本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種消除偏振光時(shí)域反射儀信號衰落的方法及裝置。

背景技術(shù)：

光纖傳感技術(shù)是從20世紀(jì)70年代發(fā)展而來的一門嶄新的技術(shù)，隨著光導(dǎo)纖維的實(shí)用化和光通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)以多元化的姿態(tài)迅猛發(fā)展。當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖受外界擾動(dòng)、溫度、應(yīng)變、位移等環(huán)境因素的影響，光信號的偏振態(tài)、功率、波長、相位等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。通過檢測光纖中光的這些參數(shù)，就可以獲得光纖周圍環(huán)境的變化信息，從而實(shí)現(xiàn)傳感。

當(dāng)一束短脈沖光入射到光纖時(shí)，它沿著光纖傳播并被散射到各個(gè)方向，一部分散射光沿著光纖傳輸并返回到入射端，這部分散射光稱為瑞利背向散射光，背向瑞利散射光攜帶有傳感光纖沿線受擾動(dòng)的信息?；谌鹄⑸涞墓鈺r(shí)域傳感技術(shù)就是通過監(jiān)測光纖中背向瑞利散射光的特性來實(shí)現(xiàn)分布式傳感的一種傳感技術(shù)。

偏振光時(shí)域反射技術(shù)就是通過檢測背向瑞利散射光的偏振態(tài)來實(shí)現(xiàn)傳感的一種光時(shí)域反射技術(shù)。1980年，Rogers提出了偏振光時(shí)域反射儀(POTDR)的思想，激光器發(fā)出的光受脈沖調(diào)制器調(diào)制后變?yōu)槊}沖光，經(jīng)摻鉺光纖放大器放大到一定功率后由環(huán)形器入射到待測光纖，傳輸過程中的背向瑞利散射光由環(huán)形器返回，通過檢偏器檢偏后被光電探測器接收。當(dāng)光纖受到外界擾動(dòng)時(shí)，光纖中光的偏振態(tài)將發(fā)生變化。同時(shí)，由于光脈沖在光纖中傳輸時(shí)發(fā)生背向瑞利散射，因此通過探測器探測背向散射光偏振態(tài)的變化，便可以得到光纖受擾動(dòng)的信息。

光纖的雙折射及光波在光纖中傳輸時(shí)偏振態(tài)的變化可以用邦加球表示。光纖中傳輸?shù)耐耆窆獾钠駪B(tài)可表示為邦加球表面上的一點(diǎn)，光纖的雙折射對偏振態(tài)的影響表示為邦加球表面上的偏振態(tài)繞邦加球的一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)一定的角度。在光纖的某些位置，邦加球上對應(yīng)于光波偏振態(tài)的點(diǎn)距離雙折射軸很近，在施加相同幅度的振動(dòng)時(shí)，該點(diǎn)在邦加球上位置的變化很小，即引起的光波偏振態(tài)的變化會(huì)很小；另外，在用檢偏器檢測瑞利散射信號偏振態(tài)變化時(shí)，若偏振態(tài)變化方向與檢偏器方向近似垂直或恰好垂直，那么即使偏振態(tài)變化較大，經(jīng)過檢偏器后得到的光功率變化仍然很小。對于傳統(tǒng)的POTDR傳感方法，由于上述因素，在光纖上很多位置得到的頻譜信號幅值很小，振動(dòng)信息會(huì)被淹沒在噪聲中，所以POTDR測量中，許多位置的擾動(dòng)信息難以準(zhǔn)確測量，是POTDR傳感系統(tǒng)中一個(gè)需要解決的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種消除偏振光時(shí)域反射儀(POTDR)信號衰落的方法及裝置，本發(fā)明在傳感系統(tǒng)中利用多波長激光器，并配合一定長度的保偏光纖，以獲得具有不同初始偏振態(tài)的探測光。利用不同偏振態(tài)的光波在光纖受到擾動(dòng)后所產(chǎn)生的偏振態(tài)變化大小的互補(bǔ)性，將其結(jié)果平均，消除信號中的衰落點(diǎn)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于多波長激光器和保偏光纖的消除偏振光時(shí)域反射儀信號衰落的方法，使用多波長激光器輸出的不同波長的光波作為探測光，并利用保偏光纖將不同波長的光波轉(zhuǎn)換為不同的偏振態(tài)同時(shí)進(jìn)行傳感，在接收端使用波分復(fù)用器將不同波長的光波耦合到不同的通道后分別進(jìn)行偏振態(tài)變化的檢測，利用多通道信號的疊加結(jié)果實(shí)現(xiàn)探測。

作為本發(fā)明所述的一種基于多波長激光器和保偏光纖的消除偏振光時(shí)域反射儀信號衰落的方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，多波長激光器輸出的多個(gè)波長的光波具有相同的偏振態(tài)，均為線偏振。

作為本發(fā)明所述的一種基于多波長激光器和保偏光纖的消除偏振光時(shí)域反射儀信號衰落的方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，保偏光纖的快軸與多波長激光器輸出端的快軸的夾角為45度。

作為本發(fā)明所述的一種基于多波長激光器和保偏光纖的消除偏振光時(shí)域反射儀信號衰落的方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，保偏光纖的長度由各個(gè)光波的波長及波長間隔共同決定，保偏光纖的長度L為：

其中，N為同時(shí)傳輸?shù)牟ㄩL數(shù)，B為歸一化雙折射，λ_i為第i個(gè)波長，k_i為正整數(shù)。

作為本發(fā)明所述的一種基于多波長激光器和保偏光纖的消除偏振光時(shí)域反射儀信號衰落的方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，包括以下步驟：

步驟一、將多波長激光器輸出的N個(gè)波長由大到小分別為λ₁、λ₂、λ₃……λ_N的光波作為探測光入射至保偏光纖，保偏光纖用于將不同波長的光波轉(zhuǎn)換為不同的偏振態(tài)；

步驟二、將保偏光纖輸出的不同偏振態(tài)的N個(gè)光波調(diào)制成光脈沖并放大后經(jīng)環(huán)形器的第一端口、環(huán)形器的第二端口注入至光纖；

步驟三、以相同的時(shí)間間隔T向光纖中注入M組包含N個(gè)波長的放大后的光脈沖，時(shí)間間隔T大于光脈沖往返光纖所需時(shí)間，光脈沖在光纖中產(chǎn)生POTDR散射信號由環(huán)形器的第二端口、環(huán)形器的第三端口輸入至波分復(fù)用器進(jìn)行分離，得到N×M組后向散射的POTDR信號；將每個(gè)波長對應(yīng)的M組后向散射的POTDR信號按時(shí)間順序每連續(xù)n組做累加平均，得到組平均后的POTDR信號，為向下取整，采樣頻率則可測的最大信號頻率

步驟四、將步驟三得到組平均后的POTDR信號按時(shí)間順序排列并按位置信息對齊后，可得到光纖中每個(gè)位置隨時(shí)間變化的POTDR信號，將每個(gè)位置隨時(shí)間變化的信號進(jìn)行快速傅里葉變換處理，并求得功率譜，進(jìn)而得到光纖上每個(gè)位置的POTDR信號的頻譜；

步驟五、將步驟四得到的N個(gè)波長POTDR信號沿光纖的頻譜分布按位置進(jìn)行平均，得到消除了信號衰落點(diǎn)的POTDR的信號頻譜的分布。

作為本發(fā)明所述的一種基于多波長激光器和保偏光纖的消除偏振光時(shí)域反射儀信號衰落的方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，使用3個(gè)不同波長的光波進(jìn)行傳感。

作為本發(fā)明所述的一種基于多波長激光器和保偏光纖的消除偏振光時(shí)域反射儀信號衰落的方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述進(jìn)行偏振態(tài)變化的檢測是通過在0°、45°線檢偏器和45°線檢偏器前插入1/4波片組成的檢偏器進(jìn)行檢測。

一種基于多波長激光器和保偏光纖的消除偏振光時(shí)域反射儀信號衰落方法的裝置，包括多波長激光器、保偏光纖、聲光調(diào)制器、光放大器、環(huán)形器、光纖、波分復(fù)用器、N個(gè)檢偏器、N個(gè)光電探測器和處理器；檢偏器和光電探測器分別一一對應(yīng)連接；其中，

多波長激光器，用于輸出N個(gè)波長由大到小分別為λ₁、λ₂、λ₃……λ_N的光波作為探測光入射至保偏光纖；

保偏光纖，用于將不同波長的光波轉(zhuǎn)換為不同的偏振態(tài)，輸出不同偏振態(tài)的N個(gè)光波至聲光調(diào)制器；

聲光調(diào)制器，用于將不同偏振態(tài)的N個(gè)光波調(diào)制成光脈沖輸入至光放大器；

光放大器，用于放大光脈沖；放大后的光脈沖經(jīng)環(huán)形器的第一端口、環(huán)形器的第二端口注入至光纖；放大后的光脈沖在光纖中產(chǎn)生POTDR散射信號由環(huán)形器的第二端口、環(huán)形器的第三端口輸入至波分復(fù)用器；

波分復(fù)用器，用于將不同波長的POTDR散射信號分離至不同的檢偏器；

檢偏器，用于檢測散射的POTDR信號的偏振態(tài)變化；

光電探測器，用于將經(jīng)過檢偏器后得到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號后輸入至處理器；

處理器，用于對電信號進(jìn)行處理，得到POTDR的信號頻譜的分布。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明具有有效消除POTDR衰落信號的優(yōu)點(diǎn)；

(2)本發(fā)明采用N個(gè)波長的光波同時(shí)傳輸，與傳統(tǒng)POTDR系統(tǒng)探測時(shí)間相同時(shí)，可將信噪比提高倍。

附圖說明

圖1是一種基于多波長激光器的消除POTDR信號衰落的實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖2是3個(gè)波長的光波經(jīng)過保偏光纖后在邦加球上表示的偏振態(tài)相對位置關(guān)系示意圖。

圖3是實(shí)驗(yàn)采集的POTDR信號經(jīng)過傅里葉變換及平均后的頻譜圖。

圖4是光纖上每個(gè)點(diǎn)的后向散射信號的12Hz頻率分量幅度圖。

圖5是傳統(tǒng)POTDR系統(tǒng)光纖上每個(gè)點(diǎn)的后向散射信號的12Hz頻率分量幅度圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

一種基于多波長激光器和保偏光纖的消除偏振光時(shí)域反射儀(POTDR)信號衰落的方法，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括以下步驟：

步驟一、使用多波長激光器輸出N個(gè)波長由大到小分別為λ₁、λ₂、λ₃……λ_N的光波作為探測光，在其后連接一段保偏光纖，用于將不同波長的光波轉(zhuǎn)換為不同的偏振態(tài)并同時(shí)進(jìn)行傳感，保偏光纖的快軸與多波長激光器輸出端快軸的夾角為45度。這些光的拍長為其中B為歸一化雙折射。它們經(jīng)過長度L的保偏光纖后偏振態(tài)在邦加球大圓上的位置可由L/L_Bi＝LB/λ_i(i＝1,2,...,N)確定，若要使N個(gè)波長的光的輸出偏振態(tài)均勻分布，則要滿足：

其中k_i(i＝1,2,...,N-1)為正整數(shù)。計(jì)算過程中λ_i為無規(guī)律非整數(shù)，且需要同時(shí)找出無規(guī)律的N-1個(gè)k_i的值，非常困難。即使最后解出L的值，L的值可能非常大，即需要使用很長的保偏光纖?？紤]到實(shí)用性，N個(gè)波長的光波的偏振態(tài)并不需要嚴(yán)格的均勻分布在邦加球過極點(diǎn)的大圓上，可以允許一定的誤差。在波長間隔不太大，光波數(shù)量不太多時(shí)，可以近似計(jì)算L的值。由方程組(1)得：

k_i均為0時(shí)可得到N-1個(gè)使λ₁和λ_i分別滿足要求的最小L_i值，則長度L可以近似為將k_i＝0代入公式(2)得：

其中Δλ_i＝λ₁-λ_i+1，則第i個(gè)波長計(jì)算出的保偏光纖長度的誤差Δl為：

定義偏振態(tài)角度誤差為近似計(jì)算造成的角度偏差值與均勻分布時(shí)相鄰偏振態(tài)角度差值的比：

若輸入波長間隔近似相等，式(5)第一項(xiàng)近似為0，第二項(xiàng)至多數(shù)量級為10^-2，則角度誤差為10^-2；對于一般情況波長間隔不相等時(shí)，式(5)第一項(xiàng)至多數(shù)量級為10^-1，第二項(xiàng)至多數(shù)量級為10^-2，則角度誤差為10^-1，該誤差可以接受。并且，當(dāng)輸入波長數(shù)越少，波長間隔越小，誤差越小。

步驟二、保偏光纖輸出的不同偏振態(tài)的N個(gè)光波，經(jīng)過聲光調(diào)制器(AOM)調(diào)制成脈沖光，并用摻鉺光纖放大器(EDFA)放大后經(jīng)環(huán)形器的第一端口、環(huán)形器的第二端口注入光纖。

步驟三、向光纖中以相同的時(shí)間間隔T注入M組包含N個(gè)波長的放大后的光脈沖，時(shí)間間隔T大于光脈沖往返光纖所需時(shí)間，光脈沖在光纖中產(chǎn)生的POTDR散射信號由環(huán)形器的第二端口、環(huán)形器的第三端口輸入至波分復(fù)用器進(jìn)行分離，得到N×M組后向散射的POTDR信號；將每個(gè)波長對應(yīng)的M組后向散射的POTDR信號按時(shí)間順序每連續(xù)n組做累加平均，以提高信號的信噪比，得到組平均后的POTDR信號，為向下取整。采樣頻率則可測的最大信號頻率

步驟四、將步驟三得到組平均后的POTDR信號按時(shí)間順序排列并按位置信息對齊后，可得到光纖中每個(gè)位置隨時(shí)間變化的POTDR信號，將每個(gè)位置隨時(shí)間變化的信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)處理，并求得功率譜，進(jìn)而得到光纖上每個(gè)位置的POTDR信號的頻譜；

步驟五、將步驟四得到的N個(gè)波長POTDR信號沿光纖的頻譜分布按位置進(jìn)行平均，得到消除了信號衰落點(diǎn)的POTDR的信號頻譜的分布。

下面以3波長的探測光波為例，結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

步驟一、采用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，保偏輸出的多波長激光器發(fā)出的3個(gè)波長的光經(jīng)過一定長度的保偏光纖，用聲光調(diào)制器AOM調(diào)制成脈寬50ns的脈沖光，經(jīng)摻鉺光纖放大器EDFA放大后進(jìn)入光纖，后向散射光通過3通道波分復(fù)用器分離不同波長的光，分別經(jīng)過0°、45°線檢偏器和45°線檢偏器前接1/4波片組成的檢偏器，并用3個(gè)光電探測器進(jìn)行檢測。

步驟二、為了得到所需的3個(gè)探測光波的相對偏振態(tài)關(guān)系，需要特定的保偏光纖長度。3個(gè)光波的波長分別為λ₁＝1545.325nm、λ₂＝1543.855nm、λ₃＝1542.199nm，保偏光纖的歸一化雙折射B的值為5×10^-4。由于3個(gè)波長的偏振態(tài)不需要嚴(yán)格均勻分布，則計(jì)算過程可近似為根據(jù)實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)中使用1m的保偏光纖，在邦加球上得到如圖2所示的相似關(guān)系。造成的角度誤差為δ₁＝7.5×10^-2，δ₂＝3.3×10^-2。

步驟三、傳感光纖長2.1km，光脈沖往返時(shí)間約為21μs。由激光器發(fā)出時(shí)間間隔T為50μs的9000組光信號，經(jīng)過圖1實(shí)驗(yàn)裝置中波分復(fù)用器之后的三個(gè)探測器，可采集到3×9000組POTDR的傳感信號。對于每個(gè)波長，將9000組信號每連續(xù)300組做一次累加平均來減小信號中的噪聲，得到30組平均后的信號。則可測的最大信號頻率f為:

步驟四、將得到的平均后的30組信號按時(shí)間順序排列并按位置信息對齊，可以得到每個(gè)點(diǎn)的后向散射信號隨時(shí)間的變化，將每個(gè)位置隨時(shí)間變化的信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)處理，并求功率譜，可以分別得到每個(gè)波長對應(yīng)的沿光纖分布的后向散射信號的頻譜，3個(gè)頻譜進(jìn)行平均，如圖3所示。從頻譜上可以得出振動(dòng)的頻率在12Hz左右。將頻率為12Hz的分量的幅值沿光纖的分布取出來，如圖4所示，可以準(zhǔn)確定位出振動(dòng)點(diǎn)的位置約在1000米處。

圖5為傳統(tǒng)POTDR系統(tǒng)的測量結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)大大消除了POTDR信號衰落現(xiàn)象。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替代，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。