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基于馬赫-曾德爾原理光纖傳感器偏振態(tài)的研究
發(fā)布時間：2017-09-01
引 言
隨著油氣管道、水利電力的地下管道以及各種市政工程和工業(yè)管網(wǎng)的不斷擴建，由于舊管道因腐蝕或其他原因的損壞，爆裂、泄漏事故日益增多，這不僅造成了經(jīng)濟上的巨大損失，污染了環(huán)境，還給人民的日常生活帶來了極大的不便。利用分布式光纖傳感系統(tǒng)進行油氣管道的檢測，具有測量準(zhǔn)確度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離分布式傳感且有體積小、易于安裝埋設(shè)等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。
基于馬赫-曾德爾原理的光纖傳感器以光的干涉為基礎(chǔ)，光的干涉需要參與干涉的光的偏振方向一致。筆者選用單模光纖作為光的傳輸介質(zhì)，從偏振的角度看，理想情況下，單模光纖中可以傳輸兩個相互垂直的模式，它們具有相同的傳播常數(shù)，彼此簡并，可以看成一個單一的偏振電矢量。但是實際的光纖多
少會有一些不完善，例如纖芯的橢圓度、內(nèi)部殘余應(yīng)力以及光纖在成纜、施工過程中會受到一些隨機外力和強磁場強電場甚至溫度的變化，這些都會引起單模光纖的雙折射，導(dǎo)致偏振態(tài)不穩(wěn)定，從而使用于檢測觀察的干涉條紋可見度下降，即所謂的“偏振誘導(dǎo)信號衰落”。尤其是在文中研究的長距離分布式光纖檢測系統(tǒng)中，光纖本身及外部條件所引起的偏振態(tài)不穩(wěn)定度更大，因此需要深入研究該傳感系統(tǒng)的偏振態(tài)，并尋找解決的方案。
1 馬赫-曾德爾光纖干涉儀的基本原理
馬赫-曾德爾光纖干涉儀的基本原理如圖1 所示[1]，其中包括1 個DFB 激光器，2 個光電探測器D1 和D2，4 個分光比為1:1 的耦合器C1、C2、C3、C4。
C2 和C3 之間的兩條光纖分別為檢測信號的信號臂和參考臂。由Laser 發(fā)射的激光器經(jīng)C1 分光，一束光在經(jīng)C2 分光后分別經(jīng)信號臂和參考臂，通過C3 的耦合，由傳輸光纖經(jīng)C4 耦合至D2 探測器內(nèi)，同理另一束光由D1 探測。當(dāng)有擾動等外部事件作用于光纖傳感器時，通過信號臂和參考臂的光波相位將發(fā)生改變，因此探測到的干涉條紋也將會有所變化。在文中研究的分布式光纖傳感系統(tǒng)中，各個部件如耦合器、單模光纖等都有不同程度的自身缺陷。尤其是單模光纖，如前所述，其光的偏振穩(wěn)定度與光纖的制造、鋪設(shè)以及周圍的環(huán)境有極大的關(guān)系。比如，在外界有電場的情況下，由于克爾效應(yīng)，單模光纖將產(chǎn)生線偏振光;在外界有強磁場的情況下，又由于法拉第效應(yīng)，產(chǎn)生圓偏振光[2]。而光纜鋪設(shè)于地下，這些外界因素都是不可預(yù)知的。將光纖上所有的雙折射集中表示于一塊雙折射元件M 上，因而將具有各種不確定因素的單模光纖還原成理想光纖[3]。光波的偏振方向及光路如圖 所示。
激光器輸入功率為i P ，經(jīng)C1 分光后變?yōu)?i P 和2 i P 。D1 和D2 所探測到的功率分別為耦合器C2 和C4 輸出的O1 P 和O2 P 。
對于等價雙折射元件M，設(shè)其延遲角為ξ ，旋轉(zhuǎn)角為θ ，沿o 光和e 光光軸的場傳輸系數(shù)為o T 和e T ，則M 的瓊斯矩陣為[4]：
當(dāng)光波在光纖內(nèi)反向傳輸經(jīng)過M 時，其變換矩陣變?yōu)镸T 。當(dāng)光在傳感光纖中沿反向Z 方向傳輸時，考慮到半波損失，傳輸?shù)沫偹咕仃嚤硎緸椋?/p>
而在不考慮傳輸損耗的情況下，根據(jù)耦合波分光原則，可得4 個分光比均為1:1 的耦合器的瓊斯矩陣為：
式中： D J 、W J 分別為直接耦合與跨接耦合時的瓊斯矩陣。
當(dāng)有挖掘、破裂等外部擾動等事件作用于光纖傳感器時，例如，S 點時，信號臂和參考臂的振動狀況不一致，兩臂的信號相位差表示為φ (t,Z) 。綜上，傳感器的兩個輸出功率為：
2 光纖傳感器功率輸出的仿真計算
在基于馬赫-曾德爾原理的光纖傳感器中，偏振誘導(dǎo)信號衰落的影響表現(xiàn)為：在兩束干涉光之間的相位差保持不變的前提下，如果傳輸光的偏振態(tài)發(fā)生變化，輸出的干涉信號強度也會發(fā)生變化，即系統(tǒng)的功率輸出發(fā)生了變化。因此，要分析傳感系統(tǒng)由于雙折射引起的信號衰落問題，可以分析系統(tǒng)在輸入光的不同偏振態(tài)和等價雙折射元件下的功率輸出的變化情況。
當(dāng)外部沒有擾動，即φ (t,Z) =0時，若激光器注入的光波偏折角一定，系統(tǒng)的輸出功率會隨雙折射元件M 的旋轉(zhuǎn)角和相位延遲而變化。所以，當(dāng)系統(tǒng)光路確定時，可以把其等效雙折射元件的參數(shù)設(shè)置為固定值[5]。設(shè)輸入的線偏振光為：
當(dāng)有外部擾動等外部作用，即φ (t,Z) ≠ 0時，此時設(shè)定M 的延遲角為ξ 和旋轉(zhuǎn)角為θ 均為π/ 4，分別利用公式(8)、公式(9)對輸入光波不同偏振態(tài)下的輸出功率進行Matlab 仿真，從而得到圖3 和圖4。其中，φ (t,Z) 從?2π→2π 變化，3 條曲線分別對應(yīng)輸入光波的3 個偏振態(tài)0, π /8, π / 4 。
從圖中可以看出，當(dāng)有外部擾動時，入射光3種偏振態(tài)所對應(yīng)的曲線，周期相同，但振幅不等。也就是說在相同的相位差情況下，如果輸入線偏振光的偏振態(tài)在光纖雙折射影響下發(fā)生變化，則輸出的光功率也會發(fā)生變化。因此，實際應(yīng)用時需要采取措施減少這種影響。當(dāng)偏振態(tài)為π / 4時，功率輸出的變化最大，此現(xiàn)象就是由光纖雙折射引起的偏振信號衰落。
3 減少光纖傳感器的偏振衰落的方法
為獲得良好的解調(diào)信號，必須減少偏振衰落問題。目前，大量學(xué)者研究了在干涉儀中加入輸入光偏振態(tài)反饋控制系統(tǒng)，取得了良好的效果。偏振態(tài)反饋控制方案是在基于馬赫-曾德爾原理的光纖傳感器的參考臂上接入一具有調(diào)控能力的動態(tài)偏振控制器，通過從傳感器輸出端獲得反饋控制信號，控制該偏振控制器的工作狀態(tài)，使得光纖傳感器中光波的偏振與干涉儀的本征矢量夾角保持為0°或180°，即傳輸?shù)墓獠ㄆ駪B(tài)能夠跟蹤干涉儀本征矢量的變化，從而使傳感器輸出干涉條紋可見度保持為最大。
如圖5 所示，改進后的光纖傳感器系統(tǒng)[6]加入了偏振控制器PSC (polarization state controller)、可見度監(jiān)測器VMD (visibility monitor device)、反饋控制系統(tǒng)FCS (feedback control system)。偏振控制器在反饋控制信號的作用下，控制傳感器中傳輸?shù)墓獠ㄆ駪B(tài)，跟蹤傳感器本征矢量變化，使光波偏振態(tài)與傳感器的本征矢量夾角保持為0°或180°。光纖傳感器輸出端的探測器和可見度監(jiān)測器用于監(jiān)測條紋可見度的變化，并把變化量送入反饋控制系統(tǒng);反饋控制系統(tǒng)根據(jù)可見度的變化量獲得控制信號，并將控制信號送入偏振控制器，控制其工作狀態(tài)，實現(xiàn)對光波偏振態(tài)的控制。
4 結(jié) 論
通過對基于馬赫-曾德爾原理的光纖傳感器偏振態(tài)的理論分析及仿真，討論了偏振光干涉中的光纖雙折射引起的偏振信號衰落的問題。研究結(jié)果說明，由于長距離傳感光纖本身的雙折射影響以及外界作用引起的相位變化和光纖偏振態(tài)不穩(wěn)定時，當(dāng)入射光偏振態(tài)改變，系統(tǒng)的輸出功率將有較大波動，從而引起干涉信號發(fā)生變化，即所謂的偏振信號衰落。為了減少偏振衰落，加入動態(tài)的偏振反饋系統(tǒng)，根據(jù)探測器的輸出效果，動態(tài)調(diào)節(jié)光偏振態(tài)，可以得到比較好的干涉效果，提高了系統(tǒng)的抗偏振衰落能力。不斷完善的分布式光纖傳感系統(tǒng)將在市政、工業(yè)及各種油氣管道的實時監(jiān)測中發(fā)揮更加深刻而廣泛的作用。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
