CN104220858B - 用于检测线缆中的扭曲的方法、具有扭曲传感器的电缆和用于制造所述线缆的方法 - Google Patents

用于检测线缆中的扭曲的方法、具有扭曲传感器的电缆和用于制造所述线缆的方法 Download PDF

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Abstract

本公开描述了一种用于监视具有中心纵轴的线缆的扭曲状态的方法，该方法包括：提供线缆，该线缆包括沿着线缆纵向延伸的扭曲传感器，所述扭曲传感器包括基本上沿着线缆的中心纵轴布置的单模光纤，线缆还包括至少三个纵向结构元件，纵向结构元件中的至少一个是导电芯体，其中扭曲传感器与纵向结构元件中的至少一个机械耦合；通过偏振敏感光学反射测定术来测量单模光纤的扭曲状态，以及将线缆沿着纵轴的扭曲状态与测量到的单模光纤的扭曲状态关联起来。本公开还涉及一种制造电缆的方法以及一种电缆。

Description

用于检测线缆中的扭曲的方法、具有扭曲传感器的电缆和用于制造所述线缆的方法
技术领域
本发明涉及用于确定沿着电缆分布的扭曲的监视方法。
本发明还涉及具有集成的扭曲传感器的电缆，其尤其适合于对沿着线缆的扭曲的分布式测量，并且还涉及其制造过程。
背景技术
用于重负荷应用并且尤其是用于诸如移动式港口起重机、船到岸集装箱起重机、卸船机、撒布机、采矿和挖隧道设备以及风车和风电场之类的移动设施的线缆被特别设计为耐受严酷的环境条件和高机械应力，例如张力和扭矩。在本说明书内，当提及用于重负荷应用并且尤其是——但不仅仅是——用于移动设施的线缆时，我们一般将称重负荷线缆。
在一些应用中，例如在重负荷应用中，将线缆传递到设备卷轴和在卷绕和退卷阶段期间的强制引导会引起不合需要的扭曲，这些扭曲沿着线缆长度可能有所不同。虽然通常推荐在移动设备中的线缆的处置和安装中要小心注意，例如在避免卷绕的方向变化或者原始方向的颠倒的同时将线缆从原始鼓轮直接传递到线缆卷轴，但工作条件可引起其相对较大和突然的扭矩。此外，用于线缆移动的其他***，例如引导装置、滑轮***和易损***，在操作期间可涉及线缆的扭曲，尤其如果应用在放出线缆时要求高速操作和/或多次线缆偏转则更是如此。
可用于测量和/或监视电缆中的机械应力的光学传感器是已知的。
WO2010/136062描述了一种电缆，该电缆包括应变传感器和至少两个纵向结构元件，该应变传感器沿着线缆纵向延伸并且包括布置在围绕并且包括电缆的弯曲中性纵轴的弯曲中性区域内的应变光纤，所述至少两个纵向结构元件中的至少一个是包括导电体的芯体，其中该应变传感器被嵌入在将至少两个纵向结构元件中的至少一个与应变传感器机械耦合的应变传递装填物中。利用公开的线缆构造，至少两个纵向结构元件中的至少一个经历的应变至少在应变状态中被传递到应变传感器。
WO2011/032587涉及一种用于监视线缆的扭曲的方法，包括如下步骤：为线缆提供至少一个识别标签，优选为RFID标签，该标签被布置在横切纵向取得的横截面中的标签角位置中；并且检测标签电磁信号。线缆设有多个识别标签，每个标签被布置在各自的标签角位置中。
J.Burgmeier等人在2009ConferenceonLasersandElectro-Optics(CLEO)上发表的“Fiberopticsensorsystemforstressmonitoringinpowercables”中描述了一种光纤传感器***，用于利用短脉冲和宽带光源监视电力线缆中的诸如温度、挤压、弯曲和扭曲之类的应力因素。监视弯曲和扭曲是经由光纤布拉格光栅(fibreBragggrating，FBG)来执行的并且使用由超连续谱生成实现的宽带源。为了使用经常用在电力线缆内用于数据传输的标准单模光纤，通过逐点飞秒激光雕刻来将FBG写入到光纤中。弯曲被集成到电力线缆中的光纤导致FBG的光栅周期的变化，从而来自宽带源的不同波长将被反射并被小型光谱仪容易地监视到。
当单模光纤被弯曲时发生辐射损耗。偏振敏感光学时域反射测定术(Polarisation-sensitiveopticaltimedomainreflectometry，P-OTDR)被提出作为一种测量单模光纤的双折射的工具。P-OTDR提供了瑞利后向散射场的偏振状态(stateofpolarization，SOP)的演化，而来自测量到的SOP的关于双折射的信息是通过数据建模和分析来得出的。
偏振敏感反射计是一种特殊种类的光学反射计，其目标是测量作为沿着光纤的发生散射的位置的函数的、由于瑞利散射而被光纤后向散射的光场的偏振状态(SOP)。一般地，利用已知的偏振受控的探测光信号(例如脉冲或频率调制信号)来探测被测光纤，同时用偏振敏感接收器来测量作为时间的函数的后向散射光场。由于有关于探测信号和关于特定光纤中光的传播速度的知识，于是可以转换被测光纤的局部属性的纵向地图中的时间变动。
对于偏振敏感光学时域反射测定术(P-OTDR)的理论和应用的综述，尤其是与单模光纤中的偏振模色散(polarisationmodedispersion，PMD)有关的，在JournalofLightwaveTechnology,col.22(2004),pages1103-1115中发表的A.Galtarossa和L.Palmieri所著的“SpatiallyResolvedPMDMeasurements”中给出。
Galtarossa等人的“Reflectometricmeasurementofbirefringencerotationinsingle-modefibers”,OpticsLetters,vol.33(2008),pages2284-2286公开了一种用于单模光纤中的线性双折射向量的取向和模量的测量的反射测定技术。该技术也提供了关于圆双折射的信息，虽然这个成分如果存在的话看起来是线性双折射的旋转。确定性旋转可由施加到光纤的扭转或自旋引起。
Galtarossa等人的“Spin-profilecharacterizationinrandomlybirefringentspunfibersbymeansoffrequency-domainreflectometry”,OpticsLetters,vol.34(2009),pages1078-1080表明了可通过偏振敏感光学频域反射测定术(P-OFDR)来测量光纤的双折射的旋转角度并且因此测量光纤的自旋轮廓(spinprofile)。P-OFDR技术被应用到几十米长的光纤样本。
申请人着手解决了如下问题：监视使用中的线缆中的扭曲并且提供对线缆的实际部署的可靠测量，这可例如在线缆的整个寿命期间周期性地执行。
申请人观察到，WO2011/032587中描述的解决方案提供了关于线缆的局部旋转状态的信息，尤其是关于经过了读取装置的线缆的纵向部分的信息，该读取装置能够发送询问电磁信号并且能够接收由放置在被读取装置检测到的线缆部分上的(一个或多个)标签发送的标签电磁信号。
在一些应用中，例如用于重负荷应用的线缆中，希望确定沿着线缆长度分布的扭曲。具体地，可能希望监视沿着线缆的分布扭曲状态的时间演化，例如通过比较来自在不同时间取得的测量的结果以便根据需要调整引导滚筒和卷轴。在一些应用中，对沿着线缆的扭曲状态的评估可预测线缆的剩余寿命。
发明内容
申请人认识到，偏振敏感反射测定术可以有效地表征***在线缆中包括的光纤传感器中的单模光纤的局部偏振属性。根据偏振属性，可以得出沿着光纤分布的双折射并且从后者计算出光纤传感器的光纤的旋转状态。
申请人懂得，如果以线缆中经历的扭矩在光纤传感器中的可靠且可测量的旋转或扭转中被传递的方式将光纤传感器集成在线缆中，则检测光纤传感器的光纤的局部偏振属性提供了关于沿着线缆长度分布的扭曲的信息。
申请人还发现，对包括纵向结构元件的电缆的扭曲的分布式测量可通过分析从嵌入在线缆中的光纤传感器后向散射的光的偏振状态的空间分布来执行，该传感器被机械地耦合到所述纵向结构元件并且包括基本上沿着线缆的中心纵轴布置的单模光纤。
光纤传感器到所述纵向结构元件的机械耦合提供了利用偏振敏感反射测定术获得的沿着光纤传感器的光纤的分布旋转状态与沿着线缆长度分布的扭曲之间的单一对应关系。在下文中将把光纤传感器称为扭曲传感器。
在本说明书和所附权利要求中将把扭曲传感器的光纤称为单模光纤。
根据符合本公开的一方面，提供了一种用于监视具有中心纵轴的线缆的扭曲状态的方法，该方法包括：
-提供线缆，该线缆包括沿着线缆纵向延伸的扭曲传感器，所述扭曲传感器包括基本上沿着线缆的中心纵轴布置的单模光纤，线缆还包括至少三个纵向结构元件，纵向结构元件中的至少一个是导电芯体，其中扭曲传感器与纵向结构元件中的至少一个机械耦合；
-通过偏振敏感光学反射测定术来测量单模光纤的扭曲状态，以及
-将线缆沿着纵轴的扭曲状态与测量到的单模光纤的扭曲状态关联起来。
在一些实施例中，该方法还包括在将线缆的扭曲状态与测量到的单模光纤的扭曲状态关联起来之前将测量到的单模光纤的扭曲状态与单模光纤的参考扭曲状态相比较。
在一些优选实施例中，测量单模光纤的扭曲状态包括：
-将具有预定的输入偏振状态的探测光学信号注入到单模光纤的一端之中；
-检测与注入的探测光学信号相对应的后向散射光学信号；以及
-通过偏振敏感光学反射测定术来测量后向散射光学信号的偏振状态。
优选地，注入和检测的步骤包括将具有不同输入偏振状态的多个探测光学信号注入到单模光纤的一端之中并且检测相应的多个后向散射光学信号。具体地，根据一些实施例，多个探测光学信号中的每一个的输入偏振状态不同于多个探测光学信号中的其余信号的输入偏振状态。
在本说明书和权利要求内，“多个”一词指的是“两个或更多个”，除非另有明确规定。
根据优选实施例，测量单模光纤的扭曲状态包括：
-将具有不同的输入偏振状态的多个偏振探测光学信号注入到单模光纤的一端之中；
-检测多个后向散射光学信号，多个后向散射光学信号中的每一个具有输出偏振状态；
-测量后向散射光学信号的输出偏振状态；
-根据测量到的输出偏振状态来计算作为单模光纤的纵向位置的函数的双折射角度函数，以及
-根据双折射角度函数来计算作为单模光纤中的纵向位置的函数的单模光纤的旋转角度函数，以及
-将线缆的扭曲状态与计算出的旋转角度函数关联起来。
优选地，在注入多个偏振探测光学信号之前，该方法包括准备与线缆的参考旋转状态相关的参考双折射角度函数，其中计算旋转角度函数包括计算所计算出的双折射角度函数相对于参考双折射角度函数的变动。
在一些实施例中，在注入多个探测光学信号之前，该方法包括利用偏振敏感光学反射测定技术将单模光纤的一端连接到测量装置，其中注入多个探测光学信号是注入到单模光纤的连接端中。
分析来自被探测光纤的后向散射场的偏振敏感反射测定技术可以按不同的配置实现。至少一个测量装置可用于实现根据本公开的方法。
在一些实施例中，测量装置是偏振敏感光学时域反射计。优选地，反射计使用多个偏振光学脉冲作为多个偏振探测光学信号。
在其他实施例中，测量装置是偏振敏感频域反射计。优选地，测量装置利用多个频率调制的连续光学信号来探测单模光纤。
在一些实施例中，多个后向散射光学信号中的每一个是在多个偏振探测光学信号中的各个探测光学信号的注入之后从单模光纤的所述端后向散射的。然而，本公开不限于将单个探测光学信号顺序地注入到被探测光纤中的方法。
在一些实施例中，多个偏振探测光学信号是具有不同的输入偏振状态的N个探测光学信号，其中N≥3，使得测量到的输出偏振状态的数量等于N，并且该方法还包括：
-将N个测得输出偏振状态分组在测得输出偏振状态的G个群组中，每个群组包括至少两个测得输出偏振状态并且与其余的(G-1)个群组在至少一个测得输出偏振状态上是不同的，
-从每个群组计算双折射角度函数以获得多个群组双折射角度函数，
-计算群组双折射角度函数的平均值，以及
-根据群组双折射角度函数的平均值来计算旋转角度函数。
在一实施例中，为了揭露并校正测量伪像，例如明显的突然角度不连续或跳跃，在对于每个群组计算双折射角度函数之后并且在计算平均双折射角度函数之前，该方法包括分析多个群组双折射角度函数以揭露由这些伪像引起的不连续。当在沿着光纤长度的纵向位置处揭露了第一群组双折射角度函数中的不连续时，可以校正该不连续并且可以从被校正以消除了该不连续的第一群组角度函数和从多个群组角度函数中的其余那些计算平均值。
根据一实施例，计算双折射角度函数还包括：
-计算两个不同群组的每对群组双折射角度函数之间的差异函数；
-分析每个差异函数以检测在单模光纤中的纵向位置处的一对中包括的群组双折射角度函数中的不连续的存在，不连续表示2πm的角度跳跃，其中m是整数；
-确定一对中的哪个群组双折射角度函数包括不连续，以及
-标记一对中的包含不连续的群组双折射角度函数的不连续长度区域，不连续长度区域围绕并包括与不连续相对应的纵向位置，
其中，仅对于不连续长度区域之外的纵向位置，在计算群组双折射角度函数的平均值时考虑包含不连续的双折射角度函数。
优选地，N为从3到7。
在优选实施例中，每个群组具有相同数目M个测得输出偏振状态。
在优选实施例中，M等于(N-1)。
在一实施例中，确定一对中的哪个群组双折射角度函数包括不连续包括确定在不连续长度区域中一对中的每个群组双折射角度函数的平滑度。
优选地，扭曲传感器机械地耦合到至少三个纵向结构元件。
优选地，扭曲传感器被嵌入在耦合填充物中，耦合填充物将传感器与线缆的至少三个纵向结构元件中的至少一个机械耦合。更优选地，耦合填充物将扭曲传感器与至少三个纵向结构元件机械耦合。
优选地，光纤传感器的单模光纤与电缆的至少三个纵向结构元件中的所述至少一个机械一致。“机械一致”指的是两个或更多个移动部分的容量基本上作为整体承受扭矩。更优选地，单模光纤与至少三个纵向结构元件机械一致。在优选实施例中，机械一致是通过将扭曲传感器嵌入在耦合填充物中来获得的。
在本说明书和所附权利要求内，“扭曲”指的是当线缆的一端被在一个方向上旋转(扭转)并且相反的一端被固定(或者无运动)或者以不同的速率和/或在相反方向上扭转时引起的应力和形变的状况。当线缆长度的第一纵向片段被扭转并且第二纵向片段被固定或者以不同的速率和/或在相反方向上扭转时，也可引起扭曲。
在本说明书和所附权利要求内，“纵向结构元件”一词指的是电缆的基本上沿着线缆长度纵向延伸的部件。根据本说明书和权利要求的纵向结构元件可对线缆的电传输功能作出贡献，这从下文中将清楚看出。
电缆的至少三个纵向结构元件中的至少一个是导电芯体。优选地，电缆的至少三个纵向结构元件中的至少两个是芯体。
“导电芯体”一词指的是电缆的包括至少一个导电元件——例如导电体——并且通常包括围绕导电体的至少一个绝缘层的部件。在典型配置中，导电体包括多条搓绞的导线。
在本说明书和所附权利要求内，“机械耦合”指的是光纤传感器和纵向结构元件以如下方式彼此关联：施加到纵向结构元件的形变——至少是扭曲形变——的一大部分被传输到传感器中。
在本说明书和权利要求中，当提到具有不同偏振状态(SOP)的两个光学信号时，指的是在3维斯托克斯空间中表示第一信号的第一SOP的斯托克斯向量既不与表示第二信号的第二SOP的斯托克斯向量平行也不与之反平行。具体地，表示第一SOP的斯托克斯向量与表示第二SOP的斯托克斯向量之间的角度大于0°并且小于180°。优选地，表示两个不同SOP的斯托克斯向量所包的角度是从30°到150°。
根据符合本公开的另一方面，提供了一种用于制造电缆的方法，该线缆具有中心纵轴并且包括：
-至少三个纵向结构元件，至少三个纵向结构元件中的至少一个是包括导电体的导电芯体，以及
-包括单模光纤的扭曲传感器，所述扭曲传感器是基本上沿着中心纵轴布置的并且与至少三个纵向结构元件中的至少一个机械耦合，
该方法包括通过以下步骤来形成光纤扭曲传感器：
-以具有第一值的扭转间距和扭转方向来对单模光纤进行预扭转；
-以至少一个保护层来涂覆单模光纤；
-将光纤扭曲传感器嵌入在耦合填充物中；
-将嵌入了光纤扭曲传感器的耦合填充物机械地耦合到纵向结构元件，以及
-以具有基本上等于扭转间距的第一值的第二值的搓绞间距和与扭转方向相反的搓绞方向绕着耦合填充物搓绞纵向结构元件，由此电缆具有扭转间距基本上等于零的单模光纤。
优选地，涂覆单模光纤包括施加紧密缓冲和保护套中的至少一者。
优选地，预扭转光纤和涂覆光纤可按任何顺序执行。
优选地，扭转间距和搓绞间距具有从2到3转/米的第一值和第二值。
优选地，电缆具有圆形外横截面。
符合本公开的另一方面涉及一种电缆，该电缆具有中心纵轴并且包括：
-至少三个纵向结构元件，至少三个纵向结构元件中的至少一个是包括导电体的导电芯体，纵向结构元件是以等于或高于1转/米的搓绞间距搓绞的，以及
-扭曲传感器，其包括单模光纤，所述扭曲传感器是基本上沿着中心纵轴布置的并且与至少三个纵向结构元件中的至少一个机械耦合，
其中，光纤传感器包括绕着中心纵轴以等于或低于1转/m的扭转间距扭转的单模光纤。
优选地，本公开的线缆的单模光纤具有基本上为0转/m的扭转间距。
优选地，纵向结构元件具有等于或高于2转/m的搓绞间距。
在一些优选实施例中，扭曲传感器被集成在线缆中并且被布置为保持基本上不会被线缆以其最小弯曲半径的弯曲所损坏。在这些实施例中，扭曲传感器位于沿着线缆纵向延伸的弯曲中性区域内并且具有基本上关于线缆的弯曲中性轴对称延伸的横截面，在圆形线缆的情况下弯曲中性轴对应于电缆的中心纵轴。
当在本文中使用时，“中性区域”一词想要描述围绕线缆弯曲中性轴(即，圆形线缆中的中心轴)的如下区域：在该区域中，弯曲引发的伸长最小。
根据本公开的方法可用于在线缆的安装期间测量线缆扭曲或者在操作期间执行线缆的编程周期性检查，以例如预测剩余寿命和/或调整引导滚筒或者滑轮和易损***的未对准。
附图说明
包含在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图图示了一些实施例并且与描述一起用于说明所公开的方法的原理。图示实施例的附图是不按比例的示意性表示。
对于本描述和所附权利要求而言，除了另有指示以外，所有表达数额、数量、百分比等等的数字都应被理解为在所有场合中由“大约”一词所修饰。另外，所有范围都包括所公开的最大和最小点并且包括其中的任何中间范围，这些在本文中可能具体列举也可能没有具体列举。
图1是根据实施例的电缆的示意性横截面图。
图2a是公开的示范性电缆中使用的扭曲传感器的示意性透视图。
图2b是图2a所示的扭曲传感器的示意性横截面图。
图3是用于说明根据公开的示范性实施例的用于监视扭曲的方法中的偏振敏感光学时域反射测定技术的装置的示意图。
图4是用于说明根据公开的示范性实施例的用于监视扭曲的方法中的偏振敏感光学频域反射测定技术的装置的示意图。
图5是示出作为从被耦合填充物(即传感器耦合填充物组装件)围绕的扭曲传感器的单模光纤的输入(z＝0)起的距离z(米)的函数的双折射角度(以2π的倍数为单位测量，即以整数的转数为单位测量)的曲线图，这是从以利用P-OFDR技术的测量装置取得的测量值得出的。
图6报告了作为从图5的传感器耦合填充物组装件的单模光纤的输入起的距离z(米)的函数的旋转角度的变动(转数)。
图7(a)是示出对于两个不同的输入SOP(实线和虚线)，表示作为光纤中的纵向位置z的函数的双折射向量的平面投影的两条连续曲线的曲线图。
图7(b)示出了从图7(a)的两条曲线测量的旋转角度函数Ψ(z)。
图8(a)示出了根据符合本公开的实施例从单模光纤获得的示范性群组双折射角度函数Ψk(z)。
图8(b)示出了图8(a)的每对角度Ψk(z)之间的差异函数ΔΨk,j(z)。
图8(c)报告了根据符合本公开的实施例中描述的过程从图8(a)的群组双折射角度函数计算出的平均双折射角度φ(z)。
具体实施方式
图1示出了根据示范性实施例的电缆的横截面图。此实施例的所示出的线缆可适用于重负荷应用，更尤其适合于移动设施。线缆1是圆形线缆，包括绕着线缆的中心纵轴Z径向布置的三个导电芯体2(以下也称为“芯体”)。芯体2可提供三相电力传输。线缆1可以是低电压或中电压电力线缆，其中低电压指最高达1kV的电压，并且中电压指从1kV到60kV的电压。每个芯体2包括导电体12，例如由根据传统方法绞在一起的一束镀锡或裸露的铜电线形成的铜导体。在相对于每个导电体12的径向外部位置处，顺序设有内部半导电层13、绝缘层16和外部半导电层17。内部半导电层13、绝缘层16和外部半导电层17由可相互挤压或共同挤压到导体12上的基于聚合物的材料制成。绝缘层16可以例如是交联的乙丙橡胶(EPR)的；内部和外部半导电层12和17可以例如是EPR、乙烯/丙烯/二烯三元共聚物(EPDM)或者其混合物的，填充有适当量的导电填充物，该填充物通常可以是炭黑。
或者，每当操作条件允许时，绝缘层和半导电层都可由热塑性化合物制成，例如基于聚丙烯的化合物。
在一些应用中，线缆芯体2包括相对于外部半导电层17处于径向外部位置的至少一个金属屏蔽层22。
要理解，以上对于芯体2的描述只表示电缆中包括的芯体的可能结构之一，这些芯体一般可以是用于电力传输或接地的相芯体、用于携带控制信号的芯体或者用于携带电力和控制信号两者的芯体。
根据本公开的一个特征，电缆1包括扭曲传感器5。扭曲传感器5基本上是沿着中心纵轴Z布置的。
给定电缆的最小弯曲半径——其一般对应于为了避免任何永久损坏而对于线缆允许的最小曲率半径ρmin，中性区域可被定义为如下区域：在该区域中扭曲传感器经历不大于2％并且优选不大于1％的伸长，这是由于以不小于ρmin的曲率半径弯曲引起的。将应变光纤定位在中性区域内防止了其由于线缆弯曲而破裂或永久损坏。
优选地，扭曲传感器被沿着线缆布置在从中性轴起的如下径向距离内：该径向距离不大于0.02ρmin并且更优选不大于0.01ρmin。
在例如图1所示的圆形线缆中，中心纵轴对应于径向外部芯体的对称轴和/或如下文所述其与线缆制造过程相兼容。
在本说明书内，当在扭曲传感器沿着中心纵轴的布置中提到“基本上”一词时，意思是传感器布置在围绕并包括中心纵轴的中性弯曲区域内。
线缆弯曲可引起扭曲传感器的伸长并且因此引起单模光纤的伸长。申请人认识到，单模光纤的伸长可决定光纤的双折射的变动，从而可影响测量到的从光纤后向散射的光的偏振状态。
如果扭曲传感器以如下方式位于线缆内，则由弯曲在单模光纤中引起的应变被最小化：该方式使得单模光纤不受线缆到任何不小于最小曲率半径ρmin的曲率半径的弯曲的影响，其中最小曲率半径ρmin对应于线缆在不发生永久损坏的情况下可被弯曲到的最小半径。通过最小化由弯曲引起的单模光纤的应变，可以提高对线缆扭曲的测量的精确度。
沿着线缆长度延伸的线缆的如下区域被定义为线缆的(弯曲)中性区域：在该区域中，单模光纤不会由于线缆弯曲而发生损坏。在圆形线缆中，在线缆的横截面平面中，中性区域是围绕中性轴的径向区域，中性轴在本实施例中对应于中心纵轴Z。
优选地，在光学线缆的中性区域内，由于ρmin的弯曲，扭曲传感器经历等于或低于2％的伸长，更优选为等于或小于1％的伸长。
申请人观察到，对于重负荷线缆、尤其是对于移动设备中的应用所规定的ρmin的值可相对较低，例如250mm，从而，为了保证扭曲传感器的抗弯曲性，中性区域从中心纵轴起可具有相对小的径向距离，例如不大于5mm。例如，始终参考圆形线缆，对于ρmin＝300mm,则为了具有1％的伸长，径向距离是3mm。
在一些优选实施例中，中性区域被沿着线缆长度布置在从中心纵轴(即，中性轴)起不大于0.02ρmin并且优选不大于0.01ρmin的距离内。
另外，关于用于电力和/或控制信号的传输的芯体2，电缆1可以可选地包括至少一个接地导体7。在图1所示的实施例中，线缆包括两个接地导体7，例如采取一束搓绞的镀锡或裸露铜电线的形式。尤其对于中电压应用，接地导体的一束电线可被半导电层(图中未示出)围绕。接地导体7相对于扭曲传感器5布置在径向外部，并且沿着线缆纵向与芯体2搓绞在一起。芯体2以及接地导体7(当存在时)绕着线缆的中心纵轴Z并且绕着扭曲传感器螺旋形卷绕，这在本说明书中稍后将说明。
电缆还可包括光纤元件3，其包括多条光纤，例如从6到24条光纤，用于控制信号、语音和其他数据信号的传输。光纤元件3可与芯体2搓绞在一起，并且当接地导体7存在时与接地导体7搓绞在一起。可选地，线缆可包括光纤温度传感器。例如，温度传感器可由布置在光纤元件3的纵向延伸模块中的松套管缓冲构造中的单个光纤来提供，如WO2010/136062中所述。
芯体2以及接地导体7(如果存在的话)和/或光纤元件3被统称为电缆的纵向结构元件。
扭曲传感器5以使得线缆经历的扭曲被传递到单模光纤的方式嵌入在线缆中。为此，扭曲传感器优选与线缆中的至少三个纵向结构元件中的至少一个机械上一致，使得该至少一个纵向结构元件经历的扭曲被至少部分地——但显著地——传递到扭曲传感器。根据本公开的优选实施例，机械一致是通过向线缆提供耦合填充物6来实现的，该耦合填充物6将扭曲传感器5与电缆的至少一个纵向结构元件机械耦合。优选地，耦合填充物将扭曲传感器与电缆中集成的每个芯体机械耦合，更优选地，将扭曲传感器与每个周向布置的纵向结构元件机械耦合。
在一些优选实施例中，为了提高扭曲传感器的伸长与线缆的伸长之间的相关性，耦合填充物与至少三个纵向结构元件中的至少一个之间的接触使得不发生显著的滑动损耗。在许多感兴趣的情况下，传感器与元件之间的滑动损耗的实质性缺失意味着以它们之间的摩擦或粘结而粘合。由于元件之间没有显著滑动损耗而引起基本上相同的形变的两个元件之间的机械耦合在本文中被称为机械一致。
根据电缆的几何构造和线缆中集成的纵向结构元件的数目，图1的线缆的耦合填充物6具有大致为三叶草的形状。
耦合填充物6由具有对如下最大应变发生反应的弹性属性的材料制成：对于该最大应变，线缆表现出弹性行为，而且填充物没有永久形变(即，形变的可逆性)。耦合填充物材料被选择为沿着经历伸长的线缆适当地伸展并且在外部拉伸载荷被去除时基本上恢复形变，至少对于与允许的最大应变相对应的拉伸载荷是如此，超过该拉伸载荷时线缆的永久且不可逆的形变发生。
耦合填充物6可基于聚合材料，该材料有利地被绕着扭曲传感器5挤压。在一些实施例中，选择热固性弹性体，因为观察到它们会粘着于纵向结构元件的表面。例如，注意到，热固性弹性体提供了与通常围绕一些电缆的芯体的半导电性材料的适当粘着，同时表现出对于芯体的半导电性外部表面没有损害的摩擦。有利地，耦合填充物的材料对于在线缆制造期间——例如在通常在大约100-200℃执行的电缆的外护套的固化期间——可发生的热处理有抵抗力。
优选地，耦合填充物包括通过蒸汽压力、用电子束照射、盐浴浸渍或硅烷交联***交联的热固性弹性体。一般地，耦合填充物优选由具有0.01到0.7GPa之间的弹性模量的弹性体制成。例如，耦合填充物是从由以下各项构成的群组中选择的：三元乙丙橡胶(EPDM)、乙丙橡胶(EPR)、腈基丁二烯橡胶(NBR)。
虽然热固性弹性体由于其耐温性、粘着性和大弹性范围是优选的，但并不排除使用热塑性弹性体。热塑性弹性体的示例包括苯乙烯-二烯-苯乙烯三嵌段共聚物；热塑性聚酯弹性体和热塑性聚氨酯弹性体；以及热塑性聚烯烃橡胶(聚烯烃共混物)。
在一些实施例中，耦合填充物6可以是导电的。
间隙区域11被填充以聚合填充物，例如基于EPR的化合物。外套14是例如通过挤压来提供的。为了增大电缆对于机械应力的抵抗性，外套14优选由固化的聚合材料制成，该材料优选基于加强的重负荷热固性弹性体，例如高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯丁烯、聚氨酯或者基于NBR的化合物。
可以提供例如加强纱线的辫子或双螺旋形式的铠装15，所述纱线例如是金属或聚酯纱线，例如由(聚芳酰胺)制成。
图2a和2b分别示出了根据本公开的优选实施例的集成在图1的电缆中的扭曲传感器5的部分透视图和横截面。扭曲传感器5包括单模光纤9，当扭曲传感器被集成在线缆中时，单模光纤9基本上是沿着线缆的中心纵轴Z布置的。扭曲传感器5的光纤9是基于二氧化硅的光纤，典型标称直径为125μm，被涂覆有涂覆***。在一些实施例中，光纤9是遵从G.652、G.653或者G.655ITU-T(国际电信联盟，ITU电信部)推荐的单模传输光纤。
优选地，扭曲传感器的单模光纤具有增强的弯曲性能，表现出低弯曲损耗。在一些实施例中，光纤遵从G.657ITU-T推荐。
在一些实施例中，涂覆***是由被次涂层所围绕的主涂层形成的，该次涂层通常与主涂层粘着接触。(被涂覆的)光纤的外直径可以是250+/-10μm或200+/-10μm。
优选地，单模光纤包括由被布置为与光纤的所述外玻璃部(即包层)接触的单涂覆层形成的涂覆***。在优选实施例中，单涂覆层具有-40℃至+60℃之间(包含)、5MPa至600MPa之间的弹性模量值，如WO04/031091中所述。
在优选实施例中，光纤9被围绕涂覆***的缓冲层10紧密缓冲，用于改善对光纤的机械保护，例如对抗微弯曲损耗。缓冲层到光纤——即到光纤的涂覆***——的均一粘着对于确保光纤与耦合填充物之间的机械一致尤其重要。
例如，缓冲层10被挤压或施加在250μm涂覆光纤上，将外部直径增大到600-1000μm，典型值为800-900μm。
优选地，缓冲层被选择为在实质上没有蠕变、滑动或剥离的情况下粘着到光纤的涂覆***。优选地，缓冲层基于能够表现出足以耐受在线缆制造期间发生的热处理的耐热性的耐热材料。
优选地，缓冲层由辐射固化丙烯酸盐聚合物制成。
例如，紧密缓冲由如WO2005/035461中所述的UV固化丙烯酸盐聚合物构成，或者由如WO2008/037291中所述的填充有阻燃剂填充物的聚合基质构成。
在光纤涂覆***与紧密缓冲层之间可设有助粘层。
重负荷线缆被设计为承受压缩线缆内部的纵向结构元件的横向负荷和张力。在一些情况中，最好扭曲传感器保持基本不受线缆的横向压缩的影响，线缆的横向压缩当影响单模光纤时可由于微弯曲而引起光学损耗。另外，当扭曲传感器的光纤被压缩时，双折射的局部变动可引起比要测量的扭曲引起的更大的偏振变化。
在一些优选实施例中，保护扭曲传感器免受横向负载，横向负载可引起微弯曲损耗。优选地，可以有利地提供被设计为提高对横向压缩的抵抗力的保护套8来围绕被可选地紧密缓冲的光纤。
在圆形线缆中，例如图1中所示的那种，在横切纵向线缆方向的方向上的横向压缩通常在径向向内方向上发生。
申请人观察到，扭曲传感器在线缆制造过程期间的耦合填充物的挤压的步骤中可用作拉拔强度构件。根据此实施例，最好采取措施以避免扭曲传感器材料在耦合填充物的挤压过程期间不软化，以确保均一的拉拔力。保护套8的存在和对形成所述护套的材料的适当选择可有利地为扭曲传感器提供足以提高对横向压缩的抵抗力和允许扭曲传感器在电缆的制造过程中充当拉拔强度构件的拉伸强度。
为了确保单模光纤与耦合填充物之间的机械一致，保护套的材料被选择为提供与被可选地缓冲的光纤的强力且相对均一的粘着。
在优选实施例中，保护套8由纤维加强复合物制成，其中纤维可以是碳、石墨、硼或玻璃(非光学)纤维。
在一实施例中，保护套8是玻璃加强聚合物(GRP)，其中聚合物被嵌入在聚合物中的玻璃纤维所加强。已观察到，扭曲传感器的相对较高的拉伸刚度通过与光纤纵轴平行部署的加强纤维的存在来实现，从而在扭曲传感器被用作耦合填充物的挤压步骤中的拉拔强度构件时使线缆的制造更容易。保护套8可被拉挤成型到缓冲层10上并且与其直接接触。
可选地，被其中嵌入有扭曲传感器的耦合填充物所围绕的保护套的外表面包括多个沟槽或切口或者被处理为具有粗糙表面以便增大保护套与耦合填充物的粘着性。替换地或附加地，在保护套上可以可选地设有助粘层。
为了向扭曲传感器提供要求的灵活性，优选地保护套由具有弹性属性的基于聚合物的材料制成。优选地，嵌入加强纤维的聚合物是交联树脂，尤其是UV固化交联树脂或者热固***联树脂，其一般提供对于压缩的抵抗力。交联树脂可以是不饱和聚酯、环氧树脂或者乙烯基酯。
已观察到，为了提高扭曲传感器的灵活性，保护套在由基于聚合物的材料制成时的厚度优选包含在500到1000μm之间。例如，保护套是将被缓冲的光纤的外直径增大到达1.8-2.5mm的GRP层。
优选的是，围绕传感器的光纤的保护套防止在制造过程中尤其是在一些线缆组件(例如内护套和外护套)的固化过程中使用的温度下的光纤收缩。
选择耐受固化温度的高温品级交联树脂，例如由PolystalCompositesGmbH制造的高温GRP。
由于对扭曲传感器和耦合填充物的材料的适当选择——这提供了不同元件之间的机械一致，实现了扭矩的高效传递。
例如，扭曲传感器的保护套是具有72,400MPa的杨氏模量的纤维加强热塑性聚合物，耐耦合填充物是具有671MPa的杨氏模量的热固性弹性体。保护套的横截面积为3.4mm2，并且耦合填充物的横截面积为75mm2，对于保护套提供了250kN的轴向刚度，并且对于耦合填充物提供了50kN的轴向刚度。如果纤维加强热塑性聚合物对于耦合填充物和对于下面的层(例如缓冲层)具有良好的粘着，则热塑性聚合物携带着耦合填充物，即使其横截面积小得多。
在一实施例中，耦合填充物是从由以下各项构成的组中选择的：具有从1到5GPa的杨氏模量的聚酯，具有从2到4GPa的杨氏模量的聚酰胺，具有从0.003到0.01GPa的杨氏模量的聚氯乙烯(PVC)、具有从0.1到0.3GPa的杨氏模量的低密度聚乙烯、以及具有从0.4到1.2GPa的杨氏模量的高密度聚乙烯。优选地，采用交联聚合材料。
根据另一实施例，为了向扭曲传感器提供对于横向负荷的抵抗力和拉拔强度，扭曲传感器的保护套可以是围绕被可选地缓冲的光纤的缓冲层的金属管(图中未示出的实施例)。在此情况下，金属管包含——可选地在压力下——能够提供所寻求的金属管与其中包含的光纤之间的机械一致的凝胶或凝胶状材料。在优选实施例中，金属管由不锈钢制成。
优选地，由围绕被涂覆的光纤的缓冲层、保护套和耦合填充物构成的组中只有一个是由具有塑料属性的材料制成的。
虽然在一些优选实施例中，就像图2a和2b所示的构造中那样，扭曲传感器包括缓冲层以便提高扭曲传感器的强度和弹性，但要理解，扭曲传感器可包括涂覆有直接被保护套围绕的涂覆***的光纤。
图3是示出使用P-OTDR技术来测量线缆长度上的旋转变化的测量装置的操作原理的示意性框图。测量装置30包括激光源31，激光源31善于生成光学脉冲，该光学脉冲优选具有窄带宽并且更优选具有可选择的持续时间。脉冲的持续时间与沿着感测光纤的脉冲的纵向延伸有关，从而影响空间分辨率。一般来说，窄脉冲提供比更宽脉冲更高的空间分辨率。然而，由于更宽的脉冲提供比窄脉冲更大的强度，所以在一些实施例中，脉冲持续时间被选择为平衡光学脉冲的强度(考虑光在光纤中行进时的衰减)和期望的空间分辨率。
例如，激光源可以是外部空腔激光器(例如YenistaTunics系列)或者DFB激光二极管，生成从3到1000ns的时间长度的脉冲。激光谱线宽度小于几GHz一般是有益的，小于几MHz是更有益的。众所周知，传播的波的偏振状态(SOP)是沿着传播方向与波一起随时间移动的固定平面中的电场的横向分量之间的关系。
在优选实施例中，激光源生成具有一个偏振状态的光学脉冲。可以可选地由偏振控制器装置32来改变光学脉冲的SOP，该偏振控制器装置32光学耦合到激光源31。
在另一实施例中，激光源31善于生成未偏振的光学脉冲。然后由光学耦合到激光源的偏振控制器装置32选择单个SOP。例如，偏振控制器是Agilent8169A或者ThorlabDPC5500或者来自FiberLogix的更简单的机械偏振控制器。
在任一实施例中，创建具有输入SOP的探测输入脉冲。在测量装置包括光学耦合到激光源的偏振控制器的情况下，给定的输入SOP对应于偏振控制器的给定配置。探测脉冲随后通过第一输入端口37进入光学分离器/组合器装置35，并且其随后通过光学分离器/组合器的第一输出端口39被发射到线缆36中包括的扭曲传感器的感测单模光纤的输入端中(未示出扭曲传感器)。光学分离器/组合器装置35可包括光学循环器，例如三端口光学循环器。在一实施例中，线缆是参考图1描述的电缆。更一般而言，线缆36包括至少三个纵向元件和包括基本上沿着线缆的中心轴布置的单模光纤的扭曲传感器，光纤传感器机械耦合到至少三个纵向结构元件中的至少一个。
具有输入SOP的探测脉冲沿着单模光纤行进并且由于光纤中的折射率波动而发生瑞利后向散射。
束分离器/组合器35使来自单模光纤的后向散射场偏转到偏振分析器装置34。在图中所示的实施例中，光学分离器/组合器是三端口光学循环器并且后向散射场进入循环器的第一输出端口38(其是输入/输出端口)，以被偏转到与偏振分析器34光学耦合的第二输出端口39。
偏振分析器将后向散射场的SOP变动转换成功率波动。例如，偏振分析器包括校准波片、偏振束分离器和/或偏振波片。从偏振分析器出来的光学信号的功率波动被光学接收器33记录，光学接收器33光学耦合到偏振分析器34。
例如，偏振分析器善于通过以本身已知的方式将信号的分量分析到与三个偏振状态相对应的三个特征值上来测量三个偏振状态上的进入信号。
优选地，光学接收器33是检测后向散射功率信号的光电二极管。例如，适当的光学接收器是雪崩光电二极管(APD)。
在一些实施例中，可能优选对探测脉冲和/或后向散射信号进行光学放大，以增大信号噪声比(SNR)和测量的整体可重复性。可选地，探测脉冲和/或后向散射信号的空间滤波可通过在偏振控制器的下游和/或偏振分析器的下游引入空间光学滤波器来完成。
由光学接收器记录的原始数据，即由SOP变动引起的后向散射场的功率波动，被下载在中央处理单元中，该中央处理单元例如被包括在个人计算机(图中未示出)中，其中通过使用从标准的偏振测定术本身已知的算法来计算作为时间的函数的后向散射场的SOP的演化。
通过知道单模光纤的折射率，即光学脉冲在光纤内的速度，可以将后向散射场的SOP的时间坐标转换到空间坐标，从而作为沿着光纤的发生散射的纵向位置的函数，即作为与散射点的距离的函数，来计算SOP。由于从感测光纤发出的SOP是从反射测定术测量直接得出的，所以在本说明书和权利要求内，我们也将称后向散射场的“测得”SOP，在下文中也称为输出SOP。
在实践中，许多P-OTDR被设置成使得在测量期间，具有预定的输入SOP的相同探测信号被注入许多次，例如几百次，并且相应的后向散射信号被检测。对其测量输出SOP的后向散射光学信号是检测到的光学信号的平均值。这提高了测量到的输出SOP的SNR。例如，
一些商业P-OTDR反射计需要大约1分钟来对于每个输入SOP测量输出SOP。
后向散射场的输出SOP经由提供关于被探测光纤的双折射轴的旋转的信息的数学关系与输入SOP相关。可以使用各种方法来计算旋转，例如R.M.Jopson等人在于IEEEPhotonicsTechnologyLetters,vol.11(1999),pages1153-1155中发表的“MeasurementsofSecond-OrderPolarization-ModeDispersionVectorsinOpticalFibers”中描述的Müller矩阵方法，其确定了将输入SOP与输出SOP关联起来并且表示后向散射场的往返传播的3x3旋转矩阵。
从测量到的往返量取得关于单模光纤的双折射的角度沿着光纤长度的分布的信息可通过使用已知的数学模型及其算法来实现。
如A.Galtarossa等人的“Reflectometricmeasurementofbirefringencerotationinsingle-modefibers”,OpticsLetters,vol.33(2008),pages2284-2286中所述，根据从通过偏振敏感反射测定术进行的测量直接得到的后向散射场的SOP，可以计算出在引用的文章的式(4)中定义的“等效”双折射向量其中z是沿着光纤纵轴从散射点到光纤输入端的距离。从测量值得出的向量与感测光纤的局部双折射向量直接相关并且包含关于沿着光纤长度的旋转状态的变动的信息，该变动由的线性分量的局部演化表示。
等效双折射向量的数学表示是在3维斯托克斯空间中的，其中是空间的标准正交基，其中单位向量和分别对应于水平线性偏振、45°线性偏振和右旋圆偏振。纵向坐标z映射沿着光纤的采样点。
等效双折射向量根据定义是线性的(即，其第三分量为零)并且其相对于旋转了角度Ψ(z)。表示光纤双折射向量在与圆偏振轴垂直的平面中的投影的和向量所包的角度函数Ψ(z)可表达为：
ψ(z)＝η(z)十(2-g)θ(z)，(1)
其中η(z)是光纤双折射的本征取向，g≈0.15是文献中已知的弹光系数，并且θ(z)是表示光纤在z上物理扭转的角度的旋转角度函数。在下文中，可通过已知算法从反射测定术测量值直接得出并且表示光纤双折射(等效)向量的旋转角度的Ψ(z)被称为双折射角度函数。
由于角度η(z)独立于施加到光纤的旋转θ(z)，所以一旦已知在z上感测光纤的双折射的本征取向，就可将η(z)项视为常数函数并且可根据从检测到的后向散射场的测量值得出的Ψ(z)的值直接计算出物理旋转θ(z)。
为了确定等效双折射向量并从而计算出旋转角度函数，执行对与探测场的两个不同输入SOP相对应的后向散射场的输出SOP的至少两次测量。对与具有不同偏振的两个探测信号相对应的至少两个后向散射信号的检测允许了对定义双折射向量的旋转所必要的三个自由度的测量并从而允许了对双折射角度函数的确定。
如果例如向光纤施加n转，则双折射角度函数可被表达为：
ψ n ( z ) = η ( z ) + ( 2 - g ) 2 πn z L , - - - ( 2 )
其中L是扭转的光纤片段的长度。一旦知道了本征贡献η(z)，就可以从双折射角度函数Ψn(z)计算出施加到光纤的转数并且更一般而言计算出光纤的物理旋转。
由于单模光纤并且因此扭曲传感器机械地耦合到嵌入传感器的线缆的至少一个纵向元件，所以沿着单模光纤确定的扭转与线缆的扭曲直接相关。因此，所确定的感测光纤的旋转状态被关联到线缆的扭曲状态。
光纤的外部扭转的效果以及从而线缆的扭曲的效果可通过相对于参考曲线计算双折射角度函数的变动来突出。参考曲线可表示线缆的初始状况，例如当线缆被安装为吊车中的重负荷线缆或者卷绕着用于移动设施的卷轴时。
根据关系(1)，旋转角度函数的变动由下式给出：
Δθ ( z ) = ψ ( z ) - ψ 0 ( z ) 2 - g = θ ( z ) - θ 0 ( z ) - - - ( 3 )
其中ψ0(z)＝η(z)+(2-g)θ0(z)是参考曲线，例如与线缆的初始状况相对应的沿着光纤长度z的初始双折射角度分布。式(3)直接提供了作为沿着线缆的长度的函数的施加到线缆的扭转的变动。
注意，参考线缆的参考状况的对线缆的旋转状态的变动的相对测量不需要关于光纤双折射的本征取向的知识，因为其是独立于施加到光纤的旋转状态的。
在实践中，根据一实施例，表示相对于由参考角度函数Ψ0(z)描述的参考状况的施加到线缆的扭转的变动的旋转角度函数的变动Δθ(z)是通过执行以下步骤来确定的：准备参考双折射角度函数；在注入相应的多个探测光学信号之后检测多个后向散射光学信号以对于多个后向散射光学信号中的每一个测量输出SOP；从测量到的输出SOP，计算等效双折射向量计算和所包的双折射角度函数Ψ(z)，并且根据双折射角度函数Ψ(z)和参考双折射角度函数来计算旋转角度函数的变动，旋转角度函数的变动表示光纤绕着其纵轴的机械扭转。准备参考角度函数可通过从如上所述的反射测定术测量值得出参考角度函数来执行。
当向光纤施加n转时，利用(2)和(3)，光纤旋转角度函数的变动可表达为：
其中Ψ0(z)＝η(z)是参考曲线，其例如对应于在没有施加转动时线缆的初始状况。
更一般而言，利用式(3)，可以检测到沿着线缆的非均一旋转或扭转。
图4是示出在符合本公开的实施例中使用P-OFDR技术来测量线缆长度上的旋转变化的测量装置的操作原理的示意性框图。测量装置40包括光学激光源41，光学激光源41善于生成高相干连续波(CW)偏振光学信号，其频率在给定的带宽中线性变化。例如，激光源是具有在感测光纤为单模的频带内——例如1300到1630nm之间——的频率的外部空腔激光器。由激光源41生成的光学信号被与激光源光学耦合的分光器42分成两个部分。光学信号的一个部分被发送到偏振控制器43并且充当探测信号，而另一个部分被发送到光学耦合器47并且充当用于外差检测方案的本地振荡器，如下文所述。
探测信号经过偏振控制器43，偏振控制器43为探测信号选择和/或控制输入SOP。因此，在偏振控制器的输出处，创建具有SOP的探测信号。偏振控制器光学耦合到束分离器/组合器49，束分离器/组合器49将偏振探测信号注入到集成在线缆50中的扭曲传感器(未示出)的单模光纤。在一实施例中，线缆50是如参考图1所述的电缆。更一般而言，线缆36包括至少一个纵向元件和包括基本上沿着线缆的中心轴布置的单模光纤的扭曲光纤传感器，光纤传感器机械耦合到至少一个纵向元件。
光束分离器/组合器49可以用光学循环器来实现，光学循环器例如是三端口光学循环器。
束分离器/组合器49接收来自线缆50的扭曲传感器的单模光纤的后向散射场并将其偏转到偏振分析器48，偏振分析器48将后向散射场的SOP变动转换成功率波动。例如，偏振分析器包括校准波片、偏振束分离器和/或偏振波片。偏振分析器48光学耦合到光学耦合器47，光学耦合器47接收包含关于单模光纤的局部双折射的信息的光学信号。在光学耦合器47中，从偏振分析器出来的偏振光学信号与本地振荡器混合，即与由激光源生成的光学信号混合，并且混合信号被外差检测装置51检测到。检测装置包括偏振分光器45，其把光学耦合器47接收到的混合光学信号分成两个部分。根据外差配置，混合光学信号的第一部分被发送到第一光学接收器44，并且混合信号的第二部分被发送到第二光学接收器46。
通过使用P-OFDR中的外差检测的已知算法，例如通过利用B.J.Soller,D.K.Gifford,M.S.Wolfe,M.E.Froggatt,“Highresolutionopticalfrequencydomainreflectometryforcharacterizationofcomponentsandassemblies”,OpticsExpress,2005,vol.13,no.2,pp.666-674中描述的算法，可以计算由偏振分析器48发送并被接收器44和46检测到的信号的功率波动。对于与偏振控制器43的给定配置相对应的给定输入SOP可以取得后向散射功率波动。
通过使用P-OFDR技术，由光学接收器44和46生成的电信号是频率调制信号。频率调制信号的逆傅立叶变换通过利用已知算法提供作为时间的函数的后向散射场的输出SOP来将信号从频域转换到时域。
许多商业P-OFDR可被设定成使得在测量期间，注入具有预定输入SOP的探测光学信号，然后从后向散射光学信号测量输出SOP。对后向散射谱的测量可持续几秒。对后向散射谱的处理可在获取每个后向散射谱之后发生。当后向散射谱的获取结束时，可以注入另一探测光学信号。
通过知道单模光纤的折射率，即光学脉冲在光纤内的速度，可以作为沿着光纤的发生散射的位置的函数，即作为与散射点的距离的函数，来计算后向散射场的SOP。从而，可以获得单模光纤的双折射的角度的分布，即双折射角度函数Ψ(z)。在使用P-OFDR技术的测量的情况下，式(1)-(4)也成立。
在一些实施例中，可以优选对探测信号和/或后向散射信号进行光学放大，以增大SNR和测量的整体可重复性。
在P-OFDR测量装置的另一实施例中，可以省略偏振分析器并且如R.Calvani,R.Caponi,F.Cisternino,“Real-timeheterodynefiberpolarimetrywithnarrowandbroad-bandsources”J.LightwaveTechnol.,1986,vol.4,pp.877-883中所说明的那样利用由两个光学接收器记录的复合信号来计算后向散射场的SOP。在这个实施例中，参考图4，省略了偏振分析器48并且从单模光纤后向散射的光学信号被从束分离器/组合器49引导到光学耦合器47以被光学接收器44和46检测。
如上所述，P-OTDR和P-OFDR都允许以沿着光纤的位置的函数的形式计算扭曲传感器的单模光纤的双折射角度函数。根据对双折射角度函数的确定，可以确定施加到集成了扭曲传感器的线缆的扭曲。
图5是对于引发到光纤上的从0到11转的不同转数，示出作为从被耦合填充物(即传感器耦合填充物组装件)围绕的扭曲传感器的单模光纤的输入(z＝0)起的距离z(米)的函数的双折射角度(转数)的曲线图。利用使用P-OFDR技术的测量装置来进行测量。扭曲传感器包括感测光纤，其被以900μm厚并且被玻璃加强聚合物(GRP层)围绕的UV交联丙烯酸盐缓冲物和热塑性弹性体材料的耦合填充物来缓冲。由扭曲传感器和耦合填充物形成的这种组装件可用作电缆的托架分离器。感测光纤的输入端——即为了测量而连接了P-OFDR测量装置的那端——是固定的并且另一端被旋转了已知的转数。在示例中，经历了旋转的感测光纤的长度片段是2.74m。图5的曲线图的每条曲线可由式(2)来描述。曲线图的最下方曲线与没有施加扭转的光纤有关，而最上方曲线对应于被旋转了11转的光纤。最下方曲线示出了负双折射角度。这是由于填充物内的光纤的-2.1转/米的本征旋转(即，预扭转)引起的。
图6是报告作为从图5的示例的传感器耦合填充物组装件中包括的单模光纤的输入起的距离z(米)的函数的旋转角度的变动(转数)的曲线图。利用式(4)计算双折射角度的变动，其中最下方曲线是没有施加外部扭转的参考曲线。
参考以上论述，要确定双折射向量的旋转，对与探测场的两个不同输入SOP相对应的后向散射场的输出SOP的至少两次测量是必要的。
当测量的输出SOP的量大于二时，可以使用最佳拟合算法来计算将输出SOP与输入SOP关联起来的旋转。在一实施例中，使用K.Kanatani,"Analysisof3-DRotationFitting",IEEETransactionsofPatternAnalysisandMachineIntelligence,vol.16(1994),pages543-549中描述的最佳拟合过程来计算往返Müller矩阵。根据旋转矩阵，如上所述计算等效双折射向量。
由于偏振对线缆移动敏感，所以仅在线缆相对静止时进行测量。对在不同时间沿着线缆的扭曲读数进行比较，可以调整将线缆从地面送到卷轴上的引导滚筒。
计算出的等效双折射向量的角度值Ψ(z)是以2π为模提供的，因为任何角度与通过对2π的倍数与该角度求和获得的角度是不可区分的。在实践中，这意味着测量到的旋转角度θ(z)可表现出2π(2-g)的突然跳跃，然而这不对应于光纤的实际突然旋转。
此问题的解决方案在于展开作为纵向位置的函数的角度Ψ(z)，即，通过修改角度的值以去除角度的突然变化或不连续来校正作为纵向位置的函数的角度的演化，角度的突然变化或不连续在实际光纤中是不太可能发生的。在像这样的商业数学软件中有常见的数学平滑过程可用。
申请人观察到，展开角度的过程在一些情况中会失败。典型的情形在图7(a)中表示，该图对于两个不同输入SOP示出了表示斯托克斯平面{s1,s2}中的等效双折射向量的两条连续曲线(实线和虚线)。在感测光纤的一些片段中，例如图7(a)中标记为“A”的片段，等效双折射向量较小并且因此接近原点。在此光纤片段内，测量值中的噪声可容易引起等效双折射向量转到平面原点的另一侧，如从上半平面转到下半平面并回到上半平面的虚线曲线所示。当发生这个情形时，从测量值得出的双折射角度Ψ(z)具有2π的异常突然变动。图7(b)示出了作为光纤中的纵向位置z的函数的角度函数Ψ(z)，这是从图7(a)的两条曲线测量的。可以观察到，最受噪声影响的测量值(虚线曲线)具有突然的阶梯变动，即不连续。
申请人观察到，不能利用展开过程来补偿角度跳跃，例如图7(b)的虚线曲线所示的那种，因为从输出SOP的一次测量到下一次测量不会突然发生2π阶梯，但其存在于跨输出SOP的多个采样点的相同测量内。
申请人还观察到，在一些情况中，阶梯可大于2π并且一般是2πm，其中m是整数。以下，我们将这些伪像称为“2π跳跃”，无论其实际幅度如何。
原则上，可以优选地选择具有充分均一且高双折射的单模光纤(与反射计的分辨率兼容)，以使测量到的角度的突然阶梯变动的问题的发生达到最低限度。然而，由于作用于感测光纤的外部扰动(例如，使用中的线缆的机械和温度变动)，至少一些情况中难以避免例如图7(b)所示那样的测量伪像。
申请人懂得，如果单模光纤的输出SOP被测量N次，N等于或大于3，并且N次测量值被分组在G个不同群组中，每个群组包括多个、至少两个测量值并且与另外的(G-1个)群组在这多个测量值中的至少一个测量值上是不同的，则对于为每个群组计算出的双折射角度函数之间的比较的分析可以揭露并随后校正角度跳跃。
对于每个群组，如上所述计算等效双折射向量。这产生了等效双折射向量的G个估计值，并且根据这些值，计算出双折射角度函数Ψj(z)，其中j＝1,2,…,G，以下也称为群组双折射角度函数。
在没有由于“2π跳跃”引起的测量伪像的情况下，计算出的Ψj(z)应当对于每个群组是基本相同的，但是可能有由实验噪声引起的微小差异。然而，当估计的旋转角度受到异常突然变动的影响时，至少两个计算出的函数Ψk(z)和Ψj(z)是相互不同的，其中k≠j。在比较为每个群组计算的群组角度函数Ψj(z)后，可以检测到测量伪像。
根据优选实施例，确定并分析对于两个角度的任何组合的差异函数ΔΨk,j(z)＝Ψk(z)-Ψj(z)，其中k,j＝1,2,..,G并且k≠j，以便检测接近2π的幅度跳跃。在群组内，有G(G-1)/2个组合。角度差异函数ΔΨk,j(z)在没有不连续的情况下应当基本上为零，从而显著不同于零的任何差异都归因于2πm跳跃。在一些实施例中，定义如果角度差异函数的模量等于或大于π，则不连续d存在。不连续d归因于2πm跳跃，其中m是使量|d-2πm|最小化的整数。
对曲线ΔΨk,j(z)中的“2π跳跃”的检测可利用计算机图形和图像处理中常用的本身已知的边缘检测算法来执行。在一实施例中，边缘检测算法是在IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,1986,PAMI-8,vol.6,pp.679-698中发表的J.Canny,“AComputationalApproachtoEdgeDetection”中描述的那种，并且其是基于高斯滤波器的一阶导数的。
一旦在差异函数ΔΨk,j(z)中检测到“2π跳跃”，就可以确定在Ψk(z)或Ψj(z)中是否实际发生跳跃。这可通过分析围绕并包括检测到的跳跃的位置的长度区域中的两条曲线Ψk(z)和Ψj(z)的平滑性来完成。描述具有异常跳跃的旋转角度的函数看起来将是两个函数中最不平滑的。
根据一实施例，在受跳跃影响的点z周围的z值的范围中以粗糙度参数来拟合曲线Ψk(z)，以便确定具有ΔΨk,j(z)≠0的两条曲线Ψk(z)和Ψj(z)中的哪一条是最不平滑的，或者换言之，两条曲线中的哪一条在跳跃周围表现出最高的粗糙度参数。不连续长度区域被定义为沿着纵轴z的围绕并包括表示“2π跳跃”的不连续的长度区域.
在作为时间的函数的输出SOP——其随后被转换成作为光纤纵向位置的函数的输出SOP——的测量中，纵轴z被实际采样，采样长度为δzn，其取决于用于执行测量的偏振敏感反射计的特性。
令zh为在ΔΨk,j(z)中检测到的“2π跳跃”之一的位置，并且令qk(z)为在最小二乘意义上最佳拟合Ψk(z)的多项式函数，对于由集合{zh-s,zh-s+1,…,zh+s}表示的不连续长度区域内的z，其中s是正整数并且(2s+1)表示在拟合过程中考虑的跳跃周围的纵向位置的数目。优选地，多项式函数qk(z)是一阶的，更优选为二阶的。优选地，正整数s为从5到50。
对于z＝zh中的Ψk(z)的粗糙度参数ρk(zh)被定义为残差
ρ k ( z h ) = Σ i = - s s [ ψ k ( z h + i ) q k ( z h + i ) ] 2 . - - - ( 5 )
如果ρk(zh)>ρj(zh)，则Ψj(z)在所选zh周围比Ψk(z)更平滑。在该情况下，假定Ψk(z)受到zh中的异常跳跃的影响。
为了对Ψk(z)中的伪像进行补偿，可以对于每个z≥zh+s，向Ψk(z)添加偏移±2πm。如果ΔΨk,j(z)的“2π跳跃”随着zh的增大而减小，则偏移的符号应当为+，而如果“2π跳跃”随着zh而增大，则偏移的符号应当为-。
申请人观察到，经常不能通过添加偏移来对到跳跃的转变进行补偿。根据一实施例，如下文所述，Ψk(z)的从zh-s到zh+s的不连续长度区域被标记为“不可靠”并且在平均旋转角度函数的计算中不被考虑。对于每个差异ΔΨk,j(z)重复计算粗糙度参数的过程，可能分析每个差异多于一次，直到没有找到跳跃为止。分析过程提供了双折射的角度的函数Ψk(z)的G个估计。在被分析的函数中，与一个或多个函数Ψk(z)的各个不连续长度区域相对应的纵向样本被标记为“不可靠”。
作为最终步骤，如下计算双折射角度φ(z)的最佳估计：对于每个样本zn，φ(zn)被设定为等于Ψk(zn)的在k上的均值，其中平均限于不被标记为“不可靠”的样本(即，双折射角度函数的z中的部分)。最后，相对于参考状况φ0(z)的光纤旋转函数Δθ(z)的变动被利用式(3)确定为[φ(z)–φ0(z)]/(2–g)，其中φ0(z)是在参考状况下获得的参考双折射角度函数的最佳估计。
在一些情况中，对适当数目N的不同输入SOP并从而对N个测得输出SOP的选择取决于结果精确度和测量时间之间的折衷。优选地，3≤N≤7，更优选地，3≤N≤5。
一般地，测量噪声越高，数目N优选就应当越大。在优选实施例中，G个群组被形成为N个测量值的没有重复地一次取(N-2)个的N(N-1)/2个组合。更优选地，G个群组被形成为N个测量值的没有重复地一次取(N-1)个的N个组合。
图8(a)示出了利用N＝3个不同输入SOP在单模光纤上测量的示范性双折射角度函数Ψk(z)，以及将相应数据分组在G＝3个群组中，每个群组有2个测量值。每个群组确定图8(a)所示的三个双折射角度函数Ψk(z)之一。图8(b)示出了每对角度Ψk(z)之间差异函数ΔΨk,j(z)；“2π跳跃”清楚可见。图8(c)示出了根据上述过程计算出的(平均)双折射角度函数φ(z)。
在本公开的线缆中，根据优选实施例，纵向结构元件被绕着共同轴搓绞，该共同轴是线缆的中心纵轴。纵向结构元件的搓绞可通过将结构元件绕着中心轴螺旋状卷绕或者通过以SZ模式搓绞来实现。由于扭曲传感器是基本上沿着中心轴布置的，所以绕着扭曲传感器执行搓绞。
在一些优选实施例中，制造过程包括将耦合填充物共挤压到扭曲传感器上，可能被加强填充物围绕，使得耦合填充物粘着到扭曲传感器的外表面。然后，由扭曲传感器和耦合填充物形成的组装件相对于纵向元件的束被***到中心，而后者被绕着组装件搓绞。在搓绞过程结束时，纵向元件被螺旋状卷绕在耦合填充物周围并且与耦合填充物紧密接触。
在一个实施例中，扭曲传感器——以及其中包含的单模光纤——具有扭转间距和被称为扭转方向的方向(即，搁放方向)，它们与纵向结构元件的搓绞间距和搓绞方向基本相同。
申请人观察到，一些使用偏振敏感反射测定术的测量装置对于双折射的角度的变动Δθn(z)[式(4)]的最大值具有限制，这可由该技术确定。在没有施加外部扭矩的情况下在单模光纤中最初存在的扭转充当对于在与卷绕过程相同的方向上的外部引发的光纤扭转的测量的非零基线。最初光纤中的扭转可减少在与卷绕扭转相同的方向上施加到线缆的旋转的可检测最大数目。
对于根据本公开的对线缆的扭曲状态的监视，优选知道起始光纤扭曲或扭转，其中“起始”可以指在部署之前搁放的线缆中的光纤扭转或者在将线缆放置在线筒上之前在制造工厂处线缆中的光纤扭转。更优选地，单模光纤具有等于或低于1转/m的扭转间距。
申请人认识到，如果扭曲传感器被集成在线缆中，并且在计划于线缆的纵向结构元件的搓绞期间施加的扭转的相反方向上预扭转单模光纤，则可以增大双折射的角度的变动的最大值并从而可以加宽线缆旋转的可测量数目的范围。
根据一实施例，在线缆的制造过程期间，以具有与在其搓绞步骤中将会施加到纵向结构元件的间距(搓绞间距)基本相同值的扭转间距并且以与纵向元件相反的方向来预扭转单模光纤。向单模光纤施予所述扭转间距的操作被称为“预扭转”。
单模光纤的预扭转可在将嵌入到耦合填充物中的光纤机械耦合到纵向元件之前的不同制造步骤中执行。例如，可在施加紧密缓冲和/或保护套(涂覆步骤)之前或之后在光纤处施予扭转间距。
可利用如WO2004/028989中那样的扭转装置，在施加紧密缓冲和/或保护套之前或之后，对光纤执行预扭转。
优选地，可在施加紧密缓冲和/或保护套之前或之后，通过卷绕在具有基本上等于要施予的扭转间距的周长的线筒上并且在不旋转线筒的情况下从与线筒轴平行的方向抽取光纤，来对光纤施予扭转间距。这对于与线筒周长基本相等的每个长度，对光纤施予了一转的扭转。
例如，扭转间距是从2到3转/米。
嵌入在耦合填充物内的预扭转的光纤在其搓绞之前与线缆的纵向结构元件相关联。在搓绞步骤中，以具有与扭转间距基本相同的值的搓绞间距和具有与扭曲传感器的单模光纤的扭转方向相反的搓绞方向来搓绞纵向结构元件。
这样，所得到的线缆包括光纤扭曲传感器，该光纤扭曲传感器包括具有基本上等于零的扭转间距的单模光纤。
基本上等于零的扭转间距允许了光学检测技术——例如Brillouin测量——的更清楚读数。

Claims (18)

1.一种用于监视具有中心纵轴的电缆的扭曲状态的方法，该方法包括：
-提供电缆，该电缆包括沿着电缆纵向延伸的扭曲传感器，所述扭曲传感器包括基本上沿着所述电缆的中心纵轴布置的单模光纤，所述电缆还包括至少三个纵向结构元件，所述纵向结构元件中的至少一个是导电芯体，其中所述扭曲传感器与所述纵向结构元件中的至少一个机械耦合；
-通过偏振敏感光学反射测定术来测量所述单模光纤的扭曲状态，以及
-将所述电缆沿着所述纵轴的扭曲状态与测量到的所述单模光纤的扭曲状态关联起来。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述扭曲传感器机械耦合到所述至少三个纵向结构元件。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述扭曲传感器被嵌入在耦合填充物中，所述耦合填充物将所述扭曲传感器与所述至少三个纵向结构元件中的至少一个机械耦合。
4.如权利要求1所述的方法，还包括在将所述电缆的扭曲状态与测量到的所述单模光纤的扭曲状态关联起来之前将测量到的所述单模光纤的扭曲状态与所述单模光纤的参考扭曲状态相比较。
5.如权利要求1所述的方法，其中，测量所述单模光纤的扭曲状态包括：
-将具有预定的输入偏振状态的探测光学信号注入到所述单模光纤的一端之中；
-检测与注入的探测光学信号相对应的后向散射光学信号；以及
-通过偏振敏感光学反射测定术来测量所述后向散射光学信号的偏振状态。
6.如权利要求5所述的方法，其中，注入和检测的步骤包括注入具有不同输入偏振状态的多个探测光学信号并且检测相应的多个后向散射光学信号。
7.如权利要求1所述的方法，其中，测量所述单模光纤的扭曲状态包括：
-将具有不同的输入偏振状态的多个探测光学信号注入到所述单模光纤的一端之中；
-检测多个后向散射光学信号，所述多个后向散射光学信号中的每一个具有输出偏振状态；
-测量所述后向散射光学信号的输出偏振状态；
-根据测量到的输出偏振状态来计算作为所述单模光纤的纵向位置的函数的双折射角度函数，以及
-根据所述双折射角度函数来计算作为所述单模光纤中的纵向位置的函数的所述单模光纤的旋转角度函数，以及
-将所述电缆的扭曲状态与计算出的旋转角度函数关联起来。
8.如权利要求7所述的方法，还包括，在注入多个偏振探测光学信号之前，准备与所述电缆的参考旋转状态相关的参考双折射角度函数，其中计算旋转角度函数包括计算所计算出的双折射角度函数相对于所述参考双折射角度函数的变动。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述多个偏振探测光学信号是具有不同的输入偏振状态的N个探测光学信号，其中N≥3，使得测量到的输出偏振状态的数量等于N，并且所述方法还包括：
-将N个测得的输出偏振状态分组在测得的输出偏振状态的G个群组中，每个群组包括至少两个测得的输出偏振状态，每个群组与其余的(G-1)个群组在至少一个测得的输出偏振状态上是不同的，
-从每个群组计算双折射角度函数以获得多个群组双折射角度函数，
-计算所述群组双折射角度函数的平均值，以及
-根据所述群组双折射角度函数的平均值来计算所述旋转角度函数。
10.如权利要求9所述的方法，其中
计算双折射角度函数还包括：
-分析所述多个群组双折射角度函数以揭露群组双折射角度函数中的不连续；
-当在沿着光纤长度的纵向位置处揭露了第一群组双折射角度函数中的不连续时，校正所述不连续，以及
-从所述第一群组角度函数和从所述多个群组角度函数中的其余那些群组角度函数计算平均值包括消除所述不连续。
11.如权利要求9所述的方法，其中
计算双折射角度函数还包括：
-计算两个不同群组的每对群组双折射角度函数之间的差异函数；
-分析每个差异函数以检测在所述单模光纤中的纵向位置处的一对中包括的群组双折射角度函数中的不连续的存在，所述不连续表示2πm的角度跳跃，其中m是整数；
-确定所述一对中的哪个群组双折射角度函数包括所述不连续，以及
-标记所述一对中的包含所述不连续的群组双折射角度函数的不连续长度区域，所述不连续长度区域围绕并包括与所述不连续相对应的纵向位置，
其中，仅对于所述不连续长度区域之外的纵向位置，在计算所述群组双折射角度函数的平均值时考虑包含所述不连续的双折射角度函数。
12.一种用于制造电缆的方法，该电缆具有中心纵轴并且包括：
-至少三个纵向结构元件，所述至少三个纵向结构元件中的至少一个是包括导电体的导电芯体，以及
-包括单模光纤的扭曲传感器，所述扭曲传感器是基本上沿着所述中心纵轴布置的并且与所述至少三个纵向结构元件中的至少一个机械耦合，
所述方法包括通过以下步骤来形成所述扭曲传感器：
-以具有第一值的扭转间距和扭转方向来对所述单模光纤进行预扭转；
-以至少一个保护层来涂覆所述单模光纤；
-将所述光纤扭曲传感器嵌入在耦合填充物中；
-将嵌入了所述光纤扭曲传感器的所述耦合填充物机械地耦合到纵向结构元件，以及
-以具有基本上等于所述扭转间距的第一值的第二值的搓绞间距和与所述扭转方向相反的搓绞方向绕着所述耦合填充物搓绞所述纵向结构元件，由此所述电缆具有扭转间距基本上等于零的单模光纤。
13.如权利要求12所述的方法，其中，涂覆所述单模光纤包括施加紧密缓冲和保护套中的至少一者。
14.如权利要求12所述的方法，其中，预扭转所述光纤和涂覆所述光纤能够按任何顺序执行。
15.如权利要求12或13所述的方法，其中，所述扭转间距和所述搓绞间距具有从2到3转/米的第一值和第二值。
16.一种电缆，具有中心纵轴并且包括：
-至少三个纵向结构元件，所述至少三个纵向结构元件中的至少一个是包括导电体的导电芯体，所述纵向结构元件是以等于或高于1转/米的搓绞间距搓绞的，以及
-扭曲传感器，包括单模光纤，所述扭曲传感器基本上沿着所述中心纵轴布置并且被嵌入在耦合填充物中，所述耦合填充物将所述扭曲传感器与所述至少三个纵向结构元件机械耦合，
其中，所述光纤传感器包括绕着所述中心纵轴以小于1转/m的扭转间距扭转的单模光纤。
17.如权利要求16所述的电缆，其中，所述电缆的光纤具有基本上为0转/m的扭转间距。
18.如权利要求16或17所述的电缆，其中，所述纵向结构元件具有等于或高于2转/m的搓绞间距。
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