CN110132330A - 一种基于cp-φotdr的双折射分布式测量系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CP‑ΦOTDR的双折射分布式测量系统，涉及光纤传感测量技术领域，包括：激光器模块、光信号调制模块、偏振控制模块、光环形器、待检测传感光纤、偏振信号检测模块和双折射解调模块；其中，激光器模块、光信号调制模块和偏振控制模块依次相连；光环形器的端口1与偏振控制模块连接，光环形器的端口2与待检测传感光纤连接，光环形器的端口3与偏振信号检测模块的输入端连接；偏振信号检测模块的输出端与双折射解调模块连接；偏振控制模块可以输出任一偏振态的偏振光信号。本发明还同时公开了一种基于CP‑ΦOTDR的双折射分布式测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感测量技术领域，尤其涉及一种基于CP-ΦOTDR的双折射分布式测量系统及其方法。
背景技术
双折射属于一种光纤属性的内部特征，该特征与因波导缺陷以及外部环境变化(如光纤被扭曲和弯曲、外部环境温度波动和磁场作用等)所引起的各向异性(anisotropy/aeolotropism)传播具有密切相关性；与此同时，双折射在一些光通信系统和其他光纤传感器中也发挥着不可或缺的作用。因此，分布式的双折射测量在提高光纤的制造工艺质量以及评估光纤环境条件变化等方向具有重要意义。
现有技术中获取双折射信息主要采用以下三种方法：
1、基于法拉第效应(Faraday effect)的方法：由于光纤内部的双折射会改变法拉第旋转角度，因此通过测量输出信号的偏振平面，就能够知道双折射的信息。目前通过测量不到一米长的光纤可以实现线性双折射10-7量级的双折射测量，但是该方法存在的问题是，实验中所使用的Wollaston棱镜需要和输出偏振光保持严格的45°角，另外，该方法不能实现对双折射的分布式测量；
2、萨格纳克(Sagnac)干涉仪法：由于不同双折射的光纤会具有不同的Sagnac效应强度传递函数，因此通过Sagnac干涉仪检测该参数的值就能得到光纤的双折射变化情况。该方法的缺陷在于难以达到公里长度级别的测量范围；
3、基于散射光的分布式测量系统：该系统分为两大类，分别是基于布里渊散射和基于瑞利散射的系统。基于布里渊散射的系统是通过检测两个正交的偏振光得到拍长信息；而基于瑞利散射的双折射测量系统特点在于应用了偏振敏感性光时域反射仪(polarization optical time-domain reflectometer，POTDR)，该类系统通过采用多次不同频率的脉冲输入并获取脉冲的两个正交偏振态数据，再将两次正交偏振态的结果做互相关运算，从而将光纤的折射率差以频率差的形式反映出来。然而，以上两种散射光系统都需要进行多次非同频率的脉冲输入，并且其结果获取的准确率对入射光的偏振态要求较高。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述现有分布式双折射测量系统中需要进行多次非同频率的脉冲输入以及测量结果精度对入射光偏振态和检测模块要求较高的问题，本发明提供一种基于啁啾脉冲相位敏感光时域反射仪(CP-ΦOTDR)的双折射分布式测量系统及其测量方法。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于CP-ΦOTDR的双折射分布式测量系统，包括：激光器模块、光信号调制模块、偏振控制模块、光环形器、待检测传感光纤、偏振信号检测模块和双折射解调模块；其中，激光器模块、光信号调制模块和偏振控制模块依次相连；光环形器的端口1与偏振控制模块连接，光环形器的端口2与待检测传感光纤连接，光环形器的端口3与偏振信号检测模块的输入端连接；偏振信号检测模块的输出端与双折射解调模块连接；偏振控制模块可以输出任一偏振态的偏振光信号。
进一步地，光信号调制模块中包括：任意波形发生器和电光调制器。
进一步地，光信号调制模块输出啁啾脉冲光信号。
进一步地，偏振信号检测模块中包括：90°光学混频器和偏振信号采集器。
第二方面，本发明提供一种基于CP-ΦOTDR的双折射分布式测量方法，包括以下步骤：
激光器模块向光信号调制模块发送光信号；
光信号调制模块将所述光信号调制为啁啾脉冲光信号，并发送至偏振控制模块；
偏振控制模块将啁啾脉冲光信号转化为任一偏振态的光信号，并发送至光环形器的端口1；
光环形器由端口2将任一偏振态的光信号发送至待检测传感光纤，并从待检测传感光纤接收偏振光信号的散射光信号；
光环形器由端口3将散射光信号发送至偏振信号检测模块；
偏振信号检测模块获取散射光信号的分布式双折射信息，并发送至双折射解调模块；
双折射解调模块对散射光信号的分布式双折射信息进行解调和输出。
进一步地，光信号调制模块将激光脉冲信号调制为啁啾脉冲光信号的过程，包括：
光信号调制模块中包括任意波形发生器和电光调制器；
任意波形发生器将激光脉冲信号的数字信号转化为电信号，电光调制器将电信号转化为啁啾脉冲光信号。
进一步地，偏振控制模块输出的偏振光信号为任一偏振态的偏振光。
进一步地，偏振信号检测模块获取散射光信号的分布式双折射信息的过程包括：
偏振信号检测模块中包括90°光学混频器和偏振信号采集器；
90°光学混频器检测散射光信号中的本振光和信号光，并分别输出本振光和信号光的偏振态信号，偏振信号采集器对偏振态信号进行采集和输出。
进一步地，双折射解调模块的解调过程，包括：
基于散射光信号的分布式双折射信息获取待检测传感光纤的后向瑞利散射光偏振态；
将后向瑞利散射光偏振态的数据按照采样顺序分为每三个一组，得到N组数据；其中，N为大于0的正整数；
基于N组数据中的第i组进行双折射求解；其中，i为小于等于N的正整数。
进一步地，对第i组进行双折射求解的过程，包括：
设定(3i-3)Δz到(3i-2)Δz段、(3i-2)Δz到(3i-1)Δz段和(3i-1)Δz到(3i)Δz段所对应的双折射分别为B3i-2、B3i-1和B3i；其中，Δz为相邻两个采样点之间的距离；
设定采样点之间距离Δz远小于拍长时，基于B3i-2、B3i-1和B3i三者相等，分别获取与起始点距离为(3i-2)Δz的采样点散射至起始点的后向瑞利散射光偏振态SBo (3i-2)，与起始点距离为(3i-1)Δz的采样点散射至起始点的后向瑞利散射光偏振态SBo (3i-1)，与起始点距离为(3i)Δz的采样点散射至起始点的后向瑞利散射光偏振态SBo (3i)；
基于散射光在光纤中的传播公式以及SBo (3i-2)、SBo (3i-1)、SBo (3i)三者的在邦加球上的角度关系，计算第i组数据的双折射信息。
采用上述方案后，本发明的有益效果如下：
1、本发明相较于基于Faraday效应的系统，该系统能够实现分布式的双折射测量；
2、本发明相较于采用Sagnac干涉仪的系统，在保证高分辨率的同时能够实现公里长度级别的测量范围。
3、本发明相较于其他基于散射光的系统，不需要扫频过程，因此不会对检测模块带来巨大的运算和能耗损失，并且只需单次输入任一偏振态的入射光至待测传感光纤，就能实现分布式的双折射测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例1提供的一种基于CP-ΦOTDR的测量系统的系统框图；
图2是本发明实施例1中的啁啾脉冲调制信号的时域-频域图；
图3是本发明实施例1提供的一种基于CP-ΦOTDR的测量方法流程图；
图4是本发明实施例1中的双折射解调过程原理图；
图5是本发明实施例2提供的另一种基于CP-ΦOTDR的测量系统的系统框图；
图6是本发明实施例3提供的又一种基于CP-ΦOTDR的测量系统的系统框图；
图中标记：1、激光器模块；2、光信号调制模块；2-1、任意波形发生器；2-2、电光调制器；3、偏振控制模块；4、光环形器；5、待测传感光纤；6、偏振信号检测模块；6-1、90°光学混频器；6-2、偏振信号采集器；7、双折射解调模块；8、耦合器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合附图和实施例对本发明实施例作详细说明。
实施例1
可以理解地，本发明实施例中的双折射分布式测量系统主要基于光时域反射仪(optical time-domain reflectometer，OTDR)实现，具体地，是基于啁啾脉冲相位敏感光时域反射仪(CP-ΦOTDR)实现的。
参见图1所示，本发明实施例1提供了一种基于CP-ΦOTDR的双折射分布式测量系统，包括：激光器模块1、光信号调制模块2、偏振控制模块3、光环形器4、待检测传感光纤5、偏振信号检测模块6和双折射解调模块7；其中，激光器模块1、光信号调制模块2和偏振控制模块3依次相连；光环形器4的端口1与偏振控制模块3连接，光环形器4的端口2与待检测传感光纤5连接，光环形器4的端口3与偏振信号检测模块6的输入端连接；偏振信号检测模块6的输出端与双折射解调模块7连接。
可以理解地，光信号调制模块2在接收激光器模块1发出的激光光源后，调制输出啁啾脉冲光信号。
参见图2所示，其示出了啁啾脉冲调制信号的时域-频域图像，其中，f代表频率，t代表时间，Δf是啁啾脉冲的频率。
偏振控制模块3将啁啾脉冲光信号转化为任一偏振光信号，并传输至光环形器4。
可以理解地，光环形器(optical circulator)也称光环行器，是一种多端口非互易光学器件，其具有光导向作用，其典型结构有N(N大于等于3)个端口，当光由其中任一个端口输入(一般是端口1)时，可以几乎无损失地按照数字顺序由下一个端口(端口2)输出，而其它端口(端口3)处几乎没有光输出；以此类推，当光由端口2输入时，也可以由端口3近乎无损失的输出，于此同时，端口1或其他端口上没有光输出。光环形器中具有分束/合束镜，其结构为双折射平行平板，可以将任意状态的输入光分解成两束偏振方向垂直的偏振分量光信号，从而方便后续基于偏振量进行数据处理。
可选地，本发明实施例中的光环形器类型可以是透射式或反射式的光环形器，此处不再赘述。
本发明实施例中，光环形器4主要用于将入射光信号发送至待检测传感光纤5中，并接收待检测传感光纤5返回的散射光信号，并将返回的散射光信号发送至后级处理设备偏振信号检测模块6中进行检测。
可以理解地，通过双折射解调模块7进行双折射率的解调运算，具体地，是基于相邻三个散射光的偏振态在邦加球上的分布进行运算。
由此可见，本发明实施例中的CP-ΦOTDR双折射分布式测量系统，能够在不牺牲信噪比的前提下实现较高的空间分辨率以及实现长距离的测量，结合能够将不同偏振信息分开检测的检测模块，便能实现较高分辨的分布式的双折射测量。
参见图3所示，其示出了本发明实施例1基于CP-ΦOTDR测量系统的测量方法流程图。其方法步骤包括：
S101、激光器模块1向光信号调制模块2发送光信号；
S102、光信号调制模块2将光信号调制为啁啾脉冲光信号，并发送至偏振控制模块3；
S103、偏振控制模块3将啁啾脉冲光信号转化为任一偏振态的偏振光信号，并发送至光环形器4的端口1；
S104、光环形器4由端口2将偏振光信号发送至待检测传感光纤5，并从待检测传感光纤5接收偏振光信号的散射光信号；
S105、光环形器4由端口3将散射光信号发送至偏振信号检测模块6；
S106、偏振信号检测模块6获取散射光信号的分布式双折射信息，并发送至双折射解调模块7；
S107、双折射解调模块7对散射光信号的分布式双折射信息进行解调和输出。
以下对于探测得到的光信号在待检测传感光纤5中的传输过程进行详细解释与说明。
若忽略光纤损耗以及圆双折射，那么光在光纤中的传输过程用斯托克斯矢量的表示方法如下式(1)所示：
其中；和分别表示入射光和经过距离为z的光纤的出射光的斯托克斯矢量，M(z)为该段光纤的穆勒矩阵，为该段光纤的双折射矢量，线性双折射的大小为
对公式(1)进行整合，可以得到如下公式(2)：
由于已经忽略损耗并且只存在线性双折射，由式(2)进一步可以得到式(3)：
因此对于光纤的散射过程可以用散射光的双折射矢量表示为而由于光纤的传输特性，散射光的斯托克斯矢量同样可以写为此处RS对应散射过程的方向转变，所以把散射光的旋转矢量继续化解得到以下公式(4)(此处为了表示方便，将记为)。
综上所述，经过同一段光纤z的散射光的斯托克斯矢量可以由该光纤的双折射矢量表示，详见如下公式(5)：
公式(5)说明了，光经过光纤的散射光的斯托克斯矢量可以看作是入射光的斯托克斯矢量绕着一个特定的旋转轴旋转过2倍线性双折射的角度之后的结果，因此，当知道任意相邻三个散射光的斯托克斯矢量便能得到双折射的大小。
当光信号被调制如图2所示的啁啾脉冲光信号之后传入光纤，产生的散射光经过光信号检测系统可以得到散射光的两个正交偏振态的强度信息，通过希尔伯特变换得到其相位信息，再利用如下的公式(6)便能得到散射光的斯托克斯矢量。
进一步地，本发明实施例中双折射解调模块的解调方法为：在只存在线性双折射的光纤中，通过输入偏振控制模块打入一个任意偏振态的脉冲光信号，并在脉冲输入端记录下光纤上各个点的后向瑞利散射光的偏振态；
参见图4所示双折射解调过程原理图，在本发明实施例中，依次将记录的后向瑞利散射光的偏振态数据按照采样顺序每三个分为一组，共分为N组数据；其中，N为大于0的正整数。
对N组数据中第i组数据进行双折射求解，其中，i为小于等于N的正整数。设定(3i-3)Δz到(3i-2)Δz段、(3i-2)Δz到(3i-1)Δz段和(3i-1)Δz到(3i)Δz段所对应的双折射数据分别为B3i-2、B3i-1和B3i；其中，Δz为相邻两个采样点之间的距离。此处设定相邻两个采样点距离远远小于光纤拍长，这种情况下可以认为光纤相邻两段的偏振主轴几乎不变，则有B3i-2＝B3i-1＝B3i＝BX(i)，其中BX(i)为第i组数据的双折射。
此处用SB0 (3i-2)表示与起始点0距离(3i-2)Δz的点散射回起始点的后向瑞利散射光偏振态、SB0 (3i-1)表示与起始点0距离(3i-1)Δz的点散射回起始点的后向瑞利散射光偏振态、SB0 (3i)表示与起始点0距离(3i)Δz的点散射回起始点的后向瑞利散射光偏振态，即可以得到任意相邻三个散射光的斯托克斯矢量的分布情况。
利用散射光传播的关系说明SB0 (3i-2)、SB0 (3i-1)以及SB0 (3i)三者在邦加球上旋转过的角度等于2BX(i)，利用如下公式(7)通过计算夹角的大小便能实现分布式的双折射测量。
由此可见，本发明实施例与现有技术相比，具有以下优越性：相较于基于Faraday效应的测量系统，该方法能够实现双折射信息的分布式测量，拓展了应用场景；相较于采用Sagnac干涉仪的系统，本发明在保证高分辨率的同时能够实现公里长度级别的测量范围，毫无疑问地，这样可以提高测量效率；相较于其他基于散射的双折射测量系统，本发明实施例方案通过引入啁啾脉冲进行测量，能够在提高空间分辨的同时不牺牲信噪比，并且只需要单次脉冲和任意偏振态就完成测量过程，提高了测量效率。
实施例2
如图5所示，本发明的实施例2提供的一种基于CP-ΦOTDR双折射分布式测量系统。在本发明实施例2中，信号调制模块2中包括任意波形发生器2-1和电光调制器2-2，并且在激光器模块1的后级输出连接耦合器8，耦合器8可以将原始激光信号分为两个分路输出。其中，分路输出1与电光调制器2-1连接，分路输出2与偏振信号检测模块6连接，任意波形发生器2-1与电光调制器2-2连接，电光调制器2-2的输出端与偏振控制模块3连接，偏振控制模块3的输出端与光环形器4的1端口连接，光环形器4的2端口与待测传感光纤5连接，光环形器4的3端口与偏振信号检测模块6连接。
可以理解地，在本发明实施例2中，使用任意波形发生器2-1对预先写入的啁啾波形进行处理，将啁啾脉冲的数字信号转换成电信号，然后通过电光调制器2-2产生啁啾脉冲光信号，产生的信号被光环形器4导入待测传感光纤5中。偏振信号检测模块6通过分别接收耦合器输出两个分路的本振信号和偏振信号强度信息，再利用双折射解调模块7进行解调，基于拍频数据得到双折射分布的计算结果。
本发明实施例的方案可以基于任意波形发生器和电光调制器产生预定频率的啁啾脉冲，并利用激光器提供的本振信号实现相干检测，提高信号测试的信噪比。
实施例3
如图6所示，本发明实施例3提供的一种基于CP-ΦOTDR双折射分布式测量系统。
该实施例与实施例2之间的区别在于：偏振信号检测模块6中包括90°光学混频器6-1和光信号采集器6-2，具体的检测信号是本振光和信号光同时进入90°光学混频器6-1中，继而使光信号采集器6-2采集输出拍频信号的两个偏振态的强度信号，接着经过双折射解调模块7进行希尔伯特变化得到光信号的相位信息，进而解调得到分布式的双折射信息；另外在耦合器8端口另设置了一个偏振控制模块3，进一步提高测量信号的信噪比。
由此可见，本实施例3中通过90°光学混频器6-1和光信号采集器6-2能够实现将两个偏振态信号分开检测，通过双折射解调模块7进行希尔伯特变化得到强度和相位信息，进而得到分布式的双折射信息，此外，该实施例同样通过在本振端引入了偏振控制模块得到较高信噪比。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上实施例，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于CP-ΦOTDR的双折射分布式测量系统，其特征在于，包括：激光器模块(1)、光信号调制模块(2)、偏振控制模块(3)、光环形器(4)、待检测传感光纤(5)、偏振信号检测模块(6)和双折射解调模块(7)；其中，激光器模块(1)、光信号调制模块(2)和偏振控制模块(3)依次相连；光环形器(4)的端口1与偏振控制模块(3)连接，光环形器(4)的端口2与待检测传感光纤(5)连接，光环形器(4)的端口3与偏振信号检测模块(6)的输入端连接；偏振信号检测模块(6)的输出端与双折射解调模块(7)连接；偏振控制模块(3)可以输出任一偏振态的偏振光信号。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光信号调制模块(2)中包括：
任意波形发生器和电光调制器。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光信号调制模块(2)输出啁啾脉冲光信号。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述偏振信号检测模块(6)中包括：
90°光学混频器和偏振信号采集器。
5.一种基于CP-ΦOTDR的双折射分布式测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
激光器模块(1)向光信号调制模块(2)发送光信号；
光信号调制模块(2)将所述光信号调制为啁啾脉冲光信号，并发送至偏振控制模块(3)；
偏振控制模块(3)将所述啁啾脉冲光信号转化为任一偏振态的光信号，并发送至光环形器(4)的端口1；
光环形器(4)由端口2将所述任一偏振态的光信号发送至待检测传感光纤(5)，并从待检测传感光纤(5)接收所述任一偏振态的光信号的散射光信号；
光环形器(4)由端口3将所述散射光信号发送至偏振信号检测模块(6)；
偏振信号检测模块(6)获取所述含有分布式双折射信息的散射光信号，并发送至双折射解调模块(7)；
双折射解调模块(7)对所述散射光信号的分布式双折射信息进行解调和输出。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述光信号调制模块(2)将激光脉冲信号调制为啁啾脉冲光信号的过程，包括：
所述光信号调制模块(2)中包括任意波形发生器和电光调制器；
所述任意波形发生器将激光脉冲信号的数字信号转化为电信号，所述电光调制器将所述电信号转化为啁啾脉冲光信号。
7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述偏振控制模块(3)输出的偏振光信号可以为任一偏振态的偏振光。
8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述偏振信号检测模块(6)获取散射光信号的分布式双折射信息的过程包括：
所述偏振信号检测模块(6)包括90°光学混频器和偏振信号采集器；
所述90°光学混频器检测所述散射光信号中的本振光和信号光的拍频信号，并分别输出所述拍频信号的两个正交偏振态的光信号，所述偏振信号采集器对所述偏振态信号进行采集和输出。
9.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述双折射解调模块(7)的解调过程，包括：
基于所述散射光信号的分布式双折射信息获取所述待检测传感光纤(5)的后向瑞利散射光偏振态；
将所述后向瑞利散射光偏振态的数据按照采样顺序分为每三个一组，得到N组数据；其中，N为大于0的正整数；
基于N组数据中的第i组进行双折射求解；其中，i为小于等于N的正整数。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述对第i组进行双折射求解的过程，包括：
设定(3i-3)Δz到(3i-2)Δz段、(3i-2)Δz到(3i-1)Δz段和(3i-1)Δz到(3i)Δz段所对应的双折射分别为B3i-2、B3i-1和B3i；其中，Δz为相邻两个采样点之间的距离；
设定采样点之间距离Δz远小于拍长时，基于B3i-2、B3i-1和B3i三者相等，分别获取与起始点距离为(3i-2)Δz的采样点散射至起始点的后向瑞利散射光偏振态SBo (3i-2)，与起始点距离为(3i-1)Δz的采样点散射至起始点的后向瑞利散射光偏振态SBo (3i-1)，与起始点距离为(3i)Δz的采样点散射至起始点的后向瑞利散射光偏振态SBo (3i)；
基于散射光在光纤中的传播公式以及SBo (3i-2)、SBo (3i-1)、SBo (3i)三者的在邦加球上的角度关系，计算第i组数据的双折射信息。
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