阅读说明：本技术 一种单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制装置及方法 (A kind of single shaft Sagnac interferometer phase bias controller and method ) 是由 胡肖潇 姚飞 鞠涛 蒋灵芝 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制装置及方法,该装置包括光脉冲发射机、光脉冲接收机、单轴Sagnac光纤干涉仪、传感光缆、光反射器和偏振控制器；光脉冲发射机、偏振控制器、单轴Sagnac光纤干涉仪、传感光缆、和光反射器依次连接,单轴Sagnac光纤干涉仪还连接光脉冲接收机；光脉冲发射机用于产生脉冲光信号,偏振控制器用于改变输入的光信号的偏振态,传感光缆用于传感振动信号,光反射器用于反射光信号,单轴Sagnac光纤干涉仪用于使传感光缆中散射和反射回来的信号产生干涉,光脉冲接收机用于将接收到的脉冲光信号转换为电信号。本发明能够使单轴Sagnac干涉仪的相位偏置于期望值附近,从而获得较好的小信号响应灵敏度。(It includes optical pulse transmitter, light pulse receiver, single shaft Sagnac fibre optic interferometer, sensing optic cable, reflective optical system and Polarization Controller that the present invention, which discloses a kind of single shaft Sagnac interferometer phase bias controller and method, the device,；Optical pulse transmitter, Polarization Controller, single shaft Sagnac fibre optic interferometer, sensing optic cable and reflective optical system are sequentially connected, and uniaxial Sagnac fibre optic interferometer is also connected with light pulse receiver；Optical pulse transmitter is for generating pulsed optical signals, Polarization Controller for changing the optical signal of input polarization state, sensing optic cable is used for sense vibration signal, reflective optical system is used for reflected light signal, for making scattering and reflected signal in sensing optic cable generate interference, light pulse receiver is used to the pulsed optical signals received being converted to electric signal uniaxial Sagnac fibre optic interferometer.The present invention can make the phase bias of uniaxial Sagnac interferometer near desired value, to obtain preferable small-signal response sensitivity.)

一种单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制装置及方法。

背景技术

在采用光纤分布式传感来探测光缆振动时，常采用单轴Sagnac光纤干涉仪(也被称为非平衡马赫-曾德尔干涉仪)结构。最简单的单轴Sagnac光纤干涉仪结构是由一组光分路器和一段光纤时延线构成。通常，该组光分路器可以是1个均匀分光比的2x2光分路器和1个均匀分光比的1x2光分路器组合，也可以是1个均匀分光比的3x3光分路器和1个均匀分光比的1x2光分路器组合。如果采用2x2光分路器和1x2光分路器组合，单轴Sagnac光纤干涉仪的理论静态相位为π或0；如果采用3x3光分路器和1x2光分路器组合，单轴Sagnac光纤干涉仪的理论静态相位为2π/3或4π/3。除此之外，由于光分路器的附加相位还会受温度等诸多外界因素影响，单轴Sagnac光纤干涉仪的静态相位是处于不断变化的状态中的，对于两束相干光，其干涉信号幅度与相位关系为余弦函数，如果静态相位是处于为π或0附近，在小信号情况下的响应会很差。因此为了在小信号情况下能够获得较好的信号响应灵敏度，理想的静态相位应该偏置在π/2处。当前，解决单轴Sagnac光纤干涉仪的静态相位问题的方法主要是采用相位调制方式，需要使用到相位调制器，其体积大、成本高，方案较为复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制装置及方法，能够使单轴Sagnac干涉仪的相位偏置于期望值附近，从而获得较好的小信号响应灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制装置，包括光脉冲发射机、光脉冲接收机、单轴Sagnac光纤干涉仪、传感光缆、光反射器和偏振控制器；

所述光脉冲发射机、偏振控制器、单轴Sagnac光纤干涉仪、传感光缆、和光反射器依次连接，所述单轴Sagnac光纤干涉仪还连接所述光脉冲接收机；

所述光脉冲发射机用于产生脉冲光信号，所述偏振控制器用于改变输入的光信号的偏振态，所述传感光缆用于传感振动信号，所述光反射器用于反射光信号，所述单轴Sagnac光纤干涉仪用于使所述传感光缆中散射和反射回来的信号产生干涉，所述光脉冲接收机用于将接收到的脉冲光信号转换为电信号。

可选的，所述单轴Sagnac光纤干涉仪包括2x2光分路器、1x2光分路器和光纤时延线。

可选的，所述单轴Sagnac光纤干涉仪包括3x3光分路器、1x2光分路器和光纤时延线。

可选的，所述光脉冲发射机发出的是单偏振、周期性光脉冲信号，采用的光源类型为F-PLD或SLD，工作波长范围为1230nm～1650nm。

可选的，所述传感光缆为单模光纤。

可选的，所述光脉冲发射机发射的光脉冲信号的周期取值范围为1×10²μs～2×10³μs。

可选的，所述光脉冲周期值大于(L1+L2)/50，其中，L1为传感光缆的长度，L2为光纤时延线的长度。

可选的，所述光反射器的发射率大于-25dB。

一种单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制方法，应用于所述的单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制，包括：

将光脉冲发射机发射的单偏振光脉冲信号输入单轴Sagnac光纤干涉仪；

获取所述光反射器反射回来的光脉冲信号幅度值；

根据所述信号幅度值计算所述单轴Sagnac光纤干涉仪的第一相位偏置；

判断所述第一相位偏置是否超出第一设定范围；

若否，则所述单轴Sagnac光纤干涉仪的相位偏置进入锁定状态；

若是，则利用偏振控制器使所述单偏振光脉冲信号的偏振角朝正方向改变1个步进角，得到第二相位偏置；

判断第二相位偏置与第一设定范围的距离是否小于第一相位偏置与第一设定范围的距离；

若是，则继续使所述单偏振光脉冲信号的偏振角朝正方向改变，跳转至步骤获取所述光反射器反射回来的光脉冲信号幅度值，直至得到的相位偏置进入所述第一设定范围内；

若否，则利用偏振控制器使所述单偏振光脉冲信号的偏振角朝负方向改变1个步进角，跳转至步骤获取所述光反射器反射回来的光脉冲信号幅度值，直至得到的相位偏置进入所述第一设定范围内。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过偏振控制器改变输入到单轴Sagnac干涉仪的光信号的偏振态，使单轴Sagnac干涉仪的相位偏置于所期望的值附近，从而获得较好的小信号响应灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为现有单轴Sagnac光纤干涉仪的光缆振动传感结构示意图；

图2为本发明单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制装置结构示意图；

图3为本发明单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制装置及方法，能够使单轴Sagnac干涉仪的相位偏置于期望值附近，从而获得较好的小信号响应灵敏度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的原理是：

通常单轴Sagnac光纤干涉仪由1个均匀分光比的2x2光分路器、1个均匀分光比的1x2光分路器和一根光纤时延线组成，或者是1个均匀分光比的3x3光分路器、1个均匀分光比的1x2光分路器和一根光纤时延线组成。2x2(或者3x3)光分路器的A侧两个端口分别接光发射机和光接收机；2x2(或者3x3)光分路器的B侧1个端口接光纤时延线，然后再接至1x2光分路器A侧的1个端口；2x2(或者3x3)光分路器的B侧1个端口通过光纤短线(短光纤)接至1x2光分路器A侧的1个端口；1x2光分路器B侧端口接传感光缆。

工作时，光发射机发射的光信号进入单轴Sagnac光纤干涉仪后再进入传感光缆，并被传感光缆末端的光反射器反射回来；传感光缆中的后向散射信号和反射信号进入单轴Sagnac光纤干涉仪再进入光接收机。单轴Sagnac光纤干涉仪用于使传感光缆中的后向散射信号和反射信号经过光纤干涉仪后发生干涉。

本发明的装置与传统使用单轴Sagnac光纤干涉仪的系统差别在于：光发射机的输出光信号为单偏振态的脉冲光信号，并且在光发射机和单轴Sagnac光纤干涉仪之间增加一个偏振控制器。

具体方法是：首先是采用周期性单偏振的脉冲光信号作为单轴Sagnac光纤干涉仪的输入信号；在光接收机处，对传感光缆末端的光反射器反射回来的三个光脉冲进行接收、放大、取样和数字处理，并根据这三个光脉冲的信号幅度值计算单轴Sagnac光纤干涉仪的相位偏置状态；然后利用单轴Sagnac光纤干涉仪结构中的光分路器的附加相位与输入光信号的偏振态有关系这一特性，通过偏振控制器控制输入光信号的偏振态，使单轴Sagnac光纤干涉仪的静态相位始终偏置于所期望的值(如π/2)附近。

本发明的优点是：采用较简单的控制方法和低成本的装置，就可以使单轴Sagnac光纤干涉仪的相位偏置位于所希望的值附近，以获得较好的光缆振动探测灵敏度。

图1中所示的是当前的单轴Sagnac光纤干涉仪的光缆振动传感结构示意图。该单轴Sagnac光纤干涉仪包括1个均匀分光比的2x2光分路器、1个均匀分光比的1x2光分路器和光纤时延线，其中，光发射机和光接收机可以是脉冲的，也可以是连续的。

图2中所示的是本发明单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制装置结构示意图，如图2所示，一种单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制装置包含1个光脉冲发射机、1个光脉冲接收机、1个单轴Sagnac光纤干涉仪、传感光缆、1个光反射器和1个偏振控制器。

光脉冲发射机发出的是单偏振、周期性光脉冲信号，光脉冲信号先经过偏振控制器，然后再经过单轴Sagnac光纤干涉仪进入传感光缆，传感光缆末端接一个光反射器，光反射器产生的反射信号返回到单轴Sagnac光纤干涉仪后进入光脉冲接收机，然后被光脉冲接收机放大、数/模转换、数字信号处理。

在上述光信号行进过程中，根据所经历的路径不同，光脉冲信号分为四路：

第1路，光发射机—偏振控制器—2x2光分路器—光纤时延线—1x2光分路器—被测光纤—光反射器—被测光纤—1x2光分路器—光纤时延线—2x2光分路器—光接收机；第2路，光发射机—偏振控制器—2x2光分路器—光纤时延线—1x2光分路器—被测光纤—光反射器—被测光纤—1x2光分路器—光纤短连接线—2x2光分路器—光接收机；第3路，光发射机—偏振控制器—2x2光分路器—光纤短连接线—1x2光分路器—被测光纤—光反射器—被测光纤—1x2光分路器—光纤时延线—2x2光分路器—光接收机；第4路，光发射机—偏振控制器—2x2光分路器—光纤短连接线—1x2光分路器—被测光纤—光反射器—被测光纤—1x2光分路器—光纤短连接线—2x2光分路器—光接收机。

其中第2和第3路信号所走路程相同，但方向不同，这两路信号的光程差小于光信号的相干长度，在单轴Sagnac光纤干涉仪输出处产生干涉，该路干涉信号可以用于探测光缆振动；第1和第4路信号所走路程不相同，一路光信号经过两次光纤时延线，另而一路光信号则没有经过光纤时延线。

当光纤末端所接的光反射器将脉冲光信号反射回来后，由于单轴Sagnac光纤干涉仪中有一段固定长度的光纤时延线，一旦光纤线路中的某一点存在菲涅耳反射，从光发射机出发，由于走第4路径的光信号所经过的路程最短，第一个到达光接收机，走第1路径的光信号所经过的路程最长，最后一个到达光接收机，走第2、3路径的光信号所经过的路程长度介于上述两个路程之长度中，第二个到达光接收机，所以光脉冲接收机接收到三个反射信号光脉冲。

如果光纤时延线的长度足够长，传感光缆末端所接的光反射器反射的信号回到光脉冲接收机时不发生重叠，在光脉冲接收机中获得三个脉冲信号，按接收的时间顺序定义为：第一个脉冲信号、第二个脉冲信号和第三个脉冲信号。在接收到的这三个反射信号光脉冲中，第一个光脉冲所走的路径没有经过光纤时延线，路径最短，最先到达；第三个光脉冲所走的路径经过两次光纤时延线，路径最长，最后到达；第二个光脉冲所走的路径只经过一次光纤时延线，第二个光脉冲是两路路径相同、方向相反的光脉冲信号相干涉后得到的，含有光缆振动信息。

在光脉冲接收机接收的信号中，如果第一个脉冲信号的幅度为A1，第二个脉冲信号的幅度为A2，第三个脉冲信号的幅度为A3，它们有下列关系：

A2＝A1+A3+2×(A1×A3)0.5×COS(θ)

其中θ为两路路径相同、方向相反的光脉冲信号的相位差。

通过A1、A2、A3，可得到θ的大小，也就是说，可以通过测量三个脉冲信号的幅度来计算单轴Sagnac光纤干涉仪的静态相位。

在本发明的进行单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制的光缆振动传感结构中，由于第二个光脉冲含有光缆振动信息，对其取样后得到的幅度值A2所形成的数据可以用来表征传感光缆所受的振动。

无论单轴Sagnac光纤干涉仪中用的是2x2光分路器还是3x3光分路器，其产生的附加相位与输入的光偏振态关系很大，光接收机根据这一特性计算得到单轴Sagnac光纤干涉仪的静态相位值，然后调整偏振控制器，使得单轴Sagnac光纤干涉仪的静态相位值达到预期的值，完成单轴Sagnac光纤干涉仪的相位偏置控制功能。

图3为本发明单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制方法流程图，如图3所示，一种单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制方法，应用于所述的单轴Sagnac干涉仪相位偏置控制，包括：

步骤301：将光脉冲发射机发射的单偏振光脉冲信号输入单轴Sagnac光纤干涉仪；

步骤302：获取所述光反射器反射回来的光脉冲信号幅度值；

步骤303：根据所述信号幅度值计算所述单轴Sagnac光纤干涉仪的第一相位偏置；

步骤304：判断所述第一相位偏置是否超出第一设定范围；

步骤305：若否，则所述单轴Sagnac光纤干涉仪的相位偏置进入锁定状态；

步骤306：若是，则利用偏振控制器使所述单偏振光脉冲信号的偏振角朝正方向改变1个步进角，得到第二相位偏置；

步骤307：判断第二相位偏置与第一设定范围的距离是否小于第一相位偏置与第一设定范围的距离；

步骤308：若是，则继续使所述单偏振光脉冲信号的偏振角朝正方向改变，跳转至步骤302获取所述光反射器反射回来的光脉冲信号幅度值，直至得到的相位偏置进入所述第一设定范围内；

步骤309：若否，则利用偏振控制器使所述单偏振光脉冲信号的偏振角朝负方向改变1个步进角，跳转至步骤302获取所述光反射器反射回来的光脉冲信号幅度值，直至得到的相位偏置进入所述第一设定范围内。

具体步骤是：

光脉冲发射机发射单偏振光脉冲信号作为单轴Sagnac光纤干涉仪的输入信号；

在光脉冲接收机处，对传感光缆末端反射器反射回来的三个光脉冲进行接收、放大、取样和数字处理，得到这三个光脉冲的信号幅度值，分别记为A1、A2、A3；

根据关系式A2＝A1+A3+2×(A1×A3)0.5×COS(θ)，θ为两路路径相同、方向相反的光脉冲信号的相位，即单轴Sagnac光纤干涉仪的相位，记为单轴Sagnac光纤干涉仪的第一相位偏置；

如果单轴Sagnac光纤干涉仪的第一相位偏置超出设定的范围(θ₀–a)～(θ₀+a)，定义单轴Sagnac光纤干涉仪的相位偏置处于非锁定状态；在Sagnac光纤干涉仪的第一相位偏置处于非锁定状态下，利用偏振控制器使光信号的偏振角朝某一方向(如正方向)改变1个步进角，跳转至步骤“根据关系式A2＝A1+A3+2×(A1×A3)0.5×COS(θ)，计算单轴Sagnac光纤干涉仪的相位θ”，得到单轴Sagnac光纤干涉仪的第二相位偏置；然后比较单轴Sagnac光纤干涉仪的第二相位偏置的改变方向；如果单轴Sagnac光纤干涉仪的第二相位偏置的改变是朝设定的偏置值θ₀靠近，继续利用偏振控制器使光信号的偏振角朝上述方向改变，并跳转至步骤“根据关系式A2＝A1+A3+2×(A1×A3)0.5×COS(θ)，计算单轴Sagnac光纤干涉仪的相位θ”，直至得到的相位偏置进入设定的范围(θ₀–b)～(θ₀+b)之内；如果单轴Sagnac光纤干涉仪的第二相位偏置的改变是偏离设定的偏置值θ₀，则利用偏振控制器使光信号的偏振角朝上述某一方向的相反方向(如负方向)改变1个步进角，并跳转至步骤“根据关系式A2＝A1+A3+2×(A1×A3)0.5×COS(θ)，计算单轴Sagnac光纤干涉仪的相位θ”，直至得到的相位偏置进入设定的范围(θ₀–b)～(θ₀+b)之内；一旦得到的相位偏置进入设定的范围(θ₀–b)～(θ₀+b)内，则停止改变光信号的偏振角，单轴Sagnac光纤干涉仪的相位偏置进入锁定状态；其中，π/3>a>b>π/30。

本发明的装置所使用的工作参数：

所述的光脉冲发射机所采用的光源类型为F-PLD或SLD，工作波长范围为1230nm～1650nm。

传感光缆采用通信用单模光纤。

发射的光脉冲周期T的取值范围为1×10²μs～2×10³μs，光脉冲周期取值需要考虑到传感光缆的长度L1和光纤时延线的长度L2，光脉冲周期值T大于(L1+L2)/50，L1、L2的单位为m，T的单位为μs。

光脉冲宽度t的取值范围为50ns～20000ns，光脉冲宽度t的取值需要考虑到光纤时延线的长度L2，使得光脉冲接收机在接收传感光缆末端所接光反射器反射回来的三个脉冲时，在时间上能够完全区分开这三个脉冲，光脉冲宽度t的取值小于L2/5，L2的单位为m，t的单位为ns。

光反射器的发射率大于-25dB。

本发明还公开了以下技术效果：

本发明通过偏振控制器改变输入到单轴Sagnac干涉仪的光信号的偏振态，使单轴Sagnac干涉仪的相位偏置于所期望的值附近，从而获得较好的小信号响应灵敏度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。