CN102252831A - 光纤中双折射分布的三点测量法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤中双折射分布的三点测量法，由光源产生一个短脉冲光信号，并注入到被测光纤产生背向散射光，返回来的背向散射光利用高速偏振态检测装置将光信号转化为电信号，并将数据采集到计算机中；再使用本发明所提出的三点测量法公式进行计算，实现光纤参数分布的高速实时测量。本发明具有不依赖输入偏振态、测量准确、重复性好、速度快以及操作方便等优点，可广泛用于光纤参数的分布式测量，以及分布式光纤传感器等领域。

Description

光纤中双折射分布的三点测量法

技术领域

本发明涉及光纤通信和光纤传感中光纤参数测量技术领域，尤其涉及一种光纤中双折射分布的三点测量法。

背景技术

光纤通信和光纤传感技术的飞速发展，使光纤线路监测和利用测量光纤参数来探测外界环境变化成为一种非常重要的技术。偏振特性是光的基本特性之一。光在光纤中的传输时，受光纤自身参数(固有双折射、模耦合和偏振模色散等)的影响，以及外界环境导致的弯曲、扭绞以及应力变化等，都会改变光的偏振态。因此，监测光纤中偏振态的分布，既可以获得光纤参数的变化信息，又可以获得外界环境的变化信息。利用短脉冲光在光纤中的背向瑞利散射来监测偏振态沿着光纤长度的变化，并进而求出光纤参数或者环境参数的变化，称为偏振敏感的光时域反射技术。

偏振敏感的光时域反射技术由A.J.Rogers在1981年提出，其优点在于：①非破坏性：不会对光纤造成破坏，也不会影响光的正向传输；②单端测量；光源和检测器处在光纤的同一端，便可对长距离光纤的远端进行测量。目前主要有以下方法：

1.由J.G.Ellison等人于1998年提出的采用旋转波片和起偏器的偏振敏感的光时域反射技术(如图1所示)。该装置由脉冲发生器1与激光器2组成一个短脉冲光信号源，经过掺铒光纤放大器3放大后，到达一对自聚焦透镜4与5组成的平行光路，在平行光路中使用可旋转的起偏器6和波片7来改变输入光的偏振态。这个偏振光经过自聚焦透镜5重新进入光纤，再经过光纤放大器8和环行器9的91、92端口注入到被测光纤10。在被测光纤10中，光脉冲的一部分由于瑞利散射而反射回到环行器9，然后经由环行器9的92、93端口到达光纤放大器11。放大后的反射信号到达四路偏振分析仪12，四路偏振分析仪输出的信号由四路光接收机13转变为电信号，然后送往数字示波器14，同时脉冲信号发生器1向四路示波器14输出一个同步触发脉冲，以保证反射信号与输入信号同步。从数字示波器14显示的反射波曲线，就可以获得偏振态分布的信息。可以看出，这套系统中的平行光路与旋转偏振器以及能够同时检测四路输入的偏振分析仪12是关键部件，而这些部件的调整往往是非常困难的。

2.由Marc Wulipart等人于2001年提出的采用旋转起偏器的偏振敏感光时域反射技术(如图2所示)。图中，由光时域反射计21产生一个光脉冲，这个光脉冲经过环行器22、衰耗器23和探测器24转变为电信号。这个电信号去控制脉冲发生器25，激光器26，光纤放大器27以及声光调制器28，它们共同组成了一个新的短脉冲光信号源。这样做的目的在于将光时域反射计21产生的多谱线的光脉冲转化为单一谱线的具有良好相干性的光脉冲，并实现同步。新的短脉冲光信号经过偏振控制器29对其偏振态进行调节，然后经过环行器30到达由自聚焦透镜31与32组成的平行光路，在平行光路中，插入可旋转的起偏器33，进一步调节注入光的偏振态，然后注入到被测光纤34。在光纤中，瑞利散射将注入的光脉冲的一部分反射回来，重新回到平行光路和起偏器33(此时起偏器33充当检偏器)。经过检偏后的光重新到达环行器30，再转到环行器22，返回到光时域反射计15，完成测量。

3.吴重庆与杨双收等人于2008年提出了一种利用压电陶瓷偏振控制器实现的偏振敏感光时域反射技术的方法，专利申请号：2008101187823，如图3所示。它由激光器41、可编程信号发生器42、外调制器43、掺铒光纤放大器44共同组成一个短脉冲光信号源。激光器41发出直流光，经过外调制器43在可编程信号发生器42的电信号控制下对从激光器41输入的直流光进行调制，输出一个光脉冲。这个光脉冲进入掺铒光纤放大器44进行放大，然后经过光纤环行器45的1、2端口进入光纤偏振器46，使光保持为线偏振态，并输出给压电陶瓷偏振控制器47。进入压电陶瓷偏振控制器47的光脉冲，其输出偏振态随着压电陶瓷驱动电压的改变而变化，然后进入被测光纤50，产生背向散射光。被测光纤中的背向散射光反向传输，先经过压电陶瓷偏振控制器47和光纤偏振器46，然后经过环行器45的2、3端口进入探测器48，探测器48将接收到的背向散射光信号变换成为电信号，并被到计算机49的数据采集卡采集和进行数据处理，最终得到光纤参数或者环境参数的变化。

该专利提出的计算光纤参数的算法如下：

经背向瑞利散射返回到输入端的偏振态和注入到被测光纤的偏振态满足如下关系：

${\stackrel{\→}{S}}_B\left(z\right)={\mathrm{RM}}_F^T\left(z\right){\mathrm{RM}}_F\left(z\right){\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{in}}$

其中

是注入光纤的偏振态，

是从光纤长度z处反射至入射端的偏振态，M_F(z)是一个4×4的矩阵，称为光纤的传输矩阵，它反映了光纤的双折射特性，R是反射矩阵，定义为R＝diag(1，1，-1)。

由上式可知，要求解光纤的双折射特性即4×4的传输矩阵M_F(z)，必须知道多个输入偏振态和多个输出偏振态。为此，该专利提出在被测光纤50与光纤偏振器46之间插入了一个传输矩阵已知的压电陶瓷偏振控制器47。这时，背向散射光经过压电陶瓷偏振控制器47返回输入端的偏振态

和注入该偏振控制器47的正向入射光的偏振态

之间的关系变为：

${\stackrel{\→}{S}}_B(z,u)={\mathrm{RM}}^T\left(u\right)M_F^T\left(z\right){\mathrm{RM}}_F\left(z\right)M\left(u\right){\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{in}}$

其中M(u)是压电陶瓷偏振控制器47的传输矩阵，它是电压u的函数，而且矩阵M(u)可以通过改变压电陶瓷的驱动电压事先测得，视为已知量；M_F(u)是光纤的传输矩阵；角标T表示矩阵的转置。

入射光的偏振态

由光纤偏振器46决定，与返回的偏振态

经过的是同一个光纤偏振器，因此入射光的偏振态

与返回的偏振态

经过检偏器后的偏振态相同。

通过改变压电陶瓷偏振控制器47的驱动电压使注入到被测光纤50的输入偏振态变化，因此由光纤反射回来的偏振态也发生变化，这样可以测得多组背向散射光的返回偏振态

不仅是光纤长度z的函数，而且是压电陶瓷偏振控制器47的控制电压u的函数。

结合已知的压电陶瓷偏振控制器47的传输矩阵M(u)，可以反算出光纤的传输矩阵M_F(z)，进而计算出各点的双折射分布，以及光纤参数或者环境参数。设经过光纤偏振器46的正向输入偏振态为

而从光纤长度z处返回并经过光纤偏振器46反向输出的偏振态为

其中s(z，u)表示在被测光纤z处的反射光到达光纤偏振器46后反向输出的偏振态

的一个分量，它与压电陶瓷偏振控制器47的控制电压u有关，那么有：

${\stackrel{\→}{S}}_B(z,u)=M_P{\mathrm{RM}}^T\left(u\right)M_F^T\left(z\right){\mathrm{RM}}_F\left(z\right)M\left(u\right){\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{in}}$

其中M_p，M(u)和M_F(z)分别是光纤偏振器46、压电陶瓷偏振控制器47、待测光纤50的传输矩阵，而M_P＝diag(1，0，0)。记压电陶瓷偏振控制器47的传输矩阵M(u)的元素为n_ij(u)，即M(u)＝[n_ij(u)]；记被测光纤50的传输矩阵M_F(z)的元素为m_ij(z)即M_F(z)＝[m_ij(z)]；且R＝diag(1，1，-1)。将各矩阵代入上述方程式计算得到：

$s(z,u)=\{n_{11}^2\left(u\right)+n_{21}^2\left(u\right)+n_{31}^2\left(u\right)-2[n_{11}^2\left(u\right)m_{31}^2\left(z\right)+n_{21}^2\left(u\right)m_{32}^2\left(z\right)+n_{31}^2\left(u\right)m_{33}^2\left(z\right)$

$+2n_{11}\left(u\right)n_{21}\left(u\right)m_{31}\left(z\right)m_{32}\left(z\right)+{2n}_{11}\left(u\right)n_{31}\left(u\right)m_{31}\left(z\right)m_{33}\left(z\right)+2n_{21}\left(u\right)n_{31}\left(u\right)m_{32}\left(z\right)m_{33}\left(z\right)\left]\right\}{s}_0$

改变压电陶瓷驱动电压，得到不同的n_ij(u)和s(z，u)，求解上面方程可以得到

m_3i(z)m_3j(z)，进一步演算可得到相关参数。

比较上述3个方案，不难发现：有的需要使用旋转部件，有的需要比较复杂的矩阵算法，并且需要多次测量才能计算出光纤中的双折射分布。旋转的偏振器将导致不同的偏振态有不同的插入损耗，严重影响测量的准确性。而且，这些方法都是需要多次测量并结合复杂的算法才能得出结果，总体效率不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤中双折射分布的三点测量法，基于本发明，可以实现光纤参数的分布式快速实时测量。

本发明公开了一种光纤中双折射分布的三点测量法，所述方法基于如下测量装置，所述测量装置包括短脉冲激光光源、第一掺铒光纤放大器、光纤环行器、第二掺铒光纤放大器、高速偏振态检测装置、计算机和被测光纤；所述光纤环行器包括第一端口、第二端口和第三端口；所述短脉冲激光光源输出短脉冲光信号，进入第一掺铒光纤放大器进行放大后，经过所述光纤环行器的所述第一端口和第二端口注入到被测光纤；被测光纤的背向瑞利散射光信号返回到所述光纤环行器，经由所述光纤环行器的第二端口和第三端口到达第二掺铒光纤放大器进行放大，然后进入所述高速偏振态检测装置，经光电变换转换为电信号，该电信号表征了从光纤始端到被测点的3个不同位置z，z+Δz，和z+2Δz的3个偏振态的斯托克斯矢量，分别记为

和

该电信号被所述的计算机采集，并使用三点测量法进行数据处理，所述三点测量方法包括如下步骤：

步骤1，通过公式n＝[δ_x，-δ_y，δ_z]^T计算出光纤的本地双折射矢量的方向n；其中

${\mathrm{\δ}}_x=\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1& {\mathrm{\ζ}}_2-{\mathrm{\ζ}}_1\\ {\mathrm{\η}}_3-{\mathrm{\η}}_1& {\mathrm{\ζ}}_3-{\mathrm{\ζ}}_1\end{array}\right|,$ ${\mathrm{\δ}}_y=\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\ζ}}_2-{\mathrm{\ζ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\ζ}}_3-{\mathrm{\ζ}}_1\end{array}\right|,$ ${\mathrm{\δ}}_z=\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\η}}_3-{\mathrm{\η}}_1\end{array}\right|;$

式中(ξ_i，η_i，ζ_i)i＝1，2，3分别是三个偏振态

和

在邦加球上的坐标；

步骤2，通过公式

$\left|\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}\right|=\frac{2}{\mathrm{\Δz}}\arcsin \left[\frac{1}{2}\sqrt{\frac{{({\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_1)}^2+{({\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1)}^2+{({\mathrm{\ζ}}_2-{\mathrm{\ζ}}_1)}^2}{1-({\mathrm{\ξ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2+{\mathrm{\ζ}}_0^2)}}\right]$

计算出本地双折射矢量

的大小

其中

${\mathrm{\ξ}}_0=\frac{{\mathrm{\δ}}_x{\mathrm{\ξ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\δ}}_z{\mathrm{\ζ}}_1}{({\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2)}{\mathrm{\δ}}_x,$ ${\mathrm{\η}}_0=-\frac{{\mathrm{\δ}}_x{\mathrm{\ξ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\δ}}_z{\mathrm{\ζ}}_1}{({\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2)}{\mathrm{\δ}}_y,$

${\mathrm{\ζ}}_0=\frac{{\mathrm{\δ}}_x{\mathrm{\ξ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\δ}}_z{\mathrm{\ζ}}_1}{({\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2)}{\mathrm{\δ}}_z;$

步骤3，在计算出本地双折射矢量的大小和方向n基础上，计算包括拍长和高阶双折射的分布参数。

上述三点测量法所使用的所述测量装置中的所述短脉冲激光光源由激光器、可编程信号发生器及外调制器组成；所述激光器发出直流光，输出到所述外调制器，所述外调制器在所述可编程信号发生器的电信号控制下对从所述激光器输入的直流光进行调制，输出一个短脉冲光信号。

上述三点测量法中所使用的所述测量装置中，在所述第一掺铒光纤放大器和所述光纤环行器之间，还设置有一光耦合器，将脉冲光分为两部分，一部分光进入所述低速偏振分析仪器用于监测光源的偏振态，另一部分光经过所述光纤环行器，经由所述第一端口和所述第二端口注入到所述被测光纤中；所述被测光纤的背向瑞利散射光信号返回到所述光纤环行器，经由所述第二端口和所述第三端口到达所述第二掺铒光纤放大器进行放大，然后进入所述高速偏振态检测装置，在其中经光电变换后成为电信号；该电信号被采集到所述计算机中，并使用三点测量法进行数据处理，最终得到光纤参数或者环境参数的变化。

本发明的优点在于，所提出的三点测量法对于任意输入偏振态均可进行测量，无需像前述其它方法那样，必须对输入偏振态仔细调整，本方法仅需要一次测量就得到光纤参数的分布。因此，利用高速偏振态检测装置快速采集了背向散射光信号，并利用计算机快速实现本算法，就能够实现对光纤本身以及外界环境进行实时的快速监测。

附图说明

图1为采用旋转波片和起偏器的偏振敏感光时域反射技术的系统结构示意图；

图2为采用旋转起偏器的偏振敏感光时域反射技术的系统结构示意图；

图3为利用压电陶瓷实现偏振敏感的光时域反射技术方法的结构示意图；

图4为双折射的物理意义图示；

图5为用于实现本发明方法的测量装置结构示意图；

图6为用于实现本发明方法的另一测量装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

根据本地双折射矢量的定义：

可以看出，如果在已知偏振态和偏振态

的情况下，在方程中仅仅有唯一的一个未知数

只要有合适的算法，本地双折射

是可以求解的。

根据图4，如果已知3个相邻被测点的偏振态

和

由于Δz很小，高阶的本地双折射可以忽略，那么这3个已知的偏振态在邦加球上对应的点就能够确定出一个圆。这个圆圆心的法线矢量方向，就是这3个点所确定的本地双折射矢量

的方向，而它的大小由扫过的角度(角速度)所确定，对应于本地双折射矢量

的大小

因此，只要确定了圆心的法线矢量方向以及3个点所扫过的角度，便可以确定本地双折射矢量

为了书写方便，在后面的一段中，将邦加球上这3个点的坐标用(ξ_i，η_i，ζ_i)，i＝1，2，3表示，而不用(s₁，s₂，s₃)表示，即令

${\stackrel{\→}{S}}_1=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1\\ {\mathrm{\η}}_1\\ {\mathrm{\ζ}}_1\end{array}\right],$ ${\stackrel{\→}{S}}_2=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_2\\ {\mathrm{\η}}_2\\ {\mathrm{\ζ}}_2\end{array}\right],$ ${\stackrel{\→}{S}}_3=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_3\\ {\mathrm{\η}}_3\\ {\mathrm{\ζ}}_3\end{array}\right]$

过这3各点的平面方程为.

$\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1& {\mathrm{\ζ}}_2-{\mathrm{\ζ}}_1\\ {\mathrm{\η}}_3-{\mathrm{\η}}_1& {\mathrm{\ζ}}_3-{\mathrm{\ζ}}_1\end{array}\right|(\mathrm{\ξ}-{\mathrm{\ξ}}_1)-\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\ζ}}_2-{\mathrm{\ζ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\ζ}}_3-{\mathrm{\ζ}}_1\end{array}\right|(\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_1)+\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\η}}_3-{\mathrm{\η}}_1\end{array}\right|(\mathrm{\ζ}-{\mathrm{\ζ}}_1)=0$

如果定义

${\mathrm{\δ}}_x=\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1& {\mathrm{\ζ}}_2-{\mathrm{\ζ}}_1\\ {\mathrm{\η}}_3-{\mathrm{\η}}_1& {\mathrm{\ζ}}_3-{\mathrm{\ζ}}_1\end{array}\right|,$ ${\mathrm{\δ}}_y=\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\ζ}}_2-{\mathrm{\ζ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\ζ}}_3-{\mathrm{\ζ}}_1\end{array}\right|,$ ${\mathrm{\δ}}_z=\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\η}}_3-{\mathrm{\η}}_1\end{array}\right|;$

这个平面的法线矢量n即为本地双折射矢量的方向，它为

n＝[δ_x，-δ_y，δ_z]^T

这三点决定了一个圆，假定邦加球上这个圆的圆心为r₀＝[ξ₀，η₀，ζ₀]^T，由于它处在这3个点所确定的平面上，必有

δ_x(ξ₀-ξ₁)-δ_y(η₀-η₁)+δ_z(ζ₀-ζ₁)＝0    (1)

另一方面，由于r₀的方向应该与法线矢量n的方向相同，且过邦加球的原点，于是r₀＝kn。其中k为待定常数。从而

[ξ₀，η₀，ζ₀]＝k[δ_x，-δ_y，δ_z]

将其代入方程(1)，求出待定系数k，得到

$k=\frac{{\mathrm{\δ}}_x{\mathrm{\ξ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\δ}}_z{\mathrm{\ζ}}_1}{{\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2}$

于是

${\mathrm{\ξ}}_0=\frac{{\mathrm{\δ}}_x{\mathrm{\ξ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\δ}}_z{\mathrm{\ζ}}_1}{({\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2)}{\mathrm{\δ}}_x,$ ${\mathrm{\η}}_0=-\frac{{\mathrm{\δ}}_x{\mathrm{\ξ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\δ}}_z{\mathrm{\ζ}}_1}{({\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2)}{\mathrm{\δ}}_y,$

${\mathrm{\ζ}}_0=\frac{{\mathrm{\δ}}_x{\mathrm{\ξ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\δ}}_z{\mathrm{\ζ}}_1}{({\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2)}{\mathrm{\δ}}_z$

r₀的大小为

考虑到邦加球的半径为1，邦加球上测得的3点到r₀的距离、即3个点所确定的圆半径ρ为 $\mathrm{\ρ}=\sqrt{1-({\mathrm{\ξ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2+{\mathrm{\ζ}}_0^2)}.$

再求出弦长 $l=\sqrt{{({\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_1)}^2+{({\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1)}^2+{({\mathrm{\ζ}}_2-{\mathrm{\ζ}}_1)}^2}$ 和夹角θ＝2arcsin(l/2ρ)(单位弧度)。最后求出角速度，即本地双折射矢量

的大小

$\left|\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}\right|=\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Δz}}=\frac{2}{\mathrm{\Δz}}\arcsin \frac{l}{2\mathrm{\ρ}}$

在计算出本地双折射矢量的大小

和方向n基础上，计算包括拍长和高阶双折射的分布参数。

本发明的优点在于，三点测量法对于任意输入偏振态均可进行测量，无需像前述其它方法那样，必须对输入偏振态仔细调整，本方法仅需要一次测量就得到光纤参数的分布。因此，利用高速偏振态检测装置快速采集了背向散射光信号，并利用计算机快速实现本算法，就能够实现对光纤本身以及外界环境进行实时的快速监测。

上述三点测量法可以通过如图5所示的装置实现。

参照图5，测量装置包括短脉冲激光光源51、第一掺铒光纤放大器52、光纤环行器53、第二掺铒光纤放大器54、高速偏振态检测装置55、计算机56和被测光纤57。

所述短脉冲激光光源51输出一个短脉冲光信号，并进入第一掺铒光纤放大器52进行放大后，经过光纤环行器53的第一端口1和第二端口2注入到被测光纤57；被测光纤57的背向瑞利散射光信号返回到光纤环行器53，经由第二端口2和第三端口3到达第二掺铒光纤放大器54进行放大，然后进入高速偏振态检测装置55，经光电变换转换为电信号，该电信号表征了从光纤始端到被测点的3个不同位置z，z+Δz，和z+2Δz的3个偏振态的斯托克斯矢量，分别记为

和

被计算机56采集所述电信号，并使用三点测量法进行数据处理，得到光纤参数或者环境参数的变化；

上述三点测量法可以通过如图6所示的装置实现。

短脉冲激光光源由激光器61、可编程信号发生器62及外调制器63组成；激光器61发出直流光，输出到外调制器63，外调制器63在可编程信号发生器62的电信号控制下对从激光器61输入的直流光进行调制，输出一个短脉冲光信号。

在第一掺铒光纤放大器64和光纤环行器67之间，还设置有一光耦合器65，将脉冲光分为两部分，一部分光进入低速偏振分析仪器66用于监测光源的偏振态，另一部分光经过光纤环行器67，经由671、672端口注入到被测光纤71中；被测光纤71的背向瑞利散射光信号返回到光纤环行器67，经由672、673端口到达第二掺铒光纤放大器68进行放大，然后进入高速偏振态检测装置69，在其中经光电变换后成为电信号；该电信号被采集到计算机70中，并使用三点测量法进行数据处理，最终得到光纤参数或者环境参数的变化。

以上对本发明所提供的一种光纤中双折射分布的三点测量法进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种光纤中双折射分布的三点测量法，其特征在于，所述方法基于如下测量装置，所述测量装置包括短脉冲激光光源、第一掺铒光纤放大器、光纤环行器、第二掺铒光纤放大器、高速偏振态检测装置、计算机和被测光纤；所述光纤环行器包括第一端口、第二端口和第三端口；

所述短脉冲激光光源输出短脉冲光信号，进入第一掺铒光纤放大器进行放大后，经过所述光纤环行器的所述第一端口和第二端口注入到被测光纤；被测光纤的背向瑞利散射光信号返回到所述光纤环行器，经由所述光纤环行器的第二端口和第三端口到达第二掺铒光纤放大器进行放大，然后进入所述高速偏振态检测装置，经光电变换转换为电信号，该电信号表征了从光纤始端到被测点的3个不同位置z，z+Δz，和z+2Δz的3个偏振态的斯托克斯矢量，分别记为

和

该电信号被所述计算机采集，并使用三点测量法进行数据处理，所述三点测量方法包括如下步骤：

步骤1，通过公式n＝[δ_x，-δ_y，δ_z]^T计算出光纤的本地双折射矢量

的方向n；其中

${\mathrm{\δ}}_x=\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1& {\mathrm{\ζ}}_2-{\mathrm{\ζ}}_1\\ {\mathrm{\η}}_3-{\mathrm{\η}}_1& {\mathrm{\ζ}}_3-{\mathrm{\ζ}}_1\end{array}\right|,$ ${\mathrm{\δ}}_y=\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\ζ}}_2-{\mathrm{\ζ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\ζ}}_3-{\mathrm{\ζ}}_1\end{array}\right|,$

${\mathrm{\δ}}_z=\left|\begin{array}{cc}{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1& {\mathrm{\η}}_3-{\mathrm{\η}}_1\end{array}\right|;$

式中(ξ_i，η_i，ζ_i)i＝1，2，3分别是三个偏振态

和

在邦加球上的坐标；

步骤2，通过公式

$\left|\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}\right|=\frac{2}{\mathrm{\Δz}}\arcsin \left[\frac{1}{2}\sqrt{\frac{{({\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_1)}^2+{({\mathrm{\η}}_2-{\mathrm{\η}}_1)}^2+{({\mathrm{\ζ}}_2-{\mathrm{\ζ}}_1)}^2}{1-({\mathrm{\ξ}}_0^2+{\mathrm{\η}}_0^2+{\mathrm{\ζ}}_0^2)}}\right]$

计算出本地双折射矢量

的大小

其中

${\mathrm{\ξ}}_0=\frac{{\mathrm{\δ}}_x{\mathrm{\ξ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\δ}}_z{\mathrm{\ζ}}_1}{({\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2)}{\mathrm{\δ}}_x,$ ${\mathrm{\η}}_0=-\frac{{\mathrm{\δ}}_x{\mathrm{\ξ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\δ}}_z{\mathrm{\ζ}}_1}{({\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2)}{\mathrm{\δ}}_y,$

${\mathrm{\ζ}}_0=\frac{{\mathrm{\δ}}_x{\mathrm{\ξ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\δ}}_z{\mathrm{\ζ}}_1}{({\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2)}{\mathrm{\δ}}_z;$

步骤3，在计算出本地双折射矢量的大小

和方向n基础上，计算包括拍长和高阶双折射的分布参数。

2.根据权利要求1所述的三点测量法，其特征在于，所述测量装置中，

所述短脉冲激光光源由激光器、可编程信号发生器及外调制器组成；所述激光器发出直流光，输出到所述外调制器，所述外调制器在所述可编程信号发生器的电信号控制下对从所述激光器输入的直流光进行调制，输出一个短脉冲光信号。

3.根据权利要求2所述的三点测量法，其特征在于，所述测量装置中，

在所述第一掺铒光纤放大器和所述光纤环行器之间，还设置有一光耦合器，将脉冲光分为两部分，一部分光进入所述低速偏振分析仪器用于监测光源的偏振态，另一部分光经过所述光纤环行器，经由所述第一端口和所述第二端口注入到所述被测光纤中；所述被测光纤的背向瑞利散射光信号返回到所述光纤环行器，经由所述第二端口和所述第三端口到达所述第二掺铒光纤放大器进行放大，然后进入所述高速偏振态检测装置，在其中经光电变换后成为电信号；该电信号被采集到所述计算机中，并使用三点测量法进行数据处理，最终得到光纤参数或者环境参数的变化。

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