[发明专利]三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统及方法

说明书

本发明公开了一种三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统，它包括激光器、脉冲光调制器、三脉冲生成保偏结构、第一掺铒光纤放大器、第一光环形器、光纤光栅阵列、第二掺铒光纤放大器、第二光环形器、三分三光耦合器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜和四通道数据采集卡。本发明基于分布式光纤光栅振动传感系统，采用三脉冲错位干涉和三分三光耦合器数字相位解调技术，利用XX，XY脉冲对干涉可见度互补，通过选择较优的进行解调，从而实现了在分布式光纤光栅振动传感系统中抗偏振衰落，干涉信号高可见度。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体地指一种三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统及方法。

背景技术

光纤传感技术自问世以来，就凭借诸多优势而被广泛关注并深入研究。光纤作为传感器因为无源，体积小，易复用被广泛研究与应用。利用相位敏感光时域反射技术的光纤传感系统，又具有高灵敏度的特点，在许多领域都具有十分重要的应用价值，较传统的电类传感系统在各种恶劣环境中具有更优异的传感性能和更广阔的应用前景。为了提高定位精度和检测灵敏度以实现对微小信号的传感，研究人员在传统的系统中引入了弱光栅阵列，以弱光纤光栅阵列中相邻两个光栅之间的光纤为传感单元，实现了高精度高灵敏度的基于时分复用的分布式探测系统。振动是自然界最普遍的现象之一，获取振动信号在各领域都有巨大的作用，也是光栅增强型分布式传感技术中的一个重要研究方向和应用领域，在地震波检测、石油勘探和水下军事等领域有着广阔的应用前景。

目前，制约分布式干涉型光纤光栅振动传感系统在实际中大范围应用的问题就是偏振诱导衰落。光通过在各向异性晶体时，会发生双折射现象。双折射现象使光波分解成振动方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两种偏振光，其中遵从折射定律的称为o光，另一个不遵从折射定律的称为e光。理想情况下，即假设光纤截面为正圆、长向无弯曲、材料无杂质、两者相速相同、相位相等情况下，其合成光为线偏振光。但是在实际情况下，单模光纤在制造、使用过程中存在一些问题，比如制造工艺欠完善等原因造成材料分布不均匀，导致使用过程中光纤被弯曲、扭曲而产生形变和内应力等。这些问题会导致光纤介质的光学各向异性，产生双折射。在大规模的分布式干涉型传感系统中，系统的光纤双折射效应会导致在光纤中传输的光的偏振态发生随机的变化，偏振态的随机变化会使得输出端的干涉信号的干涉可见度在0到1之间随机变化，如果两干涉光的偏振态是正交的，那么干涉光的干涉可见度为0，就会发生偏振衰落。可见度的减小会导致解调后的信号信噪比降低，甚至解调不出信号，在实际应用中就会产生误判问题或者得不到需要的信号，因此偏振衰落是影响其性能的一个重要问题。偏振衰落的抑制技术是干涉型传感器走向应用的关键技术之一。

目前，常用的解决偏振衰落问题的方法有光路全保偏技术、偏振分集接收技术、扰偏法、法拉第旋镜法、偏振切换技术等。光路全保偏技术是将光路中的普通光器件更换为保偏光器件，光路中基本没有双折射效应，但是成本较高且不易于复用；偏振分集接收技术在接收端依据偏振方向进行检偏，通常是三路接收端，偏振态在空间上互为60度，这可以保证三个接收端中至少有一路不会产生偏振衰落，但是这种方法使得接收端复杂同时最小可见度仅为0.38；扰偏法是使用扰偏器将光路中的线偏光高速调制为消偏光，这种方法保证干涉光不会收到偏振态的影响，但是会引入较大的偏振噪声同时降低光强；法拉第旋镜法利用法拉第旋镜使光路中往返时的双折射效应抵消，但是每个传感点都需要两个法拉第旋镜，成本太高，适用面较窄；偏振切换技术使用偏振控制器使输出脉冲的偏振态在两种正交的方向变化(设为X，Y方向)，通过构建传感光纤的琼斯矩阵消除偏振衰落的影响，可以达到可见度恒定为1，但是偏振切换技术系统中需要偏振切换器，无法做到无源且偏振切换器需要负反馈控制，此外因为需要得到同一个传感区4个干涉脉冲才能解调一次信号，采样率的利用率只有实际的1/4。

现有的抗偏振衰落方法都有其各自的缺点，且大部分的方法成本都不算低，因此需要寻找一种最小可见度高，适用面广同时性价比高的抗偏振衰落方法。

发明内容