[发明专利]基于布拉格光栅和光学时域反射计的光纤传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器及包括使用这种光纤传感器的传感方法。

背景技术

传感光纤可以用于不同应用中，例如以控制光纤光学网络的功能性或者在结构上安装成像传感神经系统一样。这些传感光纤主要用来检测并且能够执行与“应变计”相似的功能。

传感光纤表示主光纤线路的物理情况，并且通过检测传感光纤的操作情况，可以确定主线路的环境。

玻璃光纤感测温度或者压力以及张力，温度或者压力以及张力局部地改变光纤中的光学传输和反射特性。玻璃光纤的这种感测性能使得在长距离管道(例如，输送管)中也包括传感光纤成为可能，以便探测和定位变形或者温度变化。

测量脉冲的试探信号反射的标准方法是光学时域反射计(OTDR)，并且使用诸如激光源和脉冲发生器的光电检测设备的组合来发射一系列的光学脉冲到传感光纤端部。

光学脉冲通过光纤传输，并且连续地反射回最初发射脉冲的相同的光纤端部。其他的光电检测设备(与振荡器组合的探测器)通过测量反向散射光，从相同的光纤端部接收并解译反馈信号。反向散射光包含大量的基于沿着光纤的从参考点反射的不同信息。反馈脉冲的强度被测量并且解译成时间的函数，并且可以被绘制成光纤长度的函数。

自基于瑞利散射使用OTDR的分布式光纤传感的首次演示以来，近二十年来，已经广泛地研究了多种分布式光纤传感系统，它们使用诸如拉曼和布里渊散射的不同物理现象。大部分分布式传感技术依赖于自发光反向散射，同时光传播通过沿着受监测的结构安装的传感光纤。但是，在基于瑞利、拉曼和布里渊散射的任何OTDR系统中的自发光散射的效率都不足以在长的测量范围内获得高的空间分辨率。

光散射的过程可以基于在诸如受激布里渊散射的两个光波之间的光学参数相互作用(被称为布里渊光学时域分析(BOTDA))而显著增强。这种类型的传感系统已经展示了其在50km上探询分布的温度和/或结构变形的能力，具有2m的空间分辨率。原则上，空间分辨率由布里渊泵浦脉冲的持续时间决定。所以，仅通过减少泵浦脉冲持续时间就能够获得较高的空间分辨率(小于2m)。然而，传感系统将经受庞大的布里渊共振的光谱展宽，该光谱展宽与脉冲缩短成反比。因此，这将降低BOTDA系统在测量精度方面的传感性能，增加标准偏差。

近来，已经在实验上证明了使用保偏光纤的基于动态布里渊光栅(DBG)的分布式传感(DS)系统，产生了在时域传感系统中曾经报道过的5mm的最佳空间分辨率。与典型的BOTDA系统不同，在该类型的传感系统中，两个不同的物理过程：布里渊光栅的生成和光栅性能的探询完全分离。这样，高空间分辨率和高测量精度之间的平衡关系不再关联。但是，在这种类型的系统中，明显地出现了两个实际的局限。第一，在小于1km的纵向传播过程中，可以保持光波的偏振态(SOP)，严格地限制了可获得的最大测量范围。第二，从实践观点来看，传感系统的复杂性可能成为其在实际应用中实施的实际限制。

除了之前引用的传感系统之外，还开发了其他的传感器种类，即，光纤布拉格光栅(FBG)传感器。

“布拉格光栅”是沿着传感光纤的参考点。它们通常由激光雕刻图案组成，这些图案沿着整个光纤长度以特定且预定的距离压印。

因为这些布拉格光栅，未损坏的检测光纤产生预定且特定的反馈信号至OTDR检测工具。如果光纤传感器受到机械拉力(由于热膨胀、损坏、破裂、加热、压力、磁场或电场等)，OTDR接收修正的反馈信号，并且如果布拉格光栅正好出现在该点，就能够确定损坏点的位置。

这样的FBG传感器公开在以下两个专利中：US4996419和US5684297。光纤展示了多个彼此远离的分离的光纤布拉格光栅。每个FBG具有相对短的长度。如在US5684297中指出那样，短长度FBG的光谱宽度太大，以至于需要探测脉冲的长的频率扫描。此外，脉冲的功率耗散也很明显，因为脉冲光谱比FBG反射光谱短很多。

现有的FBG传感器表现出了多个缺点。它们通常在FBG峰值频移和检测的光功率差之间要求一个预先校准。此外，沿着光纤的温度和应力的变化不均匀，使得原FBG光谱(测量作为参考)失真。这就意味着预先校准将变得模糊不清，一定会降低测量精度。

因此，需要改进现有的FBG传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于布拉格OTDR的改进的光纤传感系统。

另一目的在于提供较高效率的光反向散射。

再一目的在于消除对于光学泵浦波的必然需要，该光学泵浦波用来在光纤中产生动态声光栅。

在那个方面，本发明关注一种在权利要求中限定的光纤。