專利名稱：偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感裝置和解調(diào)方法
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(yīng)用于長(zhǎng)距離光纖分布式擾動(dòng)、應(yīng)力傳感， 涉及一種偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感裝置和方法。
背景技術(shù)：
目前，應(yīng)用于長(zhǎng)距離光纖分布式擾動(dòng)、應(yīng)力傳感，主要技術(shù)方案有激光干涉方法、相位敏感光時(shí)域反射方法和偏振敏感光時(shí)域反射方法，這些方法都存在測(cè)試距離短 (<80km)，本課題針對(duì)目前全光纖分布式擾動(dòng)傳感技術(shù)測(cè)試距離短(小于80km)、空間分辨率低(大于10m)、單點(diǎn)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(dòng)技術(shù)和裝置(P-OFDR)。在用于光纖通訊網(wǎng)絡(luò)測(cè)試以及應(yīng)力、溫度、擾動(dòng)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(jìn)行高速和線性掃描波長(zhǎng)，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(shí)際是不同頻率的兩臂光進(jìn)行干涉，形成拍頻。通過(guò)探測(cè)不同的拍頻信號(hào)，就可以探測(cè)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(cè)試距離短(小于80km)、空間分辨率低(大于 IOm)和單點(diǎn)分立等問(wèn)題，提供一種偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)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(dòng)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(cè)擾動(dòng)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(jìn)行高速和線性掃描波長(zhǎng)，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(shí)際是，不同頻率的兩臂光進(jìn)行干涉，形成拍頻。不同頻率的拍頻信號(hào)對(duì)應(yīng)傳感光纖不同位置。通過(guò)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(guò)相應(yīng)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(shí)現(xiàn)了高靈敏度、高信噪比。偏振敏感檢測(cè)擾動(dòng)方法的基本原理是外界擾動(dòng)信息(振動(dòng)、應(yīng)力)等施加到傳感光纖上，根據(jù)光彈效應(yīng)，外界擾動(dòng)必然引起光纖中雙折射變化，進(jìn)而導(dǎo)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-0FDR)，是將幾個(gè)已知偏振態(tài)的偏振光注入到普通通訊光纖中，通過(guò)偏振分集探測(cè)技術(shù)和光頻域反射的光外差相干探測(cè)技術(shù)，得到光纖中各個(gè)位置的偏振信息，可以通過(guò)偏振信息得到光纖中各個(gè)位置的雙折射信息，進(jìn)行擾動(dòng)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(cè)模塊，可對(duì)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(guò)偏振分束平衡探測(cè)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(gè)位置的波片模型，繼而得到光纖中各個(gè)位置的偏振信息，利用得到光纖中各個(gè)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(dòng)(應(yīng)力、振動(dòng))作用關(guān)系，實(shí)現(xiàn)分布式擾動(dòng)傳感的目的 。本發(fā)明裝置采用拓展傳感距離和組成超長(zhǎng)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(dòng)傳感裝置如圖1所示，具體實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖2和圖3，該裝置包括
1. 核心干涉模塊采用馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x(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(mén)陣列調(diào)制的相位調(diào)制器(EOM)形成頻移，頻移值大于測(cè)試光纖產(chǎn)生最大拍頻，接收端通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行去噪和并用混頻器將頻率降下來(lái)，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(huì)嚴(yán)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(jìn)行鎖相解調(diào)出干涉信號(hào)的相位，即可提取各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的激光器的光頻與相位，采用校正與補(bǔ)償算法，解決這一問(wèn)題。此外，也可以基于3X3耦合器的馬赫曾德耳(Mach Zehnder)干涉儀結(jié)構(gòu)，利用3X3耦合器的端口輸出的120°相位差，通過(guò)采集兩路3X3耦合器的端口輸出的信號(hào)，通過(guò)一定三角函數(shù)運(yùn)算關(guān)系，可以得到各個(gè)時(shí)間點(diǎn)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。4.偏振分束平衡探測(cè)模塊將進(jìn)入其中的光分解為正交本征的兩態(tài)并采集，功能是抑制偏振衰落和得到偏振信息，平衡探測(cè)模塊可以已知共模噪聲，提升信噪比3dB。5.光源調(diào)諧驅(qū)動(dòng)模塊為光源調(diào)諧提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，采用可編程門(mén)陣列(FPGA)和20 位數(shù)摸轉(zhuǎn)換器組成。6.可調(diào)諧激光器提供高速線性調(diào)諧的超窄線寬連續(xù)線偏振光。7.高速光開(kāi)關(guān)便于切換傳感光纜，可以利用光開(kāi)關(guān)拓展傳感距離和組成超長(zhǎng)距離傳感網(wǎng)絡(luò)。8.高速采集模塊用于采集核心干涉模塊和光源光頻和相位監(jiān)視模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行高速同步采集。9.計(jì)算機(jī)對(duì)高速采集模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)和信號(hào)處理。10.傳感光纜，由普通通訊光纜或振動(dòng)傳感光纜構(gòu)成，使用時(shí)只使用單芯，布設(shè)于圍欄、大型結(jié)構(gòu)等需要擾動(dòng)監(jiān)測(cè)的位置。
傳感裝置各模塊具體組成和連接方式見(jiàn)圖2
可調(diào)諧激光器6 用于為光頻域反射系統(tǒng)提供光源，包括超窄線寬可調(diào)諧光纖激光器、 外腔式半導(dǎo)體激光器；光源調(diào)諧驅(qū)動(dòng)模塊5 與可調(diào)諧激光器連接，為可調(diào)諧激光器提供調(diào)諧驅(qū)動(dòng)，是一種超低紋波的電壓驅(qū)動(dòng)器，由高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、可編程門(mén)陣列、放大器組成；
1 :99光分束器12 將 激光器的出射光進(jìn)行1 :99比例分束，分別分配到核心干涉模塊1 和光源相位光頻監(jiān)視模塊2 ；
光源光頻和相位監(jiān)視模塊2 用于對(duì)激光器光頻的采集和監(jiān)控，可以采用兩種結(jié)構(gòu)一種是消偏振邁克遜干涉儀(Michelson)干涉儀結(jié)構(gòu)；第二種結(jié)構(gòu)是基于3X3耦合器的馬赫曾德耳干涉儀(Mach Zehnder)結(jié)構(gòu)如圖3。其中消偏振邁克遜干涉儀(Michelson)干涉包括隔離器13 防止50 50耦合器15的2端口的反射光進(jìn)入激光器。50 50耦合器15用于光干涉，光從耦合器15的2端口進(jìn)入，從3、4端口出射，分別被邁克遜干涉儀兩臂的法拉第轉(zhuǎn)鏡17和18反射，返回到3、4端口，兩束光在耦合器15中發(fā)生干涉，從1端口輸出。兩個(gè)法拉第轉(zhuǎn)鏡17和18用為干涉儀提供反射，且可以消除干涉儀的偏振衰落現(xiàn)象。延遲光纖 16，用于實(shí)現(xiàn)非等臂的拍頻干涉，可以根據(jù)拍頻和延遲光纖長(zhǎng)度得到光頻。干涉探測(cè)器14， 用于采集耦合器15從1端口出射光，即光源相位光頻監(jiān)視模塊2的拍頻信號(hào)。相位調(diào)制器 16，用于對(duì)干涉儀的一臂進(jìn)行相位調(diào)制，便于后續(xù)的鎖相解調(diào)出干涉信號(hào)的相位。基于3 X 3 耦合器的馬赫曾德耳(Mach Zehnder)干涉儀結(jié)構(gòu)如圖3，其包括50 :50分束器33，用于入射光的50 50分束，經(jīng)過(guò)延遲光纖34，進(jìn)入3 X 3耦合器進(jìn)行干涉35，3 X 3耦合器的兩個(gè)端口分別接入兩個(gè)探測(cè)器36和37光接口，其采集的電信號(hào)接入高速采集模塊。核心干涉模塊1 是光頻域反射儀的核心，由可調(diào)保偏衰減器20，保偏振分束器 21、參考臂、測(cè)試臂以及保偏耦合器24組成，其可調(diào)保偏衰減器20，用于調(diào)節(jié)光強(qiáng)大小，保偏分束器21，將光以一定比例50 50,20 80,30 :70或40 :60分配到干涉儀的參考臂和測(cè)試臂。其中比例的選擇，根據(jù)測(cè)試光纖中受激布里淵吸收效應(yīng)較大時(shí)，選擇比例較大的如20 80，30 :70，受激布里淵吸收效應(yīng)較小時(shí)，選擇比例如50 50,40 :60。參考臂由相位調(diào)制器22和45度對(duì)準(zhǔn)器23組成，其中參考臂光纖是保偏光纖。相位調(diào)制器22用可編程門(mén)陣列31以測(cè)試的最大拍頻值為調(diào)制頻率值調(diào)制，后續(xù)將采集信號(hào)做高通濾波，可以抑制瑞利散射相干噪聲(Fading noise)和幻峰(Ghost peak)。45度對(duì)準(zhǔn)器23將保偏光纖快軸和慢軸45度對(duì)軸，保證參考臂快慢軸有等量光強(qiáng)。核心干涉模塊1的測(cè)試臂上連接核心干涉模塊1的測(cè)試臂上連接偏振產(chǎn)生模塊3 中偏振產(chǎn)生器38，傳感光纜10和11的背向散射光經(jīng)過(guò)高速光開(kāi)關(guān)7和偏振產(chǎn)生模塊3中的環(huán)行器進(jìn)入保偏耦合器24的第二端口，核心干涉模塊3的參考臂光進(jìn)入保偏耦合器24 的第一端口，傳感光纜10和11的背向散射光與參考臂光在保偏耦合器24中發(fā)生拍頻干涉產(chǎn)生拍頻干涉信號(hào)，其拍頻信號(hào)從保偏耦合器24的第三端口和第四端口進(jìn)入偏振分束平衡探測(cè)模塊4 ；
偏振產(chǎn)生模塊3，包括偏振產(chǎn)生器38和環(huán)形器29，偏振產(chǎn)生器38能夠產(chǎn)生固定幾種偏振態(tài)的光包括線偏光、45度線偏光、左旋圓偏光或右旋圓偏光，為后面算法處理提供已知的參考偏振態(tài)；環(huán)行器29為雙軸工作的保偏環(huán)行器，其作用是連接偏振產(chǎn)生器38，高速光開(kāi)關(guān)7以及核心干涉模塊1的保偏耦合器24，具體連接方式將光由第一端口進(jìn)入環(huán)行器，從第二端口進(jìn)入高速光開(kāi)關(guān)7，與連接的高速光開(kāi)關(guān)的傳感光纜的背向散射光通過(guò)環(huán)行器的第二端口返回，從環(huán)行器的第三端口進(jìn)入核心干涉模塊1的保偏耦合器24的第一端口和第二端口高速光開(kāi)關(guān)7，連接傳感光纜10和11可以實(shí)現(xiàn)多路傳感光纜的傳感，拓展了系統(tǒng)的測(cè)試距離，便于形成大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)。
偏振分束平衡探測(cè)模塊4 包括兩個(gè)偏振分束器25和26以及兩個(gè)平衡探測(cè)器27和28 ； 其中偏振分束器25和26將進(jìn)入其中的核心干涉模塊1輸出拍頻信號(hào)分解成偏振本征正交的快慢軸兩個(gè)分量； 其中兩個(gè)偏振分束器25和26的快軸分量進(jìn)入第一個(gè)平衡探測(cè)器27， 慢軸分量進(jìn)入第二個(gè)平衡探測(cè)器28 ；
高速采集模塊8，用于采集偏振分束平衡探測(cè)模塊的第一和第二平衡探測(cè)器27和28、 光源光頻和相位監(jiān)視模塊的探測(cè)器14 (第一種結(jié)構(gòu))或探測(cè)器36和37 (第二種結(jié)構(gòu))的干涉信號(hào)。計(jì)算機(jī)9，高速采集模8塊采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括光源光頻和相位模塊2 的相位、光頻的提取和解調(diào)算法以及對(duì)于核心干涉模塊1產(chǎn)生的拍頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，為光源調(diào)諧驅(qū)動(dòng)模塊5提供控制信號(hào)
傳感光纜10和11，由普通通訊光纜或振動(dòng)傳感光纜構(gòu)成，使用時(shí)只使用單芯，布設(shè)于圍欄、大型結(jié)構(gòu)等需要擾動(dòng)監(jiān)測(cè)的位置。具體技術(shù)方案解調(diào)方法包括幾步驟
第一步、激光器實(shí)時(shí)相位光頻采集，對(duì)光源光頻和相位監(jiān)視模塊采集的信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換或三角函數(shù)變換和時(shí)頻域變換得到各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的激光器的光頻或相位；
第二步、利用第一步實(shí)時(shí)采集的激光器的光頻和相位的信號(hào)，采用非均勻快速傅立葉變換或補(bǔ)償插值算法，對(duì)核心干涉模塊的信號(hào)中包括偏振本征態(tài)的兩路信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，以抑制光頻非線性和光源相位噪聲對(duì)系統(tǒng)信噪比和空間分辨率的影響；
第三步、對(duì)經(jīng)過(guò)第二步補(bǔ)償 后核心干涉模塊的信號(hào)進(jìn)行譜分析以下兩種方法中任一種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行譜估計(jì)，其具體方法分為非參數(shù)化譜估計(jì)和參數(shù)化譜估計(jì)兩種方法。其中第一種方法，非參數(shù)化譜估計(jì)方式的處理方法對(duì)第二步處理處理后的信號(hào)采用窗函數(shù) 凱澤窗或高斯窗，來(lái)抑制信號(hào)旁瓣，然后采用先進(jìn)窗技術(shù)卷積窗和空間變跡法或切趾法對(duì)信號(hào)處理進(jìn)一步抑制信號(hào)旁瓣；第二種方法另外采用參數(shù)化譜估計(jì)的方式對(duì)第二步處理處理后的信號(hào)采用自回歸滑動(dòng)平均模型或自回歸模型或多重信號(hào)分類等參數(shù)化方法對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)超分辨率分析；
第四步、對(duì)第三步處理后的信號(hào)進(jìn)行去噪處理，具體方法小波去噪，維納反卷積自適應(yīng)去噪，中值去噪，形態(tài)學(xué)去噪，偏微分去噪和基于局部統(tǒng)計(jì)特征去噪；如圖3是未采用第三步抑制旁瓣的先進(jìn)窗技術(shù)和第四步去噪處理的信號(hào)，圖3是采用第三步抑制旁瓣的先進(jìn)窗技術(shù)和第四步去噪處理的信號(hào)
第五步、采用以下兩種方法中任一種方法對(duì)第四步處理后的信號(hào)進(jìn)行基于光纖分布式波片模型的偏振解算
第一種方法通過(guò)偏振產(chǎn)生器和偏振分束探測(cè)，已知輸入和輸出光的偏振態(tài)和瓊斯向量，利用瓊斯矩陣的相似矩陣求本征值法，這種方法只需輸入兩個(gè)偏振態(tài)，就得到測(cè)試光纖中各個(gè)小段的瓊斯矩陣，即可得測(cè)試光纖中各個(gè)小段到線性雙折射和線性雙衰減；
第二種方法通過(guò)偏振產(chǎn)生器和偏振分束探測(cè)，已知輸入和輸出光的斯托克斯向量，利用矩陣運(yùn)算，得到測(cè)試光纖中各個(gè)小段的分布式穆勒矩陣，即可得測(cè)試光纖中各個(gè)小段到線性雙折射和線性 雙衰減，圓雙折射。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果
本發(fā)明提出的基于偏振敏感的光頻域反射擾動(dòng)裝置和方法(P-0FDR)，具有測(cè)試距離長(zhǎng) (>200km)、空間分辨率高(厘米級(jí))、靈敏度高、可以連續(xù)多點(diǎn)測(cè)量的特點(diǎn)?？蓱?yīng)用于長(zhǎng)距離周界安全、油氣管道安全等電力、通訊線纜安全實(shí)時(shí)監(jiān)控領(lǐng)域。


圖1是偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感裝置框圖中，1是核心干涉模塊，2是光源光頻和相位監(jiān)視模塊，3是偏振產(chǎn)生模塊，4是偏振分束平衡探測(cè)模塊，5是光源調(diào)諧驅(qū)動(dòng)模塊，6是可調(diào)諧激光器，7是高速光開(kāi)關(guān)，8是高速采集模塊，9是計(jì)算機(jī)，10是傳感光纜。11是傳感光纜。圖2是偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感裝置具體結(jié)構(gòu)一示意圖3是偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感裝置中光源光頻和相位監(jiān)視模塊的第二種具體結(jié)構(gòu)基于3X3耦合器的馬赫曾德耳干涉儀(Mach Zehnder)結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖4是未采用去噪和窗技術(shù)處理的信號(hào)譜。圖5是采用去噪和窗技術(shù)處理的信號(hào)譜。圖中，1是核心干涉模塊，2是光源光頻和相位監(jiān)視模塊，3是偏振產(chǎn)生模塊，4是偏振分束平衡探測(cè)模塊，5是光源調(diào)諧驅(qū)動(dòng)模塊，6是可調(diào)諧激光器，7是高速光開(kāi)關(guān)，8是高速采集模塊，9是計(jì)算機(jī)，10是傳感光纜。11是傳感光纜。12是分束器(1 :99) 13是隔離器， 14是探測(cè)器，15是耦合器，16是延遲光纖，17是法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，18是法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，19相位調(diào)制器，20是可調(diào)衰減器，21是保偏分束器，22是相位調(diào)制器，23是45度對(duì)準(zhǔn)器，，24是保偏耦合器，25是偏振分束器，26是偏振分束器，27是第一平衡探測(cè)器，28是第二平衡探測(cè)器，29保偏環(huán)行器，30是高精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器，31是可編程門(mén)陣列(FPGA) 32是放大器。33 是50:50分束器，34是延遲光纖，35是3X3耦合器，36是探測(cè)器1和37是探測(cè)器2。38 是偏振產(chǎn)生器。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感裝置
如圖ι所示，核心干涉模塊1其基本結(jié)構(gòu)是馬赫曾德耳(Mach Zehnder)干涉儀結(jié)構(gòu)，構(gòu)成光外差干涉結(jié)構(gòu)；光源光頻和相位監(jiān)視模塊2，其主要是采集激光器實(shí)時(shí)的光頻和相位， 用以對(duì)核心干涉模塊的信號(hào)進(jìn)行非線性掃描和相位噪聲補(bǔ)償；偏振產(chǎn)生模塊3和偏振分束平衡探測(cè)模塊4實(shí)現(xiàn)傳感光纜中偏振信息的提??；光源調(diào)諧驅(qū)動(dòng)模塊5和可調(diào)諧激光器6 為偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感裝置提供高速和線性掃描波長(zhǎng)的窄線寬激光光源；高速光開(kāi)關(guān)7用于構(gòu)建長(zhǎng)距離大規(guī)模的傳感網(wǎng)絡(luò)；高速采集模塊8用于采集核心干涉模塊1和光源光頻和相位監(jiān)視模塊2的信號(hào)；計(jì)算機(jī)9是對(duì)高速采集模塊采集的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和信號(hào)處理，最終得到傳感光纜上分布式的擾動(dòng)(振動(dòng)、應(yīng)力)信息；傳感光纜10和11 由普通通訊光纜或振動(dòng)傳感光纜構(gòu)成，使用時(shí)只使用單芯，布設(shè)于圍欄、大型結(jié)構(gòu)等需要擾動(dòng)監(jiān)測(cè)的位置。
圖2和圖3所示是圖1中各功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)，包括各模塊的連接和組成可調(diào)諧激光器6 用于為光頻域反射系統(tǒng)提供光源，包括超窄線寬可調(diào)諧光纖激光器、
外腔式半導(dǎo)體激光器；
光源調(diào)諧驅(qū)動(dòng)模塊2 與可調(diào)諧激光器連接，為可調(diào)諧激光器提供調(diào)諧驅(qū)動(dòng)，是一種超低紋波的電壓驅(qū)動(dòng)器，由高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器30、可編程門(mén)陣列31、放大器32組成。分束比1 :99光分束器12 將激光器的出射光進(jìn)行1 :99比例分束，分別分配到光源光頻和相位監(jiān)視模塊與核心干涉模塊；
光源光頻和相位監(jiān)視模塊2 用于對(duì)激光器光頻的采集和監(jiān)控，可以采用兩種結(jié)構(gòu)，一種是消偏振邁克遜干涉儀(Michelson)干涉儀結(jié)構(gòu)，如圖2所示；第二種結(jié)構(gòu)是基于3X3 耦合器的馬赫曾德耳干涉儀(Mach Zehnder)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中消偏振邁克遜干涉儀(Michelson)干涉包括隔離器13 防止50 50耦合器15的2端口的反射光進(jìn)入激光器。 50 50耦合器15用于光干涉，光從耦合器15的2端口進(jìn)入，從3、4端口出射，分別被邁克遜干涉儀兩臂的法拉第轉(zhuǎn)鏡17和18反射，返回到3、4端口，兩束光在耦合器15中發(fā)生干涉，從1端口輸出。兩個(gè)法拉第轉(zhuǎn)鏡17和18用為干涉儀提供反射，且可以消除干涉儀的偏振衰落現(xiàn)象。延遲光纖16，用于實(shí)現(xiàn)非等臂的拍頻干涉，可以根據(jù)拍頻和延遲光纖長(zhǎng)度得到光頻。干涉探測(cè)器14，用于采集耦合器15從1端口出射光，即光源相位光頻監(jiān)視模塊2的拍頻信號(hào)。相位調(diào)制器16，用于對(duì)干涉儀的一臂進(jìn)行相位調(diào)制，便于后續(xù)的鎖相解調(diào)出干涉信號(hào)的相位?；?X3耦合器的馬赫曾德耳(Mach Zehnder)干涉儀結(jié)構(gòu)如圖3，其包括50 50分束器33，用于入射光的50:50分束，經(jīng)過(guò)延遲光纖34，進(jìn)入3 X 3耦合器進(jìn)行干涉35，3X3耦合器的兩個(gè)端口分別接入兩個(gè)探測(cè)器36和37光接口，探測(cè)器采集的電信號(hào)接入高速采集模塊。核心干涉模塊1 是光頻域反射儀的核心，由可調(diào)保偏衰減器20，保偏振分束器 21、參考臂、測(cè)試臂以及保偏耦合器24組成，其可調(diào)保偏衰減器20，用于調(diào)節(jié)光強(qiáng)大小，保偏分束器21，將光以一定比例50 50,20 80,30 :70或40 :60分配到干涉儀的參考臂和測(cè)試臂。其中比例的選擇，根據(jù)測(cè)試光纖中受激布里淵吸收效應(yīng)較大時(shí)，選擇比例較大的如20 80，30 :70，受激布里淵吸收效應(yīng)較小時(shí)，選擇比例如50 50,40 :60。參考臂由相位調(diào)制器22和45度對(duì)準(zhǔn)器23組成，其中參考臂光纖是保偏光纖。相位調(diào)制器22用可編程門(mén)陣列31以測(cè)試的最大拍頻值為調(diào)制頻率值調(diào)制，后續(xù)將采集信號(hào)做高通濾波，可以抑制瑞利散射相干噪聲(Fading noise)和幻峰(Ghost peak)。45度對(duì)準(zhǔn)器23將保偏光纖快軸和慢軸45度對(duì)軸，保證參考臂快慢軸有等量光強(qiáng)。核心干涉模塊1的測(cè)試臂上連接核心干涉模塊1的測(cè)試臂上連接偏振產(chǎn)生模塊3 中偏振產(chǎn)生器38，傳感光纜10和11的背向散射光經(jīng)過(guò)高速光開(kāi)關(guān)7和偏振產(chǎn)生模塊3中的環(huán)行器進(jìn)入保偏耦合器24的第二端口，核心干涉模塊3的參考臂信號(hào)進(jìn)入保偏耦合器24 的第一端口，背向散射光與參考臂信號(hào)在保偏耦合器24中發(fā)生拍頻干涉產(chǎn)生拍頻干涉信號(hào)，其拍頻信號(hào)從保偏耦合器24的第三端口和第四端口進(jìn)入偏振分束平衡探測(cè)模塊4 ；
偏振產(chǎn)生模塊3，包括偏振產(chǎn)生器38和環(huán)形器29，偏振產(chǎn)生器38能夠產(chǎn)生固定幾種偏振態(tài)的光包括線偏光、45度線偏光、左旋圓偏光或右旋圓偏光，為后面算法處理提供已知的參考偏振態(tài)；環(huán)行器29為雙軸工作的保偏環(huán)行器，其作用是連接偏振產(chǎn)生器38，高速光開(kāi)關(guān)7以及核心干涉模塊1的保偏耦合器24，具體連接方式將光由第一端口進(jìn)入環(huán)行器，從第二端口進(jìn)入高速光開(kāi)關(guān)7，與連接的高速光開(kāi)關(guān)7的傳感光纜10和11的背向散射光通過(guò)環(huán)行器29的第二端口返回，從環(huán)行器29的第三端口進(jìn)入核心干涉模塊1的保偏耦合器24 的第一端口和第二端口；
偏振分束平衡探測(cè)模塊4 包括兩個(gè)偏振分束器25和26以及兩個(gè)平衡探測(cè)器27和28 ； 其中偏振分束器25和26將進(jìn)入其中的核心干涉模塊1輸出拍頻信號(hào)分解成偏振本征正交的快慢軸兩個(gè)分量；其中兩個(gè)偏振分束器25和26的快軸分量進(jìn)入第一個(gè)平衡探測(cè)器27， 慢軸分量進(jìn)入第二個(gè)平衡探測(cè)器28 ；
高速光開(kāi)關(guān)7，連接傳感光纜10和11可以實(shí)現(xiàn)多路傳感光纜的傳感，拓展了系統(tǒng)的測(cè)試距離，便于形成大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)。高速采集模塊8，用于采集偏振分束平衡探測(cè)模塊的第一和第二平衡探測(cè)器27和 28、光源光頻和相位監(jiān)視模塊的探測(cè)器14 (第一種結(jié)構(gòu))或探測(cè)器36和37 (第二種結(jié)構(gòu)) 的干涉信號(hào)。計(jì)算機(jī)9，高速采集模8塊采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括光源光頻和相位模塊2 的相位、光頻的提取和解調(diào)算法以及對(duì)于核心干涉模塊1產(chǎn)生的拍頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，為光源調(diào)諧驅(qū)動(dòng)模塊5提供控制信號(hào)
傳感光纜10和11，由普通通訊光纜或振動(dòng)傳感光纜構(gòu)成，使用時(shí)只使用單芯，布設(shè)于圍欄、大型結(jié)構(gòu)等需要擾動(dòng)監(jiān)測(cè)的位置。
實(shí)施例2 偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感方法其具體技術(shù)方法和算法包括幾個(gè)步驟
第一步、激光器實(shí)時(shí)相位光頻采集，對(duì)光源光頻和相位監(jiān)視模塊采集的信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換或三角函數(shù)變換和時(shí)頻域變換得到各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的激光器的光頻或相位；
第二步、利用第一步實(shí)時(shí)采集的激光器的光頻或相位的信號(hào)，采用非均勻快速傅立葉變換或補(bǔ)償插值算法，對(duì)核心干涉模塊的信號(hào)中包括偏振本征態(tài)的兩路信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，以抑制光頻非線性和光源相位噪聲對(duì)系統(tǒng)信噪比和空間分辨率的影響；
第三步、對(duì)經(jīng)過(guò)第二步補(bǔ)償后核心干涉模塊的信號(hào)進(jìn)行譜分析以下兩種方法中任一種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行譜估計(jì)，其具體方法分為非參數(shù)化譜估計(jì)和參數(shù)化譜估計(jì)兩種方法。其中第一種方法，非參數(shù)化譜估計(jì)方式的處理方法對(duì)第二步處理后的信號(hào)采用窗函數(shù)凱澤窗或高斯窗，來(lái)抑制信號(hào)旁瓣，然后采用先進(jìn)窗技術(shù)卷積窗和空間變跡法或切趾法對(duì)信號(hào)處理進(jìn)一步抑制信號(hào)旁瓣；第二種方法另外采用參數(shù)化譜估計(jì)的方式對(duì)第二步處理后的信號(hào)采用自回歸滑動(dòng)平均模型或自回歸模型或多重信號(hào)分類等參數(shù)化方法對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)超分辨率分析；
第四步、對(duì)第三步處理后的信號(hào)進(jìn)行去噪處理，具體方法小波去噪，維納反卷積自適應(yīng)去噪，中值去噪，形態(tài)學(xué)去噪，偏微分去噪和基于局部統(tǒng)計(jì)特征去噪；如圖3是未采用第三步抑制旁瓣的先進(jìn)窗技術(shù)和第四步去噪處理的信號(hào)，圖3是采用第三步抑制旁瓣的先進(jìn)窗技術(shù)和第四步去噪處理的信號(hào)
第五步、采用以下兩種方法中任一種方法對(duì)第四步處理后的信號(hào)進(jìn)行基于光纖分布式波片模型的偏振解算
第一種方法通過(guò)偏振產(chǎn)生器和偏振分束探測(cè)，已知輸入和輸出光的偏振態(tài)和瓊斯向量，利用瓊斯矩陣的相似矩陣求本征值法，這種方法只需在偏振產(chǎn)生模塊輸入兩個(gè)偏振態(tài)， 就得到測(cè)試光纖中各個(gè)小段的瓊斯矩陣，即可得測(cè)試光纖中各個(gè)小段到線性雙折射和線性雙衰減；
第二種方法通過(guò)偏振產(chǎn)生器和偏振分束探測(cè)，已知輸入和輸出光的斯托克斯向量，利用矩陣運(yùn)算，得到測(cè)試光纖中各個(gè)小段的分布式穆勒矩陣，即可得測(cè)試光纖中各個(gè)小段的性雙折射和線性雙衰減，圓雙折射。
權(quán)利要求
1. 一種偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感裝置，其特征在于該裝置包括 可調(diào)諧激光器用于為光頻域反射系統(tǒng)提供光源，包括超窄線寬可調(diào)諧光纖激光器、夕卜腔式半導(dǎo)體激光器；光源調(diào)諧驅(qū)動(dòng)模塊與可調(diào)諧激光器連接，為可調(diào)諧激光器提供調(diào)諧驅(qū)動(dòng)，是一種超低紋波的電壓驅(qū)動(dòng)器，由高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、可編程門(mén)陣列、放大器組成；分束比為1 :99光分束器將激光器的出射光進(jìn)行1 :99比例分束，分別分配到光源光頻和相位監(jiān)視模塊與核心干涉模塊；光源光頻和相位監(jiān)視模塊用于對(duì)激光器光頻的采集和監(jiān)控，采用以下兩種結(jié)構(gòu)中任一種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，一種結(jié)構(gòu)是消偏振邁克遜干涉儀結(jié)構(gòu)，另一種結(jié)構(gòu)是基于3X3耦合器的馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)；核心干涉模塊是光頻域反射儀的核心，由可調(diào)保偏衰減器，保偏振分束器、參考臂、測(cè)試臂以及保偏耦合器組成；可調(diào)保偏衰減器，用于調(diào)節(jié)光強(qiáng)大??；保偏分束器，將光以50 50,20 :80、30 :70或40 60的比例分配到干涉儀的參考臂和測(cè)試臂，其中比例的選擇，根據(jù)測(cè)試光纖中受激布里淵吸收效應(yīng)較大時(shí)，選擇較大的比例20 :80或30 :70，受激布里淵吸收效應(yīng)較小時(shí)，選擇比例為50 50或40 60 ；參考臂，由相位調(diào)制器和45度對(duì)準(zhǔn)器組成，其中參考臂光纖是保偏光纖，相位調(diào)制器以測(cè)試的最大拍頻值為調(diào)制頻率值調(diào)制，后續(xù)將采集信號(hào)做高通濾波，能夠抑制瑞利散射相干噪聲和幻峰，45度對(duì)準(zhǔn)器將保偏光纖快軸和慢軸 45度對(duì)軸，保證參考臂快慢軸有等量光強(qiáng)；核心干涉模塊的測(cè)試臂上連接偏振產(chǎn)生模塊中偏振產(chǎn)生器，傳感光纜的背向散射光經(jīng)過(guò)高速光開(kāi)關(guān)和偏振產(chǎn)生模塊中的環(huán)行器進(jìn)入保偏耦合器的第二端口，核心干涉模塊的參考臂光進(jìn)入保偏耦合器的第一端口，傳感光纜的背向散射光與參考臂光在保偏耦合器中發(fā)生拍頻干涉產(chǎn)生拍頻干涉信號(hào)，其拍頻信號(hào)從保偏耦合器的第三端口和第四端口進(jìn)入偏振分束平衡探測(cè)模塊；偏振產(chǎn)生模塊，包括偏振產(chǎn)生器和環(huán)形器，偏振產(chǎn)生器能夠產(chǎn)生固定幾種偏振態(tài)的光包括線偏光、45度線偏光、左旋圓偏光或右旋圓偏光，為后面算法處理提供已知的參考偏振態(tài)；環(huán)行器為雙軸工作的保偏環(huán)行器，其作用是連接偏振產(chǎn)生模塊，高速光開(kāi)關(guān)以及核心干涉模塊的保偏耦合器，具體連接方式將光由第一端口進(jìn)入環(huán)行器，從第二端口進(jìn)入高速光開(kāi)關(guān)，與連接的高速光開(kāi)關(guān)的傳感光纜的背向散射光通過(guò)環(huán)行器的第二端口返回，從環(huán)行器的第三端口進(jìn)入核心干涉模塊的保偏耦合器的第一端口和第二端口 ；高速光開(kāi)關(guān)連接傳感光纜，能夠?qū)崿F(xiàn)多路傳感光纜的傳感，拓展了系統(tǒng)的測(cè)試距離， 便于形成大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)；偏振分束平衡探測(cè)模塊包括兩個(gè)偏振分束器以及兩個(gè)平衡探測(cè)器；其中偏振分束器將進(jìn)入其中的核心干涉模塊輸出拍頻信號(hào)分解成偏振本征正交的快慢軸兩個(gè)分量；其中兩個(gè)偏振分束器的快軸分量進(jìn)入第一個(gè)平衡探測(cè)器，慢軸分量進(jìn)入第二個(gè)平衡探測(cè)器；高速采集模塊用于采集偏振分束平衡探測(cè)模塊的平衡探測(cè)器以及光源光頻和相位監(jiān)視模塊的干涉信號(hào)；計(jì)算機(jī)，高速采集模塊采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括光源光頻和相位的提取和解調(diào)算法以及對(duì)于核心干涉模塊產(chǎn)生的拍頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，為光源調(diào)諧驅(qū)動(dòng)模塊提供控制信號(hào)；傳感光纜，由普通通訊光纜或振動(dòng)傳感光纜構(gòu)成，使用時(shí)只使用單芯，布設(shè)于圍欄、大型結(jié)構(gòu)要擾動(dòng)監(jiān)測(cè)的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感裝置，其特征在于所述的光源光頻和相位監(jiān)視模塊中的一種結(jié)構(gòu)，消偏振邁克遜干涉儀結(jié)構(gòu)包括隔離器，分束比50 50耦合器，兩個(gè)法拉第轉(zhuǎn)鏡，干涉探測(cè)器，延遲光纖，相位調(diào)制器；其中各組成單元的作用，隔離器防止50 :50耦合器的第二端口的反射光進(jìn)入激光器，分束比50 :50耦合器用于光干涉，光從50 :50耦合器的第二端口進(jìn)入，從第三、第四端口出射，分別被兩臂的法拉第轉(zhuǎn)鏡反射，返回到第三、第四端口，兩束光在50 :50耦合器中發(fā)生干涉，從第一端口輸出， 兩個(gè)法拉第轉(zhuǎn)鏡用為干涉儀提供反射，且能夠消除干涉儀的偏振衰落現(xiàn)象，延遲光纖，用于實(shí)現(xiàn)非等臂的拍頻干涉，能夠根據(jù)拍頻和延遲光纖長(zhǎng)度得到光頻，干涉探測(cè)器，用于采集耦合器從1端口出射光，即相位光頻監(jiān)視模塊的拍頻信號(hào)；相位調(diào)制器，用于對(duì)干涉儀的一臂進(jìn)行相位調(diào)制，便于后續(xù)的鎖相解調(diào)出干涉信號(hào)的相位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感裝置，其特征在于所述的光源光頻和相位監(jiān)視模塊中的另一種結(jié)構(gòu)，基于3X3耦合器的馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x包括，50 :50分束器，延遲光纖，3 X 3耦合器，兩個(gè)探測(cè)器；其中各組成單元的作用，50 50分束器，用于入射光的50 50分束，經(jīng)過(guò)延遲光纖，進(jìn)入3 X 3耦合器進(jìn)行干涉，3 X 3耦合器的兩個(gè)端口分別接入兩個(gè)探測(cè)器光接口，探測(cè)器將采集的電信號(hào)接入高速采集模塊。
4.一種偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)解調(diào)方法，其特征在于該方法的步驟包括 第一步、激光器實(shí)時(shí)相位光頻采集，對(duì)光源光頻和相位監(jiān)視模塊采集的信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換或三角函數(shù)變換和時(shí)頻域變換，得到各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的激光器的光頻或相位；第二步、利用第一步實(shí)時(shí)采集的激光器的光頻和相位的信號(hào)，采用非均勻快速傅立葉變換或補(bǔ)償插值算法，對(duì)核心干涉模塊的信號(hào)中包括偏振本征態(tài)的兩路信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，以抑制光頻非線性和光源相位噪聲對(duì)系統(tǒng)信噪比和空間分辨率的影響；第三步、對(duì)經(jīng)過(guò)第二步補(bǔ)償后核心干涉模塊的信號(hào)進(jìn)行譜分析用以下兩種方法中任一種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行譜估計(jì)，具體方法分為非參數(shù)化譜估計(jì)和參數(shù)化譜估計(jì)兩種方法；其中第一種方法，非參數(shù)化譜估計(jì)方式的處理方法對(duì)第二步處理后的信號(hào)采用窗函數(shù)凱澤窗或高斯窗，來(lái)抑制信號(hào)旁瓣，然后采用先進(jìn)窗技術(shù)卷積窗和空間變跡法或切趾法對(duì)信號(hào)處理；第二種方法另外采用參數(shù)化譜估計(jì)的方式對(duì)第二步處理后的信號(hào)采用自回歸滑動(dòng)平均模型或自回歸模型或多重信號(hào)分類等參數(shù)化方法對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)超分辨率分析；第四步、對(duì)第三步處理后的信號(hào)進(jìn)行去噪處理，具體方法小波去噪，維納反卷積自適應(yīng)去噪，中值去噪，形態(tài)學(xué)去噪，偏微分去噪和基于局部統(tǒng)計(jì)特征去噪；第五步、采用以下兩種方法中任一種方法，對(duì)第四步處理后的信號(hào)進(jìn)行基于光纖分布式波片模型的偏振解算第一種方法通過(guò)偏振產(chǎn)生器和偏振分束探測(cè)，已知輸入和輸出光的偏振態(tài)和瓊斯向量，利用瓊斯矩陣的相似矩陣求本征值法，這種方法只需在偏振產(chǎn)生模塊輸入兩個(gè)正交偏振態(tài)，就得到測(cè)試光纖中各個(gè)小段的瓊斯矩陣，即可得測(cè)試光纖中各個(gè)小段的線性雙折射和線性雙衰減；第二種方法通過(guò)偏振產(chǎn)生器和偏振分束探測(cè)，已知輸入和輸出光的斯托克斯向量，利用矩陣運(yùn)算，得到測(cè)試光纖中各個(gè)小段的分布式穆勒矩陣，即可得測(cè)試光纖中各個(gè)小段到線性雙折射和線性雙衰減 ，圓雙折射。
全文摘要
偏振敏感的分布式光頻域反射擾動(dòng)傳感裝置和解調(diào)方法。裝置中采用光頻域反射技術(shù)和偏振控制及提取技術(shù)，包括超窄線寬可調(diào)諧激光器模塊，偏振產(chǎn)生和偏振分集探測(cè)模塊，光頻和相位監(jiān)控模塊，高速光開(kāi)關(guān)模塊，組成大規(guī)模長(zhǎng)距離光傳感網(wǎng)絡(luò)。解調(diào)方法上采用光頻非線性及光源相位噪聲的抑制和補(bǔ)償，超分辨分析方法，先進(jìn)去噪方法以及基于光纖分布式波片模型的瓊斯和穆勒矩陣的偏振解算方法實(shí)現(xiàn)傳感光纜中偏振信息提取。
文檔編號(hào)G01D5/30GK102322880SQ20111023741
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者丁振揚(yáng), 劉琨, 劉鐵根, 李定杰, 江峻峰 申請(qǐng)人:天津大學(xué)