消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种可以消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统和方法。所述方法的步骤是：由第一调制器调制的第一脉冲光引入至耦合器，将该脉冲光分成两路脉冲光，其中一个脉冲光经过一段长度对应于脉冲光宽度的时延光纤后与另一个脉冲光由偏振分束器耦合在一起；由第二调制器调制一个脉冲宽度是第一脉冲光宽度两倍的长脉冲光，然后这两路脉冲光经耦合器耦合成一组探测双脉冲光，最后经环形器后进入光栅阵列。双脉冲光在相邻光栅上的反射光叠加后产生干涉，然后干涉光由环形器进入光电探测器并通过采集卡进行数据采集分析。该系统和方法可以有效解决偏振衰落的影响，并保证高响应频率。

Distributed weak grating array sensing system and method to eliminate polarization fading effect

The invention discloses a distributed weak grating array sensing system and method which can eliminate the influence of polarization fading. The steps of the method are as follows: the first pulse light modulated by the first modulator is introduced into the coupler, and the pulse light is divided into two channels, one of which passes through a time-delay fiber whose length corresponds to the width of the pulse light and is coupled with another pulse light by a polarization beam splitter; the other is modulated by the second modulator. The pulse width is twice the width of the first pulse. Then the two pulsed beams are coupled into a set of detecting double pulsed beams by couplers. Finally, the two pulsed beams enter the grating array through the annulus. The interference is generated when the reflected light of the double pulse light is superimposed on the adjacent grating. Then the interference light enters the photoelectric detector through the annulus and carries on the data acquisition and analysis through the acquisition card. The system and method can effectively solve the influence of polarization fading and guarantee high response frequency.

【技术实现步骤摘要】
消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统和方法
本专利技术涉及光纤传感
，特别是消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统和方法。
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。光栅阵列传感原理是：把嵌入光纤的弱光栅阵列当做一组“弱反射镜”，在光纤的指定位置提供稳定的、强度可控的反射光信号，分布式弱光栅阵列传感方法拟使用这些反射光信号取代光纤中的自发瑞利散射，通过解调出干涉光的相位、功率等变化的信息，最终可以得到外部施加扰动的信号。与传统的光纤传感系统相比，分布式弱光栅阵列传感系统得到的反射光信号更稳定，灵敏度更高。基于弱光栅阵列解调扰动信息的方法有很多种：基于相位敏感光时域反射计的单脉冲和双脉冲法，以及干涉仪法等，但是由于光在光栅阵列中传输时，偏振态的变化是具有连续性的。对于传统的光栅阵列振动测量，脉冲信号在传输的过程中，受外界扰动的影响，信号干涉叠加的时候，可能由于偏振态发生变化，使发生叠加的两部分干涉信号偏振态近似垂直甚至垂直，这样得到的干涉信号可视度降低，降低检测灵敏度，尤其是当偏振态完全正交时，将导致干涉信号的检测失败。所以关于偏振衰落的问题是光栅阵列传感系统中一个需要重点解决的难题。
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衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统和方法。本专利技术在简单基础的弱光栅阵列传感系统上融合双脉冲技术，其中的某一个脉冲光是由两个偏振方向相互垂直的连续短脉冲组合而成，通过这个方法彻底解决偏振衰落的问题。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，包括激光器、第一耦合器和第二耦合器、第一调制器和第二调制器、光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器、采集卡及处理器，激光器的输出连接至第一耦合器的输入，第一耦合器的两路输出分别连接至第一调制器和第二调制器的输入，第二调制器的输出连接至第二耦合器的一路输入，第二耦合器的输出经光纤放大器连接至环形器，环形器分别连接至融合弱光栅阵列的传感光纤和光电探测器，光电探测器的输出连接至采集卡，且采集卡连接至处理器；该系统还包括：第三耦合器，其输入连接至第一调制器的输出；偏振分束器，其输出连接至第二耦合器的另一路输入；其中，第三耦合器的两路输出分别经并联的第一光路和第二光路连接至偏振分束器的两路输入，所述第一光路采用不具有时延功能的第一光纤，所述第二光路采用具有时延功能的第二光纤。优选地，第三耦合器、偏振分束器、第一光纤及第二光纤均为保偏器件，以使所述偏振分束器输出的脉冲光由偏振态相互垂直的脉冲组成。优选地，所述第二光路中设有偏振控制器，以使所述偏振分束器输出的脉冲光由偏振态相互垂直的脉冲组成。优选地，第二光纤的长度L与第一调制器调制的脉冲宽度t1的关系为：L＝t1*c/n，其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率。优选地，第一调制器调制的脉冲宽度t1与第二调制器调制的脉冲宽度t2满足关系：t2＝2t1。优选地，第二耦合器输出的脉冲光的两个脉冲的间距Δt与传感光纤中相邻弱光栅间距s满足关系：其中，c为光在真空中的速度，n为光纤的等效折射率。在另一实施例中，提供一种消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，产生连续光；步骤二，将所述连续光分为两路，将该两路光分别调制成第一脉冲光和第二脉冲光，第二脉冲光的脉冲宽度是第一脉冲光的两倍；步骤三，将所述第一脉冲光分为脉冲宽度相同的第三脉冲光和第四脉冲光；步骤四，对第三脉冲光进行时延处理，所述时延的长度等于步骤二中第一脉冲光的调制脉冲宽度；步骤五，将进行时延处理后的第三脉冲光和第四脉冲光合成为首尾相接且偏振态相互垂直的第五脉冲光；步骤六，将所述第五脉冲光与所述第二脉冲光合成一路具有时间间隔的双脉冲光；步骤七，使所述双脉冲光经过光纤放大器补偿后，由环形器进入融合弱光栅阵列的传感光纤，光电探测器探测相邻光栅上的反射光相互干涉叠加的光信号，由采集卡将采集到的模拟信号数字化，并输出至处理器进行处理分析，获得扰动信息。优选地，当分别用于调制第一脉冲光和第二脉冲光的调制器的附加频率相同时，使用功率解调来解调出扰动信息；当分别用于调制第一脉冲光和第二脉冲光的调制器的附加频率不同时，使用相位解调来解调出扰动信息。优选地，该方法还包括：对第三脉冲光或第四脉冲光进行偏振控制，以使第五脉冲光由偏振态相互垂直的脉冲组成。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)长脉冲光与偏振态相互垂直的组合脉冲光的两个偏振方向以任何角度发生干涉，可以完整解调出扰动的相位信息；(2)前后脉冲峰上的干涉叠加的正弦包络幅度大小相等的情况下，即第二个脉冲光与第一个垂直叠加的双脉冲的夹角均为45度，相对于传统的分布式弱光栅阵列传感测量，前者任何区域无偏振衰落的产生，而后者只能保证部分区域干涉叠加效果好，但其它区域仍有偏振衰落产生。因此，采用长脉冲和偏振态互相垂直叠加组合脉冲光的双脉冲系统可以彻底解决偏振衰落问题。附图说明图1是传统光栅阵列测量振动装置图。图2是在传统光栅阵列测量振动装置中，光栅阵列产生的脉冲反射信号。图3是采用本专利技术方案消除偏振衰落的装置图。图4是偏振态互相垂直叠加组合脉冲光示意图。图5是采用本专利技术方案消除偏振衰落的装置中，光栅阵列产生的脉冲反射信号。图6是采用长脉冲和偏振态互相垂直叠加组合脉冲光的双脉冲系统解调出的正弦信号。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明。根据本专利技术提出的一种消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，包括以下器件：激光器：选取窄线宽激光器，产生的连续光经耦合器输出至两个调制器模块。耦合器：用于对输入光进行分束/耦合。调制器：通过对激光器发出的连续光进行调制，产生具有特定周期和特定宽度的脉冲光。偏振分束器：将由调制器调制后的脉冲光合成一组偏振态相互垂直的脉冲光。光纤放大器：对各路脉冲光耦合后的光进行功率放大。环形器：用于将经过功率放大后的脉冲光导入融合弱光栅阵列的传感光纤，并且将各个光栅上的干涉光传入到光电探测器。融合弱光栅阵列的传感光纤：在各个光栅上两个脉冲的反射光进行叠加产生干涉，感测系统中的扰动事件。时延光纤：将从耦合器出来的脉冲宽度相同的脉冲光在空间上进行错开。光电探测器：用于将光信号转换为电信号输出至采集卡。采集卡：用于将采集到的模拟信号数字化，并输出至处理器。处理器：对采集到的数据进行分析处理，从而实现对融合弱光栅阵列的传感光纤沿线的扰动传感信息测量。用激光器产生连续光，所述连续光经第一耦合器输出至第一调制器和第二调制器，分别调制成第一脉冲光和第二脉冲光，第二脉冲光的脉冲宽度是第一脉冲光的两倍；第一脉冲光由第三耦合器分为脉冲宽度相同的第三脉冲光和第四脉冲光，第三脉冲光通过一定长度的时延光纤后和第四脉冲光由偏振分束器合成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，包括激光器、第一耦合器和第二耦合器、第一调制器和第二调制器、光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器、采集卡及处理器，激光器的输出连接至第一耦合器的输入，第一耦合器的两路输出分别连接至第一调制器和第二调制器的输入，第二调制器的输出连接至第二耦合器的一路输入，第二耦合器的输出经光纤放大器连接至环形器，环形器分别连接至融合弱光栅阵列的传感光纤和光电探测器，光电探测器的输出连接至采集卡，且采集卡连接至处理器；其特征在于，还包括第三耦合器，其输入连接至第一调制器的输出；偏振分束器，其输出连接至第二耦合器的另一路输入；其中，第三耦合器的两路输出分别经并联的第一光路和第二光路连接至偏振分束器的两路输入，所述第一光路采用不具有时延功能的第一光纤，所述第二光路采用具有时延功能的第二光纤。

【技术特征摘要】
1.一种消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，包括激光器、第一耦合器和第二耦合器、第一调制器和第二调制器、光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器、采集卡及处理器，激光器的输出连接至第一耦合器的输入，第一耦合器的两路输出分别连接至第一调制器和第二调制器的输入，第二调制器的输出连接至第二耦合器的一路输入，第二耦合器的输出经光纤放大器连接至环形器，环形器分别连接至融合弱光栅阵列的传感光纤和光电探测器，光电探测器的输出连接至采集卡，且采集卡连接至处理器；其特征在于，还包括第三耦合器，其输入连接至第一调制器的输出；偏振分束器，其输出连接至第二耦合器的另一路输入；其中，第三耦合器的两路输出分别经并联的第一光路和第二光路连接至偏振分束器的两路输入，所述第一光路采用不具有时延功能的第一光纤，所述第二光路采用具有时延功能的第二光纤。2.根据权利要求1所述的消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，第三耦合器、偏振分束器、第一光纤及第二光纤均为保偏器件，以使所述偏振分束器输出的脉冲光由偏振态相互垂直的脉冲组成。3.根据权利要求1所述的消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，所述第二光路中设有偏振控制器，以使所述偏振分束器输出的脉冲光由偏振态相互垂直的脉冲组成。4.根据权利要求1所述的消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，第二光纤的长度L与第一调制器调制的脉冲宽度t1的关系为：L＝t1*c/n，其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率。5.根据权利要求1所述的消除偏振衰落影响的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，第一调制器调制的脉冲宽度t1与第二...

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