[發明專利]基于圓偏振光干涉的自發布里淵散射光纖傳感方法與裝置

有效

• 申請號: 201811223809.5
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN109211289B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 魏正軍;唐敏;關洪果;陶志遠;管曉軍;王金東;張智明;郭健平
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01K11/322;G01L1/24
• 代理公司: 廣州容大知識產權代理事務所(普通合伙) 44326
• 代理人: 劉新年;潘素云

1.一種基于圓偏振光干涉的自發布里淵散射光纖傳感方法，其特征在于，包括如下步驟：

在光源發射端，連續激光信號在經過第一光分束耦合器后分為兩路；第一路連續激光信號被調制成脈沖光信號進入傳感光纖傳輸，脈沖光信號傳輸一段距離后會在傳感光纖某處產生后向布里淵散射光信號，該后向散射光信號的頻移與所測應變和溫度變化量相關聯，因此將后向散射光作為信號光；第二路連續激光信號作為參考光，將線偏振態參考光轉換成圓偏振態參考光之后參考光進入第二光分束耦合器與后向散射光信號發生干涉，干涉后的光信號被平衡探測器轉化為電信號，最后通過測量布里淵頻移量來測量傳感光纖處的應變和溫度信息；

第二路參考光在與第一路偏振狀態隨機變化的后向散射光信號發生干涉之前，參考光經過偏振控制器后將偏振狀態轉化為圓偏振態，即利用圓偏振光振動方向高速旋轉且變化均勻的特點來解決干涉時兩路光偏振態不一致導致干涉效果不理想的問題；

當圓偏振光作為參考光時，圓偏振光在光纖傳感的取樣時間內偏振方向轉動足夠多的圓周，從而達到偏振方向在統計上均勻分布，圓偏振光在光纖傳感的取樣范圍內轉動的圓周數計算如下：

令圓偏振光E的表達式為：

上述所述和分別是x、y軸的單位矢量，即圓偏振光分解為兩個正交的線偏振光，A為圓偏振光振幅，k為波矢，z為光傳播的距離，ω是電矢量偏振頻率，它與入射光波長有關；當系統中入射光波長λ＝1550nm,光速c＝3×10⁸m/s,則此時圓偏振光的偏振頻率為：

當空間分辨率ΔL一定時，要測量光纖某處應變和溫度變化量則要令圓偏振的參考光與光纖待測量處的后向散射光干涉，為使干涉情況理想，在通過空間分辨率ΔL的時間Δt內，圓偏振光的振動方向變化必須旋轉足夠多的圓周，則：

其中n為折射率，T是轉動一個圓周的周期，X是Δt時間內旋轉圓周數，將式(23)代入式(24)可知：

其中即周期T與頻率f互為倒數，上述式(25)為在通過空間分辨率ΔL的時間Δt的時間中旋轉角度的表達式，且該旋轉角度與偏振頻率成正比關系；

因此，由式(22)可知圓偏振光的頻率1.94×10¹¹KHz，代入到式(25)可知，在空間分辨率為0.1米的系統中圓偏振光的角度為0.59×10⁶rad即2π的94413倍。

2.一種應用于如權利要求1所述的方法的基于圓偏振光干涉的自發布里淵散射光纖傳感裝置，其特征在于，包括窄線寬激光器、第一光分束耦合器、電光強度調制器、環形器、偏振控制器、第二光分束耦合器、平衡探測器、微波信號發生器、混頻器和數據處理模塊；

窄線寬激光器輸出連續激光信號，連續激光信號經過第一光分束耦合器把光路分為兩路；

第一路連續激光信號被電光強度調制器轉換為脈沖光信號經過環形器后進入傳感光纖，脈沖光信號在傳輸過程中產生后向散射光；

第二路線偏振的連續激光信號作為參考光在通過偏振控制器后偏振態將變為圓偏振態；

圓偏振連續激光信號與后向散射光信號在第二光分束耦合器中進行干涉，干涉后光信號經過平衡探測器進行光電轉換成電信號，再經過微波信號發生器和混頻器進行電域掃頻，得到布里淵散射頻譜信息，最后通過數據處理模塊進行采集處理以此獲得該處的應變和溫度信息；

第二路參考光在與第一路偏振狀態隨機變化的后向散射光信號發生干涉之前，參考光經過偏振控制器后將偏振狀態轉化為圓偏振態，即利用圓偏振光振動方向高速旋轉且變化均勻的特點來解決干涉時兩路光偏振態不一致導致干涉效果不理想的問題。