CN108759884A - 消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可以消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统和方法。所述方法的步骤是：由第一调制器调制的第一脉冲光引入至耦合器，将该脉冲光分成两路脉冲光，其中一个脉冲光经过一段长度对应于脉冲光宽度的时延光纤后与另一个脉冲光由偏振分束器耦合在一起；由第二调制器调制一个脉冲宽度是第一脉冲光宽度两倍的长脉冲光，然后这两路脉冲光经耦合器耦合成一组探测双脉冲光，最后经环形器后进入光栅阵列。双脉冲光在相邻光栅上的反射光叠加后产生干涉，然后干涉光由环形器进入光电探测器并通过采集卡进行数据采集分析。该系统和方法可以有效解决偏振衰落的影响，并保证高响应频率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统和方法。
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。
光栅阵列传感原理是：把嵌入光纤的弱光栅阵列当做一组“弱反射镜”，在光纤的指定位置提供稳定的、强度可控的反射光信号，分布式弱光栅阵列传感方法拟使用这些反射光信号取代光纤中的自发瑞利散射，通过解调出干涉光的相位、功率等变化的信息，最终可以得到外部施加扰动的信号。与传统的光纤传感系统相比，分布式弱光栅阵列传感系统得到的反射光信号更稳定，灵敏度更高。基于弱光栅阵列解调扰动信息的方法有很多种：基于相位敏感光时域反射计的单脉冲和双脉冲法，以及干涉仪法等，但是由于光在光栅阵列中传输时，偏振态的变化是具有连续性的。对于传统的光栅阵列振动测量，脉冲信号在传输的过程中，受外界扰动的影响，信号干涉叠加的时候，可能由于偏振态发生变化，使发生叠加的两部分干涉信号偏振态近似垂直甚至垂直，这样得到的干涉信号可视度降低，降低检测灵敏度，尤其是当偏振态完全正交时，将导致干涉信号的检测失败。所以关于偏振衰落的问题是光栅阵列传感系统中一个需要重点解决的难题。
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衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统和方法。本发明在简单基础的弱光栅阵列传感系统上融合双脉冲技术，其中的某一个脉冲光是由两个偏振方向相互垂直的连续短脉冲组合而成，通过这个方法彻底解决偏振衰落的问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，包括激光器、第一耦合器和第二耦合器、第一调制器和第二调制器、光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器、采集卡及处理器，激光器的输出连接至第一耦合器的输入，第一耦合器的两路输出分别连接至第一调制器和第二调制器的输入，第二调制器的输出连接至第二耦合器的一路输入，第二耦合器的输出经光纤放大器连接至环形器，环形器分别连接至融合弱光栅阵列的传感光纤和光电探测器，光电探测器的输出连接至采集卡，且采集卡连接至处理器；
该系统还包括：
第三耦合器，其输入连接至第一调制器的输出；
偏振分束器，其输出连接至第二耦合器的另一路输入；
其中，第三耦合器的两路输出分别经并联的第一光路和第二光路连接至偏振分束器的两路输入，所述第一光路采用不具有时延功能的第一光纤，所述第二光路采用具有时延功能的第二光纤。
优选地，第三耦合器、偏振分束器、第一光纤及第二光纤均为保偏器件，以使所述偏振分束器输出的脉冲光由偏振态相互垂直的脉冲组成。
优选地，所述第二光路中设有偏振控制器，以使所述偏振分束器输出的脉冲光由偏振态相互垂直的脉冲组成。
优选地，第二光纤的长度L与第一调制器调制的脉冲宽度t1的关系为：L＝t1*c/n，其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率。
优选地，第一调制器调制的脉冲宽度t1与第二调制器调制的脉冲宽度t2满足关系：t2＝2t1。
优选地，第二耦合器输出的脉冲光的两个脉冲的间距Δt与传感光纤中相邻弱光栅间距s满足关系：其中，c为光在真空中的速度，n为光纤的等效折射率。
在另一实施例中，提供一种消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，产生连续光；
步骤二，将所述连续光分为两路，将该两路光分别调制成第一脉冲光和第二脉冲光，第二脉冲光的脉冲宽度是第一脉冲光的两倍；
步骤三，将所述第一脉冲光分为脉冲宽度相同的第三脉冲光和第四脉冲光；
步骤四，对第三脉冲光进行时延处理，所述时延的长度等于步骤二中第一脉冲光的调制脉冲宽度；
步骤五，将进行时延处理后的第三脉冲光和第四脉冲光合成为首尾相接且偏振态相互垂直的第五脉冲光；
步骤六，将所述第五脉冲光与所述第二脉冲光合成一路具有时间间隔的双脉冲光；
步骤七，使所述双脉冲光经过光纤放大器补偿后，由环形器进入融合弱光栅阵列的传感光纤，光电探测器探测相邻光栅上的反射光相互干涉叠加的光信号，由采集卡将采集到的模拟信号数字化，并输出至处理器进行处理分析，获得扰动信息。
优选地，当分别用于调制第一脉冲光和第二脉冲光的调制器的附加频率相同时，使用功率解调来解调出扰动信息；当分别用于调制第一脉冲光和第二脉冲光的调制器的附加频率不同时，使用相位解调来解调出扰动信息。
优选地，该方法还包括：对第三脉冲光或第四脉冲光进行偏振控制，以使第五脉冲光由偏振态相互垂直的脉冲组成。
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)长脉冲光与偏振态相互垂直的组合脉冲光的两个偏振方向以任何角度发生干涉，可以完整解调出扰动的相位信息；
(2)前后脉冲峰上的干涉叠加的正弦包络幅度大小相等的情况下，即第二个脉冲光与第一个垂直叠加的双脉冲的夹角均为45度，相对于传统的分布式弱光栅阵列传感测量，前者任何区域无偏振衰落的产生，而后者只能保证部分区域干涉叠加效果好，但其它区域仍有偏振衰落产生。因此，采用长脉冲和偏振态互相垂直叠加组合脉冲光的双脉冲系统可以彻底解决偏振衰落问题。
附图说明
图1是传统光栅阵列测量振动装置图。
图2是在传统光栅阵列测量振动装置中，光栅阵列产生的脉冲反射信号。
图3是采用本发明方案消除偏振衰落的装置图。
图4是偏振态互相垂直叠加组合脉冲光示意图。
图5是采用本发明方案消除偏振衰落的装置中，光栅阵列产生的脉冲反射信号。
图6是采用长脉冲和偏振态互相垂直叠加组合脉冲光的双脉冲系统解调出的正弦信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
根据本发明提出的一种消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，包括以下器件：
激光器：选取窄线宽激光器，产生的连续光经耦合器输出至两个调制器模块。
耦合器：用于对输入光进行分束/耦合。
调制器：通过对激光器发出的连续光进行调制，产生具有特定周期和特定宽度的脉冲光。
偏振分束器：将由调制器调制后的脉冲光合成一组偏振态相互垂直的脉冲光。
光纤放大器：对各路脉冲光耦合后的光进行功率放大。
环形器：用于将经过功率放大后的脉冲光导入融合弱光栅阵列的传感光纤，并且将各个光栅上的干涉光传入到光电探测器。
融合弱光栅阵列的传感光纤：在各个光栅上两个脉冲的反射光进行叠加产生干涉，感测系统中的扰动事件。
时延光纤：将从耦合器出来的脉冲宽度相同的脉冲光在空间上进行错开。
光电探测器：用于将光信号转换为电信号输出至采集卡。
采集卡：用于将采集到的模拟信号数字化，并输出至处理器。
处理器：对采集到的数据进行分析处理，从而实现对融合弱光栅阵列的传感光纤沿线的扰动传感信息测量。
用激光器产生连续光，所述连续光经第一耦合器输出至第一调制器和第二调制器，分别调制成第一脉冲光和第二脉冲光，第二脉冲光的脉冲宽度是第一脉冲光的两倍；第一脉冲光由第三耦合器分为脉冲宽度相同的第三脉冲光和第四脉冲光，第三脉冲光通过一定长度的时延光纤后和第四脉冲光由偏振分束器合成为首尾相接且偏振态相互垂直的第五脉冲光；第五脉冲光与第二脉冲光经第二耦合器合成一路具有时间间隔的双脉冲光，经过光纤放大器补偿后，由环形器进入融合弱光栅阵列的传感光纤，光电探测器探测相邻光栅上的反射光相互干涉叠加的光信号，由采集卡将采集到的模拟信号数字化，并输出至处理器进行处理分析，获得传感光纤的扰动信息。
第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器的分光比可经选择，使第二耦合器输出的脉冲光的脉冲峰值功率相等。
假设由两个调制器调制的双脉冲的光场分布为E1和E2，两个脉冲光的角频率分别为ω1和ω2，Δω＝ω1-ω2，δφ为附加相位，两个初始相位差分别为Δφ1、Δφ2，设入射光的光强为I0，V表示光的可见度，j表示为一个函数符号，p1x表示第一个偏振光光强在x轴上的分量，p2x表示第二个偏振光光强在x轴上的分量，归一化后的琼斯矢量矩阵如下：
两个脉冲光E1和E2叠加后发生干涉，光信号为：
化简以上公式，得到两个脉冲光最后干涉公式为：
其中，上式中的C1，C2，Φ具体形式如下：
将上述C1，C2，和初始光强I0带入光的可见度公式中，得到两个脉冲光干涉后的可见度为：
1、当两偏振光波偏振态相同时，即：P1x＝P2x＝Px,Δφ1＝Δφ2，带入②式中得：
干涉光的可见度：
对上述②式作如下变换：
即：在任何情况下，两个光场干涉后的可见度最大值为1，所以当两偏振光波偏振态相同时，可见度V达到最好，有利于信号的检测。
2、当两偏振光波相互垂直时，有p1x＝1-p2x,Δφ1-Δφ2＝π，带入①式中得：
可见度V＝0，即，当两偏振光波相互垂直时，无法检测到有效信号。
3.采用本发明专利提出的偏振态互相垂直叠加组合脉冲光与另一路脉冲光干涉时，由一个调制器调制出的脉冲光产生两个偏振态相互垂直的偏振光E1′、E1″，假设所有入射偏振光的总光强均为I0，V1表示E1′与E2干涉叠加后光信号的可见度，V2表示E1″与E2干涉叠加后光信号的可见度，p1x表示偏振光光强在x轴上的分量，由另一个调制器调制的偏振光为E2，角频率为ω2，三个偏振光的初始相位差分别为Δφ1、Δφ1-π和Δφ2，p2x表示偏振光光强在x轴上的分量，归一化后的琼斯矢量如下：
E1′与E2干涉叠加后光信号为：
其中，上式中的C1，C2，Φ具体形式如下：
E1′与E2干涉光的可见度为：
令：
上述干涉光可见度又可表示为：
E1″与E2干涉叠加后光信号为：
其中，上式中的C1，C2，Φ具体形式如下：
E1″与E2干涉光的可见度为:
令：
上述干涉光可见度又可表示为：
综上两种情况，E1′与E2干涉光的可见度与E1″与E2干涉光的可见度的平方和为：
即：E1′与E2干涉光的可见度与E1″与E2干涉光的可见度的平方和为一个定值，当E1′与E2干涉光的可见度比较大(小)的时候，那么E1″与E2干涉光的可见度比较小(大)，或者E1′与E2干涉光的可见度与E1″与E2干涉光的可见度均为两个干涉光的可见度呈相反的变化趋势。综上所述，无论长脉冲光偏振方向如何变化，始终至少与偏振态互相垂直叠加组合脉冲光的某一个方向可以干涉叠加，所以可以得出：采用偏振态互相垂直叠加组合脉冲光与另一路脉冲光干涉的双脉冲技术可以彻底解决偏振衰落问题。
参看如图1所示的传统方案装置图，由激光器101发出连续激光经过分光比为50:50的耦合器102后一部分激光进入调制频率为200MHz的调制器103调制得到脉冲宽度为150ns的脉冲光，另一部分经过调制频率为40MHz的调制器104调制得到脉冲宽度为300ns的脉冲光，以上两个脉冲光间隔为500ns，由分光比为50:50的耦合器108耦合成一路脉冲光，然后使得到的非同频双脉冲通过环形器110进入光栅阵列113，使两个脉冲光在光栅间距为50米的相邻光栅上进行反射后干涉，如图2所示，光栅阵列产生的脉冲反射信号中，有一些脉冲峰上产生的干涉叠加信号好，它们的干涉叠加幅度很大，这样的情况下，可以正常解调出外界施加在此位置的扰动信号；但是，有一些脉冲峰上产生的干涉叠加信号不好，它们的干涉幅度却几乎为零，无法解调出外界施加在此位置的扰动信号。
这是因为在传统的分布式弱光栅阵列传感系统中，由于脉冲光经过的光路不同、外部环境的多变等多种因素，脉冲光的偏振态会发生变化，最理想的情况是两个脉冲光干涉时候偏振方向一致，但是也有可能两个方向相互垂直，在这种情况下信号解调是失败的，而采用本方案，以上情况将得到彻底解决，下面根据实验介绍进行详细说明：
采用如图3所示的实验装置，由激光器1发出连续激光经过分光比为50:50的耦合器2后，一部分光进入调制频率为200MHz的调制器3，调制得到脉冲宽度为150ns的脉冲光，另一部分光经过调制频率为40MHz的调制器4调制得到脉冲宽度为300ns的脉冲光，以上两个脉冲光间隔为500ns；将得到的脉冲宽度为150ns的脉冲光由分光比为50:50的耦合器5分成两路，一路进入长度为30米的时延光纤6，然后与另外一路150ns的脉冲光由90度偏振分束器7进行耦合，得到一个偏振方向相互垂直的叠加脉冲光，即图4中的脉冲光a，第一组偏振方向相互垂直的叠加脉冲光是由两个脉冲宽度相等、能量大小相等且无时延的短脉冲光组成，第二个长脉冲光的脉冲宽度跟第一组的组合脉冲宽度相等，即图4中的脉冲光b。
通过分光比为50:50的耦合器8后最终得到了如图4所示的双脉冲，脉冲光a与脉冲光b的时间间隔为500ns,将得到的偏振方向相互垂直的叠加脉冲光与宽度为300ns的脉冲光通过环形器10进入光栅阵列13，使两个脉冲光在光栅间距为50米的相邻光栅上进行反射后干涉。如图5所示，在近4600米的光栅阵列中，大部分脉冲峰上都有干涉叠加信号，有的位置是前面脉冲峰上的干涉叠加强度大于后面脉冲峰上的干涉叠加强度，有的位置是后面的脉冲峰上的干涉叠加强度大于前面脉冲峰上的干涉叠加强度，最特殊的是这三种情况：前面脉冲峰上的干涉叠加强度最大、后面脉冲峰上无干涉叠加，前面脉冲峰上没有干涉叠加、后面脉冲峰上干涉叠加强度最大，和前后脉冲峰上干涉叠加强度近似相等，但是无论是哪一种情况，光栅阵列产生的脉冲反射信号始终不可能出现前后脉冲峰上均无干涉叠加，所以施加在任何一个位置的扰动信号，都可以解调出来。
在光栅4100米附近的振动源施加的是频率为30Hz、电压为10V的正弦信号，对前后脉冲峰上的干涉强度一样情况运用IQ解调，最后都可以得到周期数为15的正弦信号，如图6，一共采集了0.5秒的信号，周期数为15，即外部施加扰动信号的频率为30Hz，与实验实际施加频率信息相符。
在实验中得到的光栅阵列产生的脉冲反射信号图中，总的可以归纳成两种情况：两个脉冲峰上的干涉叠加强度大小一样，和两个脉冲峰上干涉叠加强度大小不一样的情况。在实际应用中，扰动施加在光栅的位置是随机的，有可能施加扰动的位置刚好在两个脉冲峰上干涉叠加效果相等，也可能施加的位置在前后脉冲峰上干涉叠加效果不等的情况，因为至少一个脉冲峰上有干涉叠加信号，所以，施加在任何一个位置的信号都可以解调出来。首先取前一个脉冲峰上干涉叠加正弦信号的值，取后一个脉冲峰上干涉叠加正弦信号的幅度值，若有，则可以认为前一个脉冲峰上的干涉强度比后一个脉冲峰上的干涉强度好，即前一个脉冲峰上干涉叠加信号优于后一个脉冲峰上的干涉信号，否则认为后一个脉冲峰上的干涉叠加信号最好，最后利用干涉叠加信号好的脉冲峰进行信号的解调。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，包括激光器、第一耦合器和第二耦合器、第一调制器和第二调制器、光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器、采集卡及处理器，激光器的输出连接至第一耦合器的输入，第一耦合器的两路输出分别连接至第一调制器和第二调制器的输入，第二调制器的输出连接至第二耦合器的一路输入，第二耦合器的输出经光纤放大器连接至环形器，环形器分别连接至融合弱光栅阵列的传感光纤和光电探测器，光电探测器的输出连接至采集卡，且采集卡连接至处理器；
其特征在于，还包括
第三耦合器，其输入连接至第一调制器的输出；
偏振分束器，其输出连接至第二耦合器的另一路输入；
其中，第三耦合器的两路输出分别经并联的第一光路和第二光路连接至偏振分束器的两路输入，所述第一光路采用不具有时延功能的第一光纤，所述第二光路采用具有时延功能的第二光纤。
2.根据权利要求1所述的消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，第三耦合器、偏振分束器、第一光纤及第二光纤均为保偏器件，以使所述偏振分束器输出的脉冲光由偏振态相互垂直的脉冲组成。
3.根据权利要求1所述的消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，所述第二光路中设有偏振控制器，以使所述偏振分束器输出的脉冲光由偏振态相互垂直的脉冲组成。
4.根据权利要求1所述的消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，第二光纤的长度L与第一调制器调制的脉冲宽度t1的关系为：L＝t1*c/n，其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率。
5.根据权利要求1所述的消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，第一调制器调制的脉冲宽度t1与第二调制器调制的脉冲宽度t2满足关系：t2＝2t1。
6.根据权利要求1所述的消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，第二耦合器输出的脉冲光的两个脉冲的间距Δt与传感光纤中相邻弱光栅间距s满足关系：其中，c为光在真空中的速度，n为光纤的等效折射率。
7.一种消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，产生连续光；
步骤二，将所述连续光分为两路，将该两路光分别调制成第一脉冲光和第二脉冲光，第二脉冲光的脉冲宽度是第一脉冲光的两倍；
步骤三，将所述第一脉冲光分为脉冲宽度相同的第三脉冲光和第四脉冲光；
步骤四，对第三脉冲光进行时延处理，所述时延的长度等于步骤二中第一脉冲光的调制脉冲宽度；
步骤五，将进行时延处理后的第三脉冲光和第四脉冲光合成为首尾相接且偏振态相互垂直的第五脉冲光；
步骤六，将所述第五脉冲光与所述第二脉冲光合成一路具有时间间隔的双脉冲光；
步骤七，使所述双脉冲光经过光纤放大器补偿后，由环形器进入融合弱光栅阵列的传感光纤，光电探测器探测相邻光栅上的反射光相互干涉叠加的光信号，由采集卡将采集到的模拟信号数字化，并输出至处理器进行处理分析，获得扰动信息。
8.根据权利要求7所述的消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感方法，其特征在于，当分别用于调制第一脉冲光和第二脉冲光的调制器的附加频率相同时，使用功率解调来解调出扰动信息；当分别用于调制第一脉冲光和第二脉冲光的调制器的附加频率不同时，使用相位解调来解调出扰动信息。
9.根据权利要求7所述的消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感方法，其特征在于，还包括：对第三脉冲光或第四脉冲光进行偏振控制，以使第五脉冲光由偏振态相互垂直的脉冲组成。
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