CN102706538A - 一种保偏光纤消光比自适应解调方法 - Google Patents

Abstract

一种保偏光纤消光比自适应解调方法。解决保偏光纤消光比数据解调问题。包括：自适应消光比阈值耦合强度和收敛的非等步长消光比迭代步长。解调方法根据待测光纤内的耦合情况，动态的设定消光比阈值耦合强度，实现解调方法自适应性；消光比迭代步长依赖于上一次迭代结果以及迭代次数，使迭代步长动态变化且非等步长的收敛，实现对保偏光纤消光比的快速解调；充分利用白光干涉精度高、动态范围大的特点对保偏光纤内部的弱耦合点进行探测，进而通过数据预处理和自适应消光比解调方法，使得解调结果更为精确、可靠。

Description

一种保偏光纤消光比自适应解调方法

技术领域

本发明涉及白光干涉法保偏光纤分布偏振耦合的检测，尤其涉及一种基于分布偏振耦合的保偏光纤消光比自适应解调方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

高双折射保偏光纤由于具有较好的保持光偏振态的能力，并且与普通单模光纤具有较好的相容性，而广泛应用于光纤陀螺、光纤传感、集成光学信息处理、光通信等各个领域。消光比是度量保偏光纤保持光的偏振态稳定性能的重要指标。保偏光纤因受各种内外部干扰如光纤内部应力缺陷、横向应力、弯曲、扭转等因素的影响，其偏振消光比往往较低，难以满足使用要求。同时，保偏光纤的偏振消光比参数从侧面反应了保偏光纤制造过程中的工艺或技术缺陷，因此，有必要对保偏光纤的消光比作出精确的测试与标定。

目前保偏光纤消光比的测试方法主要有旋转检偏器法、光时域反射法、偏振光干涉法等。旋转检偏器法通过测量偏振器件透光轴光能P_y与非透光轴的光能P_x之比衡量其消光比大小，一般可表示为PER=10lg(P_y/P_x)。在旋转检偏器法消光比测量方法中，通常需要使用衰减器，并且频繁的调节光路，往往会引起较大的测量误差。如若使用高灵敏度的光电倍增管进行测量，还需要有效的抑制杂散光的干扰，同时由于受起偏器消光比性能的影响，理论测试精度也仅限于60dB。光时域反射法通过分别测得背向散射光偏振正交轴上功率，计算消光比，实验装置复杂，不易实施。而偏振光干涉法基于扫描白光干涉法，简单易实施，且能够得到保偏光纤内部的分布耦合点，同时由于白光干涉法具有较高探测精度，能够探测到光纤内部很小的耦合点，有利于实现消光比的精确计算。然而如何利用这些分布耦合点进行消光比计算，则需要从理论上推导消光比与耦合点耦合强度的关系，同时结合实际测试系统测试信号特点，构建一种快速度、高精度、灵活性强的消光比解调方法。

发明内容

本发明的目的是解决保偏光纤消光比数据解调问题，提供一种保偏光纤消光比自适应解调方法。

该方法通过选取的消光比迭代步长的自适应性和快速收敛性，使消光比阈值耦合强度具有较强的动态变化特性和自适应性，实现保偏光光纤消光比的快速准确计算。该方法利用扫描白光干涉法得到保偏光纤内部的分布耦合点，可实现任意一段光纤局部消光比的解调。同时，充分利用白光干涉精度高、动态范围大的特点对保偏光纤内部的弱耦合点进行探测，进而通过数据预处理和自适应消光比解调方法，使得解调结果更为精确、可靠。

本发明提供的一种保偏光纤消光比自适应解调方法包括：

第1、使用扫描白光干涉法消光比测试系统采集干涉信号，该测试系统用探测器接收白光干涉信号并进行光电转换，得到连续的模拟电信号，经采集卡抽样、量化后得到表征干涉信号的离散的电压数据I(t)；

第2、将第1步中采集的电压数据I(t)进行数据预处理

第2.1、对电压数据I(t)中的数据每N个点做平均，将得到的平均值作为这N个点的值，在有效消除信号中的随机噪声的同时将数据量M缩减N倍，从而得到新的电压数据

其中N、M为整数，且0＜N＜M，M为I(t)的数据个数；记电压数据的数据量大小为a，则a=[M/N]表示对M/N取整；

第2.2、对进行小波去噪，在均值去噪的基础上，利用小波的自适应性去除噪声而保留有用信号，得到电压数据I₀(t)；

第3、利用进行数据预处理后得到的电压数据I₀(t)进行局部耦合强度计算

第3.1、寻找I₀(t)的最大值点I_0max，并对I_0max点附近的100点数据做平均，求得I_0max点处的直流电压值I_0DC，计算ΔI_m，ΔI_m＝I_0max-I_0max；

第3.2、取I₀(t)中每一点的电压值I_0n(t)，并对I_0n(t)点附近的100点数据做平均得到I_0n(t)点处的直流电压值I_0nDC(t)，计算ΔI_cn，ΔI_cn＝I_0n(t)-I_0nDC(t)，其中，n为整数，并且0<n<a；

第3.3、将ΔI_cn与ΔI_m作如式(1)的计算，得到数据I_cn(t)，

$I_{\mathrm{cn}}\left(t\right)=10\lg {\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;I}}_{\mathrm{cn}}}{{\mathrm{\&Delta;I}}_m}\right)}^2---\left(1\right)$

I_cn(t)表示由电压数据I(t)得到的耦合强度数据，数据量大小为a；

第4、利用第3.3步得到的I_cn(t)计算保偏光纤的消光比

假设设在光纤中存在q个耦合点，q为正整数，即耦合强度数据I_cn(t)中包含q个耦合点，耦合强度分别为：α_j，j为大于0且小于等于q的正整数；则在保偏光纤出射端，非透光轴上的能量为：

$p_x=\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I_{\mathrm{cj}}}^2=\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}({10}^{0.1{\mathrm{\&alpha;}}_j}\&CenterDot;{I_m}^2)---\left(2\right)$

式中I_cj表示第j个耦合点的电压值，I_m为保偏光纤出射端透光轴的光电压，将其用P_y表示，则由公式PER=10lg(P_y/P_x)可知保偏光纤的消光比可由其内部分布耦合点的耦合强度α_j表示：

$\mathrm{PER}=-10\lg \left\{\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left({10}^{0.1{\mathrm{\&alpha;}}_j}\right)\right\}---\left(3\right)$

根据以上推导，对于实际采集的电压数据I_c(t)，消光比计算方法如下：

第4.1、寻找I_c(t)中表征待测器件两端接头处的耦合强度点，将两接头之间表征偏振器件耦合强度的所有数据点取出，记为I′_c(t)；

第4.2、寻找I′_c(t)中最大值点记为α_i，α_i＝max{I′_c(t)}，i为算法迭代次数，初始值为0；计算 ${\mathrm{PER}}_i=10\lg \left\{{10}^{0.1{\mathrm{\&alpha;}}_i}\right\};$

第4.3、计算消光比阈值耦合强度α_thi，

其中σ_i=(0.01×PER_i)ⁱ⁺¹为消光比迭代步长，依赖于上一步迭代消光比和迭代次数，且随消光比的减小和迭代次数的增加是收敛的；

第4.4、将α_i附近表征此耦合点的耦合强度数据点去除，剩余耦合强度数据点记为I″_c(t)，寻找I″_c(t)中最大值点记为α_i+1，α_i+1＝max{I″_c(t)}；

第4.5、判断α_thi与α_i+1的大小，当α_thi小于或等于α_i+1时，进行下一步；否则令i＝i+1，返回第4.3步继续进行消光比阈值耦合强度的计算；

第4.6、取出所有耦合强度大于α_thi的耦合点，并利用这些耦合点的耦合强度进行消光比计算，得到PER_i+1，同时去除这些耦合点所对应的耦合强度数据点；

第4.7、当PER_i-PER_i+1小于ε，或者α_thi小于β时，停止计算，其中，ε为消光比变化量，表示我们可以接受的消光比计算值与真值间的偏差；β为数据采集系统探测灵敏度；此时，PER_i即为待测保偏光纤的消光比；否则，令i＝i+1，返回第4.3步继续进行消光比阈值耦合强度的计算。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明中涉及的消光比迭代步长依赖于上一次迭代得到的消光比和迭代次数，具有自适应性和快速收敛性，从而使消光比阈值耦合强度具有较强地动态变化特性和自适应性，实现保偏光光纤消光比的快速准确解调。

2、本发明利用扫描白光干涉法能够得到光纤内部耦合点的分布，理论上得到的用耦合点的耦合强度计算消光比的方法使得此方法更具灵活性，可以实现任意一段光纤的局部消光比解调。

3、该方法充分利用了白光干涉精度高、动态范围大的特点，实现了保偏光纤内部的弱耦合点的精确探测，使得消光比解调结果更为精确。

附图说明

图1是自适应消光比解调流程图。

图2是白光干涉法消光比测试系统图。

图3是干涉信号的电压数据示意图。

图4是迭代步长与消光比和迭代次数的关系示意图。

图5是3m保偏光纤跳线原始干涉数据图和耦合强度数据图；

(a)是原始干涉数据图；(b)是耦合强度数据图。

图中，1是SLD光源，2是隔离器，3是起偏器，4是起偏器尾纤(保偏光纤)，5是待测保偏光纤，6是解调干涉仪尾纤(保偏光纤)，7是扩束准直透镜，8是半波片，9是格兰棱镜，10是分束器，11是静臂反射镜，12是扫描导轨，13是动臂反射镜，14是光电探测器，15是采集卡，16是计算机，17、18是步进电机。

具体实施方式

本发明实施例对保偏光纤的消光比进行了测试。消光比测试装置采用结构简单的迈克尔逊干涉仪作为解调干涉仪。图1是自适应消光比计算流程图；图2是本发明的硬件测试系统图，其中，1是SLD光源，2是隔离器，3是起偏器，4是起偏器尾纤(保偏光纤)，5是待测保偏光纤，6是解调干涉仪尾纤(保偏光纤)，7是扩束准直透镜，8是半波片，9是格兰棱镜，10是分束器，11是静臂反射镜，12是扫描导轨，13是动臂反射镜，14是光电探测器，15是采集卡，16是计算机，17、18是步进电机。

超连续谱光源由日本Amonics Limited公司提供，型号ASLD84-PM-150-B-FA的光源，光源的谱型为高斯型分布，中心波长为850nm，谱宽为49nm，最大输出功率为15mW；格兰棱镜9由Thorlabs公司提供，消光比在100dB以上；扫描导轨12为日本THK公司的滚珠丝杠导轨，型号为KR2602AFM+200LP0F-000E；光电探测器14采用Newport818-SL，探测波长范围为400nm-1000nm，暗电流5nA，动态范围0-4.6×10^-3W；NI公司的NI-USB6251数据采集卡进行数据采集；步进电机17、18有THK公司提供，步进电机控制器为东方马达CRK544APB。

在消光比解调实验中，由超连续谱光源1发出超连续谱光，通过光隔离器2、起偏器3后变成线偏光，沿起偏器尾纤4的某一主轴耦合进待测保偏光纤5，待测保偏光纤出射的光经解调干涉仪尾纤6传输后由扩束准直透镜7准直，经旋转半波片8改变光偏振态并结合格兰棱镜9检偏，使两垂直偏振态的光波均投影到同一偏振态，然后进入扫描迈克尔逊干涉仪，由分束器10将投影后的光分成两束，一束到达静臂反射镜11，另一束到达固定在扫描导轨12上的动臂反射镜13，通过移动动臂反射镜补偿光程差使投影到同一偏振态的光波发生干涉，由光电探测器14接收干涉光强，之后采集卡15将探测器采集的光信号转换成数字电信号送进计算机16进行数据处理。实验装置中半玻片8的旋转以及导轨12的移动均由计算机16给采集卡15信号，采集卡控制电机17和电机18来实现。由于偏振器件具有保持光偏振态的特性，当保偏光纤受到外界扰动或是本身存在缺陷时，沿某一偏振主轴传输的线偏光将会耦合到另一与之垂直的偏振主轴上，从而造成光偏振态耦合，最终耦合点的位置和强度均可由采集到的干涉光信号解调得到，进而进行保偏光纤消光比计算。

实施例1：

将中心波长为850nm，长为3m的Nufern保偏光纤接入测试系统，启动所有设备后，进行白光干涉数据采集，图5(a)给出了光源功率为8mW时，采集的原始干涉数据图。由采集的原始干涉数据进行耦合强度计算，得到图5(b)所示的耦合强度数据。光纤连接处的耦合强度较大，由此定位出代表待测保偏光纤的耦合强度数据点，待测光纤的耦合强度数据点如图所示，其两端分别为解调干涉仪尾纤和起偏器尾纤的耦合强度数据点。首先取出这些耦合强度数据点中最大值，根据此值计算消光比阈值耦合强度；将大于阈值耦合强度的耦合强度数据点取出计算消光比；根据新得到的消光比值重新计算消光比阈值耦合强度，依次循环，直至消光比计算值与前一次的差值在消光比变化量内或是消光比阈值耦合强度小于系统的灵敏度时即得到待测光纤的消光比，并停止迭代。对3m保偏光纤进行了9次测试，表1给出了消光比解调结果以及每一步迭代得到消光比阈值耦合强度。平均消光比为34.60dB，方差为0.29。

表1 3米保偏光纤跳线消光比测试结果

实施例2：

将中心波长为850nm，长为12m的日本滕仓保偏光纤接入测试系统，进行白光干涉数据采集。由采集的原始干涉数据进行耦合强度计算，得到12m待测光纤的耦合强度数据。根据光纤连接处的耦合强度较大，定位出代表待测保偏光纤的耦合强度数据点，待测光纤的耦合强度数据点如图所示，其两端分别为解调干涉仪尾纤和起偏器尾纤的耦合强度数据点。首先取出这些耦合强度数据点中最大值，根据此值计算消光比阈值耦合强度；将大于阈值耦合强度的耦合强度数据点取出计算消光比；根据新得到的消光比值重新计算消光比阈值耦合强度，依次循环，直至消光比计算值与前一次的差值在消光比变化量内或是消光比阈值耦合强度小于系统的灵敏度时即得到待测光纤的消光比，并停止迭代。实验对12米长保偏光纤同样进行了9次测试，表2给出了消光比解调结果以及每一步迭代得到的消光比阈值耦合强度。平均消光比为39.86dB，方差为0.25。

表2 12米保偏光纤跳线消光比测试结果

Claims (2)

1.一种保偏光纤消光比自适应解调方法，其特征在于该方法包括：

第1、使用扫描白光干涉法消光比测试系统采集干涉信号，该测试系统用探测器接收白光干涉信号并进行光电转换，得到连续的模拟电信号，经采集卡抽样、量化后得到表征干涉信号的离散的电压数据I(t)；

第2、将第1步中采集的电压数据I(t)进行数据预处理

第2.1、对电压数据I(t)中的数据每N个点做平均，将得到的平均值作为这N个点的值，在有效消除信号中的随机噪声的同时将数据量M缩减N倍，从而得到新的电压数据

其中N、M为整数，且0＜N＜M，M为I(t)的数据个数；记电压数据的数据量大小为a，则a=[M/N]表示对M/N取整；

第2.2、对

进行小波去噪，在均值去噪的基础上，利用小波的自适应性去除噪声而保留有用信号，得到电压数据I₀(t)；

第3、利用进行数据预处理后得到的电压数据I₀(t)进行局部耦合强度计算

第3.1、寻找I₀(t)的最大值点I_0max，并对I_0max点附近的100点数据做平均，求得I_0max点处的直流电压值I_0DC，计算ΔI_m，ΔI_m＝I_0max-I_0DC；

第3.2、取I₀(t)中每一点的电压值I_0n(t)，并对I_0n(t)点附近的100点数据做平均得到I_0n(t)点处的直流电压值I_0nDC(t)，计算ΔI_cn，ΔI_cn＝I_0n(t)-I_0nDC(t)，其中，n为整数，并且0<n<a；

第3.3、将ΔI_cn与ΔI_m作如式(1)的计算，得到数据I_cn(t)，

$I_{\mathrm{cn}}\left(t\right)=10\lg {\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;I}}_{\mathrm{cn}}}{{\mathrm{\&Delta;I}}_m}\right)}^2---\left(1\right)$

I_cn(t)表示由电压数据I(t)得到的耦合强度数据，数据量大小为a；

第4、利用第3.3步得到的I_cn(t)计算保偏光纤的消光比

假设设在光纤中存在q个耦合点，q为正整数，即耦合强度数据I_cn(t)中包含q个耦合点，耦合强度分别为：α_j，j为大于0且小于等于q的正整数；则在保偏光纤出射端，非透光轴上的能量为：

$p_x=\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I_{\mathrm{cj}}}^2=\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}({10}^{0.1{\mathrm{\&alpha;}}_j}\&CenterDot;{I_m}^2)---\left(2\right)$

式中I_cj表示第j个耦合点的电压值，I_m为保偏光纤出射端透光轴的光电压，将其用P_y表示，则由公式PER=10lg(P_y/P_x)可知保偏光纤的消光比可由其内部分布耦合点的耦合强度α_j表示：

$\mathrm{PER}=-10\lg \left\{\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left({10}^{0.1{\mathrm{\&alpha;}}_j}\right)\right\}---\left(3\right)$

根据以上推导，对于实际采集的电压数据I_c(t)，消光比计算方法如下：

第4.1、寻找I_c(t)中表征待测器件两端接头处的耦合强度点，将两接头之间表征偏振器件耦合强度的所有数据点取出，记为I′_c(t)；

第4.2、寻找I′_c(t)中最大值点记为α_i，α_i＝max{I′_c(t)}，i为算法迭代次数，初始值为0；计算 ${\mathrm{PER}}_i=10\lg \left\{{10}^{0.1{\mathrm{\&alpha;}}_i}\right\};$

第4.3、计算消光比阈值耦合强度α_thi，

其中σ_i=(0.01×PER_i)ⁱ⁺¹为消光比迭代步长，依赖于上一步迭代消光比和迭代次数，且随消光比的减小和迭代次数的增加是收敛的；

第4.4、将α_i附近表征此耦合点的耦合强度数据点去除，剩余耦合强度数据点记为I″_c(t)，寻找I″_c(t)中最大值点记为α_i+1，α_i+1＝max{I″_c(t)}；

第4.5、判断α_thi与α_i+1的大小，当α_thi小于或等于α_i+1时，进行下一步；否则令i＝i+1，返回第4.3步继续进行消光比阈值耦合强度的计算；

第4.6、取出所有耦合强度大于α_thi的耦合点，并利用这些耦合点的耦合强度进行消光比计算，得到PER_i+1，同时去除这些耦合点所对应的耦合强度数据点；

第4.7、当PER_i-PER_i+1小于ε，或者α_thi小于β时，停止计算，其中，ε为消光比变化量，表示我们可以接受的消光比计算值与真值间的偏差；β为数据采集系统探测灵敏度；此时，PER_i即为待测保偏光纤的消光比；否则，令i＝i+1，返回第4.3步继续进行消光比阈值耦合强度的计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第4步设计的自适应迭代消光比计算方法，尤其是第4.3步所述的消光比阈值耦合强度大小依赖于被测光纤内的耦合情况，具有自适应特性；消光比迭代步长是动态变化且非等步长收敛的；从而实现了保偏光纤消光比快速、精确解调。

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