一种光纤传感系统及获取与偏振相关的测量数据的方法_3

文档序号:8497837阅读:来源:国知局
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;
[0076]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,则其对应的光强i+(t)、10 (t)、1-(t)分别为:
[0077]I+(t) = (1/2) γ (t) 10(t) {1+η.cos[ Θ J+ζ.sin[ Θ J} (7a)
[0078]10(t) = (1/2) γ (t)10(t) {1+n} (7b)
[0079]r(t) = (1/2) γ (t) 10(t) {1+n.cos[ Θ J-ζ.sin[ Θ J} (7c)
[0080]式(7a)_(7c)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,θ M是相位调制元件的调制幅度,η、ζ均表示固有函数。
[0081]正负调制状态时的光强差为AI(t) = I+(t) -1_(t) = Im(t) ζ (8)
[0082]式子⑶中的IM(t)称为系统函数,ζ表示固有函数,Im(t)由下式定义:
[0083]Im(t) = γ (t)10(t).sin[ Θ J (9)
[0084]由式子(9)可见,IJt)是光源发出的光强度;θ M是相位调制元件的调制幅度;γ (t)是是各单元对光的透射率总效果,这些因素在一定程度上具有时变特性。因此,系统函数iM(t)反映的是光源的老化不稳定性、检偏器前入射光纤的偏振状态的变化、光纤传导光的透射率变动、光路的透射率、光电转换器的转换特性等硬件测量条件的总效果。
[0085]系统函数iM(t)和固有函数ζ及η,可由实测的光强r(t)、i°(t)、1-(t)按下式动态地计算出来:
[0086]Im(t) = [I+(t)+r(t)-210(t)cos( Θ M)]/tan( Θ m/2) (1a)
[0087]ζ = [I+(t) - F(t)]/IM(t) (1b)
[0088]η = {210(t)-[I+(t)+r(t)]}/{IM(t).tan[ Θ m/2]} (1c)
[0089]式(1a)-(1c)中,I+(t)是表示调制状态为0M(t) = + θ M下的光强信息,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) =0下的光强信息,θ Μ是相位调制元件的调制幅度,I Μα)是表示系统函数。
[0090]从实测光强信息中,将系统函数和固有函数分离出来,就能将整个系统的时变特性对测量结果的影响消除掉,从而消除了机械振动以及环境温度变化对测量结果的影响。
[0091]实施例一:如图4所示,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本发明的光纤传感系统,所述方法具体包括如下步骤:
[0092]步骤1、启动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,然后再进入所述隔离光缆的入射光纤中;
[0093]步骤2、将调制电压发生器产生的电压信号传输至所述相位调制元件进行调制,使调制电压的信号加载到光波上形成调制光;
[0094]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,此时所述传感元件因具有泡克尔斯(Pockels)电光效应,其中通过的光波中带有电压的信息,然后将该调制光传输至所述检偏器中,再将该调制光传输至所述隔离光缆的出射光纤中;
[0095]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;具体如下:
[0096]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:
[0097]I (t) = (1/2) γ (t)10(t) {2a+cos2(itp-1])M) β+8?η2(Φρ-φΜ)η * cos[ 0M(t)]+sin2(itp-1])M) ζ.sin[ θ M(t)]},
[0098]且a = { [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)
[0099]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,η、ζ均表示固有函数;
[0100]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:
[0101]I (t) = (1/2) γ (t) 10(t) {1+n.cos[ θ M(t)] + ζ.sin[ Θ M(t)]},
[0102]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;
[0103]每一调制周期均有三种调制状态,分别为θΜα) =+θΜ、0M(t) =0、0M(t)=-θ M,则其采样得到的一组光强信息a+,ι°,η分别为:
[0104]I+(t) = (1/2) γ (t) 10 (t) {1+n * cos[ Θ J+ ζ.sin[ ΘΜ]},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,θM是相位调制器的调制幅度,η、ζ均表示固有函数;
[0105]10(t) = (1/2)丫(01。(0{1+11},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;
[0106]r(t) = (1/2) γ (t) 10 (t) {1+n * cos[ Θ J- ζ.sin[ ΘΜ]},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,θ M是相位调制元件的调制幅度,I1、ζ均表示固有函数;
[0107]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:
[0108]Im= [I+(t)+r(t)-2I°(t)cos( Θ M)]/tan( θ m/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是相位调制元件的调制幅度;
[0109]ζ = [I+(t) -1_(t)]/IM(t),式中,I+(t)是表示调制状态为 θΜ(?) = + 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;
[0110]n = {2I°(t)-[I+(t)+r(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是相位调制元件的调制幅度,I M(t)是表示系统函数;
[0111]其中,系统函数Im⑴由下式定义:IM(t) = γ (t) 10 (t) ^sinli θ M],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,θ M是相位调制元件的调制幅度。
[0112]固有函数ζ和η在基于所述传感模块时有:
[0113]ζ = eT*COS2(HA) + eK*Sin2(HA),其中,在偏振计为三阶的情况下有:
[0114]ζ T= s in2 ( Φ S2- Φ v).s in ( Θ s) , ζ E= cos2 ( Φ S2- Φ v).s in ( 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是表示检偏器的透光轴方位,1I5s2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位,0 ¥是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟,Θ 5是表示隔离光纤总体相位延迟;
[0115]n = nT*cos2(itv-1tA) + nK*sin2(itv-1tA),其中,在偏振计为三阶的情况下有:
[0116]nT= -sin2 ( Φ Μ_ Φ S1) cos2 ( Φ S2_ Φ v) _cos2 ( Φ M_ Φ S1) sin2( Φ S2_ Φ v).cos ( Θ s),
[0117]n R= +s in2 ( Φ M_ Φ S1) s in2 ( Φ S2_ Φ v).co s ( Θ v) -co s 2 ( Φ M- Φ S1)cos2 ( φ S2- φ v).cos ( Θ J cos ( Θ s) +cos2 ( Φ M- Φ S1).I.sin ( Θ v) sin ( Θ s),
[0118]式中,Φν是表示传感元件的快速轴方位,Φ八是表示检偏器的透光轴方位,Φ ?是表示相位调制元件的快速轴方位,itsl是表示隔离光纤入射口的快速轴方位,Φ S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位,θν是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟,Θ s是表示隔离光纤总体相位延迟;
[0119]步骤43、设置传感元件的快速轴方向与检偏器的透光轴方向之间的夹角后,构建出固有函数组。
[0120]步骤5、通过该固有函数组
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