且适配为不同阶模式的连续激励。处理单元适配为在测量中借助于不同模式阶数的至少两种模式以及控制选择性模式设备5来确定温度和应变。优选使用可编程处理单元9，然后基于测量信号和校准数据控制和确定被测对象的任务可以通过在处理单元9上运行的计算机程序来解决。
建筑电信网络的光纤通常穿过建筑高度的很大一部分，并且至少在几个点中被刚性地绑定到其结构。因此，电信网络对测量网络的适应及其作为感测光纤7的使用以及消除温度的影响允许获得建筑中应变的测量。
如果光纤还被设计成从一开始就执行感测功能，则可以实现甚至更好的结果。然后，可以在方便的设计点处附接光纤并预拉伸，从而即使在点之间的距离减小（变松）时也允许进行测量。
在建筑几何形状改变期间，感测光纤随着结构一起改变其长度，这直接转化为光纤应变的可测量改变。利用建筑中光纤的已知分布和定位光纤应变改变的可能性，分布式测量使得我们能够正确地解释数据和模拟建筑应变。
归因于该作用，该设备可以用来代替模式过滤器。在这种情况下，测量系统连接到复用器的所选择输入（例如，对应于基本模式LP01的输入），并且感测光纤连接到复用器输出。在这种情况下，复用器像模式过滤器一样工作，从而使得能够实现正确的测量。在对第一所选模式执行测量之后，可能的是将测量系统重新连接到对应于另一种模式（高阶模式之一，例如LP 11）的另一个输入。在这样的配置改变之后，可以再次执行测量。
切换可以由用户手动完成，或者可以通过使用自动光纤开关连同控制系统来自动化完成。例如，可以使用以1x2配置（一个输入，两个输出）的标准的基于MEMS的开关。在这种情况下，测量系统连接到开关输入，并且两个所选复用器输入连接到该开关的输出。使用开关的控制系统，可以将开关设置到基本模式测量的位置之一，并且然后切换到高阶模式测量的位置。该系统可以与测量设备的脉冲生成和处理系统耦合。
模式复用器的使用使得能够测量两种光纤模式，并且然后比较所获得的结果。如果所选模式属于不同的模式组，那么它们的有效折射率变化。温度灵敏度和应力灵敏度的系数也不同。通过在两种光纤模式下测量相同的物理改变——温度或应变的改变，可能的是创建方程组。通过求解该方程组，可能的是独立地确定每个提到的量。
在实施例中描述的系统的另一个应用是测量模式的有效折射率的差异，这可以在例如光纤的表征期间使用。
模式复用器思想的技术实现的一个实施例是使用全息板序列。可能的是创建模式复用器，其使得能够独立访问由Prysmian group制造的Draka 4 LP多模光纤的六种模式。模式复用器的一个重要参数是引入给定输入所寻址模式之外的模式的能量水平。在全息板技术的情况下，可能的是在-15 dB处获得引入其他模式的功率与引入所选模式（例如PROTEUS-S）的功率之比。在实践中，这意味着使用利用该技术制成的复用器对寻址模式进行正确测量是可能的。
选择性模式激励的另一个实施例是不对称耦合器的使用，除其他之外还如在Q.Huang, Y. Wu, W. Jin 和K. S. Chiang的“Mode Multiplexer With Cascaded VerticalAsymmetric Waveguide Directional Couplers”（在Journal of Lightwave Technology,vol. 36, no. 14, pp. 2903-2911中,15 July15, 2018, doi: 10.1109/JLT.2018.2829143）中所公开的。在这种情况下，该设备基于光纤耦合器序列，使得它们以这样的方式以便能够独立激励模式，尽管在最简单的情况下，一个将是足够的。该设备可以具有一个单模光纤输入和两个独立的多模光纤输出。在每个输出中激励一种模式，例如LP01基本模式和LP11高阶模式，例如来自KS PHOTONICS。当使用该解决方案时，测量系统连接到输入端口。感测光纤应该连接到输出端口之一。在所选模式的测量之后，感测光纤必须切换到第二复用器输出。
使用该解决方案的优点在于使用相对简单的复用器对几种模式进行测量的可能性。
该解决方案的缺点包括与具有全息板的示例解决方案的97%相比80%的低耦合效率，以及在测量自动化方面需要使用访问起来更加困难得多的多模开关。
取决于应用，使用适配为实现各种测量技术的处理单元9和测量系统的专用组件。
COTDR技术需要窄光谱源——具有调谐中心波长的可能性——进行测量。为了执行完整的测量，有必要发送几个或几十个——取决于所需的温度或应变测量范围——具有不同中心波长的脉冲。调谐发生在脉冲生成之间，并且不必连续进行。
该解决方案的缺点是低测量速度，一次测量可持续一分钟。由于对于单次测量必须收集至少几个散射脉冲的事实，该技术对于监测快速改变的现象（诸如几K/min的振动或温度改变）不是很方便。
使用COTDR技术的测量可以以10 cm数量级的相对高的空间分辨率实行，并且甚至在几公里或甚至几十公里数量级的距离处是个位数cm。
使用该技术的测量允许参考参考测量，从而可以周期性地实行测量。不需要对建筑进行连续测量来确定其应变。对于测量建筑的应变和服务器机房中的温度，由于这两个参数的改变相当缓慢，因此该技术是最佳选择。
Chirp-OTDR技术是COTDR的一个特例。该测量使用光脉冲，其中中心波长在单个脉冲发射期间被调谐。该技术的优点在于在单次发射中定量测量所选参数的可能性。缺点在于COTDR具有几米的较低空间分辨率，这是因为由于脉冲必须持续足够长才能执行波长调谐过程，因此脉冲不能太短。在脉冲期间调谐源的波长也需要更复杂的源布局，因为需要调谐的同步、测量和线性校正。
OFDR技术基于频域数据分析。它需要线性可调谐的激光器来操作。实际上，应该使用附加的参考干涉仪来补偿微小的源调谐非线性，这使得系统更加复杂并且容易受到环境振动的影响。该技术的缺点还在于测量的持续时间。在一次测量期间，激光器必须调整中心波长，这是以有限的速度完成的。这意味着测量可能花费高达几秒钟。这使得该技术仅适用于测量缓慢改变的现象，而没有振动或其他环境扰动。该技术的优点在于测量具有毫米数量级的非常高的空间分辨率。
本发明允许将建筑中使用的多模光纤网络的功能性扩展到数据传送之外，并将它们用作传感器。所进行的测试的结果允许我们使用COTDR技术来测量由于强风而暴露于高应变的建筑结构——尤其是高层建筑中——的应变，或者测量数据中心中的温度。
光纤电信网络意指光纤基础设施，其可以用于使用通过它传送的光的调制改变来传送信息。该组特别包括永久安装在设施中的电信电缆和光纤，以及可以用于或意图用于电信应用的电缆和光纤。电信光纤被理解为意指可以用于传送信号的任何光纤。
本领域技术人员将注意到，本发明的范围不仅包括基于由Rayleigh散射产生的光信号进行测量的设备，而且还包括使用Brillouin或Raman散射的解决方案。

Claims (15)

1.一种光纤测量系统，具有受控光生成系统（1）和经由包括定向设备（4）的光路连接的接收系统（2），并且进一步具有用于控制光生成系统（1）以及用于接收和处理来自接收系统（2）的信号的处理单元（9），其特征在于，它具有选择性模式设备（5），并且被适配为经由选择性模式设备（5）连接到光纤电信网络，并且处理单元（9）被适配为实现OFDR和/或COTDR测量技术，以用于测量光程的改变并将它们处理成至少一个参数。
2.根据权利要求1所述的光纤测量系统，其特征在于，选择性模式设备（5）是模式过滤器。
3.根据权利要求1所述的光纤测量系统，其特征在于，选择性模式设备（5）是选择性模式激励系统。
4.根据权利要求1或2所述的光纤测量系统，其特征在于，选择性模式设备（5）由选择性增加高阶模式损失的设备构成。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤测量系统，其特征在于，选择性模式设备（5）是全息板或全息板序列。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤测量系统，其特征在于，选择性模式设备（5）是不对称耦合器系统。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光纤测量系统，其特征在于，处理单元（9）具有用于过滤所测量的光程的频率过滤模块。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光纤测量系统，其特征在于，选择性模式设备（5）被控制并连接到处理单元（9），并且适配为不同阶模式的连续激励，而处理单元（9）被适配为借助于不同阶的至少两种模式来确定测量中的至少两个参数。
9.根据权利要求8所述的光纤测量系统，其特征在于，处理单元（9）被适配为借助于不同阶的至少三种模式来确定测量中的两个参数。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光纤测量系统，其特征在于，它进一步具有用于连接到电信网络的耦合器（6）和光纤段（8）。
11. 一种将具有大于或等于20 μm纤芯直径的电信光纤（7）适配到测量系统中的方法，其特征在于，电信光纤（7）经由选择性模式设备（5）连接到测量系统的光路，所述测量系统具有借助于定向设备（4）连接的受控光生成系统（1）和接收系统（2）。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，电信光纤（7）连接到如权利要求10中所指定的光纤测量系统，并且电信网络的光纤（7）被切断并连接到耦合器（6）。
13. 一种用于数据传送和用于确定表示物理量的参数的光纤测量和通信系统，其特征在于，它包括至少一个如权利要求1至10中任一项中所指定的光纤测量系统，所述光纤测量系统连接到配备有传送器和接收器的电信网络，所述传送器和接收器连接到具有20 μm或更大直径的纤芯的电信光纤（7），并且传送器波长与光生成系统（1）的波长相差至少10 nm。
14. 根据权利要求13所述的光纤测量和通信系统，其特征在于，电信光纤（7）具有大于47 μm的纤芯直径。
15. 根据权利要求13至14中任一项所述的光纤测量和通信系统，其特征在于，传送器在短于900 nm的波长下操作，并且光生成系统（1）在长于1000 nm的波长下操作。
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