專利名稱：用定位事件的反向傳播信號方法來監(jiān)視結(jié)構(gòu)的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用在光纖傳感系統(tǒng)中定位事件的波導(dǎo)透射(waveguidetransmissive)反向傳播信號法及其相關(guān)系統(tǒng)，來監(jiān)視一種結(jié)構(gòu)(structure)的設(shè)備和方法。
在本說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“結(jié)構(gòu)(structure)”應(yīng)理解為是指可以應(yīng)用所述設(shè)備和方法的各種機(jī)械、建筑、基礎(chǔ)設(shè)施如管道等等，以及用作從一個地方到另一個地方發(fā)送數(shù)據(jù)的通信鏈路的波導(dǎo)管本身。
還應(yīng)該理解，在本說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“光(light)”是指電磁輻射光譜中的可見光和不可見光部分這兩者。
背景技術(shù)：
光學(xué)器件普遍使用在工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域中，光學(xué)器件包括激光空腔諧振器(cavities)、波導(dǎo)管、透鏡、濾波器和其它光學(xué)元件以及它們的組合。這樣的光學(xué)器件用在大量的儀器和設(shè)備中。
光子學(xué)技術(shù)給通信和傳感器領(lǐng)域帶來了革命性的變化。這主要是由于光學(xué)和光電器件的快速發(fā)展的緣故。大量的玻璃材料、材料摻雜物和波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)都是可以使用的，本發(fā)明涉及用于在光纖傳感系統(tǒng)中定位事件的波導(dǎo)透射反向傳播信號方法及其相關(guān)系統(tǒng)。
目前，迫切需要能提供實(shí)時監(jiān)視如各種機(jī)械、建筑和光纖通信鏈路等結(jié)構(gòu)的完整性或條件的傳感器和系統(tǒng)。特別是光纖傳感器由于其電介質(zhì)特性、精細(xì)的尺寸、被遠(yuǎn)程定位的能力以及在本征傳感器情況下的快速響應(yīng)時間的原因，在這些應(yīng)用中是非常有前途的。它們還有可以在有害環(huán)境下使用的特別優(yōu)點(diǎn)。另外，與傳統(tǒng)的傳感技術(shù)如大多數(shù)光學(xué)測量、電位電極、電阻金屬箔測量儀和壓電變換器這些現(xiàn)有的常規(guī)的傳感技術(shù)相比，具有一些非常明顯的優(yōu)點(diǎn)。
由于將常規(guī)的傳感器結(jié)合應(yīng)用到檢測環(huán)境中的困難以及傳感器的限制，工程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)通常不實(shí)時監(jiān)視。而且，常規(guī)的傳感器一般是點(diǎn)式的傳感器件，因此要求大量的傳感器來覆蓋想要涉及的較大區(qū)域或較長長度。這種系統(tǒng)的后續(xù)成本和復(fù)雜性常常是最不實(shí)用的。
光纖傳感器由于它們本身內(nèi)在的特性克服了上述的許多困難。另外，光學(xué)傳感器和光學(xué)處理系統(tǒng)與電子計(jì)數(shù)器部件不同之處在于它們是極快的并且不受電磁干擾(electro-magnetic interference，EMI)的影響。該技術(shù)在監(jiān)視應(yīng)用中得到了廣泛的接受，并且期望能在實(shí)現(xiàn)實(shí)時結(jié)構(gòu)的完整性和機(jī)械條件監(jiān)視系統(tǒng)中起到主要的作用，從而提供一種先進(jìn)的新一代的工程使用的傳感器。
光纖傳感器技術(shù)在過去的幾十年中取得到了長足的進(jìn)步。已經(jīng)開發(fā)出許多種不同的傳感技術(shù)來監(jiān)視一些特殊的參數(shù)。為了監(jiān)視這些特殊的參數(shù)，已經(jīng)開發(fā)出不同結(jié)構(gòu)的纖維傳感器件，每一種纖維傳感器件的光學(xué)調(diào)制原理是不同的。光纖傳感器可以是本征的或非本征的，分別依賴于傳感器是傳感元件還是信息載體。當(dāng)傳感器儀器的長度位于離散的區(qū)域時，它們被指定為“點(diǎn)式”傳感器。如果傳感器能夠在其整個長度上連續(xù)測量被測對象區(qū)域，它就是熟知的“分布式”傳感器；“準(zhǔn)分布式”傳感器在沿光纖長度的多個位置上使用點(diǎn)式傳感器。光纖傳感器可以是透射的結(jié)構(gòu)也可以用在通過鏡象纖維端面(end-face)而形成的反射結(jié)構(gòu)中。所以，光纖傳感器實(shí)際是一類傳感器件。它們不象很多常規(guī)的傳感器如電應(yīng)變測量儀器和壓電變換器那樣，不限于單一的結(jié)構(gòu)和操作中。
但是，至今多數(shù)的光纖傳感器系統(tǒng)是基于點(diǎn)式傳感器件的，因此也就要求大量的傳感器來覆蓋較大的區(qū)域或較長的長度上。
幾乎沒有開發(fā)出分布式的技術(shù)并得到商業(yè)應(yīng)用。在已經(jīng)開發(fā)出的技術(shù)中，更少的技術(shù)真正能夠在纖維的長度上定位傳感參數(shù)或干擾的區(qū)域或位置；它們只是簡單地檢測、報警，有時確定一個事件發(fā)生的次數(shù)。
在現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)計(jì)的能夠定位傳感參數(shù)的分布式傳感方法包括● 多數(shù)監(jiān)視纖維光纜完整性的現(xiàn)行技術(shù)是使用光學(xué)時域反射計(jì)(opticaltime domain reflectometry，OTDR)(即銳利彎曲、纖維裂縫、纖維衰減、連接器損耗等)基于靜態(tài)或緩慢變化進(jìn)行測量的。這種方法主要基于光學(xué)雷達(dá)技術(shù)，其中發(fā)送到光纖中的非常窄的光脈沖由在其長度上的纖維材料或結(jié)構(gòu)中的中異常結(jié)構(gòu)(即裂縫破，局部的壓縮，故障等)進(jìn)行后向散射或后向反射，然后將被測量的經(jīng)歷時間用于確定所述異常結(jié)構(gòu)?！? 已經(jīng)開發(fā)的光纖分布式溫度傳感器(Distributed Temperature Sensor，DTS)系統(tǒng)用于在一根光纖的整個長度上以及該纖維附著的任何表面或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行連續(xù)的溫度測量。在大多數(shù)分布式溫度傳感中，燒結(jié)(stoke)和反燒結(jié)返回信號的強(qiáng)度比率在一個光時域反射計(jì)(OTDR)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行測量。最后的結(jié)果就是對傳感器的整個長度上分布的溫度的真實(shí)測量結(jié)果?！? 用于應(yīng)力和壓力測量的各種OTDR后向散射技術(shù)也已經(jīng)進(jìn)行了研究，雖然還沒有可以利用的商業(yè)技術(shù)?！? 在特殊位置或幾何結(jié)構(gòu)中的Sagnac干擾儀回路的物理布局也已經(jīng)用于分布式纖維干擾探測和定位。在Sagnac干擾儀中，光被發(fā)送到與傳感回路相反的一端，以便兩個光束在相反的方向上在該回路中循環(huán)，然后重新組合以在單個的光探測器上產(chǎn)生一個相位干擾模式。在這些方法中沒有使用反向傳播信號之間經(jīng)歷的時間或時間延遲。
最常用的定位事件的方法是根據(jù)使用極窄激光脈沖的后向散射或后向反射，并結(jié)合一些其它形式的傳感機(jī)制來提出關(guān)于實(shí)際傳感參數(shù)(即溫度、應(yīng)力、壓力等)的進(jìn)一步信息的技術(shù)。但是，雖然在光子學(xué)(photonics)器件方面的當(dāng)代進(jìn)展已經(jīng)可以開發(fā)非常精確和準(zhǔn)確的系統(tǒng)并進(jìn)行商品化，但是它們常常是非常復(fù)雜和昂貴的。這些單元復(fù)雜和成本高的主要原因在于它們需要非常高的精度和需要高速元件以便產(chǎn)生極其窄的激光脈沖，檢測極低功率的光信號(這樣常常要涉及到光子計(jì)數(shù)和信號的有效平均)，并且為光脈沖經(jīng)歷的時間提供極其準(zhǔn)確的時序。
由于要求測量和平均非常窄的低功率的脈沖的經(jīng)歷時間，故這項(xiàng)技術(shù)常常被限制在監(jiān)視靜態(tài)或非常緩慢變化的參數(shù)上。另外，至今多數(shù)依據(jù)這個原理的系統(tǒng)僅用于監(jiān)視溫度。但是，它們比多數(shù)其它技術(shù)提供了一個更有意義的優(yōu)點(diǎn)，包括本申請的優(yōu)點(diǎn)，即能夠提供在整個纖維長度上的傳感參數(shù)的分布。
不過，還能夠獲得實(shí)時、準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)的有關(guān)對光纖干擾的信息，特別是對發(fā)生得太快而不能利用OTDR技術(shù)探測的瞬間事件，這將是很有意義的進(jìn)展。這可以通過將不能定位事件的分布式傳感技術(shù)與能夠定位事件的兼容技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。這會具有監(jiān)視接近該纖維或該纖維附著的任何結(jié)構(gòu)和材料的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。這樣和功能應(yīng)該會使得真正實(shí)現(xiàn)分布式傳感應(yīng)用，如結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)視、管道泄漏監(jiān)視、地下監(jiān)視、機(jī)械條件監(jiān)視和高度安全區(qū)域的入侵監(jiān)測。
本發(fā)明的簡要總結(jié)本發(fā)明的目的是提供一種在波導(dǎo)傳感系統(tǒng)中定位事件的波導(dǎo)透射反向傳播信號的方法及其相關(guān)系統(tǒng)。
本發(fā)明提供了一種用于監(jiān)視結(jié)構(gòu)和定位事件位置的設(shè)備，包括；一個光源；一個波導(dǎo)管，用于從該光源中接收光，以引起該光在波導(dǎo)管中在兩個方向上傳播，因而在波導(dǎo)管中提供反向傳播的光信號，波導(dǎo)管能使反向傳播的光信號或信號的一些特性受到由某個事件引起或指示的外部參數(shù)的修改或影響，以提供修改后的反向傳播光信號；以及探測器裝置，用于探測受參數(shù)影響的修改后的反向傳播光信號，并用于確定修改后的反向傳播光信號之間的時間延遲或差值，以便確定該事件的位置。
本發(fā)明依賴于對于受相同事件影響的透射反向傳播光信號之間時間延遲或差值的測量。在本發(fā)明的配置中，光信號，最好是連續(xù)波(continuous-wave，CW)的光信號，最好是從單一的光源發(fā)出并發(fā)送到波導(dǎo)管中，并且同時由探測器例如兩個單獨(dú)的光探測器進(jìn)行探測。使光信號成脈沖是不必要的，雖然它可以應(yīng)用在某些配置中。任何用于改變反向傳播信號的傳感參數(shù)將以相同的方式影響兩個信號，但是因?yàn)槭苡绊懙姆聪騻鞑バ盘柋仨毭總€都連續(xù)穿過波導(dǎo)管長度剩余的部分到達(dá)它們相應(yīng)的光探測器中，所以就會得到這些被探測信號之間的時間延遲或時間差值。該時間延遲直接正比于在波導(dǎo)管長度上傳感事件的位置。因此，如果探測和測量到該時間延遲或差值，就可以確定該事件的位置。同時，如果正在使用兼容的傳感機(jī)制，則傳感的事件可以被確定出數(shù)量和/或被識別出(即應(yīng)力、振動、發(fā)出聲音、溫度瞬間值)。另外，非敏感光纖延遲線可以在一端或兩端上連接到波導(dǎo)管上，以便在透射反向傳播信號之間增加一個附加的延遲并提供不敏感的引線纖維(lead fibre)。這有助于將該技術(shù)設(shè)計(jì)為適用的工作系統(tǒng)。
本發(fā)明實(shí)際上還有可以在任何現(xiàn)有類型的透射分布式光纖傳感器上工作的優(yōu)點(diǎn)，使得可以探測動態(tài)和瞬間的事件，確定其數(shù)量，并在構(gòu)成波導(dǎo)管的光纖長度上定位任何位置。而且，它在可透射的結(jié)構(gòu)中工作，這樣，實(shí)質(zhì)上向后向探測器發(fā)送整個光信號和功率，并且不要求信號的平均，還通過受相同干擾影響的反向傳播光信號之間時間延遲的測量確定事件的位置。
不加任何限制，本發(fā)明可以兼容的、非定位分布式光纖傳感技術(shù)的例子包括●模態(tài)度量(Modalmetric)干擾儀●Sagnac干擾儀●Michelson干擾儀●長度Fabry-Perot干擾儀●Mach-Zehnder干擾儀●雙模式干擾儀波導(dǎo)管最好是硅石波導(dǎo)管。
從光源發(fā)出的光最好同時發(fā)送到波導(dǎo)管的相反的端上。
光源最好是單獨(dú)光源。但是，在其它一些實(shí)施例中，兩個CW或同步光源可以用于同時將光發(fā)送到波導(dǎo)管的相反的端上。
波導(dǎo)管最好是構(gòu)成一個事件敏感光纖的一個或多個光纖。
而且，最好在傳感波導(dǎo)管的任何一端或兩端上連接進(jìn)一步的硅石波導(dǎo)管，以便增加透射反向傳播信號之間的附加延遲，并且提供不敏感的引線波導(dǎo)管(lead waveguides)。
所述探測器裝置最好包括第一個和第二個光探測器，用于同時接收來自硅石波導(dǎo)管中的反向傳播信號的輻射；以及處理裝置，用于接收來自所述第一個和第二個光探測器的信號，以確定相同干擾影響的信號之間的時間延遲或差值，因而確定傳感事件的位置。
最好，一個波導(dǎo)管耦合器或一組波導(dǎo)管耦合器被安排在光源、光探測器和硅石波導(dǎo)管之間，以使光能夠同時從光源發(fā)送到硅石波導(dǎo)管的兩端，并且探測器裝置還被連接到所述一個耦合器或一組耦合器上，以使反向傳播透射輻射可以直接從硅石波導(dǎo)管通過所述一個耦合器或一組耦合器到達(dá)探測器裝置。
本發(fā)明還提供了一種用于監(jiān)視結(jié)構(gòu)以定位事件位置的方法，該方法包括步驟使光被發(fā)送進(jìn)入到波導(dǎo)管以便引起光在沿波導(dǎo)管的兩個方向上傳播，因而在波導(dǎo)管中提供反向傳播的光信號，波導(dǎo)管能夠使得反向傳播光信號或這些信號的某些特性受到外部事件引起的外部參數(shù)的修改或影響，以提供修改后的反向傳播光信號；以及探測受參數(shù)影響的修改后的反向傳播光信號，并用于確定修改后的反向傳播光信號之間的時間延遲或差值，以便確定事件的位置。
所述光最好是發(fā)送到波導(dǎo)管的兩端，以提供反向傳播信號。
所述光最好從單獨(dú)的光源發(fā)送到波導(dǎo)管的兩端。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供了一種用于在光波導(dǎo)管中定位事件的波導(dǎo)透射反向傳播信號方法及其相關(guān)系統(tǒng)，包括提供一種由波導(dǎo)材料構(gòu)成的、設(shè)計(jì)成用于同時發(fā)送反向傳播光信號的光纖(單?；蚨嗄?；提供一種傳感器配置(單?；蚨嗄?，具有任何適當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)管長度，任何適當(dāng)?shù)膸缀涡螤?，并與在光波導(dǎo)管中定位事件的波導(dǎo)透射反向傳播信號方法及其相關(guān)系統(tǒng)相兼容，這種配置設(shè)計(jì)成使得傳感器靈敏度和探測能力被最優(yōu)；提供一種由波導(dǎo)材料構(gòu)成的引線光纖(單?；蚨嗄?，用作傳感纖維和傳感與定位系統(tǒng)光學(xué)及光電子接口之間的不敏感光的引導(dǎo)；提供一種由波導(dǎo)材料構(gòu)成的引線光纖(單模或多模)，用作傳感纖維和激勵源之間的不敏感光的引導(dǎo)；熔合連接，或者用其它方式連接傳感器波導(dǎo)管和引線光纖，以便對準(zhǔn)波導(dǎo)管的中心并保持固定在接頭(splice)上；通過引線光纖將反向傳播信號從波導(dǎo)傳感器發(fā)送到適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)和電子配置中，以便可以測量和利用這些信號之間的時間延遲或差值，從而確定被傳感事件的位置；登記可以利用兼容傳感技術(shù)的波導(dǎo)傳感器光信號中的任何變化，以便可以確定傳感的參數(shù)和/或識別傳感的參數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例還在于提供這樣一種方法，即在光纖中產(chǎn)生用于定位事件的波導(dǎo)透射反向傳播信號的方法及其相關(guān)系統(tǒng)，它包括，但不限于以下的步驟
●在另一種可選配置中，傳感器纖維可以由兩個或多個適合成形的光纖(單?；蚨嗄５?替換，并且附加的多個耦合器可以用于將多個傳感器纖維連接到光纖引線上。在這種配置中，為便于數(shù)量增多的傳感和引線纖維，在這種器件上要求更多數(shù)量的耦合器和光探測器。
●在上述可選配置的優(yōu)選實(shí)施例中，傳感部分由兩個適當(dāng)成形的單模光纖構(gòu)成，而不敏感的引線是單模光纖的。通過在任意一端或兩端上使用單模耦合器，兩個傳感纖維被連接到一個引線纖維上。
本發(fā)明對任何可以在可透射配置中設(shè)計(jì)的光學(xué)波導(dǎo)分布式傳感技術(shù)都是有效的。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，但不限于該優(yōu)選實(shí)施例，分布式傳感技術(shù)根據(jù)模態(tài)度量(Modalmetric)技術(shù)，使用不敏感單模纖維到敏感多模纖維的熔合連接。在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，但不限于該優(yōu)選實(shí)施例，分布式傳感技術(shù)是根據(jù)Mach-Zehnder或Michelson干擾儀，利用兩個單模纖維作為敏感區(qū)域的。
波導(dǎo)管最好包括至少一個光纖和/或至少一個光纖器件。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，波導(dǎo)管可以僅包括一個沒有任何附件元件的光纖。但是，光纖在其長度上可以包括無源或有源元件。而且，光纖在其長度上可以包括傳感元件，并且那些元件可以包括在應(yīng)用環(huán)境中將響應(yīng)所需參數(shù)變化的器件，并且影響在波導(dǎo)管中電磁輻射傳播的特性和特點(diǎn)，從而提供該參數(shù)變化的指示。
最好是可使用任何適當(dāng)?shù)腃W或脈沖單頻或多波長源，或多個源。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，但不限于該優(yōu)選實(shí)施例，使用一個CW或脈沖相干激光二極管提供光信號。在另一種可選配置中，相同或變波長的多個光源可被用于產(chǎn)生反向傳播信號。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供了這樣的可能性，即利用結(jié)合了激光二極管、發(fā)光二極管、光探測器、耦合器、隔離器、循環(huán)器和過濾器的全纖維、低成本光學(xué)器件。可以將任何適當(dāng)?shù)墓庠?、耦合器和光探測器裝置用在傳感器和定位系統(tǒng)上。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，所要求的的光源的光特性能夠使光發(fā)送到單模波導(dǎo)管并在單模波導(dǎo)管中傳播。為了定位，在光在單模纖維中傳播的整個時期內(nèi)，在單模纖維中傳播的光必須保持單模形式。一旦光從單模光纖發(fā)送到多模光纖中，可以激勵幾個模式，并且多模光纖將對各種參數(shù)敏感。一旦光從多模光纖發(fā)送回單模光纖，則僅支持一個單獨(dú)模式并且該單模式傳播到系統(tǒng)的光學(xué)元件中。以這種方式來實(shí)現(xiàn)引入/引出纖維的降低靈敏度和傳感器定位。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高信噪比，單模光纖應(yīng)該
●準(zhǔn)備一種由波導(dǎo)材料構(gòu)成的光纖(單模或多模的)，該波導(dǎo)管材料設(shè)計(jì)成用于同時發(fā)送多個反向傳播光信號。
●用任何適當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)管長度、任何適當(dāng)?shù)膸缀涡螤睿瑴?zhǔn)備一種傳感器配置(單?；蚨嗄５?，并與在光波導(dǎo)管中定位事件的波導(dǎo)透射反向傳播信號方法及其相關(guān)系統(tǒng)相兼容，這種配置設(shè)計(jì)成使得傳感器靈敏度和探測能力被最優(yōu)。
●準(zhǔn)備一種波導(dǎo)傳感器并通過切開或打磨其端子準(zhǔn)備光纖引線，以便建立一個平的、光滑的表面。從切開的或打磨的波導(dǎo)傳感器和纖維引線端面上小心地除去污染物之后，將波導(dǎo)傳感器和纖維引線端對端地放置在熔合連接的設(shè)備上并熔合在一起多次(times and currents)。如果需要的話，可以多次重復(fù)熔合連接過程。波導(dǎo)傳感器和纖維引線的中心和總的直徑是不限制的，在熔合連接過程之前，變換的步驟或V型槽可以用在熔合連接設(shè)備上來對準(zhǔn)波導(dǎo)傳感器和纖維引線的中心。波導(dǎo)傳感器和纖維引線的不同的組合可能要求一種不同的或唯一的一組熔合連接參數(shù)。
●在熔合連接之后，在任何位置上切開或打磨波導(dǎo)傳感器，以便建立一個平的、光滑的表面。切開或打磨表面的位置建立傳感器的定位長度或傳感區(qū)域。在小心地從切開的或打磨的波導(dǎo)傳感器端面上除去任何的污染物之后，在希望的位置上熔合連接到第二個纖維引線。
●以利用粘合、連接、接合或耦合纖維引線到光源、耦合器、光探測器和信號處理電子設(shè)備的適當(dāng)組合和配置的任何方式，準(zhǔn)備或連接該纖維的空余端子，在光波導(dǎo)管中，實(shí)現(xiàn)定位事件的透射反向傳播信號方法。
●最好，制作的傳感器和/或暴露的熔合連接區(qū)域通過在適當(dāng)器件或材料(即熱收縮熔合連接保護(hù)器，丙烯酸鹽、瓷釉、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺等)上希望的區(qū)域進(jìn)行包裝或涂覆來加以保護(hù)。
●在一個優(yōu)選實(shí)施例中，傳感器波導(dǎo)管是多模光纖，而引線纖維是單模纖維。
●在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，多個多模纖維和單模纖維被端對端地熔合連接起來，以沿整個纖維組件構(gòu)成幾個敏感和不敏感的區(qū)域。
●在其它一些優(yōu)選實(shí)施例中，多個單模纖維被熔合連接到相應(yīng)的多模纖維上，并且多個單模纖維被連接到一個耦合器上，該耦合器反過來又連接到一個單模纖維上，以構(gòu)成一種多路復(fù)用傳感器配置。足夠長以削弱所有的覆層模式。這個優(yōu)選實(shí)施例用于在兩個方向傳播透射反向光信號。
在波導(dǎo)傳感器中使用傳播的電磁輻射的特性和特點(diǎn)，能使監(jiān)視在非破壞方式下進(jìn)行。這樣，為了監(jiān)視和定位希望的參數(shù)，傳感器不需遭到破壞、折斷和毀壞。
在這種方式中，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，電磁輻射從一個光源，如帶引線的激光二極管、纖維激光或發(fā)光二極管，被發(fā)送到一個光波導(dǎo)管中(單?；蚨嗄５?，如光纖，并沿光波導(dǎo)管傳播。光波導(dǎo)管連接到(臨時或永久地)一個光波導(dǎo)管光分解器或耦合器上，并且當(dāng)電磁輻射到達(dá)光分解器時，電磁輻射可以分支輸出到光分解器的兩個輸出波導(dǎo)管臂上。該光分解器的每個輸出臂都熔合連接到其它的耦合器上，這樣兩個耦合器構(gòu)成兩端的發(fā)送和探測端口，如上述的反向傳播方法所述的。光信號同時發(fā)送到耦合器的輸出波導(dǎo)管的臂上。在每個耦合器中僅使用一個輸出臂，另一個被折斷或終止，以避免回反射。耦合器的輸出臂直接連接到(臨時或永久地)波導(dǎo)傳感元件之一上或連接到(臨時或永久地)波導(dǎo)傳感元件的引線光波導(dǎo)管上。光分解器的任何一個輸出波導(dǎo)管臂可用于將電磁輻射通過一個光波導(dǎo)管引線發(fā)送到傳感器波導(dǎo)管。同樣地，多個輸出波導(dǎo)管的臂可用于將電磁輻射發(fā)送到多個單一的的或多路復(fù)用的波導(dǎo)傳感器。發(fā)送到波導(dǎo)傳感器的每一個反向傳播信號沿波導(dǎo)管的整個長度傳播，直到到達(dá)相反端，并以與初始發(fā)送信號相反的方向，返回發(fā)送到后面的耦合器。這些信號通過后面的耦合器，被在相反的方向上分解。部分信號被發(fā)送回第一個耦合器和激光器，剩余的信號沿后面耦合器的未用的臂發(fā)送，并在光探測器上終止。光信號同時由兩個光探測器監(jiān)視。適當(dāng)?shù)碾娮有盘柼幚矸桨负退惴ㄌ幚韥碜悦總€探測器的信號并通過確定受同樣干擾影響的信號之間的時間延遲或差值，提供被傳感事件的位置。這個不敏感的光纖引線可以非常長，以提供光信號之間附加的時間延遲。這就有助于將該技術(shù)設(shè)計(jì)為實(shí)用的工作系統(tǒng)。
在這種方法中，依據(jù)本發(fā)明可選的優(yōu)選實(shí)施例，傳感部件由兩個或多個更適當(dāng)成形的纖維所組成(單?；蚨嗄５?，并且不敏感的引線是單模纖維。多個傳感纖維通過在傳感纖維任一個端或兩端上使用附加的單模耦合器而被連接到引線纖維上。
最好，儀器的光學(xué)和電子裝置采用噪聲最小化技術(shù)。
最好，所有的光學(xué)和電氣元件都使用單一的光纖輸入口，將被定位在一個單一的儀器控制盒上。
電光器件、聲光器件、磁光器件和/或集成的光學(xué)器件也可在該系統(tǒng)中使用。
本發(fā)明還提供了一種用于監(jiān)視光纖通信鏈路并用于定位鏈路上干擾的位置的設(shè)備，其中，數(shù)據(jù)信號被發(fā)送到該鏈路中，并從該鏈路中接收數(shù)據(jù)信號，所述設(shè)備包括一個光源，用于將光發(fā)送到所述鏈路中，以引起該光沿著所述鏈路在兩個方向上傳播，從而在所述鏈路中提供反向傳播的光信號所述鏈路能使反向傳播的光信號或信號的一些特性受到干擾的修改或影響，以提供修改后的反向傳播光信號；以及探測器裝置，用于探測修改后的反向傳播光信號，并用于確定修改后的反向傳播光信號之間的時間延遲或差值，以便確定干擾的位置。
本發(fā)明還提供了一種用于監(jiān)視光纖通信鏈路以定位該鏈路上干擾的位置的方法，其中，數(shù)據(jù)信號被發(fā)送到該鏈路中，并從該鏈路中接收數(shù)據(jù)信號，所述方法包括步驟將光發(fā)送到該鏈路中，以使所述光沿所述鏈路在兩個方向上傳播，從而在所述鏈路中提供反向傳播光信號，所述鏈路能使反向傳播的光信號或信號的一些特性受到干擾的修改或影響，以提供修改后的反向傳播光信號；以及探測受干擾影響的修改后的反向傳播光信號，并確定修改后的反向傳播光信號之間的時間延遲或差值，以便確定干擾的位置。
附圖的簡要說明下面將參考附圖，通過舉例的方式，進(jìn)一步說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，附圖中

圖1表示本發(fā)明的一般實(shí)施例；圖2表示使用模態(tài)度量傳感技術(shù)的本發(fā)明的一個實(shí)施例；圖3表示使用Mach-Zehnder干擾儀傳感技術(shù)的本發(fā)明的又一個實(shí)施例；圖4是使用模態(tài)度量傳感技術(shù)的一個集成光纖傳感和通信系統(tǒng)；圖5表示本發(fā)明的再一個實(shí)施例；
圖6是說明如圖5詳細(xì)表示的，當(dāng)一個擾動作用在一個14.71km長的纖維鏈路上時，一個由本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)的示波器圖；圖7是說明如圖5詳細(xì)表示的，當(dāng)一個擾動作用在一個14.71km長的纖維鏈路上時，另一個由本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)的示波器圖；圖8表示使用模態(tài)度量傳感技術(shù)和使用通過本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的方法實(shí)現(xiàn)的定位干擾的能力的、組合的光纖傳感和通信配置；圖9表示本發(fā)明的再一個實(shí)施例；和圖10表示本發(fā)明的再一個實(shí)施例。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例參考圖1，說明了一個一般的安裝過程，其中，分布式傳感器10可以放在某些任意長度的不敏感纖維引線14a和14b之前和之后。重要的是強(qiáng)調(diào)這種方法需要任何一個或兩個不敏感的纖維引線14a和14b；它們簡單地提供了附加的延遲線路，以便增加透射反向傳播信號之間的附加延遲，從而提供不敏感引線纖維，和/或便于利用傳感區(qū)域的特定位置。這有助于將該技術(shù)設(shè)計(jì)為適用的工作系統(tǒng)。不敏感的引線14a和14b可以是熔合接頭17連接或者用其它方式連接到傳感纖維10。
光纖鏈路(總距離dx)由長度為da的不敏感部件14a、長度為db的敏感部件10和長度為dc的第三個不敏感部件14b所組成，不敏感部件14a連接到熔合接頭17，該熔合接頭17又連接到敏感部分10，最后又有一個熔合接頭17將敏感部分10連接到不敏感部分14b。安裝的目的是沿纖維鏈路10(點(diǎn)B和點(diǎn)D之間)定位一個干擾18(在點(diǎn)C)。通過將光同時發(fā)射到點(diǎn)A和點(diǎn)E，該纖維鏈路具有兩個反向傳播的光束。沿纖維鏈路10的敏感部分任何地方的擾動18將引起兩個等同的擾動信號，每個在交替的方向上傳播；即從點(diǎn)C向點(diǎn)E，從點(diǎn)C向點(diǎn)A。如果已知每個信號到達(dá)時間的不同(分別到達(dá)點(diǎn)A和點(diǎn)E)，則沿db干擾發(fā)生的點(diǎn)可以用下面的方程計(jì)算出來dx＝da＋db＋dc＝da＋db1＋db2＋dc(1)每個信號到達(dá)時間的不同(分別到達(dá)點(diǎn)A和點(diǎn)E)可以由下式給出
Δt＝(Δtb2＋Δtc)－(Δtb1＋Δta) (2)這里，Δta、Δtb1、Δtb2、Δtc指光信號分別穿過距離da、db1、db2和dc所用的時間，可以利用t＝d/v，由已知的距離進(jìn)行計(jì)算，其中v是光信號的速度，由c/nfibre給出，其中c是光在真空中的速度(3×108m/s)，nfibre是光纖的有效折射系數(shù)。
重寫Δt的方程，我們有Δt=db2+dc-db1-dav---(3)]]>利用dx的方程，我們用關(guān)系式db2＝dx－da－dc－db1進(jìn)行代換，可以給出Δt=dx-da-dc-db1+dc-db1-dav]]>=dx-2da-2db1v]]>=dx-2(da+db1)v---(4)]]>因此，以點(diǎn)A作參考點(diǎn)，干擾點(diǎn)由下式給出 類似地，以點(diǎn)E作參考點(diǎn)，干擾點(diǎn)由下式給出 很有趣的是，請注意，這個結(jié)果說明只需要知道整個光纖鏈路的長度dx，而不需知道該系統(tǒng)中各種敏感和不敏感纖維區(qū)域的相應(yīng)長度。通過使用OTDR，在一個項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和安裝階段，或安裝之后，可以容易地得到這個信息。那么，一旦系統(tǒng)知道總的長度并測量出時間延遲Δt，就可以使用方程5或6直接計(jì)算，從而確定出傳感事件的位置。
在圖2的實(shí)施例中，CW相干激光從帶引線的激光二極管20和纖維隔離器22被發(fā)送到單模光纖15中，并沿著光纖15傳播。光纖15通過熔合接頭41連接到單模光纖耦合器24的一個臂上，并且當(dāng)光到達(dá)耦合器24時，該光可以分支到耦合器24的兩個輸出臂上，這個耦合器24的每個輸出臂分別通過熔合接頭42a和42b連接到其它單模纖維耦合器26a和26b，這樣，從激光源20來的光同時發(fā)送到其它兩個耦合器26a和26b的每一個上面。使用模態(tài)度量傳感技術(shù)，這兩個耦合器26a和26b組成雙端反向傳播方法的發(fā)送和探測端口。光信號同時被發(fā)送到耦合器26a和26b的輸出臂27a和27b上。只使用分別來自每個耦合器26a和26b的一個輸出臂27a和27b，耦合器的其它所有未用的臂都被折斷或終止，以避免后向反射19。耦合器26a和26b的輸出臂27a和27b終止于單模光纖防水壁(bulkhead)連接器(通過適配器)28a和28b上。一個連接的(connectorised)單模纖維引線14a被連接到適配器28a，以使來自耦合器26a的光以一個方向發(fā)送到纖維鏈路中。相似地，對于反向傳播信號，一個連接的單模纖維引線14b被連接到適配器28b，以使來自耦合器26b的光以相反的方向發(fā)送到纖維鏈路。單模纖維引線14a通過熔合接頭43連接到多模傳感纖維10的一端，而單模纖維鉛14b則通過熔合接頭44連接到多模多模傳感纖維10的相反端，這樣構(gòu)成所需要的透射反向傳播傳感回路結(jié)構(gòu)。通過纖維傳感器10發(fā)送的每個反向傳播信號沿整個纖維鏈路長度進(jìn)行傳播，直到它們到達(dá)相反的端，并且通過引線14a和14b，以及經(jīng)適配器28a和18b的防水壁被發(fā)送回來，分別以與初始發(fā)送信號相反的方向進(jìn)入耦合器26a和26b中。這些信號均通過耦合器26a和26b在相反的方向上被分解。部分信號后向傳播到第一個耦合器24和激光器20，而剩余的信號分別沿后面的激光耦合器26a和26b的臂16a和16b傳播，并終止在光電耦合器30a和30b上。纖維隔離器22用于減少發(fā)送回激光二極管中光的數(shù)量。光信號同時由兩個光探測器30a和30b監(jiān)視。適當(dāng)?shù)碾娮印⑿盘柼幚矸桨负退惴ㄌ幚韽拿總€探測器30a和30b來的信號，并根據(jù)確定受相同干擾影響的信號之間的時間延遲或差值，提供被傳感事件的位置18。如果需要的話，不敏感光纖引線14a和14b可以是非常長，以提供這些光信號之間附加的時間延遲。
在圖3的實(shí)施例中，CW相干激光被從引線激光二極管20和纖維隔離器22發(fā)送到單模光纖15中，并在光纖15上傳播。光纖15通過熔合接頭41連接到單模光纖耦合器24的一個臂上，并且當(dāng)光到達(dá)耦合器24時，光可以分支到耦合器24的兩個輸出臂上。這個耦合器24的每個輸出臂分別通過熔合計(jì)接頭26a和26b連接到其它單模纖維耦合器26a和26b上，這樣從激光源20來的光同時發(fā)送到其它兩個耦合器26a和26b的每個上。這兩個耦合器26a和26b使用Mach-Zehnder干擾儀傳感技術(shù)，構(gòu)成雙端反向傳播方法的發(fā)送和探測端口。光信號同時發(fā)送到耦合器26a和26b的輸出臂27a、27c和27b上。只使用耦合器26b的一個輸出臂27b，耦合器的所有其它未使用的臂被折斷或終止，以避免后向反射19。耦合器26a和26b的輸出臂27a、27c和27b終止于單模光纖防水壁連接器28a(通過適配器)、28c和28b上。被連接的單模傳感纖維10a和10c分別連接到適配器28a和28c上，以使從耦合器26a來的光在一個方向上同時發(fā)送到纖維鏈路上?？蛇x擇地，再一個耦合器可以被使用，用臂10a和10c來代替使用臂27c和適配器28c。相似地，對于反向傳播信號，被連接的單模纖維引線14被連接到適配器28b，以使來自耦合器的光被以相反的方向發(fā)送到纖維鏈路上。單模傳感纖維10a和10c分別通過熔合接頭45和46連接到單模耦合器60的一個端上，而單模纖維引線14通過熔合接頭47連接到相反側(cè)的耦合器60的一個臂上，因此構(gòu)成所要求的透射反向傳播傳感回路結(jié)構(gòu)。耦合器60的未用的臂被折斷或終止，以避免后向反射19。通過纖維裝置(Arrangement)發(fā)送的每個反向傳播信號沿整個光纖鏈路長度進(jìn)行傳播，直到它們到達(dá)相反的端上并分別經(jīng)防水壁連接器28a、28c和28b被反射回來，并以與初始發(fā)送信號相反的方向進(jìn)入耦合器26a和26b。這些信號被在相反方向上分解進(jìn)入耦合器26a和26b。部分信號返回穿過第一個耦合器24和激光器20，而剩余的信號分別沿著后者的耦合器26a和26b的臂16a和16b進(jìn)行傳播，并終止于光探測器30a和30b。纖維隔離器22用于減少發(fā)送回到激光二極管的光量。光信號同時由兩個探測器30a和30b監(jiān)視。適當(dāng)?shù)碾娮?、信號處理方案和算法處理來自每個探測器30a和30b的信號，并通過確定受相同干擾影響的信號之間的時間延遲或差值，提供被傳感事件的位置18。如果需要的話，不敏感光纖引線14可以是非常長，以提供這些信號之間的附加的時間延遲。
圖4說明了一個使用模態(tài)度量傳感技術(shù)的集成光纖傳感和通信系統(tǒng)，在下面的實(shí)施例中將對其進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖5表示用于驗(yàn)證本發(fā)明可行性的本發(fā)明實(shí)施例的圖，在下面的例子中還將對其進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖6表示一個示波器波形圖，它表示由本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)，在圖5和下面的實(shí)施例中詳細(xì)說明的是當(dāng)擾動作用在14.71km長的纖維鏈路的纖維上時的情況。圖7表示另一個示波器波形圖，它表示由本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)，在圖5和下面的實(shí)施例中詳細(xì)說明的是當(dāng)擾動作用在14.71km長的纖維鏈路的纖維上時的情況。
圖8是利用模態(tài)度量技術(shù)和通過本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的方法實(shí)現(xiàn)的定位干擾的能力，表示組合的光纖傳感和通信配置方案。在該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，常常希望反向傳播信號的兩個發(fā)送點(diǎn)都在同樣的物理位置上。這點(diǎn)通過使用能夠有效構(gòu)成一個單端系統(tǒng)的多纖維電纜很容易實(shí)現(xiàn)。在所述配置中，一個單模纖維用作通信纖維，同時兩個纖維，一個單模纖維和一個多模纖維需要在感興趣的特定區(qū)域(陰影區(qū)域)上安裝模態(tài)度量侵入傳感器(事件探測和位置確定)。在陰影區(qū)域中沿多模纖維任何位置上的擾動將產(chǎn)生兩個反向傳播的擾動信號。測量它們各自到達(dá)鏈路發(fā)送機(jī)端的時間差值將可以定位待確定的干擾的位置。
參考圖8，表示了一個包括通信纖維151的通信電纜150。纖維151的一端連接到發(fā)送機(jī)152上，另一端連接到接收機(jī)153上。發(fā)送機(jī)152將數(shù)據(jù)發(fā)送到纖維151上，由接收機(jī)153來接收。
電纜150還包括多模纖維155，在連接點(diǎn)157上連接到單模纖維156上。還有一個單模纖維158在連接點(diǎn)159上連接到多模纖維155上。纖維155、156和158在電纜150內(nèi)構(gòu)成回路型的結(jié)構(gòu)，以使得由纖維155、156和158構(gòu)成的連續(xù)纖維的160和161端相互鄰近。
如上所述，反向傳播信號發(fā)送到纖維155、156和158的兩個端160和161上，而探測器(未示出)設(shè)計(jì)成用于探測從兩個端160和161發(fā)送的兩個反向傳播信號。
任何企圖侵入電纜150來物理訪問纖維151必然會干擾作為傳感纖維的多模纖維155，因而將按照上述的方式，產(chǎn)生和探測在端160和161上的兩個反向擾動信號。通過確定所接收的兩個修改的或擾動的信號之間的時間差值，就能確定所述企圖侵入的位置。
雖然在圖8的優(yōu)選實(shí)施例中，纖維155、156和158互相連成回路形式，以使兩個端160和161相互鄰近，但是，也可以提供一種一般與纖維151并行工作的單獨(dú)傳感的多模纖維，并將光從電纜150的相反端發(fā)送到該纖維的兩個端上，并且探測來自兩個端并與光探測器同步的光，以便獲得時間差值來定位企圖侵入的位置。
優(yōu)選實(shí)施例的多個例子本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)通過下面的例子進(jìn)行了測試。為了演示這里所述的本發(fā)明的可行性，構(gòu)造了光纖透射反向傳播信號方法和相關(guān)系統(tǒng)。但是，并不是至今所得到的所有結(jié)果均在下面的實(shí)施例中詳細(xì)說明。例子使用模態(tài)度量(Modalmetric)效應(yīng)的干擾點(diǎn)定位已經(jīng)知道當(dāng)一個多模光纖遭到干擾時，會影響模式分布。在多模纖維中，這個模式分布的調(diào)制就是熟知的模態(tài)度量效應(yīng)。通過探測在纖維的斑點(diǎn)(speckle)模式輸出中強(qiáng)度的變化，在多模纖維中的模態(tài)度量效應(yīng)可以用于傳感和監(jiān)視纖維本身、或者纖維附著的結(jié)構(gòu)或目標(biāo)的振動、干擾或運(yùn)動。模態(tài)傳感器因而可以用作結(jié)構(gòu)監(jiān)視中的振動傳感器、高電壓設(shè)備中的條件監(jiān)視，電纜或管道以及防護(hù)墻周邊安全的侵入探測。
起初，光纖主要使用在長距離和高速的通信系統(tǒng)中，但是，隨著光纖電纜和光電子源和探測器成本的降低，光纖現(xiàn)在正用作許多通信應(yīng)用中的主要載體，如LAN/WAN骨干網(wǎng)，并且用在很多小型和大型機(jī)構(gòu)(如銀行，國防、政府、公共設(shè)施和跨國公司)的專用通信網(wǎng)上。許多這樣的通信網(wǎng)涉及發(fā)送敏感信息，使得通信鏈路的安全性成為優(yōu)先考慮的因素。
模態(tài)度量效應(yīng)可以很容易和有效地用于保護(hù)光纖電纜，防止任何入侵光纖電纜的企圖。典型的將傳感集成到一個纖維通信系統(tǒng)的裝配如圖4所示。
兩個傳感系統(tǒng)100a(即激光器)和100b(探測器和處理器)，以及通信系統(tǒng)200a(發(fā)送機(jī))和200b(接收機(jī))都集成到同一光纖10中。選擇傳感系統(tǒng)的波長以便不與通信信號(通過波長多路復(fù)用)相互干擾，并且還使得光纖對于傳感波長來說是多模的。一些其它的結(jié)構(gòu)也是可行的，但是，它們都采用相同的原理工作。模態(tài)度量處理單元將探測在纖維鏈路任何點(diǎn)上的任何擾動。
到現(xiàn)在為止，模態(tài)度量檢測效應(yīng)僅具有沿著分布式多模光纖傳感長度來檢測干擾的能力，不能定位干擾的準(zhǔn)確地點(diǎn)。本發(fā)明人最近的試驗(yàn)已經(jīng)表明根據(jù)本發(fā)明這里說明的方法，通過確定兩個反向傳播信號之間的時間延遲，定位干擾是可以做到的。下面將在圖5中說明該試驗(yàn)工作。
在圖5中說明的安裝過程與圖1中的相似，在纖維鏈路中有兩個反向傳播光信號A1和B1。而且，傳感纖維10(可以是例如2公里長，并位于接合點(diǎn)105和107之間)可以是在纖維電纜中的專用纖維，或與通信纖維一樣的纖維。引線纖維10連接到構(gòu)成波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)末端上的不敏感引線纖維109和111上。引線纖維109通過接頭115連接到有效長度(如5公里)的不敏感纖維113上，而纖維113通過接頭117在117上連接到敏感多模纖維119上。纖維119通過接頭107連接到纖維10上。纖維119可以具有有效長度，如8.8km。如果擾動P在指定的點(diǎn)(點(diǎn)A)作用到該多模纖維上，則將產(chǎn)生兩個相似或相同的時變光信號，與模態(tài)度量效應(yīng)一致，它們各自在相反的方向上傳播。在與輸入2(PS2)一致的擾動信號到達(dá)端口1(輸出2)之前，與輸入1(PSI)一致的擾動信號將到達(dá)端口2(輸出1)。這是由于這樣的事實(shí)，即PS2需要通過例如比PS2長14.71km(A到端口1和A到端口2的距離之差)的光纖進(jìn)行傳播。通過測量兩個擾動信號之間的時間延遲，就可以計(jì)算出干擾的位置。在上述的裝配過程中，假定光纖的折射指數(shù)為1.457，那么可以計(jì)算兩個信號之間的時間差值為Δt=14.71×103m(3×108m/s)/(1.457)=71.49μs]]>幾組測量是在圖5說明的透射反向傳播纖維配置中實(shí)現(xiàn)的。一個同圖2說明的相同的試驗(yàn)安裝過程用于測量擾動信號，一臺Hewlett Packard 54810AInfinium數(shù)字化示波器用于采樣擾動信號和手工測量所得到的時間差值。圖6和圖7表示從這樣的數(shù)據(jù)捕獲過程中得到的結(jié)果，從兩個捕獲過程來看，在兩個擾動信號之間有一個很清晰的延遲，所測量的結(jié)果分別為65μs和70μs，與71.5μs理論計(jì)算值相吻合。誤差(有效地為300m)可以是纖維有效折射指數(shù)假定值的結(jié)果，并且是由手工測量時間延遲的不精確性帶來的。可以通過知道纖維的實(shí)際有效折射指數(shù)以及通過使用數(shù)字信號處理裝置準(zhǔn)確地確定時間延遲，來減少這些誤差。
圖9和圖10進(jìn)一步表示本發(fā)明的實(shí)施例，在該實(shí)施例中一個普通的波導(dǎo)管用于數(shù)據(jù)的傳輸(例如纖維通信鏈路)，還構(gòu)成傳感纖維以確定任何干擾該纖維的企圖。這些實(shí)施例特別應(yīng)用于保證通信鏈路的安全，指示任何侵入通信鏈路以便從通信鏈路盜聽數(shù)據(jù)的企圖。圖10表示一個回路的結(jié)構(gòu)，圖9表示不帶回路的結(jié)構(gòu)。
在圖9中，光纖200構(gòu)成通信鏈路，將數(shù)據(jù)從一個地方發(fā)送到另一個地方。纖維200最好是在1150納米波長(將是數(shù)據(jù)發(fā)送的波長)的單模纖維，和在850納米波長(將是傳感頻率)的多模纖維。數(shù)據(jù)從發(fā)送機(jī)210被發(fā)送到纖維200中，發(fā)送機(jī)200可以包括含有集成隔離器的帶引線的激光二極管，以使數(shù)據(jù)信號以1150納米波長發(fā)送到單模纖維212中。纖維212在213被連接到纖維214上，而纖維214連接到耦合器216的一個臂上。耦合器216的輸出在218連接到纖維200上。纖維200還在218連接到耦合器200上。耦合器220的一個臂連接到一個單模纖維221上，單模纖維221在222進(jìn)一步連接到單模纖維224上。纖維221和224是在1550納米波長的單模纖維。纖維224連接到對1550納米波長敏感的探測器226上。
第一個反向傳播傳感系統(tǒng)240通過耦合器216的一個單模纖維214和一個多模纖維臂242連接到耦合器216的另一個臂上，這兩個臂在接頭243上連接在一起。纖維241和纖維242分別是在850納米波長的單模的和多模的纖維，該波長是在圖9實(shí)施例中使用的傳感波長。反向傳播傳感系統(tǒng)240包括一個發(fā)送機(jī)，如帶引線的激光二極管，用于將光以850納米的波長發(fā)送到纖維241中，還包括一個探測器，用于以下面將要說明的方式探測從纖維241中發(fā)送的光。系統(tǒng)240可以與參考圖2說明的帶引線的二極管20和探測器30a相同。系統(tǒng)240可以包括適當(dāng)?shù)鸟詈掀?，使光能夠從帶引線的激光二極管發(fā)送到纖維241中，并使探測器從纖維241中接受光。這樣，傳感的光信號以850納米的波長，從反向傳播系統(tǒng)240發(fā)送到纖維241中。并且在耦合器216中與從發(fā)送機(jī)210來的數(shù)據(jù)發(fā)送信號耦合。波長為1550納米的數(shù)據(jù)發(fā)送信號和波長為850納米的傳感信號都會穿過纖維200。
耦合器220具有連接到多模纖維249上的另一臂，多模纖維249在250上進(jìn)一步連接到單模纖維251。纖維249和251分別是850納米波長的多模和單模纖維。纖維251連接到與系統(tǒng)240等同的反向傳播傳感系統(tǒng)260上，這樣，系統(tǒng)260在850納米或670納米的波長上發(fā)送并接收傳感光信號，該信號進(jìn)入纖維251和249，在纖維200中反向傳播到達(dá)系統(tǒng)240發(fā)出的信號。
沿纖維200傳播的1550納米波長的數(shù)據(jù)信號，由耦合器220耦合到纖維221和224中，與大約850納米的信號耦合。探測器226僅探測1550納米波長的信號，因而從發(fā)送機(jī)210發(fā)送的數(shù)據(jù)是InGaAs。在系統(tǒng)240和260中的牽引器(Retractors)是Si型的，并且僅對850或670納米的波長敏感。
由系統(tǒng)240和260發(fā)送的反向傳播傳感信號在反方向上沿著纖維200傳播，纖維200是850納米或670納米的多模纖維。這樣，多模纖維200構(gòu)成沿其整個長度上的敏感纖維，因?yàn)樗?50或670納米的波長上是多模纖維，因而任何企圖侵入纖維200以便從纖維200盜取數(shù)據(jù)的行為將引起在850納米或670納米波長上、被發(fā)送到纖維200中的光信號產(chǎn)生改變，以使在每個系統(tǒng)240和260中由探測器接收被修改后的反向傳播信號，該被修改的信號是由于企圖侵入導(dǎo)致的干擾而造成的。企圖侵入的位置可以按上述實(shí)施例中的方式確定，即根據(jù)在系統(tǒng)240和260中接收的被修改信號之間的時間差值，就可以確定在光纖200長度上的侵入位置。
在系統(tǒng)240中和260中的探測器是適當(dāng)?shù)叵嗷ブg時間同步的，以便可以確定在系統(tǒng)240中接收的被修改的信號與在系統(tǒng)260中接收的被修改的信號在時間上的差值。
圖10進(jìn)一步表示與圖9相似的實(shí)施例，差別只是圖10的實(shí)施例具有兩個被單一系統(tǒng)270使用的反向傳播傳感系統(tǒng)240和260，以及一個返回回路纖維271連接到耦合器220上，以便纖維200以與參考圖2、3、5和8所說明的相同的方式，有效地返回到單一系統(tǒng)270中。纖維271是在傳感波長上的單模纖維，以使得它不敏感，因而任何侵入纖維200的企圖將引起對發(fā)送到纖維200中反向傳播信號的修改，但是纖維271的干擾將不會引起對纖維271中的信號的任何修改，這樣就可以探測在纖維200中企圖侵入的位置。
在這個實(shí)施例中，反向傳播信號從系統(tǒng)270中發(fā)送到纖維241和纖維271中，同時與從發(fā)送機(jī)210中發(fā)送的數(shù)據(jù)信號一起沿纖維200反向傳播。探測器226按照與參考圖9所述的相同的方式接收該數(shù)據(jù)信號。這個實(shí)施例具有定位探測器的優(yōu)點(diǎn)，用于探測在相同位置的反向傳播信號，因而避免了需要在不同位置上的探測器遠(yuǎn)程同步，如圖9的實(shí)施例所示。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，由探測器探測的修改的信號是由對傳感纖維的干擾告警的光信號的任何參數(shù)。該參數(shù)可以是信號的強(qiáng)度，以使探測反向傳播信號的探測器有效地注意到接收信號的強(qiáng)度，并且當(dāng)該強(qiáng)度改變時，指示出接收由傳感纖維上的干擾引起的修改信號。
優(yōu)選實(shí)施例的應(yīng)用本發(fā)明的方法說明的光學(xué)器件和系統(tǒng)在很多領(lǐng)域中具有很廣的應(yīng)用。下面的例子代表性地說明了纖維傳感和定位方法的很多潛在的用戶，但本發(fā)明并不限于這些用戶●公路、鐵路、堤壩和橋梁維護(hù)公司。
●基礎(chǔ)設(shè)施的所有者、操作者和保險者。
●管道建設(shè)公司、簽約者和操作者。
●石油和石化公司。
●海岸石油鉆井操作者和維護(hù)公司。
●周邊護(hù)欄和防護(hù)墻安全公司。
●安全公司。
●政府和軍隊(duì)機(jī)構(gòu)。
●發(fā)電和配電工業(yè)。
●電力、水利和燃料設(shè)施。
●塔的所有者和操作者。
●飛機(jī)制造、維修和操作者。
●非破壞性評估公司和設(shè)備制造商。
●研發(fā)公司和實(shí)驗(yàn)室。
●儀表和傳感器制造商。
●體育設(shè)備和設(shè)施制造商和操作者。
●采礦作業(yè)者。
●海船所有者、操作者和保險者。
●質(zhì)量保險和安全公司。
●建筑管理公司。
●工業(yè)設(shè)備操作者和制造商。
●核電站制造商、所有者和操作者。
●通信公司或操作者。
●要求對光纖電纜干擾進(jìn)行探測、測量和定位的任何應(yīng)用場所。
所要求保護(hù)的本發(fā)明克服了許多現(xiàn)有的光纖分布式傳感技術(shù)的缺點(diǎn)和限制。而且，本發(fā)明能夠探測和定位動態(tài)和瞬間事件，并比多數(shù)能定位干擾的其它光纖分布式傳感系統(tǒng)簡單和成本低。這樣的系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠提供更低成本和越來越多的操作和安全的優(yōu)點(diǎn)，并具有潛能在植物和生態(tài)環(huán)境下用于短期和長期的設(shè)備監(jiān)視。
由于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的對本發(fā)明進(jìn)行修改可以很容易奏效，所以應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不僅限于本文中舉例說明的特定的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)視結(jié)構(gòu)并定位事件位置的設(shè)備，包括一個光源；一個波導(dǎo)管，用于從所述光源中接收光，以引起該光在所述波導(dǎo)管中在兩個方向上傳播，因而在所述波導(dǎo)管中提供反向傳播的光信號，所述波導(dǎo)管能使反向傳播的光信號或信號的一些特性受到由某個事件引起或指示的外部參數(shù)的修改或影響，以提供修改后的反向傳播光信號；以及探測器裝置，用于探測受參數(shù)影響的修改后的反向傳播光信號，并用于確定修改后的反向傳播光信號之間的時間延遲或差值，以便確定所述事件的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述波導(dǎo)管是一個硅石波導(dǎo)管。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中，所述光源用于同時發(fā)送到波導(dǎo)管相反的端上。
4.如權(quán)利要求1到3中任意一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述光源是一個單獨(dú)的光源。
5.如權(quán)利要求1到4中任意一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述波導(dǎo)管是構(gòu)成一個事件敏感光纖的一個或多個光纖。
6.如權(quán)利要求1到5中任意一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，在傳感波導(dǎo)管的任何一端或兩端上連接進(jìn)一步的硅石波導(dǎo)管，以便增加透射反向傳播信號之間的附加延遲，并且提供不敏感的引線波導(dǎo)管。
7.如權(quán)利要求1到6中任意一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述探測器裝置包括第一個和第二個光探測器，用于同時接收來自硅石波導(dǎo)管中的反向傳播信號的輻射；以及處理裝置，用于接收來自所述第一個和第二個光探測器的信號，以確定相同干擾影響的信號之間的時間延遲或差值，因而確定傳感事件的位置。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，一個波導(dǎo)管耦合器或一組波導(dǎo)管耦合器被安排在光源、光探測器和硅石波導(dǎo)管之間，以使光能夠同時從光源發(fā)送到硅石波導(dǎo)管的兩端，并且探測器裝置還被連接到所述一個耦合器或一組耦合器上，以使反向傳播透射輻射可以直接從硅石波導(dǎo)管通過所述一個耦合器或一組耦合器到達(dá)所述探測器裝置。
9.如權(quán)利要求1到8中任意一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述波導(dǎo)管連接到所述結(jié)構(gòu)以監(jiān)視所述結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求1到8中任意一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述結(jié)構(gòu)包括波導(dǎo)管，用于沿波導(dǎo)管將數(shù)據(jù)從一個地方發(fā)送到另一個地方，同時從光源接收光，以提供反向傳播光信號，這樣就能夠監(jiān)視所述波導(dǎo)管的完整性和安全性。
11.如權(quán)利要求1到10中任意一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述探測器還從被修改后的反向傳播光信號中識別參數(shù)或確定參數(shù)的數(shù)量。
12.如權(quán)利要求1到11中任意一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述波導(dǎo)管被安置在一個回路結(jié)構(gòu)中，使得光可以從一個單獨(dú)的光源同時發(fā)送到所述波導(dǎo)管的兩端。
13.如權(quán)利11所述的方法，其中，數(shù)據(jù)信號被提供給所述波導(dǎo)管，使得所述波導(dǎo)管用作從一個地方到另一個地方發(fā)送數(shù)據(jù)的通信鏈路，并且在所述波導(dǎo)管中發(fā)送反向傳播光信號，這樣就能夠監(jiān)視所述波導(dǎo)管的完整性和安全性。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述波導(dǎo)管用在一個結(jié)構(gòu)上以監(jiān)視該結(jié)構(gòu)。
15.一種用于監(jiān)視結(jié)構(gòu)以定位事件位置的方法，包括步驟使光被發(fā)送進(jìn)入到波導(dǎo)管以便引起光在沿波導(dǎo)管的兩個方向上傳播，因而在波導(dǎo)管中提供反向傳播的光信號，波導(dǎo)管能夠使得反向傳播光信號或這些信號的某些特性受到外部事件引起的外部參數(shù)的修改或影響，以提供修改后的反向傳播光信號；以及探測受參數(shù)影響的修改后的反向傳播光信號，并用于確定修改后的反向傳播光信號之間的時間延遲或差值，以便確定所述事件的位置。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述光被發(fā)送到波導(dǎo)管的兩端以提供反向傳播信號。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述光被從一個單獨(dú)光源發(fā)送到波導(dǎo)管的兩端。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，從修改的信號中確定所述參數(shù)的數(shù)量和/或識別所述參數(shù)。
19.一種用于在光學(xué)波導(dǎo)管中定位事件的波導(dǎo)透射反向傳播信號方法，包括步驟提供一種由波導(dǎo)管材料構(gòu)成的傳感光纖，該材料設(shè)計(jì)成用于同時發(fā)送反向傳播光信號；提供一種在光學(xué)波導(dǎo)管中定位事件的探測器，該探測器設(shè)計(jì)成用于優(yōu)化傳感器的靈敏度和探測能力；提供一種由波導(dǎo)管材料構(gòu)成的引線光纖，該材料用作傳感纖維和探測器之間的不敏感光引導(dǎo)；提供一種由波導(dǎo)管材料構(gòu)成的引線光纖，該材料用作傳感纖維和光源之間的不敏感光引導(dǎo)；熔合連接或其它連接傳感器波導(dǎo)管和引線光纖，使得對準(zhǔn)波導(dǎo)管的中心，并保持固定在接頭上；通過引線光纖，將反向傳播信號從波導(dǎo)傳感器傳送到探測器中，這樣就可以測量和利用信號之間的時間延遲或差值，以確定被傳感事件的位置；以及登記在波導(dǎo)傳感器光信號上的任何變化，這樣就可以確定傳感參數(shù)的數(shù)量或識別傳感的參數(shù)。
20.一種用于監(jiān)視光纖通信鏈路并用于定位鏈路上干擾的位置的設(shè)備，其中，數(shù)據(jù)信號被發(fā)送到該鏈路中，并從該鏈路中接收數(shù)據(jù)信號，所述設(shè)備包括一個光源，用于將光發(fā)送到所述鏈路中，以引起該光沿著所述鏈路在兩個方向上傳播，從而在所述鏈路中提供反向傳播的光信號所述鏈路能使反向傳播的光信號或信號的一些特性受到干擾的修改或影響，以提供修改后的反向傳播光信號；以及探測器裝置，用于探測修改后的反向傳播光信號，并用于確定修改后的反向傳播光信號之間的時間延遲或差值，以便確定干擾的位置。
21.如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中，所述鏈路是一個硅石波導(dǎo)管。
22.如權(quán)利要求20或21所述的設(shè)備，其中，所述光源用于同時發(fā)送到所述鏈路的相反的端上。
23.如權(quán)利要求20到22中任意一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述光源是一個單獨(dú)的光源。
24.如權(quán)利要求20到22中任意一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，所述探測器裝置包括第一個和第二個光探測器，用于在所述鏈路中同時從反向傳播信號中接收所述的光；以及處理裝置，用于從所述第一個和第二個光探測器接收信號，用于確定受相同干擾影響的信號之間的時間延遲或差值，從而確定所述干擾的位置。
25.如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中，一個波導(dǎo)管耦合器或一組波導(dǎo)管耦合器被安置在光源、光探測器和所述鏈路之間，以使所述光可以從所述光源同時發(fā)送到所述鏈路的兩端，而所述探測器裝置也連接到所述一個波導(dǎo)管耦合器或一組波導(dǎo)耦上，以使反向傳播信號可以經(jīng)過所述一個波導(dǎo)管耦合器或一組波導(dǎo)耦從所述鏈路直接到達(dá)所述探測器裝置上。
26.一種用于監(jiān)視光纖通信鏈路以定位該鏈路上干擾的位置的方法，其中，數(shù)據(jù)信號被發(fā)送到該鏈路中，并從該鏈路中接收數(shù)據(jù)信號，所述方法包括步驟將光發(fā)送到該鏈路中，以使所述光沿所述鏈路在兩個方向上傳播，從而在所述鏈路中提供反向傳播光信號，所述鏈路能使反向傳播的光信號或信號的一些特性受到干擾的修改或影響，以提供修改后的反向傳播光信號；以及探測受干擾影響的修改后的反向傳播光信號，并確定修改后的反向傳播光信號之間的時間延遲或差值，以便確定干擾的位置。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述光發(fā)送到所述鏈路的兩端，以提供所述反向傳播信號。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述光從一個單獨(dú)的光源發(fā)送到所述鏈路的兩端上。
全文摘要
一種用于監(jiān)視諸如機(jī)械、建筑、光纖通信鏈路及基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的設(shè)備和方法,包括一波導(dǎo)管(10)和一光源(20),光源(20)發(fā)射的光進(jìn)入波導(dǎo)管(10)的兩端,以在波導(dǎo)管(10)中產(chǎn)生反向傳播的光信號。波導(dǎo)管(10)采用由硅石構(gòu)成的光纖或纖維束的形式,并且在所述設(shè)備和方法中,由于某個事件使得光的特性受到外部參數(shù)的修改或影響。提供的探測器(30)用于探測波導(dǎo)管(10)兩端光的形式,并確定所述受參數(shù)影響而修改的信號之間的時間延遲或差值,以在波導(dǎo)管(10)長度上確定所述事件的位置。
文檔編號G01M99/00GK1330769SQ99814375
公開日2002年1月9日 申請日期1999年11月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月18日
發(fā)明者愛德華·E·塔帕尼斯, 賈森·R·古德, 吉姆·卡特西福利斯 申請人:未來纖維技術(shù)有限公司