采用多纤芯光纤的分布式光纤传感器和系统技术方案

一种光纤传感器，其包括：光纤，所述光纤构造成用于在约为300‑2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和约为10m至约100km的光纤长度。光纤包括：多个纤芯，所述多个纤芯具有等价纤芯直径和组成；以及包层，所述包层被光纤外直径所限定并且围绕纤芯。光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径。此外，在光纤的传输端将来自单源的光注入纤芯之后，光纤的传输端展现出从纤芯发射出的总后向散射信号。

Distributed optical fiber sensor and system using multi core optical fiber

An optical fiber sensor comprising: optical fiber, which is configured to operate one of the wavelengths about 300 of 2000Nm in a single mode or a small mode, and also defines the transmission end, the scattering end, the optical fiber diameter and the fiber length about 10m to about 100km. The fiber includes a plurality of cores, the plurality of cores having the equivalent core diameter and composition; and the cladding layer, which is defined by the outer diameter of the fiber and around the core. The fiber is gradually narrowed at the transmission end to define the conical part, which is characterized by the outer diameter of the conical fiber and the diameter of the cone core. The diameter of the conical fiber and the diameter of the conical fiber core are smaller than that of the corresponding optical fiber diameter and core diameter. In addition, after transmitting the light from single source to the transmission end of the optical fiber, the transmission end of the optical fiber displays the total backscattering signal emitted from the core.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】采用多纤芯光纤的分布式光纤传感器和系统本申请根据35U.S.C.§119，要求2015年11月19日提交的美国临时申请系列第62/257,375号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
本公开一般地涉及分布式光纤传感器和光纤传感器系统。更具体地，本公开涉及采用多纤芯光纤的这类传感器和传感器系统，其依赖瑞利散射机制进行感测。技术背景将依赖瑞利散射的分布式光纤传感器和系统用于许多应用，包括但不限于，结构健康监测(SHM)、岩土工程、电力线、石油和天然气管道、以及石油和天然气焊接。具体来说，这些传感器和系统可以采用瑞利散射机制来测量温度、压力、应变、声波和其他参数，空间分辨率小于1m。依赖瑞利散射的常规方法通常在分布式光纤传感器和系统中采用电讯等级光纤，以获得这些测量(例如，温度、压力、应变等)。依赖此类光纤的分布式光纤传感器和系统存在许多缺点。例如，发射信号的光学功率会受到光纤中的低阈值和非线性效应的限制。作为结果，散射的信号通常是低的，特别是在远离传输端的光纤远端而言。作为另一个例子，这些光纤中的衰减还会限制光纤远端的散射信号强度，特别是对于跨越了数十千米的光纤而言。此外，构造用于单模运行的电讯等级光纤中的光学功率通常是低的，这是由于此类光纤的小的数值孔径所导致的。所有这些影响倾向于降低与采用电讯等级光纤的常规分布式光纤传感器和系统相关的信噪比。随着依赖光纤和瑞利散射机制的分布式光纤传感器不断用于各种应用(例如，岩土工程、电力线等)，在越来越长的距离上，这些传感器和系统的使用最终受到它们的有效性的限制。因此，存在对于能够以较小损耗和较高信噪比传输光学信号的采用光纤的分布式光纤传感器和光纤传感器系统的需求。更具体来说，存在对于采用多纤芯光纤的分布式光纤传感器和传感器系统的需求，其依赖瑞利散射机制，在一定距离(特别是数十千米量级的非常长距离上)具有较高的信噪比。
技术实现思路
根据本公开的一个方面，提供了一种光纤传感器，其包括：光纤，所述光纤构造成用于在约为300-2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和光纤长度。光纤包括：多个纤芯，所述多个纤芯具有等价(equivalent)纤芯直径和组成；以及包层，所述包层被光纤外直径所限定并且围绕所述多个纤芯。此外，光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径。根据本公开的另一个方面，提供了一种光纤传感器，其包括：光纤，所述光纤构造成用于在约为300-2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和约为10m至约100km的光纤长度。光纤包括：多个纤芯，所述多个纤芯具有等价(equivalent)纤芯直径和组成；以及包层，所述包层被光纤外直径所限定并且围绕所述多个纤芯。此外，光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径。此外，在光纤的传输端将来自单源的光注入纤芯之后，光纤的传输端展现出从纤芯发射出的总后向散射信号。在任意这些光纤传感器方面，多纤芯光纤可以构造成具有2-100个纤芯，它们具有等价的纤芯直径和组成。其它多纤芯光纤构造采用2-50个纤芯、2-40个纤芯、2-30个纤芯、2-20个纤芯、2-10个纤芯、2-5个纤芯，以及这些具体范围之间的任意纤芯数量。在这些光纤传感器方面的一些实践方式中，多纤芯光纤构造成使得锥形光纤外直径和锥形纤芯直径分别相对于光纤的非锥形部分中相应的光纤外直径和纤芯直径降低了1％至95％。此外，锥形光纤外直径和锥形纤芯直径可以降低约1％、15％、30％、45％、60％、75％、90％、95％，以及在某些实践方式中，这些具体百分比之间的所有百分比。在这些光纤传感器方面的其他实践方式中，多纤芯光纤构造成使得其长度范围约为10m至约100km。此外，光纤长度可以设定如下，约为：10m、20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m、450m、500m、550m、600m、650m、700m、750m、800m、850m、900m、950m、1km、5km、10km、15km、20km、25km、30km、35km、40km、45km、50km、55km、60km、65km、70km、75km、80km、85km、90km、95km、100km，以及在某些实践方式中，这些具体长度之间的所有长度值。在这些光纤传感器方面的其他实践方式中，多纤芯光纤构造成使得其纤芯-纤芯间距至少为10微米，纤芯-纤芯间距定义为每个纤芯的中心到相邻纤芯的中心的距离。在另一个实践方式中，纤芯-纤芯间距设定为至少20微米。此外，用于这些光纤传感器方面的多纤芯光纤可以构造成具有如下纤芯-纤芯间距，约为：0微米、5微米、10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、35微米、40微米、45微米、50微米、55微米、60微米、65微米、70微米、75微米、80微米、85微米、90微米、95微米、100微米，以及这些具体纤芯-纤芯间距量之间的所有间距值。此外，用于这些传感器方面的多纤芯光纤的一些实践方式具有在光纤长度上变化不超过±1％的纤芯-纤芯间距。此外，多纤芯光纤可以具有变化不超过±10％、±15％、±20％、±25％、±30％、±35％、±40％、±45％、±50％的纤芯-纤芯间距，以及这些具体水平之间的所有变化值。在这些光纤传感器方面的一个实施方式中，多纤芯光纤的特征可以在于，在光被传输进入光纤的传输端之后，串扰(crosstalk)不超过约-55dB。此外，根据这些光纤传感器方面的其他实践方式，多纤芯光纤可以构造成串扰不超过约-80dB、-50dB、-45dB、-40dB、-35dB、-30dB、-25dB、-20dB、-15dB、-10dB、-5dB、0dB，以及这些具体限值之间的所有串扰上限。在这些光纤传感器方面的另一个实施方式中，多纤芯光纤可以构造成使得它的多个纤芯包括一个或多个最外纤芯，其根据约为1-200微米的纤芯-包层间距进行布置，纤芯-包层间距定义为从每个最外纤芯的中心到光纤外直径的距离。此外，用于这些光纤传感器方面的多纤芯光纤可以构造成具有如下纤芯-包层间距，约为：1微米、10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、75微米、100微米、125微米、150微米、175微米、200微米，以及这些具体纤芯-包层间距量之间的所有间距值。在这些光纤传感器方面的另一个实践方式中，多纤芯光纤可以构造成使得其多个纤芯在光纤的传输端在光纤内被布置和构造成从光斑尺寸约为1-100微米的单光源接收入射光。此外，用于这些光纤传感器方面的多纤芯光纤可以构造成使得其多个纤芯从具有如下光斑尺寸的单光源接收入射光，所述光斑尺寸约为：1微米、10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、60微米、70微米、80微米、90微米、100微米，以及这些具体光斑尺寸之间的所有光斑尺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤传感器，其包括：光纤，所述光纤构造成用于在约为300‑2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和光纤长度，所述光纤包括：多个纤芯，其具有等价纤芯直径和组成；以及被所述光纤外直径限定且围绕所述多个纤芯的包层，其中，所述光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.19 US 62/257,3751.一种光纤传感器，其包括：光纤，所述光纤构造成用于在约为300-2000nm的波长以单模或少模中的一种运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和光纤长度，所述光纤包括：多个纤芯，其具有等价纤芯直径和组成；以及被所述光纤外直径限定且围绕所述多个纤芯的包层，其中，所述光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径。2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径分别相对于相应的光纤外直径和纤芯直径降低了1％至95％。3.如权利要求1-2中任一项所述的传感器，其特征在于，所述光纤长度约为10m至100km。4.如权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述光纤构造成在约300-2000nm的波长，以单模运行。5.如权利要求1-4中任一项所述的传感器，其特征在于，所述纤芯构造成根据至少10微米的纤芯-纤芯间距布置，所述纤芯-纤芯间距定义为每个纤芯的中心到相邻纤芯的中心的距离。6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述光纤的特征在于，在光被传输进入光纤的传输端之后，串扰不超过0dB。7.如权利要求1-6中任一项所述的传感器，其特征在于，所述多个纤芯包括一个或多个最外纤芯，其根据约为1-100微米的纤芯-包层间距进行布置，所述纤芯-包层间距定义为从每个最外纤芯的中心到光纤外直径的距离。8.如权利要求1-7中任一项所述的传感器，其特征在于，在光纤的传输端，光纤内的所述多个纤芯被布置和构造成从光斑尺寸约为1-100微米的单光源接收入射光。9.一种光纤传感器，其包括：光纤，所述光纤构造成用于在约为300-2000nm的波长以单模运行，并且还限定了传输端、散射端、光纤外直径和约为10m至约100km的光纤长度，所述光纤包括：多个纤芯，其具有等价纤芯直径和组成；以及被所述光纤外直径限定且围绕所述多个纤芯的包层，其中，所述光纤在传输端逐渐变窄，以限定锥形部分，所述锥形部分通过锥形光纤外直径和锥形纤芯直径表征，所述锥形光纤外直径和锥形纤芯直径小于相应的光纤外直径和纤芯直径，以及其中，在光纤的传输端将来自单源的光注入纤芯之后，光纤的传输端展现出从纤芯发射出的总后向散射信号。10.如权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述总反向散射信号的信噪比大于来自参照单纤芯光纤的反向散射信号的信噪比。11.如权利要求9-10中任一项所述的传感器，其特征在于，所述总反向散射信号的信噪比...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·A·科兹洛夫，李明军，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US