一种光纤传感系统及获取与偏振相关的测量数据的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤传感系统及获取与偏振相关的测量数据的方法。
【背景技术】
[0002]偏振相关的测量是光学测量中很重要的一个分支。光作为电磁波的一部分，在空间波动传播的过程中，其电场分量是矢量场，常用其偏振态来描述，即用该矢量的偏振方位和相位差来描述。相位差为零时，该偏振态称为直线偏振；相位差不为零时，该偏振称为椭圆偏振或圆偏振。
[0003]光在传感单元中传播时，与被(待)测物理量相互作用，改变了光电场的偏振状态，从而使被测物理量的信息加载于光波之上。为了将光波上加载的物理量信息提取出来，光学系统一般由相互直交的一对偏振器和它们之间夹着的传感单元组成；这样的光学系统称为偏振计。
[0004]将能够改变光波偏振态的单元，称为双折射单元。在偏振器对之间夹有一个双折射单元的系统称为一阶偏振计；在偏振器对之间夹有二个，或N个双折射单元的系统称为二阶，或N阶偏振计。偏振器对之间的双折射单元，有的是有意添加的，有的是由于光学元件的非理想性所造成的，而且是不能被忽视的。由于偏振器和双折射单元都是矢量器件，系统光学强度的数学分析必须由三角函数来描述。偏振计阶数的增加，将使数学分析变得呈指数级繁杂起来，大大阻碍了偏振计的发展。
[0005]光纤作为光波的导波体，是光纤传感系统的基本器件。由于它可弯拗，传播距离远，使用方便；又由于它是绝缘体，不受电磁干扰的影响，光纤传感系统具有很多优越性。但是，由于光弹性物理效应的作用，当光纤传导路径上的任一点，受到机械振动或环境温度变化的影响时，光纤中传导的光波在该点处的偏振态都将发生不可控制的改变，使得光纤作为双折射单元具有时变特性。
[0006]通常，光纤偏振计在偏振器对的前面和后面各有一根光纤；前面的光纤将入射光送入偏振计，后面的光纤将偏振计出射光送回。由于偏振计对入射光的偏振态非常敏感，入射光纤作为双折射单元所具有的时变特性使得光纤偏振计不可避免地具有时变特性。光源随时间老化、光电检测器的温度特性、光源与光纤、光纤与光电检测器、光线(光束)与光纤准直器等的光耦合随外界影响的变化等所产生的时变特性使得光纤传感系统不能实用。
[0007]由于光纤传感系统中的各个元器件均具有时变特性，大大地影响了与偏振相关的数据的测量结果。现有技术没有意识到光学系统的时变特性，为了提高测量数据的精准度，虽然也使用光弹性效应或泡克尔斯(Pockels)电光效应作为光相位调制器来改善偏振计测量精度，但是测量的数据还是存在比较大的误差，且由于采用正弦波作为基本的调制波形，原本已经很复杂的数学分析变得更加繁杂。本发明采用阶梯状矩形波作为相位调制的基本波形，以简便数据的分析。本发明中的传感元件可具有的物理效应有:泡克尔斯(Pockels)电光效应、法拉第(Faraday)磁光效应和光单性效应等，相应地待测物理量可包括，但不限于电压，(或电场强度)、电流(或磁场强度)、压力(或应力)。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题，在于提供一种获取与偏振相关的测量数据的方法，是通过光纤传感系统来获取与偏振相关的测量数据，在传统的偏振计的偏振器对之间，不仅加入了相位调制元件，而且还加入了隔离光纤，使得起偏器(第一个偏振器)和检偏器(第二个偏振器)在空间上进行了分离，它们分别装在两个基板上；同时，采用了阶梯状矩形波作为相位调制的基本波形，使得光纤传感系统的数学分析可以简化并精确地进行。
[0009]本发明是这样实现的:
[0010]一种光纤传感系统，包括光源、调制模块、隔离光纤、传感模块、调制电压发生器，所述光源、所述调制模块、所述隔离光纤、所述传感模块依次连接，所述调制电压发生器的输出电压施加于所述调制模块。
[0011]进一步地，所述调制模块包括起偏器、相位调制元件，将所述光源发出的光依次传输至所述起偏器、所述相位调制元件，然后再传入所述隔离光纤。
[0012]进一步地，所述传感模块包括传感元件、检偏器，将所述隔离光纤传来的光，依次传输至所述传感元件、所述检偏器，然后再传入所述隔离光缆的出射光纤。
[0013]一种获取与偏振相关的测量数据的方法，所述方法需要提供上述发明的光纤传感系统，所述方法具体包括如下步骤:
[0014]步骤1、启动所述调制电压发生器电源后，由所述光源发出的激光通过光纤依次进入所述起偏器、所述相位调制元件中，然后再传入所述隔离光缆的入射光纤中；
[0015]步骤2、所述调制电压发生器将产生一幅值恒定且具有周期性的阶梯状电压，然后将该电压的信号施加于所述相位调制元件进行调制，使调制电压信号加载于光波上形成调制光；
[0016]步骤3、该调制光通过所述隔离光缆的入射光纤传输至所述传感元件中，此时所述传感元件中带有待测物理量的信息，然后将该调制光传入所述检偏器中，再将该调制光传入所述隔离光缆的出射光纤中；
[0017]步骤4、将调制光的光强信号转换为电信号后，对输出的光强信息进行采样，通过采样得到一组光强信息，然后对该组光强信息进行处理计算，可计算出系统函数、固有函数，再由所述固有函数来构建固有函数组；
[0018]步骤5、通过该固有函数组，计算出与待测物理量成比例的测量数据。
[0019]进一步地，所述步骤4的具体如下:
[0020]步骤41、由所述隔离光缆的出射光纤发出的光强一般表达式为:
[0021]I (t) = (I/2) γ (t) I。(t) {2 a +Co s2 ( Φ P- Φ Μ) β +s i n2 ( Φ P- Φ M)η.cos[ 0M(t)]+sin2(itP-1])M) ζ.sin[ θ M(t)]},
[0022]且α = { [cos2 ( Φ Ρ- Φ Μ) cos2 ( Φ Μ- Φ s) + sin2 ( Φ Ρ- Φ Μ) sin2 ( Φ Μ- Φ s)]cos2 ( Φ s- Φ ν) + [cos2 ( Φ Ρ- Φ Μ) sin2 ( Φ Μ- Φ s) +sin2 ( φ ρ- φ Μ) cos2 ( Φ Μ_ Φ s) ] sin2 ( Φ s_ Φ ν) ]}cos2 ( Φ ν- Φ Α) + { [cos2 ( Φ Ρ- Φ Μ) cos2 ( Φ Μ- Φ s) + sin2 ( Φ Ρ- Φ Μ) sin2 ( Φ Μ- Φ s)]sin2 ( Φ s- Φ ν) + [cos2 ( Φ Ρ- Φ Μ) sin2 ( Φ Μ- Φ s) +sin2 ( φ ρ- φ Μ) cos2 ( Φ Μ- Φ s) ] cos2 ( Φ s_ Φ ν) ]}sin2( Φν- ΦΑ)
[0023]其中，γ (t)是各单元对光的透射率总效果，10(t)是光源发出的光强度，ΦΡ是表示起偏器的透光轴方位，Φ Μ是表示相位调制元件的快速轴方位，Θ M(t)是表示相位调制元件所产生的相位差或相位延迟，1I5s是表示隔离光纤入射口的快速轴方位，Φ V是表示传感元件的快速轴方位，！^是表示检偏器的透光轴方位，β、η、ζ均表示固有函数；
[0024]将起偏器的透光轴方位与相位调制元件的快速轴方位的夹角设置为45度，即(Φρ-Φ?) =45°，则光强一般表达式可进一步化减为:
[0025]I (t) = (1/2) γ (t) 10(t) {1+ η.cos[ Θ M(t)] + ζ.sin[ Θ M(t)]},
[0026]其中，γ (t)是各单元对光的透射率总效果，I。(t)是光源发出的光强度，0M(t)是表示相位调制元件所产生的相位差或相位延迟，η、ζ均表示固有函数；
[0027]每一调制周期均有三种调制状态，分别为Qjt) = + θ Μ、Θ M(t) =0、θ M(t)=-θ M，则其采样得到的一组光强信息U+，ι°，η分别为:
[0028]I+(t) = (1/2) γ (t) 10 (t) {1+ η * cos[ Θ J+ ζ.sin[ ΘΜ]}，其中，γ (t)是各单元对光的透射率总效果，1。(0是光源发出的光强度，θ M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，η、ζ均表示固有函数；
[0029]10 (t) =其中，Y (t)是各单元对光的透射率总效果，10(t)是光源发出的光强度，η表示固有函数；
[0030]r(t) = (1/2) γ (t) 10 (t) {1+ η * cos[ Θ J- ζ.sin[ ΘΜ]}，其中，γ (t)是各单元对光的透射率总效果，1。(0是光源发出的光强度，θ M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，η、ζ均表示固有函数；
[0031]步骤42、由采样得到的光强信号{I+，1°，F}，计算出来的系统函数ΙΜ、固有函数ζ和η分别为:
[0032]Im= [I+(t)+I_(t)-2I°(t)cos( Θ M)]/tan( θ μ/2)，式中，I+(t)是表示调制状态为θΜα) = + θμ下的光强信息，厂α)是表示调制状态为θΜα) =-θμ下的光强信息，ι°α)是表示调制状态为θΜα) = ο下的光强信息，θ Μ是表示相位调制元件调制状态下的调制数值；
[0033]ζ = [I+(t) - r(t)]/IM(t)，式中，I+(t)是表示调制状态为 Θ M(t) = + θΜ下的光强信息，I_(t)是表示调制状态为Θ M(t) = - θ ?下的光强信息，I M(t)是表示系统函数；
[0034]η = {21° (t) -[Γ(t) +Γ(t) ]} / {IM(t).tan[ θ M/2]}，式中，I+(t)是表示调制状态为θΜα) =+ θμ下的光强信息，ι_α)是表示调制状态为θΜα) =-θμ下的光强信息，10ω是表示调制状态为θΜα) = ο下的光强信息，θ Μ是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，ι?ω是表示系统函数；
[0035]其中，系统函数IM(t)由下式定义:IM(t) = γ (t) 10(t).sin[ Θ J ；
[0036]固有函数ζ和η在基于所述传感模块时有:
[0037]ζ = ζτ.(^2(Φν-φΑ) + ζκ.??η2(Φν-φΑ)，其中，在偏振计为三阶的情况下有:
[0038]ζ τ = sin2 ( Φ S2_ φ v).sin ( Θ s)，ζ E = cos2 ( Φ S2_ Φ v).sin ( Θ s)cos ( Θ v) +COS ( Θ s) sin ( Θ v)，式中，φ v是表示传感元件的快速轴方位，Φ 4是表示检