CN107576341B - Ofdr中消除偏振衰落的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OFDR中消除偏振衰落的装置和方法，装置包括线性扫频激光器、保偏光纤分束器、主干涉仪、辅助干涉仪、数据采集卡和计算机，主干涉仪用于使进入该主干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；辅助干涉仪使进入该辅助干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号经过转化后作为高速数据采集卡的外部时钟；数据采集卡在外部时钟的触发下等频域间隔采样第一拍频信号。本发明在主光路、主干涉仪、待测光纤均使用保偏光纤和保偏光纤器件。从而在主干涉仪光路中严格控制干涉信号的偏振态为为慢轴对准，快轴截止，从根本上消除偏振衰落现象。本装置在断点检测、损耗测量和分布式温度应变传感中稳定性、准确性得到显著提高。

Description

OFDR中消除偏振衰落的装置和方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，更具体而言,涉及一种OFDR中消除偏振衰落的装置和方法。

背景技术

OFDR技术是一种广泛应用于光通信、航空航天、土木工程、能源电力等领域的分布式光纤测量与传感技术。OFDR系统中的单模光纤存在双折射现象，会造成光纤链路中的输出光的偏振态发生波动而产生偏振衰落现象。OFDR技术的基本原理是光外差检测，是通过获取信号光和参考光的拍频干涉信号。偏振衰落现象的具体表现为信号光和参考光的拍频干涉信号幅度随机涨落，甚至会出现无法检测到拍频干涉信号的情况。偏振衰落效应会严重影响OFDR系统测量的准确性。

目前抑制偏振衰落效应的方法主要有两种：偏振分集接收技术和添加偏振控制器。

偏振分集接受技术指的在接收端利用两个或多个成一定夹角的检偏器对拍频干涉信号进行检偏以消除被探测信号的偏振衰落现象。其基本思想是利用两个或多个不同角度的检偏器对拍频干涉信号进行检测。由于完全衰落不会同时发生，因此至少有一个检偏器能检测到干涉信号。偏振分集接收技术最理想的的方法是采用两个检偏器构成的双偏振态分集接收器，并使两个偏振器成90°夹角。对双偏振态分集接收器采集的两路干涉信号在计算机中进行叠加并处理。偏振分集接受技术的主要劣势是需要多路光探测并在计算机中添加额外信号处理。

添加偏振控制器的方法是指在参考光路或者信号光路中添加偏振控制器来控制该光路光信号的偏振态。通过调节该光路信号的偏振态，使得两路光信号的偏振态相匹配从而实现拍频干涉信号最大。相比偏振分集接收技术，该方法简单。但前期需要调节光路，并且当外界环境发生变化时，参考光和信号光的最佳匹配偏振态有可能改变，从而使得抑制偏振衰落效果不稳定。

发明内容

针对现有技术的不足或者改进需求，本发明提供了一种OFDR中消除偏振衰落的装置和方法。本发明的基本思想是：拍频信号接收端之前不添加偏振分集接受装置，也不在参考臂或者信号(传感)臂中添加偏振控制器。而是在整个主光路、主干涉仪、待测光纤均采用保偏光纤或者保偏光纤器件。传统的OFDR抑制偏振衰落方法，是抑制偏振衰落，本发明将主干涉仪中拍频干涉信号的偏振态控制在慢轴，从根本上消除偏振衰落现象。

本发明提供一种OFDR中消除偏振衰落的装置，该装置包括线性扫频激光器、保偏光纤分束器、主干涉仪、辅助干涉仪、数据采集卡和计算机，其中：

所述线性扫频激光器，用于发出激光波长周期性线性变化的线偏振激光，偏振态为慢轴对准、快轴截止；

所述保偏光纤分束器，用于将扫频激光分为两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪；

所述主干涉仪，用于使进入该主干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；

所述辅助干涉仪，用于使进入该辅助干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号经过转化后作为高速数据采集卡的外部时钟；

所述数据采集卡，用于在外部时钟的触发下等频域间隔采样第一拍频信号；

所述计算机，用于对采集的第一拍频信号进行处理分析。

接上述技术方案，所述主干涉仪包括信号臂(即传感臂)和参考臂，传感臂包括保偏光纤环形器和传感光纤，该保偏光纤环形器为双轴工作；所述保偏光纤分束器、主干涉仪内部光纤器件均为保偏光纤器件，传感光纤为保偏光纤。

接上述技术方案，所述主干涉仪还包括保偏光纤隔离器、第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器，所述保偏光纤隔离器的一端连接保偏光纤分束器，另一端与所述第一保偏光纤耦合器的输入端连接；所述第一保偏光纤耦合器的输出端连接参考臂和信号(传感)臂；所述保偏光纤环形器用于将传感光纤(即待测光纤)的反射信号导入第二保偏光纤耦合器；传感臂的反射信号与参考臂的信号在所述第二保偏光纤耦合器处发生拍频干涉。

接上述技术方案，该主干涉仪还包括第一光电探测器，其一端与第二保偏光纤耦合器连接，另一端与数据采集卡连接。

接上述技术方案，该辅助干涉仪包括光隔离器、光纤耦合器、两路单模光纤和第二光电探测器，该两路单模光纤的末端均连接法拉第旋转镜，两路光经过两个法拉第旋转镜反射沿路返回，在光纤耦合器处发生拍频干涉，产生的第二拍频信号进入第二光电探测器。

接上述技术方案，所述保偏光纤分束器具体将扫频激光分为10：90两路，10％的光进入辅助干涉仪，90％的光进入主干涉仪。

接上述技术方案，所述线性扫频激光器为窄线宽激光器，输出光为慢轴对准、快轴截止的偏振光，扫描范围为1520nm-1630nm，扫频速度2nm/s-2000nm/s。

本发明还提供了一种OFDR中消除偏振衰落的方法，包括以下步骤：

由线性扫频激光器发出的线性扫频激光经过保偏光纤分束器分为两路，一路进入主干涉仪，一路进入辅助干涉仪；

在主干涉仪中，光经过保偏光纤耦合器分为两路，一路为待测光纤中，作为信号(传感)臂；另一路进入参考臂中，信号(传感)臂中的瑞利后向散射信号经过保偏光纤环形器后进入第二保偏光纤耦合器，并与参考臂中的信号在第二保偏光纤耦合器中发生干涉，由于两路返回信号的光程不同，引入了时延，则干涉信号中含有拍频信号；

在辅助干涉仪中，光经过光纤耦合器分为两路，经法拉第旋转镜反射回来的两路光在光纤耦合器处发生拍频干涉，拍频信号作为数据采集卡的外部时钟，用于触发采集主干涉仪的拍频信号；

数据采集卡对主干涉仪的拍频信号进行等频域间隔采样，在计算机进行处理分析，以实现光纤链路端点与损耗检测，同时实现分布式温度、应变传感。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提出了一种OFDR中消除偏振衰落的装置和方法。在主光路和主干涉仪中均使用保偏光纤和保偏光纤器件。另外，在分布式温度应变传感中，使用的传感光纤(即待测光纤)为保偏光纤。从而在主干涉仪光路中将偏振衰落抑制，从根本上消除偏振衰落现象，系统整体测量稳定性、准确性得到显著提高。本发明相比于传统OFDR技术，不仅无需在计算机中增加额外信号处理，而且其偏振态不受外界环境影响从而无需多次校准，使用操作方便，系统测量稳定性好、准确性高。本发明可应用于光通讯器件的端点损耗检测，本发明的分布式温度、应变传感功能还可以应用于航空航天、土木工程、能源电力等领域。

附图说明

为了完善说明并帮助更好地理解本发明特性的目的，下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为OFDR系统装置图；

图2为OFDR装置具体结构示意图；

图3为未抑制偏振衰落的OFDR装置输出的待测光纤为的信号曲线；

图4为本发明装置输出的待测光纤为的信号曲线；

图5采用普通单模光纤器件构成的OFDR系统(没有保偏偏振分集探测结构)，瑞利散射光谱互相关图；

图6采用保偏光路探测结构的OFDR系统，消除了偏振衰落后瑞利散射光谱互相关图。

图中：1为线性扫描激光器，2为保偏光纤分束器(10：90)，3为主干涉仪，4为辅助干涉仪，5为数据采集卡，6为计算机，7为保偏光纤隔离器，8为保偏光纤耦合器(1x2)，9为参考臂，10为信号(传感)臂，11为环形器，12为保偏光纤耦合器(1x2)，13为光电探测器，14为光隔离器，15为光纤耦合器(2x2)，16为法拉第旋转镜，17为单模光纤，18为法拉第旋转镜，19为光电探测器。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明实施例OFDR中消除偏振衰落的装置包括线性扫频激光器1、保偏光纤分束器2、主干涉仪3、辅助干涉仪4、数据采集卡5和计算机6，其中：

所述线性扫频激光器，用于发出激光波长周期性线性变化的线偏振激光，偏振态为慢轴对准、快轴截止；

所述保偏光纤分束器，用于将扫频激光分为两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪；

所述主干涉仪，用于使进入该主干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；

所述辅助干涉仪，用于使进入该辅助干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号经过转化后作为高速数据采集卡的外部时钟；

所述数据采集卡，用于在外部时钟的触发下等频域间隔采样第一拍频信号；

所述计算机，用于对采集的第一拍频信号进行处理分析。

如图2所示，进一步地，所述主干涉仪包括传感臂10和参考臂9，传感臂10包括保偏光纤环形器11和传感光纤，该保偏光纤环形器为双轴工作；所述保偏光纤分束器、主干涉仪内部光纤器件均为保偏光纤器件，传感光纤为保偏光纤。

所述主干涉仪还包括保偏光纤隔离器7、保偏光纤耦合器8和保偏光纤耦合器12，所述保偏光纤隔离器7的一端连接保偏光纤分束器2，另一端与所述保偏光纤耦合器8的输入端连接；所述保偏光纤耦合器8输出端连接参考臂9和传感臂10；所述保偏光纤环形器11用于将传感光纤的反射信号导入保偏光纤耦合器12；传感臂10的反射信号与参考臂9的信号在所述保偏光纤耦合器12处发生拍频干涉。

该主干涉仪还包括光电探测器13，其一端与保偏光纤耦合器12连接，另一端与数据采集卡5连接。

该辅助干涉仪包括光隔离器14、光纤耦合器15、两路单模光纤和光电探测器19，该两路单模光纤的末端分别连接法拉第旋转镜17、18，两路光经过两个法拉第旋转镜反射沿路返回，在光纤耦合器15处发生拍频干涉，产生的第二拍频信号进入光电探测器19。

所述保偏光纤分束器具体将扫频激光分为10：90两路，10％的光进入辅助干涉仪，90％的光进入主干涉仪。

所述线性扫频激光器为窄线宽激光器，输出光为慢轴对准、快轴截止的偏振光，扫描范围为1520nm-1630nm，扫频速度2nm/s-2000nm/s。

本发明采用辅助干涉仪产生的拍频信号作为数据采集卡的外部时钟，对主干涉仪的拍频信号实现等频率间隔采样。

本发明的基本原理是基于光外差干涉技术。具体的，由窄线宽激光器发出的线性扫频激光经过保偏光纤耦合器分为两路，一路进入主干涉仪系统，一路进入辅助干涉仪系统。在主干涉仪系统中，光经过保偏光纤耦合器分为两路，一路光为信号光(信号臂中传输)，一路为参考光(参考臂中传输)。参考光直接耦合进入第二保偏光纤耦合器(1x2)中的一个输入端。信号光进入光纤环形器a端口并从b端口出射，传输到待测光纤中。信号光在待测光纤(传感光纤)上发生后向散射，后向散射光沿路返回到光纤环形器并由环形器的c口出射进入第二保偏光纤耦合器(1x2)的另一个输入端。两路光在第二保偏光纤耦合器(1x2)处发生干涉。

由于两路返回信号的光程不同，引入了时延，则干涉信号中含有拍频信号。

在辅助干涉仪中，光经过光纤耦合器分为两路，设计成M-Z干涉仪，末端放置法拉第旋转镜。光进入辅助干涉仪，经法拉第旋转镜反射回来的两路光在光纤耦合器处发生拍频干涉。拍频信号作为高速数据采集卡的外部时钟，用于触发采集主干涉仪的拍频信号。根据采样定理，辅助干涉仪的拍频大小决定了光频域反射装置的最大可测量距离。

两路干涉仪系统的拍频信号经光电探测器后，光信号转换为电信号。其中，主干涉仪拍频信号接高速数据采集卡的输入通道，辅助干涉仪的拍频信号接高速数据采集卡的外部时钟通道。

高速数据采集卡采集到的主干涉仪电信号，在计算机中处理分析。

本发明消除OFDR装置中偏振衰落的的关键技术为：相比于传统的OFDR技术，本发明在主光路和主干涉仪中均使用保偏光纤以及保偏光纤器件。另外，在分布式温度应变传感中，使用的传感光纤(待测光纤)为保偏光纤。从而待测拍频信号不会发生偏振衰落，系统整体测量稳定性、准确性得到显著提高。

所述的OFDR装置的工作原理为：线性扫描激光器1发出激光波长周期性线性变化的激光，激光进入保偏光纤分束器(10：90)2分为两路光。一路光进入主干涉仪3(90％输出端)，一路光进入辅助干涉仪4。主干涉仪3中，在保偏光纤耦合器(1x2)8中的1端口光路放置保偏光纤隔离器7防止1端口反射光进入线性扫描激光器1。光在保偏光纤耦合器(1x2)8的1端口入射，在2端口和3端口出射，两路光分别进入参考臂9和传感臂10。参考臂9中的光直接进入保偏光纤耦合器(1x2)12。传感臂10中信号光进入保偏光纤环形器11a端口进入b端口出射，出射光进入待测光纤中，待测光纤的后向瑞利散射沿路返回进入保偏光纤环形器11b端口，并从c端口出射进入保偏光纤耦合器(1x2)12。待测光纤反射光与参考臂中的直接进入保偏光纤耦合器12的光的光程不同，因此从参考臂9和传感臂10返回的两路光信号在保偏光纤耦合器(1x2)12上发生拍频干涉，干涉光信号进入光电探测器13。

辅助干涉仪4中，在光纤耦合器(2x2)15的1端口光路放置光隔离器14防止1端口反射光进入线性扫描激光器1。光由1端口入射进入3端口和4端口，在辅助干涉仪4的其中一个臂接入一卷单模光纤16作为延迟光纤用。两路光经过法拉第旋转镜17和18反射沿路返回在光纤耦合器(2x2)15处发生拍频干涉并在2端口出射进入光电探测器19。

辅助干涉仪4的拍频信号经光电探测器19转化为电信号后作为高速数据采集卡5的外部时钟，触发采集主干涉仪3中的拍频信号，实现等频域间隔采样。采集到的拍频信号导入计算机6分析处理。

分析处理分为两个部分。即：分布式光纤链路断点检测与损耗测量和分布式温度应变传感。

在光纤链路断点检测与损耗测量中：将等频域间隔采样采集的拍频信号经过傅里叶变换。变换后得到的频谱中，拍频信号频率可映射为物理距离，而拍频信号功率则反应了其相应反射点的反射率。

根据光频域反射技术定位原理可将反射点位置信息由以下公式表示：

(其中z为该反射点位置处与参考臂法拉第旋转镜位置处距离差，f_b为拍频信号拍频大小，γ为线性光源扫频速率，c为光速，n为光纤折射率。)

具体表现为：测得的拍频信号频率大小和传感臂中该反射点位置处与参考臂进入第二保偏光纤耦合器(1x2)12处距离差成线性关系。而拍频信号功率则反应了其相应反射点的反射率。

偏振衰落会严重影响测量性能。具体表现为：断点检测时，当端面反射特别是一些熔接点反射过弱时，反射信号会淹没在偏振衰落中，无法监测反射信号对应的位置。损耗特性测量时，由于偏振衰落使得整个频谱信息不平，每个位置的拍频信号大小不能反应出该点的反射率。因此不能准确测量光纤的损耗特性。

相比于传统的OFDR技术，本发明在主光路、主干涉仪、待测光纤中均使用保偏光纤以及保偏光纤器件。不仅无需在计算机中增加额外信号处理，而且其偏振态不受外界环境影响从而无需多次校准，待测拍频信号不会发生偏振衰落，系统整体测量稳定性、准确性得到显著提高。

如图3为未抑制偏振衰落的OFDR装置输出的待测光纤为的信号曲线，整个拍频信号谱收到随机偏振衰落影响起伏不平，严重影响了光纤断点检测与损耗特性测量。当熔接点或者断点反射信号太弱时，菲涅尔反射峰值较低，可能淹没在偏振衰落中。

图4为本发明采用全保偏装置输出的待测光纤的信号曲线，对比于图3，有着明显的改善。消除偏振后的拍频谱每一段都是渐变过渡，准确的反应了整个待测光纤的损耗特性。可以检测到例如光纤熔接点的弱反射信号，测量损耗特性准确性显著提高。

在分布式温度和应变传感中：选取待测位置处附近区间(待测位置前后区间大小选取是根据测量空间分辨率和测量精度的来判定)所有反射点所映射的拍频信号进行分析。待测位置处温度、应变发生变化时，该选取区间所映射的拍频信号的频率大小整体发生平移，平移量跟温度和应变的变化量成线性相关。对温度、应变变化前后的两组数据进行互相关运算可以算出该选取区间所映射的拍频信号的频率大小的整体平移量。进而实现对该位置处的温度、应变测量。当对整个待测光纤沿线逐一采用上述运算方式时，即可实现分布式温度、应变传感。

在实验中发现偏振在瑞利散射光谱互相关中运算中会影响互相关峰值的判断，进而影响传感重复精度。

图5是采用普通单模器件构成的OFDR系统瑞利散射光谱互相关图，该装置没有在参考臂或信号臂中添加偏振控制器，也没有采用偏振分集接收结构。通过本地测量瑞利散射光谱(施加温度或应变)与本地参考光谱(未施加温度或应变)互相关运算得到的运算结果。由于偏振衰落影响，参考光和信号光的相关性会受到影响。互相关峰可能找不到或者出现多个，漂移量不易判别。

图6采用保偏光路探测结构的OFDR系统，消除了偏振衰落后互相关峰移动图。可以明显准确的找到互相关峰。

本领域的技术人员容易理解，此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制，凡不脱离本发明方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种OFDR中消除偏振衰落的装置，其特征在于，该装置包括线性扫频激光器、保偏光纤分束器、主干涉仪、辅助干涉仪、数据采集卡和计算机，其中：

所述线性扫频激光器，用于发出激光波长周期性线性变化的线偏振激光，偏振态为慢轴对准、快轴截止；

所述保偏光纤分束器，用于将扫频激光分为两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪；

所述主干涉仪，用于使进入该主干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；

所述辅助干涉仪，用于使进入该辅助干涉仪的扫频激光发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号经过转化后作为高速数据采集卡的外部时钟；

所述数据采集卡，用于在外部时钟的触发下等频域间隔采样第一拍频信号；

所述计算机，用于对采集的第一拍频信号进行处理分析；

其中，所述主干涉仪包括传感臂和参考臂，传感臂包括保偏光纤环形器和传感光纤，该保偏光纤环形器为双轴工作；所述保偏光纤分束器、主干涉仪内部光纤器件均为保偏光纤器件，传感光纤为保偏光纤；所述主干涉仪还包括保偏光纤隔离器、第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器，所述保偏光纤隔离器的一端连接保偏光纤分束器，另一端与所述第一保偏光纤耦合器的输入端连接；所述第一保偏光纤耦合器的输出端连接参考臂和传感臂；所述保偏光纤环形器用于将传感光纤的反射信号导入第二保偏光纤耦合器；传感臂的反射信号与参考臂的信号在所述第二保偏光纤耦合器处发生拍频干涉。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该主干涉仪还包括第一光电探测器，其一端与第二保偏光纤耦合器连接，另一端与数据采集卡连接。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该辅助干涉仪包括光隔离器、光纤耦合器、两路单模光纤和第二光电探测器，该两路单模光纤的末端均连接法拉第旋转镜，两路光经过两个法拉第旋转镜反射沿路返回，在光纤耦合器处发生拍频干涉，产生的第二拍频信号进入第二光电探测器。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述保偏光纤分束器具体将扫频激光分为10：90两路，10%的光进入辅助干涉仪，90%的光进入主干涉仪。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述线性扫频激光器为窄线宽激光器，输出光为慢轴对准、快轴截止的偏振光，扫描范围为1520nm-1630nm，扫频速度2nm/s-2000nm/s。

6.一种OFDR中消除偏振衰落的方法，该方法基于权利要求1的OFDR中消除偏振衰落的装置，其特征在于，包括以下步骤：

由线性扫频激光器发出的线性扫频激光经过保偏光纤分束器分为两路，一路进入主干涉仪，一路进入辅助干涉仪；

在主干涉仪中，光经过第一保偏光纤耦合器分为两路，一路进入待测光纤中，作为传感臂；另一路进入参考臂中，传感臂中的瑞利后向散射信号经过保偏光纤环形器后进入第二保偏光纤耦合器，并与参考臂中的信号在第二保偏光纤耦合器中发生干涉，由于两路返回信号的光程不同，引入了时延，则干涉信号中含有拍频信号；

在辅助干涉仪中，光经过光纤耦合器分为两路，经法拉第旋转镜反射回来的两路光在光纤耦合器处发生拍频干涉，拍频信号作为数据采集卡的外部时钟，用于触发采集主干涉仪的拍频信号；

数据采集卡对主干涉仪的拍频信号进行等频域间隔采样，在计算机进行处理分析，以实现光纤链路端点与损耗检测，同时实现分布式温度、应变传感。

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