一种消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，利用多波长激光器输出N个具有相同偏振态不同波长的光，通过保偏光纤将不同波长的光波转化为不同的初始偏振态，然后调制成脉冲光输入到POTDR系统中，返回的信号光通过波分复用器分离到不同的输出端后，经过N个不同方向的检偏器分别得到相应的光强信号，然后将每个位置上后向散射信号的光强随时间的变化做傅里叶变换得到对应的频域信号，再将N个频域信号平均，最终得到有效消除信号衰落点的POTDR信号。本发明专利技术使用比较简单的实验装置，有效减少了测量结果中大量对振动不敏感的位置，并且相对于基础POTDR传感系统，相同测量时间下，提高了信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法及装置
本专利技术涉及光纤传感
，特别是一种消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法及装置。
技术介绍
光纤传感技术是从20世纪70年代发展而来的一门崭新的技术，随着光导纤维的实用化和光通信技术的发展，光纤传感技术以多元化的姿态迅猛发展。当光在光纤中传输时，由于光纤受外界扰动、温度、应变、位移等环境因素的影响，光信号的偏振态、功率、波长、相位等参数会发生变化。通过检测光纤中光的这些参数，就可以获得光纤周围环境的变化信息，从而实现传感。当一束短脉冲光入射到光纤时，它沿着光纤传播并被散射到各个方向，一部分散射光沿着光纤传输并返回到入射端，这部分散射光称为瑞利背向散射光，背向瑞利散射光携带有传感光纤沿线受扰动的信息。基于瑞利散射的光时域传感技术就是通过监测光纤中背向瑞利散射光的特性来实现分布式传感的一种传感技术。偏振光时域反射技术就是通过检测背向瑞利散射光的偏振态来实现传感的一种光时域反射技术。1980年，Rogers提出了偏振光时域反射仪(POTDR)的思想，激光器发出的光受脉冲调制器调制后变为脉冲光，经掺铒光纤放大器放大到一定功率后由环形器入射到待测光纤，传输过程中的背向瑞利散射光由环形器返回，通过检偏器检偏后被光电探测器接收。当光纤受到外界扰动时，光纤中光的偏振态将发生变化。同时，由于光脉冲在光纤中传输时发生背向瑞利散射，因此通过探测器探测背向散射光偏振态的变化，便可以得到光纤受扰动的信息。光纤的双折射及光波在光纤中传输时偏振态的变化可以用邦加球表示。光纤中传输的完全偏振光的偏振态可表示为邦加球表面上的一点，光纤的双折射对偏振态的影响表示为邦加球表面上的偏振态绕邦加球的一个轴旋转一定的角度。在光纤的某些位置，邦加球上对应于光波偏振态的点距离双折射轴很近，在施加相同幅度的振动时，该点在邦加球上位置的变化很小，即引起的光波偏振态的变化会很小；另外，在用检偏器检测瑞利散射信号偏振态变化时，若偏振态变化方向与检偏器方向近似垂直或恰好垂直，那么即使偏振态变化较大，经过检偏器后得到的光功率变化仍然很小。对于传统的POTDR传感方法，由于上述因素，在光纤上很多位置得到的频谱信号幅值很小，振动信息会被淹没在噪声中，所以POTDR测量中，许多位置的扰动信息难以准确测量，是POTDR传感系统中一个需要解决的难题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种消除偏振光时域反射仪(POTDR)信号衰落的方法及装置，本专利技术在传感系统中利用多波长激光器，并配合一定长度的保偏光纤，以获得具有不同初始偏振态的探测光。利用不同偏振态的光波在光纤受到扰动后所产生的偏振态变化大小的互补性，将其结果平均，消除信号中的衰落点。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术提出的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，使用多波长激光器输出的不同波长的光波作为探测光，并利用保偏光纤将不同波长的光波转换为不同的偏振态同时进行传感，在接收端使用波分复用器将不同波长的光波耦合到不同的通道后分别进行偏振态变化的检测，利用多通道信号的叠加结果实现探测。作为本专利技术所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，多波长激光器输出的多个波长的光波具有相同的偏振态，均为线偏振。作为本专利技术所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，保偏光纤的快轴与多波长激光器输出端的快轴的夹角为45度。作为本专利技术所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，保偏光纤的长度由各个光波的波长及波长间隔共同决定，保偏光纤的长度L为：其中，N为同时传输的波长数，B为归一化双折射，λi为第i个波长，ki为正整数。作为本专利技术所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，包括以下步骤：步骤一、将多波长激光器输出的N个波长由大到小分别为λ1、λ2、λ3……λN的光波作为探测光入射至保偏光纤，保偏光纤用于将不同波长的光波转换为不同的偏振态；步骤二、将保偏光纤输出的不同偏振态的N个光波调制成光脉冲并放大后经环形器的第一端口、环形器的第二端口注入至光纤；步骤三、以相同的时间间隔T向光纤中注入M组包含N个波长的放大后的光脉冲，时间间隔T大于光脉冲往返光纤所需时间，光脉冲在光纤中产生POTDR散射信号由环形器的第二端口、环形器的第三端口输入至波分复用器进行分离，得到N×M组后向散射的POTDR信号；将每个波长对应的M组后向散射的POTDR信号按时间顺序每连续n组做累加平均，得到组平均后的POTDR信号，为向下取整，采样频率则可测的最大信号频率步骤四、将步骤三得到组平均后的POTDR信号按时间顺序排列并按位置信息对齐后，可得到光纤中每个位置随时间变化的POTDR信号，将每个位置随时间变化的信号进行快速傅里叶变换处理，并求得功率谱，进而得到光纤上每个位置的POTDR信号的频谱；步骤五、将步骤四得到的N个波长POTDR信号沿光纤的频谱分布按位置进行平均，得到消除了信号衰落点的POTDR的信号频谱的分布。作为本专利技术所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，使用3个不同波长的光波进行传感。作为本专利技术所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法进一步优化方案，所述进行偏振态变化的检测是通过在0°、45°线检偏器和45°线检偏器前插入1/4波片组成的检偏器进行检测。一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落方法的装置，包括多波长激光器、保偏光纤、声光调制器、光放大器、环形器、光纤、波分复用器、N个检偏器、N个光电探测器和处理器；检偏器和光电探测器分别一一对应连接；其中，多波长激光器，用于输出N个波长由大到小分别为λ1、λ2、λ3……λN的光波作为探测光入射至保偏光纤；保偏光纤，用于将不同波长的光波转换为不同的偏振态，输出不同偏振态的N个光波至声光调制器；声光调制器，用于将不同偏振态的N个光波调制成光脉冲输入至光放大器；光放大器，用于放大光脉冲；放大后的光脉冲经环形器的第一端口、环形器的第二端口注入至光纤；放大后的光脉冲在光纤中产生POTDR散射信号由环形器的第二端口、环形器的第三端口输入至波分复用器；波分复用器，用于将不同波长的POTDR散射信号分离至不同的检偏器；检偏器，用于检测散射的POTDR信号的偏振态变化；光电探测器，用于将经过检偏器后得到的光信号转换为电信号后输入至处理器；处理器，用于对电信号进行处理，得到POTDR的信号频谱的分布。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)本专利技术具有有效消除POTDR衰落信号的优点；(2)本专利技术采用N个波长的光波同时传输，与传统POTDR系统探测时间相同时，可将信噪比提高倍。附图说明图1是一种基于多波长激光器的消除POTDR信号衰落的实验装置图。图2是3个波长的光波经过保偏光纤后在邦加球上表示的偏振态相对位置关系示意图。图3是实验采集的POTDR信号经过傅里叶变换及平均后的频谱图。图4是光纤上每个点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，使用多波长激光器输出的不同波长的光波作为探测光，并利用保偏光纤将不同波长的光波转换为不同的偏振态同时进行传感，在接收端使用波分复用器将不同波长的光波耦合到不同的通道后分别进行偏振态变化的检测，利用多通道信号的叠加结果实现探测。

【技术特征摘要】
1.一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，使用多波长激光器输出的不同波长的光波作为探测光，并利用保偏光纤将不同波长的光波转换为不同的偏振态同时进行传感，在接收端使用波分复用器将不同波长的光波耦合到不同的通道后分别进行偏振态变化的检测，利用多通道信号的叠加结果实现探测。2.根据权利要求1所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，多波长激光器输出的多个波长的光波具有相同的偏振态，均为线偏振。3.根据权利要求1所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，保偏光纤的快轴与多波长激光器输出端的快轴的夹角为45度。4.根据权利要求1所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，保偏光纤的长度由各个光波的波长及波长间隔共同决定，保偏光纤的长度L为：其中，N为同时传输的波长数，B为归一化双折射，λi为第i个波长，ki为正整数。5.根据权利要求1所述的一种基于多波长激光器和保偏光纤的消除偏振光时域反射仪信号衰落的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将多波长激光器输出的N个波长由大到小分别为λ1、λ2、λ3……λN的光波作为探测光入射至保偏光纤，保偏光纤用于将不同波长的光波转换为不同的偏振态；步骤二、将保偏光纤输出的不同偏振态的N个光波调制成光脉冲并放大后经环形器的第一端口、环形器的第二端口注入至光纤；步骤三、以相同的时间间隔T向光纤中注入M组包含N个波长的放大后的光脉冲，时间间隔T大于光脉冲往返光纤所需时间，光脉冲在光纤中产生POTDR散射信号由环形器的第二端口、环形器的第三端口输入至波分复用器进行分离，得到N×M组后向散射的POTDR信号；将每个波长对应的M组后向散射的POTDR信号按时间顺序每连续n组做累加平均，得到组平均后的POTDR信号，为向下取整，采样频率则可测的最大信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，曹春琦，张旭苹，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32