CN106767961A - 一种消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，利用多波长激光器输出N个具有相同偏振态不同波长的光，通过保偏光纤将不同波长的光波转化为不同的初始偏振态，然后调制成脉冲光输入到POTDR系统中，返回的信号光通过波分复用器分离到不同的输出端后，经过N个不同方向的检偏器分别得到相应的光强信号，然后将每个位置上后向散射信号的光强随时间的变化做傅里叶变换得到对应的频域信号，再将N个频域信号平均，最终得到有效消除信号衰落点的POTDR信号。本发明使用比较简单的实验装置，有效减少了测量结果中大量对振动不敏感的位置，并且相对于基础POTDR传感系统，相同测量时间下，提高了信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法及装置。
背景技术
光纤传感技术是从20世纪70年代发展而来的一门崭新的技术，随着光导纤维的实用化和光通信技术的发展，光纤传感技术以多元化的姿态迅猛发展。当光在光纤中传输时，由于光纤受外界扰动、温度、应变、位移等环境因素的影响，光信号的偏振态、功率、波长、相位等参数会发生变化。通过检测光纤中光的这些参数，就可以获得光纤周围环境的变化信息，从而实现传感。
当一束短脉冲光入射到光纤时，它沿着光纤传播并被散射到各个方向，一部分散射光沿着光纤传输并返回到入射端，这部分散射光称为瑞利背向散射光，背向瑞利散射光携带有传感光纤沿线受扰动的信息。基于瑞利散射的光时域传感技术就是通过监测光纤中背向瑞利散射光的特性来实现分布式传感的一种传感技术。
偏振光时域反射技术就是通过检测背向瑞利散射光的偏振态来实现传感的一种光时域反射技术。1980年，Rogers提出了偏振光时域反射仪(POTDR)的思想，激光器发出的光受脉冲调制器调制后变为脉冲光，经掺铒光纤放大器放大到一定功率后由环形器入射到待测光纤，传输过程中的背向瑞利散射光由环形器返回，通过检偏器检偏后被光电探测器接收。当光纤受到外界扰动时，光纤中光的偏振态将发生变化。同时，由于光脉冲在光纤中传输时发生背向瑞利散射，因此通过探测器探测背向散射光偏振态的变化，便可以得到光纤受扰动的信息。
光纤的双折射及光波在光纤中传输时偏振态的变化可以用邦加球表示。光纤中传输的完全偏振光的偏振态可表示为邦加球表面上的一点，光纤的双折射对偏振态的影响表示为邦加球表面上的偏振态绕邦加球的一个轴旋转一定的角度。在光纤的某些位置，邦加球上对应于光波偏振态的点距离双折射轴很近，在施加相同幅度的振动时，该点在邦加球上位置的变化很小，即引起的光波偏振态的变化会很小；另外，在用检偏器检测瑞利散射信号偏振态变化时，若偏振态变化方向与检偏器方向近似垂直或恰好垂直，那么即使偏振态变化较大，经过检偏器后得到的光功率变化仍然很小。对于传统的POTDR传感方法，由于上述因素，在光纤上很多位置得到的频谱信号幅值很小，振动信息会被淹没在噪声中，所以POTDR测量中，许多位置的扰动信息难以准确测量，是POTDR传感系统中一个需要解决的难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种消除偏振光时域反射仪(POTDR)信号衰落的方法及装置，本发明在传感系统中利用多波长激光器，并配合一定长度的保偏光纤，以获得具有不同初始偏振态的探测光。利用不同偏振态的光波在光纤受到扰动后所产生的偏振态变化大小的互补性，将其结果平均，消除信号中的衰落点。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，使用多波长激光器输出的不同波长的光波作为探测光，并利用保偏光纤将不同波长的光波转换为不同的偏振态同时进行传感，在接收端使用波分复用器将不同波长的光波耦合到不同的通道后分别进行偏振态变化的检测，利用多通道信号的叠加结果实现探测。
作为本发明所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，多波长激光器输出的多个波长的光波具有相同的偏振态，均为线偏振。
作为本发明所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，保偏光纤的快轴与多波长激光器输出端的快轴的夹角为45度。
作为本发明所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，保偏光纤的长度由各个光波的波长及波长间隔共同决定，保偏光纤的长度L为：
其中，N为同时传输的波长数，B为归一化双折射，λi为第i个波长，ki为正整数。
作为本发明所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，包括以下步骤：
步骤一、将多波长激光器输出的N个波长由大到小分别为λ1、λ2、λ3……λN的光波作为探测光入射至保偏光纤，保偏光纤用于将不同波长的光波转换为不同的偏振态；
步骤二、将保偏光纤输出的不同偏振态的N个光波调制成光脉冲并放大后经环形器的第一端口、环形器的第二端口注入至光纤；
步骤三、以相同的时间间隔T向光纤中注入M组包含N个波长的放大后的光脉冲，时间间隔T大于光脉冲往返光纤所需时间，光脉冲在光纤中产生POTDR散射信号由环形器的第二端口、环形器的第三端口输入至波分复用器进行分离，得到N×M组后向散射的POTDR信号；将每个波长对应的M组后向散射的POTDR信号按时间顺序每连续n组做累加平均，得到组平均后的POTDR信号，为向下取整，采样频率则可测的最大信号频率
步骤四、将步骤三得到组平均后的POTDR信号按时间顺序排列并按位置信息对齐后，可得到光纤中每个位置随时间变化的POTDR信号，将每个位置随时间变化的信号进行快速傅里叶变换处理，并求得功率谱，进而得到光纤上每个位置的POTDR信号的频谱；
步骤五、将步骤四得到的N个波长POTDR信号沿光纤的频谱分布按位置进行平均，得到消除了信号衰落点的POTDR的信号频谱的分布。
作为本发明所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，使用3个不同波长的光波进行传感。
作为本发明所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，所述进行偏振态变化的检测是通过在0°、45°线检偏器和45°线检偏器前插入1/4波片组成的检偏器进行检测。
一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落方法的装置，包括多波长激光器、保偏光纤、声光调制器、光放大器、环形器、光纤、波分复用器、N个检偏器、N个光电探测器和处理器；检偏器和光电探测器分别一一对应连接；其中，
多波长激光器，用于输出N个波长由大到小分别为λ1、λ2、λ3……λN的光波作为探测光入射至保偏光纤；
保偏光纤，用于将不同波长的光波转换为不同的偏振态，输出不同偏振态的N个光波至声光调制器；
声光调制器，用于将不同偏振态的N个光波调制成光脉冲输入至光放大器；
光放大器，用于放大光脉冲；放大后的光脉冲经环形器的第一端口、环形器的第二端口注入至光纤；放大后的光脉冲在光纤中产生POTDR散射信号由环形器的第二端口、环形器的第三端口输入至波分复用器；
波分复用器，用于将不同波长的POTDR散射信号分离至不同的检偏器；
检偏器，用于检测散射的POTDR信号的偏振态变化；
光电探测器，用于将经过检偏器后得到的光信号转换为电信号后输入至处理器；
处理器，用于对电信号进行处理，得到POTDR的信号频谱的分布。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明具有有效消除POTDR衰落信号的优点；
(2)本发明采用N个波长的光波同时传输，与传统POTDR系统探测时间相同时，可将信噪比提高倍。
附图说明
图1是一种基于多波长激光器的消除POTDR信号衰落的实验装置图。
图2是3个波长的光波经过保偏光纤后在邦加球上表示的偏振态相对位置关系示意图。
图3是实验采集的POTDR信号经过傅里叶变换及平均后的频谱图。
图4是光纤上每个点的后向散射信号的12Hz频率分量幅度图。
图5是传统POTDR系统光纤上每个点的后向散射信号的12Hz频率分量幅度图。
具体实施方式
结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪(POTDR)信号衰落的方法，其系统结构如图1所示。包括以下步骤：
步骤一、使用多波长激光器输出N个波长由大到小分别为λ1、λ2、λ3……λN的光波作为探测光，在其后连接一段保偏光纤，用于将不同波长的光波转换为不同的偏振态并同时进行传感，保偏光纤的快轴与多波长激光器输出端快轴的夹角为45度。这些光的拍长为其中B为归一化双折射。它们经过长度L的保偏光纤后偏振态在邦加球大圆上的位置可由L/LBi＝LB/λi(i＝1,2,...,N)确定，若要使N个波长的光的输出偏振态均匀分布，则要满足：
其中ki(i＝1,2,...,N-1)为正整数。计算过程中λi为无规律非整数，且需要同时找出无规律的N-1个ki的值，非常困难。即使最后解出L的值，L的值可能非常大，即需要使用很长的保偏光纤。考虑到实用性，N个波长的光波的偏振态并不需要严格的均匀分布在邦加球过极点的大圆上，可以允许一定的误差。在波长间隔不太大，光波数量不太多时，可以近似计算L的值。由方程组(1)得：
ki均为0时可得到N-1个使λ1和λi分别满足要求的最小Li值，则长度L可以近似为将ki＝0代入公式(2)得：
其中Δλi＝λ1-λi+1，则第i个波长计算出的保偏光纤长度的误差Δl为：
定义偏振态角度误差为近似计算造成的角度偏差值与均匀分布时相邻偏振态角度差值的比：
若输入波长间隔近似相等，式(5)第一项近似为0，第二项至多数量级为10-2，则角度误差为10-2；对于一般情况波长间隔不相等时，式(5)第一项至多数量级为10-1，第二项至多数量级为10-2，则角度误差为10-1，该误差可以接受。并且，当输入波长数越少，波长间隔越小，误差越小。
步骤二、保偏光纤输出的不同偏振态的N个光波，经过声光调制器(AOM)调制成脉冲光，并用掺铒光纤放大器(EDFA)放大后经环形器的第一端口、环形器的第二端口注入光纤。
步骤三、向光纤中以相同的时间间隔T注入M组包含N个波长的放大后的光脉冲，时间间隔T大于光脉冲往返光纤所需时间，光脉冲在光纤中产生的POTDR散射信号由环形器的第二端口、环形器的第三端口输入至波分复用器进行分离，得到N×M组后向散射的POTDR信号；将每个波长对应的M组后向散射的POTDR信号按时间顺序每连续n组做累加平均，以提高信号的信噪比，得到组平均后的POTDR信号，为向下取整。采样频率则可测的最大信号频率
步骤四、将步骤三得到组平均后的POTDR信号按时间顺序排列并按位置信息对齐后，可得到光纤中每个位置随时间变化的POTDR信号，将每个位置随时间变化的信号进行快速傅里叶变换(FFT)处理，并求得功率谱，进而得到光纤上每个位置的POTDR信号的频谱；
步骤五、将步骤四得到的N个波长POTDR信号沿光纤的频谱分布按位置进行平均，得到消除了信号衰落点的POTDR的信号频谱的分布。
下面以3波长的探测光波为例，结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
步骤一、采用如图1所示的实验装置，保偏输出的多波长激光器发出的3个波长的光经过一定长度的保偏光纤，用声光调制器AOM调制成脉宽50ns的脉冲光，经掺铒光纤放大器EDFA放大后进入光纤，后向散射光通过3通道波分复用器分离不同波长的光，分别经过0°、45°线检偏器和45°线检偏器前接1/4波片组成的检偏器，并用3个光电探测器进行检测。
步骤二、为了得到所需的3个探测光波的相对偏振态关系，需要特定的保偏光纤长度。3个光波的波长分别为λ1＝1545.325nm、λ2＝1543.855nm、λ3＝1542.199nm，保偏光纤的归一化双折射B的值为5×10-4。由于3个波长的偏振态不需要严格均匀分布，则计算过程可近似为根据实际情况，实验中使用1m的保偏光纤，在邦加球上得到如图2所示的相似关系。造成的角度误差为δ1＝7.5×10-2，δ2＝3.3×10-2。
步骤三、传感光纤长2.1km，光脉冲往返时间约为21μs。由激光器发出时间间隔T为50μs的9000组光信号，经过图1实验装置中波分复用器之后的三个探测器，可采集到3×9000组POTDR的传感信号。对于每个波长，将9000组信号每连续300组做一次累加平均来减小信号中的噪声，得到30组平均后的信号。则可测的最大信号频率f为:
步骤四、将得到的平均后的30组信号按时间顺序排列并按位置信息对齐，可以得到每个点的后向散射信号随时间的变化，将每个位置随时间变化的信号进行快速傅里叶变换(FFT)处理，并求功率谱，可以分别得到每个波长对应的沿光纤分布的后向散射信号的频谱，3个频谱进行平均，如图3所示。从频谱上可以得出振动的频率在12Hz左右。将频率为12Hz的分量的幅值沿光纤的分布取出来，如图4所示，可以准确定位出振动点的位置约在1000米处。
图5为传统POTDR系统的测量结果，可发现本系统大大消除了POTDR信号衰落现象。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，使用多波长激光器输出的不同波长的光波作为探测光，并利用保偏光纤将不同波长的光波转换为不同的偏振态同时进行传感，在接收端使用波分复用器将不同波长的光波耦合到不同的通道后分别进行偏振态变化的检测，利用多通道信号的叠加结果实现探测。
2.根据权利要求1所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，多波长激光器输出的多个波长的光波具有相同的偏振态，均为线偏振。
3.根据权利要求1所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，保偏光纤的快轴与多波长激光器输出端的快轴的夹角为45度。
4.根据权利要求1所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，保偏光纤的长度由各个光波的波长及波长间隔共同决定，保偏光纤的长度L为：
其中，N为同时传输的波长数，B为归一化双折射，λi为第i个波长，ki为正整数。
5.根据权利要求1所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将多波长激光器输出的N个波长由大到小分别为λ1、λ2、λ3……λN的光波作为探测光入射至保偏光纤，保偏光纤用于将不同波长的光波转换为不同的偏振态；
步骤二、将保偏光纤输出的不同偏振态的N个光波调制成光脉冲并放大后经环形器的第一端口、环形器的第二端口注入至光纤；
步骤三、以相同的时间间隔T向光纤中注入M组包含N个波长的放大后的光脉冲，时间间隔T大于光脉冲往返光纤所需时间，光脉冲在光纤中产生POTDR散射信号由环形器的第二端口、环形器的第三端口输入至波分复用器进行分离，得到N×M组后向散射的POTDR信号；将每个波长对应的M组后向散射的POTDR信号按时间顺序每连续n组做累加平均，得到组平均后的POTDR信号，为向下取整，采样频率则可测的最大信号频率
步骤四、将步骤三得到组平均后的POTDR信号按时间顺序排列并按位置信息对齐后，可得到光纤中每个位置随时间变化的POTDR信号，将每个位置随时间变化的信号进行快速傅里叶变换处理，并求得功率谱，进而得到光纤上每个位置的POTDR信号的频谱；
步骤五、将步骤四得到的N个波长POTDR信号沿光纤的频谱分布按位置进行平均，得到消除了信号衰落点的POTDR的信号频谱的分布。
6.根据权利要求1所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，使用3个不同波长的光波进行传感。
7.根据权利要求6所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，所述进行偏振态变化的检测是通过在0°、45°线检偏器和45°线检偏器前插入1/4波片组成的检偏器进行检测。
8.根据权利要求5所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落方法的装置，其特征在于，包括多波长激光器、保偏光纤、声光调制器、光放大器、环形器、光纤、波分复用器、N个检偏器、N个光电探测器和处理器；检偏器和光电探测器分别一一对应连接；其中，
多波长激光器，用于输出N个波长由大到小分别为λ1、λ2、λ3……λN的光波作为探测光入射至保偏光纤；
保偏光纤，用于将不同波长的光波转换为不同的偏振态，输出不同偏振态的N个光波至声光调制器；
声光调制器，用于将不同偏振态的N个光波调制成光脉冲输入至光放大器；
光放大器，用于放大光脉冲；放大后的光脉冲经环形器的第一端口、环形器的第二端口注入至光纤；放大后的光脉冲在光纤中产生POTDR散射信号由环形器的第二端口、环形器的第三端口输入至波分复用器；
波分复用器，用于将不同波长的POTDR散射信号分离至不同的检偏器；
检偏器，用于检测散射的POTDR信号的偏振态变化；
光电探测器，用于将经过检偏器后得到的光信号转换为电信号后输入至处理器；
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