CN110895165B - 一种基于保偏光纤的光纤振动传感系统 - Google Patents

一种基于保偏光纤的光纤振动传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于保偏光纤的光纤振动传感系统，光源发出保偏的直流线偏振光，光源的输出端与保偏相移器的输入端以一条保偏光纤相连，保偏光纤上存在一个45度熔接点；保偏相移器的输出端与保偏检偏器的输入端的保偏尾纤以振动传感光纤相连，振动传感光纤为保偏光纤；在振动传感光纤上接近保偏检偏器处存在一个45度熔接点；保偏检偏器的通光轴和该保偏检偏器的输入端的保偏尾纤慢轴对准；保偏检偏器通过光纤与光电探测器相连；光电探测器用于检测接收到的光强，光电探测器与处理器相连；处理器与保偏相移器的相位调制端口相连，用于通过发出相位调整指令到保偏相移器，使保偏检偏器的输出光强为振动传感光纤输出的最大光强的一半。

Description

一种基于保偏光纤的光纤振动传感系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于保偏光纤的光纤振动传感系统。
背景技术
光波是一种横波，具有偏振特性。利用振动对光纤内光束偏振状态的影响，可以测定振动的存在。在成本受限的光纤偏振态振动传感系统中，仅使用单保偏检偏器即可测定在传感光纤线路上是否发生了振动。但光源发出的光束偏振态会随温度变化而变化。这一问题可能造成光纤偏振态检测振动传感系统灵敏度的波动，进而发生传感系统的误报或漏报。
针对以上缺陷或改进需求，公开号CN107328462A的中国发明专利申请中已经提供了一种双偏振态光纤振动传感时域检测系统，其目的在于在成本受限的光纤偏振态振动传感系统中，不需要增加偏振控制器，且不需要使用保偏光纤的情况下实现光纤振动的检测。但是在许多应用中本申请发明人发现上述方法只能提高偏振的振动传感检测的准确率，然而受限偏振光固有特性，仍然在上述方法的应用中出现许多误报和漏报，给用户造成诸多烦扰。
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保偏光纤的光纤振动传感系统，其目的在于在成本受限的光纤偏振态振动传感系统中，基于保偏光纤实现对偏振状态的最敏感检测，且传感光纤各点灵敏度一致，由此解决现有技术中振动传感检测误报和漏报的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于保偏光纤的光纤振动传感系统，包括：光源、保偏相移器、保偏检偏器、光电探测器和处理器，其中：
所述光源发出保偏的直流线偏振光，所述光源的输出端与保偏相移器的输入端以一条保偏光纤相连，所述保偏光纤上存在一个45度熔接点；
保偏相移器的输出端与保偏检偏器的输入端的保偏尾纤以振动传感光纤相连，所述振动传感光纤为保偏光纤；在所述振动传感光纤上接近保偏检偏器处存在一个45度熔接点；所述保偏检偏器的通光轴和该保偏检偏器的输入端的保偏尾纤慢轴对准；
所述保偏检偏器通过光纤与光电探测器相连；所述光电探测器用于检测接收到的光强，所述光电探测器与处理器相连；
所述处理器与所述保偏相移器的相位调制端口相连，用于通过发出相位调整指令到保偏相移器，使保偏检偏器的输出光强为振动传感光纤输出的最大光强的一半。
本发明的一个实施例中，所述处理器用于通过发出相位调整指令到保偏相移器调节光信号的相位至少一个周期，获得光电探测器的光信号强度变化并记录最大光强值，所述处理器继续发出相位调整指令到所述保偏相移器调节光信号的相位，使得光电探测器的光信号强度为最大光强值的一半。
本发明的一个实施例中，在所述振动传感光纤的45度熔接点的与保偏检偏器相对的一侧还设置有一个保偏耦合器，所述保偏耦合器的输入端口与所述振动传感光纤相连，所述保偏耦合器的一个分光输出端口与所述振动传感光纤的45度熔接点的与保偏检偏器相对的一侧相连，所述保偏耦合器的另一个分光输出端口与总光强光电探测器相连，所述光强光电探测器与处理器相连。
本发明的一个实施例中，所述处理器用于根据所述总光强光电探测器所检测的光强，以及耦合器两个分光输出端口的分光比例，计算所述保偏耦合器输出的总光强值；所述处理器还用于发出相位调整指令到保偏相移器调节光信号的相位，使得光电探测器的光信号强度为所述总光强值的一半。
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，所述光源为窄线宽激光器。
本发明的一个实施例中，所述处理器与保偏相移器的相位调整端口以电缆相连。
本发明的一个实施例中，所述保偏检偏器与光电探测器之间的光纤为保偏光纤或非保偏光纤。
本发明的一个实施例中，所述光源输出光信号的波长为1550nm，所述保偏检偏器检偏中心波长1550nm，输入输出都保偏。
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）本发明传感系统中使用保偏光纤和保偏相移器，通过调节保偏相移器使得检偏器接收到的x方向和y方向光相位差在90度附近，从而系统工作在最敏感状态，且灵敏度一致无信号衰落现象，达到了提高系统稳定性的效果，便于实际应用；
（2）本发明传感系统中仅需要使用一个检偏器，从而简化了探测系统的结构，并且简化了探测过程，并且达到了信号解调简单的效果；
（3）本发明中传感光纤各点均处于线性工作区，通过传感器的合理设计，可以实现待测物理量（例如应变、温度、震动强度等）的定量测量；
（4）本发明传感系统为前向传输系统，与背向传输系统（偏振光时域反射仪，POTDR）相比功率不受限，可以采用低功率的激光器，且对链路损耗不敏感。
（5）本发明传感系统采用直流信号光，不需要进行脉冲调制，从而不需要进行高速采集，进一步降低对采集和数据处理的要求。
（6）本发明传感系统为前向传输系统，与背向传输系统（偏振光时域反射仪，POTDR）相比，不存在时域消偏振效应，进一步抑制了信号衰落，保证传感光纤各点灵敏度的一致性。
附图说明
图1是传统的基于偏振检测的前向传输系统的光路示意图；
图2是基于图1所示系统进行仿真得到的距离响应曲线示意图；
图3（1）为最不敏感点出射光偏振态（State of polarization,SOP）变化轨迹所在的圆，图3（2）为最敏感点出射光SOP变化轨迹所在的圆；
图4（1）为对应图3（1）的最不敏感点出射光SOP变化轨迹所在圆的俯视图，图4（2）为对应图3（2）的最敏感点出射光SOP变化轨迹所在圆的俯视图；其中P为检偏器；
图5为利用邦加球在斯托克斯空间演示三种信号衰落的简化示意图；其中图5（1）为外界扰动所引起的偏振态旋转所在的圆非常小的情况，图5（2）为偏振态旋转所在的圆与检偏器垂直的情况；图5（3）为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的情况；
图6为图5（1）对应的信号衰落的示意图，其中图6（1）为该情况下的原始图，图6（2）为该情况下的简图；
图7为图5（2）对应的信号衰落的示意图，其中图7（1）为该情况下的原始图，图7（2）为该情况下的主视图，图7（3）为该情况下的简图；
图8为图5（3）对应的信号衰落的示意图，其中图8（1）为该情况下的原始图，图8（2）为该情况下的主视图，图8（3）为该情况下的简图；
图9为本发明实施例中一种基于保偏光纤的光纤振动传感系统的结构示意图；
图10为图9所示系统的SOP轨迹和保偏检偏器之间的空间关系示意图；
图11为本发明实施例中另一种基于保偏光纤的光纤振动传感系统的结构示意图。
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。
首先，本发明先分析传统的基于偏振检测的前向传输系统，其光路图如图1所示。激光器发出的偏振光经过传感光纤（单模光纤）后到达检偏器。外界扰动会引起光偏振态的变化。检偏器将偏振态的变化转化为光强度的变化，光电探测器会检测到检偏器输出的光信号的光强。从而实现对外界扰动信息的检测。
然而，在这个系统中会发生偏振信号衰落现象，本发明通过仿真分析来研究引起信号衰落现象的原因。本发明中用波片模型对整个系统进行仿真。
众所周知，光的偏振态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：
Figure 726892DEST_PATH_IMAGE001
（1）
由于
Figure 652253DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 518578DEST_PATH_IMAGE003
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：
Figure 44237DEST_PATH_IMAGE004
（2）
Figure 903478DEST_PATH_IMAGE005
每个波片的传输矩阵可由下式表示，
Figure 932614DEST_PATH_IMAGE006
（3）
其中，下标i表示第i个波片，
Figure 235419DEST_PATH_IMAGE007
为快轴和x轴之间的夹角，
Figure 982795DEST_PATH_IMAGE008
为相应波片的相移，
Figure 147192DEST_PATH_IMAGE009
为相应波片的插入损耗。
在进行仿真之前，本发明先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
Figure 30834DEST_PATH_IMAGE007
则保持不变，而快慢轴光的相位差
Figure 504541DEST_PATH_IMAGE008
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
Figure 256989DEST_PATH_IMAGE010
。
仿真参数如下表2所示。
表1 Stokes矢量各个参数的定义
Figure 474344DEST_PATH_IMAGE011
表2仿真参数
Figure 478072DEST_PATH_IMAGE013
仿真的光纤长度为100m。单个波片的长度为1m。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。输入光偏振态为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
。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。
根据以上模型，本发明仿真分析了100m长的单模光纤扰动响应情况。图2为仿真得到的距离响应曲线，横坐标为光纤的位置，纵坐标为响应强度，发现光纤不同位置对相同外界扰动的响应有大区别，也就是存在偏振衰落现象。
找出最不敏感和最敏感的位置，增强扰动强度，使得扰动所引起的最大相移达到2π。观察扰动所导致的出射光偏振态在邦加球上的旋转轨迹，如图3所示，其中图3（1）为最不敏感点出射光的SOP变化轨迹所在的圆，图3（2）为最敏感点出射光SOP变化轨迹所在的圆。
图4为针对图（3）的俯视图，其中图4（1）为对应图3（1）的最不敏感点出射光SOP变化轨迹所在的圆的俯视图，图4（2）为对应图3（2）的最敏感点出射光SOP变化轨迹所在的圆的俯视图；在图中，P为检偏器；从图中可以看到，导致响应度差的原因是，SOP旋转轨迹与检偏器垂直，因此外界扰动不能使检偏器出射光强有明显的的变化。而图4（2）为仿真光纤段的最敏感点，扰动后出射光SOP变化轨迹所在的圆，此圆首先比图4（1）的大，其次其旋转平面与检偏器基本平行，因此检偏器能够较好地检测到偏振态的变化。
进一步仿真分析信号衰落现象。在邦加球的帮助下，在斯托克斯空间中，如图5所示，本发明发现主要有三种信号衰落：（1）如图5（1）所示，外界扰动所引起的偏振态旋转所在的圆非常小，这可以理解为外界扰动并几乎没有引起偏振态的变化，其中图6（1）为该情况下的原始图，6（2）为该情况下的简图；（2）如图5（2）所示，偏振态旋转所在的圆与检偏器垂直，其中图7（1）为该情况下的原始图，图7（2）为该情况下的主视图，图7（3）为该情况下的简图；（3）如图5（3）所示，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。这一现象可能造成光纤偏振态检测振动传感系统灵敏度的波动，进而发生传感系统的误报或漏报，其中图8（1）为该情况下的原始图，图8（2）为该情况下的主视图，图8（3）为该情况下的简图。在图中，P为检偏器。
根据上述分析，本发明发现，只有满足如下三个条件，整个系统最灵敏，如图8所示：（1）SOP旋转所在的圆最大，（2）SOP旋转所在的圆和检偏器平行，（3）SOP移动方向和检偏器平行。其中图8（1）为该情况下的原始图，图8（2）为该情况下的主视图，图8（3）为该情况下的简图。
为了抑制基于偏振检测的偏振信号衰落现象，前人已有相关研究，专利申请公开号CN107328462A的中国发明专利申请中已经提供了一种双偏振态光纤振动传感时域检测系统，当一个检偏器对偏振态不敏感的时候，另外一个检偏器能够探测到偏振态的变化。然而这并不能解决引起偏振信号衰落的后两种情况的组合：偏振态旋转所在的圆在斯托克斯空间与其中一个检偏器垂直，与另外一个检偏器平行，但是旋转方向与另外一个检偏器垂直。在实际应用中，仍然存在信号衰落现象。
为了满足系统最灵敏的三个条件。本发明设计了原理如图9所示的光纤振动传感系统。激光器发出的光为直流线偏振光。通过将保偏光纤慢轴（也可以说是快轴，因同一条光纤的慢轴和快轴互相垂直）45°对准熔接，线偏振光光功率等功率地分配到快轴和慢轴进行传输，从而保偏光纤中所传输光的偏振态运动轨迹为最大圆，条件（1）得到满足。在接收端采用保偏检偏器，保偏检偏器的通光轴和其保偏尾纤慢轴对准，通过将保偏光纤尾纤和传感光纤慢轴45°对准熔接可以实现条件（2）所要求的SOP旋转所在的圆和保偏检偏器平行。如果以保偏检偏器通光轴方向为x轴建立坐标系，那么在邦加球上观察，保偏检偏器在S1方向上，SOP旋转所在圆在S1=0的平面上。调节保偏相移器，使得到达检偏器快慢轴光相位差在90°附近，则条件（3）得到满足，SOP运动方向和保偏检偏器平行。
具体地，如图9所示，所述基于保偏光纤的光纤振动传感系统的结构包括：光源、保偏相移器、保偏检偏器、光电探测器和处理器，其中：
所述光源发出保偏的直流线偏振光，所述光源的输出端与保偏相移器的输入端以一条保偏光纤相连，所述保偏光纤上存在一个45度熔接点；
保偏相移器的输出端与保偏检偏器的输入端的保偏尾纤以振动传感光纤相连，所述振动传感光纤为保偏光纤；在所述振动传感光纤上接近保偏检偏器处存在一个45度熔接点；所述保偏检偏器的通光轴和该保偏检偏器的输入端的保偏尾纤慢轴对准；
所述保偏检偏器通过光纤与光电探测器相连；所述光电探测器用于检测接收到的光强，所述光电探测器与处理器相连；
所述处理器与所述保偏相移器的相位调制端口相连，用于通过发出相位调整指令到保偏相移器，使保偏检偏器的输出光强为振动传感光纤输出的最大光强的一半。
图10为所设计的系统SOP轨迹和保偏检偏器空间关系示意图。
当快慢轴光相位差为90°时，保偏检偏器输出光强为振动传感光纤输出的最大光强的一半。因此可以通过监测保偏检偏器输出光强来反馈调控保偏相移器。
以下为总光强的两种获取方法：
方法1：如图11所示，在保偏检偏器前端插入保偏耦合器，分出一部分光进行总光强的检测。其结构为：在所述振动传感光纤的45度熔接点的与保偏检偏器相对的一侧还设置有一个保偏耦合器，所述保偏耦合器的输入端口与所述振动传感光纤相连，所述保偏耦合器的一个分光输出端口与所述振动传感光纤的45度熔接点的与保偏检偏器相对的一侧相连，所述保偏耦合器的另一个分光输出端口与总光强光电探测器相连，所述总光强光电探测器与处理器相连。具体光强获取方法为：所述处理器根据所述总光强光电探测器所检测的光强，以及耦合器两个分光输出端口的分光比例，计算所述保偏耦合器输出的总光强值；所述处理器还用于发出相位调整指令到保偏相移器调节光信号的相位，使得光电探测器的光信号强度为所述总光强值的一半。
方法2：如图9所示，不用保偏耦合器，通过主动控制保偏相移器，使其从0°调节到360°，记录输出光强最大值，作为总光强，将其存储在处理器。具体地，所述处理器通过发出相位调整指令到保偏相移器调节光信号的相位至少一个周期，获得光电探测器的光信号强度变化并记录最大光强值，所述处理器继续发出相位调整指令到所述保偏相移器调节光信号的相位，使得光电探测器的光信号强度为最大光强值的一半。
进一步地，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，也可以采用45度保偏光纤跳线实现。
所述光源输出的光信号必须为保偏的直流线偏振光；通常可采用窄线宽激光器。
所述处理器与保偏相移器的相位调整端口可以用电缆相连。
优选地，所述光源输出光信号的波长为1550nm，所述保偏检偏器检偏中心波长1550nm，输入输出都保偏。
需要说明的是，本发明中，除了图9所示系统结构中保偏检偏器与光电探测器之间的光纤，以及图11所示系统结构中保偏耦合器与总光强光电探测器之间的光纤，既可以为保偏光纤也可以为非保偏光纤，其他用于连接各器件的所有光纤，包括：图9所示系统结构中，光源与保偏相移器之间的光纤、保偏相移器与保偏检偏器之间的振动传感光纤，以及图11所示系统结构中保偏耦合器与保偏检偏器之间的光纤必须是保偏光纤。
优选地，用于实现所述保偏相移器相位偏移控制的偏置点调控算法可以是：反馈控制算法。
振动传感检测的信号处理方法为：光电探测器将光强转化为电信号之后，经由模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）采集，然后交由处理器处理。通过阈值判决判断是否有扰动发生。也可进一步进行快速傅里叶变换（Fast Fourier transform，FFT），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 (9)

1.一种基于保偏光纤的光纤振动传感系统，其特征在于，包括：光源、保偏相移器、保偏检偏器、光电探测器和处理器，其中：
所述光源发出保偏的直流线偏振光，所述光源的输出端与保偏相移器的输入端以一条保偏光纤相连，所述保偏光纤上存在一个45度熔接点；
保偏相移器的输出端与保偏检偏器的输入端的保偏尾纤以振动传感光纤相连，所述振动传感光纤为保偏光纤；在所述振动传感光纤上接近保偏检偏器处存在一个45度熔接点；所述保偏检偏器的通光轴和该保偏检偏器的输入端的保偏尾纤慢轴对准；
所述保偏检偏器通过光纤与光电探测器相连；所述光电探测器用于检测接收到的光强，所述光电探测器与处理器相连；
所述处理器与所述保偏相移器的相位调制端口相连，用于通过发出相位调整指令到保偏相移器，使保偏检偏器的输出光强为振动传感光纤输出的最大光强的一半；具体为，所述处理器用于通过发出相位调整指令到保偏相移器调节光信号的相位至少一个周期，获得光电探测器的光信号强度变化并记录最大光强值，所述处理器继续发出相位调整指令到所述保偏相移器调节光信号的相位，使得光电探测器的光信号强度为振动传感光纤输出的最大光强的一半。
2.如权利要求1所述的基于保偏光纤的光纤振动传感系统，其特征在于，在所述振动传感光纤的45度熔接点的与保偏检偏器相对的一侧还设置有一个保偏耦合器，所述保偏耦合器的输入端口与所述振动传感光纤相连，所述保偏耦合器的一个分光输出端口与所述振动传感光纤的45度熔接点的与保偏检偏器相对的一侧相连，所述保偏耦合器的另一个分光输出端口与总光强光电探测器相连，所述总光强光电探测器与处理器相连。
3.如权利要求2所述的基于保偏光纤的光纤振动传感系统，其特征在于，所述处理器用于根据所述总光强光电探测器所检测的光强，以及保偏耦合器两个分光输出端口的分光比例，计算所述保偏耦合器输出的总光强值；所述处理器还用于发出相位调整指令到保偏相移器调节光信号的相位，使得光电探测器的光信号强度为所述总光强值的一半。
4.如权利要求1或2所述的基于保偏光纤的光纤振动传感系统，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。
5.如权利要求1或2所述的基于保偏光纤的光纤振动传感系统，其特征在于，所述45度熔接点通过45度保偏光纤跳线实现。
6.如权利要求1或2所述的基于保偏光纤的光纤振动传感系统，其特征在于，所述光源为窄线宽激光器。
7.如权利要求1或2所述的基于保偏光纤的光纤振动传感系统，其特征在于，所述处理器与保偏相移器的相位调整端口以电缆相连。
8.如权利要求1或2所述的基于保偏光纤的光纤振动传感系统，其特征在于，所述保偏检偏器与光电探测器之间的光纤为保偏光纤或非保偏光纤。
9.如权利要求1或2所述的基于保偏光纤的光纤振动传感系统，其特征在于，所述光源输出光信号的波长为1550nm，所述保偏检偏器的检偏中心波长为1550nm，输入输出都保偏。
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