CN101387528B - 偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器，是在现有的迈克尔逊光纤传感器参考臂上接入相位调制器(9)，在干涉臂上接入相位控制器(10)；3dB耦合器(14)通过波分解复用器(6)与第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)连接，另一个输入端接波分复用器(5)，波分复用器一端经偏振调制器(8)和第一隔离器(15)与第一激光器(1)连接，另一端经偏振控制器(7)和第二隔离器(16)与第二激光器(2)连接。第一和第二光电探测器与数字信号处理机电连接，相位调制器、相位控制器、偏振控制器和偏振调制器由数字信号处理机控制。本装置将同时消除迈克尔逊光纤传感器的偏振衰落和相位衰落问题。

Description

偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器 

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其适合于长距离、恶劣环境下精确的光纤传感系统。 

背景技术

迈克尔逊光纤干涉仪被广泛应用于光纤传感技术，迈克尔逊光纤干涉仪具有两个光路：干涉臂和参考臂。光源发出的相干光经3dB耦合器变为功率相等的两束相干光并分别进入两个臂在光纤中向前传播，两束相干光分别经另一端的反射镜反射后沿原光路返回，在3dB耦合器中发生相干后输出。由于迈克尔逊光纤干涉仪的两个臂之间存在一定的长度差，使得两个臂中的相干光存在一定的相位差，在两路相干光的偏振态不发生变化的情况下，输出光功率与波长存在下列关系： 

$P_{\mathrm{out}}=\frac{P_0}{2}(1+\cos \left(4\mathrm{n\π}\frac{\mathrm{\ΔL}}{\mathrm{\λ}}\right)$

其中P₀表示干涉仪输入光功率，n表示所使用的单模光纤的有效折射率，ΔL表示两个干涉臂之间的光纤长度差，λ表示激光的波长。对于某一波长的相干光，输出光功率会随着长度差的变化而变化，因此对迈克尔逊光纤干涉仪其中一个臂的扰动，会改变两束相干光的相位差，从而可以改变输出光功率，通过对输出光功率的监测，可以知道迈克尔逊光纤干涉仪周围环境的变化，这就是迈克尔逊光纤传感器的基本原理。 

然而在实际应用中，由于迈克尔逊光纤传感器对周围环境具有极高的敏感性，非常微小的温度变化或振动等外界因素，都会对两个干涉臂之间光纤的长度差产生影响，从而改变光功率的输出，产生相位衰落，并且这种相位衰落的影响会随着传感器光纤长度的增大而增大。在长距离的迈克尔逊光纤传感器中，存在另外一个限制传感器应用的因素——偏振衰落。在环境复杂的光路系统中外界应力将不可避免的使光纤发生弯曲和扭转，这将会引起光纤中激光偏振态的变化，另外光纤周围温度等环境因素的分布不均匀也会引起光纤中光波偏振态的变化。 

抵抗这两种衰落的传统方式是通过引入偏振控制器或相位控制器来手动调整这两种衰落，但是这只适应于短距离干涉光路和环境条件变化极其缓慢的条件下，而且在调整的过程中不得不暂时停止传感器的工作。在长距离的光纤干涉系统中，外界环境因素复杂，并且变化较快，要想稳定光纤干涉系统的相位和偏振态，必须采用偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是迈克尔逊光纤传感器中偏振衰落和相位衰落问题，提供了一种偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器。 

本发明的技术方案： 

3dB耦合器的一个输出端与相位调制器的一端连接，相位调制器的另一端连接单模光纤，单模光纤垂直连接第二反射镜；3dB耦合器的另一个输出端与相位控制器的一端连接，相位控制器的另一端连接单模光纤，单模光纤垂直连接第一反射镜。3dB耦合器、第一反射镜、第二反射镜、相位调制器、相位控制器和单模光纤构成迈克尔逊光纤传感器；相位调制器和单模光纤构成参考臂；相位控制器和单模光纤构成干涉臂； 

3dB耦合器的反射输出端与波分解复用器输入端光纤连接，波分解复用器两个输出端分别用光纤连接第一光电探测器和第二光电探测器； 

3dB耦合器的输入端与波分复用器输出端光纤连接，波分复用器一个输入端经偏振调制器与第一隔离器的输出端连接，第一隔离器的输入端与第一激光器的输出端光纤连接；波分复用器另一个输入端经偏振控制器和第二隔离器的输出端连接，第二隔离器的输入端与第二激光器的输出端光纤连接； 

第一光电探测器和第二光电探测器由电信号线分别接数字信号处理机的第一模/数转换输入端口和第二模/数转换输入端口； 

偏振控制器和偏振调制器分别与数字信号处理机的第二和第一数/模转换输出端口，电信号线连接；相位调制器和相位控制器分别由电信号线连接数字信号处理机的第四和第三数/模转换输出端口； 

第一激光器、偏振调制器、相位控制器、第一光电探测器和数字信号处理机组成闭环相位衰落控制系统，第二激光器、偏振控制器、相位调制器、第二光电探测器和数字信号处理机组成闭环偏振衰落控制系统。 

第一激光器和第二激光器均为连续单色光激光器，输出的激光波长不相等。 

迈克尔逊光纤传感器的3dB耦合器为宽带3dB耦合器。 

波分复用器两输入端口的工作波长等于第一激光器和第二激光器输出激光的波长，波分解复用器两输出端口的工作波长等于第一激光器和第二激光器输出激光的波长。 

该系统的工作过程如下： 

首先，由偏振调制器，相位控制器和数字信号处理机调整和控制迈克尔逊光纤传感器的相位漂移，并使得第一激光器输出激光的波长处于迈克尔逊光纤传感器的某一个波谷或波峰位置。偏振调制器发出某一频率的调制信号来调制第一激光器输出激光的偏振态，该调制信号将使得迈克尔逊光纤传感器输出的第一激光器的激光含有相同频率的信号，该激光经波分解复用器进入第一光电探测器，数字信号处理机对第一光电探测器监测到的的光功率进行数字滤波提取出偏振调制器发出频率的信号，并判断该信号的振幅，数字信号处理机根据振幅的大小反馈控制相位控制器来控制迈克尔逊光纤传感器两臂的相位差，使 监测到的振幅达到最大或最小。经上述过程，迈克尔逊光纤传感器输出光的某一个波谷或波峰位置将稳定在第一激光器输出激光的波长处。 

同时，由相位调制器，偏振控制器和数字信号处理机调整和控制迈克尔逊光纤传感器的偏振态变化，并使得第二激光器输出激光的波长处于迈克尔逊光纤传感器的某一个波谷或波峰位置。相位调制器发出某一频率的调制信号来调制迈克尔逊光纤传感器两臂的相位差，该调制信号将使得迈克尔逊光纤传感器输出的第二激光器的激光含有相同频率的信号，该激光经波分解复用器进入第二光电探测器，数字信号处理机对第二光电探测器监测到的光功率进行数字滤波提取出相位调制器发出的调制频率的信号，并判断该信号的振幅，数字信号处理机根据振幅的大小反馈控制偏振控制器来控制迈克尔逊光纤传感器两臂的偏振态，使监测到的振幅达到最大，经上述过程，迈克尔逊光纤传感器输出光的某一个波谷或波峰位置将稳定在第二激光器输出激光的波长处。 

与此同时，数字信号处理机接收第二光电探测器监测到的迈克尔逊光纤传感器输出的第二激光器的激光后，滤除相位调制器发出的调制频率的信号，最终将监测到外界扰动引起的迈克尔逊光纤传感器两臂相位或偏振态的改变。 

相位调制器发出调制频率应远离偏振调制器发出调制频率和迈克尔逊光纤传感器的工作频率范围。 

本发明和已有技术相比所具有的有益效果： 

第一激光器输出激光应用于相位衰落的控制，第二激光器输出激光应用于偏振衰落的控制，二者在迈克尔逊光纤传感器中独立工作，不会相互影响。最终，第一激光器输出激光的波长和第二激光器输出激光的波长将分别处于迈克尔逊光纤传感器的波谷或波峰位置，并且消光比能达到20dB～40dB以上，因此该系统能有效的减少迈克尔逊光纤传感器在实际使用中的相位衰落和偏振衰落问题。

附图说明

图1迈克尔逊光纤传感器偏振衰落和相位衰落控制系统原理图。 

图2迈克尔逊光纤传感器偏振衰落和相位衰落控制系统效果图。 

具体实施方式

实施例一 

选择下列参数的器件： 

第一激光器1：工作波长为980nm； 

第二激光器2：工作波长为1550nm； 

波分复用器5：980/1550nm； 

波分解复用器6：980/1550nm； 

偏振控制器7及偏振调制器8：OZ Optics EPC-300； 

相位控制器9及相位调制器10：PZ1-STD-FC/PC； 

数字信号处理机11：TMS320C6202芯片； 

单模光纤17、18：长度为5m。 

偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器，构成该系统的连接： 

3dB耦合器14的一个输出端与相位调制器9的一端连接，相位调制器9的另一端连接单模光纤17，单模光纤17垂直连接第二反射镜12；3dB耦合器14的另一个输出端与相位控制器10的一端连接，相位控制器10的另一端连接单模光纤18，单模光纤18垂直连接第一反射镜13；3dB耦合器14、第一反射镜12、第二反射镜13、相位调制器9、相位控制器10和单模光纤17、18构成迈克尔逊光纤传感器；相位调制器9和单模光纤17构成参考臂；相位控制器10和单模光纤18构成干涉臂； 

3dB耦合器14的一个输入端与波分解复用器6输入端光纤连接，波分解复用器6两个输出端分别用光纤连接第一光电探测器3和第二光电探测器4；

3dB耦合器14的另一个输入端与波分复用器5输出端光纤连接，波分复用器5一个输入端经偏振调制器8和隔离器15与第一激光器1光纤连接，第一激光器1光纤连接隔离器15的输入端；波分复用器5另一个输入端经偏振控制器7和隔离器16与第二激光器2光纤连接，第一激光器2光纤连接隔离器16的输入端； 

第一光电探测器3和第二光电探测器4由电信号线分别接数字信号处理机11的第一模/数转换输入端口AD1和第二模/数转换输入端口AD2； 

偏振控制器7和偏振调制器8分别与数字信号处理机11的第二和第一数/模转换输出端口DA2，DA1电信号线连接；相位调制器9和相位控制器10分别由电信号线连接数字信号处理机11的第四和第三数/模转换输出端口DA4、DA3； 

第一激光器1、偏振调制器8、相位控制器10、第一光电探测器3和数字信号处理机11组成闭环相位衰落控制系统，第二激光器2、偏振控制器7、相位调制器9、第二光电探测器4和数字信号处理机11组成闭环偏振衰落控制系统。 

实施例二 

偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器，构成该系统的连接与实施方式一相同，仅下列器件的参数不同： 

第一激光器1：工作波长为1550nm； 

第二激光器2：工作波长为1310nm； 

波分复用器5：1310/1550nm； 

波分解复用器6：1310/1550nm； 

单模光纤17、18：长度为500m。 

波分复用器5和波分解复用器6的工作范围为980nm～1570nm。 

图2为迈克尔逊光纤传感器偏振衰落和相位衰落控制系统效果图。由图可见第一和第二激光器输出激光的波长分别稳定在波谷和波峰位置。

Claims (3)

1.一种偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器，该光纤传感器包括：由3dB耦合器(14)的一个输出端口经第一单模光纤(17)与第一反射镜(12)垂直连接，3dB耦合器(14)的另一个输出端口经第二单模光纤(18)与第二反射镜(13)垂直连接，构成迈克尔逊光纤传感器，其特征在于：

在第一单模光纤(17)中接入相位调制器(9)，相位调制器(9)、第一单模光纤(17)和第一反射镜(12)构成参考臂；

在第二单模光纤(18)中接入相位控制器(10)，相位控制器(10)、第二单模光纤(18)和第二反射镜(13)构成干涉臂；

3dB耦合器(14)的反射输出端与波分解复用器(6)输入端光纤连接，波分解复用器(6)两个输出端分别用光纤连接第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)；

3dB耦合器(14)的输入端与波分复用器(5)输出端光纤连接，波分复用器(5)一个输入端经偏振调制器(8)与第一隔离器(15)的输出端连接，第一隔离器(15)的输入端与第一激光器(1)的输出端光纤连接；波分复用器(5)另一个输入端经偏振控制器(7)和第二隔离器(16)的输出端连接，第二隔离器(16)的输入端与第二激光器(2)的输出端光纤连接；

第一光电探测器(3)和第二光电探测器(4)由电信号线分别接数字信号处理机(11)的第一模/数转换输入端口(AD1)和第二模/数转换输入端口(AD2)；

偏振控制器(7)和偏振调制器(8)分别与数字信号处理机(11)的第二和第一数/模转换输出端口(DA2，DA1)电信号线连接；相位调制器(9)和相位控制器(10)分别由电信号线连接数字信号处理机(11)的第四和第三数/模转换输出端口(DA4、DA3)；

第一激光器(1)、偏振调制器(8)、相位控制器(10)、第一光电探测器(3)和数字信号处理机(11)组成闭环相位衰落控制系统，第二激光器(2)、偏振控制器(7)、相位调制器(9)、第二光电探测器(4)和数字信号处理机(11)组成闭环偏振衰落控制系统；

第一激光器(1)和第二激光器(2)均为连续单色光激光器，且输出的激光波长不相等。

2.根据权利要求1所述的一种偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器，其特征在于，3dB耦合器(14)为宽带3dB耦合器。

3.根据权利要求1所述的一种偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器，其特征在于，波分复用器(5)两输入端口的工作波长分别等于第一激光器(1)和第二激光器(2)输出激光的波长，波分解复用器(6)两输出端口的工作波长分别等于第一激光器(1)和第二激光器(2)输出激光的波长。

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