[發(fā)明專利]偏振敏感的分布式光頻域反射擾動傳感裝置和解調(diào)方法

有效

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• 申請日: 2011-08-18
• 公開（公告）號: CN102322880A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉鐵根;劉琨;丁振揚;江峻峰;李定杰
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學
• 主分類號: G01D5/30
• 分類號: G01D5/30
• 代理公司: 天津佳盟知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力;李益書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明應用于長距離光纖分布式擾動、應力傳感，涉及一種偏振敏感的分布式光頻域反射擾動傳感裝置和方法。

背景技術(shù)

目前，應用于長距離光纖分布式擾動、應力傳感，主要技術(shù)方案有激光干涉方法、相位敏感光時域反射方法和偏振敏感光時域反射方法，這些方法都存在測試距離短（<80km）,?本課題針對目前全光纖分布式擾動傳感技術(shù)：測試距離短（小于80km）、空間分辨率低（大于10m）、單點分立等缺陷。

由于上述技術(shù)的缺陷，將偏振特性提取與控制技術(shù)和光頻域反射（OFDR,Optical?Frequency?Domain?Reflectometry）相結(jié)合，提出了基于偏振敏感的光頻域反射擾動技術(shù)和裝置（P-OFDR）。

在用于光纖通訊網(wǎng)絡(luò)測試以及應力、溫度、擾動傳感等領(lǐng)域的已知的技術(shù)光頻域反射技術(shù)）采用高相干激光器進行高速和線性掃描波長，參考臂是由法拉第反射鏡反射的光與單模光纖背向散射光(瑞利反射光)相干。由于二者的光程不同，干涉端實際是不同頻率的兩臂光進行干涉，形成拍頻。通過探測不同的拍頻信號，就可以探測傳感光纖不同位置的背向散射信息。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在測試距離短（小于80km）、空間分辨率低（大于10m）和單點分立等問題，提供一種偏振敏感的分布式光頻域反射擾動傳感裝置和解調(diào)方法。

其基本原理是

偏振敏感的分布式光頻域反射擾動傳感裝置的基本原理是利用光頻域反射方法和偏振敏感檢測擾動方法的結(jié)合。

其中光頻域反射方法其采用光外差干涉技術(shù)，采用超窄線寬激光器進行高速和線性掃描波長，參考臂是由反射鏡反射的光與單模光纖背向散射光(瑞利反射光)相干。由于二者的光程不同，干涉端實際是，不同頻率的兩臂光進行干涉，形成拍頻。不同頻率的拍頻信號對應傳感光纖不同位置。通過FFT變換就可以得到不同位置的背向瑞利散射信息。

本發(fā)明裝置在傳統(tǒng)光頻域反射方法裝置上加入了光源光頻和相位監(jiān)視模塊以及核心干涉模塊中參考臂加入相位調(diào)制，通過相應的解調(diào)算法抑制了光源的相位噪聲、非線性掃描噪聲、以及瑞利相干散射噪聲，實現(xiàn)了高靈敏度、高信噪比。

偏振敏感檢測擾動方法的基本原理是外界擾動信息（振動、應力）等施加到傳感光纖上，根據(jù)光彈效應，外界擾動必然引起光纖中雙折射變化，進而導致光纖中光的偏振態(tài)變化，偏振敏感光頻域反射技術(shù)（P-OFDR），是將幾個已知偏振態(tài)的偏振光注入到普通通訊光纖中，通過偏振分集探測技術(shù)和光頻域反射的光外差相干探測技術(shù)，得到光纖中各個位置的偏振信息，可以通過偏振信息得到光纖中各個位置的雙折射信息，進行擾動傳感。

本發(fā)明裝置采用偏振產(chǎn)生模塊和偏振分束平衡探測模塊，可對傳感光纜注入兩到四種已知偏振態(tài)的偏振光（線偏振光、45°線偏振光、左旋圓偏振光、右旋圓偏振光），通過偏振分束平衡探測模塊的偏振本征態(tài)采集，利用串聯(lián)波片模型和瓊斯矩陣或穆勒矩陣算法，可以得到光纖中各個位置的波片模型，繼而得到光纖中各個位置的偏振信息，利用得到光纖中各個位置的線性雙折射、偏振相關(guān)損耗、圓雙折射等偏振參量與外界擾動（應力、振動）作用關(guān)系，實現(xiàn)分布式擾動傳感的目的。

本發(fā)明裝置采用拓展傳感距離和組成超長距離傳感網(wǎng)絡(luò)。

本發(fā)明提供的偏振敏感的分布式光頻域反射擾動傳感裝置如圖1所示，具體實現(xiàn)見圖2和圖3，該裝置包括：

1.??核心干涉模塊：采用馬赫曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder）結(jié)構(gòu)，是傳感光纖背向散射光與參考臂發(fā)生拍頻干涉，其中參考臂加入可編程門陣列調(diào)制的相位調(diào)制器（EOM）形成頻移，頻移值大于測試光纖產(chǎn)生最大拍頻，接收端通過帶通濾波器進行去噪和并用混頻器將頻率降下來，便于采集卡接受抑制瑞利散射相干噪聲（Fading?noise）和幻峰（Ghost?peak）。

2.??光源光頻和相位監(jiān)視模塊：由于激光器存在光頻非線性掃描和相位噪聲，這會嚴重影響系統(tǒng)空間分辨率和信噪比，采用消偏振邁克遜干涉儀（Michelson）干涉結(jié)構(gòu)，采用調(diào)制器相位調(diào)制，后續(xù)進行鎖相解調(diào)出干涉信號的相位，即可提取各個時間點的激光器的光頻與相位，采用校正與補償算法，解決這一問題。此外，也可以基于3×3耦合器的馬赫曾德耳(Mach?Zehnder)干涉儀結(jié)構(gòu),利用3×3耦合器的端口輸出的120°相位差，通過采集兩路3×3耦合器的端口輸出的信號，通過一定三角函數(shù)運算關(guān)系，可以得到各個時間點的激光器的光頻與相位。

3.??偏振產(chǎn)生模塊：利用其產(chǎn)生幾種固定偏振態(tài)，便于后面的偏振信息解算。