CN113804302A - 一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种基于光频域移频干涉的分布式偏振串音快速测量装置，该装置包括可调谐激光源模块、待测器件模块、主干涉仪模块、辅助干涉仪模块和信号采集分析模块，其特征是：使用可调谐激光器进行快速的波长扫描，利用主干涉仪对干涉拍频信号进行频移，通过获取耦合光与传输光之间的光程差和归一化干涉信号幅值来分别确定偏振串音的位置和强度，同时还消除低频处的1/f闪烁噪声和光源扫频非线性引起的信号混叠问题。本发明结合可调谐激光器摆脱了偏振串音测量中对光程扫描延迟器的依赖，实现了无运动部件的全光纤结构，增强了测试系统的可靠性和稳定性，从原理上极大提升了偏振串音测量的速度和信噪比。
Description
技术领域
本发明设计属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置。
背景技术
保偏光纤又称高双折射光纤，通过人为添加应力的方式增大光纤的线性双折射，以免除外界环境引入的随机光纤微扰所带来的偏振影响，因此具有保持和控制偏振态的作用。附图2描述了熊猫型保偏光纤的横截面示意图，包含两个正交的折射率不同的特征轴、两个应力棒和纤芯，其中刻意放大纤芯以清晰地表示当中的光束。熊猫型保偏光纤在制造过程中在纤芯两侧被嵌入两个应力棒，由于应力棒与纤芯具有不同的热膨胀系数，导致在应力棒的中心连线方向产生热应力，此方向的折射率增大，形成慢轴。而垂直于慢轴的特征轴由于折射率小，即光在其中传输的速度快，因此形成快轴。这种保偏光纤的设计能够产生足够大的线性双折射，使在其中传输的两束方向正交的线偏振光在相同时间内传输的光程不同，进而形成光程差，避免两束光进行相互作用与干扰，使之能够以不同的偏振模式进行传播。
当光波经过耦合点(如熔接点、缺陷点、微扰点)时，工作在主轴中的线偏振光会耦合到其正交轴上，此现象称为偏振串音现象。通过测量沿传输方向的偏振串音分布，能够直接体现待测器件的偏振性能，且获得外部环境的应力、温度等信息。另外，偏振串音测试不仅可用于评估保偏光纤和偏振器件的性能以及外界环境的影响，还能为保偏光纤的生产检测、光纤环的绕制工艺、偏振器件之间的精确熔接对轴等提供必要的指导。
基于白光干涉原理的光学相干域偏振测量技术(OCDP)是一种分布式光学偏振串音特性检测的重要技术，主要致力于偏振串音位置和强度的高精度分析，进而对偏振光学器件的性能进行测试与评估。OCDP技术凭借其高测量灵敏度、高空间分辨率、大动态范围等优点，在保偏光纤高精度对轴、器件消光比测试、光纤陀螺环测试等领域得到了广泛的应用。
在测试速度与精度方面，为了提高测量效率，缓解光学相干域偏振测量技术OCDP中测试速度与测量精度相互牵制的问题，2017年申请人公开了一种共用干涉光路对光学偏振器件进行扫描的装置(一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置，201710050099.X)，减少了偏振串音测量装置的测试时间进而提升了测量效率。在测试量程方面，申请人于2013年公开了一种采用差分对称的光程扫描延迟器结构(一种光学相干域偏振测量装置，201310739314.9)和标定光学延迟线的装置(一种大量程光学延迟装置，201310739371.7)，前者实现了光强波动的自动补偿同时使总扫描光程增加了一倍，后者实现了光程的连续扩展和扫描。在动态范围方面，2016年申请人公开了一种提升动态范围的方法(一种用于光学相干域偏振计的大动态范围标定方法，201611073448.1)，通过改变保偏光纤的焊接对轴角度，实现了超过100dB的动态范围和高标定精度。
但在现有不断改进的光学相干域偏振测量技术OCDP方案中，依然存在着测试速度与精度的折衷问题。为了确保偏振串音测量的高精度，只能牺牲光程扫描的速度，让机械程控位移台进行缓慢移动扫描，因此光学相干域偏振测量技术中光程扫描精度与速度相互制约的问题没有得到根本性的解决。同时，由于光程扫描是利用机械程控位移台来控制的，运动部件易受外界环境干扰例如应力、振动、温度等的影响，进而引入微小但不可忽略的形变与误差，也增添了系统的不稳定性。发展光程扫描延迟器以扩大测试量程的方法也会增加系统的复杂度和带来额外的误差，虽然能够使测量范围在一定程度倍增，但扫描量程依然受限于光纤延迟线的长度，大扫描量程必然带来装置的大体积结构与不稳定性。另外，由于光学相干域偏振测量技术OCDP中使用的宽谱光源能量较低，信噪比受限，导致动态范围始终无法得到大跨越提升。
基于以上相干域偏振参量测量中存在的速度慢、信噪比低的问题，学者们尝试在频域上寻求解决方法，提出了偏振敏感的光频域反射技术(P-OFDR)，在光频域上进行分布式双折射和偏振模色散等偏振参量的测量。同时凭借其高灵敏度、长测试距离等优点，此技术还测量后向瑞利散射信号，并扩展到分布式振动传感和分布式声波传感等领域中。
2011年，天津大学刘铁根等人将光频域反射技术和偏振控制及提取技术相结合(偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法，201110237417.6)，利用基于琼斯和穆勒矩阵的偏振解算方法来获取传感光纤中的偏振信息。2014年，此课题组还提出了一种白光频域干涉测量系统(一种保偏光纤双折射色散测量方法，201410261385.7)，免除了机械扫描装置，通过光谱仪采集频域干涉信号，并采用三次相位函数进行数据处理，相较于传统相干域干涉测量，不仅缩短了测量时间且提升了测量精度。2017年，美国OLSZAK、Artur等人公开了一种光谱控制白光干涉测量法(True heterodyne spectrallycontrolled interferometry，US2017063615)，将共光路干涉与白光干涉相结合，利用声光调制器在延迟线装置的一臂产生频移，进而获得频谱域中以时变方式产生连续相移的拍频。2020年，美国Luna公司Kerger等人提出了从光频域测偏振的自相关和互相关解调方法(Calculation of distributed birefringence and polarization mode dispersionfrom optical frequency domain reflectometry，US2020028204)，利用P-OFDR获取后向瑞利散射信号再解调得到波导双折射信息，大幅提升了系统的信噪比和灵敏度。
偏振敏感的光频域反射技术(P-OFDR)相较于光学相干域偏振测量技术OCDP，充分利用可调谐激光器的特性大幅提升测量速度与信噪比，但却无法对关键性的偏振串音参量进行测量，而且存在严重的光源非线性扫频问题。
由于可调谐激光器的光频率不会随着时间进行理想的线性变化，因此相邻采样点之间会产生不同的光频间隔，导致傅里叶变换后的信号峰值发生下降和展宽，进而劣化空间分辨率与测量精度。2014年渥太华大学鲍晓毅使用了优化的扫频非线性补偿算法，在增加感测长度的同时保持高测量分辨率和精度，在长度大于300m的单模光纤上获得0.3mm的空间分辨率(X.Bao，et al，Long-Range High Spatial Resolution DistributedTemperature and Strain Sensing Based on Optical Frequency-DomainReflectometry.IEEE Photonics J.2014，6，6801408.)。南京大学张旭苹于2019年利用辅助干涉仪的过零点间隔对主干涉仪信号进行实时校正，并用三次样条插值法进行重采样，同时免除对辅助干涉仪延迟光纤的长度要求(一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，201910084695.9)。
本发明基于现有技术改进，提供了一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置，在光频域上实现透射式的偏振串音参量测量，充分发挥了频域测量的优势，并且用三次样条插值法对光源的非线性扫频进行了校正。本发明利用谱域扫描的方法免除掉时域的机械式扫描结构，实现了无运动部件的全光纤光路，光程扫描量程只与探测带宽和采样率有关，因此分布式偏振串音测试的量程得到了拓展。另外由于可调谐激光源的大能量所带来的高信噪比，本装置可在大幅提升偏振串音测量速率的同时实现更大的动态范围，还具有体积小、系统稳定可靠、易于实现等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种从原理上提升偏振串音测试的速度、从本质上提高信噪比和动态范围、从结构上减小偏振串音测试系统体积的基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置。
本发明的目的是通过如下措施来实现的：
一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置，包括可调谐激光源模块1、待测器件模块2、辅助干涉仪模块3和信号采集分析模块4，其特征是：
可调谐激光源模块1输出线性调频连续光501，从第一耦合器输入端502a注入第一耦合器502分为两束光；
第一耦合器第一输出端502c输出的光束注入待测器件模块2，在其中依次经过起偏器输入端尾纤201、起偏器202、起偏器输出端尾纤203、第一连接点204、待测器件输入端尾纤206a、第二连接点205、待测器件206、第三连接点207、待测器件输出端尾纤206b、第四连接点208、检偏器输入端尾纤209、检偏器210、检偏器输出端尾纤211后，由第一探测器212进行光电转换；
第一耦合器第二输出端502b输出的光束注入辅助干涉仪模块3；
待测器件模块2输出的主干涉信号214和辅助干涉仪模块3输出的辅干涉信号308输入信号采集分析模块4中的采集单元401，进行信号的模数转换，接着将存储的数字主干涉信号401a和数字辅干涉信号401b输入校正单元402，对激光器的非线性扫频进行校正，然后将已校正主干涉信号402a输入频谱分析单元403中，进行傅里叶变换获取频域信号403a，将其输入位置计算单元404内，在其中将某一耦合点的耦合光704与传输光701干涉产生的干涉拍频信号，通过频率扫描速率γ映射为时延τ′，根据时延τ′与光程差ΔL的关系ΔL＝cτ′/Δn，得到该耦合点的偏振串音位置708；另外将频谱分析单元403中获取的频域信号403a输入强度计算单元405内，以零频率处的干涉峰幅值为参考，对所有干涉峰的幅值进行归一化，归一化后的干涉峰幅值为A＝A1-A2，其中A1为归一化前干涉峰的幅值，A2为零频率处的干涉峰幅值，从而得到该耦合点的偏振串音强度709，完成分布式偏振串音测量后结束406；
可调谐激光源模块1的起始频率是v1，终止频率是v2，有v2-v1＝γτ，其中γ为频率扫描速率，τ为频率扫描时间，则空间分辨率为δ≤c/(v2-v1)Δn＝c/γτΔn，其中Δn为保偏光纤的线性双折射；
待测器件模块2的光程差为X1；
起偏器202的起偏角度为0°，起偏器输入端尾纤201为单模光纤，起偏器输出端尾纤203为保偏光纤；
检偏器210的检偏角度为45°，检偏器输入端尾纤209为保偏光纤，检偏器输出端尾纤211为单模光纤；
待测器件206的待测参量包含高消光比时，第一连接点204的熔接角度为θ1＝45°±25°，待测器件206的待测参量为一般耦合点的偏振串音时，第一连接点204的熔接角度为θ1＝0°±2°或θ1＝90°±2°；
第四连接点208的熔接角度为θ2＝0°±2°或θ2＝90°±2°；
从第二耦合器输入端301a注入第二耦合器301的光束被分为两束光，一束作为参考光由第二耦合器第一输出端301b注入参考臂302，另一束作为测试光由第二耦合器第二输出端301c注入延迟臂303，并在其中经过延迟光纤304，参考臂302和延迟臂303输出的光束在第三耦合器305中进行合束后再分成两束，分别由第二探测器306a和第三探测器306b进行差分探测；
辅助干涉仪模块3的光程差为X2，要求X2≥2X1；
采集单元401中，采样时间为t，采样率为fs，采样点数为M，要求t≥τ，即fs≥M/τ；
校正单元402的处理方法为利用三次样条插值法对数字主干涉信号401a进行激光器的非线性扫频校正；
强度计算单元405中，以起偏器202的消光比干涉峰的幅值为参考，对所有干涉峰的幅值进行归一化，归一化后的干涉峰幅值为A′＝A-A3，其中A3为起偏器202的消光比干涉峰的幅值。
对待测器件206进行分布式偏振串音测量的原理和过程如下：
起偏器202将窄线宽可调谐激光源模块1输出的线性调频连续光501变成线偏振光，并注入到待测器件206的工作主轴中(如快轴802)。根据附图3所示的光程追踪原理图，待测器件206两端分别与0°起偏器202和45°检偏器210相连，产生偏振串音强度不同的两个连接点，第一连接点204的熔接角度是θ1＝90°，第四连接点208的熔接角度是θ2＝0°。工作在主轴中的线偏振光在经过这两个连接点时会耦合到其正交轴上(如快轴802耦合到慢轴801)，形成耦合光704，而一直工作于主轴的线偏振光为传输光701，因此传输光701和耦合光704之间会产生时延、光程差和相位差。偏振串音强度为-40dB的第四连接点208对应a耦合光703，偏振串音强度为-30dB的第一连接点204对应b耦合光702。a耦合光703在慢轴801上传输所产生的与传输光701之间的光程差记为L1＝cτ1/Δn，b耦合光702在慢轴801上传输所产生的与传输光701之间的光程差记为L2＝cτ2/Δn，其中Δn为快轴802和慢轴801之间的折射率差，c为光速，τ1和τ2分别a耦合光703和b耦合光702的时延。因此只需获取τ1和τ2就能得到对应连接点的偏振串音位置708。
在光相干域中，是利用机械式光程扫描延迟器装置来对光程差进行补偿，光程扫描的长度对应不同耦合点产生的光程差，只有当光程差补偿到零时某一耦合点的耦合光与传输光才能干涉，从而在时域上形成相对应的分布式白光干涉信号。而本发明装置的扫描测试过程如附图3所示，图中的斜率γ代表频率扫描速率，Δτ代表测试时间，用频率不同的正弦波型来分别表示时域干涉拍频信号707，包含时域的a耦合光拍频信号706和时域的b耦合光拍频信号705。在光频域上利用线性调频连续光501，将传输光701和耦合光704之间的拍频通过频率扫描速率γ映射为时延，即通过测量和傅里叶变换得到第一连接点204和第四连接点208对应的拍频Δf1和Δf2，然后由映射关系得到时延τ1和τ2，接着根据时延与光程差的关系解调出对应连接点所产生的光程差L1＝cτ1/Δn和L2＝cτ2/Δn，从而得到偏振串音位置708。同时还以起偏器202的消光比干涉峰为参考，对第一连接点204和第四连接点208对应的干涉峰的幅值进行归一化，归一化后的干涉峰幅值为A′＝A1-A3，其中A1为归一化前干涉峰的幅值，A2为起偏器202的消光比干涉峰的幅值，从而得到连接点相对应的偏振串音强度709。
对于Y波导待测器件206Y，确定偏振串音位置708的方法如下：
1)起偏器输出端尾纤203是几何长度为l1的熊猫型保偏光纤，计算其对应的光程，记为S1＝l1×Δn；检偏器输入端尾纤209是几何长度为l2的熊猫型保偏光纤，计算其对应的光程，记为S2＝l2×Δn，其中Δn为保偏光纤的线性双折射；
2)待测器件输入端尾纤206a的几何长度为l3，待测器件输出端尾纤206b的几何长度为l4，Y波导待测器件206Y的芯片长度为l5，计算其对应的光程，记为S＝S3+S4+S5＝l3×Δn+l4×Δn+l5×ΔnY，其中Δn为保偏光纤的线性双折射，ΔnY是Y波导芯片的线性双折射；
3)若Y波导芯片的工作方式是快轴802工作，则消光比干涉特征峰对应的位置是|S1+S2+S3+S4+S5|；若Y波导芯片的工作方式是慢轴801工作，则消光比干涉特征峰对应的位置是|S1+S2+S3+S4-S5|；
4)当光束分别经过第一连接点204、第二连接点205、第三连接点207、第四连接点208耦合一次后，对应的四个一阶偏振串音干涉特征峰的位置分别为|S1|、|S3+S1|、|S4+S2|、|S2|，若l1＜l2，则干涉峰的位置分布为|S1|＜|S3+S1|＜|S2|＜|S4+S2|；若l1＞l2，则干涉峰的位置分布为|S2|＜|S4+S2|＜|S1|＜|S3+S1|；
5)当光束分别经过第一连接点204和第三连接点207、第一连接点204和第四连接点208、第二连接点205和第三连接点207、第二连接点205和第四连接点208耦合两次后，对应的四个二阶偏振串音干涉特征峰的位置分别为|S1+S2+S4|、|S1+S2|、|S1+S2+S3+S4|、|S1+S2+S3|。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明是一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置，在光频域上实现透射式的偏振串音参量测量，充分发挥了频域测量的优势，利用高相干的可调谐激光源对光信号进行快速的波长扫描，从而在频域解调后获取偏振串音的强度和位置信息。由于光源的大能量所带来的高信噪比，本装置可大幅提升测试速率，同时实现更大的动态范围。
2.本发明可以免除传统相干域偏振测试中的机械式扫描延迟器结构，光程扫描量程不再受限于光纤延迟线长度，只与探测带宽和采样率有关，因此分布式偏振串音测试的量程得到了极大拓展。本装置由于实现了无运动部件的全光纤光路，所以具有结构紧凑、稳定可靠、易于实现等优点，利于新技术的推广与普及。
附图说明
图1是一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量的装置示意图。
图2是熊猫型保偏光纤的切面结构示意图。
图3是基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量的原理示意图。
图4是对Y波导进行分布式偏振串音快速测量的装置示意图。
图5是对光纤环进行分布式偏振串音快速测量的装置示意图。
图6是光纤环的分布式偏振串音频域测试结果。
图7是光纤环的分布式偏振串音时域测试结果。
具体实施方式
为了更清晰地说明本发明提出的一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置，以下结合实施例与附图对本发明做更详细的描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
具体实施方式1，一种Y波导的分布式偏振串音快速测量装置，如附图4所示。
由可调谐激光源模块1、待测器件模块2、辅助干涉仪模块3和信号采集分析模块4四部分组成，其中：
1)可调谐激光源模块1输出线性调频连续光501，从第一耦合器输入端502a注入第一耦合器502分为两束光；
2)第一耦合器第一输出端502c输出的光束注入待测器件模块2，在其中经过起偏器202、起偏器输出端尾纤203、第一连接点204、待测器件输入端尾纤206a、第二连接点205、Y波导待测器件206Y、第三连接点207、待测器件输出端尾纤206b、第四连接点208、检偏器输入端尾纤209、检偏器210后，由第一探测器212进行光电转换；
3)第一耦合器第二输出端502b输出的光束注入辅助干涉仪模块3，被第二耦合器301分成两束，分别注入参考臂302和延迟臂303，延迟臂303包含了延迟光纤304，干涉仪两臂输出的光束在第三耦合器305中进行合束后再分成两束，然后分别由第二探测器306a和第三探测器306b进行差分探测；
4)待测器件模块2输出的主干涉信号214和辅助干涉仪模块3输出的辅干涉信号308输入信号采集分析模块4中进行采集、处理和解调。信号采集分析模块4由数据采集卡407和计算机处理单元408组成；数据采集卡407由labview软件来控制，用于对光电转换后的模拟电压信号进行同步采集和存储，转换为数字信号；计算机处理单元408用于控制信号的发生与接收，以及对数字信号进行处理和解调。
该发明装置主要光电器件的选择及其性能参数如下所述：
1)可调谐激光源模块1是能进行连续波长扫描的窄线宽可调谐激光器，波长调谐范围是1490nm～1630nm，开启高相干模式，波长扫描速率是80nm/s，波长扫描时间是1.75s，如采用Santec公司的TSL-770型激光器；
2)第一探测器212、第二探测器306a和第三探测器306b的光敏材料均为InGaAs，共模抑制比是25dB，光探测范围是900～1700nm，最大探测带宽是80MHz，饱和差分探测功率是55uW，跨阻抗增益50000V/A，最小噪声等效功率为
峰值响应度为1A/W，如采用NewFocus公司的1817型平衡探测器；
3)数据采集卡407的16位采样率为11.25MHz，采样点数21M，采样时间约为1.87s，结合激光器进行外部触发，如采用Spectrum Instrumentation公司的型号为M4i：4471-x8的采集卡，采样时间大于波长扫描时间，参数设计合理；
4)第一耦合器502的分光比为2∶98，第二耦合器301的分光比为50∶50，第三耦合器305的分光比为50∶50，消光比均大于20dB，插入损耗均小于0.5dB，工作波长覆盖1550nm波段；
5)起偏器202的工作波长覆盖1550nm波段，起偏角度为0°，插入损耗小于1dB，消光比大于30dB，起偏器输入端尾纤201为单模光纤，起偏器输出端尾纤203为直径125um的熊猫型保偏光纤，其保偏尾纤长度为l1＝10m，计算对应的光程S1＝l1×Δn≈0.5×104um，其中保偏光纤的线性双折射Δn取5×10-4；
6)检偏器210的工作波长覆盖1550nm波段，检偏角度为45°，插入损耗小于1dB，消光比大于30dB，检偏器输出端尾纤211为单模光纤，检偏器输入端尾纤209为直径80um的熊猫型保偏光纤，其保偏尾纤长度为l2＝20m，计算对应的光程S2＝l2×Δn≈1×104um，其中保偏光纤的线性双折射Δn取5×10-4。
7)第一连接点204的熔接角度为θ1＝45°，第四连接点208的熔接角度为θ2＝0°；
8)Y波导待测器件206Y以铌酸锂晶体作为芯片基底，消光比60dB，工作于快轴802，待测器件输入端尾纤206a的几何长度为l3＝1m，直径是125um，待测器件输出端尾纤206b的几何长度为l4＝2m，直径是80um，Y波导芯片长度为l5＝3.5cm，计算对应的光程S＝S3+S4+S5＝l3×Δn+l4×Δn+l5×ΔnY≈4770um，其中保偏光纤的线性双折射Δn取5×10-4，Y波导芯片的线性双折射ΔnY取9.34×10-2；
9)辅助干涉仪模块3采用单臂延迟光纤304为Δl＝1m的Mach-Zehnder光纤干涉仪结构，计算此实施例中辅助干涉仪模块3对应的光程差X2＝Δl×n＝1.468m，其中单模光纤的折射率n取1.468；计算此实施例中待测器件模块2对应的光程差X1＝S1+S2+S≈0.02m，满足X2≥2X1，参数设计合理；
10)消光比干涉特征峰对应的位置是|S1+S2+S3+S4+S5|≈19770um；
11)当光束分别经过第一连接点204、第二连接点205、第三连接点207、第四连接点208耦合一次后，对应的四个一阶偏振串音干涉特征峰的位置分别为|S1|＝0.5×104um、|S3+S1|＝0.55×104um、|S4+S2|＝1.1×104um、|S2|＝1×104um，由于l1＜l2，因此干涉峰的位置分布为|S1|＜|S3+S1|＜|S2|＜|S4+S2|；
12)当光束分别经过第一连接点204和第三连接点207、第一连接点204和第四连接点208、第二连接点205和第三连接点207、第二连接点205和第四连接点208耦合两次后，对应的四个二阶偏振串音干涉特征峰的位置分别为|S1+S2+S4|＝1.6×104um、|S1+S2|＝1.5×104um、|S1+S2+S3+S4|＝1.65×104um、|S1+S2+S3|＝1.55×104um。
具体实施方式2，一种光纤环的分布式偏振串音快速测量装置，如附图5所示。
该发明装置主要光电器件的选择及其性能参数如下所述：
1)可调谐激光源模块1是能进行连续波长扫描的窄线宽可调谐激光器，波长调谐范围是1510nm～1620nm，开启高相干模式，光源输出功率是6.4mW，波长扫描速率是80nm/s，波长扫描时间是1.375s，如采用Santec公司的TSL-550型激光器；
2)第一探测器212、第二探测器306a和第三探测器306b的光敏材料均为InGaAs，共模抑制比是25dB，光探测范围是900～1700nm，最大探测带宽是80MHz，饱和差分探测功率是55uW，跨阻抗增益50000V/A，最小噪声等效功率为
峰值响应度为1A/W，如采用NewFocus公司的1817型平衡探测器；
3)数据采集卡407的16位采样率为11.25MHz，采样点数16M，采样时间约为1.42s，结合激光器进行外部触发，电压设置范围是2V，如采用Spectrum Instrumentation公司的型号为M4i：4471-x8的采集卡，采样时间大于频率扫描时间，参数设计合理；
4)第一耦合器502的分光比为2∶98，第二耦合器301的分光比为50∶50，第三耦合器305的分光比为50∶50，消光比均大于20dB，插入损耗均小于0.5dB，工作波长覆盖1550nm波段；
5)起偏器202的工作波长覆盖1550nm波段，起偏角度为0°，插入损耗小于1dB，消光比大于30dB，起偏器输入端尾纤201为单模光纤，起偏器输出端尾纤203为直径80um的熊猫型保偏光纤，其保偏尾纤长度为l6＝20m，计算对应的光程S6＝l6×Δn≈1×104um，其中保偏光纤的线性双折射Δn取5×10-4；
6)检偏器210的工作波长覆盖1550nm波段，检偏角度为45°，插入损耗小于1dB，消光比大于30dB，检偏器输出端尾纤211为单模光纤，检偏器输入端尾纤209为直径80um的熊猫型保偏光纤，其保偏尾纤长度为l7＝20m，计算对应的光程S7＝l7×Δn≈1×104um，其中保偏光纤的线性双折射Δn取5×10-4；
7)第一连接点204的熔接角度为θ1＝0°，第四连接点208的熔接角度为θ2＝0°；
8)光纤环206R由直径80um的熊猫型保偏光纤组成，用光时域反射计OTDR实测的长度为l8＝1854m，计算对应的光程S8＝l8×Δnring≈1.08m，其中光纤环的线性双折射Δnring为5.81×10-4；
9)辅助干涉仪模块3采用单臂延迟光纤304为Δl2＝3m的Mach-Zehnder光纤干涉仪结构，计算此实施例中辅助干涉仪模块3对应的光程差X2＝Δl2×n≈4.4m，其中单模光纤的折射率n取1.468；计算此实施例中待测器件模块2对应的光程差X1＝S6+S7+S8≈1.10m，满足X2≥2X1，参数设计合理；
频域测试结果如附图6所示。干涉峰一601的纵坐标代表检偏器210所对应的归一化偏振串音强度，横坐标代表检偏器210所对应的归一化光程位置x1＝0m；干涉峰二602的纵坐标代表第四连接点208所对应的偏振串音强度C2＝-30.23dB，横坐标代表第四连接点208所对应的光程位置x2＝8.52mm，因此检偏器210的几何长度l7real＝(x2-x1)/Δn＝17.04m，其中保偏光纤的线性双折射Δn取5×10-4；干涉峰三603的纵坐标代表第一连C1＝0dB接点204所对应的偏振串音强度C3＝-27.61dB，横坐标代表第一连接点204所对应的光程位置x3＝1085.58mm；干涉峰四604的纵坐标代表起偏器202所对应的偏振串音强度C4＝-25.09dB，横坐标代表起偏器202所对应的光程位置x4＝1094.15mm，因此起偏器的几何长度l6real＝(x4-x3)/Δn＝17.14m，其中保偏光纤的线性双折射Δn取5×10-4；由测试结果得光纤环206R对应的几何长度为l8real＝(x3-x2)/Δnring≈1854m，与光时域反射计OTDR实测的长度一致。
该光纤环206R具有较为明显的第一特征峰605和第二特征峰606，干涉峰二602和干涉峰三603之间的一系列特征峰包含了此光纤环206R换层和换匝的分布式信息，根据测试结果的底噪607可估计动态范围约105dB。
时域测试结果如附图7所示，横轴为采样时间，单位是s，纵轴为信号幅值，单位是V，进行一次测试所需时间约1.375s。
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)
1.一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置，包括可调谐激光源模块(1)、待测器件模块(2)、辅助干涉仪模块(3)和信号采集分析模块(4)，其特征是：
1)可调谐激光源模块(1)输出线性调频连续光(501)，从第一耦合器输入端(502a)注入第一耦合器(502)分为两束光；
2)第一耦合器第一输出端(502c)输出的光束注入待测器件模块(2)，在其中依次经过起偏器输入端尾纤(201)、起偏器(202)、起偏器输出端尾纤(203)、第一连接点(204)、待测器件输入端尾纤(206a)、第二连接点(205)、待测器件(206)、第三连接点(207)、待测器件输出端尾纤(206b)、第四连接点(208)、检偏器输入端尾纤(209)、检偏器(210)、检偏器输出端尾纤(211)后，由第一探测器(212)进行光电转换；
3)第一耦合器第二输出端(502b)输出的光束注入辅助干涉仪模块(3)；
4)待测器件模块(2)输出的主干涉信号(214)和辅助干涉仪模块(3)输出的辅干涉信号(308)共同输入信号采集分析模块(4)中的采集单元(401)，进行信号的模数转换，接着将存储的数字主干涉信号(401a)和数字辅干涉信号(401b)输入校正单元(402)，对激光器的非线性扫频进行校正，然后将已校正主干涉信号(402a)输入频谱分析单元(403)中，进行傅里叶变换获取频域信号(403a)；将其输入位置计算单元(404)内，在其中将某一耦合点的耦合光(704)与传输光(701)干涉产生的干涉拍频信号，通过频率扫描速率γ映射为时延τ′，根据时延τ′与光程差ΔL的关系ΔL＝cτ′/Δn，得到该耦合点的偏振串音位置(708)；另外将频谱分析单元(403)中获取的频域信号(403a)输入强度计算单元(405)内，以零频率处的干涉峰幅值为参考，对所有干涉峰的幅值进行归一化，归一化后的干涉峰幅值为A＝A1-A2，其中A1为归一化前干涉峰的幅值，A2为零频率处的干涉峰幅值，从而得到该耦合点的偏振串音强度(709)，完成分布式偏振串音测量后结束(406)。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光源模块(1)，其特征是：
所述可调谐激光源模块(1)的起始频率是v1，终止频率是v2，有v2-v1＝γτ，其中τ为频率扫描时间，则空间分辨率为δ≤c/(v2-v1)Δn＝c/γτΔn，其中Δn为保偏光纤的线性双折射。
3.根据权利要求1所述的待测器件模块(2)，其特征是：
所述待测器件模块(2)的光程差为X1。
4.根据权利要求1所述的起偏器(202)和检偏器(210)，其特征是：
所述起偏器(202)的起偏角度为0°，起偏器输入端尾纤(201)为单模光纤，起偏器输出端尾纤(203)为保偏光纤；
所述检偏器(210)的检偏角度为45°，检偏器输入端尾纤(209)为保偏光纤，检偏器输出端尾纤(211)为单模光纤。
5.根据权利要求1所述的第一连接点(204)和第四连接点(208)，其特征是：
所述待测器件(206)的待测参量包含高消光比时，所述第一连接点(204)的熔接角度为θ1＝45°±25°，所述待测器件(206)的待测参量为一般耦合点的偏振串音时，所述第一连接点(204)的熔接角度为θ1＝0°±2°或θ1＝90°±2°；
所述第四连接点(208)的熔接角度为θ2＝0°±2°或θ2＝90°±2°。
6.根据权利要求1所述的辅助干涉仪模块(3)，其特征是：
从第二耦合器输入端(301a)注入第二耦合器(301)的光束被分为两束光，一束作为参考光由第二耦合器第一输出端(301b)注入参考臂(302)，另一束作为测试光由第二耦合器第二输出端(301c)注入延迟臂(303)，并在其中经过延迟光纤(304)，参考臂(302)和延迟臂(303)输出的光束在第三耦合器(305)中进行合束后再分成两束，分别由第二探测器(306a)和第三探测器(306b)进行差分探测；
所述辅助干涉仪模块(3)的光程差为X2，要求X2≥2X1。
7.根据权利要求1所述的信号采集分析模块(4)的采集单元(401)，其特征是：
所述采集单元(401)中，采样时间为t，采样率为fs，采样点数为M，要求t≥τ，即fs≥M/τ。
8.根据权利要求1所述的信号采集分析模块(4)的校正单元(402)，其特征是：
所述校正单元(402)的处理方法为利用三次样条插值法对数字主干涉信号(401a)进行激光器的非线性扫频校正。
9.根据权利要求1所述的信号采集分析模块(4)的强度计算单元(405)，其特征是：
以起偏器(202)的消光比干涉峰的幅值为参考，对所有干涉峰的幅值进行归一化，归一化后的干涉峰幅值为A′＝A-A3，其中A3为起偏器(202)的消光比干涉峰的幅值。
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