基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法与装置与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法与装置。

背景技术：

光纤传感技术中光纤不仅作为传输光的通道，而且也作为感知单元。目前基于散射原理的分布式光纤传感系统主要基于瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三种散射技术。其中利用布里渊散射的分布式光纤传感系统能够检测应变和温度两种物理量且布里渊散射分为自发布里渊散射和受激布里渊散射，基于此本发明是基于自发布里渊散射的光纤传感系统。

目前布里渊散射的分布式光纤传感系统主要有涉及到三种技术：布里渊光时域反射技术、布里渊光时域分析技术、布里渊光频域分析技术。

在涉及到自发布里渊散射光纤传感时，该光纤传感系统主要是基于布里渊光时域反射技术。其中光信号在传感光纤中传输时会产生布里渊散射，与此同时光信号发生了布里渊频移。当外界温度变化或者传感光纤受到应力变化时，布里渊频移会产生相应的变化，其变化量与温度变化量或者应力变化量均成线性关系。

如上所述，应变和温度的变化对于布里渊频移的变化关系如下：

在一定温度t0下，应变和频移的关系式：

υ(t0,ε)＝υ(t0,0)[1+(δnε+δεε+δρε+δkε)ε](1)

其中δnε、δεε、δρε、δkε分别是折射率、杨氏模量、介质密度、泊松比的变化量，这些变化量在传感光纤中为常数。基于上述(1)式可知，在一定温度下，应变和布里渊频移是线性关系。

同样地，在应变ε为零的情况下，温度变化量和频移的关系式：

υ(t,0)＝υ(t0,0)[1+(δn+δe+δρ+δk)δt](2)

其中δn、δe、δρ、δk在应变为零的传感光纤中为常量，基于上述(2)式，在应变为零时，温度变化量和频移变化是线性关系。

如上所述，自发布里渊散射光纤传感系统是基于传感光纤某一点产生的温度和应力的变化量与布里渊频移量成线性的关系来测量物理量变化，从而实现光纤传感的目的。而对于布里渊频移的测量是利用电域扫频法得到布里渊散射谱，即先调节微波本振频率vo使得该频率和布里渊频移vb相差在几十兆赫兹内，然后不断调节本振频率使其扫描整个布里渊谱宽δvb，其中当本振频率vo等于布里渊频移vb时，输出信号强度最大。基于此利用扫频法可以获得布里渊散射谱的频移信息，然后通过调节微波本振频率vo，令整个布里渊散射谱信号能够从低通滤波器和带通滤波器通过，因此获得布里渊散射谱的洛伦兹曲线，再通过对洛伦兹曲线积分得到布里渊散射光强度，最后可以得到布里渊散射的移频和强度信息从而实现对温度变化和应变的测量。

因此，本发明的光纤传感系统是通过先测量布里渊频移变化量，再利用布里渊频移的变化量与温度和应力的变化量成线性的关系来达到传感的目的。与此同时本发明利用相干检测的办法检测布里渊频移，即通过参考光和后向散射光的干涉作用来检测布里渊频移。但由于后向散射光的偏振态随机变化无法与参考光的线偏振保持偏振一致，即产生偏振失配问题，导致干涉效果不理想，进而输出光功率出现随机起伏现象，因此输出光功率无法达到最佳值，经过光电探测器和扫频后产生的布里渊频谱的测量存在误差，进而降低光纤传感系统的测量精度。

如上所述，后向散射光偏振态随机变化会和参考光的线偏振产生偏振夹角，产生偏振失配现象，进而对输出光功率产生影响。基于此，对两束光偏振夹角θ与两束光干涉后功率之间的关系分析如下：

令入射光信号的琼斯矩阵为：

其中e1(t)和e2(t)表示为光纤横电场上两个正交的单位矢量。

由于传感光纤会受到外界力的挤压、弯曲或者光纤本身材料不完善的影响，光信号在传感光纤中会发生双折射现象。基于此，令光在入射到光纤某处的琼斯矩阵为：

其中q1为双折射琼斯矩阵，e1′(t)和e2′(t)为某处光场两个正交的单位矢量。

在干涉过程中当后向散射光偏振态和参考光偏振态一致时干涉效果最佳，当后向散射光偏振态和参考光偏振态正交时无法产生干涉即后向散射光无法被外差接收。因此，分析干涉后的光强时要考虑到后向散射光与参考光的偏振态情况，将式(4)中琼斯矩阵改进为：

其中a3是考虑到两束光信号偏振态的干涉后的琼斯矩阵，q2是一个参考偏振态对的琼斯矩阵，e1″(t)和e2″(t)分别表示后向散射光偏振态与参考光偏振态一致和正交时的单位矢量。

如上所述，式(5)不仅表示了后向散射光与参考光干涉后的光束的琼斯矩阵，还可以反映出后向散射光偏振态与参考光偏振态方向的情况。

故在自发布里渊散射的光纤传感系统中，作为参考光的连续光为线偏振光，则琼斯矩阵为：

当传感光纤受到外界压力等情况时传感光纤会发生双折射，此时双折射琼斯矩阵为：

其中θ角是后向散射光信号与参考光的相位延迟角，即两束光偏振方向的夹角。式(5)中矩阵q2为参考偏振态对的琼斯矩阵，即外差分量，琼斯矩阵表达式为：

因此，式(5)为：

a3＝q2q1a1

即：

由上式(9)可以得出后向散射光偏振态与参考光偏振态一致的矢量和两束光信号偏振态正交的矢量的矩阵表达式。

因此，后向散射光被外差接收的功率与总的后向散射光光功率之比如下：

由式(10)可以看出当后向散射光和圆偏振光之间的偏振角度θ为零时，则后向散射光全部被外差接收，当偏振角度θ不为零时即干涉发生偏振失配，后向散射光不能全部发生干涉，因此干涉效果不理想，导致探测器探测到的信号会出现随机的起伏现象，输出光功率无法达到最佳值，经过光电探测器和扫频后产生的布里渊频谱的测量存在误差，因此降低了光纤传感系统的测量精度。

为消除上述偏振失配带来的影响，目前主要采用了五种方案来消除偏振失配的现象，即：偏振控制技术、保偏光纤技术、偏振分集接收技术、偏振扩展技术、扰偏器的应用。

其中，保偏光纤技术是利用保偏光纤将入射光的偏振方向准直来消除偏振失配：令偏振方向保持在保偏光纤的主轴上，以此获得偏振态稳定的光信号。但由于保偏光纤的成本大且损耗较普通光纤大，这不利于长距离传输。偏振控制技术是通过组成反馈系统，让连续参考光偏振态随后向散光偏振态变化而变化以此避免干涉两束光信号存在偏振夹角，但反馈回路复杂会大大降低系统的运行效率。偏振分集接收技术是将连续参考光和后向散射光干涉后的光信号平均分到2个偏振膜上，这些偏振膜的偏振角度之间相差π/2，再用2个光电探测器分别探测，最后叠加处理支路信号以消除偏振失配的影响。若要尽可能消除偏振失配，那么需要用到的偏振膜越多则结果越理想，但此时系统运行速度降低，同时该技术偏振分集接收机的复杂程度几乎是标准接收机的两倍，成本也随之成本增加。偏振扩展技术是在时域上将参考光或者信号光功率在每比特内扩展到整个偏振态，保证有一半以上功率被接收，但是该技术中对中频滤波器的要求很高，且系统的复杂性比偏振分集接收技术还要高。而扰偏器的利用是基于以上四个方案提出的更好的解决措施，其光纤传感系统消除偏振失配是借助扰偏器令参考光偏振方向不断变化，因此参考光能够在一定周期内表现与后向散射光相匹配的偏振状态，从而消除偏振失配。但是该方案要求扰偏器的扰偏频率高，可如今能达到的扰偏频率为700mhz,远远没有达到实际中对于系统的要求，无法确保在光纤传感的取样时间内统计均匀分布。

技术实现要素：

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法与装置。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一方面，本发明提供一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法，包括如下步骤：

在光源发射端，连续激光信号在经过第一光分束耦合器后分为两路；第一路连续激光信号被调制成脉冲光信号进入传感光纤传输，脉冲光信号传输一段距离后会在传感光纤某处产生后向布里渊散射光信号，该后向散射光信号的频移与所测应变和温度变化量相关联，因此将后向散射光作为信号光；第二路连续激光信号作为参考光，将线偏振态参考光转换成圆偏振态参考光之后参考光进入第二光分束耦合器与后向散射光信号发生干涉，干涉后的光信号被平衡探测器转化为电信号，最后通过测量布里渊频移量来测量传感光纤处的应变和温度信息。

进一步地，第二路参考光在与第一路偏振状态随机变化的后向散射光信号发生干涉之前，参考光经过偏振控制器后将偏振状态转化为圆偏振态，即利用圆偏振光振动方向高速旋转且变化均匀的特点来解决干涉时两路光偏振态不一致导致干涉效果不理想的问题。

另一方面，本发明还提供一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感装置，包括窄线宽激光器、第一光分束耦合器、电光强度调制器、环形器、偏振控制器、第二光分束耦合器、平衡探测器、微波信号发生器、混频器、低通滤波器、带通滤波器和数据处理模块；窄线宽激光器输出连续激光信号，连续激光信号经过第一光分束耦合器把光路分为两路；第一路连续激光信号被电光强度调制器转换为脉冲光信号经过环形器后进入传感光纤，脉冲光信号在传输过程中产生后向散射光；第二路线偏振的连续激光信号作为参考光在通过偏振控制器后偏振态将变为圆偏振态；圆偏振连续激光信号与后向散射光信号在第二光分束耦合器中进行干涉，干涉后光信号经过平衡探测器进行光电转换成电信号，再经过微波信号发生器和混频器进行电域扫频，得到布里渊散射频谱的频移信息，然后再通过低通滤波器和带通滤波器获得布里渊散射谱洛伦兹曲线，从而得到布里渊散射谱的强度信息，最后通过数据处理模块进行采集处理以此获得该处的应变和温度信息。

进一步地，第二路参考光在与第一路偏振状态随机变化的后向散射光信号发生干涉之前，参考光经过偏振控制器后将偏振状态转化为圆偏振态，即利用圆偏振光振动方向高速旋转且变化均匀的特点来解决干涉时两路光偏振态不一致导致干涉效果不理想的问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

1、与目前采用的消偏振技术相比，本发明利用圆偏振光振动方向高速旋转且均匀变化的特点，以圆偏振光作为参考光与偏振态随机变化的后向散射光干涉，因此光纤传感系统能够获得稳定的干涉信号输出。

2、与目前具有消除偏振失配技术的自发布里渊散射系统相比，本发明系统消偏振模块仅需加入偏振控制器来消偏振，不仅光纤传感系统的装置简单，而且系统的成本小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感装置示意图；

图2是光纤同轴的偏振控制器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法与装置。为消除偏振态随机变化的后向散射光与线偏振态的连续光干涉时发生的偏振失配，本发明利用振动均匀分布且变化速率快的圆偏振光与偏振态随机变化的后向散射光干涉，因此干涉后输出光功率没有因偏振失配而损耗。

实施例1

本发明提供一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感方法，包括如下步骤：

在光源发射端，连续激光信号在经过第一光分束耦合器后分为两路。第一路连续激光信号被调制成脉冲光信号经过环形器后进入传感光纤传输，脉冲光信号传输一段距离后会在传感光纤某处产生后向布里渊散射光信号，该后向散射光信号的频移与所测应变和温度变化量相关联，因此将后向散射光作为信号光。第二路连续激光信号作为参考光，将线偏振态参考光转换成圆偏振态参考光之后参考光进入第二光分束耦合器与后向散射光信号发生干涉，干涉后的光信号被平衡探测器转化为电信号，最后通过测量布里渊频移量来测量传感光纤处的应变和温度信息。

如上所述，本发明解决偏振失配问题是利用圆偏振光振动方向在统计上均匀分布、并且变化速率非常快的特点，令参考光为圆偏振光，确保参考光的偏振态在光纤传感的取样时间内快速变化，使得后向散射光和参考光的偏振态在第二光分束耦合器中相匹配。基于此本发明采用圆偏振光来消除偏振失配对干涉带来的影响。

在作为参考光的圆偏振光与后向散射光发生干涉时，可以将干涉后光强和干涉之前光强的比值即对比度作为考量干涉效果的参考值。由于任何偏振态都能够分解成两个线偏振态，故在计算参考光和后向散射光干涉的对比度时，简化为计算圆偏振光和线偏振光干涉对比度。

基于此，圆偏振光和线偏振光干涉原理如下所述：

令矢量波为的圆偏振光表达式为：

上式中和分别是x、y轴的单位矢量，即将圆偏振光分解为两个正交的线偏振光，即矢量波为的线偏振光，具体复数表达式如下：

上式(12)和(13)中为复振幅，k1为圆偏振光的波矢，r1为圆偏振光的矢径，为相位。

令与圆偏振光干涉的线偏振光偏振方向是x轴方向，且线偏振光的矢量波为具体复数表达式如下：

上式中为线偏振光的复振幅，k2为线偏振光的波矢，r2为线偏振光的矢径，为相位。

其中为方便对比：

基于上式关系计算在线偏振光与圆偏振光干涉的对比度。由上述条件可知，线偏振光的偏振方向是x轴方向。因此当两束光干涉时，线偏振光不能和圆偏振光的y轴分量进行干涉。

则此时干涉后的光场为：

干涉后的光强i的公式如下：

其中根据上述公式光强i是先将光场和其共轭乘积，然后求时间平均得到。计算后：

其中re{}是对复数取实数部分，由于均和正交，因此上式(17)为：

上式计算中，所述线偏振光光强e02数值为1，因此，上式为：

因此两束光干涉的对比度为：

上述从圆偏振光和线偏振光干涉原理方面推导出当圆偏振光振幅为线偏振光的倍时圆偏振光和线偏振光对比度数值为该对比度数值理想。且本发明采用圆偏振光优点在于利用圆偏振光振动方向在统计上均匀分布、变化速率非常快的特点来消除偏振失配。

因此，当圆偏振光作为参考光时，为解决偏振失配问题应该确保圆偏振光在光纤传感的取样时间内偏振方向转动足够多的圆周，从而达到偏振方向在统计上均匀分布。基于此，圆偏振光在光纤传感的取样范围内转动的圆周数计算如下：

令圆偏振光e的表达式为：

上述所述和分别是x、y轴的单位矢量，即圆偏振光分解为两个正交的线偏振光，a为圆偏振光振幅，k为波矢，z为光传播的距离，ω是电矢量偏振频率，它与入射光波长有关。当系统中入射光波长λ＝1550nm,光速c＝3×10⁸m/s,则此时圆偏振光的偏振频率为：

当空间分辨率δl一定时，要测量光纤某处应变和温度变化量则要令圆偏振的参考光与光纤待测量处的后向散射光干涉。为使干涉情况理想，在通过空间分辨率δl的时间δt内，圆偏振光的振动方向变化必须旋转足够多的圆周。则：

其中n为折射率，t是转动一个圆周的周期，x是δt时间内旋转圆周数。将式(23)代入式(24)可知：

其中即周期t与频率f互为倒数，上述式(25)为在通过空间分辨率δl的时间δt的时间中旋转角度的表达式，且该旋转角度与偏振频率成正比关系。

因此，由式(22)可知圆偏振光的频率1.94×10¹¹khz，代入到式(25)可知，在空间分辨率为0.1米的系统中圆偏振光的角度为0.59×10⁶rad即2π的94413倍。

如上所述，在空间分辨率为0.1米的系统中，圆偏振光偏振态能完成几万个周期的偏振变化。故此圆偏振光在后向散射光以任意偏振态与圆偏振光干涉时，圆偏振光电矢量能够迅速变化，以消除两束光相位失配的情况。

因此，圆偏振光的应用能够确保光纤传感的取样时间内转动足够多的圆周，从而达到偏振方向在统计上均匀分布，而且操作简单，不会增加系统运行的负担。

优选地，本发明中第二路连续参考光进入第二光分束耦合器之前，先经过偏振控制器将连续线偏振光变为圆偏振光，圆偏振光再输入第二光分束耦合器，与经过环形器的后向散射光信号发生干涉。

实施例2

如图1所示，本发明还提供一种基于圆偏振光干涉的自发布里渊散射光纤传感装置，包括窄线宽激光器、第一光分束耦合器、电光强度调制器、环形器、偏振控制器、第二光分束耦合器、平衡探测器、微波信号发生器、混频器、低通滤波器、带通滤波器和数据处理模块。窄线宽激光器发出的连续光信号经过分束比为50:50的第一光分束耦合器分成两路连续光信号。第一路连续光信号经过电光强度调制器调制成脉冲光信号，经过环形器后的脉冲光信号进入到传感光纤，脉冲光信号传输一段距离后在传感光纤某处产生后向散射光信号，该信号包括瑞利散射信号和布里渊散射信号，然后后向散射光经由环形器出口输出。第二路连续光经过分束比50:50的第一光分束耦合器后作为参考光，输入到偏振控制器中将连续光信号调制成圆偏振态的参考光。参考光进入分束比50:50的第二光分束耦合器后与后向散射光发生干涉，干涉后的光信号被平衡探测器转化为电信号。电信号再通过微波信号发生器和混频器进行扫频，得到布里渊散射频谱的频移信息，然后再通过低通滤波器和带通滤波器获得布里渊散射谱洛伦兹曲线，从而得到布里渊散射谱的强度信息，最后通过数据处理模块进行采集处理以此获得该处的应变和温度信息。

如图2所示是thorlabs公司的光纤同轴偏振控制器。在本发明的装置中，将采用图2所示的偏振控制器改变参考光的偏振态。图2中光纤同轴偏振器是通过将光纤旋转和加压力产生双折射，并产生相互正交的快轴和慢轴，从而达到波片的作用，因此可以将参考光的偏振态改变为圆偏振态。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

1、与目前采用的消偏振技术相比，本发明利用圆偏振光振动方向高速旋转且均匀变化的特点，以圆偏振光作为参考光与偏振态随机变化的后向散射光干涉，因此光纤传感系统能够获得稳定的干涉信号输出。

2、与目前具有消除偏振失配技术的自发布里渊散射系统相比，本发明系统消偏振模块仅需加入偏振控制器来消偏振，不仅光纤传感系统的装置简单，而且系统的成本小。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。