用於提高分布式光纖傳感器和分布式光纖測量裝置的動態範圍並降低其測量不確定度的系統的製作方法

2023-12-10 01:00:16

專利名稱：用於提高分布式光纖傳感器和分布式光纖測量裝置的動態範圍並降低其測量不確定度的系統的製作方法
用於提高分布式光纖傳感器和分布式光纖測量裝置的動態範圍並降低其測量不確定度的系統發明目的本發明屬於物理技術領域並適用於基於分布式光纖傳感器和分布式光纖測量裝置的測量系統。本發明主要目的是提供一種基於利用光纖拉曼效應的分布式放大器並使用不同泵浦雷射器(pump laser)和反射鏡的系統,其用於提高分布式光纖傳感器和分布式光纖度量裝置的動態範圍(增加測量範圍)並降低其測量不確定度。
背景技術：
分布式傳感器構成一種具有吸引力並極具前景的技術，用於使用長波長的物理參數(諸如變形和溫度)進行感應。近年來，基於光纖技術和諸如瑞利散射的線性效應以及諸如拉曼散射和布裡淵散射的非線性效應的傳感器已日益應用在各種民用基礎設施(橋梁、隧道、建築物、大壩……)、交通設施(飛機、鐵路線……)以及工業(煤氣管線、水管道、石油鑽塔……)的監測設備中。此外，分布式光纖度量技術對評估和控制現有光纖電纜有很大幫助，基本上應用於通信領域。近年來，光纖電纜安裝需求已經顯著增長以至於要求最大限度地均衡現有電纜和新電纜的安裝。為此，具備允許對光纖具體特徵進行分布式度量檢測的測量裝置變得日益重要。待確定的基本參數包括偏振模色散(PMD)、色散及其衍生出的參數，諸如零色散波長(入0)。由於光子與構成材料的原子的互動，任何材料中都產生瑞利散射。這種互動的結果是，如果是某種具體光纖，部分光信號穿過該光纖朝著發射源返回。拉曼效應是與材料介質中的電子互動的光子的吸收以及隨後的發射，其中，與所述介質發生能量交換，引起電子躍遷到虛態並產生具有與入射光子差不多的能量的新光子。可用一種稱作光學聲子的粒子的生成來解釋能量的損耗或增益。布裡淵效應類似於所描述的拉曼效應，不同之處在於，通過聲子的生成來解釋該能量交換。產生與入射光子(或泵浦光子)的頻率不同頻率的新光子的兩種效應在本發明中得到均衡並用作分布式放大器，原因在於，低信號光子在通過光纖的整個傳播過程中從由這些處理所產生的光子中吸收能量。發生在光纖內的非線性拉曼散射和布裡淵散射現象直接取決於溫度變化(拉曼和布裡淵)以及所述光纖的變形(布裡淵)，這成為這些量值的直接感應技術。由於兩種基本的傳輸偏振狀態之間存在傳播速度差異(慢速模式和快速模式)，偏振模色散(PMD)是一種加寬，通過光纖引導的光脈衝經歷這種加寬。如果是統一的單模光纖(其為對稱的且安裝方式使得其曲率不會引發雙折射)，則它應具有零偏振模色散(PMD)。事實上，所有曲率、非對稱光纖等的任意浮動會引起整個光纖雙折射的任意浮動並因此產生光脈衝傳輸時間的差異，這取決於該光纖是朝著一個偏振定向還是朝著另一個定向。光纖雙折射的任意浮動發生在所有安裝的光纖內，並且取決於該光纖的物理特性(折射率、摻雜密度、非圓環狀以及芯子橢圓形……)、該光纖安裝的方式(曲率、微曲率、壓力和張力……)、傳輸線中包含的偏振元件(濾波器、隔離器、布拉格(Bragg)網絡……)以及來自環境的限制(例如，具體為溫度)。色散(CD)是一種光透過光纖的線性傳播產生的現象，其直接與傳播常數對頻率^ ( )的依賴程度有關(D = /cU，其中X是穿過光纖傳播的光波長，P :是P相對於頻率《的衍生)。色散對穿過光纖傳播的信號的影響是使包含信息的光脈衝產生非預期擴寬(加寬broadening)。這要求對所述擴寬進行補償以維持通信不受幹擾，為此，了解具有測量(度量)精度的光纖色散曲線至關重要。事實上非常有趣的是，當確定哪種光波長將用於通信時，商用光纖典型的色散曲線具有其參數D為零的波長。基於這些物理現象，歷年來已經開發出了各種不同的傳感器，諸如那些基於光時域反射儀(OTDR)線性散射和光頻域反射計(OFDR)的傳感器以及那些基於諸如拉曼光時域反射計(ROTDR)、拉曼光頻域反射計(ROFDR)、布裡淵光時域反射計(BOTDR)、布裡淵光時域分析儀(BOTDA)以及布裡淵光頻域分析儀(BOFDA)的非線性散射的傳感器。
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同樣地，如果是光纖測量(度量)，已經基於偏振光時域反射計(POTDR)、相干光時域反射計(COTDR)以及可調相干光時域反射計(TCOTDR)(還已知為OCT-光學相干光反射)並基於類似頻域方法(P0FDR、C0FDR以及TC0FDR)開發了色散分布測量技術(DC、關聯參數分布以及PMD)。所有這些技術均可以在傳統檢測以及基於光子計數的檢測中實施。它們均具有光纖固有的不可超越的局限性，其為光在穿過光纖傳輸中經歷的衰減。測量長度範圍在數十米至三十米之間。當前市場上可獲得的分布式光纖感應系統有富士達(FOS-TA):光纖傳感技術與應用、分布式溫度應變傳感系統(DTS&DTSS)(新加坡，最大測量範圍為30km)；Omnisens =DiTeSt分布式溫度應變監測設備(瑞士、可達30km);敏科(SMARTECH)出售一種類似設備(瑞士)；日本光納株式會社(Neubrex Ltd. Japan):採用預泵浦BOTDA技術(可達25km)；安捷倫(AGILENT):基於多模光纖的拉曼散射的分布式溫度系統N4385A/N4386A (可達 12km)；橫河(Y0K0GAWA) AQ8603 :基於自發布裡淵散射的光纖應變分析儀。分布式光纖測量可獲得的系統有EXFO :基於 TCOTR 的分布式 PMD 分析儀 FTB-5600 ；EXFO :單端色散分析儀FTB-5700 ；GAP :基於光子計數技術的分布式色散分析儀；LUCIOL INSTRUMENTS OTDR L0R-200/220 和 v-OTDR ；ANRITSU MW90760TDRo在上述所有系統中，由於測量信噪比(還有其他參數)隨著隨之而來的所測量值的錯誤而增大，傳感器和測量裝置中的測量不確定度隨著距離感應點或測量點的距離增大而增加。

發明內容
本發明重點說明了用於提高分布式光纖傳感器以及分布式光纖測量裝置的動態範圍並降低其測量不確定度的系統，該系統基於使用不同雷射泵和光纖反射鏡的拉曼效應的分布式光纖放大器系統。這些元件在光纖傳感器或測量對象內引發以虛擬透明模式傳播傳感器信號所需的條件，這提高了傳感器或測量裝置信號的信噪比，增加了動態範圍並將傳感器和測量裝置兩者的範圍增加了 250km。本發明還確保了這裡所保護的每個變量的測量不確定度不隨著距離感應點的距離而變化，所述不確定度在整個傳播過程中(距離達250km)保持不變。同樣地，說明了開發所述技術的不同可能a)分布式放大器系統基於雙向拉曼泵浦，其中，從所述光纖傳感器或測量對象兩端發出單一頻率，其中，傳感或測量信號具有的波長類似於泵浦雷射器的第一斯託克斯拉 曼位移的波長。b)分布式放大器系統中的變量基於具有各種不同頻率的單向或雙向的一階或高階的拉曼泵浦，其能夠通過級聯拉曼色散來級聯其間的放大器，其中，傳感或測量信號具有的波長類似於最低頻率泵浦雷射器的第一斯託克斯位移的波長。c)分布式放大器系統中的變量通過使用設置成與光纖傳感器或測量對象對準的一個或多個反射鏡來補充。d)分布式放大器系統中的變量通過使用一個或多個反射鏡來補充，反射鏡用於在傳感光纖或測量對象內形成有源光腔，從而使該光纖變成虛透明介質。


為了完善說明並幫助更好地理解本發明特性的目的，根據本發明實施例中的優選實例，附圖與說明書一起構成本發明不可分割的一部分，其中以例證和非限制性方式說明附圖，如下圖表不:圖I示出了根據本發明系統對象的實施例a)的視圖。圖2示出了根據本發明系統對象的實施例b)的視圖。
具體實施例方式所提出的用於提高分布式傳感器和分布式光纖測量裝置的動態範圍並降低其測量不確定度的系統不論其測量技術是什麼(OTDR、OFDR、ROTDR、ROFDR、BOTDR、BOTDA,B0FDA、C0TDR)均適用於任何類型的分布式光纖傳感器I或分布式光纖測量裝置，也適用於任何類型的PMD分布式測量裝置、色散或從其衍生出的參數(POTDR、PMD-OTDR、DC-0TDR、FWM-0TDR)並根據該系統進行測量的配置通過耦合器3a、或3a和3b耦合至輸入/輸出埠 2a或耦合至輸入2a埠和輸出2b埠。所述系統可以在以下實例中實現a) 一個或多個光源la。這些光源發出的光通過I禹合器3a經由輸入埠 2a射入光纖傳感器4或測量對象。將具有一個或多個光源la，這取決於容易改善的分布式傳感器I或測量系統是否基於沿反傳播方向引入光纖傳感器4(例如，基於布裡淵效應的分布式傳感器I)內的兩種信號的互動或基於單一信號與介質的互動(0TDR、基於拉曼效應的分布式傳感器I、POTDR、C0TDR)。此外，根據傳感器或裝置的具體設計，這些信號將以脈衝或連續模式發射。在分布式傳感器I中，光纖傳感器4沿著感應元件對象布置並用作基於拉曼效應在其中進行放大的介質。在分布式光纖測量中，這將成為發生分布放大的介質。將使用合適的頻譜分析系統或通過相應埠(輸入/輸出2a、輸入2a和/或輸出2b)連接至光纖傳感器4 一端的探測器Ib進行探測。首先，提出了圖I所示的視圖，其基於遍及光纖傳感器4或測量對象的分布式拉曼效應，其中將使用一個或多個泵浦雷射器5從兩端泵浦。這樣，將具備朝向波長的雙向泵浦。該波長必須使得其一階斯託克斯拉曼色散接近由光纖傳感器4傳輸的信號的波長。在娃光纖傳感器4中，該斯託克斯信號在具有太赫茲(terahertz order)頻譜寬的放大帶中實現。這樣，整個光纖傳感器4內的傳輸信號將相對於其中間點對稱地放大。在該實驗性示意圖中，必須考慮光傳播方向並在沒有其它光束幹擾的情況下引入該被傳播的信號所需的隔尚分量。
b)本發明第二實施例與先前實施例的區別在於，在第二實施例中，拉曼泵浦單向引入光纖傳感器4或測量對象且具有初始自發產生高階斯託克斯所需的強度特性。這些新信號將連續地互相放大，從而使拉曼放大現象的頻譜位移達到希望頻率，在這種情況下該頻率接近傳輸信號的頻率。c)與b)部分中所說明的示意圖相同，但使用了 a)部分中所示出的雙向拉曼泵浦示意圖。d)第四實驗性實施例是基於a)、b)和c)部分中所說明的觀點，但是在該情況下，引入與光纖傳感器4或測量對象對準的光纖反射鏡6。以這樣的方式，b)部分所說明的高階斯託克斯頻率的產生將受益於拉曼增益曲線的特定部分的波長選擇，其將發生在所述反射鏡6內。e)最後，提出了圖2所示的示意圖。在該實驗性開發中，我們致力於d)部分所說明的示意圖，但是反射鏡6設置在光纖傳感器4或測量對象的兩端，這樣以形成光腔，在光腔中發生連續階的斯託克斯的級聯放大。
權利要求
1.一種用於提高分布式光纖傳感器和分布式光纖測量裝置的動態範圍並降低其測量不確定度的系統，其特徵在於，所述系統包括 分布式光纖感應系統(I)或分布式光纖測量裝置，基於瑞利散射、拉曼效應或布裡淵效應，由一個或多個探針和泵浦信號發射源(Ia)以及一個或多個探測器(Ib)或頻譜分析儀構成； 光纖傳感器(4)，用作感應元件，其根據所述系統進行測量的配置，通過輸入/輸出(2a)埠或通過輸入(2a)埠和輸出(2b)埠且經由耦合器((3a)、或者(3a)和(3b))連接至所述分布式感應系統(I);以及 拉曼效應分布式放大器系統，其由不同波長的一個或多個泵浦雷射器(5)構成，所述泵浦雷射器結合數量可變的反射鏡(6)從泵浦雷射器的端部泵浦至所述光纖傳感器(4)， 提高了傳感器信號的信噪比並增加了傳感器或分布式測量的範圍的長度。
2.根據權利要求I所述的用於提高分布式光纖傳感器和分布式光纖測量裝置的動態範圍並降低其測量不確定度的系統，其特徵在於，所述分布式放大器系統基於拉曼雙向泵浦，在所述拉曼雙向泵浦中，從所述光纖傳感器(4)兩端發出單一頻率，其中，傳輸信號具有的波長接近所述泵浦雷射器(5)的第一斯託克斯-拉曼位移的波長。
3.根據權利要求I所述的用於提高分布式光纖傳感器和分布式光纖測量裝置的動態範圍並降低其測量不確定度的系統，其特徵在於，所述分布式放大器系統是基於具有多種不同頻率的高階的單向或雙向拉曼泵浦，其通過拉曼色散能夠在其間級聯放大，其中，傳輸信號具有的波長接近低頻泵浦雷射器(5)的第一斯託克斯位移的波長。
4.根據權利要求2或3中任一項所述的用於提高分布式光纖傳感器和分布式光纖測量裝置的動態範圍並降低其測量不確定度的系統，其特徵在於，所述分布式放大器系統附加 地包括設置成與所述光纖傳感器(4)或測量對象對準的一個或多個光纖反射鏡(6)。
5.根據權利要求4所述的用於提高分布式光纖傳感器和分布式光纖測量裝置的動態範圍並降低其測量不確定度的系統，其特徵在於，所述反射鏡(6)設置在所述光纖傳感器(4)或測量對象的兩端上，這種方式使得形成了有源光腔，以便能使所述光纖傳感器(4)成為虛擬透明介質，在虛擬透明介質中，出現了連續階的斯託克斯的級聯放大。
全文摘要
基於拉曼效應的分布式放大器，該系統包括一個或多個不同波長的泵浦雷射器(5)並且結合了數量可變的光纖反射鏡(6)。這些元件在光纖傳感器(4)或測量對象內引發了以虛擬透明模式傳播傳感器或測量裝置信號所需的條件，提高了傳感器和測量裝置信號的信噪比，提高了動態範圍並將傳感器和測量裝置的範圍增加了250km。
文檔編號G01D5/353GK102762958SQ201080022447
公開日2012年10月31日 申請日期2010年5月20日 優先權日2009年5月22日
發明者佩德羅·科拉德拉吉倫, 米格爾·岡薩雷斯埃朗澤, 索尼亞·馬丁洛佩斯, 胡安·迭戈·阿尼亞卡斯塔農 申請人:德阿爾卡拉大學, 西班牙高等科研理事會, 鐵路基礎設施建設公司