CN111964663B - 一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，解决了现有对光纤环进行双向测量的方法容易引起测量误差的问题，通过光源模块产生输出光并注入到待测光纤环模块中，输出光在待测光纤环模块均分，形成正向及反向输入光，正向及反向输入光进入光纤环发生偏振模式耦合，形成正向及反向耦合光，正向输入光、正向耦合光、反向输入光及反向耦合光传输至双解调干涉模块中同时进行干涉，实现光纤环内同一几何空间点的双向同时测量；双解调干涉模块设有一个用于光程扫描补偿的共用扫描位移台，避免传统多个扫描位移台在扫描过程中由振动、温度等原因引入的测量误差，使得正反向测试结果差异小，且几乎不受外界环境的影响。

Description

一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量的技术领域，更具体地，涉及一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置及方法。

背景技术

随着计算机、微电子和光纤技术的发展和应用，光纤陀螺仪将取代激光陀螺仪、机械陀螺仪，成为新一代应用广泛的陀螺仪。光纤陀螺仪由Y波导、光纤环、光源、光电探测器组成，其中光纤环是光纤陀螺仪的重要组成部分，其绕制工艺、性能参数、稳定性、可靠性及互易性的优劣将直接影响到光纤陀螺仪的质量和性能。

由Sagnac效应可知：在光纤陀螺仪中，光束分别从正向和反向进入光纤环；当光纤陀螺仪旋转时，正向传输和反向传输的光之间将产生一个与旋转角速率相关的相移，称为非互易相移；正向传输的光和反向传输的光经过光纤环后，在Y波导处汇合发生干涉，通过光电探测器测出由旋转产生的非互易相移，实现对角度的测量。如果光纤环的互易性(对称性)较差，光纤陀螺仪的测量精度也会受到很严重的影响，因此，实现光纤环对称性的测试与评估，并由此改进绕环工艺，提高光纤环的互易性对光纤陀螺仪的研究与生产意义重大。

关于光纤环互易性的检测与评估，传统通过测量背向散射光，分析温度、应力等环境因素下光纤环的动态响应，实现对光纤环对称性的理论计算和定性分析；但是这些方法并没有直接测量光纤环的偏振特性，无法直观、准确的分析光纤环内部换层、换匝等骨架结构，也无法定量分析光纤环偏振串扰对光纤陀螺的影响。自从基于白光干涉的光学相干域偏振测量技术(OCDP)提出以来，经历了30年的发展，已经可以实现高精度、高分辨率、大动态范围的分布式偏振耦合测量。哈尔滨工程大学在2011年12月21日的中国专利中公开了一种提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置与方法(公布号：CN102288388A)，通过在OCDP系统中加入光信号可控换向机构，实现待测光纤环的双向测量，非常方便快捷，但光信号可控换向机构一次只能对一个方向进行测试，无法避免两次测量时因温度等环境参数不一致带来的影响；而且该专利所提到的可控换向机构由四个光开关组成，光开关的消光比会在环内引入四个20dB左右的一阶峰以及若干个三阶峰，在环内引入若干伪干涉峰，引起测量误差；2017年2月22日，哈尔滨工程大学公开了一种光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置(公布号：CN106441354A)，此专利利用环形器和耦合器，同时将光信号双向注入待测光纤环，采用两套解调干涉仪对信号进行调制解调，实现光纤环的双向同时测量，但正向和反向测量时，光经过的器件和光路径存在差异，尤其是双向测量时检偏器不一致，直接导致正向和反向偏振耦合测量结果的差异；2017年10月24日，哈尔滨工程大学公开了一种共光路的光纤环正反向同时测量装置(公布号：CN107289922A)，该发明利用共光路的结构，同时将光信号双向注入待测光纤环，采用一套干涉光路对信号进行解调，对解调干涉仪部分进行了改进，但是该专利的技术方案中，依然采用了检偏器，上述问题依然没有得到根本性的解决。

发明内容

为解决现有对光纤环进行双向测量的方法容易引起测量误差的问题，本发明提出一种基于偏振分束器的光纤环分布式串扰双向测量装置及方法，实现光纤环的双向同时测量，对光纤环的互易性测量、评估，甚至优化光纤环绕制工艺具有重大意义。

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，包括：光源模块、待测光纤环模块、双解调干涉模块及数据采集控制模块，所述光源模块产生输出光并注入到待测光纤环模块中，输出光在待测光纤环模块中均分后，形成正向输入光及反向输入光，正向输入光及反向输入光进入光纤环发生偏振模式耦合，形成正向耦合光及反向耦合光，正向输入光、正向耦合光、反向输入光及反向耦合光传输至双解调干涉模块中同时进行干涉解调，所述双解调干涉模块中设有用于双解调干涉光程扫描补偿的共用扫描位移台和若干个差分探测器，干涉解调后的正向输入光、正向耦合光、反向输入光及反向耦合光信号被差分探测器探测到，传输至数据采集控制模块进行分析处理。

在此，设正常待测光纤环中存在若干个偏振串扰点，输出光传输至待测光纤环，经偏振串扰点时会发生偏振模式耦合，通过双解调干涉模块对正向输入光、正向耦合光、反向输入光及反向耦合光进行干涉解调，差分探测器探测到解调后的信号是通过外部常规电路实现的差分运算，实现光纤环分布式偏振串扰的双向同时测量。

优选地，所述光源模块包括低偏宽谱SLD光源及光纤起偏器，低偏宽谱SLD光源连接光纤起偏器，所述低偏宽谱SLD光源输出低偏光，传输至光纤起偏器起偏至快轴输出，注入到待测光纤环模块中。

优选地，所述待测光纤环模块包括：保偏光纤耦合器、第一保偏光纤环行器、第二保偏光纤环形器、第一光纤偏振光束分离器及第二光纤偏振光束分离器、第一延长光纤及第二延长光纤；所述保偏光纤耦合器上设有第一尾纤、第二尾纤及第三尾纤，第一保偏光纤环行器上设有第四尾纤、第五尾纤及第六尾纤，第二保偏光纤环形器上设有第七尾纤、第八尾纤及第九尾纤，第一光纤偏振光束分离器上设有第一快轴通道尾纤、第十尾纤及第一尾纤注射端口IN1，第二光纤偏振光束分离器上设有第二快轴通道尾纤、第十一尾纤及第二尾纤注射端口IN2；

光源模块产生的输出光通过第一尾纤注入保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器将接收的输出光均分为一束正向输入光E_Fx及一束反向输入光E_Bx，正向输入光E_Fx与反向输入光E_Bx相同，第二尾纤连接第四尾纤，正向输入光E_Fx依次通过第二尾纤、第四尾纤注入第一保偏光纤环行器，经第一保偏光纤环行器的第五尾纤出射，通过第一快轴通道尾纤进入第一光纤偏振光束分离器后，从第一尾纤注射端口IN1注入待测光纤环中；第三尾纤连接第七尾纤，反向输入光E_Bx依次通过第三尾纤、第七尾纤注入第二保偏光纤环形器，经第二保偏光纤环形器的第八尾纤出射，通过第二快轴通道尾纤进入第二光纤偏振光束分离器后，从第二尾纤注射端口IN2注入待测光纤环中。

在此，第一光纤偏振光束分离器及第二光纤偏振光束分离器均为三端口的光纤器件，若从第一尾纤注射端口IN1、第二尾纤注射端口IN2注入的光经过第一光纤偏振光束分离器及第二光纤偏振光束分离器，则满足快轴方向的光从第一快轴通道尾纤、第二快轴通道尾纤输出，慢轴方向的光从第十尾纤、第十一尾纤输出；正向输入光E_Fx与反向输入光E_Bx一模一样。

优选地，所述正向输入光E_Fx在待测光纤环内发生偏振模式耦合，形成正向耦合光E_Fy；反向输入光E_Bx在待测光纤环内发生偏振模式耦合，形成反向耦合光E_By；正向输入光E_Fx与正向耦合光E_Fy从第二尾纤注射端口IN2出射，进入第二光纤偏振光束分离器中被分离，正向输入光E_Fx从第二快轴通道尾纤出射，经过第二保偏光纤环形器的第九尾纤注入双解调干涉模块，正向耦合光E_Fy从第十一尾纤出射，注入双解调干涉模块；

反向输入光E_Bx与反向耦合光E_By从第一尾纤注射端口IN1出射，进入第一光纤偏振光束分离器中被分离，反向输入光E_Bx从第一快轴通道尾纤出射，经过第一保偏光纤环形器的第六尾纤注入双解调干涉模块；反向耦合光E_By从第十尾纤出射，注入双解调干涉模块。

优选地，所述第一快轴通道尾纤的长度为l_23a，第十尾纤的长度为l_23b，第二快轴通道尾纤的长度为l_24a，第十一尾纤的长度为l_24b，第五尾纤的长度为l_22b，第六尾纤的长度为l_22c，第八尾纤的长度为l_25b，第九尾纤的长度为l_25c，第一延长光纤的长度为l₂₆，第二延长光纤的长度为l₂₇，则第一延长光纤的长度满足：

l₂₆+l_24b＝l_24a+l_25b+l_25c；

第二延长光纤的长度满足：

l₂₇+l_23b＝l_23a+l_22b+l_22c。

在此，第一延长光纤及第二延长光纤的光纤类型与各类其它尾纤的类型一致。

优选地，所述双解调干涉仪模块包括第一解调干涉仪、第二解调干涉仪及共用扫描位移台，所述共用扫描位移台包括第一光纤准直镜、扫描反射镜及第二光纤准直镜；所述第一解调干涉仪与第二解调干涉仪结构对称；

第一解调干涉仪包括第一光纤耦合器、第三光纤耦合器、第一差分探测器、第一参考臂、第一扫描臂，所述第一差分探测器包括第一光电探测器及第二光电探测器，第一光纤耦合器的一端分别连接第六尾纤及第十尾纤，另一端分别连接第一参考臂的一端及第一扫描臂的一端，所述第一参考臂的另一端及第一扫描臂的另一端连接第三光纤耦合器的一端，第三光纤耦合器的另一端分别连接第一光电探测器及第二光电探测器；所述第一扫描臂接入共用扫描位移台的一端，与第一光纤准直镜连接；

反向输入光E_Bx和反向耦合光E_By均从第一光纤耦合器入射，被第一光纤耦合器均分为两束第一反向输入光E_Bx/2及两束第一反向耦合光E_By/2，一束第一反向输入光E_Bx/2、第一反向耦合光E_By/2进入第一参考臂，另一束第一反向输入光E_Bx/2、第一反向耦合光E_By/2进入第一扫描臂，数据采集控制模块控制扫描反射镜移动，进行光程补偿，通过第一参考臂及第一扫描臂的两束第一反向输入光E_Bx/2及第一反向耦合光E_By/2在第三光纤耦合器中干涉，干涉解调后的两束第一反向输入光E_Bx/2及第一反向耦合光E_By/2信号被第一差分探测器探测到，并传输至数据采集控制模块进行分析处理。

在此，第一解调干涉仪与第二解调干涉仪的光路组成元件、光纤长度参数均尽可能的接近，数据采集控制模块通过外部电路控制扫描反射镜在滑轨上移动，实现光程扫描与匹配补偿。

优选地，第二解调干涉仪包括第二光纤耦合器、第四光纤耦合器、第二差分探测器、第二参考臂、第二扫描臂，所述第二差分探测器包括第三光电探测器及第四光电探测器，第二光纤耦合器的一端分别连接第九尾纤及第十一尾纤，另一端分别连接第二参考臂的一端及第二扫描臂的一端，所述第二参考臂的另一端及第二扫描臂的另一端连接第四光纤耦合器的一端，第四光纤耦合器的另一端分别连接第三光电探测器及第四光电探测器；所述第二扫描臂接入共用扫描位移台的一端，与第二光纤准直镜连接；

正向输入光E_Fx和正向耦合光E_Fy均从第二光纤耦合器入射，被第二光纤耦合器均分为两束第一正向输入光E_Fx/2及第一正向耦合光E_Fy/2，一束第一正向输入光E_Fx/2、第一正向耦合光E_Fy/2进入第二参考臂，另一束第一正向输入光E_Fx/2、第一正向耦合光E_Fy/2进入第二扫描臂，数据采集控制模块控制扫描反射镜移动，进行光程补偿，通过第二参考臂及第二扫描臂的两束第一正向输入光E_Fx/2、第一正向耦合光E_Fy/2在第四光纤耦合器中干涉，干涉解调后的两束第一正向输入光及第一正向耦合光信号被第二差分探测器探测到，并传输至数据采集控制模块进行分析处理。

本发明还提出一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法，所述方法基于光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置实现，至少包括：

S1.设置初始测试跳线，令初始测试跳线的接入长度为l₀；

S2.记录第一快轴通道尾纤、第十尾纤、第二快轴通道尾纤及第十一尾纤、第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2、第五尾纤、第六尾纤、第八尾纤及第九尾纤的长度，分别计算第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2的理论光程；

S3.根据步骤S2记录的长度及步骤S1初始测试跳线接入长度，分别计算第一延长光纤及第二延长光纤的长度；

S4.在第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2之间接入初始测试跳线，启动双解调干涉仪模块进行光程扫描，获得装置的初始噪声本底及偏振串扰数据，将数据结果按干涉主峰归一化处理后，记录每个干涉峰的位置和幅值，核对每个干涉峰的光程；

S5.判断第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰的光程是否与理论光程一致，若是，记录第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰光程和幅值，并将待测光纤环接入第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2，执行步骤S6；否则，结合干涉峰光程偏差，返回步骤S3，重新分别计算第一延长光纤及第二延长光纤的长度；

S6.启动双解调干涉仪模块，获取待测光纤环的双向偏振串扰数据；

S7.根据记录的第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰光程和幅值，确定待测光纤环的起点位置、终点位置及光程范围；

S8.从待测光纤环的双向偏振串扰数据中，截取光纤环的偏振串扰信息，分析光纤环的换层、换匝信息及正反向测量信息。

在此，当第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰的光程是否与理论光程一致时，记录第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰光程和幅值可用于判断待测光纤环的起点和终点位置，当第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰的光程是否与理论光程不一致时，说明从第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2输出的光在被第一光纤偏振光束分离器及第二光纤偏振光束分离器分束之后、到进入双解调干涉模块之前，快轴和慢轴传输的距离不一致，即第一延长光纤、第二延长光纤的长度不匹配，须结合干涉峰光程偏差，重新计算确定，具体干涉峰光程和幅值提取可通过现有技术实现，此处不再赘述。

优选地，步骤S2所述的第一尾纤注射端口IN1的理论光程为：

A.当输出光从第一尾纤注射端口IN1注入待测光纤环时，第一尾纤注射端口IN1的光程表示为：500×(l₀+l_IN2+l_24a+l_25b+l_25c)，第二尾纤注射端口IN2的光程表示为：500×(l_IN2+l_24a+l_25b+l_25c)；其中，l_IN2表示第二尾纤注射端口IN2的长度；l_24a表示第二快轴通道尾纤的长度；l_25b表示第八尾纤的长度，l_25c为第九尾纤的长度；

B.当输出光从第二尾纤注射端口IN2注入待测光纤环时，第一尾纤注射端口IN1的光程表示为：500×(l_IN1+l_23a+l_22b+l_22c)；第二尾纤注射端口IN2的光程表示为：第二尾纤注射端口IN2的光程表示为：500×(l₀+l_IN1+l_23a+l_22b+l_22c)；其中，l_23a表示第一快轴通道尾纤的长度，l_22b表示第五尾纤的长度，l_22c表示第六尾纤的长度。

优选地，步骤S8所述的分析光纤环的换层、换匝信息及正反向测量信息包括：光纤环换层、换匝信息的对称性；光纤环中各串扰峰的位置和幅值是否一一对应。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提出一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置及方法，光源模块产生输出光并注入到待测光纤环模块中，输出光在待测光纤环模块中均分后，形成正向输入光及反向输入光，正向输入光及反向输入光进入光纤环发生偏振模式耦合，形成正向耦合光及反向耦合光，本发明提出的装置不采用传统测试方法中的检偏器，消除了检偏器消光比引入的测量误差，降低整体光路损耗；正向输入光、正向耦合光、反向输入光及反向耦合光传输至双解调干涉模块中同时进行干涉解调，实现光纤环内同一几何空间点的正向和反向同时测量；而且，双解调干涉模块设有一个用于光程扫描补偿的共用扫描位移台，避免传统多个扫描位移台在扫描过程中由振动、温度等原因引入的测量误差，使得正反向测试结果差异小，且几乎不受外界环境的影响，所得测量结果能够客观、准确的评价光纤环的互易性。

附图说明

图1为本发明实施例中提出的光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中提出的待测器件模块实现光纤环偏振串扰双向同时测量的光路传输原理图。

图3为本发明实施例中提出的待测光纤环内光路传输的示意图。

图4为本发明实施例中提出的第一解调干涉仪的工作过程示意图。

图5为本发明实施例中提出的双解调干涉仪模块中干涉形成主峰及串扰峰的示意图；

图6为本发明实施例中提出的一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法的流程示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示的一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置结构图，包括：光源模块1、待测光纤环模块2、双解调干涉模块3及数据采集控制模块4，光源模块1产生输出光并注入到待测光纤环模块2中，输出光在待测光纤环模块2中均分后，形成正向输入光及反向输入光，正向输入光及反向输入光进入光纤环发生偏振模式耦合，形成正向耦合光及反向耦合光，正向输入光、正向耦合光、反向输入光及反向耦合光传输至双解调干涉模块3中同时进行干涉解调，双解调干涉模块3中设有用于双解调干涉光程扫描补偿的共用扫描位移台33和若干个差分探测器，干涉解调后的正向输入光、正向耦合光、反向输入光及反向耦合光信号被差分探测器探测到，然后进行差分运算，传输至数据采集控制模块4进行分析处理。

设正常待测光纤环中存在若干个偏振串扰点，输出光传输至待测光纤环，经偏振串扰点时会发生偏振模式耦合，通过双解调干涉模块对正向输入光、正向耦合光、反向输入光及反向耦合光进行干涉解调，差分探测器探测到解调后的信号是通过外部常规电路实现的差分运算，实现光纤环分布式偏振串扰的双向同时测量。

在本实施例中，光源模块1包括低偏宽谱SLD光源11及光纤起偏器12，低偏宽谱SLD光源11连接光纤起偏器12，低偏宽谱SLD光源11输出低偏光，传输至光纤起偏器12起偏至快轴输出，注入到待测光纤环模块2中。低偏宽谱SLD光源11的中心波长为1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW，光源光谱纹波<0.05dB(峰值幅度大约为-60dB)，相干峰的光程范围4～7mm；光纤起偏器12工作波长为1550nm，偏振方向为0°，消光比大于30dB，插入损耗小于4dB(含起偏损耗3dB)；

待测光纤环模块2包括：保偏光纤耦合器21、第一保偏光纤环行器22、第二保偏光纤环形器25、第一光纤偏振光束分离器23及第二光纤偏振光束分离器24、第一延长光纤26及第二延长光纤27；保偏光纤耦合器21上设有第一尾纤21a、第二尾纤21b及第三尾纤21c，第一保偏光纤环行器22上设有第四尾纤22a、第五尾纤22b及第六尾纤22c，第二保偏光纤环形器25上设有第七尾纤25a、第八尾纤25b及第九尾纤25c，第一光纤偏振光束分离器23上设有第一快轴通道尾纤23a、第十尾纤23b及第一尾纤注射端口IN1，第二光纤偏振光束分离器24上设有第二快轴通道尾纤24a、第十一尾纤24b及第二尾纤注射端口IN2；

在本实施例中，保偏光纤耦合器21工作波长为1550nm，插入损耗小于1dB，消光比大于25dB，分光比50:50，回波损耗大于55dB；第一保偏光纤环行器22、第二保偏光纤环形器25均为三端口环行器，三端口均为保偏光纤输入/输出，其光传输方向为第四尾纤22a→第五尾纤22b、第五尾纤22b→第六尾纤22c、第七尾纤25a→第八尾纤25b、第八尾纤25b→第九尾纤25c，工作波长为1550nm，单端口插入损耗小于1dB，消光比大于22dB，回波损耗大于50dB，所使用的第一保偏光纤环行器22、第二保偏光纤环形器25性能接近；

第一光纤偏振光束分离器23及第二光纤偏振光束分离器24工作波长为1550nm，插入损耗小于0.6dB，消光比大于22dB，回波损耗大于50dB；

参见图2，光源模块1产生的输出光通过第一尾纤21a注入保偏光纤耦合器21，保偏光纤耦合器21将接收的输出光均分为一束正向输入光E_Fx及一束反向输入光E_Bx，正向输入光E_Fx与反向输入光E_Bx相同，第二尾纤21b连接第四尾纤22a，正向输入光E_Fx依次通过第二尾纤21b、第四尾纤22a注入第一保偏光纤环行器22，经第一保偏光纤环行器22的第五尾纤22b出射，通过第一快轴通道尾纤23a进入第一光纤偏振光束分离器23后，从第一尾纤注射端口IN1注入待测光纤环中；第三尾纤21c连接第七尾纤25a，反向输入光E_Bx依次通过第三尾纤21c、第七尾纤25a注入第二保偏光纤环形器25，经第二保偏光纤环形器25的第八尾纤25b出射，通过第二快轴通道尾纤24a进入第二光纤偏振光束分离器24后，从第二尾纤注射端口IN2注入待测光纤环中。

所述正向输入光E_Fx在待测光纤环内发生偏振模式耦合，形成正向耦合光E_Fy；反向输入光E_Bx在待测光纤环内发生偏振模式耦合，形成反向耦合光E_By；参见图3，正向输入光E_Fx与正向耦合光E_Fy从第二尾纤注射端口IN2出射，进入第二光纤偏振光束分离器24中被分离，正向输入光E_Fx从第二快轴通道尾纤24a出射，经过第二保偏光纤环形器25的第九尾纤25c注入双解调干涉模块3，正向耦合光E_Fy从第十一尾纤24b出射，注入双解调干涉模块3；反向输入光E_Bx与反向耦合光E_By从第一尾纤注射端口IN1出射，进入第一光纤偏振光束分离器23中被分离，反向输入光E_Bx从第一快轴通道尾纤23a出射，经过第一保偏光纤环形器22的第六尾纤22c注入双解调干涉模块3；反向耦合光E_By从第十尾纤23b出射，注入双解调干涉模块3。

假设光纤环中有N个偏振串扰点，以正向传输为例，仅考虑一阶耦合，忽略二阶及高阶耦合，能量为P_x0的光束从快轴注入待测光纤环，快轴传输的光经过偏振串扰点时，发生偏模式振耦合；若用耦合系数ρ₁、ρ₂、ρ₃…ρ_N来描述偏振串扰，那么经过第一个串扰点后的传输光可以表示为

耦合光可以表示为

以此类推第二个、第三个…第N个串扰点，从光纤环出射的光可以表示为：

从光纤环出射的光经由第一光纤偏振光束分离器23、第一光纤偏振光束分离器24和第一保偏光纤环行器22、第二保偏光纤环行器25，将传输光P_Fx和耦合光P_Fy1,P_Fy2,P_Fy3...P_FyN分离后一同注入双解调干涉模块3。由于保偏光纤存在较大的线性双折射，快轴光和慢轴光的传输速度不同，在到达干涉仪时传输光P_Fx和耦合光P_Fy1,P_Fy2,P_Fy3...P_FyN的光程各不相同，传输光P_Fx一直在快轴传输，光程最短；耦合光P_Fy1,P_Fy2,P_Fy3...P_FyN的光程与对应耦合点在环内的位置有关。因此，在本实施例中，第一快轴通道尾纤23a的长度为l_23a，第十尾纤23b的长度为l_23b，第二快轴通道尾纤24a的长度为l_24a，第十一尾纤24b的长度为l_24b，第五尾纤22b的长度为l_22b，第六尾纤22c的长度为l_22c，第八尾纤25b的长度为l_25b，第九尾纤25c的长度为l_25c，第一延长光纤26的长度为l₂₆，第二延长光纤27的长度为l₂₇，则第一延长光纤26的长度满足：

l₂₆+l_24b＝l_24a+l_25b+l_25c；

第二延长光纤27的长度满足：

l₂₇+l_23b＝l_23a+l_22b+l_22c。

参见图1，双解调干涉仪模块3包括第一解调干涉仪、第二解调干涉仪及共用扫描位移台33，共用扫描位移台33包括第一光纤准直镜33a、扫描反射镜33b及第二光纤准直镜33c；所述第一解调干涉仪与第二解调干涉仪结构对称；在本实施例中，第一光纤准直镜33a及第二光纤准直镜33c的工作波长为1550nm，平均插入损耗为2.0dB，损耗波动±0.2dB以内；延迟线33的扫描反射镜33b反射率为92％以上，光程扫描范围在0～400mm之间变化(扫描范围依据待测光纤环的长度而定)；

第一解调干涉仪包括第一光纤耦合器31、第三光纤耦合器34、第一差分探测器、第一参考臂、第一扫描臂，所述第一差分探测器包括第一光电探测器36及第二光电探测器37，第一光纤耦合器31的一端分别连接第六尾纤22c及第十尾纤23b，另一端分别连接第一参考臂的一端及第一扫描臂的一端，所述第一参考臂的另一端及第一扫描臂的另一端连接第三光纤耦合器34的一端，第三光纤耦合器34的另一端分别连接第一光电探测器36及第二光电探测器37；所述第一扫描臂接入共用扫描位移台33的一端，与第一光纤准直镜33a连接；

如图4所示，反向输入光E_Bx和反向耦合光E_By均从第一光纤耦合器31入射，被第一光纤耦合器31均分为两束第一反向输入光E_Bx/2及两束第一反向耦合光E_By/2，一束第一反向输入光E_Bx/2、第一反向耦合光E_By/2进入第一参考臂，另一束第一反向输入光E_Bx/2、第一反向耦合光E_By/2进入第一扫描臂，数据采集控制模块4控制扫描反射镜33b移动，进行光程补偿，通过第一参考臂及第一扫描臂的两束第一反向输入光E_Bx/2及第一反向耦合光E_By/2在第三光纤耦合器34中干涉，干涉解调后的两束第一反向输入光E_Bx/2及第一反向耦合光E_By/2信号被第一差分探测器探测到，并传输至数据采集控制模块4进行分析处理。

第二解调干涉仪包括第二光纤耦合器32、第四光纤耦合器35、第二差分探测器、第二参考臂、第二扫描臂，所述第二差分探测器包括第三光电探测器38及第四光电探测器39，第二光纤耦合器32的一端分别连接第九尾纤25c及第十一尾纤24b，另一端分别连接第二参考臂的一端及第二扫描臂的一端，所述第二参考臂的另一端及第二扫描臂的另一端连接第四光纤耦合器35的一端，第四光纤耦合器35的另一端分别连接第三光电探测器38及第四光电探测器39；所述第二扫描臂接入共用扫描位移台33的一端，与第二光纤准直镜33c连接；

正向输入光E_Fx和正向耦合光E_Fy均从第二光纤耦合器32入射，被第二光纤耦合器32均分为两束第一正向输入光E_Fx/2及第一正向耦合光E_Fy/2，一束第一正向输入光E_Fx/2、第一正向耦合光E_Fy/2进入第二参考臂，另一束第一正向输入光E_Fx/2、第一正向耦合光E_Fy/2进入第二扫描臂，数据采集控制模块4控制扫描反射镜33b移动，进行光程补偿，通过第二参考臂及第二扫描臂的两束第一正向输入光E_Fx/2、第一正向耦合光E_Fy/2在第四光纤耦合器35中干涉，干涉解调后的两束第一正向输入光及第一正向耦合光信号被第二差分探测器探测到，并传输至数据采集控制模块4进行分析处理。

第一解调干涉仪与第二解调干涉仪的光路组成元件、光纤长度参数均尽可能的接近，数据采集控制模块4通过外部电路控制扫描反射镜33b在滑轨上移动，实现光程扫描与匹配补偿，第一光纤耦合器31、第二光纤耦合器32、第三光纤耦合器34及第四光纤耦合器35四个耦合器的参数要求相同，工作波长为1550nm，分光比50:50，回波损耗大于55dB；第一光电探测器36、第二光电探测器37、第三光电探测器38及第四光电探测器39的光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100～1700nm，响应度大于0.85。

传输光和耦合光进入第一解调干涉仪及第二解调干涉后，被第一光纤耦合器31、第二光纤耦合器32均匀的分为两份，进入第一解调干涉仪的第一参考臂、第一扫描臂及第二解调干涉仪的第二参考臂、第二扫描臂，通过第一扫描臂及第二扫描臂接入的共用扫描位移台33实现光程的补偿。参见图1，若共用扫描位移台33中的扫描反射镜33b从下向上扫描，那么对于下方的第二解调干涉仪来说，下臂的光程保持不变，而上臂的光程在扫描过程中是逐渐由小变大的，此时两臂的光程差也是由小变大。对于上方的解调干涉仪来说，上臂的光程保持不变，下臂的光程在扫描过程中是逐渐由大变小的，此时两臂的光程差是从大变小的。假设光纤环正向信号由下方的第二解调干涉仪进行解调，反向信号由上方的第一解调干涉仪进行解调；共用扫描位移台33开始扫描时，下方的第二解调干涉仪两臂光程差从小到大输出光纤环的正向信息；上方的第二解调干涉仪两臂光程差从大到小输出光纤环的反向信息，也就是从光纤环反向测量的终点(正向测量的起点)开始输出信号。这样上方和下方的两个解调干涉仪实际上是同时测量待测光纤环中同一空间位置的偏振串扰信息。

具体以图5为例，图5中参考臂指第一参考臂或第二参考臂中的一个，扫描臂指第一扫描臂或第二扫描臂中的一个，当两臂光程差为-H时，参考臂的传输光61和扫描臂的耦合光64干涉形成串扰峰65；当两臂光程相等时，参考臂的传输光61和扫描臂的传输光63、参考臂的耦合光62和扫描臂的耦合光64干涉形成主峰66；当两臂光程差为+H时，参考臂的耦合光62和扫描臂的传输光63干涉形成串扰峰67；-H处的串扰峰65和+H处的串扰峰67是位置对称、幅值相等的，若对各串扰峰按主峰66高度进行归一化处理，归一化后的串扰峰高度即代表对应串扰点的耦合系数；依据干涉主峰对各串扰峰进行归一化处理，即可得到环内每个串扰点的偏振耦合强度及其在环内的位置。

本发明还提出一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法，所述方法基于光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置实现，流程图如图6所示，包括：

S1.设置初始测试跳线，令初始测试跳线的接入长度为l₀；

S2.记录第一快轴通道尾纤23a、第十尾纤23b、第二快轴通道尾纤24a及第十一尾纤24b、第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2、第五尾纤22b、第六尾纤22c、第八尾纤25b及第九尾纤25c的长度，分别计算第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2的理论光程；

在本实施例中，光纤的双折射为5×10^-4，步骤S2所述的第一尾纤注射端口IN1的理论光程为：

A.当输出光从第一尾纤注射端口IN1注入待测光纤环时，第一尾纤注射端口IN1的光程表示为：500×(l₀+l_IN2+l_24a+l_25b+l_25c)，第二尾纤注射端口IN2的光程表示为：500×(l_IN2+l_24a+l_25b+l_25c)；其中，l_IN2表示第二尾纤注射端口IN2的长度；l_24a表示第二快轴通道尾纤(24a)的长度；l_25b表示第八尾纤(25b)的长度，l_25c为第九尾纤(25c)的长度；

B.当输出光从第二尾纤注射端口IN2注入待测光纤环时，第一尾纤注射端口IN1的光程表示为：500×(l_IN1+l_23a+l_22b+l_22c)；第二尾纤注射端口IN2的光程表示为：第二尾纤注射端口IN2的光程表示为：500×(l₀+l_IN1+l_23a+l_22b+l_22c)；其中，l_23a表示第一快轴通道尾纤23a的长度，l_22b表示第五尾纤22b的长度，l_22c表示第六尾纤22c的长度；

S3.根据步骤S2记录的长度及步骤S1初始测试跳线接入长度，分别计算第一延长光纤26及第二延长光纤27的长度；在本实施例中，测量装置的光纤连接点均为0°-0°熔接；

S4.在第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2之间接入初始测试跳线，启动双解调干涉仪模块3进行光程扫描，获得装置的初始噪声本底及偏振串扰数据，将数据结果按干涉主峰归一化处理后，记录每个干涉峰的位置和幅值，核对每个干涉峰的光程；此处具体过程属于常规手段，不再赘述；

S5.判断第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰的光程是否与理论光程一致，若是，记录第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰光程和幅值，并将待测光纤环接入第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2，执行步骤S6；否则，结合干涉峰光程偏差，返回步骤S3，重新分别计算第一延长光纤26及第二延长光纤27的长度；

S6.启动双解调干涉仪模块3，获取待测光纤环的双向偏振串扰数据；此时第一解调干涉仪与第二解调干涉仪分别输出正向测量信号和反向测量信号，实际操作是，信号归一化处理后被存储起来；

S7.根据记录的第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰光程和幅值，确定待测光纤环的起点位置、终点位置及光程范围；

S8.从待测光纤环的双向偏振串扰数据中，截取光纤环的偏振串扰信息，分析光纤环的换层、换匝信息及正反向测量信息，实际分析光纤环的换层、换匝信息及正反向测量信息的操作基于扫描光程换算为光纤环的实际长度进行；步骤S8所述的分析光纤环的换层、换匝信息及正反向测量信息包括：光纤环换层、换匝信息的对称性；光纤环中各串扰峰的位置和幅值是否一一对应；

光纤环换层、换匝信息的对称性分析通过算法分别将光纤环数据按环中点对称处理实现；光纤环中各串扰峰的位置和幅值是否一一对应通过反向测量数据前后颠倒，与正向测量结果相对比，分析正反向测量结果中偏振串扰信息是否吻合。

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，包括：光源模块(1)、待测光纤环模块(2)、双解调干涉模块(3)及数据采集控制模块(4)，所述光源模块(1)产生输出光并注入到待测光纤环模块(2)中；

所述待测光纤环模块(2)包括：保偏光纤耦合器(21)、第一保偏光纤环行器(22)、第二保偏光纤环形器(25)、第一光纤偏振光束分离器(23)及第二光纤偏振光束分离器(24)、第一延长光纤(26)及第二延长光纤(27)；所述保偏光纤耦合器(21)上设有第一尾纤(21a)、第二尾纤(21b)及第三尾纤(21c)，第一保偏光纤环行器(22)上设有第四尾纤(22a)、第五尾纤(22b)及第六尾纤(22c)，第二保偏光纤环形器(25)上设有第七尾纤(25a)、第八尾纤(25b)及第九尾纤(25c)，第一光纤偏振光束分离器(23)上设有第一快轴通道尾纤(23a)、第十尾纤(23b)及第一尾纤注射端口IN1，第二光纤偏振光束分离器(24)上设有第二快轴通道尾纤(24a)、第十一尾纤(24b)及第二尾纤注射端口IN2；

输出光在待测光纤环模块(2)中均分后，形成正向输入光及反向输入光，正向输入光及反向输入光进入光纤环发生偏振模式耦合，形成正向耦合光及反向耦合光，正向输入光、正向耦合光、反向输入光及反向耦合光传输至双解调干涉模块(3)中同时进行干涉解调，所述双解调干涉模块(3)中设有用于双解调干涉光程扫描补偿的共用扫描位移台(33)和若干个差分探测器，干涉解调后的正向输入光、正向耦合光、反向输入光及反向耦合光信号被差分探测器探测到，传输至数据采集控制模块(4)进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，所述光源模块(1)包括低偏宽谱SLD光源(11)及光纤起偏器(12)，低偏宽谱SLD光源(11)连接光纤起偏器(12)，所述低偏宽谱SLD光源(11)输出低偏光，传输至光纤起偏器(12)起偏至快轴输出，注入到待测光纤环模块(2)中。

3.根据权利要求2所述的光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，

光源模块(1)产生的输出光通过第一尾纤(21a)注入保偏光纤耦合器(21)，保偏光纤耦合器(21)将接收的输出光均分为一束正向输入光E_Fx及一束反向输入光E_Bx，正向输入光E_Fx与反向输入光E_Bx相同，第二尾纤(21b)连接第四尾纤(22a)，正向输入光E_Fx依次通过第二尾纤(21b)、第四尾纤(22a)注入第一保偏光纤环行器(22)，经第一保偏光纤环行器(22)的第五尾纤(22b)出射，通过第一快轴通道尾纤(23a)进入第一光纤偏振光束分离器(23)后，从第一尾纤注射端口IN1注入待测光纤环中；第三尾纤(21c)连接第七尾纤(25a)，反向输入光E_Bx依次通过第三尾纤(21c)、第七尾纤(25a)注入第二保偏光纤环形器(25)，经第二保偏光纤环形器(25)的第八尾纤(25b)出射，通过第二快轴通道尾纤(24a)进入第二光纤偏振光束分离器(24)后，从第二尾纤注射端口IN2注入待测光纤环中。

4.根据权利要求3所述的光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，所述正向输入光E_Fx在待测光纤环内发生偏振模式耦合，形成正向耦合光E_Fy；反向输入光E_Bx在待测光纤环内发生偏振模式耦合，形成反向耦合光E_By；正向输入光E_Fx与正向耦合光E_Fy从第二尾纤注射端口IN2出射，进入第二光纤偏振光束分离器(24)中被分离，正向输入光E_Fx从第二快轴通道尾纤(24a)出射，经过第二保偏光纤环形器(25)的第九尾纤(25c)注入双解调干涉模块(3)，正向耦合光E_Fy从第十一尾纤(24b)出射，注入双解调干涉模块(3)；

反向输入光E_Bx与反向耦合光E_By从第一尾纤注射端口IN1出射，进入第一光纤偏振光束分离器(23)中被分离，反向输入光E_Bx从第一快轴通道尾纤(23a)出射，经过第一保偏光纤环行 器(22)的第六尾纤(22c)注入双解调干涉模块(3)；反向耦合光E_By从第十尾纤(23b)出射，注入双解调干涉模块(3)。

5.根据权利要求3所述的光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，所述第一快轴通道尾纤(23a)的长度为l_23a，第十尾纤(23b)的长度为l_23b，第二快轴通道尾纤(24a)的长度为l_24a，第十一尾纤(24b)的长度为l_24b，第五尾纤(22b)的长度为l_22b，第六尾纤(22c)的长度为l_22c，第八尾纤(25b)的长度为l_25b，第九尾纤(25c)的长度为l_25c，第一延长光纤(26)的长度为l₂₆，第二延长光纤(27)的长度为l₂₇，则第一延长光纤(26)的长度满足：

l₂₆+l_24b＝l_24a+l_25b+l_25c；

第二延长光纤(27)的长度满足：

l₂₇+l_23b＝l_23a+l_22b+l_22c。

6.根据权利要求4所述的光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，所述双解调干涉模块(3)包括第一解调干涉仪、第二解调干涉仪及共用扫描位移台(33)，所述共用扫描位移台(33)包括第一光纤准直镜(33a)、扫描反射镜(33b)及第二光纤准直镜(33c)；所述第一解调干涉仪与第二解调干涉仪结构对称；

第一解调干涉仪包括第一光纤耦合器(31)、第三光纤耦合器(34)、第一差分探测器、第一参考臂、第一扫描臂，所述第一差分探测器包括第一光电探测器(36)及第二光电探测器(37)，第一光纤耦合器(31)的一端分别连接第六尾纤(22c)及第十尾纤(23b)，另一端分别连接第一参考臂的一端及第一扫描臂的一端，所述第一参考臂的另一端及第一扫描臂的另一端连接第三光纤耦合器(34)的一端，第三光纤耦合器(34)的另一端分别连接第一光电探测器(36)及第二光电探测器(37)；所述第一扫描臂接入共用扫描位移台(33)的一端，与第一光纤准直镜(33a)连接；

反向输入光E_Bx和反向耦合光E_By均从第一光纤耦合器(31)入射，被第一光纤耦合器(31)均分为两束第一反向输入光E_Bx/2及两束第一反向耦合光E_By/2，一束第一反向输入光E_Bx/2、第一反向耦合光E_By/2进入第一参考臂，另一束第一反向输入光E_Bx/2、第一反向耦合光E_By/2进入第一扫描臂，数据采集控制模块(4)控制扫描反射镜(33b)移动，进行光程补偿，通过第一参考臂及第一扫描臂的两束第一反向输入光E_Bx/2及第一反向耦合光E_By/2在第三光纤耦合器(34)中干涉，干涉解调后的两束第一反向输入光E_Bx/2及第一反向耦合光E_By/2信号被第一差分探测器探测到，并传输至数据采集控制模块(4)进行分析处理。

7.根据权利要求6所述的光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置，其特征在于，第二解调干涉仪包括第二光纤耦合器(32)、第四光纤耦合器(35)、第二差分探测器、第二参考臂、第二扫描臂，所述第二差分探测器包括第三光电探测器(38)及第四光电探测器(39)，第二光纤耦合器(32)的一端分别连接第九尾纤(25c)及第十一尾纤(24b)，另一端分别连接第二参考臂的一端及第二扫描臂的一端，所述第二参考臂的另一端及第二扫描臂的另一端连接第四光纤耦合器(35)的一端，第四光纤耦合器(35)的另一端分别连接第三光电探测器(38)及第四光电探测器(39)；所述第二扫描臂接入共用扫描位移台(33)的一端，与第二光纤准直镜(33c)连接；

正向输入光E_Fx和正向耦合光E_Fy均从第二光纤耦合器(32)入射，被第二光纤耦合器(32)均分为两束第一正向输入光E_Fx/2及第一正向耦合光E_Fy/2，一束第一正向输入光E_Fx/2、第一正向耦合光E_Fy/2进入第二参考臂，另一束第一正向输入光E_Fx/2、第一正向耦合光E_Fy/2进入第二扫描臂，数据采集控制模块(4)控制扫描反射镜(33b)移动，进行光程补偿，通过第二参考臂及第二扫描臂的两束第一正向输入光E_Fx/2、第一正向耦合光E_Fy/2在第四光纤耦合器(35)中干涉，干涉解调后的两束第一正向输入光及第一正向耦合光信号被第二差分探测器探测到，并传输至数据采集控制模块(4)进行分析处理。

8.一种光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法，所述方法基于权利要求5所述的光纤环分布式偏振串扰双向同时测量装置实现，其特征在于，至少包括：

S1.设置初始测试跳线，令初始测试跳线的接入长度为l₀；

S2.记录第一快轴通道尾纤(23a)、第十尾纤(23b)、第二快轴通道尾纤(24a)及第十一尾纤(24b)、第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2、第五尾纤(22b)、第六尾纤(22c)、第八尾纤(25b)及第九尾纤(25c)的长度，分别计算第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2的理论光程；

S3.根据步骤S2记录的长度及步骤S1初始测试跳线接入长度，分别计算第一延长光纤(26)及第二延长光纤(27)的长度；

S4.在第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2之间接入初始测试跳线，启动双解调干涉仪模块(3)进行光程扫描，获得装置的初始噪声本底及偏振串扰数据，将数据结果按干涉主峰归一化处理后，记录每个干涉峰的位置和幅值，核对每个干涉峰的光程；

S5.判断第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰的光程是否与理论光程一致，若是，记录第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰光程和幅值，并将待测光纤环接入第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2，执行步骤S6；否则，结合干涉峰光程偏差，返回步骤S3，重新分别计算第一延长光纤(26)及第二延长光纤(27)的长度；

S6.启动双解调干涉仪模块(3)，获取待测光纤环的双向偏振串扰数据；

S7.根据记录的第一尾纤注射端口IN1及第二尾纤注射端口IN2对应的干涉峰光程和幅值，确定待测光纤环的起点位置、终点位置及光程范围；

S8.从待测光纤环的双向偏振串扰数据中，截取光纤环的偏振串扰信息，分析光纤环的换层、换匝信息及正反向测量信息。

9.根据权利要求8所述的光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法，其特征在于，步骤S2所述的第一尾纤注射端口IN1的理论光程为：

A.当输出光从第一尾纤注射端口IN1注入待测光纤环时，第一尾纤注射端口IN1的光程表示为：500×(l₀+l_IN2+l_24a+l_25b+l_25c)，第二尾纤注射端口IN2的光程表示为：500×(l_IN2+l_24a+l_25b+l_25c)；其中，l_IN2表示第二尾纤注射端口IN2的长度；l_24a表示第二快轴通道尾纤(24a)的长度；l_25b表示第八尾纤(25b)的长度，l_25c为第九尾纤(25c)的长度；

B.当输出光从第二尾纤注射端口IN2注入待测光纤环时，第一尾纤注射端口IN1的光程表示为：500×(l_IN1+l_23a+l_22b+l_22c)；第二尾纤注射端口IN2的光程表示为：第二尾纤注射端口IN2的光程表示为：500×(l₀+l_IN1+l_23a+l_22b+l_22c)；其中，l_23a表示第一快轴通道尾纤(23a)的长度，l_22b表示第五尾纤(22b)的长度，l_22c表示第六尾纤(22c)的长度。

10.根据权利要求9所述的光纤环分布式偏振串扰双向同时测量方法，其特征在于，步骤S6所述的分析光纤环的换层、换匝信息及正反向测量信息包括：光纤环换层、换匝信息的对称性；光纤环中各串扰峰的位置和幅值是否一一对应。

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