CN111238549A - 一种利用偏振编码抑制背向散射的全光纤干涉方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种利用偏振编码抑制背向散射的全光纤干涉方法，利用偏振编码技术，使得相干射的两束光波偏振垂直且等光程传播，而干涉光路中的背向散射光不等光程传播。结合低相干干涉技术，达到有效光干涉的同时背向散射光无法干涉的目的，实现具有背向散射抑制特性的全光纤干涉方法。本发明装置包括信号发射模块、相位调制模块及干涉测量模块。其中，信号发射模块，产生偏振正交的两束光波；相位调制模块，实现偏振正交光波的等光程传输，而寄生背向散射光的不等光程传输；干涉测量模块，实现等光程干涉。与传统全光纤干涉相比，本发明方法及装置通过偏振编码和低相干干涉技术，降低了背向散射的影响，实现长距离传输的高精度干涉测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学及精密测量技术领域，尤其涉及一种全新的利用偏振编码抑制背向散射的全光纤干涉方法及装置。
背景技术
分布式光纤传感以其寿命长、灵敏度高、耐高压、抗电磁干扰好、系统简单等优点被广泛用于周界预警、油管检测等领域。然而，在实现超长距离的光纤传感时，由于受到光路损耗限制，有效光随着传感距离增加呈指数衰减。此外，由于光路中光纤和器件的非理想性，部分光与光纤中的自由振荡的分子、原子等微粒相互作用，产生背向散(反)射光。该背向散(反)射累积形成的寄生光随着传感距离增加而增加，并与有效光一起采集。一方面，由于寄生光没有携带有效信息，寄生光的出现降低干涉条纹对比度，影响系统性能。另一方面，由于寄生光与有效光具有相同的偏振及波长特性，使得有效光与其寄生的背向散射光的有效分离成为长距离光纤传感研究的难点。
发明内容
本发明提供了一种利用偏振编码抑制背向散射的全光纤干涉方法及装置，旨在解决现有长距离光纤传感测量技术中，由于光路中的损耗以及传感光纤中累积的背向散射，导致系统信噪比降低，限制测量灵敏度的问题。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种利用偏振编码抑制背向散射的全光纤干涉方法。具体如下：
1.利用偏振特性对光束进行编码，实现偏振垂直的两束光波(x-偏振光和y-偏振光)同路径传输的同时，干涉光路中背向散射光(x-偏振光的寄生背向散射光和y-偏振光的寄生背向散射光)同路径但不等光程传播。
所述x-偏振光沿延时保偏光纤和传感保偏光纤传输，并在法拉第旋转镜反射后变为y-偏振光继续沿着传感保偏光纤传输；所述y-偏振光沿着传感保偏光纤传输，并在法拉第旋转镜反射后变为x-偏振光继续沿着传感保偏光纤和延时保偏光纤传输。当外界物理场作用在传感保偏光纤时，由于延时保偏光纤的存在，使得x-偏振光和y-偏振光通过同一物理场的时间不同，实现同一物理场对x-偏振光和y-偏振光不同的相位调制。
所述x-偏振光的寄生背向散射光沿着延时保偏光纤和传感保偏光纤传输时，若未到达法拉第旋转镜而被传感保偏光纤中的散射点反射时，将以x-偏振继续沿着延时保偏光纤和传感保偏光纤传输；若达到法拉第旋转镜后，继续沿着传感保偏光纤传播时被散射点反射，也将继续以x-偏振继续沿着延时保偏光纤和传感保偏光纤传输；所述y-偏振光的寄生背向散射光沿着传感保偏光纤传输时，未到达法拉第旋转镜而被传感保偏光纤中的散射点反射，并以y-偏振继续沿着传感保偏光纤传输。当外界物理场作用在传感保偏光纤时，x-偏振光的寄生背向散射和y-偏振光的寄生背向散射受到同一物理场的相位调制。
2.利用低相干干涉技术，即等光程干涉技术，实现相位测量。
由以上分析可知，x-偏振光和y-偏振光的光程均为nxLτ+nyL+nxL。其中，nx和ny分别为x-偏振光和y-偏振光在保偏光纤中的折射率；Lτ为保偏光纤延时线圈的长度；L为传感保偏光纤的长度。因此，将y-偏振光转换为x-偏振光，可以实现与原x-偏振光的等光程干涉，从而获得相位信息。
相比较而言，x-偏振光的寄生背向散射光的光程为nxLτ+2nx(L-Lk)或者2nxLτ+2nxL+2nyLk，y-偏振光的寄生背向散射光的光程为2ny(L-Lk)或者2nyL+2nxLk。其中，Lk为散射点距离传感保偏光纤尾端的距离。因此，在利用低相干干涉技术实现干涉测量时，x-偏振光的寄生背向散射光和y-偏振光的寄生背向散射光由于光程不同，导致干涉失败，从而降低了背向散射影响，实现长距离传输的高精度干涉测量。
基于以上方法，本发明还提出了一种利用偏振编码抑制背向散射的全光干涉装置，包括：信号发射模块、相位调制模块、干涉测量模块及连接模块；其中，所述信号发射模块由相干光源构成，其产生偏振正交的x-偏振光和y-偏振光；所述相位调制模块由第一偏振分束器、延时保偏光纤、传感保偏光纤以及法拉第旋转镜构成，其用于实现同一物理场对x-偏振光和y-偏振光不同的相位调制；所述干涉测量模块由第二偏振分束器、半波片、合束器及探测器构成，其用于实现x-偏振光和y-偏振光的干涉，实现相位测量；所述连接模块由环形器构成，实现光信号在信号发射模块、相位调制模块及干涉模块的传播。
本发明中，所述相位调制模块与所述干涉测量模块独立运行，以实现背向散射抑制。
本发明中，由第一偏振分束器、延时保偏光纤、传感保偏光纤以及法拉第旋转镜构成的相位调制模块具有差分特性，其限定光路走向，降低光路中噪声光的种类。具体而言，本相位调制模块中包括如下光路路径：
x-偏振光的传输路径：延时保偏光纤(光程：nxLτ)——传感保偏光纤(光程：nxL)——法拉第旋转镜(x-偏振光变为y-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nyL)；
y-偏振光的传输路径：传感保偏光纤(光程：nyL)——法拉第旋转镜(y-偏振光变为x-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nxL)——延时保偏光纤(光程：nxLτ)；
x-偏振光的寄生背向散射光的传输路径：
情况a：延时保偏光纤(光程：nxLτ)——传感保偏光纤(光程：nx(L-Lk))——散射点反射(x-偏振光不变)——传感保偏光纤(光程：nx(L-Lk))——延时保偏光纤(光程：nxLτ)；
情况b:延时保偏光纤(光程：nxLτ)——传感保偏光纤(光程：nxL)———法拉第旋转镜(x-偏振光变为y-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nyLk)——散射点反射(y-偏振光不变)——传感保偏光纤(光程：nyLk)——法拉第旋转镜(y-偏振光变为x-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nxL)——延时保偏光纤(光程：nxLτ)；
y-偏振光的寄生背向散射光的传输路径：
情况a：传感保偏光纤(光程：ny(L-Lk))——散射点反射(x-偏振光不变)——传感保偏光纤(光程：ny(L-Lk))；
情况b:传感保偏光纤(光程：nyL)——法拉第旋转镜(y-偏振光变为x-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nxLk)——散射点反射(x-偏振光不变)——传感保偏光纤(光程：nxLk)——法拉第旋转镜(x-偏振光变为y-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nyL)；
本发明提供的全光纤干涉方法及装置，利用偏振正交的两束光波进行相位传感，并通过低相干干涉技术进行测量和定位。与传统的干涉系统，本发明提供的全光纤干涉方法及装置在以下方面做了独特的创新。1.相位调制过程，实现偏振垂直两束光波等光程传输的同时，背向散射光波不等光程传播；2.偏振编码与相位调制过程相结合，限定光路走向，降低光路中噪声光种类；3.相位调制与干涉测量过程分离，实现背向散射抑制，提高信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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的附图。
图1是发明实施例中x-偏振光(Path 1)、y-偏振光(Path 2)、x-偏振光的寄生背向散射光(Path 3或者Path 4)及y-偏振光的寄生背向散射光(Path 5或者Path 6)的光路走向图。
其中：Lτ是延时光纤长度；L是传感光纤长度；Lk是传感光纤中散射点距离光纤尾端的长度；nx和ny分别是保偏光纤中x-方向和y-方向的折射率。
图2是发明实施例中利用偏振编码抑制背向散射的全光纤干涉装置图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
本发明第一方面提供了一种利用偏振编码抑制背向散射的全光纤干涉方法。具体如下：
1.利用偏振特性对光束进行编码，实现偏振垂直的两束光波(x-偏振光和y-偏振光)同路径传输干涉光路中背向散射光(x-偏振光的寄生背向散射光和y-偏振光的寄生背向散射光)同路径但不等光程传播。
所述x-偏振光沿延时保偏光纤和传感保偏光纤传输，并在法拉第旋转镜反射后变为y-偏振光继续沿着传感保偏光纤传输；所述y-偏振光沿着传感保偏光纤传输，并在法拉第旋转镜反射后变为x-偏振光继续沿着传感保偏光纤和延时保偏光纤传输。当外界物理场作用在传感保偏光纤时，由于延时保偏光纤的存在，使得x-偏振光和y-偏振光通过同一物理场的时间不同，实现同一物理场对x-偏振光和y-偏振光不同的相位调制。
所述x-偏振光的寄生背向散射光沿着延时保偏光纤和传感保偏光纤传输时，若未到达法拉第旋转镜而被传感保偏光纤中的散射点反射时，将以x-偏振继续沿着延时保偏光纤和传感保偏光纤传输；若达到法拉第旋转镜后，继续沿着传感保偏光纤传播时被散射点反射，也将继续以x-偏振继续沿着延时保偏光纤和传感保偏光纤传输；所述y-偏振光的寄生背向散射光沿着传感保偏光纤传输时，未到达法拉第旋转镜而被传感保偏光纤中的散射点反射，并以y-偏振继续沿着传感保偏光纤传输。当外界物理场作用在传感保偏光纤时，x-偏振光的寄生背向散射和y-偏振光的寄生背向散射受到同一物理场的相位调制。
2.利用低相干干涉技术，即等光程干涉技术，实现相位测量。
由以上分析可知，x-偏振光和y-偏振光的光程均为nxLτ+nyL+nxL。其中，nx和ny分别为x-偏振光和y-偏振光在保偏光纤中的折射率；Lτ为延时保偏光纤的长度；L为传感保偏光纤的长度。因此，将y-偏振光转换为x-偏振光，可以实现与原x-偏振光的等光程干涉，从而获得相位信息。
相比较而言，x-偏振光的寄生背向散射光的光程为nxLτ+2nx(L-Lk)或者2nxLτ+2nxL+2nyLk，y-偏振光的寄生背向散射光的光程为2ny(L-Lk)或者2nyL+2nxLk。其中，Lk为散射点距离传感保偏光纤尾端的距离。因此，在利用低相干干涉技术实现干涉测量时，x-偏振光的寄生背向散射光和y-偏振光的寄生背向散射光由于光程不同，导致干涉失败，从而降低了背向散射影响，实现长距离传输的高精度干涉测量。
本发明第二方面提供了一种利用偏振编码抑制背向散射的全光纤干涉装置，包括：信号发射模块、相位调制模块、干涉测量模块及连接模块。其中：
所述相干光源构成信号发射模块，产生偏振正交两束光波(x-偏振光和y-偏振光)；
所述偏振分束器、延时保偏光纤、传感保偏光纤以及法拉第旋转镜构成的相位调制模块，可以实现同一物理场对x-偏振光和y-偏振光不同的相位调制；
其中，x-偏振光的传输路径：延时保偏光纤(光程：nxLτ)——传感保偏光纤(光程：nxL)——法拉第旋转镜(x-偏振光变为y-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nyL)；
y-偏振光的传输路径：传感保偏光纤(光程：nyL)——法拉第旋转镜(y-偏振光变为x-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nxL)——延时保偏光纤(光程：nxLτ)；
x-偏振光的寄生背向散射光的传输路径：
情况a：延时保偏光纤(光程：nxLτ)——传感保偏光纤(光程：nx(L-Lk))——散射点反射(x-偏振光不变)——传感保偏光纤(光程：nx(L-Lk))——延时保偏光纤(光程：nxLτ)；
情况b:延时保偏光纤(光程：nxLτ)——传感保偏光纤(光程：nxL)———法拉第旋转镜(x-偏振光变为y-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nyLk)——散射点反射(y-偏振光不变)——传感保偏光纤(光程：nyLk)——法拉第旋转镜(y-偏振光变为x-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nxL)——延时保偏光纤(光程：nxLτ)；
y-偏振光的寄生背向散射光的传输路径：
情况a：传感保偏光纤(光程：ny(L-Lk))——散射点反射(x-偏振光不变)——传感保偏光纤(光程：ny(L-Lk))；
情况b:传感保偏光纤(光程：nyL)——法拉第旋转镜(y-偏振光变为x-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nxLk)——散射点反射(x-偏振光不变)——传感保偏光纤(光程：nxLk)——法拉第旋转镜(x-偏振光变为y-偏振光)——传感保偏光纤(光程：nyL)；
所述偏振分束器、半波片、合束器及探测器构成的干涉测量模块，可以实现x-偏振光和y-偏振光的干涉，实现相位测量。
其中，光源的低相干特性，保证了整个干涉装置中传输的光波必须满足等光程传输时，才能形成干涉。根据光在相位调制模块中传输的特点，有且仅有x-偏振光和y-偏振光形成干涉，而x-偏振光的寄生背向散射光和y-偏振光的寄生背向散射光均无法形成干涉，实现背向散射抑制的全光纤干涉。
所述连接模块由环形器构成，实现光信号在信号发射模块、相位调制模块及干涉模块的传播。
实施例
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
本发明所述的利用偏振编码抑制背向散射的全光纤干涉方法，包括如下步骤：
步骤1：由相干光源构成信号发射模块，产生偏振正交两束光波(x-偏振光和y-偏振光)；
步骤2：在相位调制模块中，利用上述信号发射模块产生的x-偏振光和y-偏振光，传感外界物理场引起的相位。在这个过程中，x-偏振光、y-偏振光、x-偏振光的寄生背向散射光及y-偏振光的寄生背向散射光的光路走向如图1所示。其中，x-偏振光和y-偏振光为等光程传播，而x-偏振光的寄生背向散射光及y-偏振光的寄生背向散射光之间的光程差均不为零；
步骤3：在干涉测量模块中，利用上述相位调制模块获得具有相位信息x-偏振光和y-偏振光，进行等光程干涉，获得相位并实现定位测量。相比较而言，x-偏振光的寄生背向散射光及y-偏振光的寄生背向散射光因无法满足等光程，无法进行干涉，从而降低背向散射影响，实现长距离传输的高精度干涉测量。
本发明所述的利用偏振编码抑制背向散射的全光纤干涉装置如图2所示，包括信号发射模块(Ⅰ)、相位调制模块(Ⅱ)干涉测量模块(Ⅲ)及连接模块(Ⅳ)。其中：
第一光源(1)构成信号发射模块(Ⅰ)，产生偏振垂直的两束光波通过由环形器(2)构成的连接模块(Ⅳ)，进入相位调制模块(Ⅱ)；
第一偏振分束器(3)、延时保偏光纤(4)、传感保偏光纤(5)以及法拉第旋转镜(6)构成相位调制模块(Ⅱ)，可以实现同一物理场对x-偏振光和y-偏振光不同的相位调制；
相位调制后的光波通过过由环形器(2)构成的连接模块(Ⅳ)，进入由第二偏振分束器(7)、半波片(8)、合束器(9)及探测器(10)构成的干涉测量模块(Ⅲ)，实现x-偏振光和y-偏振光的相位信息的干涉测量，获取定位信息。
本发明利用偏振编码技术，使得相干射的两束光波偏振垂直且等光程传播，而干涉光路中的背向散射光不等光程传播。结合低相干干涉技术，达到有效光干涉的同时背向散射光无法干涉的目的，实现具有背向散射抑制特性的全光纤干涉方法。与传统全光纤干涉相比，本发明方法及装置通过偏振编码和低相干干涉技术，降低了背向散射的影响，实现长距离传输的高精度干涉测量。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (7)
1.一种利用偏振编码抑制背向散射的全光干涉方法，其特征在于，利用偏振对传输光波进行编码，使得相干涉的有效光波偏振垂直且等光程传播，而干涉光路中的背向散射光偏振垂直但不等光程传播；通过低相干干涉技术，使有效光干涉的同时背向散射光无法干涉，降低背向散射影响，实现长距离传输的高精度干涉测量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，x-偏振光和y-偏振光的同路径且等光程传播；其中，
所述x-偏振光沿延时保偏光纤和传感保偏光纤传输，并在法拉第旋转镜反射后变为y-偏振光继续沿着传感保偏光纤传输；所述y-偏振光沿着传感保偏光纤传输，并在法拉第旋转镜反射后变为x-偏振光继续沿着传感保偏光纤和延时保偏光纤传输；
当外界物理场作用在传感保偏光纤时，由于延时保偏光纤的存在，使得x-偏振光和y-偏振光通过同一物理场的时间不同，实现同一物理场对x-偏振光和y-偏振光不同的相位调制。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，x-偏振光的寄生背向散射光和y-偏振光的寄生背向散射光同路径但不等光程传播；其中，
所述x-偏振光的寄生背向散射光沿着延时保偏光纤和传感保偏光纤传输时，若未到达法拉第旋转镜而被传感保偏光纤中的散射点反射时，将以x-偏振继续沿着延时保偏光纤和传感保偏光纤传输；若达到法拉第旋转镜后，继续沿着传感保偏光纤传播时被散射点反射，也将继续以x-偏振继续沿着延时保偏光纤和传感保偏光纤传输；
所述y-偏振光的寄生背向散射光沿着传感保偏光纤传输时，若未到达法拉第旋转镜而被传感保偏光纤中的散射点反射，将以y-偏振继续沿着传感保偏光纤传输；若达到法拉第旋转镜后，继续沿着传感保偏光纤传播时被散射点反射，也将继续以y-偏振继续沿着延时保偏光纤和传感保偏光纤传输；
当外界物理场作用在传感保偏光纤时，x-偏振光的寄生背向散射和y-偏振光的寄生背向散射受到同一物理场的相位调制。
4.一种利用偏振编码抑制背向散射的全光干涉装置，其特征在于，包括：信号发射模块、相位调制模块、干涉测量模块及连接模块；其中，
所述信号发射模块由相干光源构成，其产生偏振正交的x-偏振光和y-偏振光；
所述相位调制模块由第一偏振分束器、延时保偏光纤、传感保偏光纤以及法拉第旋转镜构成，其用于实现同一物理场对x-偏振光和y-偏振光不同的相位调制；
所述干涉测量模块由第二偏振分束器、半波片、合束器及探测器构成，其用于实现x-偏振光和y-偏振光的干涉，实现相位测量；
所述连接模块由环形器构成，实现光信号在信号发射模块、相位调制模块及干涉模块的传播。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述相位调制模块与所述干涉测量模块独立运行，以实现背向散射抑制。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，由第一偏振分束器、延时保偏光纤、传感保偏光纤以及法拉第旋转镜构成的相位调制模块具有差分特性，其限定光路走向，降低光路中噪声光的种类。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置采用如权利要求1-3之任一项所述的方法。
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