一种双偏振态光纤振动传感时域检测系统的制作方法

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种双偏振态光纤振动传感时域检测系统。

背景技术：

在成本受限的光纤偏振态振动传感系统中，仅使用单检偏器即可测定在传感光纤线路上是否发生了振动。但光源发出的光束偏振态随温度变化而变化。这一问题可能造成光纤偏振态检测振动传感系统灵敏度的波动，进而发生传感系统的误报或漏报。而增加偏振控制器来稳定光源，可能给成本受限的偏振态检测振动传感系统带来较大幅度的成本升高。

另一方面在成本受限的光纤偏振态振动传感系统中，采用的非保偏光纤中光信号的偏振态对温度、部署方式以及非保偏光纤品质差异也更为敏感。单检偏器的灵敏度可能在这些不稳定环境中具有更低的振动传感灵敏度。

虽然使用保偏光纤可以部分稳定环境变化或光纤品质差异带来的影响，但保偏光纤的材料成本与部署成本过高，在成本受限的光纤偏振态检测振动传感系统中难以得到广泛应用。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双偏振态光纤振动传感时域检测系统，其目的在于在成本受限的光纤偏振态振动传感系统中，不需要增加偏振控制器不需要使用保偏光纤的情况下实现光纤振动的检测。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双偏振态光纤振动传感时域检测系统，包括第一分光器件、第一光功率探测器、双偏振态检偏器、第二光功率探测器、第一离差绝对值集合计算模块、第三光功率探测器、第二离差绝对值集合计算模块、双偏振态能量绝对值集合计算模块、相对能量值计算模块以及光纤振动判断模块，其中：

所述第一分光器件，用于将传感光信号进行分光生成第一光束和第二光束；

所述第一光功率探测器，用于探测所述第一光束的当前光功率数值；

所述双偏振态检偏器，用于接收所述第二光束，所述第二光束通过所述双偏振态检偏器输出为第一偏振光束和第二偏振光束；

所述第二光功率探测器，用于探测所述第一偏振光束的偏振光功率数值，所述第一离差绝对值集合计算模块用于计算第一偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合；

所述第三光功率探测器，用于探测所述第二偏振光束的偏振光功率数值，所述第二离差绝对值集合计算模块用于计算第二偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合；其中，对所述第一偏振光束与所述第二偏振光束采用同样处理方式同步处理；

所述双偏振态能量绝对值集合计算模块，用于根据所述第一偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合与所述第二偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合生成双偏振态能量绝对值集合；

所述相对能量值计算模块，用于根据所述第一光束的当前光功率数值，以及所述双偏振态能量绝对值集合，计算相对能量值；

所述光纤振动判断模块，用于根据所述相对能量值以及预设相对能量阈值判断是否存在光纤振动。

本发明的一个实施例中，所述双偏振态检偏器包括第二分光器件、第一偏振片以及第二偏振片，所述第二光束经过所述分光器件生成第三光束和第四光束，所述第三光束垂直入射所述第一偏振片，从所述第一偏振片出射形成第一偏振光束，所述第四光束垂直入射所述第二偏振片，从所述第二偏振片出射形成第二偏振光束，所述第一偏振片的透光轴和第二偏振片的透光轴的夹角范围为5-85度。

本发明的一个实施例中，所述第一离差绝对值集合计算模块包括第一滤波放大模块、第一模数转换模块、第一采样模块、以及第一离差绝对值计算子模块，其中：

所述第一滤波放大模块，用于对所述第一偏振光束的光功率数值进行滤波并放大；

所述第一模数转换模块，用于对滤波放大后的第一偏振光束的偏振光功率数值进行模数转换；

所述第一采样模块，用于对模数转换后的偏振光功率数值按照预设采样频率进行采样，得到所述第一偏振光束的偏振光功率数值的偏振态采样点数据集合；

所述第一离差绝对值计算子模块，用于对第一偏振光束的偏振态采样点数据集合进行离差计算，得到第一偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合。

本发明的一个实施例中，所述双偏振态能量绝对值集合计算模块具体用于：

将所述第一偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合与所述第二偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合中的对应点位数据求和生成双偏振态能量绝对值集合。

本发明的一个实施例中，所述相对能量值计算模块包括能量绝对值和值计算子模块和相对能量值计算子模块，其中：

所述能量绝对值和值计算子模块，用于对所述双偏振态能量绝对值集合中的每m个能量绝对值作求和运算，得到能量绝对值和值，所述m为预设值；

所述相对能量值计算子模块，用于将所述n个能量绝对值和值分别除以所述第一光束的当前光功率数值，得到n个相对能量值。

本发明的一个实施例中，所述光纤振动判断模块根据所述相对能量值判断是否存在光纤振动，具体为：

判断所述相对能量值是否超过预设相对能量阈值，如果是则判定存在光纤振动。

本发明的一个实施例中，所述光纤振动判断模块包括计数子模块和判定子模块，其中：

所述计数子模块，用于对所述n个相对能量值，判断每个相对能量值是否超过预设相对能量阈值，并统计超过预设相对能量阈值的相对能量值的个数；

所述判定子模块，用于判断超过预设相对能量阈值的相对能量值的个数是否大于预设振铃阈值，如果是则判定存在光纤振动。

本发明的一个实施例中，所述第一光束与第二光束的光功率比例为10：90。

本发明的一个实施例中，所述预设采样频率大于或等于100hz。

本发明的一个实施例中，所述预设振铃阈值取值范围为1-100。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明提供的双偏振态光纤振动传感时域检测系统，通过将传感光信号分光成两束，对第一光束直接探测其当前光功率数值，对第二光束通过双偏振态检偏器检测两束偏振光的偏振光功率数值，并计算得到双偏振态能量绝对值，最后根据双偏振态能量绝对值与第一光束的当前光功率数值进行比对，从而判断是否存在光纤振动；通过使用双偏振态检偏器可以同时在两个偏振方向上检测偏振光的偏振状态，从而在发生光纤振动时能够更加准确的检测到偏振态的变化，从而准备的检测到光纤振动；

(2)组成本发明提供的检偏器所需要的光学器件成本低廉，仅需要一个分光器件和两个偏振片，并且该检偏器结构简单，仅需保证入射光分成两束且两个偏振片的通光轴具有一定夹角，不需要增加额外检偏器也不需要使用保偏光纤，在增加很小成本的情况下，即可克服温度、部署方式以及非保偏光纤品质差异等不稳定环境因素的影响，且具有较高振动传感灵敏度。

(3)本发明提供的双偏振态光纤振动传感时域检测系统，可同时检测来自一根光纤中传感光的两个偏振态信号分量的强度，其作用为更准确地检测外界振动作用在传感光纤上时，传感光纤内传感光偏振态发生的变化。本发明系统通过监测到接收端光功率的值计算出两个偏振态分量信号的相对能量之和，进一步加强了双偏振态振动传感检测的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种双偏振态光纤振动传感时域检测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种双偏振态检偏器的结构示意图；

图3是本发明实施例中第一离差绝对值集合计算模块的结构示意图；

图4是本发明实施例中相对能量值计算模块的结构示意图；

图5是本发明实施例中光纤振动判断模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

现有单偏振态光纤振动传感时域检测系统不能同时检测两个偏振态的分量信号，其原因在于单偏振态光纤振动传感时域检测系统只设置了一套由光探测器、滤波放大模块、模数转换器及数字信号处理部件组成的检测装置。在一般的偏振态振动传感时域检测系统中，往往直接使用不同偏振态的分量信号强度用于各种传感量的检测，但是不同偏振态的分量信号强度可能因为光路或电路上的环境因素变化而波动，从而造成传感量检测的不准确。

因此本发明提供了一种双偏振态光纤振动传感时域检测系统，如图1所示，包括第一分光器件1、第一光功率探测器2、双偏振态检偏器3、第二光功率探测器4、第一离差绝对值集合计算模块5、第三光功率探测器6、第二离差绝对值集合计算模块7、双偏振态能量绝对值集合计算模块8、相对能量值计算模块9以及光纤振动判断模块10，其中：

所述第一分光器件1，用于将传感光信号进行分光生成第一光束和第二光束；

具体地，所述第一分光器件1可以为半透半反镜。通常地，所述第一光束与第二光束的光功率比例范围为30：70-10：90，优选地为10：90。

所述第一光功率探测器2，用于探测所述第一光束的当前光功率数值；

所述双偏振态检偏器3，用于接收所述第二光束，所述第二光束通过所述双偏振态检偏器3输出为第一偏振光束和第二偏振光束；

具体地，如图2所示，所述双偏振态检偏器3可以包括第二分光器件31、第一偏振片32以及第二偏振片33，所述第二光束经过所述分光器件生成第三光束和第四光束，所述第三光束垂直入射所述第一偏振片32，从所述第一偏振片32出射形成第一偏振光束，所述第四光束垂直入射所述第二偏振片33，从所述第二偏振片33出射形成第二偏振光束，所述第一偏振片32的透光轴和第二偏振片33的透光轴的夹角范围为5-85度。通常地，所述第二分光器件31为半透半反镜。优选地，所述第二分光器件31的光功率分光比例为50：50。

所述第二光功率探测器4，用于探测所述第一偏振光束的偏振光功率数值，所述第一离差绝对值集合计算模块5用于计算第一偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合；

离差也叫差量，是单项数值与平均值之间的差。一般计算离差平方和来表示数据分布的集中程度，反映了真实值偏离平均值的差距。可能出现结果与平均预期的偏离程度，代表风险程度的大小。

具体地，如图3所示，所述第一离差绝对值集合计算模块5包括第一滤波放大模块51、第一模数转换模块52、第一采样模块53、以及第一离差绝对值计算子模块54，其中：

所述第一滤波放大模块51，用于对所述第一偏振光束的光功率数值进行滤波并放大；

所述第一模数转换模块52，用于对滤波放大后的第一偏振光束的偏振光功率数值进行模数转换；

所述第一采样模块53，用于对模数转换后的偏振光功率数值按照预设采样频率进行采样，得到所述第一偏振光束的偏振光功率数值的偏振态采样点数据集合；通常地，所述预设采样频率大于或等于100hz，一般优选为400-1000hz；

所述第一离差绝对值计算子模块54，用于对第一偏振光束的偏振态采样点数据集合进行离差计算，得到第一偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合。

所述第三光功率探测器6，用于探测所述第二偏振光束的偏振光功率数值，所述第二离差绝对值集合计算模块7用于计算第二偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合；其中，对所述第一偏振光束与所述第二偏振光束采用同样处理方式同步处理；两个偏振光路获得的数据应同步处理并在时间域上对齐；

所述双偏振态能量绝对值集合计算模块8，用于根据所述第一偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合与所述第二偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合生成双偏振态能量绝对值集合；

具体地，所述双偏振态能量绝对值集合计算模块8将所述第一偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合与所述第二偏振光束的偏振光功率数值的离差绝对值集合中的对应点位数据求和生成双偏振态能量绝对值集合。

所述相对能量值计算模块9，用于根据所述第一光束的当前光功率数值，以及所述双偏振态能量绝对值集合，计算相对能量值；

具体地，如图4所示，所述相对能量值计算模块9包括能量绝对值和值计算子模块91和相对能量值计算子模块92，其中：

所述能量绝对值和值计算子模块91，用于对所述双偏振态能量绝对值集合中的每m个能量绝对值作求和运算，得到能量绝对值和值，所述m为预设值(例如取值为预设采样频率的百分之一)；

所述每个能量绝对值和值为m个能量绝对值作求和运算的结果(当最后不足m个能量绝对值时，舍弃)，所述n为所述双偏振态能量绝对值集合中双偏振态能量绝对值的个数除以m的整数商；所述每m个能量绝对值不重合；

所述相对能量值计算子模块92，用于将所述n个能量绝对值和值分别除以所述第一光束的当前光功率数值，得到n个相对能量值。

所述光纤振动判断模块10，用于根据所述相对能量值以及预设相对能量阈值判断是否存在光纤振动。

通常地，所述预设相对能量阈值的取值范围为20-3000，优选100-200。

具体地，可以有以下两种方式：

(a)判断所述相对能量值是否超过预设相对能量阈值，如果是则判定存在光纤振动。

在这种情况下，如果有任何一个相对能量值超过预设相对能量阈值，则判定存在光纤振动；

(b)对n个相对能量值，判断每个相对能量值是否超过预设相对能量阈值，并统计超过预设相对能量阈值的相对能量值的个数；

判断超过预设相对能量阈值的相对能量值的个数是否大于预设振铃阈值，如果是则判定存在光纤振动。

由于方法(a)只根据某一个相对能量值来判断，所以有可能出现误判情况，所以用方法(a)对n个相对能量值都进行判断，并统计超过预设相对能量阈值的个数，当超过预设振铃阈值时，才判定存在光纤振动。

对于第二种情况，如图5所示，所述光纤振动判断模块10包括计数子模块101和判定子模块102，其中：

所述计数子模块101，用于对n个相对能量值，判断每个相对能量值是否超过预设相对能量阈值，并统计超过预设相对能量阈值的相对能量值的个数；

所述判定子模块102，用于判断超过预设相对能量阈值的相对能量值的个数是否大于预设振铃阈值，如果是则判定存在光纤振动。

一般地，所述预设振铃阈值取值范围为1-100，优选取值为30。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。