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专利名称：检测系统及在此类系统中使用的光纤的制作方法
技术领域：
本申请要求2008年10月7日提交的题为“检测系统及在此类系统中使用的光纤 (Detection System and Optical Fiber for Use in Such System) ”的美国临时专利申请 No. 61/195, 443的优先权，且基于该申请，该申请的全部内容通过引用结合于此。本发明一般涉及用于检测沿着光纤长度的干扰的方法和系统，具体涉及利用偏振光时域反射计(POTDR)来识别这样的干扰的方法和系统。
背景技术：
分布式光纤感测系统被用于需要建筑和结构监测、温度和压力测量以及入侵检测的应用中。标准的单模光纤和多模光纤经常被用于这些应用。分布式光纤感测系统已被用于监测诸如建筑物、输油管道和桥梁之类的关键基础设施。在基础设施监测中，分布式光纤感测系统提供关于沿着路径的扰动的信息，该信息在存在实质的和/或反常的光纤应力改变时可触发警报。因此，分布式光纤感测系统在确保这些关键基础设施的劣化的早期检测和必要时的及时修复方面有重要应用。在安全应用中，分布式光纤感测系统在周界的特定部分被干扰时提供关于对进入保护区域或设施中的入侵的信息。高度感兴趣的受保护区域或设施可以是政府或军事场所、商用机场、水处理厂或发电厂。对执行关键功能的站点的安保需求极大地推动了对入侵监测的需要，且近来政府的反恐议程进一步强调了这样的需要。利用偏振效应的分布式光纤感测系统需要感测光纤中的小的改变。这样的改变可由例如应力、光纤弯曲或压力的变化而产生。偏振状态随着光脉冲沿着光纤长度传播而改变，并且对光纤扰动敏感。在光纤的本地化部分附近的干扰的发生和位置可基于识别这样的干扰改变了从光纤的被干扰部分反向散射的光的偏振条件而确定。光纤(感测光纤)中的偏振状态的改变可通过利用偏振敏感OTDR(POTDR)装置对反向散射光的检测而被检测到。通过在OTDR路径中插入诸如偏振器之类的偏振元件，偏振变化可将其显示为强度变化的形式。一般而言，由于能够从测得的OTDR轨迹中提取的信噪为低，基于POTDR的监测技术经常需要大量的滤波和均化以产生更好的信噪比。

发明内容
根据本发明的一些实施例，一种检测系统包括⑴光纤，该光纤具有(a)长度L彡Ikm ； (b)拍长在IOm到IOOm之间；以及(c) 在(1)由标准差ο表征的光纤长度上(其中I σ I ( 10m)或(2)光纤长度内的至少IOOrn 距离上的拍长均勻性是由标准差。表征的，其中I σ I彡10m;(ii)与所述光纤耦合的OTDR系统包括(a)向光纤提供脉冲辐射的辐射源，(b)检测由光纤反向散射的辐射的检测器；以及(iii)位于光纤和检测器之间的至少一个偏振器，以便反向散射的辐射在到达检测器之前通过偏振器。在另一实施例中，用于检测沿着光纤长度的干扰的方法包括以下步骤⑴向一段长度的光纤发射脉冲辐射，所述光纤具有(a)长度L彡Ikm ； (b)拍长在IOm到IOOm之间；(c)由标准差σ表征的在光纤长度内的至少IOOm的任何距离上的拍长均勻性，其中I σ I ( 10m;(ii)测量通过光纤反向散射回的辐射；以及(iii)分析所述测得辐射的强度的变化以产生与在沿着光纤长度的特定位置处的测得辐射的实时变化有关的信息。将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的本发明可认识到。应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者给出本发明的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本发明的各个实施例，并与本描述一起用于说明本发明的原理和操作。附图简述

图1示意性地示出根据本发明的一个实施例的基于POTDR的检测系统。图2示意性地示出根据本发明的实施例的替代的基于POTDR的检测系统。图3示意性地示出有干扰的POTDR信号(曲线A)和没有干扰的POTDR信号(曲线B)以及图1或2检测系统的POTDR差信号(曲线C)；图4示意性地示出制造具有附加的双折射的光纤预成型件的步骤；图5是光纤的双折射因变于预成型件的修整深度d的曲线；图6a和6b示意性地示出根据本发明的一些实施例的感测光纤的横截面图；图7示出一种示例性感测光纤中的光纤拍长Lb与光纤纤芯中心和空气孔之间的距离D3^之间的关系；图8示出图6b所示的感测光纤的示例性折射率分布；图9和10分别示出在扰动前和扰动后获得的示例性的POTDR轨迹；图11和12示出示例性的经处理的POTDR轨迹；图13是示例性的自相关函数的曲线；图14和15分别示出在扰动前和扰动后获得的示例性的POTDR轨迹；以及图16是与图14和15相对应的示例性的自相关函数的曲线。
具体实施例方式为了说明目的，现将仅通过某些实施例描述本发明；然而，应当理解本发明的其它目的和优点将通过以下根据本发明的附图描述变得显而易见。虽然公开优选实施例，但这不旨在限制。相反，本文所述的一般原理被认为仅仅是说明本发明的范围，应当进一步理解可作出许多改变而不偏离本发明的范围。在基于光纤时域反射计的检测系统中，光的时间脉冲(通常10纳秒(ns)到10毫秒(ms))被发射到光纤(感测光纤)。当这个脉冲通过感测光纤传播时，由于瑞利散射，它的某些能量被反向散射。反向散射光的光学特性取决于光纤的物理和光学性质。当感测光纤被破坏、弯曲或以其它方式被扰动时，反向散射光的特性改变，且该改变可被检测并分析。通过分析时域中的反向散射光的光学性质可获得因变于光纤长度的关于感测光纤的物理和光学性质的信息。此外，如果传感器光纤的局部性质被扰乱，那么对反向散射光中的改变的分析可被用于定位沿着光纤长度L的干扰。沿着光纤的长度测量反向散射光强度的光学仪器例如是光时域反射计(OTDR)。更具体而言，OTDR轨迹提供了关于反向散射光的强度的信息。诸如偏振或光损耗之类的其它信息可从关于反向散射光的信号强度的信息中导出并被分析。现在将具体参考本发明的现有优选实施例，其示例在附图中示出。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或类似的部件。图1示出了用于沿着本发明的光纤的长度检测干扰的系统的一个实施例，该系统一般全部由附图标记5来标记。更具体地，如图1所示，检测系统5(文中也称为感测系统)包括能够沿着光波导纤维(感测光纤)发送激光脉冲的光时域反射计OTDR 10 (在这个示例中是POTDR装置)。 即，OTDR能够向感测光纤注入一连串的光脉冲。OTDR也能够从感测光纤的同一端提取反向散射的光。返回脉冲的强度被测量并根据时间求积分，且被绘制成光纤中(沿着光纤长度) 的位置的函数。光的时间脉冲被发射到光纤(感测光纤)中。脉冲持续时间优选为2ns到 Ius,且更优选50ns到500ns。例如，脉冲持续时间可以是60ns、100ns、125ns、150ns、200ns、 250ns或300ns。如图1所示，OTDR 10向布置在一区域或其周围的感测光纤12发射脉冲辐射，在该区域中的光纤可例如由入侵者或由结构劣化所扰动。在图1所示的实施例中，检测系统利用两个光环流器14和16以及两个偏振器18和19。光环流器14和16被配置为使从OTDR 10发射的光的初始脉冲循环至感测光纤12。由于瑞利反向散射，某些光被光纤 12反射或散射，并通过光纤12到OTDR 10。在优选的实施例中，这些反向散射脉冲通过不同的路径被转回到OTDR 10。例如，在图1所示的实施例中，在反向散射光到达OTDR内部的检测器之前，反向散射脉冲被引导通过偏振分析器18 (可以是简单的偏振器)。(偏振分析器18使检测器具有偏振灵敏度)。在其它实施例中(未示出)，偏振分析器18包括至少波片(例如，半波片或四分之一波片)和偏振器的组合。注意在所示的光环流器14和16中， 仅端口 2允许光进入和离开。在所有其它端口中的光的传播是单向的。具体而言，允许光从端口 1传输到端口 2，以及从端口 2单向传输到端口 3。如果由OTDR发出的光脉冲已经被偏振化(这就是某些商用OTDR所存在的情况)，则如图1中所示的排列允许更多光返回到OTDR 10。当OTDR发出的光已经被偏振化(即，如POTDR的情况下)时，在光环流器14 的端口 3和光环流器16的端口 1之间的偏振器19是不需要的，因此消除了一个损耗源，这有助于获得POTDR的更长的动态范围。图2示出了根据本发明的能够使用的更简单和更低成本版本的P0TDR，因为这个实施例没有使用在图1所示的实施例中使用的光环流器。在图2所示的实施例中，OTDR经由的偏振控制器20来发射脉冲光，偏振控制器20被用于使发射到感测光纤12中的光量最大化。本领域已知多种偏振控制器偏振控制器的目的是使感测光纤12中的偏振状态对准以入射到偏振器18上。一些简单的偏振控制器包括附接在沿着感测光纤12的长度上以及在感测光纤12外边界上的不同位置上的一个或多个控制杆，以使得控制杆能移动以扭转感测光纤12的一段，使得感测光纤12的状态可以合适地被调节以使穿过偏振器18的光量最大。在脉冲光传播通过偏振控制器20之后，其随后被引导通过偏振器18而后进入感测光纤12。在图1和2的POTDR系统中使用的偏振器18和19用作两个主要目的。首先，内联偏振器(图1中的)19和(图2中的)18确保进入感测光纤12的光是偏振的，虽然这在没有内联偏振器的情况下也能实现(例如，通过使用已经发出偏振光的0TDR)。更重要的是，内联偏振器18 (参见图1和图2)担当从感测光纤12向OTDR 10反向散射回的光的分析，该光提供关于感测光纤12的偏振状态的信息。在没有偏振器处于适当位置以分析来自感测光纤12的反向散射光的情况下，OTDR仅可检测光脉冲的总强度。然而，通过包含偏振器18，还可获得与沿感测光纤12的偏振状态有关的信息。其原因在于，由于几何不对称性和应变，光波导纤维带有双折射。因此，当光已被反射时，在感测光纤12中传播的光脉冲的偏振状态既在前向传播方向又在后向传播方向上连续演变。偏振器18的插入确保了来自沿感测光纤12的长度的不同位置的偏振信息被捕获，偏振器18充当在反向散射光被OTDR 检测器截取之前对反向散射光的偏振分析器。图2的偏振器18既担当偏振控制器又担当偏振分析器。图3示意性地示出使用图2中所示设置而获得的简化POTDR轨迹，其中被表示为以dB单位的对数比例的信号强度I比上沿感测光纤12的距离d(以公里)。相似的结构也可从图1所示装置获得。更具体而言，曲线A示出了反向散射光学信号在时刻T1的强度 I10曲线B示出了反向散射光学信号在时刻T2 = Τ1+ΔΤ的强度I2，其中光纤在时刻T2被 (例如被入侵者)扰动。曲线C是强度差曲线I2-I115曲线C清楚地示出了曲线A和B最初是相同的，但在沿光纤的距离Do处变得不同，该距离Do处即为扰动点。产生与曲线C相似的曲线不需要滤波，优选不需要取平均。更具体地，光纤的偏振状态对外部扰动非常敏感。在特定位置处存在扰动的情况下，偏振状态的准周期性调制的局部相位被改变，且随后的POTDR强度轨迹被改变。局部相位的改变能按照多种不同方式被检测出。例如，我们可以计算扰动之前和扰动之后的差轨迹。如图3中所示(曲线C)，本领域技术人员能清楚地看出建模化扰动的位置，因为在扰动位置处或在扰动位置以外的相减会产生非零结果。在一些实施例中，例如，通过计算一窗口(例如约Ikm宽度)上的差轨迹的标准差并在计算期间使这样的窗口在光纤的整个长度L上滑动来进一步处理差轨迹，以确定扰动的位置。该分析在本文中被称为“滑动标准差轨迹”。标准差上升至充分大于零的位置是扰动点的位置。优选地，滑动窗口的宽度W在50m与2km之间(即50m彡W彡2km)。例如，宽度 W 可以是 IOOm ^ W ^ 2km，或 IOOm ^ W ^ 1km。在理想情况下，当光纤不受任何双折射不均勻性(取向和程度)影响时，偏振状态沿光纤长度周期性地演变。根据本发明的实施例，图3中的轨迹的周期性本质源自感测光纤12的线性双折射。由于使用了偏振分析器(偏振器)，所以OTDR信号携带从感测光纤 12反向散射的光脉冲的偏振状态信息。根据本发明的实施例，因为感测光纤12基本上是线性双折射的，所以偏振状态沿感测光纤12周期性地演变。在采用感测光纤12的检测系统 5中，偏振循环周期未受干扰，因此得到高信噪比。从峰到峰的间距D是感测光纤的拍长的一半。光纤拍长是两个不同偏振模式累积一个延迟光波长的感测光纤12的长度。光脉冲在标准OTDR配置中通过感测光纤12的同一部分两次。因此，仅需要拍长的一半来累积一个延迟光波长。根据本发明的实施例的基于POTDR的检测系统的特性可通过使用琼斯矩阵模型 (Jones matrix model)来理解。以下方程描述了旋转光纤的性质，且被称为耦合模式方程。 以下描述可应用于旋转光纤。注意，当光纤旋转幅值被设定为零时(无旋转光纤)，以下描述也可适用。描述旋转光纤的完全偏振性质的耦合模式方程采取以下形式，
权利要求
1.一种检测系统，包括⑴光纤，所述光纤具有(a)长度L彡1km、(b)有效拍长在IOm与200m之间以及(c)由标准差σ表征的在所述长度L内至少IOOm的任何距离上的拍长均勻性，其中| ο |彡IOm ；(ii)OTDR，与所述光纤耦合，且包括(a)向所述光纤提供脉冲式辐射的辐射源和(b)能检测由所述光纤反向散射回的辐射的检测系统；(iii)位于所述光纤与所述检测器之间的至少一个偏振器，以使反向散射的辐射在到达所述检测器之前通过所述偏振器。
2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，I。I( 5m。
3.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，在光纤长度L内至少200m的任何距离上的拍长均勻性由标准差。所表征，其中I σ I ( 10m。
4.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，L^ 5km。
5.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，光纤拍长在20m与IOOm 之间。
6.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，所述光纤具有偏振模式色散 PMD 彡 0. 05ps/km1/2。
7.如权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述光纤具有偏振模式色散 PMD 彡 0. 02ps/km1/2。
8.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，所述光纤具有至少一个空气孔，且所述纤芯与所述至少一个空气孔之间的中心到中心间距在12 μ m与40 μ m之间。
9.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，所述光纤的旋转幅度在 1与10转/分钟之间，且旋转周期在0. 8m与30m之间。
10.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光纤具有(a)长度L> 2km、(b) 有效拍长在20m与150m之间以及(c)由标准差σ表征的在所述长度L内至少IOOm的任何距离上的拍长均勻性，其中I。I彡其中I σ I彡5m;以及偏振模式色散PMD彡0.03ps/ km"2。
11.如权利要求10所述的检测系统，其特征在于，所述光纤的偏振模式色散 PMD ( 0. Olps/km"2，拍长在30m与IOOm之间，且具有由标准差σ表征的在光纤长度上的拍长均勻性，其中I σ I彡an。
12.如权利要求1-9和10-11所述的检测系统，其特征在于，所述光纤是旋转周期为5m 和50m的旋转光纤。
13.如权利要求12所述的检测系统，其特征在于，所述光纤是具有正弦旋转循环的旋转光纤。
14.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统进一步包括第二偏振器。
15.如以上权利要求中的任一项所述的检测系统，其特征在于，来自所述辐射源的所述脉冲辐射和所述反向散射辐射通过所述偏振器。
16.一种用于检测沿光纤长度的干扰的方法，包括以下步骤(i)向一段长度的光纤发射脉冲辐射，所述光纤具有(a)长度L > 1km、(b)有效拍长在 IOm与IOOm之间以及(c)由标准差σ表征的标准差σ表征的在所述长度L内至少IOOm的任何距离上的拍长均勻性，其中|σ |≤10m；(ii)利用偏振敏感装置测量通过所述光纤反向散射回的辐射； (iii)分析所述测得辐射的强度变化以产生与所测得的辐射在沿所述光纤长度的特定位置处的实时变化有关的信息。
17.如权利要求16所述的用于检测沿光纤长度的干扰的方法，其特征在于，所述方法还包括获得在光纤扰动之前和之后反向散射光的强度，并分析它们之间的差的步骤。
18.如权利要求17所述的用于检测沿光纤长度的干扰的方法，其特征在于，所述方法包括确定光纤扰动的位置的步骤。
19.如权利要求18所述的用于检测沿光纤长度的干扰的方法，其特征在于，所述方法利用(i)滑动标准差轨迹；或(ii)自动校正函数；以及其中所述轨迹或自动校正函数利用窗口宽度W，其中50m< 2000m。
全文摘要
一种检测系统(5)，包括(i)光纤，该光纤(12)具有(a)长度L≥1km、(b)有效拍长在10m与100m之间以及(c)在长度L内至少100m的任何距离上的拍长均匀性由标准差σ所表征，其中|σ|≤10m；(ii)OTDR(10)，耦合至该光纤，并包括(a)向光纤提供脉冲辐射的辐射源、(b)能检测通过光纤反向散射回的辐射的检测系统以及(iii)位于该光纤与检测器之间的至少一个偏振器(18)，以使反向散射的辐射在到达检测器之前通过偏振器。
文档编号G01L1/24GK102209888SQ200980144860
公开日2011年10月5日 申请日期2009年10月7日 优先权日2008年10月7日
发明者D·A·诺兰, M-J·李, X·陈, 高周铉 申请人:康宁股份有限公司