基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法与装置。窄线宽激光器发出的连续激光信号经过第一光分束耦合器分为两路。第一路被电光强度调制器转换为脉冲光信号后，经过环形器输入传感光纤中传输，在传输路径上产生频移与被测物理量相关联的后向散射光信号。第二路光信号经过偏振控制器将线偏振光转化为圆偏振光后，输入第二光分束耦合器，与经过环形器的后向散射光信号发生干涉，干涉后的光信号经过平衡探测器转化为电信号，再由混频器和滤波器通过电域扫频获得后向散射光信号布里渊频移和强度信息，最终获得传感光纤的物理量变化。本发明专利技术克服了现有自发布里渊散射光纤传感方法偏振失配的问题，能够获得稳定的干涉信号输出。

Self-Propagating Rillouin Scattering Optical Fiber Sensing Method and Device Based on Circularly Polarized Light Interference

The invention discloses a self-released Rillouin scattering optical fiber sensing method and device based on circularly polarized light interference. The CW laser signal from a narrow linewidth laser is divided into two channels through the first beam splitter coupler. After the first channel is converted into a pulse light signal by an electro-optic intensity modulator, it is transmitted in the sensing optical fiber through the annulus, and the backscattered light signal associated with the measured physical quantities is generated on the transmission path. After the second optical signal is converted into circularly polarized light by the polarization controller, the second optical beam splitter coupler is input to interfere with the backscattered light signal passing through the annulus. The interfered optical signal is transformed into electrical signal through the balanced detector, and the Brillouin frequency shift and intensity information of the backscattered light signal are obtained by the mixer and filter through sweeping frequency in the domain. The change of physical quantity of sensing optical fibers is obtained. The invention overcomes the polarization mismatch problem of the existing self-released Rillouin scattering optical fiber sensing method, and can obtain stable interference signal output.

【技术实现步骤摘要】
基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法与装置
本专利技术涉及光纤传感
，具体涉及一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法与装置。
技术介绍
光纤传感技术中光纤不仅作为传输光的通道，而且也作为感知单元。目前基于散射原理的分布式光纤传感系统主要基于瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三种散射技术。其中利用布里渊散射的分布式光纤传感系统能够检测应变和温度两种物理量且布里渊散射分为自发布里渊散射和受激布里渊散射，基于此本专利技术是基于自发布里渊散射的光纤传感系统。目前布里渊散射的分布式光纤传感系统主要有涉及到三种技术：布里渊光时域反射技术、布里渊光时域分析技术、布里渊光频域分析技术。在涉及到自发布里渊散射光纤传感时，该光纤传感系统主要是基于布里渊光时域反射技术。其中光信号在传感光纤中传输时会产生布里渊散射，与此同时光信号发生了布里渊频移。当外界温度变化或者传感光纤受到应力变化时，布里渊频移会产生相应的变化，其变化量与温度变化量或者应力变化量均成线性关系。如上所述，应变和温度的变化对于布里渊频移的变化关系如下：在一定温度T0下，应变和频移的关系式：υ(T0,ε)＝υ(T0,0)[1+(Δnε+ΔΕε+Δρε+ΔKε)ε](1)其中Δnε、ΔΕε、Δρε、ΔKε分别是折射率、杨氏模量、介质密度、泊松比的变化量，这些变化量在传感光纤中为常数。基于上述(1)式可知，在一定温度下，应变和布里渊频移是线性关系。同样地，在应变ε为零的情况下，温度变化量和频移的关系式：υ(T,0)＝υ(T0,0)[1+(Δn+ΔE+Δρ+ΔK)ΔT](2)其中Δn、ΔE、Δρ、ΔK在应变为零的传感光纤中为常量，基于上述(2)式，在应变为零时，温度变化量和频移变化是线性关系。如上所述，自发布里渊散射光纤传感系统是基于传感光纤某一点产生的温度和应力的变化量与布里渊频移量成线性的关系来测量物理量变化，从而实现光纤传感的目的。而对于布里渊频移的测量是利用电域扫频法得到布里渊散射谱，即先调节微波本振频率vO使得该频率和布里渊频移vB相差在几十兆赫兹内，然后不断调节本振频率使其扫描整个布里渊谱宽ΔvB，其中当本振频率vO等于布里渊频移vB时，输出信号强度最大。基于此利用扫频法可以获得布里渊散射谱的频移信息，然后通过调节微波本振频率vO，令整个布里渊散射谱信号能够从低通滤波器和带通滤波器通过，因此获得布里渊散射谱的洛伦兹曲线，再通过对洛伦兹曲线积分得到布里渊散射光强度，最后可以得到布里渊散射的移频和强度信息从而实现对温度变化和应变的测量。因此，本专利技术的光纤传感系统是通过先测量布里渊频移变化量，再利用布里渊频移的变化量与温度和应力的变化量成线性的关系来达到传感的目的。与此同时本专利技术利用相干检测的办法检测布里渊频移，即通过参考光和后向散射光的干涉作用来检测布里渊频移。但由于后向散射光的偏振态随机变化无法与参考光的线偏振保持偏振一致，即产生偏振失配问题，导致干涉效果不理想，进而输出光功率出现随机起伏现象，因此输出光功率无法达到最佳值，经过光电探测器和扫频后产生的布里渊频谱的测量存在误差，进而降低光纤传感系统的测量精度。如上所述，后向散射光偏振态随机变化会和参考光的线偏振产生偏振夹角，产生偏振失配现象，进而对输出光功率产生影响。基于此，对两束光偏振夹角θ与两束光干涉后功率之间的关系分析如下：令入射光信号的琼斯矩阵为：其中e1(t)和e2(t)表示为光纤横电场上两个正交的单位矢量。由于传感光纤会受到外界力的挤压、弯曲或者光纤本身材料不完善的影响，光信号在传感光纤中会发生双折射现象。基于此，令光在入射到光纤某处的琼斯矩阵为：其中Q1为双折射琼斯矩阵，e1′(t)和e2′(t)为某处光场两个正交的单位矢量。在干涉过程中当后向散射光偏振态和参考光偏振态一致时干涉效果最佳，当后向散射光偏振态和参考光偏振态正交时无法产生干涉即后向散射光无法被外差接收。因此，分析干涉后的光强时要考虑到后向散射光与参考光的偏振态情况，将式(4)中琼斯矩阵改进为：其中A3是考虑到两束光信号偏振态的干涉后的琼斯矩阵，Q2是一个参考偏振态对的琼斯矩阵，e1″(t)和e2″(t)分别表示后向散射光偏振态与参考光偏振态一致和正交时的单位矢量。如上所述，式(5)不仅表示了后向散射光与参考光干涉后的光束的琼斯矩阵，还可以反映出后向散射光偏振态与参考光偏振态方向的情况。故在自发布里渊散射的光纤传感系统中，作为参考光的连续光为线偏振光，则琼斯矩阵为：当传感光纤受到外界压力等情况时传感光纤会发生双折射，此时双折射琼斯矩阵为：其中θ角是后向散射光信号与参考光的相位延迟角，即两束光偏振方向的夹角。式(5)中矩阵Q2为参考偏振态对的琼斯矩阵，即外差分量，琼斯矩阵表达式为：因此，式(5)为：A3＝Q2Q1A1即：由上式(9)可以得出后向散射光偏振态与参考光偏振态一致的矢量和两束光信号偏振态正交的矢量的矩阵表达式。因此，后向散射光被外差接收的功率与总的后向散射光光功率之比如下：由式(10)可以看出当后向散射光和圆偏振光之间的偏振角度θ为零时，则后向散射光全部被外差接收，当偏振角度θ不为零时即干涉发生偏振失配，后向散射光不能全部发生干涉，因此干涉效果不理想，导致探测器探测到的信号会出现随机的起伏现象，输出光功率无法达到最佳值，经过光电探测器和扫频后产生的布里渊频谱的测量存在误差，因此降低了光纤传感系统的测量精度。为消除上述偏振失配带来的影响，目前主要采用了五种方案来消除偏振失配的现象，即：偏振控制技术、保偏光纤技术、偏振分集接收技术、偏振扩展技术、扰偏器的应用。其中，保偏光纤技术是利用保偏光纤将入射光的偏振方向准直来消除偏振失配：令偏振方向保持在保偏光纤的主轴上，以此获得偏振态稳定的光信号。但由于保偏光纤的成本大且损耗较普通光纤大，这不利于长距离传输。偏振控制技术是通过组成反馈系统，让连续参考光偏振态随后向散光偏振态变化而变化以此避免干涉两束光信号存在偏振夹角，但反馈回路复杂会大大降低系统的运行效率。偏振分集接收技术是将连续参考光和后向散射光干涉后的光信号平均分到2个偏振膜上，这些偏振膜的偏振角度之间相差π/2，再用2个光电探测器分别探测，最后叠加处理支路信号以消除偏振失配的影响。若要尽可能消除偏振失配，那么需要用到的偏振膜越多则结果越理想，但此时系统运行速度降低，同时该技术偏振分集接收机的复杂程度几乎是标准接收机的两倍，成本也随之成本增加。偏振扩展技术是在时域上将参考光或者信号光功率在每比特内扩展到整个偏振态，保证有一半以上功率被接收，但是该技术中对中频滤波器的要求很高，且系统的复杂性比偏振分集接收技术还要高。而扰偏器的利用是基于以上四个方案提出的更好的解决措施，其光纤传感系统消除偏振失配是借助扰偏器令参考光偏振方向不断变化，因此参考光能够在一定周期内表现与后向散射光相匹配的偏振状态，从而消除偏振失配。但是该方案要求扰偏器的扰偏频率高，可如今能达到的扰偏频率为700MHz,远远没有达到实际中对于系统的要求，无法确保在光纤传感的取样时间内统计均匀分布。
技术实现思路
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法与装置。本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法，其特征在于，包括如下步骤：在光源发射端，连续激光信号在经过第一光分束耦合器后分为两路；第一路连续激光信号被调制成脉冲光信号进入传感光纤传输，脉冲光信号传输一段距离后会在传感光纤某处产生后向布里渊散射光信号，该后向散射光信号的频移与所测应变和温度变化量相关联，因此将后向散射光作为信号光；第二路连续激光信号作为参考光，将线偏振态参考光转换成圆偏振态参考光之后参考光进入第二光分束耦合器与后向散射光信号发生干涉，干涉后的光信号被平衡探测器转化为电信号，最后通过测量布里渊频移量来测量传感光纤处的应变和温度信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法，其特征在于，包括如下步骤：在光源发射端，连续激光信号在经过第一光分束耦合器后分为两路；第一路连续激光信号被调制成脉冲光信号进入传感光纤传输，脉冲光信号传输一段距离后会在传感光纤某处产生后向布里渊散射光信号，该后向散射光信号的频移与所测应变和温度变化量相关联，因此将后向散射光作为信号光；第二路连续激光信号作为参考光，将线偏振态参考光转换成圆偏振态参考光之后参考光进入第二光分束耦合器与后向散射光信号发生干涉，干涉后的光信号被平衡探测器转化为电信号，最后通过测量布里渊频移量来测量传感光纤处的应变和温度信息。2.根据权利要求1所述的基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法，其特征在于，第二路参考光在与第一路偏振状态随机变化的后向散射光信号发生干涉之前，参考光经过偏振控制器后将偏振状态转化为圆偏振态，即利用圆偏振光振动方向高速旋转且变化均匀的特点来解决干涉时两路光偏振态不一致导致干涉效果不理想的问题。3.一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感装置，其特征在于，包括窄线宽激光器、第一光分束耦合器、电光强度调制器、环形器、偏振控制器、...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏正军，唐敏，关洪果，陶志远，管晓军，王金东，张智明，郭健平，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44