[发明专利]使用少模感测光纤的分布式布里渊感测系统及方法

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求2011年4月29日提交的、美国申请系列号No.13/097,201以及2012年1月5日提交的、美国申请系列号No.13/344,065的优先权权益，这些申请的全部内容通过引用被依赖并结合于此。

发明领域

本公开一般涉及感测系统和方法，且尤其涉及使用少模感测光纤的分布式布里渊感测系统和方法。

背景技术

对于形成用于测量大楼、桥、隧道、大坝和管道以及船和飞机的结构完整性的光纤感测系统而言，基于布里渊散射的分布式传感器有吸引力。最受欢迎的布里渊光纤感测系统是布里渊光学时域反射计（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry(BOTDR)）。该技术非常类似于基于瑞利的OTDR，其中作为时间的函数记录从强脉冲背散射的自发布里渊光。关于每个时间步长测量背散射信号的频率分布，以确定每个位置处的应变或温度。类似于常规OTDR，BOTDR仅需要接入单个光纤端，这对于很多应用是方便的。然而，BOTDR的空间分辨率实际上限于1m。

另一种光纤感测系统利用布里渊光学时域分析（BOTDA）。该技术利用基于泵浦-探针技术的受激布里渊散射（SBS），其中强泵浦脉冲在其传播期间与反向传播的连续波（CW）探针局部相互作用。可通过在时域中记录探针振幅来分析每个位置处由探针经历的增益。逐步扫描泵浦和探针之间的频率差，且可针对给定的泵浦-探针频率差获得局部放大。然后可通过作为频率的函数分析给定位置处的增益，来重构局部增益频谱。BOTDA需要接入两个光学端，因为泵浦脉冲和CW探针必须在感测光纤中反向传播，这在某些情况下是一种限制。BOTDA受到与BOTDR类似的空间分辨率限制，即，约1m，因为1)空间分辨率和感测灵敏度之间的折衷以及2)当脉冲宽度减少到与声学驰豫时间（～10ns）相对等时布里渊增益频率显著加宽且降低。此外，本领域中关于常规BOTDR或BOTDA系统的一个问题是布里渊频移对于应变和温度的灵敏度。该效应导致测量模糊，因为不知道所观察的布里渊频移是由应变变化引起的还是由温度变化引起的。

为了提高空间分辨率，已经建议使用在维持极化的单模光纤中形成的布里渊动态光栅（BDG）。在这种方法中，声波在一个极化中由泵浦生成，且用于反射在与泵浦不同光学频率下的正交极化探针。报告了实验结果，其中在105m维持极化的单模光纤中以10cm空间分辨率测量分布是应变。然而，维持极化的单模光纤通常具有较高的衰减且比标准光纤更昂贵。此外，维持极化的单模光纤系统所需的感测方案维持极化的组件，这增加了感测系统的附加成本和复杂度。此外，难以在长光纤（即，几千米或更长）上维持给定极化，这限制了传感器系统的长度。

因此，需要一种具有改进的空间辨别率和同时测量温度和应变的低成本光纤感测系统。

发明内容

本公开的一个实施例是分布式布里渊光纤感测系统。该系统包括感测光纤，配置成支持基本导模和至少一个较高阶导模。该系统包括泵浦光源，配置成将泵浦光引入导模之一，以限定泵浦光导模。该泵浦光在感测光纤内形成布里渊动态光栅（BDG）。该系统还具有探针光源，配置成将输入探针光引入除泵浦光导模以外的一个或多个导模，以从BDG形成反射探针光。反射的探针光和输入探针光相对于彼此频移布里渊频移。系统还包括光学耦合到感测光纤的接收器。接收器被配置成检测反射的探针光以确定布里渊频移和反射位置，且在一个示例中是或包括光谱分析器。

本公开的另一个实施例是分布式布里渊光纤感测系统。该系统具有感测光纤，配置成至少支持第一导模和第二导模。在示例中，感测光纤是非维持极化的。系统还包括光学耦合到感测光纤的第一泵浦光源。第一泵浦光源配置成生成在第一导模中在感测光纤中传播的第一泵浦光且形成包含感测光纤的本地布里渊频率的信息的BDG。该系统还包括光学耦合到感测光纤的探针光源。探针光源配置成形成在第二导模中在感测光纤中传播的脉冲探针光。脉冲探针光具有选择的波长，使得脉冲探针光的至少一部分从布里渊动态光栅反射且包括关于本地布里渊频率的信息。该系统还包括接收器，该接收器光学耦合到感测光纤且配置成接收经反射的探针光以确定本地布里渊频率、反射位置以及进而沿感测光纤的至少一个条件。