基于光纖偏振效應(yīng)檢測的分布式光纖傳感技術(shù)研究.pdf

1、光導纖維簡稱光纖，主要由纖芯、包層和涂覆層組成。作為應(yīng)用最為廣泛的光頻波段電磁波的波導介質(zhì)，光纖的物理特性與導波光場的傳輸性質(zhì)密切相關(guān)。通常描述光波的參數(shù)主要有：光強（光功率）、相位、偏振態(tài)以及波長（頻率）等四個參數(shù)。對應(yīng)的影響光波參數(shù)的光纖介質(zhì)參數(shù)為：損耗系數(shù)、折射率、偏振效應(yīng)、非線性效應(yīng)。實際應(yīng)用中，外界環(huán)境的干擾，例如溫度、應(yīng)力、振動、電磁場等等，都可能會對光纖造成一定的影響，進而影響其中傳輸?shù)墓鈭?。在光纖通信系統(tǒng)中，研究重點在于

2、如何消除這些環(huán)境因素對通信信號的影響。而利用此種影響，人們提出了光纖傳感的概念：通過檢測光波參數(shù)的變化進而反推造成此變化的物理量的情況。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，基于損耗、折射率、非線性效應(yīng)的光纖傳感技術(shù)得到了廣泛的研究與應(yīng)用；而基于光纖偏振效應(yīng)的分布式傳感技術(shù)由于諸多技術(shù)難題而未能得到大規(guī)模推廣。因此本論文聚焦于基于光纖偏振效應(yīng)的分布式傳感技術(shù)研究。主要包括兩個方面，一是基于普通單模光纖（以下簡稱單模光纖或SMF）的偏振光時域反射計（POTD

3、R）系統(tǒng)，二是基于保偏光纖的偏振模耦合分布的測量系統(tǒng)。在基于單模光纖的POTDR系統(tǒng)中，目前主要存在的問題有三個。一：由于存在時域消偏振效應(yīng)導致系統(tǒng)的動態(tài)范圍較低。二：由于瑞利散射系數(shù)較小，系統(tǒng)的信噪比低，必須通過平均去噪或者更加復雜的去噪手段提升信噪比。這犧牲了系統(tǒng)的時效性，嚴重制約著系統(tǒng)的應(yīng)用。三：由于擾動事件導致自擾動點之后的偏振態(tài)全部變化，所以系統(tǒng)只能識別并定位到兩個及以上同時擾動事件中的距離發(fā)射端最近的一個事件。因此，研究如何

4、同時探測多個事件是POTDR系統(tǒng)的研究方向之一。本論文將針對這些問題依次展開研究。為了解決光纖中光信號偏振態(tài)演化帶來的一系列問題，人們研制了保偏光纖。保偏光纖因其具有保持沿快軸或者慢軸入射光的偏振態(tài)的性質(zhì)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于使用中的一些外界因素干擾（例如溫度、應(yīng)力、電磁場等），其保偏性質(zhì)會有所降低，產(chǎn)生偏振模耦合現(xiàn)象，這嚴重制約了保偏光纖的應(yīng)用。本文將探討保偏光纖中偏振模耦合分布的測量技術(shù)，提出一種新的測量方案，根據(jù)

5、此方案實現(xiàn)分布式光纖傳感。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于波片級聯(lián)分析方法，得出了單模光纖中POTDR系統(tǒng)背向散射信號的時域消偏振效應(yīng)理論模型?；诖死碚撃Ｐ?，推導出POTDR系統(tǒng)的動態(tài)范圍和信號偏振度（DOP）之間的數(shù)學關(guān)系，從理論上闡明了POTDR系統(tǒng)對信號DOP的要求。⑵提出了一種利用菲涅爾反射有效抑制時域消偏振效應(yīng)的新型POTDR系統(tǒng)。通過仿真和實驗證實了通過在光纖鏈路中引入菲涅爾反射可有效抑制時域消偏振效應(yīng)。本論文利用此

6、系統(tǒng)實現(xiàn)了瞬間入侵信號的探測以及振動頻率的測量。由于系統(tǒng)信噪比高、無需平均去噪、動態(tài)范圍大，因此振動頻率的測量結(jié)果達到了現(xiàn)有POTDR系統(tǒng)的理論極限。⑶在廣泛調(diào)研用于光纖傳感系統(tǒng)的編碼理論的基礎(chǔ)上，基于波片模型以及實驗，深入研究了simplex code的碼元寬度和編碼長度對POTDR信號的偏振度的影響。實現(xiàn)了高系統(tǒng)信噪比、高信號偏振度的POTDR系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了性能參數(shù)的測試。此方案大大提高了系統(tǒng)的性價比，在系統(tǒng)成本未明顯增加的

7、情況下，提高系統(tǒng)的監(jiān)測距離至25km以上。利用此系統(tǒng)完成了單模光纖中偏振效應(yīng)變化的測量。⑷為了解決POTDR系統(tǒng)同一時刻僅能檢測發(fā)生在被測光纖鏈路上的第一個事件的問題，同時保證系統(tǒng)的高DOP和SNR。利用耦合器和光纖反射鏡巧妙的構(gòu)建了多路分級系統(tǒng)，將傳導光纖和傳感光纖分開，實現(xiàn)了多事件的同時探測。⑸借鑒微波光子濾波器的思想，對存在偏振模耦合的保偏光纖中的光路進行分析，得出存在偏振模耦合的保偏光纖可以作為微波光子濾波器光學延遲回路的結(jié)論。