專(zhuān)利名稱(chēng)：偏振衰落和相位衰落可控的邁克爾遜光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，尤其適合于長(zhǎng)距離、惡劣環(huán)境下精確的光纖傳
感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
邁克爾遜光纖干涉儀被廣泛應(yīng)用于光纖傳感技術(shù)，邁克爾遜光纖干涉儀具 有兩個(gè)光路千涉臂和參考臂。光源發(fā)出的相干光經(jīng)3dB耦合器變?yōu)楣β氏嗟?的兩束相干光并分別進(jìn)入兩個(gè)臂在光纖中向前傳播，兩束相干光分別經(jīng)另一端
的反射鏡反射后沿原光路返回，在3dB耦合器中發(fā)生相干后輸出。由于邁克爾 遜光纖干涉儀的兩個(gè)臂之間存在一定的長(zhǎng)度差，使得兩個(gè)臂中的相干光存在一 定的相位差，在兩路相干光的偏振態(tài)不發(fā)生變化的情況下，輸出光功率與波長(zhǎng) 存在下列關(guān)系
Cf (l + cos(4"《)
其中P。表示干涉儀輸入光功率，w表示所使用的單模光纖的有效折射率，AL表 示兩個(gè)干涉臂之間的光纖長(zhǎng)度差，義表示激光的波長(zhǎng)。對(duì)于某一波長(zhǎng)的相干光， 輸出光功率會(huì)隨著長(zhǎng)度差的變化而變化，因此對(duì)邁克爾遜光纖干涉儀其中一個(gè) 臂的擾動(dòng)，會(huì)改變兩束相干光的相位差，從而可以改變輸出光功率，通過(guò)對(duì)輸 出光功率的監(jiān)測(cè)，可以知道邁克爾遜光纖千涉儀周?chē)h(huán)境的變化，這就是邁克 爾遜光纖傳感器的基本原理。
然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于邁克爾遜光纖傳感器對(duì)周?chē)h(huán)境具有極高的敏感 性，非常微小的溫度變化或振動(dòng)等外界因素，都會(huì)對(duì)兩個(gè)干涉臂之間光纖的長(zhǎng) 度差產(chǎn)生影響，從而改變光功率的輸出，產(chǎn)生相位衰落，并且這種相位衰落的 影響會(huì)隨著傳感器光纖長(zhǎng)度的增大而增大。在長(zhǎng)距離的邁克爾遜光纖傳感器中，
存在另外一個(gè)限制傳感器應(yīng)用的因素——偏振衰落。在環(huán)境復(fù)雜的光路系統(tǒng)中 外界應(yīng)力將不可避免的使光纖發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，這將會(huì)引起光纖中激光偏振態(tài) 的變化，另外光纖周?chē)鷾囟鹊拳h(huán)境因素的分布不均勻也會(huì)引起光纖中光波偏振 態(tài)的變化。
抵抗這兩種衰落的傳統(tǒng)方式是通過(guò)引入偏振控制器或相位控制器來(lái)手動(dòng)調(diào) 整這兩種衰落，但是這只適應(yīng)于短距離干涉光路和環(huán)境條件變化極其緩慢的條 件下，而且在調(diào)整的過(guò)程中不得不暫時(shí)停止傳感器的工作。在長(zhǎng)距離的光纖干 涉系統(tǒng)中，外界環(huán)境因素復(fù)雜，并且變化較快，要想穩(wěn)定光纖干涉系統(tǒng)的相位 和偏振態(tài)，必須采用偏振衰落和相位衰落可控的邁克爾遜光纖傳感器。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是邁克爾遜光纖傳感器中偏振衰落和相位衰落 問(wèn)題，提供了一種偏振衰落和相位衰落可控的邁克爾遜光纖傳感器。 本發(fā)明的技術(shù)方案:
3dB耦合器的一個(gè)輸出端與相位調(diào)制器的一端連接，相位調(diào)制器的另一端連 接單模光纖，單模光纖垂直連接第二反射鏡；3dB耦合器的另一個(gè)輸出端與相位 控制器的一端連接，相位控制器的另一端連接單模光纖，單模光纖垂直連接第 一反射鏡。3dB耦合器、第一反射鏡、第二反射鏡、相位調(diào)制器、相位控制器和 單模光纖構(gòu)成邁克爾遜光纖傳感器；相位調(diào)制器和單模光纖構(gòu)成參考臂；相位 控制器和單模光纖構(gòu)成干涉臂；
3dB耦合器的一個(gè)輸入端與波分解復(fù)用器輸入端光纖連接，波分解復(fù)用器兩 個(gè)輸出端分別用光纖連接第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器；
3dB耦合器的另一個(gè)輸入端與波分復(fù)用器輸出端光纖連接，波分復(fù)用器一個(gè) 輸入端經(jīng)偏振調(diào)制器與第一隔離器的輸出端連接，第一隔離器的輸入端與第一
激光器的輸出端光纖連接；波分復(fù)用器另一個(gè)輸入端經(jīng)偏振控制器和第二隔離 器的輸出端連接，第二隔離器的輸入端與第二激光器的輸出端光纖連接；
第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器由電信號(hào)線分別接數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的第 一模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端口和第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端口 ；
偏振控制器和偏振調(diào)制器分別與數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的第二和第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換 輸出端口，電信號(hào)線連接；相位調(diào)制器和相位控制器分別由電信號(hào)線連接數(shù)字 信號(hào)處理機(jī)的第四和第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出端口 ；
第一激光器、偏振調(diào)制器、相位控制器、第一光電探測(cè)器和數(shù)字信號(hào)處理 機(jī)組成閉環(huán)相位衰落控制系統(tǒng)，第二激光器、偏振控制器、相位調(diào)制器、第二 光電探測(cè)器和數(shù)字信號(hào)處理機(jī)組成閉環(huán)偏振衰落控制系統(tǒng)。
第一激光器和第二激光器均為連續(xù)單色光激光器，輸出的激光波長(zhǎng)不相等。
邁克爾遜光纖傳感器的3dB耦合器為寬帶3dB耦合器。
波分復(fù)用器兩輸入端口的工作波長(zhǎng)等于第一激光器和第二激光器輸出激光 的波長(zhǎng)，波分解復(fù)用器兩輸出端口的工作波長(zhǎng)等于第一激光器和第二激光器輸 出激光的波長(zhǎng)。
該系統(tǒng)的工作過(guò)程如下
首先，由偏振調(diào)制器，相位控制器和數(shù)字信號(hào)處理機(jī)調(diào)整和控制邁克爾遜 光纖傳感器的相位漂移，并使得第一激光器輸出激光的波長(zhǎng)處于邁克爾遜光纖 傳感器的某一個(gè)波谷或波峰位置。偏振調(diào)制器發(fā)出某一頻率的調(diào)制信號(hào)來(lái)調(diào)制 第一激光器輸出激光的偏振態(tài)，該調(diào)制信號(hào)將使得邁克爾遜光纖傳感器輸出的 第一激光器的激光含有相同頻率的信號(hào)，該激光經(jīng)波分解復(fù)用器進(jìn)入第一光電 探測(cè)器，數(shù)字信號(hào)處理機(jī)對(duì)第一光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)到的的光功率進(jìn)行數(shù)字濾波提 取出偏振調(diào)制器發(fā)出頻率的信號(hào)，并判斷該信號(hào)的振幅，數(shù)字信號(hào)處理機(jī)根據(jù) 振幅的大小反饋控制相位控制器來(lái)控制邁克爾遜光纖傳感器兩臂的相位差，使
監(jiān)測(cè)到的振幅達(dá)到最大或最小。經(jīng)上述過(guò)程，邁克爾遜光纖傳感器輸出光的某 一個(gè)波谷或波峰位置將穩(wěn)定在第一激光器輸出激光的波長(zhǎng)處。
同時(shí)，由相位調(diào)制器，偏振控制器和數(shù)字信號(hào)處理機(jī)調(diào)整和控制邁克爾遜 光纖傳感器的偏振態(tài)變化，并使得第二激光器輸出激光的波長(zhǎng)處于邁克爾遜光 纖傳感器的某一個(gè)波谷或波峰位置。相位調(diào)制器發(fā)出某一頻率的調(diào)制信號(hào)來(lái)調(diào) 制邁克爾遜光纖傳感器兩臂的相位差，該調(diào)制信號(hào)將使得邁克爾遜光纖傳感器 輸出的第二激光器的激光含有相同頻率的信號(hào)，該激光經(jīng)波分解復(fù)用器進(jìn)入第 二光電探測(cè)器，數(shù)字信號(hào)處理機(jī)對(duì)第二光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)到的光功率進(jìn)行數(shù)字濾 波提取出相位調(diào)制器發(fā)出的調(diào)制頻率的信號(hào)，并判斷該信號(hào)的振幅，數(shù)字信號(hào) 處理機(jī)根據(jù)振幅的大小反饋控制偏振控制器來(lái)控制邁克爾遜光纖傳感器兩臂的 偏振態(tài)，使監(jiān)測(cè)到的振幅達(dá)到最大，經(jīng)上述過(guò)程，邁克爾遜光纖傳感器輸出光 的某一個(gè)波谷或波峰位置將穩(wěn)定在第二激光器輸出激光的波長(zhǎng)處。
與此同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理機(jī)接收第二光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)到的邁克爾遜光纖傳感 器輸出的第二激光器的激光后，濾除相位調(diào)制器發(fā)出的調(diào)制頻率的信號(hào)，最終 將監(jiān)測(cè)到外界擾動(dòng)引起的邁克爾遜光纖傳感器兩臂相位或偏振態(tài)的改變。
相位調(diào)制器發(fā)出調(diào)制頻率應(yīng)遠(yuǎn)離偏振調(diào)制器發(fā)出調(diào)制頻率和邁克爾遜光纖 傳感器的工作頻率范圍。
本發(fā)明和已有技術(shù)相比所具有的有益效果
第一激光器輸出激光應(yīng)用于相位衰落的控制，第二激光器輸出激光應(yīng)用于 偏振衰落的控制，二者在邁克爾遜光纖傳感器中獨(dú)立工作，不會(huì)相互影響。最 終，第一激光器輸出激光的波長(zhǎng)和第二激光器輸出激光的波長(zhǎng)將分別處于邁克
爾遜光纖傳感器的波谷或波峰位置，并且消光比能達(dá)到20dB 40dB以上，因此 該系統(tǒng)能有效的減少邁克爾遜光纖傳感器在實(shí)際使用中的相位衰落和偏振衰落 問(wèn)題。
圖1邁克爾遜光纖傳感器偏振衰落和相位衰落控制系統(tǒng)原理圖。
圖2邁克爾遜光纖傳感器偏振衰落和相位衰落控制系統(tǒng)效果圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
選擇下列參數(shù)的器件
第一激光器l:工作波長(zhǎng)為980nm; 第二激光器2:工作波長(zhǎng)為1550nm; 波分復(fù)用器5: 980/1550nm; 波分解復(fù)用器6: 980/1550 nm; 偏振控制器7及偏振調(diào)制器8: OZ Optics EPC-300; 相位控制器9及相位調(diào)制器10: PZ1-STD-FC/PC; 數(shù)字信號(hào)處理機(jī)11: TMS320C6202芯片； 單模光纖17、 18:長(zhǎng)度為5m。
偏振衰落和相位衰落可控的邁克爾遜光纖傳感器，構(gòu)成該系統(tǒng)的連接 3dB耦合器14的一個(gè)輸出端與相位調(diào)制器9的一端連接，相位調(diào)制器9的 另一端連接單模光纖17，單模光纖17垂直連接第二反射鏡12; 3dB耦合器14 的另一個(gè)輸出端與相位控制器10的一端連接，相位控制器10的另一端連接單 模光纖18，單模光纖18垂直連接第一反射鏡13; 3dB耦合器14、第一反射鏡 12、第二反射鏡13、相位調(diào)制器9、相位控制器10和單模光纖17、 18構(gòu)成邁 克爾遜光纖傳感器；相位調(diào)制器9和單模光纖17構(gòu)成參考臂；相位控制器10 和單模光纖18構(gòu)成干涉臂；
3dB耦合器14的一個(gè)輸入端與波分解復(fù)用器6輸入端光纖連接，波分解復(fù) 用器6兩個(gè)輸出端分別用光纖連接第一光電探測(cè)器3和第二光電探測(cè)器4;
3dB耦合器14的另一個(gè)輸入端與波分復(fù)用器5輸出端光纖連接，波分復(fù)用 器5 —個(gè)輸入端經(jīng)偏振調(diào)制器8和隔離器15與第一激光器1光纖連接，第一激 光器1光纖連接隔離器15的輸入端；波分復(fù)用器5另一個(gè)輸入端經(jīng)偏振控制器 7和隔離器16與第二激光器2光纖連接，第一激光器2光纖連接隔離器16的輸 入端；
第一光電探測(cè)器3和第二光電探測(cè)器4由電信號(hào)線分別接數(shù)字信號(hào)處理機(jī) 11的第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端口 AD1和第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端口 AD2;
偏振控制器7和偏振調(diào)制器8分別與數(shù)字信號(hào)處理機(jī)11的第二和第一數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換輸出端口 DA2， DA1電信號(hào)線連接；相位調(diào)制器9和相位控制器10分別 由電信號(hào)線連接數(shù)字信號(hào)處理機(jī)11的第四和第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出端口 DA4、DA3;
第一激光器l、偏振調(diào)制器8、相位控制器10、第一光電探測(cè)器3和數(shù)字信 號(hào)處理機(jī)11組成閉環(huán)相位衰落控制系統(tǒng)，第二激光器2、偏振控制器7、相位 調(diào)制器9、第二光電探測(cè)器4和數(shù)字信號(hào)處理機(jī)11組成閉環(huán)偏振衰落控制系統(tǒng)。
實(shí)施例二
偏振衰落和相位衰落可控的邁克爾遜光纖傳感器，構(gòu)成該系統(tǒng)的連接與實(shí)施 方式一相同，僅下列器件的參數(shù)不同-第一激光器l:工作波長(zhǎng)為1550nm; 第二激光器2:工作波長(zhǎng)為1310nm; 波分復(fù)用器5: 1310/1550nm; 波分解復(fù)用器6: 1310/1550 nm; 單模光纖17、 18:長(zhǎng)度為500m。
波分復(fù)用器5和波分解復(fù)用器6的工作范圍為980nm 1570nm。 圖2為邁克爾遜光纖傳感器偏振衰落和相位衰落控制系統(tǒng)效果圖。由圖可 見(jiàn)第一和第二激光器輸出激光的波長(zhǎng)分別穩(wěn)定在波谷和波峰位置。
權(quán)利要求
1. 一種偏振衰落和相位衰落可控的邁克爾遜光纖傳感器，該光纖傳感器包括由3dB耦合器(14)的一個(gè)輸出端口經(jīng)單模光纖(17)與第一反射鏡(12)垂直連接，3dB耦合器(14)的另一個(gè)輸出端口經(jīng)單模光纖(18)與第二反射鏡(13)垂直連接，構(gòu)成邁克爾遜光纖傳感器，其特征在于在單模光纖(17)中接入相位調(diào)制器(9)，相位調(diào)制器(9)、單模光纖(17)和第一反射鏡(12)構(gòu)成參考臂；在單模光纖(18)中接入相位控制器(10)，相位控制器(10)、單模光纖(18)和第二反射鏡(13)構(gòu)成干涉臂；3dB耦合器(14)的一個(gè)輸入端與波分解復(fù)用器(6)輸入端光纖連接，波分解復(fù)用器(6)兩個(gè)輸出端分別用光纖連接第一光電探測(cè)器(3)和第二光電探測(cè)器(4)；3dB耦合器(14)的另一個(gè)輸入端與波分復(fù)用器(5)輸出端光纖連接，波分復(fù)用器(5)一個(gè)輸入端經(jīng)偏振調(diào)制器(8)與第一隔離器(15)的輸出端連接，隔離器(15)的輸入端與第一激光器(1)的輸出端光纖連接；波分復(fù)用器(5)另一個(gè)輸入端經(jīng)偏振控制器(7)和第二隔離器(16)的輸出端連接，隔離器(16)的輸入端與第二激光器(2)的輸出端光纖連接；第一光電探測(cè)器(3)和第二光電探測(cè)器(4)由電信號(hào)線分別接數(shù)字信號(hào)處理機(jī)(11)的第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端口(AD1)和第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端口(AD2)；偏振控制器(7)和偏振調(diào)制器(8)分別與數(shù)字信號(hào)處理機(jī)(11)的第二和第一數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出端口(DA2，DA1)電信號(hào)線連接；相位調(diào)制器(9)和相位控制器(10)分別由電信號(hào)線連接數(shù)字信號(hào)處理機(jī)(11)的第四和第三數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出端口(DA4、DA3)；第一激光器(1)、偏振調(diào)制器(8)、相位控制器(10)、第一光電探測(cè)器(3)和數(shù)字信號(hào)處理機(jī)(11)組成閉環(huán)相位衰落控制系統(tǒng)，第二激光器(2)、偏振控制器(7)、相位調(diào)制器(9)、第二光電探測(cè)器(4)和數(shù)字信號(hào)處理機(jī)(11)組成閉環(huán)偏振衰落控制系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振衰落和相位衰落可控的邁克爾遜光纖傳 感器，其特征在于，第一激光器(1)和第二激光器(2)均為連續(xù)單色光激光 器，且輸出的激光波長(zhǎng)不相等。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振衰落和相位衰落可控的邁克爾遜光纖傳 感器，其特征在于，3dB耦合器(14)為寬帶3dB耦合器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振衰落和相位衰落可控的邁克爾遜光纖傳 感器，其特征在于，波分復(fù)用器(5)兩輸入端口的工作波長(zhǎng)等于第一激光器(1) 和第二激光器(2)輸出激光的波長(zhǎng)，波分解復(fù)用器(6)兩輸出端口的工作波長(zhǎng) 等于第一激光器(1)和第二激光器(2)輸出激光的波長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種偏振衰落和相位衰落可控的邁克爾遜光纖傳感器，是在現(xiàn)有的邁克爾遜光纖傳感器參考臂上接入相位調(diào)制器(9)，在干涉臂上接入相位控制器(10)；3dB耦合器(14)通過(guò)波分解復(fù)用器(6)與第一光電探測(cè)器(3)和第二光電探測(cè)器(4)連接，另一個(gè)輸入端接波分復(fù)用器(5)，波分復(fù)用器一端經(jīng)偏振調(diào)制器(8)和第一隔離器(15)與第一激光器(1)連接，另一端經(jīng)偏振控制器(7)和第二隔離器(16)與第二激光器(2)連接。第一和第二光電探測(cè)器與數(shù)字信號(hào)處理機(jī)電連接，相位調(diào)制器、相位控制器、偏振控制器和偏振調(diào)制器由數(shù)字信號(hào)處理機(jī)控制。本裝置將同時(shí)消除邁克爾遜光纖傳感器的偏振衰落和相位衰落問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101387528SQ20081022523
公開(kāi)日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
發(fā)明者吳樹(shù)強(qiáng), 寧提綱, 祁春慧, 董小偉, 麗 裴, 趙瑞峰, 蘭 郭, 乂 阮, 馬中秀 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)