[發明專利]三脈沖錯位干涉的光柵增強型分布式振動解調系統及方法

有效

• 申請號: 202110389593.5
• 申請日: 2021-04-12
• 公開（公告）號: CN113188647B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 李政穎;吳軍;鄧振宇;傅雪蕾
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 武漢紅觀專利代理事務所(普通合伙) 42247
• 代理人: 陳凱

本發明公開了一種三脈沖錯位干涉的光柵增強型分布式振動解調系統，它包括激光器、脈沖光調制器、三脈沖生成保偏結構、第一摻鉺光纖放大器、第一光環形器、光纖光柵陣列、第二摻鉺光纖放大器、第二光環形器、三分三光耦合器、第一法拉第旋轉鏡、第二法拉第旋轉鏡和四通道數據采集卡。本發明基于分布式光纖光柵振動傳感系統，采用三脈沖錯位干涉和三分三光耦合器數字相位解調技術，利用XX，XY脈沖對干涉可見度互補，通過選擇較優的進行解調，從而實現了在分布式光纖光柵振動傳感系統中抗偏振衰落，干涉信號高可見度。

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，具體地指一種三脈沖錯位干涉的光柵增強型分布式振動解調系統及方法。

背景技術

光纖傳感技術自問世以來，就憑借諸多優勢而被廣泛關注并深入研究。光纖作為傳感器因為無源，體積小，易復用被廣泛研究與應用。利用相位敏感光時域反射技術的光纖傳感系統，又具有高靈敏度的特點，在許多領域都具有十分重要的應用價值，較傳統的電類傳感系統在各種惡劣環境中具有更優異的傳感性能和更廣闊的應用前景。為了提高定位精度和檢測靈敏度以實現對微小信號的傳感，研究人員在傳統的系統中引入了弱光柵陣列，以弱光纖光柵陣列中相鄰兩個光柵之間的光纖為傳感單元，實現了高精度高靈敏度的基于時分復用的分布式探測系統。振動是自然界最普遍的現象之一，獲取振動信號在各領域都有巨大的作用，也是光柵增強型分布式傳感技術中的一個重要研究方向和應用領域，在地震波檢測、石油勘探和水下軍事等領域有著廣闊的應用前景。

目前，制約分布式干涉型光纖光柵振動傳感系統在實際中大范圍應用的問題就是偏振誘導衰落。光通過在各向異性晶體時，會發生雙折射現象。雙折射現象使光波分解成振動方向互相垂直，傳播速度不同，折射率不等的兩種偏振光，其中遵從折射定律的稱為o光，另一個不遵從折射定律的稱為e光。理想情況下，即假設光纖截面為正圓、長向無彎曲、材料無雜質、兩者相速相同、相位相等情況下，其合成光為線偏振光。但是在實際情況下，單模光纖在制造、使用過程中存在一些問題，比如制造工藝欠完善等原因造成材料分布不均勻，導致使用過程中光纖被彎曲、扭曲而產生形變和內應力等。這些問題會導致光纖介質的光學各向異性，產生雙折射。在大規模的分布式干涉型傳感系統中，系統的光纖雙折射效應會導致在光纖中傳輸的光的偏振態發生隨機的變化，偏振態的隨機變化會使得輸出端的干涉信號的干涉可見度在0到1之間隨機變化，如果兩干涉光的偏振態是正交的，那么干涉光的干涉可見度為0，就會發生偏振衰落。可見度的減小會導致解調后的信號信噪比降低，甚至解調不出信號，在實際應用中就會產生誤判問題或者得不到需要的信號，因此偏振衰落是影響其性能的一個重要問題。偏振衰落的抑制技術是干涉型傳感器走向應用的關鍵技術之一。

目前，常用的解決偏振衰落問題的方法有光路全保偏技術、偏振分集接收技術、擾偏法、法拉第旋鏡法、偏振切換技術等。光路全保偏技術是將光路中的普通光器件更換為保偏光器件，光路中基本沒有雙折射效應，但是成本較高且不易于復用；偏振分集接收技術在接收端依據偏振方向進行檢偏，通常是三路接收端，偏振態在空間上互為60度，這可以保證三個接收端中至少有一路不會產生偏振衰落，但是這種方法使得接收端復雜同時最小可見度僅為0.38；擾偏法是使用擾偏器將光路中的線偏光高速調制為消偏光，這種方法保證干涉光不會收到偏振態的影響，但是會引入較大的偏振噪聲同時降低光強；法拉第旋鏡法利用法拉第旋鏡使光路中往返時的雙折射效應抵消，但是每個傳感點都需要兩個法拉第旋鏡，成本太高，適用面較窄；偏振切換技術使用偏振控制器使輸出脈沖的偏振態在兩種正交的方向變化(設為X，Y方向)，通過構建傳感光纖的瓊斯矩陣消除偏振衰落的影響，可以達到可見度恒定為1，但是偏振切換技術系統中需要偏振切換器，無法做到無源且偏振切換器需要負反饋控制，此外因為需要得到同一個傳感區4個干涉脈沖才能解調一次信號，采樣率的利用率只有實際的1/4。

現有的抗偏振衰落方法都有其各自的缺點，且大部分的方法成本都不算低，因此需要尋找一種最小可見度高，適用面廣同時性價比高的抗偏振衰落方法。

發明內容