CN110768714B - 基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，包括：光源、相位调制器、脉冲调制器、环形器、传感光纤、全偏振态检测装置、光电探测器、信号采集卡以及处理器，相位调制器的输出端口通过光纤与脉冲调制器的输入端口相连，所述相位调制器用于使相位调制器输出光的偏振态在邦加球上看相互垂直；所述全偏振态检测装置通过光纤与光电探测器相连，所述全偏振态检测装置用于实现三个相互垂直的偏振态的检测。本发明使用双偏振态时分复用全偏振态检测，从而在不考虑消偏振的情况下，完全消除传统POTDR信号衰落的现象，达到提高系统定位与事件识别稳定性的效果。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪。
背景技术
受限于偏振态的固有性质，在光纤偏振传感中，可以划分为位于传感点的偏振不敏感（外界扰动导致的光偏振态变化很小）与位于探测端（光探）的偏振不敏感（在邦加球上看偏振态的变化轨迹与检偏器垂直）。如中国发明专利公开号为CN107328462A的专利中提出了采用双偏振态检偏器对两个不同偏振角度的分量进行分别检偏，从而在不显著提高光纤传感系统成本的前提下，一定程度上缓解单一角度检偏的探测端不敏感问题。
但是上述方案存在问题：1.由于未能对光信号的输入偏振态和探测端偏振态敏感性进行充分分析，45度夹角的双偏振态检偏只能缓解或者改善探测端的检偏不敏感问题，在某些传感点上偏振态（State Of Polarization，SOP）的变化方向和两个检偏器同时垂直，从而在这两个检偏器上都观察不到检偏后光强的微弱变化；2.单一偏振态光信号输入中，由于光信号的偏振敏感性随偏振光信号相位变化的而变化，在传感光纤上仍然存在某些传感点处于不敏感区域，仍然存在传感点不敏感问题。
中国发明专利公开号为CN106767961B的专利中提出采用“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偏振光时域反射仪（Polarization Optical Time-Domain Reflectometer, POTDR）系统中”从而“有效减少了测量结果中大量对扰动不敏感的位置”。虽然不同波长的光波经过保偏光纤可以在保偏光纤的出射端得到转动轴向不同的偏振态，但这些光波在用于传感的单模光纤的传输过程中不能保持偏振态的相互关系，进而不能保持其最终灵敏度的互补性，无法完全消除不敏感位置，该专利的探测端采用每个波长光波设置一个单偏振态检偏器（N个不同方向）检偏更不能解决某些传感点上偏振态（SOP）的变化方向和两个检偏器同时垂直的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，使用双偏振态时分复用全偏振态检测，从而在不考虑消偏振的情况下，完全消除传统POTDR信号衰落的现象，达到提高系统定位与事件识别稳定性的效果。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，包括：光源、相位调制器、脉冲调制器、环形器、传感光纤、全偏振态检测装置、光电探测器、信号采集卡以及处理器，其中：
所述光源的输出端口通过保偏光纤与相位调制器的输入端口相连，在所述保偏光纤上存在一个45度熔接点，所述光源输出直流光信号；
所述相位调制器的输出端口通过光纤与脉冲调制器的输入端口相连，所述相位调制器用于使相位调制器输出光的偏振态在邦加球上看相互垂直；
所述脉冲调制器的输出端口通过光纤与环形器的第一端口相连；所述脉冲调制器用于将直流光信号调制为窄脉冲光信号；
所述环形器的第二端口与传感光纤相连；所述环形器的第三端口通过光纤与全偏振态检测装置相连；所述传感光纤中的背向瑞利散射信号通过环形器的第二端口输入并从第三端口输出；
所述全偏振态检测装置通过光纤与光电探测器相连，所述全偏振态检测装置用于实现三个相互垂直的偏振态的检测；
所述光电探测器与信号采集卡相连，所述光电探测器用于获得所述全偏振态检测装置输出光信号的光强；
所述信号采集卡与处理器相连，所述信号采集卡用于将光电探测器检测到的光强模拟电信号转化为数字信号，然后传输给所述处理器进行处理；
所述处理器与所述相位调制器的相位调制端口相连，用于通过发出相位调整指令到相位调制器，使所述相位调制器输出光的偏振态在邦加球上看相互垂直；所述处理器还与所述脉冲调制器相连，用于控制所述脉冲调制器的脉冲调制周期和脉宽；所述处理器还用于根据所述光电探测器所获得的光强判断是否发生扰动。
本发明的一个实施例中，在所述脉冲调制器的输出端口与环形器的第一端口之间还设置有一个放大器，所述脉冲调制器的输出端口通过光纤与所述放大器的输入端口相连，所述放大器的输出端口通过光纤与所述环形器的第一端口相连。
本发明的一个实施例中，通过给相位调制器周期性输入V1=0V，V2=Vπ/2，从而保证相位调制器输出光的偏振态在邦加球上看相互垂直，其中Vπ/2为四分之一波长电压，可以调制慢轴光相位偏移90°。
本发明的一个实施例中，所述光源与相位调制器之间为保偏光纤，所述传感光纤为单模光纤。
本发明的一个实施例中，所述全偏振态检测装置为全偏振态检测器。
本发明的一个实施例中，所述45度熔接点的实现方式为，以两条相互串联的保偏光纤连接，两条相互串联的保偏光纤连接时以偏振坐标轴对准后旋转，使得两条保偏光纤的慢轴偏转45度。
本发明的一个实施例中，所述45度熔接点通过45度保偏光纤跳线实现。
本发明的一个实施例中，所述光源输出保偏的直流线偏振光。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述偏振光时域反射仪的检测方法，包括：所述偏振光时域反射仪的检测由上升沿触发，当外部触发信号上升沿到达时，所述处理器指令所述相位调制器实现相互垂直偏振态的转换，推迟一段时间等待SOP转换完成或者同时，所述处理器指令所述脉冲调制器工作输出窄脉冲光信号，同时信号采集卡开始采集信号将光电探测器检测到的光强模拟电信号转化为数字信号，然后传输给所述处理器进行处理；其中，所述相位调制器的相位调制周期为外部触发信号的二倍，相位调制器的任一相位保持时长为外部触发信号的一个周期，所述脉冲调制器的工作周期与所述外部触发信号相同。
本发明的一个实施例中，所述处理器将采集到的各路输出信号，通过差分操作得到各路差分POTDR曲线，然后将各路差分POTDR曲线进行相加取平均得到最终差分POTDR曲线，通过阈值判决判断是否有扰动发生以及发生的位置，或者在原始信号上进行傅里叶变换，分析扰动的频率信息。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
（1）本发明传感系统使用双偏振态时分复用全偏振态检测，从而在不考虑消偏振的情况下，完全消除传统POTDR信号衰落的现象，达到提高系统定位与事件识别稳定性的效果；
（2）本发明传感系统采用光时域反射仪技术，通过检测脉冲信号光背向瑞利散射光的时间信息，根据时间和光信号的传播速度，可以计算出位置信息，实现分布式测量，相较于单点式传感器，具有极大的优势；
（3）本发明传感系统通过在环形器前端添加光放大器，用以补偿光路衰减，可以有效延长传感距离；
（4）本发明传感系统信号调制与解调在同一侧实现，不需要在传感光纤远端放置额外的设备，使用方便；
（5）本发明传感系统，使用单模光纤作为传感器，具有无源、耐腐蚀、耐高温、抗电磁干扰、尺寸小、质量轻等优点，可用于无电，高腐蚀，电磁环境复杂等恶劣环境；
（6）本发明传感系统在理论上使用更为贴合实际的物理模型对偏振信号衰落进行描述，使得仿真结果更加贴合实际，提供了对POTDR系统偏振信号衰落现象更为精确的解读，提出了POTDR系统中抑制偏振信号衰落现象更为合理的解决方法。
附图说明
图1是光纤中的散射光谱示意图；
图2是1980年Rogers提出的POTDR系统的结构示意图；
图3是一个脉冲周期的POTDR曲线示意图，其中图3（1）为扰动前曲线，图3（2）为扰动后曲线，图3（3）为对2400m位置光纤进行扰动得到的差分曲线；
图4（1）为传统POTDR系统的差分曲线；
图4（2）为专利CN106767961B中方案偏振信号衰落抑制后的曲线；
图5为外界扰动所引起的SOP旋转所在的圆非常小的示意图；
图6为SOP旋转所在的圆与检偏器垂直的示意图，图6（1）为该情况下的原始图，图6（2）为该情况下的主视图；
图7为SOP旋转所在的圆与检偏器平行，但旋转方向与检偏器垂直的示意图；图7（1）为该情况下的原始图，图7（2）为该情况下的主视图；
图8为传统的基于单偏振态输入单检偏器检测的POTDR偏振信号衰落现象示意图；
图9为本发明所设计的双偏振态时分复用全偏振态检测系统的偏振信号衰落抑制效果示意图；
图10为本发明实施例中一种基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪的结构示意图；
图11为本发明实施例中另一种基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪的结构示意图；
图12为本发明实施例所提供的基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪的系统运行时序图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
传统偏振光时域反射仪的工作原理
分布式光纤传感自从光时域反射（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）技术提出以来得到了长足的发展。当入射光波在光纤中向前传输时，由于光纤材料自身的密度不均匀导致的折射率不均匀以及光纤中原子、分子、离子的热运动等其他性质会产生与传播方向相反的背向散射信号，如图1所示，主要包括瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射。根据散射光的传播时间和距离之间的关系进行定位是基于OTDR技术的分布式光纤传感最基本的定位原理。
偏振光时域反射仪就是通过检测背向瑞利散射光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的思想，其系统结构图如图2所示。激光器发出的光受脉冲调制器调制后变为脉冲光，经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SOP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SOP的变化，便可以得到光纤受扰动的信息。
偏振光时域反射仪偏振信号衰落现象及对现象的重新定义
偏振光时域反射仪中偏振信号衰落现象
一个脉冲周期的POTDR曲线如图3所示，图3（1）为扰动前曲线，图3（2）为扰动后曲线，通过对相邻时刻的POTDR曲线做差分得到图3（3）差分POTDR曲线，然后通过简单的阈值判决便可以得到扰动事件是否发生以及发生的位置。可以明显看到在2400附近有扰动发生。但是扰动点之后的信号存在明显的波动，有的地方甚至接近0，这通常被称为POTDR系统的偏振信号衰落现象。
为了抑制偏振信号衰落，专利CN106767961B通过多波长激光器和保偏光纤实现多SOP输入，在接收端使用波分解复用器，将每个波长光的SOP用不同方向的检偏器分别进行检测。图4（1）为传统POTDR系统的差分曲线，图4（2）为专利CN106767961B中方案偏振信号衰落抑制后的曲线。我们发现仍然存在一些偏振衰落点。主要有如下两点原因，（1）虽然使用多波长激光器和保偏光纤在输入端产生了多SOP，但是由于不同波长的光在光纤中对应的折射率系数不同，在传输的过程中不同波长光SOP的相对状态不能得到保持。因此专利中所述“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”，随着偏振光信号在光纤中传输，其“互补性”并不能严格成立。（2）在检测端，每个波长信号光的SOP只用了一个检偏器进行检测，因此每个波长对应的POTDR差分信号存在和原始POTDR系统中一样的信号衰落现象。因此该方案不能完全消除POTDR系统中的信号衰落。
偏振信号衰落现象的重新定义
已有定义：POTDR系统偏振信号衰落现象通常描述为，差分POTDR曲线扰动点之后沿着光纤不同位置的信号存在起伏，且信号接近零的位置称为衰落点。
但是扰动点信号光SOP经历了前传和背向散射两次相同且相邻的扰动，光纤的双折射主轴保持一致，可以认为SOP产生了相比于一次扰动两倍强度的扰动效果，相当于仅经历了一次扰动。而扰动点之后的点，经历了前后两次相同但不相邻的扰动，由于这两次扰动不相邻，因此两次扰动所致SOP的变化的总体效果可能增强也可能减弱。如果效果为减弱，这在差分POTDR曲线上看为信号衰落点。但实际上对此点进行扰动，很可能观察到信号。
因此，我们认为描述POTDR系统中偏振信号衰落现象已有的定义存在缺陷，现对其重新定义，如下：对POTDR系统进行扰动，仅考虑扰动点响应情况，对传感光纤不同位置施加相同的扰动，扰动点SOP变化信号如果存在强弱起伏，且存在接近0的情况，则认为此POTDR系统存在偏振信号衰落现象。
仿真分析-偏振光时域反射仪中偏振信号衰落的原因
光纤的波片模型
一般用波片模型对整个系统进行仿真。
众所周知，光的SOP描述可以利用四维斯托克斯矢量完整表述。那么知道输入光和输出光的斯托克斯矢量，光纤则可以看成一个黑盒子系统，必然有一个可以完整描述其偏振性质的系统响应函数，如公式：
由于
和
为4×1矩阵，那么Ｍ为4×4矩阵，M称为米勒矩阵。如果把一个复杂的光纤链路看成N个波片级联的结果，每个波片的传输矩阵为M i （i=1，2，…，N），那么系统的总的输入输出关系满足：
每个波片的传输矩阵可由下式表示，
其中，下标i表示第i个波片，
为相应波片快轴和x轴之间的夹角，
为相应波片相移，
为相应波片的插入损耗。
对于POTDR系统我们要考虑波片的背向米勒矩阵
，背向米勒矩阵
和前向米勒矩阵M的关系为：
其中，R=diag（1，1，1，-1）。考虑瑞利散射系数之后，i个级联的波片的背向米勒矩阵为：
其中，r为第n个波片的瑞利散射系数。
如果不考虑POTDR的时域消偏振效应，那么传感光纤第i个波片的信号光SOP可以表示为：
仿真结果-偏振信号衰落原因分析
在进行仿真之前，我们对外界的扰动进行分析，假设外界扰动为微扰动（因为只有微扰动情况下考虑信号衰落才有意义）主要引起纵向应变。那么被扰动光纤波片的双折射轴
则保持不变，而快慢轴光的相位差
随扰动强度线性变化。
光偏振态可以用四维斯托克斯矢量表示S=[S 0 ,S 1 ,S 2 ,S 3]，其中S 0 为总光强，S1，S2，S3为邦加球上的三个坐标系，具体数学表达见表1。假设检偏器沿邦加球S 1轴放置，那么检偏器出射光强为
。
表1 Stokes矢量各个参数的定义
仿真参数如表2所示。仿真的光纤长度为200m。单个波片的长度为1m，光脉冲宽度为100ns。光脉冲重复频率为100Hz，也就是对外界扰动信号的采样率为100Hz。波片快轴和坐标系x轴的夹角在[0,2π]范围内随机分布。快慢轴光的相位差以0degree为均值，0.4515为标准差的高斯分布。输入光SOP为
。外界扰动持续时间为1s，扰动频率为5Hz，扰动所引起的最大相移为10degree。
表2仿真参数
特别说明，为了便于观察仿真结果，这里不考虑POTDR系统的时域消偏振效应。因所使用的传感光纤距离较短，光纤损耗很小，仿真过程没有考虑光纤的损耗。
光纤的双折射及光波在光纤中传输时SOP的变化可以用邦加球表示。光纤中传输的完全偏振光的SOP可表示为邦加球表面上的一点，光纤的双折射对SOP的影响表示为邦加球表面上的SOP绕邦加球的一个轴旋转一定的角度。经过仿真分析，在邦加球的帮助下，我们发现主要有三种引起信号衰落的原因，如图5~7所示，（1）在图5中，外界扰动所引起的SOP旋转所在的圆非常小，这可以理解为外界扰动几乎没有引起SOP的变化。（2）在图6中，SOP旋转所在的圆与检偏器垂直，图6（1）为该情况下的原始图，图6（2）为该情况下的主视图。（3）在图7中，虽然SOP旋转所在的圆与检偏器平行，但是旋转方向与检偏器垂直，图7（1）为该情况下的原始图，图7（2）为该情况下的主视图。这时虽然有较大的扰动，经过检偏器后得到的光功率变化将很小。对于传统的POTDR传感方法，由于上述因素，在光纤上很多位置对外界扰动的响应不灵敏，扰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，这将导致误报或者扰动的位置信息后移，是POTDR传感系统中一个需要解决的难题。
基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪设计
为了抑制POTDR系统中的偏振信号衰落现象，我们从产生偏振信号衰落的原因入手。
（1）外界扰动所引起的偏振态旋转所在的圆非常小
由于外界微扰动（不改变双折射主轴方向仅改变双折射大小）引起的SOP变化轨迹在邦加球上看，是绕双折射主轴的旋转的圆弧。因此对第一种衰落原因，可以通过在信号发射端时分复用输入具有两个SOP相互垂直的脉冲光来解决。当一路信号光扰动点SOP旋转轨迹所在的圆很小时，另外一路信号光在扰动点的SOP旋转轨迹所在的圆必定不会很小。
（2）偏振态旋转所在的圆与检偏器垂直
针对这个原因，可以采用两个检偏器在琼斯域（实际的物理空间）成45°放置，那么在斯托克斯空间（邦加球）看两个检偏器相互垂直。这样当一个检偏器与SOP旋转所在的圆垂直，另外一个检偏器与此圆必定平行。
（3）虽然偏振态旋转所在的圆与检偏器平行，但是旋转方向与检偏器垂直
针对这个情况，我们可以在措施（1）和（2）的基础上，在接收端再增加一个检偏器，最终形成双偏振态时分复用全偏振态检测的系统方案。当情况（3）发生时，扰动点的SOP旋转方向必定与新加入的检偏器平行，可以探测到SOP的变化。
根据波片模型对所设计的系统进行仿真，可以得到如图8和图9的仿真结果。图8为传统的基于单偏振态输入单检偏器检测的POTDR偏振信号衰落现象（通过对沿光纤每点分别施加扰动获取扰动点响应曲线得到）。图9为本发明所设计的双偏振态时分复用全偏振态检测系统的偏振信号衰落抑制效果，可以看到衰落点得到了完全的抑制。
基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪的实现
系统实现
如图10所示，本发明提出了一种基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，包括：光源、相位调制器、脉冲调制器、环形器、传感光纤、全偏振态检测装置、光电探测器、信号采集卡以及处理器，其中：
所述光源的输出端口通过保偏光纤与相位调制器的输入端口相连，在所述保偏光纤上存在一个45度熔接点，所述光源输出直流光信号；
所述相位调制器的输出端口通过光纤与脉冲调制器的输入端口相连，所述相位调制器用于使相位调制器输出光的偏振态在邦加球上看相互垂直；
所述脉冲调制器的输出端口通过光纤与环形器的第一端口相连；所述脉冲调制器用于将直流光信号调制为窄脉冲光信号；
所述环形器的第二端口与传感光纤相连；所述环形器的第三端口通过光纤与全偏振态检测装置相连；所述传感光纤中的背向瑞利散射信号通过环形器的第二端口输入并从第三端口输出；
所述全偏振态检测装置通过光纤与光电探测器相连，所述全偏振态检测装置用于实现三个相互垂直的偏振态的检测；
所述光电探测器与信号采集卡相连，所述光电探测器用于获得所述全偏振态检测装置输出光信号的光强；
所述信号采集卡与处理器相连，所述信号采集卡用于将光电探测器检测到的光强模拟电信号转化为数字信号，然后传输给所述处理器进行处理；
所述处理器与所述相位调制器的相位调制端口相连，用于通过发出相位调整指令到相位调制器，使所述相位调制器输出光的偏振态在邦加球上看相互垂直；所述处理器还与所述脉冲调制器相连，用于控制所述脉冲调制器的脉冲调制周期和脉宽；所述处理器还用于根据所述光电探测器所获得的光强判断是否发生扰动。
具体地，所述光源输出保偏的直流线偏振光。一般地，POTDR不用窄线宽光源，甚至窄线宽光源还有一定的坏处，会导致明显的干涉效应。此处的光源一定要线偏振光，且保偏输出。如果不是线偏振光则后面45度熔接不能保证快慢轴光功率相等。
所述光源与相位调制器之间为保偏光纤，所述传感光纤必须为单模光纤。系统其他位置光纤为普通单模光纤，当然也可以是保偏光纤。需要说明的是，传感光纤必须为单模光纤不能用保偏光纤，因为保偏光纤为高双折射光纤，存在时域消偏振效应，会劣化偏振敏感度。
激光器发出的光为直流线偏振光。通过将保偏光纤慢轴45°对准熔接，主要目的使得快轴和慢轴上的分量光强相等，使线偏振光光功率等功率地分配到快轴和慢轴进行传输。一般地，所述45度熔接点的实现方式为，以两条相互串联的保偏光纤连接，两条相互串联的保偏光纤连接时以偏振坐标轴对准后旋转，使得两条保偏光纤的慢轴偏转45度。当然，也可以通过45度保偏光纤跳线实现。
通过给相位调制器输入V1=0V，V2=Vπ/2，可以保证相位调制器输出光的偏振态在邦加球上看相互垂直，Vπ/2为四分之一波长电压，可以调制慢轴光相位偏移90°。这里对输出的偏振态进行说明，只要保证两个偏振态相互垂直，不一定是图10所示的[1,1,0,0]和[1,0,1,0]。
脉冲调制器将直流光信号调制为窄脉冲光信号。之后脉冲光经由环形器注入传感光纤。在脉冲光沿传感光纤传输的过程中，不断产生携带外界扰动信息的背向瑞利散射信号。经由环形器传输至全偏振态检测器，进行SOP的测量，将携带外界扰动信息SOP的变化转化为光强的变化，进一步由光电探测器转化为电信号。最终经信号处理，解调出扰动信息。
对于脉冲光信号的脉宽的选择也有一定的要求。时域消偏振效应为脉冲覆盖区域，光纤中不同位置点的光在同一时刻到达检偏器，形成的累加效应，而参与累加的光偏振态可能不同，从而导致时域消偏振。使得偏振度（Degree Of Polarization, DOP）下降。脉冲宽度越窄参与累加的光就越少，因此脉宽越窄，时域消偏振效应越弱。这是针对整条传感光纤来说的。但是光纤在实际应用过程中，可能会形成一些高双折射点（主要是大的应力，弯曲，扭转导致），在这些点即使再窄的脉冲也无能为力。
一般地，从总体上来说，普通单模光纤的拍长大概是30m，采用10ns的脉冲宽度，所覆盖的光纤长度为2m，在整体上看可以消除因本征双折射引起的时域消偏振效应。本征双折射为生产过程所引入的双折射。
进一步地，如图11所示，还可以在所述脉冲调制器的输出端口与环形器的第一端口之间还设置有一个放大器，所述脉冲调制器的输出端口通过光纤与所述放大器的输入端口相连，所述放大器的输出端口通过光纤与所述环形器的第一端口相连。放大器用来将光信号放大，以延长传感距离。
信号采集与处理
所述偏振光时域反射仪的检测由上升沿触发，当外部触发信号上升沿到达时，所述处理器指令所述相位调制器实现相互垂直偏振态的转换，推迟一段时间等待SOP转换完成或者同时，所述处理器指令所述脉冲调制器工作输出窄脉冲光信号，同时信号采集卡开始采集信号将光电探测器检测到的光强模拟电信号转化为数字信号，然后传输给所述处理器进行处理；其中，所述相位调制器的相位调制周期为外部触发信号的二倍，相位调制器的任一相位保持时长为外部触发信号的一个周期，所述脉冲调制器的工作周期与所述外部触发信号相同。
具体地，图12为系统运行时序图，上升沿触发，当外部触发信号上升沿到达，相位调制器的驱动信号由0V转换为Vπ/2实现相互垂直偏振态的转换。同时或者推迟一小段时间（等待SOP转换完成），脉冲调制器工作，输出窄脉冲光信号。同时采集卡开始采集。
处理器将采集到的各路输出信号，通过差分操作得到各路差分POTDR曲线，然后将各路差分POTDR曲线进行相加取平均得到最终差分POTDR曲线，通过阈值判决判断是否有扰动发生以及发生的位置，或者在原始信号上进行傅里叶变换，分析扰动的频率信息。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)
1.一种基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，其特征在于，包括：光源、相位调制器、脉冲调制器、环形器、传感光纤、全偏振态检测装置、光电探测器、信号采集卡以及处理器，其中：
所述光源的输出端口通过保偏光纤与相位调制器的输入端口相连，在所述保偏光纤上存在一个45度熔接点，所述光源输出直流光信号；
所述相位调制器的输出端口通过光纤与脉冲调制器的输入端口相连，所述相位调制器用于使相位调制器输出光的偏振态在邦加球上看相互垂直；
所述脉冲调制器的输出端口通过光纤与环形器的第一端口相连；所述脉冲调制器用于将直流光信号调制为窄脉冲光信号；
所述环形器的第二端口与传感光纤相连；所述环形器的第三端口通过光纤与全偏振态检测装置相连；所述传感光纤中的背向瑞利散射信号通过环形器的第二端口输入并从第三端口输出；
所述全偏振态检测装置通过光纤与光电探测器相连，所述全偏振态检测装置用于实现三个相互垂直的偏振态的检测；
所述光电探测器与信号采集卡相连，所述光电探测器用于获得所述全偏振态检测装置输出光信号的光强；
所述信号采集卡与处理器相连，所述信号采集卡用于将光电探测器检测到的光强模拟电信号转化为数字信号，然后传输给所述处理器进行处理；
所述处理器与所述相位调制器的相位调制端口相连，用于通过发出相位调整指令到相位调制器，使所述相位调制器输出光的偏振态在邦加球上看相互垂直；所述处理器还与所述脉冲调制器相连，用于控制所述脉冲调制器的脉冲调制周期和脉宽；所述处理器还用于根据所述光电探测器所获得的光强判断是否发生扰动。
2.如权利要求1所述的基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，其特征在于，在所述脉冲调制器的输出端口与环形器的第一端口之间还设置有一个放大器，所述脉冲调制器的输出端口通过光纤与所述放大器的输入端口相连，所述放大器的输出端口通过光纤与所述环形器的第一端口相连。
3.如权利要求1或2所述的基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，其特征在于，通过给相位调制器周期性输入V1=0V，V2=Vπ/2，从而保证相位调制器输出光的偏振态在邦加球上看相互垂直，其中Vπ/2为四分之一波长电压，可以调制慢轴光相位偏移90°。
4.如权利要求1或2所述的基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，其特征在于，所述光源与相位调制器之间为保偏光纤，所述传感光纤为单模光纤。
5.如权利要求1或2所述的基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，其特征在于，所述全偏振态检测装置为全偏振态检测器。
6.如权利要求1或2所述的基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，其特征在于，所述45度熔接点的实现方式为，以两条相互串联的保偏光纤连接，两条相互串联的保偏光纤连接时以偏振坐标轴对准后旋转，使得两条保偏光纤的慢轴偏转45度。
7.如权利要求1或2所述的基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，其特征在于，所述45度熔接点通过45度保偏光纤跳线实现。
8.如权利要求1或2所述的基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪，其特征在于，所述光源输出保偏的直流线偏振光。
9.如权利要求1至8任一项所述的基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪的检测方法，其特征在于，所述偏振光时域反射仪的检测由上升沿触发，当外部触发信号上升沿到达时，所述处理器指令所述相位调制器实现相互垂直偏振态的转换，推迟一段时间等待SOP转换完成或者同时，所述处理器指令所述脉冲调制器工作输出窄脉冲光信号，同时信号采集卡开始采集信号将光电探测器检测到的光强模拟电信号转化为数字信号，然后传输给所述处理器进行处理；其中，所述相位调制器的相位调制周期为外部触发信号的二倍，相位调制器的任一相位保持时长为外部触发信号的一个周期，所述脉冲调制器的工作周期与所述外部触发信号相同。
10.如权利要求9所述的基于双偏振态时分复用的偏振光时域反射仪的检测方法，其特征在于，所述处理器将采集到的各路输出信号，通过差分操作得到各路差分POTDR曲线，然后将各路差分POTDR曲线进行相加取平均得到最终差分POTDR曲线，通过阈值判决判断是否有扰动发生以及发生的位置，或者在原始信号上进行傅里叶变换，分析扰动的频率信息。
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