检测系统及在此类系统中使用的光纤技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
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。本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
根据本专利技术的一些实施例，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专利技术的附加特征和优点，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专利技术可认识到。应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者给出本专利技术的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本专利技术的本质和特性的概观或框架。所包括的附图用于提供对本专利技术的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本专利技术的各个实施例，并与本描述一起用于说明本专利技术的原理和操作。附图简述附图说明图1示意性地示出根据本专利技术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专利技术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专利技术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专利技术；然而，应当理解本专利技术的其它目的和优点将通过以下根据本专利技术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专利技术的范围，应当进一步理解可作出许多改变而不偏离本专利技术的范围。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。现在将具体参考本专利技术的现有优选实施例，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示出了用于沿着本专利技术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和本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种检测系统，包括：（ｉ）光纤，所述光纤具有（ａ）长度Ｌ≥１ｋｍ、（ｂ）有效拍长在１０ｍ与２００ｍ之间以及（ｃ）由标准差σ表征的在所述长度Ｌ内至少１００ｍ的任何距离上的拍长均匀性，其中｜σ｜≤１０ｍ；（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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：X·陈，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US