【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于分布式光纤传感和单光子探测，具体涉及一种消除单光子拉曼温度传感偏振敏感特性的方法。
技术介绍
1、分布式光纤传感技术一直以来都是应用最为广泛的长距离、大面积的传感技术，它具有其他传感手段所不具备的抗干扰、耐腐蚀等优点；此外，在分布式光纤温度传感技术中，光既是传输介质，又是传感介质，因此可通过光纤来实现连续分布的温度场的测量，具有成本低，无盲区的突出优点。传统的分布式拉曼温度传感器受限于线性探测器的带宽较低的影响，空间分辨率一直无法得到进一步的提升。近年来，随着单光子探测技术的兴起，单光子探测器凭借着单光子级别的灵敏度、亚纳秒级别的时间分辨率等优势被应用到分布式光纤拉曼温度传感领域，实现了高空间分辨率和温度分辨率的测量。然而，拉曼增益和输入脉冲的偏振相关特性、单光子探测器的偏振敏感特性等问题，对传感系统的温度灵敏度和温度分辨率带来了很大的影响。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：提供了一种消除单光子拉曼温度传感偏振敏感特性的方法，用于解决因光纤中拉曼增益和单光子探测器的偏振敏感特性所产生的光子数抖动问题。
2、本专利技术所采用的技术方案如下：
3、一种消除单光子拉曼温度传感偏振敏感特性的方法，该方法采用单光源结合延时双正交偏振光路获取延时双正交偏振脉冲进行拉曼泵浦与光子探测，解决因光纤中拉曼增益和单光子探测器的偏振敏感性所产生的光子数抖动问题。
4、所述方法中，拉曼增益可描述为：
5、
6、其中，g‖为光
7、
8、其中，为泵浦脉冲光子的光场分布，为单光子探测器的最佳偏振方向，则相反；a2和b2表示单光子探测器在上述两个正交偏振方向上的探测概率，且a2+b2＝t。进一步地，光纤中的后向自发拉曼散射反斯托克斯光子之间不具有相干性。对于接收到的不同偏振态的光子，单光子探测器计数值可表示为：
9、
10、其中，θ为自发后向拉曼散射光子偏振方向和单光子探测器最佳偏振探测方向的夹角。进一步地，在不同脉冲泵浦下单光子探测器输出的后向自发拉曼散射曲线的对比度为：
11、
12、进一步地，采用两个具有一定时间延迟且偏振态相互正交的泵浦脉冲光注入传感光纤，二者在光纤中相同位置产生的自发拉曼增益互补，且使单光子探测器正交偏振方向上的探测概率相等，即a2＝0.5。进一步地，使时间数字转换器记录的两条光子计数曲线叠加后的对比度v＝0，从而消除因光纤中拉曼增益及单光子探测器偏振敏感性引起的曲线抖动。
13、所述的一种消除单光子拉曼温度传感偏振敏感性的方法，包括延时正交偏振双脉冲产生单元、传感单元、信号探测与解调单元。所述延时正交偏振双脉冲产生单元采用单光源结合延时双正交偏振光路产生两个偏振态相互正交、时域上有一定延时的双脉冲进入传感单元。所述传感单元对不同空间位置处的环境温度变化转化为光子计数值大小的变化。传感单元输出的信号通过信号探测与解调单元进行探测与解调。
14、所述延时正交偏振双脉冲产生单元包括激光器、偏振控制器、延时光纤、偏振分束器、偏振合束器；所述传感单元包含波分复用器和待测单模光纤；所述的信号探测解调单元中包含单光子探测器，时间数字转换器，以及上位机。
15、所述的激光器为采用内调制或者外调制的半导体分布式反馈激光器，光纤激光器或锁模激光器。
16、所述的偏振控制器和偏振分束器用于控制两路脉冲光的光强大小。
17、所述的延时光纤用于在时域上产生一定时域长度的延时，延时时间不小于待测光纤所对应时域长度的两倍。
18、所述的偏振合束器用于合成两个延时正交偏振态脉冲。
19、所述的波分复用器包含3个端口，分别是1端口、2端口和3端口，1端口为输入端口，2端口为合束端口，3端口用于滤出自发后向拉曼散射光子。
20、所述单光子探测器由雪崩二极管或超导波导器件构成。
21、所述时间数字转换器采用单片机和/或可编程逻辑器件、和/或数字信号处理芯片、和/或嵌入式芯片、和/或延时取与器件构成。
22、所述上位机含有信号解调和处理程序。
23、所述激光器通过偏振控制器与偏振分束器相连，偏振分束器将脉冲光分为两路，其中一路与延时光纤相连，最后两路脉冲光由偏振合束器进行合束输出；脉冲光从1端口进入波分复用器，从2端口进入待测单模光纤；在待测单模光纤中产生的后向散射信号返回2端口，并从3端口滤出自发拉曼后向散射光子；波分复用器的3端口与信号探测与解调单元连接。
24、所述脉冲光进入光纤中产生的自发后向拉曼散射光子的数量随外界温度的大小而变化。进一步地，由单光子探测器对自发后向拉曼散射光子进行探测，其输出值为：
25、i＝ηδνp0lgrn(ωap)dc+b
26、其中，η为探测器的探测效率，δv为系统的滤波带宽，p0为激光器的峰值功率，l为待测光纤的长度，gr为拉曼增益，ωap＝ωa-ωp表示反斯托克斯光相对于泵浦光的频移，dc为激光器脉冲光的占空比，b为系统的暗计数，n为后向反斯托克斯光的温度调制函数，即：
27、
28、进一步地，可得：
29、
30、其中，t0为初始温度，t为待测单模光纤x位置处的为待测温度，kb为玻尔兹曼常数，g为普朗克常数，进一步地，待测温度t可表示为：
31、
32、由此，光纤中不同位置的温度t不受光纤拉曼增益及单光子探测器偏振敏感性的影响。
33、综上所述，由于采用了上述方案，本专利技术的有益效果是：
34、1.与传统使用偏振分集探测的方案相比，本专利技术的系统结构仅使用一个单光子探测器的端口便可消除偏振造成的曲线抖动，避免了不同端口暗计数和探测效率不同而带来的测量误差。
35、2.本专利技术采用偏振控制器和偏振分束/合束器的方案来获得两个偏振态正交的双脉冲光，使得本系统有更好的稳定性。
36、3.本专利技术提取环境温度信息时采用单路解调的方案，使系统能达到更高的信噪比。
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1.一种消除单光子拉曼温度传感偏振敏感性的方法，其特征在于：采用单光源结合延时双正交偏振光路获取延时双正交偏振脉冲进行拉曼泵浦与光子探测，解决因光纤中拉曼增益和单光子探测器的偏振敏感性所产生的光子数抖动问题；
2.根据权利要求1所述的一种消除单光子拉曼温度传感偏振敏感性的方法，其特征在于：包括延时正交偏振双脉冲产生单元、传感单元、信号探测与解调单元；延时正交偏振双脉冲产生单元采用单光源结合延时双正交偏振光路产生两个偏振态相互正交、时域上有一定延时的双脉冲进入传感单元；传感单元对不同空间位置处的环境温度变化转化为光子计数值大小的变化，传感单元输出的信号通过信号探测与解调单元进行探测与解调。
3.根据权利要求2所述的一种消除单光子拉曼温度传感偏振敏感性的方法，其特征在于：正交偏振双脉冲产生单元包括激光器(1)、偏振控制器(2)、偏振分束器(3)、延时光纤(4)、偏振合束器(5)；传感单元包括波分复用器(6)和待测单模光纤(7)；信号探测与解调单元包括单光子探测器(8)、时间数字转换器(9)、上位机(10)；
4.根据权利要求3所述的一种消除单光子拉
5.根据权利要求3所述的一种消除单光子拉曼温度传感偏振敏感性的方法，其特征在于：脉冲光进入光纤中产生的自发后向拉曼散射光子的数量随外界温度的大小而变化；由单光子探测器对自发后向拉曼散射光子进行探测，其输出值为：
...【技术特征摘要】
1.一种消除单光子拉曼温度传感偏振敏感性的方法，其特征在于：采用单光源结合延时双正交偏振光路获取延时双正交偏振脉冲进行拉曼泵浦与光子探测，解决因光纤中拉曼增益和单光子探测器的偏振敏感性所产生的光子数抖动问题；
2.根据权利要求1所述的一种消除单光子拉曼温度传感偏振敏感性的方法，其特征在于：包括延时正交偏振双脉冲产生单元、传感单元、信号探测与解调单元；延时正交偏振双脉冲产生单元采用单光源结合延时双正交偏振光路产生两个偏振态相互正交、时域上有一定延时的双脉冲进入传感单元；传感单元对不同空间位置处的环境温度变化转化为光子计数值大小的变化，传感单元输出的信号通过信号探测与解调单元进行探测与解调。
3.根据权利要求2所述的一种消除单光子拉曼温度传感偏振敏感性的方法，其特征在于：正交偏振双脉冲产生单元包括激光器(1)、偏振控制器(2)、偏振分束器(3)、延时光纤(4)、偏振合束器(5)；传感单...
【专利技术属性】
技术研发人员：欧中华，王士琨，张利勋，范潇东，刘乔，卜裕文，周强，刘永，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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