[发明专利]光纤测量系统、将通信光纤适配到测量系统中的方法以及光纤测量和通信系统

说明书

根据本发明，一种光纤测量系统，其配备有受控光生成系统（1）和经由包括定向设备（4）的光路连接的接收系统（2），并且其另外具有用于控制光生成系统（1）以及用于接收和处理来自接收系统（2）的信号的处理单元（9），其特征在于如下事实，它具有选择性模式设备（5），并且被适配为通过选择性模式设备（5）连接到光纤电信网络，并且处理单元（9）被适配为实现OFDR和/或COTDR测量技术，以用于测量光程的改变并将它们处理成一个或多个参数。此外，本发明的目的还在于将电信网络适配到传感器网络中的方法以及光纤测量和通信系统。

技术领域

本发明的目的是一种光纤测量系统、将通信光纤适配到测量系统中的方法以及旨在用于基于Rayleigh散射的分布式测量的光纤测量和通信系统。

最先进技术

最先进技术包括分布式系统解决方案，其用于基于有效折射率或光程中的改变来测量温度、应变或压力。这些是基于COTDR或OFDR技术的系统。由于难以检测来自多模光纤的信号，这些解决方案基于单模解决方案。由于随着光纤中传播的光学功率的增加而增加的非线性效应，单模光纤具有功率限制。

COTDR技术（相干光时域反射仪）也称为fi-OTDR、phi-OTDR和φ-OTDR（相位敏感光时域反射仪）。所有这些名称指的是测量设备的单一架构，其中相位测量基于发送相干脉冲和分析在时域中反射回来的信号。名称COTDR强调测量信号的相干性。φ-OTDR的名称吸引注意到对光纤中的相位改变执行定量测量的可能性。这两个名称可以互换使用。这些术语例如在如下文章中可互换地使用：“Coherent Rayleigh time domain reflectometry:novel applications for optical fibre sensing”（Xin LU, EPFL 2016, https://infoscience.epfl.ch/record/221427）；以及P. Xu, Y. Dong, J. Zhang, D. Zhou, T.Jiang, J. Xu, H. Zhang, T. Zhu, Z. Lu和L. Chen的“Bend-insensitive distributedsensing in singlemode-multimode-singlemode optical fiber structure by usingBrillouin optical time-domain analysis”，9 （2015）。

为了确定作为光纤长度或的函数的有效折射率光程，当分析沿光纤反射或散射的信号时，在最先进技术中还使用光频域反射仪：Ding，Zhenyang等人的“DistributedOptical Fibre Sensors Based on Optical Frequency Domain Reflectometry: Areview”Sensors（瑞士巴塞尔）18（2018）：104–127。

目前使用的多模光纤允许多于一百种模式的传送。模式之间的光传播速度的差异及其空间分布是使得以其典型形式使用COTDR技术的分布式光学测量在使用多模光纤的情况下不可能实行的主要因素。

专利申请CA2725353C揭示了一种光时域反射仪（OTDR）系统，其被配置为测量来自多模光纤的反向散射。该系统包括单个空间模式过滤系统，用于选择响应于引入多模光纤中的光学脉冲而产生的单个Rayleigh反向散射圆。所选择的单个散斑可以用于执行分布式振动测量。

申请US8520197B2揭示了一种分布式光纤系统，其中感测光纤至少包括用于独立振动测量操作的第一和第二波导。根据该文献的内容，感测光纤可以是具有单模纤芯和多模内包层的双绞光纤。

单模光纤在电信中用于长距离信号传送——以几公里、几十公里或者甚至几百公里的数量级。这种系统中使用的光纤被很好地绝缘和保护，以避免信号损失和串扰。由于这些保护，它们不能很好地作为传感器工作。

要解决的技术问题