专利名称：利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用压电陶瓷作为偏振控制单元实现偏振敏感光时域反射技术 的方法及装置，属于光纤通信和光纤传感技术领域。
背景技术：
随着光纤通信和光纤传感技术的飞速发展，对光纤通信线路的监测和通过 测量光纤参数来测量外界环境因素是非常重要的。偏振特性是光的基本特性之 一，光在光纤中传输时受到光纤自身参数(如固有双折射、扭绞率和偏振模色 散等)的影响，其偏振态会变化，同时，外界环境的变化使光纤发生弯曲、扭 绞以及应力变化，也会导致偏振态的改变；因此，对于偏振态分布的监测既可 以反映光纤自身参数的变化，又可以反映外界环境参数的变化。偏振敏感光时 域反射技术是指，利用短脉冲光在光纤中的背向瑞利散射来监测偏振态随光纤 长度的分布，并进而求出光纤自身参数或者环境参数的分布的技术。
偏振敏感光时域反射技术(P-OTDR)于1981年由A.J.Rogers提出，其通过 检测光纤中传输光偏振态的变化来实现分布式传感。该技术的主要优点在于1) 非破坏性，该偏振敏感光时域反射技术不会对光纤造成破坏，也不会影响前向 光的传输；2)单端测量，在该偏振敏感光时域反射技术中，由于光源和检测器 件在光纤的同一端，能够在一端对长距离光纤的远端进行测量。目前偏振敏感 的光时域反射技术主要有两种实现方法
一种是J. G. Ellison等人1998年提出的采用旋转波片和起偏器的偏振面感
的光时域反射技术(如图1所示)，该装置由脉冲发生器1与激光器2组成一个
短脉冲光信号源，经过掺铒光纤放大器3放大后，到达一对自聚焦透镜4与5 组成的平行光路，在平行光路中使用可旋转的起偏器6和波片7来改变输入光 的偏振态，这个偏振光然后经过自聚焦透镜5重新进入光纤，再经过光纤放大 器8放大，经过环行器9注入到被测光纤10。在被测光纤10中由于瑞利散射而 把光脉冲反射回到环行器9，然后到达摻铒光纤放大器11，放大后的反射信号 到达四路偏振分析仪12，四路偏振分析仪输出的信号由四路光接收机13转变为 电信号，然后送往数字示波器14，同时脉冲信号发生器l向四路示波器14输出 一个同歩触发脉冲，以保证反射信号与输入信号同歩。从数字示波器14显示的 反射波曲线，就可以获得偏振态分布的信息。可以看出，这套系统中的平行光 路与旋转偏振器以及能够同时检测四路输入的偏振分析仪12是关键部件，而这 些部件的调整往往是非常困难的。
另一种是由Marc Wulipart等人2001年提出的采用旋转起偏器的偏振敏感 的光时域反射技术(如图2所示)，图中，由光时域反射计15产生一个光脉冲， 这个光脉冲经过环行器16、衰耗器17和探测器18转变为电信号。这个电信号 去控制脉冲发生器19，激光器20，光纤放大器21以及声光调制器22，它们共 同组成了一个新的短脉冲光信号源。这样做的目的在于将光时域反射计15产生 的多谱线的光脉冲转化为单一谱线和良好相干性的光信号，并同时实现同步。 新的短脉冲光信号经过偏振控制器23对其偏振态进行调节，然后经过环行器24 到达由自聚焦透镜25与26组成的平行光路，在平行光路中，插入可旋转的起 偏器27，进一步调节注入光的偏振态，然后注入到被测光纤28。由于光纤的瑞 利散射而反射回来的反射光，重新回到平行光路和起偏器27 (此时起偏器27充当检偏器)。经过检偏后的光重新到达环行器24，再转到环行器16，返回到光
时域反射计15，完成测量。
上述两种方法的共同特点是都必须使用机械旋转的偏振器来改变输入偏振 态。这种使用机械旋转的偏振器来改变输入偏振态在实际应用中带来了很多问
题要将光从光纤中引出来再通过旋转偏振器注回到光纤中，必须使用一对自
聚焦透镜组(如图1的自聚焦透镜4与5，以及图2的自聚焦透镜25与26)。 自聚焦透镜组本身的轴向偏移、角度倾斜等会带来不稳定的附加耦合损耗，而 偏振器的旋转将导致光线的横向偏移，不同的偏振态有不同的插入损耗等，这 些因素严重影响测量的准确性和重复性；此外，由于机械旋转速度比较慢，这
也影响到测量速度。
由于上述不足，在P-0TDR提出后的近20年中，其研究和应用并没有取得 新的实质性进展。本发明是为了克服上述不足而提出的。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的方 法及装置，可以用来通过检测光纤中传输光偏振态的变化来实现分布式传感以 及对光纤参数的分布式测量。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
(一) 一种利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的方法，其歩骤如
下
步骤1取消原测量光路中的机械旋转的偏振器和由自聚焦透镜组成的光 路，而代之以不旋转的压电陶瓷偏振控制器来改变被测光纤的输入偏振态，在 偏振控制器前面放置一个偏振器，既作为起偏器又作为检偏器，保证起偏与检 偏坐标系是一致的。 步骤2所述压电陶瓷偏振控制器利用压电陶瓷挤压光纤来改变光纤偏振
态，被挤压的一段光纤将在受压方向与垂直于受压方向之间产生相位差和双折 射，从而改变了偏振态。
步骤3求解光信号从被测光纤中由于背向瑞利散射而返回到输入端的偏振
态和注入到被测光纤的偏振态，其满足关系式
^)=爐仏-)認"逸， 其中&是注入光纤的偏振态，^(z)是从光纤长度^处反射至入射端的偏振
态，」^(z)是一个4x4的矩阵，称为光纤的传输矩阵，它反映了光纤的双折射特 性，及^diag(U广l)。
由上式可知，要求解光纤的双折射特性即4x4的传输矩阵Mp(力，必须知道 多个输入偏振态和多个输出偏振态，这也就是前人需要旋转起偏器和四路检偏 器的原因。
步骤4在被测光纤与偏振器之间插入一个传输矩阵已知的压电陶瓷偏振控 制器，它利用改变电压来控制偏振态，没有机械旋转部件。
在这种情况下，背向瑞利散射光经过压电陶瓷偏振控制器后反向输出的偏 振态&(z,")和注入压电陶瓷偏振控制器的正向入射光的偏振态&之间的关系变 为方程式(1):
^(z,w)=脂r(w)Af;(z)纽F(z)M(M)1( 1 ) 其中MW是压电陶瓷偏振控制器的传输矩阵，它是电压W的函数，而且矩阵 M(")可以通过改变压电陶瓷的驱动电压事先测得到，视为己知量。
入射光的偏振态&由起偏器决定，输出偏振态見经过的是同一个偏振器， 因此入射光的偏振态l与输出偏振态&经过检偏器后的偏振态相同。
步骤5通过改变压电陶瓷偏振控制器的驱动电压使注入到被测光纤的输入 偏振态变化，因此由光纤反射回来的偏振态也发生变化，这样可以测得多组背 向散射光的分布曲线&fe")， S不仅是长度z的函数，而且以电压"为参数。
步骤6结合己知的M(")，可以反算出光纤的传输矩阵MJ"，进而计算出各 点的双折射分布，以及光纤参数或者环境参数。利用光电二极管进行光电变换， 所采集到的变换电信号数据，通过一个下述的算法计算出光纤各点的双折射分 布，拍长等参数。具体算法为
设经过光纤偏振器的输入偏振态和从光纤长度z处返回并经过光纤偏振器 后的输出偏振态分别为4H、。,0,0f， S(z，")-(啦"),0,0)7，那么有方程式(2):
其中A/,，M")和M力)分别是光纤偏振器、压电陶瓷偏振控制器、待测光纤的传输 矩阵，其取值分别为』Wp=^a^，0,0)， M(m)=[%(m)]， MF(z) = [ ^(z)]，且i^Aag(1,1,-1)。 将各矩阵代入方程式(2)计算得到
,(")-2[#>/^)+《(")4(2)+如>4(2)
改变压电陶瓷驱动电压，得到不同的 (")和啦")，求解上面方程可以得到g(力， 气(z)^(力，但还不能得到气(力，其正负号还需要其他条件判定。光纤双折射矢量 和光纤传输矩阵的关系为.-
麵，,
改
由于上面的计算求得的M刺的元素^々)的符号不单一，使得光纤双折射间具 有两个可能的值。考虑到脉冲足够短，可以认为相邻的光纤双折射间的差别很 小，利用这一点就可以判定加3/2)的正负号。然后再根据Z^2^1^，可以求得光纤的双折射间和拍长^的沿光纤各点的分布。
(二) 一种利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的装置，其包括 短脉冲光信号源、光纤环行器、光纤偏振器、压电陶瓷偏振控制器和探测器， 以及计算机控制电路。该装置的连接关系如下
短脉冲光信号源发出一个短脉冲光信号.，短脉冲光信号经过光纤环行器1 的端口进入光纤偏振器，使短脉冲光信号保持为线偏振态，并输出给压电陶瓷 偏振控制器；进入压电陶瓷偏振控制器的短脉冲光信号，其输出偏振态随着压 电陶瓷驱动电压的改变而变化，并注入到被测光纤中；光纤中的背向瑞利散射 光同样经过压电陶瓷偏振控制器和光纤偏振器，然后经过环行器的端口进入探 测器，探测器负责将接收到的瑞利散射光信号变换成为电信号，并被数据采集 卡采集和送入计算机进行数据处理，最终得到光纤参数或者环境参数的变化。
所述的压电陶瓷偏振控制器是一种利用压电陶瓷挤压光纤来改变光纤偏振 态的装置，其结构包括光纤依次通过按照0° 、 45° 、 (T三个不同角度放置 的3只压电陶瓷，压电陶瓷驱动电压由计算机45控制。第一个(T和45。压电 陶瓷分别挤压会使光纤输出的偏振态在邦加球上形成相互垂直的两个圆，第三 个0°放置的压电陶瓷起辅助作用，保证光纤输出偏振态的遍历性。在压电陶瓷 偏振控制器前面放置一个光纤偏振器，使得输入到压电陶瓷偏振控制器的偏振 态保持不变，在改变压电陶瓷驱动电压的时候，可以准确得到各种输出偏振态。
所述探测器是用于对背向瑞利散射光信号进行检测，这里只需要使用一个 光电二极管进行光电变换，并将变换电信号数据通过采集卡迸行采集。
本发明的优点在于通过改变压电陶瓷偏振控制器的驱动电压就可以实现光 纤参数的分布测量，驱动电压采用计算机控制，可以对散射信号迸行高速采集，
能够实现对光纤本身及其外界环境的快速监测。基于光纤挤压的偏振控制器具 有插入损耗低、带宽很宽、响应速度快的优点。
图1是采用旋转波片和起偏器的偏振敏感光时域反射技术的系统结构示
意图中脉冲发生器l，激光器2，掺铒光纤放大器3、 8和11，自聚焦透 镜4和5，可旋转起偏器6，可旋转波片7，光环行器9，被测光纤IO，四路偏 振分析仪12，四路光接收机13，数字示波器14。
图2是采用旋转起偏器的偏振敏感光时域反射技术的系统结构示意图中光时域反射计15，环行器16和24，衰耗器17，探测器18，脉冲
发生器19，激光器20，光纤放大器21，声光调制器22，偏振控制器23，自聚
焦透镜25和26，可旋转的起偏器27，被测光纤28。
图3是利用压电陶瓷实现偏振敏感的光时域反射技术方法的系统结构示
意图中29为输入光纤，30为偏振器，31为压电陶瓷偏振控制器，32为
被测光纤，33为控制电源。
图4是利用压电陶瓷实现偏振敏感的光时域反射技术装置的结构示意图； 图中34为短脉冲光信号源，35为光纤环行器，36为光纤偏振器，37为
压电陶瓷偏振控制器，38为探测器，39为控制与数据处理计算机，40为被测光纤。
图5是压电陶瓷偏振控制器的结构图。
图中41为光纤偏振器，42、 43、 44为3个压电陶瓷，44为控制计算机。
图6是利用压电陶瓷实现偏振敏感的光时域反射技术方法与装置一的结 构示意图中46为激光器，47为可编程信号发生器，48为外调制器，49为掺铒 光纤放大器，50为光纤环行器，51为光纤偏振器，52为压电陶瓷偏振控制器， 53为探测器，54为计算机，55为被测光纤。
图7是利用压电陶瓷实现偏振敏感的光时域反射技术方法与装置二的结 构示意图中56为激光器，57为驱动电路，58为掺铒光纤放大器，59为光纤环 行器，60为光纤偏振器，61为压电陶瓷偏振控制器，62为探测器，63为计算 机，64为被测光纤。
图8是利用压电陶瓷实现偏振敏感的光时域反射技术方法与装置三的结 构示意图中65为光时域反射计，66与71为光纤环行器，67为衰耗器，68为 波长变换器，69为另一只相干性能好的激光器，70为掺铒光纤放大器，72为光 纤偏振器，73为压电陶瓷偏振控制器，74为计算机58， 75为被测光纤。
说明在图l-图8中，实线表示光纤连接，虚线表示电线连接。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明
实施例1图3是利用压电陶瓷实现偏振敏感的光时域反射技术方法的系统
结构示意图，图中29为输入光纤，30为偏振器，31为压电陶瓷偏振控制器， 32为被测光纤，33为控制电源，该方法实现步骤为取消现有技术中原测量光 路的机械旋转的偏振器和由自聚焦透镜组成的光路，而代之以不旋转的压电陶
瓷偏振控制器31来改变被测光纤32的输入偏振态；然后在压电陶瓷偏振控制 器31前面放置一个偏振器30，既作为起偏器又作为检偏器，保证起偏与检偏坐
标系是一致的；压电陶瓷偏振控制器31利用压电陶瓷挤压光纤来改变光纤偏振 态；被挤压的一段光纤将在受压方向与垂直于受压方向之间产生相位差和双折 射，从而改变了偏振态。
实施例2图4是利用压电陶瓷实现偏振敏感的光时域反射技术装置的结构 示意图，该装置由短脉冲光信号源34、光纤环行器35、光纤偏振器36、压电陶 瓷偏振控制器37和探测器38，以及计算机控制电路39等组成，被测光纤是40。 短脉冲光信号源34发出一个短脉冲光信兮；短脉冲光信号经过光纤环行器35 的l、 2端口进入光纤偏振器36，使短脉冲光信号保持为线偏振态，并输出给压 电陶瓷偏振控制器37;进入压电陶瓷偏振控制器37的短脉冲光信号，其输出偏 振态随着压电陶瓷驱动电压的改变而变化，并注入到被测光纤40中；光纤中的 背向瑞利散射光同样经过压电陶瓷偏振控制器37和光纤偏振器36，然后经过环 行器35的2、 3端口进入探测器38，探测器38中将接收到的瑞利散射光信号变 换成为电信号，并被数据采集卡采集和送入计算机进行数据处理，最终得到光 纤参数或者环境参数的变化。
图4中所述的压电陶瓷偏振控制器是一种利用压电陶瓷挤压光纤来改变光 纤偏振态的装置，其结构如图5所示光纤依次通过按照0° 、 45° 、 0°三个 不同角度放置的3只压电陶瓷42， 43， 44，压电陶瓷驱动电压由计算机45控制。 0°和45°压电陶瓷分别挤压会使光纤输出的偏振态在邦加球上形成相互垂直 的两个圆，第三个(T放置的压电陶瓷起辅助作用，保证光纤输屮,偏振态的遍历 性。在压电陶瓷偏振控制器前面放置一个光纤偏振器41，使得输入到压电陶瓷
偏振控制器的偏振态保持不变，在改变压电陶瓷驱动电压的时候，可以准确得 到各种输出偏振态。
图4种的探测器38是用于对背向瑞利散射光信号进行检测，这里只需要使 用一个光电二极管进行光电变换，并将变换电信号数据通过采集卡进行采集。 所采集到的变换电信号数据，通过一个下述的算法计算出光纤各点的双折射分 布，拍长等参数。
实施例3如图6所示的一种利用压电陶瓷实现的偏振敏感光吋域反射技术 的方法与装置。它是在图4的基础上，由激光器46、可编程信号发生器47、外 调制器48、掺铒光纤放大器49共同组成一个短脉冲光信号源。激光器46发出 直流光，并与外调制器48的光输入端相连；外调制器48的电信号输入端与可 编程信号发生器47的输出端相连接，外调制器48在可编程信号发生器47的电 信号控制下对从激光器46输入的直流光进行调制，输出一个光脉冲。这个光脉 冲进入掺铒光纤放大器49进行放大，然后经过光纤环行器50的1、 2端口进入 光纤偏振器51，经过光纤偏振器51的光保持为线偏振态，并输出给压电陶瓷偏 振控制器52。进入压电陶瓷偏振控制器52的光脉冲，其输出偏振态随着压电陶 瓷驱动电压的改变而变化，然后进入被测光纤55，产生背向散射光。被测光纤 中的背向散射光反向传输，先经过压电陶瓷偏振控制器52和光纤偏振器51，然 后经过环行器50的2、 3端口进入探测器53，探测器53将接收到的背向散射光 信号变换成为电信号，并被到计算机54的数据采集卡采集和进行数据处理，最 终得到光纤参数或者环境参数的变化。
压电陶瓷偏振控制器52的调节方法为在压电陶瓷偏振控制器52前面放 置一个光纤偏振器51，它具有起偏器的作用，使得输入到压电陶瓷偏振控制器
52的光为线偏振光。然后通过改变3个压电陶瓷中的一个的驱动电压，输出偏振态就会在邦加球上画一个圆，重复这样的操作，就nj'以得到两两相互垂直的3 个圆，确保了可以输出任意所需要的偏振态。驱动电压的改变用计算机54来控 制。
实施例4图7是一种利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的方法与 装置的另一实施例。它是在图4的基础上，由激光器56及其驱动电路57、掺铒 光纤放大器58等组成一个短脉冲光信号发生源。驱动电路57产生一个短的电 脉冲，直接调制激光器56输入电流，从而输山一个光脉冲，光脉冲经过掺铒光 纤放人器58后光被放大。光脉冲的周期由驱动电路60的可编程逻辑器件控制。 然后经过光纤环行器59的1、 2端口进入光纤偏振器60，经过光纤偏振器60的 光保持为线偏振态，并输出给压电陶瓷偏振控制器61。进入压电陶瓷偏振控制 器61的光脉冲，其输出偏振态随着压电陶瓷驱动电压的改变而变化，然后进入 被测光纤64，产生背向散射光。被测光纤屮的背向散射光反向传输，先经过压 电陶瓷偏振控制器61和光纤偏振器60，然后经过环行器59的2、 3端口进入探 测器62，探测器62将接收到的背向散射光信号变换成为电信号，并被到计算机 63的数据采集卡釆集和进行数据处理，最终得到光纤参数或者环境参数的变化。
压电陶瓷偏振控制器61的调节方法为在压电陶瓷偏振控制器61前面放 置一个光纤偏振器60，它具有起偏器的作用，使得输入到压电陶瓷偏振控制器 61的光为线偏振光。然后通过改变3个压电陶瓷中的一个的驱动电压，输出偏 振态就会在邦加球上画一个圆，重复这样的操作，就可以得到两两相互垂直的3 个圆，确保了可以输出任意所需要的偏振态。驱动电压的改变用计算机63来控 制。
实施例5图8是一种利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的方法与
装置的又一实施例。图中，由光时域反射计65产生一个光脉冲，这个光脉冲经
过光纤环行器66、衰耗器67后输入波长变换器68。波长变换器68将输入的光
脉冲的波长变换为激光器69的波长。激光器69是一个单一谱线和良好相干性
的激光器，因此经过波长变换以后，输出的是单一谱线和良好相干性的光脉冲。
这个光脉冲进入掺铒光纤放大器70进行放大后经过光纤环行器71进入光纤偏
振器72，使输出光保持为线偏振态，并输出给压电陶瓷偏振控制器73。进入压
电陶瓷偏振控制器73的光脉冲，其输出偏振态随着压电陶瓷驱动电压的改变而
发生变化，并注入到被测光纤75中，产生背向散射光。光纤中的背向散射光反
向传输，先经过压电陶瓷偏振控制器73和光纤偏振器72，然后经过光纤环行器
71和66，返回到光时域反射仪65。光时域反射仪采集的数据送往计算机74进
行处理，最终得到光线参数或者环境参数的变化。压电陶瓷偏振控制器73受到
计算机74的控制，其调节方法与前两例相同。
上述仅为本发明的较佳实施例，并不用来限定本发明的实施范围。也就是 说，任何依照本发明的权利要求范围所做的同等变化与修改，皆为本发明的权 利要求范围所涵盖。
权利要求
1.一种利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的方法，其步骤如下步骤1取消原测量光路中的机械旋转的偏振器和由自聚焦透镜组成的光路，而代之以不旋转的压电陶瓷偏振控制器来改变被测光纤的输入偏振态，在偏振控制器前面放置一个偏振器，既作为起偏器又作为检偏器，保证起偏与检偏坐标系是一致的；步骤2通过压电陶瓷偏振控制器利用压电陶瓷挤压光纤来改变光纤偏振态，被挤压的一段光纤将在受压方向与垂直于受压方向之间产生相位差和双折射，从而改变了偏振态；步骤3求解光信号从被测光纤中由于背向瑞利散射而返回到输入端的偏振态和注入到被测光纤的偏振态；步骤4在被测光纤与偏振器之间插入一个传输矩阵已知的压电陶瓷偏振控制器，它利用改变电压来控制偏振态，不需要机械旋转部件；步骤5通过改变压电陶瓷偏振控制器的驱动电压使注入到被测光纤的输入偏振态变化，因此由光纤反射回来的偏振态也发生变化，这样可以测得多组背向散射光的分布曲线 id="icf0001" file="A2008101187820002C1.tif" wi="12" he="4" top= "183" left = "65" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0002" file="A2008101187820002C2.tif" wi="3" he="4" top= "183" left = "80" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>不仅是长度z的函数，而且以电压u为参数；步骤6结合已知的M(u)，可以反算出光纤的传输矩阵MF(z)，进而计算出各点的双折射分布，以及光纤参数或者环境参数。
2. 根据权利要求1所述的利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的方法，其特征是，步骤3的所述求解满足关系式 其中，义是注入光纤的偏振态，&(力是从光纤长度Z处反射至入射端的偏 振态，A^("是一个4x4的矩阵，称为光纤的传输矩阵，它反映了光纤的双折射 特性，/ -diag(l,l,-l);由上式可知，要求解光纤的双折射特性即4x4的传输矩阵 MJ幻，必须知道多个输入偏振态和多个输出偏振态。
3. 根据权利要求1所述的利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的方 法，其特征是，在步骤4中，所述背向瑞利散射光经过压电陶瓷偏振控制器后 反向输出的偏振态^^,w)和注入压电陶瓷偏振控制器的正向入射光的偏振态l 之间的关系变为方程式(1):<formula>complex formula see original document page 3</formula>(1 )其中，#)是压电陶瓷偏振控制器的传输矩阵，它是电压"的函数，而且矩阵M")可以通过改变压电陶瓷的驱动电压事先测得到，视为已知量；其中，入射 光的偏振态瓦由起偏器决定，输出偏振态&经过的是同一个偏振器，因此入射 光的偏振态&与输出偏振态&经过检偏器后的偏振态相同。
4. 根据权利要求1所述的利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的方 法，其特征是步骤6中所述计算出各点的双折射分布需要利用光电二极管进行光电变换，所采集到的变换电信号数据，然后计算出光纤各点的双折射分布 和拍长参数。
5. 根据权利要求4所述的利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的方法，其特征是，所述计算出光纤各点的双折射分布和拍长参数的算法如下设经过光纤偏振器的输入偏振态和从光纤长度z处返回并经过光纤偏振器后的输出偏振态分别为4斗。，0，0f， &(z,W)=(々,W)，0，0)r，那么有如下方程式-<formula>complex formula see original document page 3</formula>其中M,M(w)和M》)分别是光纤偏振器、压电陶瓷偏振控制器、待测光纤的传输 矩阵，其取值分别为A^^,ag[lA0)，风")=[ (")]，^^)=[ ^)]，且7 = ^叱(1，1,-1); 将各矩阵代入方程式(2)计算得到<z，m)={《(w)+^(w)+《(")—2[0)4(z)+《(kK(z)+《("K②+2 il(") 21(w>^1(z>^(z)+2 11(w) (1—!(z)/^(z)+2^(w) (w)^C(我改变压电陶瓷驱动电压，得到不同的 (")和啦")，求解上面方程可以得到W(力， 气(力气(力，但还不能得到气(力，其正负号还需要其他条件判定；光纤双折射矢量 和光纤传输矩阵的关系为麵，，由于上面的计算求得的3f湘的元素^々)的符号不单一，使得光纤双折脊J"间具有两个可能的值；考虑到脉冲足够短，可以认为相邻的光纤双折射间的差别很 小，利用这一点就可以判定^々)的正负号；然后再根据& = 2—<|+，可以求得光 纤的双折射间和拍长^的沿光纤各点的分布。
6. —种利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的装置，其特征是，包 括短脉冲光信号源、光纤环行器、光纤偏振器、压电陶瓷偏振控制器和探测 器，以及计算机控制电路；该装置的连接关系如下短脉冲光信号源发出一个短脉冲光信号；短脉冲光信号经过光纤环行器1 的端口进入光纤偏振器，使短脉冲光信号保持为线偏振态，并输出给压电陶瓷 偏振控制器；进入压电陶瓷偏振控制器的短脉冲光信号，其输出偏振态随着压 电陶瓷驱动电压的改变而变化，并注入到被测光纤中；光纤中的背向瑞利散射 光同样经过压电陶瓷偏振控制器和光纤偏振器，然后经过环行器的端口进入探 测器，探测器负责将接收到的瑞利散射光信号变换成为电信号，并被数据采集 卡采集和送入计算机进行数据处理，最终得到光纤参数或者环境参数的变化。
7. 根据权利要求6所述的利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的装置，其特征是，所述的压电陶瓷偏振控制器是一种利用压电陶瓷挤压光纤来改变光纤偏振态的装置，其结构包括光纤依次通过按照0° 、 45° 、 0°三个不 同角度放置的3只压电陶瓷，压电陶瓷驱动电压由计算机45控制。
8. 根据权利要求7所述的利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的装 置，其特征是，第一个0°和45°压电陶瓷分别挤压会使光纤输出的偏振态在 邦加球上形成相互垂直的两个圆，第三个0°放置的压电陶瓷起辅助作用，保证 光纤输出偏振态的遍历性。
9. 根据权利要求7所述的利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的装 置，其特征是，在所述压电陶瓷偏振控制器前面放置一个光纤偏振器，使得输 入到压电陶瓷偏振控制器的偏振态保持不变，在改变压电陶瓷驱动电压的吋候， 可以准确得到各种输出偏振态。
10.根据权利要求6所述的利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的装 置，其特征是，所述探测器是用于对背向瑞利散射光信号进行检测，使用一个 光电二极管进行光电变换，并将变换电信号数据通过采集卡进行采集。
全文摘要
一种利用压电陶瓷实现偏振敏感光时域反射技术的方法与装置，其特征在于本发明在测量光路中使用不旋转的压电陶瓷偏振控制器，并在压电陶瓷偏振控制器前面放置一个光纤偏振器，该光纤偏振器既作为起偏器又作为检偏器。本发明的实现方法是压电陶瓷偏振控制器在计算机控制下使得来自于短脉冲光信号源的光脉冲变成一个已知的偏振态，然后注入到被测光纤产生背向散射光；返回来的背向散射光只需一个光电探测器和一个算法就可以检测出偏振态的变化，从而实现光纤参数与环境参数的分布式测量。该方法与装置没有机械旋转器件，具有测量准确、重复性好、快速以及操作方便等优点，可广泛用于光纤参数的分布式测量，以及分布式光纤传感器等领域。
文档编号G01D5/26GK101344452SQ20081011878
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月22日 优先权日2008年8月22日
发明者吴重庆, 李政勇, 杨双收 申请人:北京交通大学