專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖中雙折射分布的三點(diǎn)測(cè)量法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信和光纖傳感中光纖參數(shù)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖中雙折射分布的三點(diǎn)測(cè)量法。
背景技術(shù)：
光纖通信和光纖傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，使光纖線路監(jiān)測(cè)和利用測(cè)量光纖參數(shù)來(lái)探測(cè)外界環(huán)境變化成為一種非常重要的技術(shù)。偏振特性是光的基本特性之一。光在光纖中的傳輸時(shí)，受光纖自身參數(shù)(固有雙折射、模耦合和偏振模色散等)的影響，以及外界環(huán)境導(dǎo)致的彎曲、扭絞以及應(yīng)力變化等，都會(huì)改變光的偏振態(tài)。因此，監(jiān)測(cè)光纖中偏振態(tài)的分布，既可以獲得光纖參數(shù)的變化信息，又可以獲得外界環(huán)境的變化信息。利用短脈沖光在光纖中的背向瑞利散射來(lái)監(jiān)測(cè)偏振態(tài)沿著光纖長(zhǎng)度的變化，并進(jìn)而求出光纖參數(shù)或者環(huán)境參數(shù)的變化，稱(chēng)為偏振敏感的光時(shí)域反射技術(shù)。偏振敏感的光時(shí)域反射技術(shù)由A. J. Rogers在1981年提出，其優(yōu)點(diǎn)在于①非破壞性不會(huì)對(duì)光纖造成破壞，也不會(huì)影響光的正向傳輸；②單端測(cè)量；光源和檢測(cè)器處在光纖的同一端，便可對(duì)長(zhǎng)距離光纖的遠(yuǎn)端進(jìn)行測(cè)量。目前主要有以下方法1.由J. G. Ellison等人于1998年提出的采用旋轉(zhuǎn)波片和起偏器的偏振敏感的光時(shí)域反射技術(shù)(如

圖1所示)。該裝置由脈沖發(fā)生器1與激光器2組成一個(gè)短脈沖光信號(hào)源，經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器3放大后，到達(dá)一對(duì)自聚焦透鏡4與5組成的平行光路，在平行光路中使用可旋轉(zhuǎn)的起偏器6和波片7來(lái)改變輸入光的偏振態(tài)。這個(gè)偏振光經(jīng)過(guò)自聚焦透鏡 5重新進(jìn)入光纖，再經(jīng)過(guò)光纖放大器8和環(huán)行器9的91、92端口注入到被測(cè)光纖10。在被測(cè)光纖10中，光脈沖的一部分由于瑞利散射而反射回到環(huán)行器9，然后經(jīng)由環(huán)行器9的92、 93端口到達(dá)光纖放大器11。放大后的反射信號(hào)到達(dá)四路偏振分析儀12，四路偏振分析儀輸出的信號(hào)由四路光接收機(jī)13轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后送往數(shù)字示波器14，同時(shí)脈沖信號(hào)發(fā)生器 1向四路示波器14輸出一個(gè)同步觸發(fā)脈沖，以保證反射信號(hào)與輸入信號(hào)同步。從數(shù)字示波器14顯示的反射波曲線，就可以獲得偏振態(tài)分布的信息?？梢钥闯?，這套系統(tǒng)中的平行光路與旋轉(zhuǎn)偏振器以及能夠同時(shí)檢測(cè)四路輸入的偏振分析儀12是關(guān)鍵部件，而這些部件的調(diào)整往往是非常困難的。2.由Marc Wulipart等人于2001年提出的采用旋轉(zhuǎn)起偏器的偏振敏感光時(shí)域反射技術(shù)(如圖2所示)。圖中，由光時(shí)域反射計(jì)21產(chǎn)生一個(gè)光脈沖，這個(gè)光脈沖經(jīng)過(guò)環(huán)行器 22、衰耗器23和探測(cè)器24轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。這個(gè)電信號(hào)去控制脈沖發(fā)生器25，激光器26，光纖放大器27以及聲光調(diào)制器28，它們共同組成了一個(gè)新的短脈沖光信號(hào)源。這樣做的目的在于將光時(shí)域反射計(jì)21產(chǎn)生的多譜線的光脈沖轉(zhuǎn)化為單一譜線的具有良好相干性的光脈沖，并實(shí)現(xiàn)同步。新的短脈沖光信號(hào)經(jīng)過(guò)偏振控制器29對(duì)其偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過(guò)環(huán)行器30到達(dá)由自聚焦透鏡31與32組成的平行光路，在平行光路中，插入可旋轉(zhuǎn)的起偏器 33，進(jìn)一步調(diào)節(jié)注入光的偏振態(tài)，然后注入到被測(cè)光纖34。在光纖中，瑞利散射將注入的光脈沖的一部分反射回來(lái)，重新回到平行光路和起偏器33 (此時(shí)起偏器33充當(dāng)檢偏器)。經(jīng)過(guò)檢偏后的光重新到達(dá)環(huán)行器30，再轉(zhuǎn)到環(huán)行器22，返回到光時(shí)域反射計(jì)15，完成測(cè)量。3.吳重慶與楊雙收等人于2008年提出了一種利用壓電陶瓷偏振控制器實(shí)現(xiàn)的偏振敏感光時(shí)域反射技術(shù)的方法，專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?008101187823，如圖3所示。它由激光器41、 可編程信號(hào)發(fā)生器42、外調(diào)制器43、摻鉺光纖放大器44共同組成一個(gè)短脈沖光信號(hào)源。激光器41發(fā)出直流光，經(jīng)過(guò)外調(diào)制器43在可編程信號(hào)發(fā)生器42的電信號(hào)控制下對(duì)從激光器 41輸入的直流光進(jìn)行調(diào)制，輸出一個(gè)光脈沖。這個(gè)光脈沖進(jìn)入摻鉺光纖放大器44進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)光纖環(huán)行器45的1、2端口進(jìn)入光纖偏振器46，使光保持為線偏振態(tài)，并輸出給壓電陶瓷偏振控制器47。進(jìn)入壓電陶瓷偏振控制器47的光脈沖，其輸出偏振態(tài)隨著壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓的改變而變化，然后進(jìn)入被測(cè)光纖50，產(chǎn)生背向散射光。被測(cè)光纖中的背向散射光反向傳輸，先經(jīng)過(guò)壓電陶瓷偏振控制器47和光纖偏振器46，然后經(jīng)過(guò)環(huán)行器45的2、3 端口進(jìn)入探測(cè)器48，探測(cè)器48將接收到的背向散射光信號(hào)變換成為電信號(hào)，并被到計(jì)算機(jī) 49的數(shù)據(jù)采集卡采集和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到光纖參數(shù)或者環(huán)境參數(shù)的變化。該專(zhuān)利提出的計(jì)算光纖參數(shù)的算法如下經(jīng)背向瑞利散射返回到輸入端的偏振態(tài)和注入到被測(cè)光纖的偏振態(tài)滿足如下關(guān)系
_9] SB(z) = RMJF(z)RMF(z)Sin其中是注入光纖的偏振態(tài)，&(Z)是從光纖長(zhǎng)度ζ處反射至入射端的偏振態(tài)，
Mf(Z)是一個(gè)4X4的矩陣，稱(chēng)為光纖的傳輸矩陣，它反映了光纖的雙折射特性，R是反射矩陣，定義為 R= diag(l，l，-l)。由上式可知，要求解光纖的雙折射特性即4X4的傳輸矩陣Mf(Z)，必須知道多個(gè)輸入偏振態(tài)和多個(gè)輸出偏振態(tài)。為此，該專(zhuān)利提出在被測(cè)光纖50與光纖偏振器46之間插入了一個(gè)傳輸矩陣已知的壓電陶瓷偏振控制器47。這時(shí)，背向散射光經(jīng)過(guò)壓電陶瓷偏振控制器47返回輸入端的偏振態(tài)&(ζ, W)和注入該偏振控制器47的正向入射光的偏振態(tài)云m之間的關(guān)系變?yōu)镾B(z,u) = RMT(u)MTF(z)RMF(z)M(u)Sm其中M(u)是壓電陶瓷偏振控制器47的傳輸矩陣，它是電壓u的函數(shù)，而且矩陣 M(u)可以通過(guò)改變壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓事先測(cè)得，視為已知量；Mf(u)是光纖的傳輸矩陣； 角標(biāo)T表示矩陣的轉(zhuǎn)置。入射光的偏振態(tài)云m由光纖偏振器46決定，與返回的偏振態(tài)&(ζ, W)經(jīng)過(guò)的是同一個(gè)光纖偏振器，因此入射光的偏振態(tài)^ 與返回的偏振態(tài)&(Ζ,W)經(jīng)過(guò)檢偏器后的偏振態(tài)相同。通過(guò)改變壓電陶瓷偏振控制器47的驅(qū)動(dòng)電壓使注入到被測(cè)光纖50的輸入偏振態(tài)變化，因此由光纖反射回來(lái)的偏振態(tài)也發(fā)生變化，這樣可以測(cè)得多組背向散射光的返回偏
振態(tài)瓦O, W)，瓦O, W)不僅是光纖長(zhǎng)度Z的函數(shù)，而且是壓電陶瓷偏振控制器47的控制
電壓u的函數(shù)。結(jié)合已知的壓電陶瓷偏振控制器47的傳輸矩陣M(U)，可以反算出光纖的傳輸矩陣MF(z)，進(jìn)而計(jì)算出各點(diǎn)的雙折射分布，以及光纖參數(shù)或者環(huán)境參數(shù)。設(shè)經(jīng)過(guò)光纖偏振器46的正向輸入偏振態(tài)為<!=(>。,0,0)τ，而從光纖長(zhǎng)度ζ處返回并經(jīng)過(guò)光纖偏振器46反向輸
出的偏振態(tài)為忘“《)=(辦，Μ),0,0)Τ ,其中s(z，u)表示在被測(cè)光纖ζ處的反射光到達(dá)光纖
偏振器46后反向輸出的偏振態(tài)&(ζ,W)的一個(gè)分量，它與壓電陶瓷偏振控制器47的控制電壓u有關(guān)，那么有SB(z,u) = MpRM1 {u)Ml (z)RMF (z)M(u)Sm其中Mp，M(u)和Mf(Z)分別是光纖偏振器46、壓電陶瓷偏振控制器47、待測(cè)光纖 50的傳輸矩陣，而禮=肚叫(1，0，0)。記壓電陶瓷偏振控制器47的傳輸矩陣M(u)的元素為Ilij(U) JPM(U) = [Hij(U)]；記被測(cè)光纖50的傳輸矩陣Mf(Z)的元素為Hlij(Z)即Mf(Z) =Dnij(Z)]；且R = diag(l，l，-1)。將各矩陣代入上述方程式計(jì)算得到
權(quán)利要求
1. 一種光纖中雙折射分布的三點(diǎn)測(cè)量法，其特征在于，所述方法基于如下測(cè)量裝置， 所述測(cè)量裝置包括短脈沖激光光源、第一摻鉺光纖放大器、光纖環(huán)行器、第二摻鉺光纖放大器、高速偏振態(tài)檢測(cè)裝置、計(jì)算機(jī)和被測(cè)光纖；所述光纖環(huán)行器包括第一端口、第二端口和第三端口 ；所述短脈沖激光光源輸出短脈沖光信號(hào)，進(jìn)入第一摻鉺光纖放大器進(jìn)行放大后，經(jīng)過(guò)所述光纖環(huán)行器的所述第一端口和第二端口注入到被測(cè)光纖；被測(cè)光纖的背向瑞利散射光號(hào)返回到所述光纖環(huán)行器，經(jīng)由所述光纖環(huán)行器的第二端口和第三端口到達(dá)第二摻鉺光纖放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入所述高速偏振態(tài)檢測(cè)裝置，經(jīng)光電變換轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)表征了從光纖始端到被測(cè)點(diǎn)的3個(gè)不同位置ζ，ζ+Δζ，和ζ+2Δζ的3個(gè)偏振態(tài)的斯托克斯矢量，分別記為或=S(Z)、艮=云(Ζ + ΔΖ)和尾=云(Ζ + 2ΔΖ);該電信號(hào)被所述計(jì)算機(jī)采集，并使用三點(diǎn)測(cè)量法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所述三點(diǎn)測(cè)量方法包括如下步驟步驟1，通過(guò)公式n= [5x,-5y, δ Jt計(jì)算出光纖的本地雙折射矢量盧的方向n;其中8 =δ. ι- χ C2-C,S =a K1 a K1式中(ξ i，I1 i，ζ i) i = 1，2，3分別是三個(gè)偏振態(tài)&，民和&在邦加球上的坐標(biāo)； 步驟2，通過(guò)公式βAarcsmrI fe-O2+ ("2-"J2+ (C2-O21Δζ L2V\-{ξ20+ηΙ+ζΙ)計(jì)算出本地雙折射矢量f的大小盧；其中4 =Co(《+W)δ.,"0 =.(《+W)δ.步驟3，在計(jì)算出本地雙折射矢量的大/J、β和方向η基礎(chǔ)上，計(jì)算包括拍長(zhǎng)和高階雙折射的分布參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三點(diǎn)測(cè)量法，其特征在于，所述測(cè)量裝置中，所述短脈沖激光光源由激光器、可編程信號(hào)發(fā)生器及外調(diào)制器組成；所述激光器發(fā)出直流光，輸出到所述外調(diào)制器，所述外調(diào)制器在所述可編程信號(hào)發(fā)生器的電信號(hào)控制下對(duì)從所述激光器輸入的直流光進(jìn)行調(diào)制，輸出一個(gè)短脈沖光信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三點(diǎn)測(cè)量法，其特征在于，所述測(cè)量裝置中，在所述第一摻鉺光纖放大器和所述光纖環(huán)行器之間，還設(shè)置有一光耦合器，將脈沖光分為兩部分，一部分光進(jìn)入所述低速偏振分析儀器用于監(jiān)測(cè)光源的偏振態(tài)，另一部分光經(jīng)過(guò)所述光纖環(huán)行器，經(jīng)由所述第一端口和所述第二端口注入到所述被測(cè)光纖中；所述被測(cè)光纖的背向瑞利散射光信號(hào)返回到所述光纖環(huán)行器，經(jīng)由所述第二端口和所述第三端口到達(dá)所述第二摻鉺光纖放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入所述高速偏振態(tài)檢測(cè)裝置，在其中經(jīng)光電變換后成為電信號(hào)；該電信號(hào)被采集到所述計(jì)算機(jī)中，并使用三點(diǎn)測(cè)量法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到光纖參數(shù)或者環(huán)境參數(shù)的變化。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光纖中雙折射分布的三點(diǎn)測(cè)量法，由光源產(chǎn)生一個(gè)短脈沖光信號(hào)，并注入到被測(cè)光纖產(chǎn)生背向散射光，返回來(lái)的背向散射光利用高速偏振態(tài)檢測(cè)裝置將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)中；再使用本發(fā)明所提出的三點(diǎn)測(cè)量法公式進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)光纖參數(shù)分布的高速實(shí)時(shí)測(cè)量。本發(fā)明具有不依賴(lài)輸入偏振態(tài)、測(cè)量準(zhǔn)確、重復(fù)性好、速度快以及操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于光纖參數(shù)的分布式測(cè)量，以及分布式光纖傳感器等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01M11/02GK102252831SQ20111016983
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者吳重慶, 尚超, 李政勇 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)