[發明專利]一種消除光纖傳感器中背向散射光影響的方法

有效

• 申請號: 201010508357.2
• 申請日: 2010-10-15
• 公開（公告）號: CN102003971A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 肖倩;賈波
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01D3/028
• 分類號: G01D3/028
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬光纖傳感技術領域，具體涉及一種消除光纖傳感器中背向散射光影響的方法。

背景技術

光纖傳感技術常被用于大范圍、長距離的監測中，如，應用于石油管線，高壓電網，輸氣管道、通信光纜等基礎設施的安全監測，它把光纖作為感應器，實時采集相關擾動信號，通過對特征的分析來確定擾動發生的位置。單芯反饋式光路結構是感應段光纖使用單根光纖，光纖自身不用閉合，僅在光纖末端加一反饋裝置，如反射鏡，構成干涉光路。在實際應用中，這種結構鋪設方便、靈活。這類監測系統的特點是攜帶擾動信息的光是傳輸到光纖末端后，經反饋裝置反饋的光。

如下是單芯反饋式定位系統采用的一種定位技術。

圖1所示的為一感應段光纖（光纜），1為光纖（光纜）的起始點，感應段的末端有一反饋裝置2，如反射鏡，入射光經反饋裝置作用后原路返回。設外界D點有一擾動，對光相位產生的調制為????????????????????????????????????????????????，當光先后兩次經過擾動點D，相位受到的調制為：

其中，，L為擾動點D距反饋裝置2的距離，c為真空中的光速，為光纖的等效折射率。

構造干涉光路，如圖2所示。

干涉光路由N*M（N、M為整數）耦合器3、P*Q（P、Q為整數）耦合器4、光纖延遲器5，延遲為τ，光纖（光纜）6和反饋裝置2構成。3a1、3a2、…、3aN、3b1、3b2為耦合器3的端口，3a1、3a2、…、3aN是同向端口，共N個，3b1、3b2是耦合器3的另一組同向端口（共M個）中的兩個端口。4a1、4a2、4b1為耦合器4的端口，4a1、4a2是耦合器2的一組同向端口（共P個）中的兩個端口，4b1是耦合器4的另一組同向端口（共Q個）中的兩個端口。光纖6為感應光纖。反饋裝置2，使沿光纖傳輸來的光重新進入光纖6返回到耦合器4。光源經耦合器3的端口3a1輸入，經耦合器3分光后分別經端口3b1、3b2輸出，兩路光：

Ⅰ：3b1→5→4a1→4b1→6→2→6→4b1→4a2→3b2

Ⅱ：3b2→4a2→4b1→6→2→6→4b1→4a1→5→3b1

在耦合器3處重新會和，發生干涉，干涉信號分別經端口3a1、3a2、…、3aN輸出。

干涉光路中，先經過延遲器5在進入光纜6的光，受到的相位調制為：

兩相干干涉光的相位差為：

在相位差的頻譜中，存在頻率陷落點，即“陷波點”，根據陷波點的位置即可確定擾動發生的位置?！跋莶c”如圖3所示，在這幅通過時頻變換得到的幅度-頻率圖中，“○”所標示的位置即為頻率陷波點。陷波點與擾動位置的關系為：

?

其中，為k階陷波點的頻率。

從上述的原理中可以看到，相干的光必需歷經從感應光纖6的端點1傳輸到2再返回到感應光纖6中這一過程，才能攜帶有位置“L”信息。然而，在實際中，由于光纖的結構特點以及光纖自身的缺陷等原因，光纖中存在著散射光，如瑞利散射光等。

如圖4所示，設點7是一個散射點，背向散射光沿光纜回到干涉結構中，因而存在這樣兩束光：

Ⅰ：3b1→5→4a1→4b1→6→7→6→4b1→4a2→3b2

Ⅱ：3b2→4a2→4b1→6→7→6→4b1→4a1→5→3b1

由于具有相似的光譜特性，無擾動時，光程相等，因而在耦合器3處重新會和，也會發生干涉。顯然，這兩束干涉光攜帶的擾動點的信息是點7到擾動點D的長度L₇。設點8是另一個散射點，該點后向散射形成的干涉攜帶的長度信息為點8到擾動點D的長度L₈，顯然，，由于這些干涉在輸出端是混合在一起的，對于布里淵背向散射光或拉曼背向散射光等產生的干涉光，可以通過光濾波器濾除，但對于瑞利散射產生的干涉光，或是光路上的接點反射產生的干涉光，是不可能通過光濾波的方法對其進行消除，必然會影響有用干涉信號的純度，直接影響到擾動點位置L的精度。通常情況下，背向散射光、接點反射光產生的干涉強度明顯小于反射光產生的干涉強度（有效干涉信號），對有效干涉信號不會產生明顯的影響，L的精度可以滿足實際使用需要，但是當被監測線路達到一定長度后，整個線路散射光的綜合影響會很明顯，這時可以觀察到干涉信號已發生明顯的畸變，系統因此無法正常獲得有效干涉信號，系統的監測距離也因背向散射光的原因而受到了明顯限制。

相類似，光路中的接點帶來的反射也會對干涉信號造成同樣的不利影響。

發明內容