白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制装置及抑制方法

1.一种基于白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制装置的抑制方法，所述白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制装置包括宽谱光源(1)、光隔离器(2)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(8)、偏振态连续旋转机构(4)、光程延迟线(5)、传感器阵列(9)、光电探测器(11)和计算机(12)，由宽谱光源(1)发出宽谱光经光隔离器(2)后由第一光纤耦合器(3)分光后，其中一路先经过偏振态连续旋转机构(4)后再经过延迟线(5)与另外一路利用第二光纤耦合器(8)合光后进入由光纤传感器(91～95)组成的光纤传感阵列(9)，然后经各光纤传感器端面返回再次经过第二光纤耦合器(8)分光，再经第一光纤耦合器(3)合光后由光电探测器(11)接收，无偏振衰落影响的干涉数据经计算机(12)计算后输出，其特征是：由宽谱光源(1)发出宽谱光，经过由第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(8)、偏振态连续旋转机构(4)和光程延迟线(5)组成的Mach-Zehnder型解调干涉仪，然后进入传感器阵列(9)，后经传感器阵列中各个传感器反射端面反射进入光电探测器，由计算机(12)进行干涉信号的数据采集并进行数据计算后输出，偏振态连续旋转机构(4)实现对入射光偏振态0～360°的连续旋转和高速调整；所述偏振态连续旋转机构(4)实现对入射光偏振态0～360°的连续旋转和高速调整是指：控制偏振态连续旋转机构(4)连续、高速旋转，使偏振态旋转角度θ经历从0≤θ＜
360°不断变化，光电探测器(11)获得传输光偏振态为任意 时的干涉信号 的幅度从最大到最小呈现周期性的变化，任意取旋转角度相差180°的两点，有 作为传感器的输出信号、其幅值与入射偏振态 无关，A为偏振衰落发生时干涉信号幅度。

白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制装置及抑制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及的是一种白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制装置。本发明也涉及一种白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制方法。具体涉及到抑制白光干涉测量技术中由于构成光纤传感阵列的光纤的旋转以及挤压，引起偏振态退化所导致的偏振衰落对干涉信号产生的影响的装置与方法。\n背景技术\n[0002] 光纤白光干涉传感技术是一种基于白光干涉原理的传感测量方法，它除了具有抗干扰能力强、可进行绝对物理量测量的优点外，还具有不受电磁场影响等优点。但在应用过程中发现采用低偏振度的低相干光进行干涉的白光干涉传感技术同样存在偏振衰落问题。\n由于构成干涉仪以及传感阵列主体的光纤存在双折射现象，因此参与干涉的两路光，其中一路的传导光纤受到外界因素的影响产生形变引起偏振态变化而导致偏振态衰落现象产生，例如构成传感器的光纤前后端面反射的两路干涉光，由于光纤产生旋转以及被挤压，引起通过传感光纤的一路光产生了偏振态退化，最终导致偏振衰落现象的发生。白光干涉测量主要关注干涉峰两个维度的数据：其一是产生干涉峰的等光程点的位置；其二是在该等光程点产生干涉的强度。偏振衰落现象的存在恰恰对干涉峰的强度产生波动影响，这种影响甚至会使干涉峰淹没在噪声中。因此偏振衰落问题是制约白光干涉测量精度和实用化的重要问题。\n[0003] 目前在干涉测量中抑制偏振衰落主要有以下几种方法：1、全保偏光路法，该方法即通过采用全保偏光路来实现抗偏振衰落现象，但其缺点是损耗大偏振难以保持，且不适合远程光纤传感系统。2、被动法拉第旋镜（FRM）消偏法，其实现方法为在Michelson干涉仪的两臂各焊接一个旋转角度为45°的反射式FRM，使干涉仪两臂中反射回的两束干涉光的偏振态相对于入射光向同一个方向旋转90°,得以保持两束光在输出端具有相同的偏振态，从而实现稳定的干涉，起到抗偏振衰落的效果。该方法是目前比较有效的一种抗偏振衰落的方法，但其应用会增加传感器的复杂度，而且只能用于迈克尔逊干涉仪。3、主动法拉第旋镜消偏法，由KazumasaTakada在1999年提出，其方法是通过起偏器将干涉光的一路起偏后经过一只可调的FRM将光的偏振态分别调整为0°和90°，将这两种状态下的干涉光加和处理，即得到抗偏振衰落的干涉信号。该方法需要在非保偏光路中加入偏振器件，增加了光路的复杂度。另外，在2002年11月5日由TohruMori和KazumasaTakada等公布的美国专利“Polarization-independent reflectometry and polarization-independent reflectometer”中提到的抑制偏振衰落方法即属于主动法拉第旋镜消偏法，其偏振衰落抑制装置中使用了起偏器，并没有完全消除掉光路中的偏振器件。4、偏振分集接收法，基本思想是利用两个或两个以上成一定夹角的检偏器在接收端对信号进行检测，通过若干成角度的检测信号提取出无偏振衰落的干涉信号。该方法抗偏振衰落是有效的，但其装置较复杂。\n[0004] 近年来还有其他一些抗偏振衰落方法的公开报道：2009年3月18日由赵瑞峰等人公开的“偏振衰落和相位衰落可控的迈克尔逊光纤传感器”专利文件，其实现方案是在传感光路中串接两只偏振调制器来实现偏振衰落抑制，同时光路中采用双光源的方案，系统引入额外器件较多且相对复杂，增加成本投入。2009年2月13日由王春华等人公开的“抗偏振衰落及相位噪声的全光纤Mach-Zehnder干涉仪”专利文件，其中实现方案是通过桥接级联光纤环链，实现光分量的空间路径分解，干涉检测结果是无数对相位差相同、光强相同、偏振态随机分布的微小想干光对的干涉结果的统计平均，该方案对光源功率利用率较低，光能损耗较大，同时会给级联的光纤传感阵列的解调带来不必要的杂散干涉峰。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的在于提供一种用于抑制构成光纤传感阵列的光纤的旋转以及挤压，引起偏振态退化所导致的偏振衰落对干涉信号产生的衰落影响的白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制装置。本发明的目的还在于提供一种白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制方法。\n[0006] 本发明的白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制装置包括宽谱光源1、光隔离器2、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器8、偏振态连续旋转机构4、光程延迟线5、传感器阵列9、光电探测器11和计算机12，由宽谱光源1发出宽谱光经光隔离器2后由第一光纤耦合器3分光后，其中一路先经过偏振态调整装置4后再经过延迟线5与另外一路利用第二光纤耦合器8合光后进入由光纤传感器91～95组成的光纤传感阵列9，然后经各光纤传感器端面返回再次经过第二光纤耦合器8分光，再经第一光纤耦合器3合光后由光电探测器11接收，无偏振衰落影响的干涉数据经计算机12计算后输出。\n[0007] 本发明的白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制装置还可以包括：\n[0008] 1、所述偏振态连续旋转机构4可以是如下结构之一：\n[0009] （1）包括半波片13、第一带尾纤的自聚焦透镜14和第二带尾纤的自聚焦透镜15，半波片13置于第一带尾纤的自聚焦透镜14和第二带尾纤的自聚焦透镜15之间，第一带尾纤的自聚焦透镜14和第二带尾纤的自聚焦透镜15相对放置并且在同一轴线上，利用传动装置带动波片13进行高速连续旋转，入射光从第一带尾纤的自聚焦透镜14出射，经过高速连续旋转的波片13后注入第二带尾纤的自聚焦透镜15后重新回到光纤中，实现对入射光偏振态0～360°的连续旋转和高速调整。\n[0010] （2）由通过第一光纤挤压装置16、第二光纤挤压装置17、第三光纤挤压装置18分别挤压与光纤轴向呈0°、45°和0°的光纤径向分布的三点，实现对入射光偏振态0～360°的连续旋转和高速调整。\n[0011] 2、传感器阵列9是由第一光纤传感器至第五光纤传感器91、92、93、94、95串接组成的Fizeau型传感器阵列。\n[0012] 基于本发明的白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制装置的抑制方法为：\n[0013] 由宽谱光源1发出宽谱光，经过由第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器8、偏振态连续旋转机构4和光程延迟线5组成的Mach-Zehnder型解调干涉仪10，然后进入传感器阵列9，后经传感器阵列中各个传感器反射端面反射进入光电探测器，由计算机12进行干涉信号的数据采集并进行数据计算后输出，偏振态连续旋转机构4实现对入射光偏振态0～360°的连续旋转和高速调整。\n[0014] 所述偏振态连续旋转机构4实现对入射光偏振态0～360°的连续旋转和高速调整是指：控制偏振态连续旋转机构4连续、高速旋转，使偏振态旋转角度θ经历从0≤θ＜360°不断变化，光电探测器11获得传输光偏振态为任意 时的干涉信号 的幅度从最大到最小呈现周期性的变化，任意取旋转角度相差180°的两点，有 作为传感器的输出信号，其幅值与入射偏振态 无关。\n[0015] 本发明中的连接光纤都为单模普通光纤。解调干涉仪中涉及光纤耦合器为平衡式\n3dB光纤耦合器。\n[0016] 本发明中的计算方法基于如下理论：\n[0017] 干涉信号幅度与偏振态旋转角度直接的关系为I=A[1+cos(θ+φ0)]，式中：A为偏振衰落发生时，干涉信号幅度，θ为偏振态旋转角度，φ0为两束干涉光初始的偏振态夹角角度。利用偏振态连续旋转机构使一路干涉光偏振态发生0～360°周期性旋转，此时干涉信号呈现周期性的变化，在0≤θ＜2π时，间隔取两点，相位相差π，则有\n[0018]\n[0019] 化简可得：\n[0020]\n[0021] 因此可知：\n[0022]\n[0023] 与现有技术相比，本发明的优点在于：\n[0024] （1）由于偏振态连续旋转机构可以串接在解调干涉仪的任意一臂，因此本发明可用于诸如Michelson、Mach-Zehnder等任意形式干涉仪的传感光路。不用在光路中串接任何偏振元件即可实现抗偏振衰落，提高了光源的利用率；同时不必对光纤传感器进行特殊处理，不增加光纤传感器的复杂度，并且不影响传感器的级联拓展，因此不影响准分布测量的应用。\n[0025] （2）本发明计算方法的优点是不需要关心偏振态变化引起干涉信号浮动的极值点（最大点），不需要关心传输光的绝对偏振态角度，只需通过偏振态连续旋转机构获得相位相差π的偏振态下的两组干涉信号即可，因此简化了评价和判断的过程。\n附图说明\n[0026] 图1是白光干涉传感阵列的抗偏振衰落装置与方法实施光路；\n[0027] 图2是通过旋转波片实现偏振态连续旋转机构示意图；\n[0028] 图3是通过挤压光纤实现偏振态连续旋转机构示意图；\n[0029] 图4是抗偏振衰落计算方法流程图。\n[0030] 图5是通过旋转波片调整入射光偏振态所得干涉峰强度变化曲线\n[0031] 图6是通过等效抗偏振衰落计算后的干涉峰强度变化曲线。\n具体实施方式\n[0032] 为清楚的说明本发明的白光干涉传感阵列的偏振衰落抑制装置与方法，下面结合附图对本发明做详细阐述：\n[0033] 实施例1\n[0034] 如图1所示，白光干涉传感阵列的抗偏振衰落装置由宽谱光源1、光隔离器2、3dB光纤耦合器3、8、偏振态调整装置4、光纤延迟线5、光纤传感器阵列9、光电转换器11组成。由宽谱光源1发出宽谱光经光隔离器2后由3dB光纤耦合器3分光后，其中一路先经过偏振态调整装置4后在经过延迟线5与另外一路利用3dB光纤耦合器8合光后进入由光纤传感器91～95组成的光纤传感阵列9，然后经各传感器端面返回再次经过3dB光纤耦合器8分光，在经3dB光纤耦合器3合光后由光电探测器11接收，无偏振衰落影响的干涉数据经计算机12计算后输出。\n[0035] 偏振态连续旋转机构如图2所示，由半波片构成，实现对入射光偏振态0～360°的旋转；将半波片13置于带尾纤的自聚焦透镜14和15之间，自聚焦透镜14和15相对放置并且在同一轴线上，利用传动装置带动波片13进行高速连续旋转，入射光从自聚焦透镜14出射，经过高速连续旋转的波片13后注入自聚焦透镜15后重新回到光纤中，此时的入射光已经被高速连续旋转的波片进行了0～360°的周期性旋转。\n[0036] 偏振衰落抑制计算方法如图4所示，控制偏振态连续旋转机构4连续、高速旋转，使偏振态旋转角度θ经历从0≤θ＜360°不断变化，光电探测器（11）获得传输光偏振态为任意时的干涉信号 的幅度从最大到最小呈现周期性的变化，任意取旋转角度相差180°的两点，有 作为传感器的输出信号，其幅值基本上与入射偏振态 无关。\n[0037] 图5所示为波片旋转一周所得一个传感器的干涉峰值变化曲线图，由于偏振态影响波动范围为0.08V，偏振态相差180°在此可以等效为波片转过45°因此将该数据在X轴平移45度后与原数据进行相加并除以2，所得数据如图6所示，波动范围减小为0.03V，因此可以看出利用该发明装置及方法可以减小并消除偏振衰落对干涉峰的影响。\n[0038] 实施例2\n[0039] 如图1所示，白光干涉传感阵列的抗偏振衰落装置由宽谱光源1、光隔离器2、3dB光纤耦合器3、8、偏振态调整装置4、光纤延迟线5、光纤传感器阵列9、光电转换器11组成。其中偏振态调整装置4如图3所示，由被挤压的光纤构成，实现对入射光偏振态0～360°的旋转；\n通过光纤挤压装置16、17、18分别挤压与光纤轴向呈0°、45°和0°的光纤径向分布的三点进行偏振态的0～360°旋转，将光纤19置于支架20底部，依次将光纤压板21、PZT22、PZT压板23叠放在光纤19上，利用锁紧螺丝24将整个装置锁紧固定，通过向电极25输入连续交变的电压信号驱动PZT22，PZT22伸缩挤压光纤，通过对光纤挤压装置16、17、18进行协调控制实现对入射光偏振态0～360°的周期性旋转。\n[0040] 偏振衰落抑制计算方法如图4所示，控制偏振态连续旋转机构4对光纤进行挤压，使传输光偏振态旋转角度θ经历从0°≤θ＜360°不断变化，光电探测器11获得传输光偏振态为任意 时的干涉信号 的幅度从最大到最小呈现周期性的变化，任意取旋转角度相差\n180°的两点，有 作为传感器的输出信号，其幅值基本上与入射偏振态\n无关。