[发明专利]一种基于模式耦合的分布式光纤传感系统

说明书

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，τ_DMD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。

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：