CN107271147A - 一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法 - Google Patents

一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法。保偏光纤环分布偏振串扰数据由光相干域偏光计测得，存在“伪”偏振耦合数据，需要通过处理获得“真”偏振耦合数据。数据处理步骤为：1)设置阈值去除分布偏振串扰数据的背景噪声；2)基于测试宽谱光源相干长度对偏振串扰分布数据进行耦合状态划分；3)基于建立的串扰干涉模型对不同耦合状态数据进行真实偏振串扰强度和位置解算；4)形成与测试光源无关的光纤陀螺保偏光纤环分布偏振串扰数据。本发明避免了直接使用偏振串扰分布数据所带来的信息混叠问题，由于处理后得到的数据与测试光源参数无关，解决了测试状态与在光纤陀螺中实际应用状态不一致的问题。

Description

一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法
技术领域
本发明涉及光纤陀螺测量的技术领域，具体涉及一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法。
背景技术
偏振态是光纤陀螺测量的本质对象，保偏光纤环可以很好的保证光在光纤环光路传播中偏振态不发生变化，其作为光纤陀螺主要元器件之一，决定了光纤陀螺的极限精度。由于保偏光纤自身以及光纤环绕环工艺的缺陷，光纤环会产生偏振耦合点。当在光纤环光路中传播的光经过偏振耦合点，就会产生耦合光，导致光偏振态发生变化，使得光纤陀螺产生误差。因此，为了监测和检测光在光纤环光路中偏振态的变化，提高光纤陀螺精度，光纤环偏振串扰分布检测技术得到发展。
光纤环偏振串扰分布研究日趋多样化，其中光相干域偏光计是最为有效的手段。以该技术为基础的分布式光纤偏振串扰检测设备可以测得光纤环每一点处的偏振串扰强度，在此偏振串扰数据的基础上，可以对光纤环以及其他相关的多个参数进行研究，如应力、双折射等。为了能够实现对光纤环质量的分析，偏振串扰数据得到了充分使用，主要分为定性分析与量化分析。定性分析主要指，通过观察偏振串扰曲线，寻找突变点，直观得到应力等其他因素对偏振串扰的影响，或者通过设定不同的阈值，根据大于偏振串扰强度阈值的点个数来实现对光纤环质量好坏的定性。量化分析主要指，通过利用偏振串扰强度找到目标物理量与其确切的数学关系，从而实现对光纤环质量好坏的量性判别。已有的量化分析方法有将偏振串扰信息转化为琼斯矩阵参数，实现偏振态检测或者将偏振耦合点等效为其他模型，以便于检测光偏振态变化。由于测试系统光源对偏振串扰测量的调制，偏振串扰数据中包含了大量的无用以及误差信息，在使用偏振串扰数据前，很有必要进行数据预处理，这有利于提高数据分析的准确性。
因此，本发明设计出一种能有效去除光源调制，判别偏振耦合点位置，以及解算偏振串扰真实强度的数据预处理算法。保偏光纤环偏振串扰经过该算法生成个体具有更合理的物理解释，极大的避免了原始数据的信息混叠。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：测试系统光源对偏振串扰测量有调制作用，偏振串扰数据包含有大量无用、误差信息，难以解算出偏振耦合点真实位置和偏振串扰真实强度。光纤环偏振串扰数据是由图2所示的光相干域偏光计测试系统所得，该系统由宽谱光源(BBS)、起偏器(P1)、待测保偏光纤环(PMFC)、检偏器(P2)和读出干涉仪(RI)组成。BS、P1、FC和P2组成典型的偏光干涉仪，RI为迈克尔逊干涉仪，由固定反射镜(M)、扫描反射镜(SM)和分光镜(BS)组成，通过调节移动臂，补偿PMF中双折射引起的光路不平衡，得到干涉信号，解算出光纤环偏振串扰。光纤环并不是每一点都具有偏振串扰，在偏振耦合点的一个光纤环消偏长度内，该偏振耦合点会对其周围正常的光纤环偏振串扰测试产生影响，从而导致非偏振耦合点也具有偏振串扰测量值。当光纤环一个消偏长度内同时存在两个偏振耦合点时，如图3所示，两偏振耦合点产生的耦合光B、C，都会对光纤环偏振串扰测量产生影响。当连续偏振耦合点相邻距离小于保偏光纤消偏长度的个数大于等于3时，如图4所示的连续三个偏振耦合点，其三束相应偏振耦合光都会对光纤环偏振串扰测量产生影响。
针对以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法，光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据由光相干域偏光计测得，数据处理步骤为：1)设置阈值去除光纤环分布偏振串扰数据的背景噪声值；2)基于测试宽谱光源相干长度对分布偏振串扰数据进行耦合状态划分；3)基于建立的串扰干涉模型对不同耦合状态数据解算真实偏振串扰强度；4)获得与测试光源无关的光纤陀螺保偏光纤环分布偏振串扰数据。
其中，光纤陀螺保偏光纤环分布偏振串扰数据阈值为但不仅限于-75dB。
其中，数据样本划分方法步骤为：1)筛选出光纤环偏振串扰数据极大值点的强度与位置信息，定义极大值点为偏振耦合点；2)判断连续偏振耦合点相邻距离la小于保偏光纤消偏长度ld的个数x，由x将数据样本划分为不同耦合状态。
其中，对不同耦合状态数据，进行真实偏振串扰强度解算，当x＝1时，该耦合状态部分的偏振耦合点的偏振串扰即为真实强度；当x≥2时，要初始化强度解算函数，以实现相应耦合状态部分的偏振串扰真实强度解算。
其中，对各耦合状态部分数据按照位置信息以及相应真实偏振串扰强度重新排列，形成与测试光源无关的光纤陀螺保偏光纤环分布偏振串扰数据。
本发明一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法的有益效果是：第一，本发明实现了偏振耦合点真实位置与强度的解算。第二，本发明形成与测试光源无关的光纤陀螺保偏光纤环分布偏振串扰数据。第三，为以偏振耦合点为模型的偏振串扰分析手段提供了合理数据处理方法。
附图说明
图1为光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法流程。
图2为宽谱光偏光干涉原理。
图3为双偏振耦合点测试原理。
图4为多偏振耦合点测试原理。
图5为数据划分流程。
图6为光纤环偏振耦合点简化模型。
图7为保偏光纤环分布偏振串扰典型数据。
图8为保偏光纤环分布偏振串扰数据特点。
图9为双偏振耦合点数据特点。
图10为多偏振耦合点数据特点。
图11为光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理前后对比。
图中附图标记含义为：1为光纤，2为独立偏振耦合点，3为2个连续偏振耦合点，4为n个连续偏振耦合点，5为b点偏振串扰测试，6为c点偏振串扰测试，7为xt-1点偏振串扰测试，8为xt点偏振串扰测试，9为xt+1点偏振串扰测试。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细说明。
本发明提供一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法。该方法通过设置阈值去除测得的光纤环偏振串扰分布数据的背景噪声，通过测试宽谱光源相干长度对偏振串扰分布数据进行耦合状态划分，以及通过建立的偏振串扰干涉模型对不同耦合状态进行真实偏振串扰强度解算，从而生成更加优化的偏振串扰数据个体。
进一步的，所述通过设置阈值去除测得的光纤环偏振串扰分布数据的背景噪声，由光相干域偏光计测得偏振串扰背景噪声依照系统测量精度不同而不同，所以该阈值为但不仅限于-75dB。
进一步的，所述对偏振串扰分布数据进行耦合状态划分：按照图5所示流程实现该过程，1)筛选出光纤环偏振串扰数据极大值点的强度与位置信息，定义极大值点为偏振耦合点；2)判断连续相邻偏振耦合点距离la小于保偏光纤消偏长度ld的个数x，由x将数据样本划分为不同部分。划分判据为当且仅当一个偏振耦合点与前后相邻偏振耦合点的距离都大于ld时，x＝1(2)；当且仅当2个相邻偏振耦合点距离小于ld并且与除彼此之外的偏振耦合点距离大于ld时，x＝2(3)；当且仅当n个连续偏振耦合点相邻距离小于ld并且首尾的偏振耦合点与外侧偏振耦合点距离大于ld时，x＝n(4)。据此将数据样本划分为n个部分。
进一步的，基于建立的串扰干涉模型对不同耦合状态进行真实偏振串扰强度解算：x＝1时，该数据划分部分的偏振耦合点的偏振串扰即为真实强度；x＝2时，该数据划分部分的偏振耦合点真实强度解算函数为：
其中，hb和hc分别为前后两点b、c偏振串扰测量值，Hb和Hc分别为前后两点b、c偏振串扰真实值(3)，db和dc分别为测量b点偏振串扰时，固定臂耦合光B、C与扫描臂光纤传播主光A的光程差(5)，db′和dc′分别为测量c点偏振串扰时固定臂耦合光B、C与扫描臂光纤传播主光A的光程差(6)。γ(d)为测试光源的相干函数，记光程差为δ，δc为γc(δ)的“半宽”，定义为：
x＝n时，该数据划分部分的偏振耦合点真实强度解算函数为：
其中，和分别为n个偏振耦合点中相邻的前中后3个偏振耦合点的偏振串扰测量值，和为前中后3个偏振耦合点的偏振串扰真实值，为测量前偏振耦合点偏振串扰时，迈克尔逊干涉系统固定臂中的中间点耦合光与扫描臂光纤传播主光的光程差(7)，为测量中间偏振耦合点的偏振串扰时，迈克尔逊干涉系统固定臂中的中间点耦合光与扫描臂光纤传播主光的光程差(8)。为测量后偏振耦合点的偏振串扰时，迈克尔逊干涉系统固定臂中的中间点耦合光与扫描臂光纤传播主光的光程差(9)，2≤t≤n-1。当t＝1或n时，以x＝2时的解算函数为处理方法。
进一步的，所述生成更加优化的偏振串扰数据个体，即对各划分耦合状态数据样本按照位置信息以及相应真实偏振串扰强度重新排列，形成与测试光源无关的光纤陀螺保偏光纤环分布偏振串扰数据。
使用的测试系统宽谱光源为中心波长1550nm激光器，该光源的去相干长度为48.2um。被测光纤环为熊猫型保偏光纤构成，双折射为0.000601，保偏光纤去相干长度ld为80.3mm。图7为由该测试系统测量的典型保偏光纤环偏振串扰数据，图7(a)和(b)分别是对数坐标与线性坐标，其偏振串扰数据特点，如图8所示，光纤环并非每一点都是偏振耦合点，由于光源调制作用，所以在非偏振耦合点处，也有偏振串扰值。当在保偏光纤消偏长度内存在两个偏振耦合点时，偏振串扰数据特点如图9所示，两偏振耦合点的偏振串扰测量值互有影响。当连续偏振耦合点相邻距离小于ld的个数为n(n>＝3)时，偏振串扰数据特点如图10所示(n＝3)，三个偏振耦合点的偏振串扰测量值互有影响。利用光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法对该保偏光纤环偏振串扰数据按照如下步骤进行处理：
S1：设置阈值为-75dB，去除光纤环偏振串扰分布数据的背景噪声。
S2：筛选出光纤环偏振串扰数据极大值点的强度与位置信息，形成筛选数据。
S3：以保偏光纤去相干长度ld(80.3mm)为判据，按照耦合状态划分的方法对筛选数据进行耦合状态划分，耦合状态划分结果也即不同耦合状态具有的偏振耦合点组数如图11所示。
S4：按照偏振耦合强度解算方法，分别生成与x对应的强度解算函数，对不同数据部分进行解算。
S5：对各划分数据样本按照位置信息以及相应真实偏振串扰强度重新排列，形成与测试光源无关的光纤陀螺保偏光纤环分布偏振串扰数据。
表1数据耦合状态划分结果
该保偏光纤环偏振串扰数据共有933692个偏振串扰测试点，经过处理后有22503个偏振耦合点，并且偏振串扰强度整体变小，图11为通过光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法后生成个体与偏振串扰测量数据的对比，为了便于观察，采取了局部放大。该处理方法去除了无用信息，并实现了偏振串扰强度解算。
本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术，且上述具体实施仅为本发明可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术思路所做的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法，其特征在于：光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据由光相干域偏光计测得，数据处理步骤为：1)设置阈值去除光纤环分布偏振串扰数据的背景噪声值；2)基于测试宽谱光源相干长度对分布偏振串扰数据进行耦合状态划分；3)基于建立的串扰干涉模型对不同耦合状态数据解算真实偏振串扰强度；4)获得与测试光源无关的光纤陀螺保偏光纤环分布偏振串扰数据。
2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法，其特征在于：光纤陀螺保偏光纤环分布偏振串扰数据阈值为但不仅限于-75dB。
3.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法，其特征在于：数据样本划分方法步骤为：1)筛选出光纤环偏振串扰数据极大值点的强度与位置信息，定义极大值点为偏振耦合点；2)判断连续偏振耦合点相邻距离la小于保偏光纤消偏长度ld的个数x，由x将数据样本划分为不同耦合状态。
4.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法，其特征在于：对不同耦合状态数据，进行真实偏振串扰强度解算，当x＝1时，该耦合状态部分的偏振耦合点的偏振串扰即为真实强度；当x≥2时，要初始化强度解算函数，以实现相应耦合状态部分的偏振串扰真实强度解算。
5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺用保偏光纤环分布偏振串扰数据处理方法，其特征在于：对各耦合状态部分数据按照位置信息以及相应真实偏振串扰强度重新排列，形成与测试光源无关的光纤陀螺保偏光纤环分布偏振串扰数据。
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