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(dǎo)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(dǎo)介質(zhì)，光纖的物理特性與導(dǎo)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(qiáng)（光功率）、相位、偏振態(tài)以及波長（頻率）等四個(gè)參數(shù)。對(duì)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(shí)際應(yīng)用中，外界環(huán)境的干擾，例如溫度、應(yīng)力、振動(dòng)、電磁場等等，都可能會(huì)對(duì)光纖造成一定的影響，進(jìn)而影響其中傳輸?shù)墓鈭?。在光纖通信系統(tǒng)中，研究重點(diǎn)在于

2、如何消除這些環(huán)境因素對(duì)通信信號(hào)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(jìn)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(gè)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(shí)域反射計(jì)（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(gè)。一：由于存在時(shí)域消偏振效應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)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(fù)雜的去噪手段提升信噪比。這犧牲了系統(tǒng)的時(shí)效性，嚴(yán)重制約著系統(tǒng)的應(yīng)用。三：由于擾動(dòng)事件導(dǎo)致自擾動(dòng)點(diǎn)之后的偏振態(tài)全部變化，所以系統(tǒng)只能識(shí)別并定位到兩個(gè)及以上同時(shí)擾動(dòng)事件中的距離發(fā)射端最近的一個(gè)事件。因此，研究如何

4、同時(shí)探測多個(gè)事件是POTDR系統(tǒng)的研究方向之一。本論文將針對(duì)這些問題依次展開研究。為了解決光纖中光信號(hào)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(huì)有所降低，產(chǎn)生偏振模耦合現(xiàn)象，這嚴(yán)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(shí)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(jí)聯(lián)分析方法，得出了單模光纖中POTDR系統(tǒng)背向散射信號(hào)的時(shí)域消偏振效應(yīng)理論模型?；诖死碚撃Ｐ?，推導(dǎo)出POTDR系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和信號(hào)偏振度（DOP）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從理論上闡明了POTDR系統(tǒng)對(duì)信號(hào)DOP的要求。⑵提出了一種利用菲涅爾反射有效抑制時(shí)域消偏振效應(yīng)的新型POTDR系統(tǒng)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了通過在光纖鏈路中引入菲涅爾反射可有效抑制時(shí)域消偏振效應(yīng)。本論文利用此

6、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了瞬間入侵信號(hào)的探測以及振動(dòng)頻率的測量。由于系統(tǒng)信噪比高、無需平均去噪、動(dòng)態(tài)范圍大，因此振動(dòng)頻率的測量結(jié)果達(dá)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(shí)驗(yàn)，深入研究了simplex code的碼元寬度和編碼長度對(duì)POTDR信號(hào)的偏振度的影響。實(shí)現(xiàn)了高系統(tǒng)信噪比、高信號(hào)偏振度的POTDR系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了性能參數(shù)的測試。此方案大大提高了系統(tǒng)的性價(jià)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(shí)刻僅能檢測發(fā)生在被測光纖鏈路上的第一個(gè)事件的問題，同時(shí)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(jí)系統(tǒng)，將傳導(dǎo)光纖和傳感光纖分開，實(shí)現(xiàn)了多事件的同時(shí)探測。⑸借鑒微波光子濾波器的思想，對(duì)存在偏振模耦合的保偏光纖中的光路進(jìn)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(xué)延遲回路的結(jié)論。