分布式传感装置

技术领域

本发明涉及一种分布式传感装置。

背景技术

光时域反射法(OTDR)是一种分布式光纤传感方法，其中将光注入传感光纤中，并分析反向散射光以测量光纤环境中的物理量。它可以用于测量温度、应力、振动或声场，以及用于传感光纤的表征和监测(例如，用以定位弯曲损耗或断裂)。

已知的OTDR方法包括相干OTDR(C-OTDR)和偏振OTDR(P-OTDR)，其分别利用了环境变化对反向散射光的相位(C-OTDR)和偏振状态(P-OTDR)的影响。

一些已知的用于C-OTDR的OTDR解调算法将信号三元组作为输入，该信号三元组包括在相位上间隔120°的信号。基于这样的信号的适当的解调算法本身是本领域技术人员已知的。参考涉及例如，M.D.Todd等人的“Passive,light intensity-independentinterferometric method for fibre Bragg grating interrogation”，ElectronicsLetters 28

发明内容

本说明书提供了一种基于光时域反射法(OTDR)或光频域反射法(OFDR)的分布式传感装置。所述装置包括光源；与光源光通信的分光器，该分光器具有第一和第二输出；与分光器的第一输出光通信的传感光纤；以及组合单元，其被布置成将来自分光器的第二输出的参考信号与来自传感光纤的反向散射信号组合。组合单元包括一个或多个熔融光纤耦合器。

分布式传感装置包括偏振分集布置，该偏振分集布置包括一个或多个偏振敏感元件。偏振分集方案被配置为使来自反向散射信号的第一信号的偏振与来自参考信号的第一信号对准。偏振分集方案还被配置为使来自反向散射信号的第二信号的偏振与来自参考信号的第二信号对准。

组合单元可以包括至少三个输出。分布式传感装置可以包括信号处理单元，该信号处理单元被配置为处理来自所述至少三个输出的信息，以便提供分布式传感数据。在一些实施方式中，组合单元可以包括六个输出。

在一些实施方式中，一个或多个熔融光纤耦合器可以包括具有至少三个输出的熔融光纤耦合器。熔融光纤耦合器可以被配置为在耦合器的第二输出和第一输出之间提供相移(例如120°相移)，并且在耦合器的第二输出和第三输出之间提供相移(例如120°相移)。在一些实施方式中，一个或多个熔融光纤耦合器可包括具有三个输出的第一熔融光纤耦合器和具有三个输出的第二熔融光纤耦合器。第一熔融光纤耦合器可以被配置为在输出之间提供相移(例如120°相移)，并且第二熔融光纤耦合器可以被配置为在输出之间提供相移(例如120°相移)。

因此将理解，组合单元可以提供至少一个信号三元组。在一些实施方式中，组合单元可以提供第一和第二信号三元组。

在各种实施例中，一个或多个熔融光纤耦合器包括一个或多个M×N熔融光纤耦合器。M×N熔融光纤耦合器是具有M个输入和N个输出的熔融光纤耦合器。M可以大于或等于二，N可以大于或等于三。

在一些示例中，一个或多个熔融光纤耦合器包括一个或多个3×3熔融光纤耦合器。3×3熔融光纤耦合器是一种形成为具有三个输入和三个输出的熔融光纤耦合器。在一些实施方式中，不是3×3熔融光纤耦合器的所有输入都被使用，例如，在本文所述的一些实施方式中，实际上仅使用3×3熔融光纤耦合器的两个输入。

在一些实施方式中，可以使用具有多于三个输出的M×N熔融光纤耦合器，例如六个输出(即，N等于六)，在输出之间具有60°的相移。

在各种实施例中，组合单元被配置为提供第一和第二信号三元组，其中第一信号三元组是通过将来自反向散射信号的第一信号与来自参考信号的第一信号叠加而形成的，以及第二信号三元组是通过将来自反向散射信号的第二信号与来自参考信号的第二信号叠加而形成的。信号处理单元可以被配置为处理来自第一和第二信号三元组的信息，以提供分布式传感数据。在C-OTDR的情况下，可以针对每个偏振三元组单独执行解调算法，并且可以组合(例如，相加)所得到的相位信息。也可以针对每个偏振对相位数据执行进一步的处理(例如，时域数据的时间或空间平滑、噪声带宽滤波或频谱分析)，并且可以组合(例如，相加)这些处理步骤的结果。

在各种实施例中，第一和第二信号三元组合在一起定义了三个信号对，其中每对中的信号均来自具有正交偏振的信号。

如本文所使用的，术语PM是指保偏，而术语PMF是指保偏光纤。相反，术语SMF是指不保偏的单模光纤。类似地，本文所使用的例如用于描述诸如耦合器或分离器的装置的术语SM(单模)，是指该装置不保偏。

如本领域技术人员将理解的，本文所使用的术语“光”不限于可见光，而是包括任何合适的电磁辐射，例如红外光(包括近红外和远红外光)、可见光和紫外光。类似地，本文所使用的术语“光学”不应被理解为仅涉及电磁光谱的可见部分，而是涉及任何合适波长的光，无论是否可见。

附图说明

为了使本发明更容易理解，现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出了基于光时域反射法(OTDR)的示例分布式传感装置；

图2示出了用于外差接收器的光学方案的示例；

图3示出了图2的光学方案的可选扩展；

图4示出了用于外差接收器的光学方案的另一示例；

图5示出了用于外差接收器的光学方案的又一示例。

注意，在整个附图中，相似的附图标记表示相似的元件。

具体实施方式

在本说明书中描述的各种实施方式利用了分布式传感的相干检测，同时避免了诸如偏振衰减和强本振(LO)相对强度噪声(RIN)的影响之类的缺点。

图1示出了基于光时域反射法(OTDR)的示例分布式传感装置。如图所示，该装置包括诸如激光器的窄带宽源形式的光源101、分光器102、传感光纤107、接收器109、用于将接收器109的输出转换为电信号并用于数字化所述信号的转换和数字化设备111、以及信号处理单元113。在各种实施例中，分离器102可以包括光纤分离器。

图1的实施方式使用了相干检测方案，其中激光源101的连续波(cw)输出由分光器102分光。分光比可以根据激光器101的输出功率、本振信号(LO)103所需的光功率和上部光路104中所需的光功率进行选择。在该路104中的光通过光调制器105进行整形以形成光脉冲。该调制器105可以可选地引入频移。光放大器(未示出)可以可选地增强脉冲功率。光环行器106将脉冲发射到传感光纤107中，在该光纤中，正向传播的光脉冲的一小部分被散射、重新捕获、然后传播回去。

反向散射光信号108(B)以例如10μs/km的延迟传播到达环行器，并且被重新定向到接收器109。下面参考图2-5描述接收器109的不同的示例光学方案，其可以用于实现检测中的偏振分集以及LO和B的叠加。在这些以及各种其他示例实施方式中，仅使用标准的熔融光纤并且尤其是使用一个或多个熔融光纤3×3耦合器来实现接收器109中的LO和B的叠加。这样的耦合器的分光比可以是1：1：1，输出之间的相移为120°。

如下面参考图1-5更详细地描述，取决于所采用的光学方案，接收器109可以具有三个或六个输出。输出由图1中的线110表示。

使用转换和数字化设备111以时间解析的方式将信号110转换为电信号112。设备111可以包括光电二极管，可选地，其后跟随放大级或带宽滤波器。设备111还包括用于数字化电子信号的模数转换器(ADC)。

取决于所采用的光学方案，由转换和数字化设备111生成的数字信号112的数量可以是三个或六个。这些数字信号在图1中以线112描绘。

数字信号112被馈送到信号处理单元113(例如，FPGA、CPU或其他微处理器)。在此，通过仔细分析所记录的反向散射数据来实现对传感光纤107的环境中的物理量的分布式传感。关于基于C-OTDR的示例实施方式，用于基于接收到的数字信号112提供分布式传感数据的合适的解调算法本身对于本领域技术人员而言是已知的，并且在此将不进行描述。

如图1所示，OTDR方案可以包括接收器109形式的组合单元，该组合单元适用于偏振分集和相干检测。

在下面描述各种示例实施方式时，接收器109可以被称为光学“外差”接收器109。在这种情况下，可以理解，反向散射信号(B)和LO的频率可以偏移/不同或它们可以相等。在后一种情况下，检测方案有时称为零差。但是，在本说明书中，术语外差中包括两个选项(即具有或不具有频移)。这样的检测方案在本文中可替代地且等效地称为“相干检测”方案。

光学外差接收器109的第一实施例在图2中描绘。

包含反向散射光信号(B)108的单模光纤(SMF)201连接到光纤偏振分束器(PBS)202，其将B分成具有正交线性偏振态(SOP)B-1 203和B-2 204的两个偏振分量。由于偏振衰减导致B的SOP发生变化，因此偏振分量B-1和偏振分量B-2的光功率不是恒定的，而是互补的，并且反射与PBS中的各个偏振方向平行偏振的一部分B。PBS具有两个输出保偏光纤(PMF)203和204，其分别包含分量B-1和B-2。

在下一步中，B-1被引导到熔融保偏(PM)3×3耦合器205，以及B-2被引导到PM熔融3×3耦合器206。每个耦合器在一个工作轴上起作用，即在PMF的其他轴中的光不会以1：1：1的比例和输出之间的120°的相位偏移被分离。由于203和204是PMF，因此B-1和B-2的SOP在传播期间不会改变，而是包含在PMF的慢轴或快轴上。熔融的3×3耦合器205和206设计为在输入PMF 203和204的相应工作轴上工作。

LO信号103在光纤207中被接收并且被引导到分离部件208，以创建用于外差检测的将与B-1和B-2叠加的两个分量。

这里，应该区分两个版本。在第一版本中，包含LO信号103的PMF207连接到具有1：1的分光比的光学PM分离器208。耦合器在207的相应工作轴上工作。优选的分光比为1：1，以便将LO功率平均分配到两个熔融3×3耦合器。但是，可以选择其他分光比。在第二版本中，208是PBS，其中输入光纤的工作轴相对于PBS的偏振的正交方向成45°对准。

两个版本都完成将LO信号103的光功率分成两个信号LO-1和LO-2的任务，两个信号LO-1和LO-2各自由PMF 209和210分别引导到3×3耦合器205和206。同样，保持SOP。注意到203、204、209和210的工作轴是相同的，并且未使用3×3耦合器的第三输入端口211和212。

通过在3×3耦合器中叠加信号对(B-1，LO-1)和(B-2，LO-2)来实现偏振分集的外差检测。这样，接收到的任何任意SOP的反向散射光与LO的相应部分叠加，而不会损失信号强度。对于两个正交SOP中的每一个，生成三个输出信号，并且总共六个输出PMF 213、214、215、216、217、218将输出信号引导到下一个部分111。

在本文中，六个输出信号标记为H-pq，其中p＝1,2，区分两个正交SOP，而q＝1,2,3状态是指3×3耦合器的三个输出。信号三元组(H-11，H-12，H-13)和(H-21，H-22，H-23)分别适合执行C-OTDR或P-OTDR(解调、SOP变化分析、抑制RIN，如下所述)。

图3示出了对图2的实施例的可选扩展。当分布式传感器仅对反向散射信号的总功率感兴趣时，可以使用该扩展。在这种情况下，可以使用图3所示的光学方案来减少需要检测和处理的光信号的数量。图3的光学方案也可以用于抑制RIN。

信号对(H-11，H-21)、(H-12，H-22)和(H-13，H-23)各自包括两个具有正交SOP但相同相移(0°、120°或240°)的信号。它们各自被发射到PM PBS 301、302或303中的一个中，其中在输入PMF的慢轴中进入PBS的光在输出光纤304、305或306中组合。

在这里，可以区分两个版本。在第一版本中，光纤304、305和306是PMF，并且每个光纤包含信号对(H-11，H-21)、(H-12，H-22)和(H-13，H-23)之一，每个信号都在PMF的主轴之一中被单独地引导。在第二版本中，304、305和306是SMF，并且每个SMF包含每一对中的两个信号的矢量和。在两个版本中，两个信号的总和由光电二极管检测，并用于分布式传感。

图4示出了用于光学外差接收器109的光学方案的另一示例。在该示例中，仅使用一个3×3耦合器403。

如图4所示，信号B经由接头连接402从SMF 201传输到PMF 401。如果401中的SOP与402的主轴之一未完全对准，则光功率耦合到402的两个轴中。因此，401中B的变化的SOP转换为402的快轴和慢轴中变化的功率水平。信号B-1和B-2分别在其中一个轴中被引导。

PMF 207在两个轴中应该包含相等数量的LO光，即信号LO-1和LO-2。在熔融PMF 3×3耦合器403中执行B和LO的外差法，该耦合器在两个轴上均以足够低的串扰起作用。这意味着输入光纤慢轴中的光仅与来自其他慢轴的光叠加，对于快轴则相反。本质上，该耦合器将两个熔融3×3耦合器集成到一个装置中。403的输入端口404未使用。

三个输出PMF 304、305和306每个包含信号对(H-11，H-21)、(H-12，H-22)和(H-13，H-23)之一，其中每个信号在PMF的主轴之一中被引导。在仅对B的总功率感兴趣的情况下，可以检测每个对中的信号的总和。

在需要B的两个偏振分量的情况下，304、305和306分别连接到PBS 405、406或407。在这里，信号对被分离，并且每个信号被单独地发射到PMF 213-218之一的主轴上。六个单独的信号包括使用一个熔融光纤3×3耦合器的偏振分集外差检测，并可用于如上所述的分布式传感。

图5示出了光学外差接收器109的另一实施例。在该示例中，将熔融SMF 3×3耦合器用于外差检测，这具有较低的成本和更好的性能的优势(参见下文)。使用部件201-204，与图2相同地将B分为两个正交偏振的信号B-1和B-2。

在该实施例的不同版本中，LO信号103可以被不同地分离。在第一版本中，SMF 501包含LO信号103，其连接到光学SM分离器502。优选的分光比为1：1，以便将LO功率平均分配给两个熔融3×3耦合器。但是，可以选择其他分光比。分离器502的输出包括SMF 503和504。第二和第三版本与图2的讨论中提出的分离LO信号103的两个不同版本相同。特别地，在第二和第三版本中，光纤501、503和504包括PMF。在第二版本中，分离器501包括PM分离器。在第三版本中，分离器501包括PBS。

所有三个版本完成将LO信号103的光功率分成两个信号LO-1和LO-2的任务，这两个信号被引导到熔融SMF 3×3耦合器505、506。因此，LO和B在包括SMF输入507、508、509、510、511和512(507和512未使用)的熔融SMF 3×3耦合器505和506中叠加。

现在将参考图5的上部分支针对耦合器505来解释使用熔融SMF 3×3耦合器505和506来确保偏振分集外差的解决方案。该过程类似地适用于连接至耦合器506的下部分支。PMF 203经由部件513连接到SMF 508，该部件513包括从PMF到SMF的接头过渡。在508中，双折射可能会在B-1传播到505期间潜在地改变B-1的SOP，并导致505中B-1的SOP不确定。但是，只要环境影响不干扰设置，SOP就不会改变。将与B-1叠加的信号LO-1经由部件514传输到SMF 509。在光学方案的第二和第三版本中(请参见上文)，还可以提供部件514，该部件514包括从PMF到SMF的接头过渡。同样，505中的LO-1的SOP可以是不确定的，但是是固定的。

为了确保B-1和LO-1的平行偏振，部件513和/或514可以进一步包括控制传播光的SOP的装置或布置，在本文中称为偏振控制器PC。在513或514中使用PC，B-1和LO-1的SOP可以匹配以获得最大可能的外差效果，即通过将θ调整为零来最大化下面等式(1)中的右边项。需要强调的是，在没有任何PC的情况下，零差信号三元组(H-11，H-12，H-13)和(H-21，H-22，H-23)的强度分别由在505和506中的四个信号的偏振的任意方向决定。取决于每个特定配置，同一实施例的各个不同单元将不同地执行。外差信号的强度可能会消失，并使分布式传感变得不可能。

可以使用的PC的示例包括但不限于手动偏振控制器，例如，其中裸光纤或护套光纤暴露于压力和旋转的手动偏振控制器。这种PC很可能是自制的装置，其能够旋转513后面的508，或者旋转513之前的203，或者旋转513内的接头过渡。可替代地或附加地，可以使用可旋转的在线偏振器来用作PC和接头过渡的结合。也可以是电子或热控制的PC。

总共，四个部件513-516中的两个，包括对(513，514)和对(515，516)中的每对，可以包括使用熔融SMF 3×3耦合器进行光学偏振分集和零差检测的PC。六个输出信号H-pq包含在SMF 517-522中。

注意到，与图3所示的实施例类似，如果数据处理仅对B的总功率感兴趣，则可以对图5所示的实施例进行扩展。在这种情况下，由于SMF输出517-522以及随后的SMF-PMF过渡到301-303的输入光纤中，可以修改图3中所示的光学设置。在301-303的每个输入支线中添加另一个部件513-516提供了调整517-522中的SOP的机会，以便将505和506的所有六个输出信号发射到301-303的适当主偏振轴中。因此，基于熔融SMF 3×3耦合器，可以将图3中的扩展的功能应用于图5的实施例。

如从前述将理解的，各种实施例提供了基于熔融光纤部件的无源偏振分集方案，同时使用至少一个熔融3×3耦合器来执行外差检测。这解决了偏振衰减的问题，而无需多个询问脉冲。

因此，各种实施例使用至少一个SM或PM熔融3×3耦合器、标准低成本光纤部件和仅单端检测通道提供了与外差检测相结合的偏振分集检测。为此，实施例提供了用于生成B和LO的适当分量并且在熔融3×3耦合器中的叠加期间匹配B和LO的偏振态(SOP)的不同解决方案。

各种实施方式可以特别地但不排他地应用于分布式声学传感(DAS)，其中，在传感光纤附近的声学或振动扰动被监测并且以大小和频率表征。由于3×3耦合器的外差输出信号对于解调方案和声学扰动频率的明确确定是有益的，因此产生了与DAS相关的益处。DAS系统的一种经常的使用是对声学或振动扰动的分布式传感，其用于诸如管道、钻孔、电缆、道路或铁路的监测或资产或边界的监视之类的应用。

此外，各种实施例可通过仅分析反向散射强度或反向散射光的偏振态(SOP)或两者的组合来用于监测温度、应力或光纤的状态的目的。在一些实施例中，偏振分析可用于测量由磁场、压力、弯曲或扭转引起的双折射。参考涉及A.Galtarosa和L.Palmieri，OFS-25，SPIE文献10323-564,2017。

各种实施例适用于经典的OTDR或偏振OTDR，其中测量期望的量所需的信息包含在总的反向散射信号功率中，或包含在不同偏振的多个单独检测的反向散射功率中(注意，在不需要关于相位的信息的情况下，无需解调)。在总的反向散射功率足够的情况下，可以采用所提出方案的修改实施例，其中仅三个信号需要被检测、数字化和处理，从而节省了电子和数据处理资源，同时确保了无源偏振分集检测。

此外，各种实施方式提供3×3耦合器所特有的信号，以有效地从检测到的信号中去除激光RIN。与平衡接收器相反，可通过组合3×3耦合器的三个合适的输出信号在数字数据处理中去除RIN。

为了便于参考，下面提供了图1-5中使用的附图标记的列表以及它们所表示的元件的简要描述：

101–光源(例如用于C-OTDR的诸如窄带宽激光器的激光器)

102–光纤分离器

103–本振

104–第二光路

105–用于脉冲整形和放大的光调制器

106–光环行器

107–传感光纤

108–来自传感光纤的反向散射光

109–基于熔融光纤3×3耦合器的具有偏振分集的光学外差接收器

110–109的光学输出信号，概括为一条线，可以是三个或六个信号

111–转换为电信号并数字化

112–数字信号，概括为一条线，可以是三个或六个信号

113–信号处理单元

201–来自传感光纤的反向散射光(图1中的108)，SMF

202–光纤偏振分束器(PBS)

203–包含B-1的PMF

204–包含B-2的PMF

205、206–光纤熔融PMF 3×3耦合器

207–包含LO的PMF

208–版本1：光学PM分离器，版本2：PBS

209–包含LO-1的PMF

210–包含LO-2的PMF

211–205的未使用的输入端口

212–206的未使用的输入端口

213–包含输出信号H-11的PMF

214–包含输出信号H-12的PMF

215–包含输出信号H-13的PMF

216–包含输出信号H-21的PMF

217–包含输出信号H-22的PMF

218–包含输出信号H-23的PMF

301–结合来自213和216的信号的PBS

302–结合来自214和217的信号的PBS

303–结合来自215和218的信号的PBS

304-306–版本1：PMF，版本2：SMF

401–连接402和403的PMF

402–在201和4001之间的接头连接

403–工作于两个轴的光纤熔融PMF 3×3耦合器

404–403的未使用的输入端口

405-407–PBS

501–包含LO的光纤。版本1：SMF，版本2和版本3：PMF

502–用于分离LO的光学部件。版本1：光学SM分离器。版本2：光学PM分离器。版本3：PBS。

503–包含LO-1的光纤。版本1：SMF。版本2和版本3：PMF。

504–包含LO-2的光纤。版本1：SMF。版本2和版本3：PMF。

505、506–光纤熔融SMF 3×3耦合器

507-512–SMF

513-516–包括SMF-PMF接头过渡和/或PC元件的部件

517-522–包含信号H-pq的SMF

如上所述，本文所述的各种方法涉及基于光时域反射法(OTDR)的分布式传感，其中将一个或多个询问脉冲注入到传感光纤中，并对于到达时间、强度、偏振和/或相位分析反向散射光。OTDR的一般原理本身对于本领域技术人员来说是已知的，因此这里将不再详细讨论。

在各种实施例中，采用外差检测方案，其中在M×N耦合器中(例如，在光耦合器装置中或在M×N光混合耦合器中)，将反向散射信号(B)与光本振(LO)叠加。此处，M是耦合器的输入的数量，而N是输出的数量。M＝>2可用于叠加B和LO。

外差检测具有多个优势，其同时引起一些缺点，这些缺点可能会阻碍分布式传感器沿着整个传感光纤并用于更长的传感距离的持续良好的性能。在以下各部分中将更详细地解释这些折衷。各种实施例提供了对外差检测的多个问题的解决方案，同时保持了优势。

B和LO的频率可以偏移/不同或它们可以相等。在后一种情况下，检测方案有时称为零差。但是，在本说明书中，这两个选项(即具有或不具有频移)都被包括在术语外差中。

LO和B信号叠加的光功率可以表示为：

其中，P

外差检测的一些优势和缺点将在以下段落中详细描述。

偏振分集检测

外差信号固有地对B和LO之间的相对偏振角θ敏感。在叠加期间，只能检测到平行偏振的信号分量。该事实有利于检测到对传感光纤的干扰的偏振OTDR，因为它会局部改变光纤中的双折射，并从而改变反向散射光的SOP。然而，该方案带来了在现有技术中经常发生的称为偏振衰减的关键问题。

由于自然产生的应力引起的双折射，询问光脉冲和反向散射光的SOP在传播通过光纤期间改变。光纤的部分发出具有与LO的SOP接近正交的SOP的反向散射光。在这些情况中，有关反向散射的信息丢失。偏振衰减导致该部分信号质量低下，或者最终导致无法可靠地测量环境量的盲点。这对于诸如边界监测和资产保护之类的安保应用尤其有害。

过去，这个问题是通过用询问脉冲的不同的初始SOP、频率或相移执行询问并平均或组合结果来解决的。但是，此过程通常会使完整表征传感光纤所需的测量的数量加倍。如果以这种方式解决DAS应用中的偏振衰减，那么外部扰动的最大可检测声频仅为询问率的四分之一。

在本文描述的各种实施例中，可以实现偏振分集布置。此处，反向散射信号被分为两个(或更多个)不同偏振的分量，然后其与适当偏振的LO信号干涉。单独地检测多个所得到的外差信号，并针对每个偏振产生一个单独的反向散射信号。为了消除偏振衰减，可以将这些信号组合，以实现来自传感光纤所有点的反向散射信号的无缝重建。这样，仅使用单个询问脉冲就可以捕获完整的信号。

相位解调和频率信息

与反向散射光的直接检测的情况不同，叠加的信号对B和LO之间的相位φ敏感。利用该事实的系统称为相干OTDR(C-OTDR)。

DAS应用通常需要正确地监测外部扰动的频谱，以便执行事件报警和分类，或者用于更多其他的详细分析。但是，在大多数直接ODTR系统中，仅分析了反向散射光的功率，而丢失了相位信息。相反，在C-OTDR中与LO的叠加使得能够进行频率分析，因为声学扰动会向反向散射光施加相位变化，该相位变化线性地取决于扰动的大小和频率。然而，反向散射信号的强度并不线性地遵循外部声学扰动随时间的演变。由于施加的相位变化和测量的信号功率之间的非线性传递函数，因此功率数据的频率信息被破坏。为了无论扰动的大小如何都能找回正确的频率信息，可以实施解调方案，其输出反向散射光的原始相位变化。该信息可用于获取声学/振动事件的真实频谱。

为了执行解调方案，可以如本文所述生成适当的信号。由于盲点在分布式传感的大多数应用中构成严重的问题，因此在这里描述的实施例中，结合偏振分集方案来创建这样的信号。

各种实施方式描述了使用一个或多个3×3光耦合器。可以基于三个所得到的输出信号来执行解调而不是正交IQ解调(参考涉及US 9,541,425B2)。这种方法导致较少的信号衰减，不需要复杂的条纹计数算法，并且对光学部件的缺陷不太敏感。

如上所讨论的，解调方案可能需要三个相对于彼此相移120°的信号。这些信号可由分光比为1：1：1的对称的3×3耦合器生成。特别地，这里描述的3×3耦合器可以包括第一、第二和第三输出，其中在第二输出和第一输出之间存在120°的相移，并且在第二输出和第三输出之间存在120°的相移。

相对于使用混合光接收器的现有技术的方案，本文描述的使用熔融光纤耦合器的实施例具有性能上的优势。由于解调方案可能会对与120°相移的偏差敏感，因此非对称耦合比可能会将误差引入解调后的相位，并且因此，频率信息可能被破坏。混合光接收器通常不过提供与理想相移±10°的典型偏差。此外，熔融SM 3×3光纤耦合器提供与理想的120°相移的偏差<1°，从而导致在解调中的良好性能。

激光噪声的抑制

外差检测将通常较弱的反向散射信号提高了

对于长的传感距离，该误差源变得越来越占主导地位，因为反向散射信号P

C-OTDR方案可能需要具有低相位噪声和频率漂移的高相干激光源，其具有RIN较高的缺点。参见例如Xiang Zhong等人，“Influences of laser source on phase-sensitivity optical time-domain reflectometer-based distributed intrusionsensor”，Applied Optics,Vol 53,Issue 21,pp.4645-4650(2014)。降低激光器的RIN的选项会导致更高的成本、功耗以及可能增加的相位噪声。

也可以试图在通过使用平衡光电二极管对光信号进行光电转换之后降低RIN。可以将两个仔细调整和匹配的光电二极管信号用于每个检测通道。当与单端光接收器相比时，这种平衡接收器的成本要高得多，并且它们对电光系统的规格和对准中的缺陷更加敏感。

3×3耦合器的输出信号允许使用更便宜和更鲁棒的单端检测，并减少信号处理的数字域中的RIN。与在“Colorless monolithically integrated 120°downconverter”，P.J.Reyes-Iglesias等人,Optics Express,Vol.21,Issue 20,pp.23048-23057(2013)中所述的平衡光电二极管相比时，使用这些信号可生成具有更高RIN抑制的IQ信号。

熔融耦合器，SMF相比于PMF

与熔融PM耦合器相比，熔融SM光纤耦合器更便宜，并且具有更小的损耗以及与理想值的偏差更小(例如，对于1：1：1的分光比，偏差<1°)。但是，在SM光纤耦合器中，由于由弯曲、压力、热引起的变形或振动所引起的双折射，光的SOP会随时间或在传播期间改变。另一方面，PM光纤和耦合器可确保光的SOP固定，以使PM耦合器中两个光场的叠加发生平行偏振(θ＝0)。使用PM耦合器允许在外差作用期间使LO和B的SOP匹配。

结论

如上所述，各种实施例描述了3×3熔融耦合器与外差检测和偏振分集方案的组合，以充分利用两种方案的优势，同时解决诸如偏振衰减和强本振(LO)相对强度噪声(RIN)的影响的缺点。各种实施方式尤其适用于DAS应用。

在各种实施方式中，该系统基于标准的低成本光纤和电部件，其避开了对集成光学混合器和进一步定制化的需求。在一些实施例中，可以使用SM熔融3×3耦合器。一些实施例描述了使用3×3耦合器的输出信号在数字域中抑制RIN，以便改善DAS传感器和其他分布式光纤传感器。

对于本领域技术人员而言，许多其他修改和变型将是显而易见的，并且落入所附权利要求的范围之内。