[发明专利]感测系统和用于这种系统的少模光纤

说明书

相关申请的交叉参照

本申请要求2012年2月21日提交的美国专利申请13/401239的优先权益，且基于其内容并将其内容整体援引包含于此。

技术领域

本公开总地涉及感测系统，并尤其涉及分布式布里渊感测系统以及用于这类系统中的少模感测光纤。

背景技术

基于布里渊散射的分布式传感器对于形成用于测量建筑、桥梁、隧道、坝和管线以及船只和飞机的结构一体性的光纤感测系统是吸引人的。最流行的布里渊光纤感测系统是布里渊光时域反射计(BOTDR)。这种技术非常类似于基于雷利的OTDR，其中从强脉冲后向散射的自发布里渊光作为时间函数被记录。对于每个时间步长测量后向散射的信号的频率分布，以确定在每个位置的应变或温度变化。与传统OTDR类似，BOTDR需要仅访问单个光纤端，这对于许多应用来说是方便的。然而，BOTDR的空间分辨率实践中被限制在1m。

另一光纤感测系统利用布里渊光时域分析(BOTDA)。这项技术基于泵浦探测技术利用激励布里渊散射(SBS)，在泵浦探测技术中，强泵浦脉冲在其传播期间局部地与弱的反向传播的连续波(CW)探测相互作用。由探测在每个位置经历的增益可通过记录探测在时域中的振幅而被分析。泵和探测之间的频率差被逐级地扫描，并且可对于给定的泵浦探测频率差重新得到局部放大。然后可通过分析因变于频率在给定位置的增益来重建局部增益谱。

BOTDA需要访问对光纤两端进行访问，因为泵浦脉冲和CW探测必须在感测光纤内反向传播，这在一些情况下是一种限制。BOTDA受到与BOTDR相同的空间分辨率限制，即大约1m，因为：(1)空间分辨率和感测灵敏性之间的权衡，以及(2)随着脉宽减小至与弛豫时间(～10ns)相当的值时布里渊增益谱的显著变宽和降低。

为了提高空间分辨率，已提议使用形成在偏振保持单模光纤内的布里渊动态光栅(BDG)。在该手法中，通过泵浦在一个偏振上产生声波，并用其在来自泵浦的不同光频率下反射正交偏振探测。报告试验结果，其中分布应变被测得在105m的偏振保持单模光纤中具有10cm的空间分辨率。然而，偏振保持单模光纤一般具有较高的衰减并且比标准光纤更贵。另外，偏振保持光学单模光纤系统所需的感测机制需要偏振保持组件，这为感测系统增加了额外的成本和复杂性。此外，难以在长光纤(例如几公里或更长)上保持给定的偏振，这限制了传感器系统长度。

因此需要具有提高的空间分辨率的低成本光纤感测系统以及与这类系统一起使用的光纤。

发明内容

本公开的实施例是一种感测光纤，包括：少模多段纤芯；以及围住纤芯的至少一个包层。纤芯被构造成具有100μm²-350μm²的F因数，并提供(i)光导基模和声导基模之间的大于0.7的重叠积分；以及(ii)LP11光导模和声导基模之间的至少0.45的重叠。优选地，纤芯半径为4μm-20μm并且LP11光导模和声导基模L01之间的重叠积分至少为0.45，更优选地为至少0.5。在一些示例性实施例中，LP11光导模和声导基模之间的重叠积分至少为0.6。

在一些实施例中，感测光纤的有效光面积Aeff为至少100μm²，在一些实施例中至少120μm²，并且在一些实施例中为150μm²，或者对LP01光学模式而言在1550nm下更大。在一些实施例中，感测光纤具有至少两个纤芯段，并且两个纤芯段的折射率变化量之间的差为Δ₂-Δ₁>0.05。在一些实施例中，两个纤芯段的折射率变化量之间的差为至少0.15％。在一些实施例中，LP11光导模和L01声学模式之间的重叠积分大于0.7，并优选地大于0.8。

一个实施例是分布式布里渊光纤感测系统。该系统包括被配置成支持基导模和至少一个较高阶导模的感测光纤。感测光纤被构造成具有：(i)大于0.7的光导基模和声导基模之间的重叠积分；以及(ii)至少0.45的LP11光导模和声导基模之间的重叠。系统包括被配置成将泵浦光引入导模之一以定义泵浦光导模的泵浦光源。泵浦光在感测光纤内形成布里渊动态光栅(BDG)。系统也具有探测光源，其被配置成将输入探测光引入到泵浦光导模以外的一个或多个导模中以从BDG产生反射的探测光。反射的探测光和输入探测光通过布里渊频移而相对于彼此发生频移。系统也包括光耦合至感测光纤的接收机。接收机被配置成检测反射的探测光以确定布里渊频移和反射位置，并在一个例子中是或包括光谱分析仪。