CN108287056B - 光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统及测评方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统及测评方法，涉及光纤传感技术领域，包括脉冲激光器、偏振控制器、光纤环行器、光纤敏感环、在线脉冲偏振态接收器、数字示波器及计算模块，脉冲激光器可发射连续光和脉冲光，光纤敏感环的测试末端连接有偏振分析仪；进行耦合特性测评时，首先利用偏振分析仪进行偏振本征态对准，再输入与偏振本征态一致的脉冲光，利用背向散射光测量光纤敏感环各点反射光的斯托克斯矢量，最后利用三点四元数法及双折射矢量投影法计算各点的偏振态电场矢量模耦合系数与消光比。本发明适用于高质量光纤敏感环偏振模耦合的高精度测量，以及外界因素导致的保偏光纤偏振模耦合参数的变化，实现多参量的分布式传感。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤敏感环偏振模耦合分布特性的测评系统及测评方法。
背景技术
作为一种关键的惯性测量技术，光纤陀螺(FOG)在1976年被首次提出后，便引起了许多国家的高度重视，经过多年的快速发展，FOG已经成为惯性技术领域的主流选择，被广泛应用于飞机与舰船导航，装甲车,坦克和摆式列车的姿态控制以及航天器稳定等。光纤敏感环是光纤陀螺的核心部件，它由保偏性能良好的偏振保持光纤(PMF)绕制而成，但是由光纤结构缺陷引起的固有偏振模耦合以及在绕制过程中受应力和主轴不对准引入的诱导偏振模耦合都会引起显著的偏振态波动，导致零漂。要从根本上提高光纤陀螺的性能，需要更精确的测量光纤敏感环的偏振模耦合系数和提高耦合点定位精度，深入研究光纤敏感环的保偏性能。
光纤敏感环除了应用在光纤陀螺中以外，在光纤电流传感器中也获得广泛应用。与光纤陀螺的光纤敏感环不同，它采用椭圆偏振态保持光纤，它的偏振本征态为两个正交的椭圆。
目前，用于保偏光纤偏振模耦合检测的方法主要是光纤白光干涉仪，其原理是通过补偿光功率耦合点光程差来确定模耦合点；但是这种技术用于测量偏振模耦合时，会出现以下几个问题：第一，光纤敏感环中的宽谱光只有特定波长能谐振,并且偏振模耦合是波长相关的；然而白光干涉的光源是宽谱光源，其测量的模耦合强度是该宽谱光的平均模耦合，因此，使用白光干涉测量的宽谱光平均模耦合不能准确描述不同光纤谐振腔谐振波长受偏振模耦合的影响；第二，偏振模耦合系数是可正可负的，因为偏振模耦合本质上是由于相邻两段光纤双折射轴(也称偏振主轴)不对准引起的，其主轴不对准的角度可正可负；白光干涉仪所测得的模耦合系数是强度耦合系数，其值都是正的，不能反映真实的偏振模电场矢量的耦合系数；第三，由于使用宽谱光源，会导致很大的偏振模色散，其空间分辨率会随着测量长度的增加而降低；第四，白光干涉仪是通过机械扫描的方式来改变干涉仪两臂的光程差，而反射镜在机械运动过程中会使反射光偏振态发生变化，从而影响测量精度。第五，白光干涉仪在测量过程中要使用偏振分光棱镜，因此只能检测线偏振态保持光纤的偏振模耦合，不能检测偏振椭圆光纤中两个正交椭圆偏振态之间的模耦合。多年来，虽然光纤白光干涉仪技术已经达到相当高的水平，已经实用化和商品化。但是，对于更高质量的光纤敏感环，其模耦合系数更小，测量要求更高，而白光干涉仪受其原理的限制，进一步提高的空间有限。因此，为了进一步提高检测的灵敏度、检测出偏振模电场矢量的模耦合系数、也为了实现对椭圆偏振态保持光纤制作的光纤敏感环的偏振模耦合进行测量，探索新的方法是一个重要的需求。
光时域反射技术是一种常用的测量光纤分布参数的技术，在光纤中某一点的瑞利散射光偏振态与该点入射光是一致的，所以可以利用瑞利散射光来检测光偏振态沿着光纤的变化。但光时域反射技术在具体应用中存在如下问题：首先，检测偏振态变化的脉冲时间必须小于光纤拍长的传输时间，而保偏光纤的拍长非常小，通常在2～3mm左右，这要求脉冲在ps甚至fs量级；其次，通常用于检测偏振态的光时域反射技术，采用的是固定方向的线偏振态，它不一定能够对准保偏光纤的偏振主轴，尤其没有办法确保对准椭圆偏振态保持光纤的偏振本征态；第三，检测偏振态变化的方法可以分为两种，一种是使用检偏器测量在特定偏振方向的光功，因而不能检测出偏振态的全部斯托克斯参数；另一种是方法是全偏振态检测，该技术通过获得沿着光纤长度分布的三个Stokes参量[S1,S2,S3]，即完整的偏振态信息，但是，目前还没有在线的适应于高速脉冲的全偏振态检测的设备。因此，目前基于全偏振态检测的光时域反射技术仅限于普通单模光纤，还没有用于保偏光纤偏振模耦合性能测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够对更高质量的光纤敏感环进行模耦合性能测量，有较高检测灵敏度，且能够检测出偏振模电场矢量的耦合系数，并能够对椭圆偏振态保持光纤制作的光纤敏感环的偏振模耦合进行测量的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，以解决上述背景技术中不能进行全偏振态精确检测，实现保偏光纤偏振模耦合性能测量的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，包括发送模块、接收模块、计算模块，
所述发送模块包括依次连接的脉冲激光器、偏振控制器、光纤环行器，所述脉冲激光器的输出端连接所述偏振控制器的输入端，所述偏振控制器的输出端连接所述光纤环行器的第一端，所述光纤环行器的第二端连接所述待测光纤敏感环的所述测试始端。
所述接收模块包括在线脉冲偏振态接收器、数字示波器，所述在线脉冲偏振态接收器的第一输入端连接所述光纤环行器的第三端，所述在线脉冲偏振态接收器的输出端连接所述数字示波器的输入端，所述数字示波器的输出端连接所述计算模块。
所述待测光纤敏感环的测试末端连接有偏振分析仪。
进一步的，所述脉冲激光器包括窄带连续光激光器、铌酸锂调制器、可编程脉冲编码发生器、调制器驱动器、光纤放大器和光滤波器；所述窄带连续光激光器连接所述铌酸锂调制器的第一输入端，所述铌酸锂调制器的输出端连接光纤放大器的输入端，所述光纤放大器的输出端连接所述光滤波器的输入端，所述光滤波器的输出端连接所述偏振控制器；所述可编程脉冲编码发生器的输出端连接所述调制器驱动器的输入端，所述调制器驱动器的输出端连接所述铌酸锂调制器的第二输入端。
进一步的，所述在线脉冲偏振态接收器包括偏振分束器、耦合器、90°光混频器、3个平衡光探测器；所述偏振分束器的输出端连接有两个所述耦合器，所述两个耦合器的第一输出端分别连接所述90°光混频器的两个输入端，所述90°光混频器的两个输出端分别连接有第一平衡光探测器和第二平衡光探测器，所述两个耦合器的第二输出端连接有第三平衡光探测器，所述两个耦合器的第二输出端分别连接所述第三平衡光探测器的两个输入端；所述偏振分束器的输入端连接所述光纤环行器的第三端，所述第一平衡光探测器的输出端、所述第二平衡光探测器的输出端、所述第三平衡光探测器的输出端均连接所述数字示波器。
进一步的，所述在线脉冲偏振态接收器包括耦合器、0°线检偏器、45°线检偏器、右旋圆检偏器、平衡光探测器；所述耦合器的三个输出端分别连接所述0°线检偏器、所述45°线检偏器和所述右旋圆检偏器的输入端，所述0°线检偏器、所述45°线检偏器和所述右旋圆检偏器的输出端分别连接有一个平衡光探测器，所述三个平衡光探测器的输出端均连接所述数字示波器，所述耦合器的输入端连接所述光纤环行器的第三端。
一种利用如上所述的系统对光纤敏感环偏振模耦合特性进行测评的方法，包括如下步骤：
调整输入所述待测光纤敏感环的光信号的偏振态与所述待测光纤敏感环的偏振本征态一致，将与所述待测光纤敏感环的偏振本征态一致的光信号作为测试光信号输入；
通过所述在线脉冲偏振态接收器和所述数字示波器采集所述反射光信号沿纵向分布的完整偏振态斯托克斯矢量S；
根据所述斯托克斯矢量计算沿待测光纤敏感环纵向分布的偏振模耦合系数和消光比。
进一步的，所述调整输入所述待测光纤敏感环的测试光信号的偏振态与所述待测光纤敏感环的偏振本征态一致包括，调整所述脉冲激光器到连续光输出状态，经所述偏振控制器调制偏振态，并利用偏振分析仪观察待测光纤敏感环的输出偏振态，使得经偏振控制器调制后注入待测光纤敏感环的输入偏振态与待测光纤敏感环的偏振本征态一致。
进一步的，所述通过所述在线脉冲偏振态接收器和所述数字示波器采集所述反射光信号沿纵向分布的完整偏振态斯托克斯矢量包括，将所述测试光信号经所述光纤环行器耦合后进入所述待测光纤敏感环，经背向瑞利散射形成反射光信号，所述反射光信号返回到所述光纤环行器的第二端进入到光纤环行器，经所述光纤环行器的第三端进入在线脉冲偏振态接收器。
进一步的，所述根据所述斯托克斯矢量计算沿待测光纤敏感环纵向分布的偏振模耦合系数和消光比包括，根据所述完整偏振态斯托克斯矢量S，计算出斯托克斯矢量S的变化率
根据公式
计算出双折射矢量
单位矢量
表示本地偏振主轴的方向，大小|B|是偏振态绕偏振主轴旋转的速率，即在该主轴下双折射的大小；根据公式
计算出模耦合系数k。
进一步的，根据所述待测光纤敏感环上三个相邻检测点的斯托克斯矢量关系，采用三点四元数的方法计算所述双折射矢量B。
进一步的，根据所述所述双折射矢量B对邦加球上
两轴进行投影计算所述模耦合系数k。
本发明实现光纤敏感环的偏振模耦合分布式测量的原理如下：
因为斯托克斯矢量S在邦加球上旋转，其矢径始终是1，因此它的变化率
与当前的斯托克斯矢量垂直，从而有
其中
其方向(单位矢量
)是本地偏振主轴的方向，大小|B|是偏振态绕偏振主轴旋转的速率，即在该主轴下双折射的大小。当考虑偏振模耦合对偏振态传输的影响时，B应包含偏振模耦合系数，以下我们使用四元数的方法导出B与两个垂直偏振模的传输常数差Δβ＝β+-β-和它们的模耦合系数k之间的关系。
忽略保偏光纤损耗时，两个正交偏振态(包括线偏振保持光纤中的两个正交线偏振态，和椭圆偏振保持光纤中的两个正交椭圆偏振态)之间的耦合，理论上可写为
将公式(2)表述为琼斯矢量的形式时，为
将公式(3)表述为四元数的形式[32]，为
其中四元数
(用英文花体Edwardian Script ITC表示，下同)是琼斯矢量
对应的四元数，
是琼斯矩阵
对应的四元数，由于琼斯矩阵可以分解为
其中快慢轴的平均传输常数
传输常数差Δβ＝β+-β-，可得到琼斯矩阵对应的四元数为
因此
其中，
是
的厄米转置。由于斯托克斯四元数
因此
将(7)代入(8)，可得
令斯托克斯四元数其中s0是标量部分，S是矢量部分，代入(9)，可得
比较(11)与(1)，可得
因此，只要测得B对
两轴投影，就可以得到两个正交本征态的传输常数差Δβ和偏振模耦合系数k。
基于三点四元数的方法，只需知道某小段光纤三个相邻点的斯托克斯矢量，便可以计算出B对
两轴投影，即得到该小段光纤的传输常数差Δβ和偏振模耦合系数k。另外，在本系统中从光纤始端检测到的相邻三点A、B、C的偏振态四元数
之间的旋转角度与在A点检测到的
之间的旋转角度相同，因此在邦加球上Sout(A)、Sout(B)、Sout(C)之间的变化关系与SA(A)、SA(B)、SA(C)之间的变化关系是一致的。因此，在本系统中，通过计算光纤始端获得的A、B、C三个位置对应的斯托克斯矢量Sout(A)、Sout(B)、Sout(C)，根据(12)式计算得到的偏振模耦合系数k，便可描述A、B、C相邻三点之间的偏振模耦合。
本发明有益效果：适用于测量高质量的光纤敏感环偏振模耦合，弥补现有白光干涉技术在测量光纤敏感环偏振模耦合精度不高以及不适用于椭圆偏振态保持光纤的不足，此外，可用于测量外界因素(如应力，弯曲，震动等)导致的保偏光纤偏振模耦合，实现多种参量的分布式测量。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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为本发明实施例所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统原理图。
图2为本发明实施例所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统中脉冲激光器的结构框图。
图3为本发明实施例1所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统中在线脉冲偏振态接收器的结构框图。
图4为本发明实施例2所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统中在线脉冲偏振态接收器的结构框图。
图5为本发明实施例所述的Stokes矢量三个分量S1、S2和S3对应的瑞利散射光功率沿光纤敏感环的纵向分布图。
图6为本发明实施例所述的从光纤敏感环的正向和反向测量得到的沿光纤敏感环的纵向分布的偏振模耦合曲线图。
图7为本发明实施例所述的经多次重复测量获得位置A(a)和E(b)的偏振态在邦加球上的分布图。
其中：100-发送模块；200-接收模块；300-计算模块；110-脉冲激光器；120-偏振控制器；130-光纤环行器；400-待测光纤敏感环；210-在线脉冲偏振态接收器；220-数字示波器；500-偏振分析仪；111-窄带连续光激光器；112-铌酸锂调制器；113-可编程脉冲编码发生器；114-调制器驱动器；115-光纤放大器；116-光滤波器；211-偏振分束器；212-耦合器；213-90°光混频器；214-第一平衡光探测器；215-第二平衡光探测器；216-第三平衡光探测器；211a-耦合器；212a-0°线检偏器；213a-45°线检偏器；214a-右旋圆检偏器；215a-平衡光探测器。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。应该理解，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接，使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明实施例所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统原理图，图2为本发明实施例所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统中脉冲激光器的结构框图，图3为本发明实施例1所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统中在线脉冲偏振态接收器的结构框图，图4为本发明实施例2所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统中在线脉冲偏振态接收器的结构框图，图5为本发明实施例所述的Stokes矢量三个分量S1、S2和S3对应的瑞利散射光功率沿光纤敏感环的纵向分布图，图6为本发明实施例所述的从光纤敏感环的正向和反向测量得到的沿光纤敏感环的纵向分布的偏振模耦合曲线图，图7为本发明实施例所述的经多次重复测量获得位置A(a)和E(b)的偏振态在邦加球上的分布图。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，包括发送模块100、接收模块200、计算模块300，
所述发送模块100包括依次连接的脉冲激光器110、偏振控制器120、光纤环行器130，所述脉冲激光器110的输出端连接所述偏振控制器120的输入端，所述偏振控制器120的输出端连接所述光纤环行器130的第一端，所述光纤环行器130的第二端连接所述待测光纤敏感环400的所述测试始端；
所述接收模块200包括在线脉冲偏振态接收器210、数字示波器220，所述在线脉冲偏振态接收器210的第一输入端连接所述光纤环行器130的第三端，所述在线脉冲偏振态接收器210的输出端连接所述数字示波器220的输入端，所述数字示波器220的输出端连接所述计算模块300；
所述待测光纤敏感环400的测试末端连接有偏振分析仪500。
在本发明的一个具体实施例中，所述脉冲激光器110包括窄带连续光激光器111、铌酸锂调制器112、可编程脉冲编码发生器113、调制器驱动器114、光纤放大器115和光滤波器116；所述窄带连续光激光器111连接所述铌酸锂调制器112的第一输入端，所述铌酸锂调制器112的输出端连接光纤放大器115的输入端，所述光纤放大器115的输出端连接所述光滤波器116的输入端，所述光滤波器116的输出端连接所述偏振控制器120；所述可编程脉冲编码发生器113的输出端连接所述调制器驱动器114的输入端，所述调制器驱动器114的输出端连接所述铌酸锂调制器112的第二输入端。
在本发明的一个具体实施例中，所述在线脉冲偏振态接收器210包括偏振分束器211、耦合器212、90°光混频器213、3个平衡光探测器214，215，216；所述偏振分束器211的输出端连接有两个所述耦合器212，所述两个耦合器212的第一输出端分别连接所述90°光混频器213的两个输入端，所述90°光混频器213的两个输出端分别连接有第一平衡光探测器214和第二平衡光探测器215，所述两个耦合器212的第二输出端连接有第三平衡光探测器216，所述两个耦合器212的第二输出端分别连接所述第三平衡光探测器216的两个输入端；所述偏振分束器211的输入端连接所述光纤环行器130的第三端，所述第一平衡光探测器214的输出端、所述第二平衡光探测器215的输出端、所述第三平衡光探测器216的输出端均连接所述数字示波器220。
在本发明的一个具体实施例中，所述在线脉冲偏振态接收器210包括耦合器211a、0°线检偏器212a、45°线检偏器213a、右旋圆检偏器214a、平衡光探测器215a；所述耦合器211a的三个输出端分别连接所述0°线检偏器212a、所述45°线检偏器213a和所述右旋圆检偏器214a的输入端，所述0°线检偏器212a、所述45°线检偏器213a和所述右旋圆检偏器214a的输出端分别连接有一个平衡光探测器215a，所述三个平衡光探测器215a的输出端均连接所述数字示波器220，所述耦合器211a的输入端连接所述光纤环行器130的第三端。
如图5至图7所示，本发明实施例还提供了一种利用如上所述的系统对光纤环偏振模耦合特性进行测评的方法，包括如下步骤：
调整输入所述待测光纤敏感环400的光信号的偏振态与所述待测光纤敏感环400的偏振本征态一致，将与所述待测光纤敏感环400的偏振本征态一致的光信号作为测试光信号输入；
通过所述在线脉冲偏振态接收器210和所述数字示波器220采集所述反射光信号沿纵向分布的完整偏振态斯托克斯矢量S；
根据所述斯托克斯矢量计算沿待测光纤敏感环400纵向分布的偏振模耦合系数和消光比。
在本发明所述的方法实施例中，所述调整输入所述待测光纤敏感环400的测试光信号的偏振态与所述待测光纤敏感环400的偏振本征态一致包括，调整所述脉冲激光器110到连续光输出状态，经所述偏振控制器120调制偏振态，并利用偏振分析仪500观察待测光纤敏感环400的输出偏振态，使得经偏振控制器120调制后注入待测光纤敏感环400的输入偏振态与待测光纤敏感环400的偏振本征态一致。
在本发明所述的方法实施例中，所述通过所述在线脉冲偏振态接收器210和所述数字示波器220采集所述反射光信号沿纵向分布的完整偏振态斯托克斯矢量包括，将所述测试光信号经所述光纤环行器130耦合后进入所述待测光纤敏感环400，经背向瑞利散射形成反射光信号，所述反射光信号返回到所述光纤环行器130的第二端进入到光纤环行器130，经所述光纤环行器130的第三端进入在线脉冲偏振态接收器210。
在本发明所述的方法实施例中，所述根据所述斯托克斯矢量计算沿待测光纤敏感环400纵向分布的偏振模耦合系数和消光比包括，根据所述完整偏振态斯托克斯矢量S，计算出斯托克斯矢量S的变化率
根据公式
计算出双折射矢量单位矢量
表示本地偏振主轴的方向，大小|B|是偏振态绕偏振主轴旋转的速率，即在该主轴下双折射的大小；根据公式
计算出模耦合系数k。
在本发明所述的方法实施例中，根据所述待测光纤敏感环400上三个相邻检测点的斯托克斯矢量关系，采用三点四元数的方法计算所述双折射矢量B。
在本发明所述的方法实施例中，根据所述所述双折射矢量B对邦加球上
两轴进行投影计算所述模耦合系数k。
实施例1
本发明实施例1所述的一种光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，包括发送模块100、接收模块200、计算模块300，
所述发送模块100包括依次连接的脉冲激光器110、偏振控制器120、光纤环行器130，所述脉冲激光器110的输出端连接所述偏振控制器120的输入端，所述偏振控制器120的输出端连接所述光纤环行器130的第一端，所述光纤环行器130的第二端连接所述待测光纤敏感环400的所述测试始端；
所述接收模块200包括在线脉冲偏振态接收器210、数字示波器220，所述在线脉冲偏振态接收器210的第一输入端连接所述光纤环行器130的第三端，所述在线脉冲偏振态接收器210的输出端连接所述数字示波器220的输入端，所述数字示波器220的输出端连接所述计算模块300；
所述待测光纤敏感环400的测试末端连接有偏振分析仪500。
如图2所示，本发明实施例1所述的脉冲激光器110包括窄带连续光激光器111、铌酸锂调制器112、可编程脉冲编码发生器113、调制器驱动器114、光纤放大器115和光滤波器116；所述窄带连续光激光器111连接所述铌酸锂调制器112的第一输入端，所述铌酸锂调制器112的输出端连接光纤放大器115的输入端，所述光纤放大器115的输出端连接所述光滤波器116的输入端，所述光滤波器116的输出端连接所述偏振控制器120；所述可编程脉冲编码发生器113的输出端连接所述调制器驱动器114的输入端，所述调制器驱动器114的输出端连接所述铌酸锂调制器112的第二输入端。
通过如图2所示的脉冲激光器110可实现连续光和脉冲光的切换。发射连续光时，连续光经偏振控制器120调制偏振态，通过光纤环130的第二端进入待测光纤敏感环400，连续光由待测光纤敏感环400的测试末端进入偏振分析仪500，通过偏振分析仪500观察经偏振控制器120调制偏振态，并利用偏振分析仪500观察待测光纤敏感环400的输出偏振态，使得经偏振控制器120调制后注入待测光纤敏感环400的输入连续光偏振态与待测光纤敏感环400的偏振本征态一致。使用脉冲激光器110发射脉冲光，脉冲光信号经调整后的偏振控制器120调制后作为测试信号由光纤环130的第二端进入待测光纤敏感环400，经待测光纤敏感环400瑞利散射后形成反射光信号，反射光信号由光纤环130的第三端进入接收模块200，进一步完成耦合特性测评。
如图3所示，所述在线脉冲偏振态接收器210包括偏振分束器211、耦合器212、90°光混频器213、3个平衡光探测器214，215，216；所述偏振分束器211的输出端连接有两个所述耦合器212，所述两个耦合器212的第一输出端分别连接所述90°光混频器213的两个输入端，所述90°光混频器213的两个输出端分别连接有第一平衡光探测器214和第二平衡光探测器215，所述两个耦合器212的第二输出端连接有第三平衡光探测器216，所述两个耦合器212的第二输出端分别连接所述第三平衡光探测器216的两个输入端；所述偏振分束器211的输入端连接所述光纤环行器130的第三端，所述第一平衡光探测器214的输出端、所述第二平衡光探测器215的输出端、所述第三平衡光探测器216的输出端均连接所述数字示波器220。
实施例2
本发明实施例2所述的一种光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，包括发送模块100、接收模块200、计算模块300，
所述发送模块100包括依次连接的脉冲激光器110、偏振控制器120、光纤环行器130，所述脉冲激光器110的输出端连接所述偏振控制器120的输入端，所述偏振控制器120的输出端连接所述光纤环行器130的第一端，所述光纤环行器130的第二端连接所述待测光纤敏感环400的所述测试始端；
所述接收模块200包括在线脉冲偏振态接收器210、数字示波器220，所述在线脉冲偏振态接收器210的第一输入端连接所述光纤环行器130的第三端，所述在线脉冲偏振态接收器210的输出端连接所述数字示波器220的输入端，所述数字示波器220的输出端连接所述计算模块300；
所述待测光纤敏感环400的测试末端连接有偏振分析仪500。
如图2所示，本发明实施例1所述的脉冲激光器110包括窄带连续光激光器111、铌酸锂调制器112、可编程脉冲编码发生器113、调制器驱动器114、光纤放大器115和光滤波器116；所述窄带连续光激光器111连接所述铌酸锂调制器112的第一输入端，所述铌酸锂调制器112的输出端连接光纤放大器115的输入端，所述光纤放大器115的输出端连接所述光滤波器116的输入端，所述光滤波器116的输出端连接所述偏振控制器120；所述可编程脉冲编码发生器113的输出端连接所述调制器驱动器114的输入端，所述调制器驱动器114的输出端连接所述铌酸锂调制器112的第二输入端。
通过如图2所示的脉冲激光器110可实现连续光和脉冲光的切换。发射连续光时，连续光经偏振控制器120调制偏振态，通过光纤环130的第二端进入待测光纤敏感环400，连续光由待测光纤敏感环400的测试末端进入偏振分析仪500，通过偏振分析仪500观察经偏振控制器120调制偏振态，并利用偏振分析仪500观察待测光纤敏感环400的输出偏振态，使得经偏振控制器120调制后注入待测光纤敏感环400的输入连续光偏振态与待测光纤敏感环400的偏振本征态一致。使用脉冲激光器110发射脉冲光，脉冲光信号经调整后的偏振控制器120调制后作为测试信号由光纤环130的第二端进入待测光纤敏感环400，经待测光纤敏感环400瑞利散射后形成反射光信号，反射光信号由光纤环130的第三端进入接收模块200，进一步完成耦合特性测评。
如图4所示，本发明实施例2所述的在线脉冲偏振态接收器210包括耦合器211a、0°线检偏器212a、45°线检偏器213a、右旋圆检偏器214a、平衡光探测器215a；所述耦合器211a的三个输出端分别连接所述0°线检偏器212a、所述45°线检偏器213a和所述右旋圆检偏器214a的输入端，所述0°线检偏器212a、所述45°线检偏器213a和所述右旋圆检偏器214a的输出端分别连接有一个平衡光探测器215a，所述三个平衡光探测器215a的输出端均连接所述数字示波器220，所述耦合器211a的输入端连接所述光纤环行器130的第三端。
如图5所示，所述数字示波器220采集的偏振态Stokes矢量三个分量S1，S2和S3对应的瑞利散射光功率沿光纤敏感环的纵向分布。利用算法计算可获得沿光纤敏感环的纵向分布的完整偏振态信息。
图6是分别从光纤敏感环的正向和反向测量，通过Matlab算法计算得到的沿光纤敏感环的纵向分布的偏振模耦合曲线；可以看出这两条曲线基本一致，在光纤敏感环的A、B、C和D的位置检测出相对比较大的偏振模耦合，而在位置E的偏振模耦合很小。
图7是多次重复测量获得两个不同位置的偏振态在邦加球上的分布，其中(a)和(b)分别对应图6所示光纤敏感环位置A和E。可以看出位置A的偏振模耦合较大，导致偏振态偏离偏振主轴[1,0,0]分布；而位置B的偏振模耦合较小，其偏振态集中分布于偏振主轴[1,0,0]。
本发明实现光纤敏感环的偏振模耦合分布式测量的原理如下：
因为斯托克斯矢量S在邦加球上旋转，其矢径始终是1，因此它的变化率
与当前的斯托克斯矢量垂直，从而有
其中其方向(单位矢量
)是本地偏振主轴的方向，大小|B|是偏振态绕偏振主轴旋转的速率，即在该主轴下双折射的大小。当考虑偏振模耦合对偏振态传输的影响时，B应包含偏振模耦合系数，以下我们使用四元数的方法导出B与两个垂直偏振模的传输常数差Δβ＝β+-β_和它们的模耦合系数k之间的关系。
忽略保偏光纤损耗时，两个正交偏振态(包括线偏振保持光纤中的两个正交线偏振态，和椭圆偏振保持光纤中的两个正交椭圆偏振态)之间的耦合，理论上可写为
将公式(2)表述为琼斯矢量的形式时，为
将公式(3)表述为四元数的形式[32]，为
其中四元数
(用英文花体Edwardian Script ITC表示，下同)是琼斯矢量对应的四元数，
是琼斯矩阵
对应的四元数，由于琼斯矩阵可以分解为
其中快慢轴的平均传输常数
传输常数差Δβ＝β+-β_，可得到琼斯矩阵对应的四元数为
因此
其中，
是
的厄米转置。由于斯托克斯四元数
因此
将(7)代入(8)，可得
令斯托克斯四元数
其中s0是标量部分，S是矢量部分，代入(9)，可得
比较(11)与(1)，可得
因此，只要测得B对
两轴投影，就可以得到两个正交本征态的传输常数差Δβ和偏振模耦合系数k。
基于三点四元数的方法，只需知道某小段光纤三个相邻点的斯托克斯矢量，便可以计算出B对两轴投影，即得到该小段光纤的传输常数差Δβ和偏振模耦合系数k。另外，在本系统中从光纤始端检测到的相邻三点A、B、C的偏振态四元数
之间的旋转角度与在A点检测到的
之间的旋转角度相同，因此在邦加球上Sout(A)、Sout(B)、Sout(C)之间的变化关系与SA(A)、SA(B)、SA(C)之间的变化关系是一致的。因此，在本系统中，通过计算光纤始端获得的A、B、C三个位置对应的斯托克斯矢量Sout(A)、Sout(B)、Sout(C)，根据(12)式计算得到的偏振模耦合系数k，便可描述A,B,C相邻三点之间的偏振模耦合。
通过4000次重复实验表明，本检测方法具有很高的可重复性，测量空间分辨率达到了1米。此外，实验表明该检测方法同样可用于测量外界因素(如应力，弯曲，震动等)导致的保偏光纤偏振模耦合，实现多种参量的分布式测量。
综上所述，本发明能用于测量高质量的光纤敏感环偏振模耦合，弥补现有白光干涉技术在测量光纤敏感环偏振模耦合精度不高以及不适用于椭圆偏振态保持光纤的不足，此外，可用于测量外界因素(如应力，弯曲，震动等)导致的保偏光纤偏振模耦合，实现多种参量的分布式测量。
本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，包括发送模块(100)、接收模块(200)、计算模块(300)，其特征在于，
所述发送模块(100)包括依次连接的脉冲激光器(110)、偏振控制器(120)、光纤环行器(130)，所述脉冲激光器(110)的输出端连接所述偏振控制器(120)的输入端，所述偏振控制器(120)的输出端连接所述光纤环行器(130)的第一端，所述光纤环行器(130)的第二端连接待测光纤敏感环(400)的测试始端；所述待测光纤敏感环(400)的测试末端连接有偏振分析仪(500)；
所述脉冲激光器(110)包括窄带连续光激光器(111)、铌酸锂调制器(112)、可编程脉冲编码发生器(113)、调制器驱动器(114)、光纤放大器(115)和光滤波器(116)；所述窄带连续光激光器(111)连接所述铌酸锂调制器(112)的第一输入端，所述铌酸锂调制器(112)的输出端连接光纤放大器(115)的输入端，所述光纤放大器(115)的输出端连接所述光滤波器(116)的输入端，所述光滤波器(116)的输出端连接所述偏振控制器(120)；所述可编程脉冲编码发生器(113)的输出端连接所述调制器驱动器(114)的输入端，所述调制器驱动器(114)的输出端连接所述铌酸锂调制器(112)的第二输入端；
所述接收模块(200)包括在线脉冲偏振态接收器(210)、数字示波器(220)，所述在线脉冲偏振态接收器(210)的第一输入端连接所述光纤环行器(130)的第三端，所述在线脉冲偏振态接收器(210)的输出端连接所述数字示波器(220)的输入端，所述数字示波器(220)的输出端连接所述计算模块(300)。
2.根据权利要求1所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，其特征在于，所述在线脉冲偏振态接收器(210)包括偏振分束器(211)、耦合器(212)、90°光混频器(213)、3个平衡光探测器(214，215，216)；所述偏振分束器(211)的输出端连接有两个所述耦合器(212)，所述两个耦合器(212)的第一输出端分别连接所述90°光混频器(213)的两个输入端，所述90°光混频器(213)的两个输出端分别连接有第一平衡光探测器(214)和第二平衡光探测器(215)，所述两个耦合器(212)的第二输出端连接有第三平衡光探测器(216)，所述两个耦合器(212)的第二输出端分别连接所述第三平衡光探测器(216)的两个输入端；所述偏振分束器(211)的输入端连接所述光纤环行器(130)的第三端，所述第一平衡光探测器(214)的输出端、所述第二平衡光探测器(215)的输出端、所述第三平衡光探测器(216)的输出端均连接所述数字示波器(220)。
3.根据权利要求2所述的光纤敏感环偏振模耦合特性测评系统，其特征在于，所述在线脉冲偏振态接收器(210)包括耦合器(211a)、0°线检偏器(212a)、45°线检偏器(213a)、右旋圆检偏器(214a)、平衡光探测器(215a)；所述耦合器(211a)的三个输出端分别连接所述0°线检偏器(212a)、所述45°线检偏器(213a)和所述右旋圆检偏器(214a)的输入端，所述0°线检偏器(212a)、所述45°线检偏器(213a)和所述右旋圆检偏器(214a)的输出端分别连接有一个平衡光探测器(215a)，所述三个平衡光探测器(215a)的输出端均连接所述数字示波器(220)，所述耦合器(211a)的输入端连接所述光纤环行器(130)的第三端。
4.一种利用如权利要求1-3任一项所述的系统对光纤敏感环偏振模耦合特性进行测评的方法，其特征在于，包括如下步骤：
调整输入所述待测光纤敏感环(400)的光信号的偏振态与所述待测光纤敏感环(400)的偏振本征态一致，将与所述待测光纤敏感环(400)的偏振本征态一致的光信号作为测试光信号输入；其中，调整所述脉冲激光器(110)到连续光输出状态，经所述偏振控制器(120)调制偏振态，并利用偏振分析仪(500)观察待测光纤敏感环(400)的输出偏振态，使得经偏振控制器(120)调制后注入待测光纤敏感环(400)的输入偏振态与待测光纤敏感环(400)的偏振本征态一致；
使用脉冲激光器(110)发射脉冲光，脉冲光信号经调整后的偏振控制器(120)调制后作为测试信号由光纤环(130)的第二端进入待测光纤敏感环(400)，经待测光纤敏感环(400)瑞利散射后形成反射光信号；
通过所述在线脉冲偏振态接收器(210)和所述数字示波器(220)采集所述反射光信号沿纵向分布的完整偏振态斯托克斯矢量S；
根据所述斯托克斯矢量计算沿待测光纤敏感环(400)纵向分布的偏振模耦合系数和消光比。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的通过所述在线脉冲偏振态接收器(210)和所述数字示波器(220)采集所述反射光信号沿纵向分布的完整偏振态斯托克斯矢量包括：将所述测试光信号经所述光纤环行器(130)耦合后进入所述待测光纤敏感环(400)，经背向瑞利散射形成反射光信号，所述反射光信号返回到所述光纤环行器(130)的第二端进入到光纤环行器(130)，经所述光纤环行器(130)的第三端进入在线脉冲偏振态接收器(210)。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的根据所述斯托克斯矢量计算沿待测光纤敏感环(400)纵向分布的偏振模耦合系数和消光比包括：
根据所述完整偏振态斯托克斯矢量S，计算出斯托克斯矢量S的变化率
根据公式
计算出双折射矢量
单位矢量
表示本地偏振主轴的方向，大小|B|是偏振态绕偏振主轴旋转的速率，即在该主轴下双折射的大小；
根据公式
计算出模耦合系数k。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述待测光纤敏感环(400)上三个相邻检测点的斯托克斯矢量关系，采用三点四元数的方法计算所述双折射矢量B。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述所述双折射矢量B对邦加球上
两轴进行投影计算所述模耦合系数k。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20200121 |