一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置制造方法
一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置，所述光源为掺铒窄线宽光纤激光器，光源发出的光信号是随机偏振态信号，由于光源发出的光信号的偏振态是快速变化的，可以等效为光源发出的光信号在两干涉臂上传输时，光分解为无穷多个随机偏振的微小光分量，探测器接收的总干涉结果是经过两干涉臂的无穷多个随机偏振的微小光分量发生干涉的统计平均。由于窄线宽掺铒光纤激光器输出的随机偏振光的偏振态变化的速度非常快，远远高于探测器的检测速度，因此其干涉结果趋于稳定，为峰值偏振态的一半，由此可以解决系统中各种偏振扰动的带来的偏振衰落问题。
【专利说明】一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置
【技术领域】
[0001]本发明属于传感及检测【技术领域】，尤其涉及一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感
>J-U ρ?α装直。
【背景技术】
[0002]随着光纤传感技术的发展，光纤传感器已成功应用于周界入侵探测等安全防范领域，分布式光纤周界传感系统主要用于周界防护、地震检测等，所用光纤长达数十公里甚至上百公里，若用保偏光纤及其相应配套原件将会非常昂贵，因此基于成本的考虑，马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪一般采用普通单模光纤。由于单模光纤传输的是两个正交的线偏振模，而实际上单模光纤中与这两个线偏振模对应的折射率ηχ和ny并不相等，这样就会产生双折射现象。当光纤发生微弯、扭曲或环境温度等发生变化时，光纤传输的两个线偏振模对应的折射率nx和ny也随之变化，从而使马赫-曾德干涉仪信号臂或参考臂输出光的偏振态发生变化，这样两束光在干涉时就并非完全干涉，从而导致干涉后信号的可见度降低；同时干涉后信号的相位也会受到偏振态、光源及环境的影响而引起输出信号相位变化从而导致位置计算误差。极端情况下两干涉光的偏振态呈相互正交时，会导致干涉测量的失败，这会对系统的性能造成很大的影响。另外由于干涉后信号的可视度会发生变化，导致输出信号的幅值不稳定，因此不能给后续的判断提供幅值稳定的信号，影响了信号的识别和判断，使系统的漏报率和误报率较高。
[0003]迄今为止，已有各种光纤传感器的偏振衰落抑制的技术被提出、研究并应用。这些解决方案可归纳为五类。一是采用偏振分离检测技术。这种技术可以使用一般单模光纤干涉结构，通过分别检测并比较两正交偏振方向上的光功率，实现抗偏振衰落，该方案的主要问题是检测技术复杂。第二种方法是采用扰偏技术。扰偏技术是在光纤干涉结构中通过不同方法，对光的偏振态进行主动、快速、周期性扰动，实现两干涉光在时间平均上的退偏，以实现抗偏振衰落的目的。这种方法的重要问题是扰偏的成本比较高。第三种方法是在光进入干涉机构之前退偏来消除偏振相位噪声，在光纤干涉结构中安插退偏器来解决偏振衰落问题。但是退偏一般只对宽光谱光源有效。第四种方法是输入偏振态反馈控制法。该方案反馈控制过程较复杂，系统操作维护成本也较高。第五种方法是法拉第旋转镜法。通过在传感光纤末端增加反射元件，光反射端使用法拉第旋转镜可以有效的提高系统的偏振稳定性，该方案的主要问题是系统较复杂。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是解决现有分布式光纤周界传感系统因使用单模光纤存在偏振退化，从而影响干涉输出信号质量和定位精度的问题，提出一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感方法。本发明通过使用掺铒窄线宽光纤激光器光源，利用其发出的随机偏振光信号，实现抗偏振衰落现象，解决输出信号的幅值不稳定，稳定光路输出的可视度，由此解决系统中各种偏振退化带来的偏振相位噪声以及偏振衰落问题，提高干涉信号质量和传感系统的定位精度。
[0005]本发明的技术方案:一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置，装置采用双向光纤马赫-曾德干涉仪，所述的干涉仪包括激光器(I)、耦合器一(2)、耦合器二(3)、耦合器三(4)、光电探测器一(5)和光电探测器二 ￠)，连接方式为激光器连接耦合器一(2)，耦合器一(2)把光源分成两路分别顺时针逆时针经过耦合器二(3)耦合器三(4)，耦合器二(3)连接光电探测器一(5)，耦合器三(4)连接光电探测器二 ￠);所述光源为窄线宽光纤激光器。
[0006]所述的激光器发出随机偏振态的信号。
[0007]本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0008](I)本发明干涉结果是无穷多个随机偏振的微小光分量发生干涉的统计平均，因此其干涉条纹对比度为峰值偏振的一半，干涉结果非常稳定。该系统中元器件少，系统可靠性高。
[0009](2)整个系统无需偏振控制器件和保偏光纤，成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为采用双向马赫-曾德干涉仪的定位结构示意图
[0011]图中:1为激光器，2、3、4为耦合器，5、6为光电探测器。
【具体实施方式】
[0012]本发明优选实施例结合【专利附图】
【附图说明】如下:
[0013]如图1所示为采用双向马赫-曾德干涉仪方案的系统定位结构示意图，图中包括光纤激光器(I)、耦合器一(2)、耦合器二(3)、耦合器三(4)、光电探测器一(5)和光电探测器二出)。当光纤激光器发出的光经耦合器一(2)分成两路一路光至耦合器二(3)，经干涉仪的两臂后，到达耦合器三(4)时发生干涉，形成一个顺时针的马赫-曾德干涉仪，干涉后的信号经引导光纤后由光电探测器一(5)接受；经耦合器一(2)分出的另一路光至耦合器三(4)，经干涉仪的两臂后，到达耦合器二(3)发生干涉，也形成一个逆时针的马赫-曾德干涉仪，干涉后的信号经引导光纤后由光电探测器二(6)接收。当外界有扰动信号A作用在马赫-曾德干涉仪的两臂时，使光纤干涉臂产生机械振动，机械振动改变了马赫-曾德干涉仪两臂的光程差，从而改变了干涉信号的相位。这样通过检测干涉信号的相位变化，就可以检测到振动事件。
[0014]本发明所述光源为掺铒窄线宽光纤激光器,光纤激光器发出的光信号是随机偏振态信号，经耦合器一(2)分成两路，这两路光再分别经过耦合器二(3)和耦合器三(4)形成顺时针和逆时针两个干涉仪。在任意一个马赫曾德干涉仪中，两个干涉臂的光分量强度相同，偏振态随机。两个干涉臂的光信号的偏振态呈随机分布，探测器的干涉结果也是随机的，极端情况当两者偏振方向一致时，干涉最强，偏振态正交时，干涉为零。由于光纤激光器发出的光信号是随机偏振的，所以可以等效为光源发出的光信号在两干涉臂上传输时，光分解为无穷多个随机偏振的微小光分量，探测器接收的总干涉结果是经过两干涉臂的无穷多个随机偏振的微小光分量发生干涉的统计平均。因为光纤激光器偏振态变化的速度远远高于探测器的响应速度，所以其统计干涉结果非常稳定。这样就可以解决系统中各种偏振扰动的带来的偏振衰落问题。
【权利要求】
1.一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置，装置采用双向光纤马赫-曾德干涉仪，所述的干涉仪包括激光器(I)、耦合器一(2)、耦合器二(3)、耦合器三(4)、光电探测器一(5)和光电探测器二 ￠)，连接方式为激光器连接耦合器一(2)，耦合器一(2)把光源分成两路分别顺时针逆时针经过耦合器二(3)耦合器三(4)，耦合器二(3)连接光电探测器一(5)，耦合器三(4)连接光电探测器二 ￠);其特征在于所述光源为窄线宽光纤激光器。
2.根据权利要求1所述的一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置，其特征在于，所用的激光器发出随机偏振态的信号。
【文档编号】G01D5/353GK204007655SQ201420243860
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】宫美慧, 宋宁宁, 刘红林 申请人:中国计量学院
【专利摘要】本实用新型提供了一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置，所述光源为掺铒窄线宽光纤激光器，光源发出的光信号是随机偏振态信号，由于光源发出的光信号的偏振态是快速变化的，可以等效为光源发出的光信号在两干涉臂上传输时，光分解为无穷多个随机偏振的微小光分量，探测器接收的总干涉结果是经过两干涉臂的无穷多个随机偏振的微小光分量发生干涉的统计平均。由于窄线宽掺铒光纤激光器输出的随机偏振光的偏振态变化的速度非常快，远远高于探测器的检测速度，因此其干涉结果趋于稳定，为峰值偏振态的一半，由此可以解决系统中各种偏振扰动的带来的偏振衰落问题。
【专利说明】一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置
【技术领域】
[0001]本发明属于传感及检测【技术领域】，尤其涉及一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感
>J-U ρ?α装直。
【背景技术】
[0002]随着光纤传感技术的发展，光纤传感器已成功应用于周界入侵探测等安全防范领域，分布式光纤周界传感系统主要用于周界防护、地震检测等，所用光纤长达数十公里甚至上百公里，若用保偏光纤及其相应配套原件将会非常昂贵，因此基于成本的考虑，马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪一般采用普通单模光纤。由于单模光纤传输的是两个正交的线偏振模，而实际上单模光纤中与这两个线偏振模对应的折射率ηχ和ny并不相等，这样就会产生双折射现象。当光纤发生微弯、扭曲或环境温度等发生变化时，光纤传输的两个线偏振模对应的折射率nx和ny也随之变化，从而使马赫-曾德干涉仪信号臂或参考臂输出光的偏振态发生变化，这样两束光在干涉时就并非完全干涉，从而导致干涉后信号的可见度降低；同时干涉后信号的相位也会受到偏振态、光源及环境的影响而引起输出信号相位变化从而导致位置计算误差。极端情况下两干涉光的偏振态呈相互正交时，会导致干涉测量的失败，这会对系统的性能造成很大的影响。另外由于干涉后信号的可视度会发生变化，导致输出信号的幅值不稳定，因此不能给后续的判断提供幅值稳定的信号，影响了信号的识别和判断，使系统的漏报率和误报率较高。
[0003]迄今为止，已有各种光纤传感器的偏振衰落抑制的技术被提出、研究并应用。这些解决方案可归纳为五类。一是采用偏振分离检测技术。这种技术可以使用一般单模光纤干涉结构，通过分别检测并比较两正交偏振方向上的光功率，实现抗偏振衰落，该方案的主要问题是检测技术复杂。第二种方法是采用扰偏技术。扰偏技术是在光纤干涉结构中通过不同方法，对光的偏振态进行主动、快速、周期性扰动，实现两干涉光在时间平均上的退偏，以实现抗偏振衰落的目的。这种方法的重要问题是扰偏的成本比较高。第三种方法是在光进入干涉机构之前退偏来消除偏振相位噪声，在光纤干涉结构中安插退偏器来解决偏振衰落问题。但是退偏一般只对宽光谱光源有效。第四种方法是输入偏振态反馈控制法。该方案反馈控制过程较复杂，系统操作维护成本也较高。第五种方法是法拉第旋转镜法。通过在传感光纤末端增加反射元件，光反射端使用法拉第旋转镜可以有效的提高系统的偏振稳定性，该方案的主要问题是系统较复杂。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是解决现有分布式光纤周界传感系统因使用单模光纤存在偏振退化，从而影响干涉输出信号质量和定位精度的问题，提出一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感方法。本发明通过使用掺铒窄线宽光纤激光器光源，利用其发出的随机偏振光信号，实现抗偏振衰落现象，解决输出信号的幅值不稳定，稳定光路输出的可视度，由此解决系统中各种偏振退化带来的偏振相位噪声以及偏振衰落问题，提高干涉信号质量和传感系统的定位精度。
[0005]本发明的技术方案:一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置，装置采用双向光纤马赫-曾德干涉仪，所述的干涉仪包括激光器(I)、耦合器一(2)、耦合器二(3)、耦合器三(4)、光电探测器一(5)和光电探测器二 ￠)，连接方式为激光器连接耦合器一(2)，耦合器一(2)把光源分成两路分别顺时针逆时针经过耦合器二(3)耦合器三(4)，耦合器二(3)连接光电探测器一(5)，耦合器三(4)连接光电探测器二 ￠);所述光源为窄线宽光纤激光器。
[0006]所述的激光器发出随机偏振态的信号。
[0007]本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0008](I)本发明干涉结果是无穷多个随机偏振的微小光分量发生干涉的统计平均，因此其干涉条纹对比度为峰值偏振的一半，干涉结果非常稳定。该系统中元器件少，系统可靠性高。
[0009](2)整个系统无需偏振控制器件和保偏光纤，成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为采用双向马赫-曾德干涉仪的定位结构示意图
[0011]图中:1为激光器，2、3、4为耦合器，5、6为光电探测器。
【具体实施方式】
[0012]本发明优选实施例结合【专利附图】
【附图说明】如下:
[0013]如图1所示为采用双向马赫-曾德干涉仪方案的系统定位结构示意图，图中包括光纤激光器(I)、耦合器一(2)、耦合器二(3)、耦合器三(4)、光电探测器一(5)和光电探测器二出)。当光纤激光器发出的光经耦合器一(2)分成两路一路光至耦合器二(3)，经干涉仪的两臂后，到达耦合器三(4)时发生干涉，形成一个顺时针的马赫-曾德干涉仪，干涉后的信号经引导光纤后由光电探测器一(5)接受；经耦合器一(2)分出的另一路光至耦合器三(4)，经干涉仪的两臂后，到达耦合器二(3)发生干涉，也形成一个逆时针的马赫-曾德干涉仪，干涉后的信号经引导光纤后由光电探测器二(6)接收。当外界有扰动信号A作用在马赫-曾德干涉仪的两臂时，使光纤干涉臂产生机械振动，机械振动改变了马赫-曾德干涉仪两臂的光程差，从而改变了干涉信号的相位。这样通过检测干涉信号的相位变化，就可以检测到振动事件。
[0014]本发明所述光源为掺铒窄线宽光纤激光器,光纤激光器发出的光信号是随机偏振态信号，经耦合器一(2)分成两路，这两路光再分别经过耦合器二(3)和耦合器三(4)形成顺时针和逆时针两个干涉仪。在任意一个马赫曾德干涉仪中，两个干涉臂的光分量强度相同，偏振态随机。两个干涉臂的光信号的偏振态呈随机分布，探测器的干涉结果也是随机的，极端情况当两者偏振方向一致时，干涉最强，偏振态正交时，干涉为零。由于光纤激光器发出的光信号是随机偏振的，所以可以等效为光源发出的光信号在两干涉臂上传输时，光分解为无穷多个随机偏振的微小光分量，探测器接收的总干涉结果是经过两干涉臂的无穷多个随机偏振的微小光分量发生干涉的统计平均。因为光纤激光器偏振态变化的速度远远高于探测器的响应速度，所以其统计干涉结果非常稳定。这样就可以解决系统中各种偏振扰动的带来的偏振衰落问题。
【权利要求】
1.一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置，装置采用双向光纤马赫-曾德干涉仪，所述的干涉仪包括激光器(I)、耦合器一(2)、耦合器二(3)、耦合器三(4)、光电探测器一(5)和光电探测器二 ￠)，连接方式为激光器连接耦合器一(2)，耦合器一(2)把光源分成两路分别顺时针逆时针经过耦合器二(3)耦合器三(4)，耦合器二(3)连接光电探测器一(5)，耦合器三(4)连接光电探测器二 ￠);其特征在于所述光源为窄线宽光纤激光器。
2.根据权利要求1所述的一种实现抗偏振衰落的光纤周界传感装置，其特征在于，所用的激光器发出随机偏振态的信号。
【文档编号】G01D5/353GK204007655SQ201420243860
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】宫美慧, 宋宁宁, 刘红林 申请人:中国计量学院
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