干涉型光纤传感器的消偏振衰落技术研究

本文对消除干涉型光纤传感器信号偏振衰落的偏振分集接收PDR(Polarization Diversity Receiver)技术进行了理论分析.通过三态PDR方式,对输出的最大有效幅度信号进行选取,能够避免传输光偏振态变化导致干涉信号完全衰落的现象,使干涉信号有效幅度在一定范围内变化.采用基于反正切计算的相位生成载波PGC(Phase Generated Carrier)解调技术的相位测量结果不受由于偏振衰落导致干涉信号有效幅度变化的影响.提出结合三态PDR方式和基于反正切计算的PGC解调技术消除偏振衰落问题的影响,实现干涉型光纤传感器中相位信号的理想解调.     

偏振分集技术及其在光纤传感器中的应用

研究了偏振分集技术消除干涉型光纤传感器中偏振衰落问题的基本原理及实现方法.理论分析表明,偏振二分集可大大缓解偏振衰落.搭建光纤传感系统对偏振二分集技术进行了实验验证,实验中单路最小可视度接近0,而偏振二分集得到的最小可视度为0.4.实验结果表明系统采用的相位载波调制解调技术实现了信号的稳定检测.     

基于法拉第旋镜的干涉型光纤传感系统偏振相位噪声特性研究

偏振诱导信号衰落现象的抑制是干涉型光纤传感系统的关键技术之一. 针对法拉第旋镜(FRM)法抑制偏振诱导信号衰落技术的残留偏振相位噪声问题进行了深入的理论和实验研究. 运用琼斯矩阵法建立了基于法拉第旋镜的干涉型光纤传感系统偏振相位噪声的理论模型; 分析了影响系统偏振相位噪声的主要原因: 法拉第旋镜的旋光角度偏差、入射光偏振态调制度、干涉仪两臂光纤双折射; 提出了相应的抑制偏振相位噪声的方法. 详细仿真分析了入射光偏振态调制度对干涉型光纤传感系统偏振相位噪声的影响, 仿真分析得出若法拉第旋镜旋光角度偏差为最大工艺制造误差1°, 当入射光偏振态调制度为1.84 rad时, 系统可能出现的最大偏振相位噪声为0.0815 rad. 最后, 搭建了基于M-Z型偏振态调制器的偏振相位噪声测试系统, 测试了在传输光纤受到外界偏振扰动的情况下, 干涉传感系统存在的偏振相位噪声, 实验测试结果与理论分析结果基本一致, 有力地证明了该偏振相位噪声理论分析模型的正确性.     

基于实时优化单光子干涉可视度的相位编码量子密钥分发

在相位编码量子密钥分发系统中,单光子干涉可视度决定了系统的成码率。本文提出一种优化单光子干涉可视度的方法,即利用遗传算法和四通道偏振控制器实时补偿单光子偏振漂移,同时利用时分复用参考光连续无复位地补偿单光子相位漂移,最终在25km光纤中实时优化的单光子干涉可视度达到98.6%,相位编码量子密钥分发系统成码率为2.2kbit/s。     

干涉型光纤传感器及阵列的分集检测消偏振衰落技术的研究

对干涉型光纤传感器的分集检测消偏振衰落技术进行了新的理论分析，提出了将各种信号平方后相加的信号处理方式，使之能实现单元及阵列的实时消偏振衰落信号检测。计算了这一信号处理方式可能引起的幅度最大波动，并得出三路检测偏是分集检测的一个合适取值的结论。根据理论分析，在马赫－陈德尔干涉仪上进行实验研究取得了较好结果，并设计了用于阵列的分集检测实现方式。     

干涉型光纤传感阵列的电光调制消偏振衰落技术

提出了一种新型的干涉型光纤传感器阵列的消偏振衰落技术。在时分复用系统中,在全保偏传感基元的基础上,使用单模光纤做传输光纤搭建系统,通过对输入偏振态进行高频调制,能够在光强有所下降的情况下较好地解决了系统的偏振衰落问题。理论分析证明,当EOM相位调制的初相位设置为π/4,采样率和相位调制频率设置恰当时,通过PGC内调制解调技术可实现消偏振衰落。在理论分析的基础上进行了MATLAB软件模拟,解调出来的信号与原始信号基本重合。     

偏振分集相干光OFDM通信系统中的相位噪声消除

提出了一种基于偏振分集的相干光正交频分复用(OFDM)链路。然而相干检测对相位噪声比较敏感,偏振分集接收过程又会产生额外的乘性相位噪声,因此基于偏振分集相干光OFDM系统,提出了基于数字信号处理的相位噪声消除方案。在100km单模光纤中,以8Gbit/s的传输速率零误码传输16进制正交振幅调制OFDM信号,经相干检测之后,基于数字信号处理,对相干光OFDM信号完成了相位噪声消除,并对相位噪声消除后的信号星座图进行了实验结果分析。另外,还将经过相位噪声消除后的偏振分集相干光OFDM链路与其他相干光OFDM链路方案进行了性能对比,从而验证了此方案的优越性。     

光纤干涉仪中用于消除偏振衰落的平衡检测技术

针对单模光纤干涉仪两臂中光的偏振态受环境变化引起的信号衰落,提出了一种新的消偏振衰落方案.该方案基于单臂光纤干涉仪,通过对干涉仪的信号采用双路光电检测法,经过高通滤波器、平方器,将两路信号相加后,实现了干涉仪信号无偏振衰落输出.其实验结果与理论分析一致.     

湿端结构极简的低噪声低串扰光纤光栅水听器阵列

由于湿端极简化,光纤光栅水听器系统中普遍存在的偏振诱导信号衰落和随机相位衰落等关键问题仅能采用复合型调制解调手段解决;光纤光栅的双向反射特性会引起传感通道间信号串扰增加等新问题。报道了一种光纤光栅水听器阵列,水下仅采用80个光纤光栅构成64基元水听器阵列。采用相位生成载波与偏振切换调制解调方案,系统本底相位噪声达到■,等效噪声压为36 dB@1 kHz。系统采用低反射率光纤光栅,结合8空分×2波分×8时分复用结构设计,系统的时分、空分和波分通道串扰均稳定在-40 dB以下。该研究为光纤光栅水听器的工程实用化提供了重要的实践探索。     

干涉型光纤传感器小相位检测的新方法

提出一种干涉型光纤传感器小相位检测的多值抽样方法,消除了干涉型光纤传感器输出信号的衰落,使检测相移可达到10~(-5)rad,接近散粒噪声极限。     

全光纤波片对光纤电流互感器件性能的影响

干涉型光纤传感器因其灵敏度很高而成为光纤传感器研究的一个重要组成部分。将其实用化需要解决因偏振态变化和相位随机漂移而导致的信号衰落问题,使输出信号稳定。介绍了光纤电流互感器的基本工作原理。通过理论分析,计算了波片对其温度特性的影响。为使光纤电流互感器满足全温下的使用要求,提出了检测电路的改进方案,并给出了理论依据。     

反射式电光调制非互易相位调制器设计

基于反射式电光相位调制原理与偏振器、法拉第旋光器结合,提出了一种用于光纤环形干涉仪的非互易相位调制方案。其结构利用铌酸锂晶体不同切向电光特性,构成环形干涉仪上顺逆两束可调相位干涉信号,特别是引入信号能量损耗较小的全反射棱镜,实现非互易相位调制,有效降低了相位调制器半波电压。实验测得反射(调制两次)结构相位调制半波电压比透射(调制一次)下降一半,并用于光纤环形干涉仪调试,获得检测信号与调制信号相位线性相关,为下一步原理样机的研制提供可行性参考。     

偏振态调制的偏振无关干涉型光纤传感器

针对低双折射光纤双束干涉型传感器的两臂偏振态随机变化引起的信号衰落提出了一种新型的光纤传感器结构。通过在双束干涉仪的一臂中加入适当的对光波偏振太的高尖三角波或正弦波调制的偏振制，可以在干涉中见度略有降低的情况下消除偏振衰落的影响，实现偏振无关的干涉型光纤传感器。     

偏振复用差分相移键控信号的数字相干解调与偏振解复用算法研究

利用光纤偏振分束器和3 dB耦合器搭建偏振分集90°光学混频器,采用单端接收实现了偏振分集的相干接收机。实现了10 Gb/s偏振复用差分相移键控(DPSK)光信号,经过280 km普通单模光纤(SSMF)和掺铒光纤放大器(EDFA)传输后的数字相干接收,测量无误码。研究了数字相干光接收中的各种信号处理算法。采用数字信号处理算法完成载波相位估计,数字滤波器补偿光纤色散,恒模算法进行自适应数字偏振解复用等。研究了90°光学混频器的非理想正交特性,运用统计方法补偿了光学混频器偏离90°的误差,此算法和信号格式以及光纤色散等因素无关。使用恒模算法实现数字偏振解复用,该算法收敛时间小于0.5μs。     

基于掺铒光纤中动态粒子数光栅的振动检测

根据动态粒子数光栅形成机理,设计了一种线性双波混频结构的光纤系统。系统中,1490nm波长分布式反馈(DFB)激光器光源发出的连续激光,通过环形器进入一根3m长掺铒光纤作为注入光,被与掺铒光纤另一端光学耦合的压电振动镜反射后形成反射光。掺铒光纤中注入光与后向传播的反射光干涉形成驻波场,通过空间烧孔效应沿光纤纵向形成动态粒子数光栅。压电振动镜对反射光波进行相位调制时,环形器反射端口输出的双波混频(TWM)信号可视作输出光波的强度调制。实验中通过此双波混频系统对压电换能器产生的机械振动进行检测,结果表明:光纤双波混频检测系统具有良好的动态响应特性,能够测量50Hz~10kHz的振动信号,采集到的输出信号频率与压电驱动信号频率很好地吻合。     

干涉型光纤传感器信号检测技术的研究

光纤传感器是一种高灵敏度传感器，而信号检测技术是它的关键技术之一。介绍了干涉型光纤传感器的信号检测方法。首先简单分析了干涉型光纤传感器相位衰落现象产生的物理机制，然后分别介绍了各种抗相位衰落信号检测方法的基本工作原理和特点，着重讨论了其中几种主要的方法，详细分析了它们的优缺点、应用场合以及技术难点。最后对各种检测方法的主要性能进行了比较，并对它们的发展前景做了展望。     

线性光采样模拟前端研制与128Gb/s信号测试

面对100 Gb/s光纤传输系统性能监测需求,自主研制完成高速线性光采样模拟前端。其内部由1个被动锁模光纤激光器产生脉宽为2 ps、重复频率为96.25 MHz的采样光脉冲,待测偏振复用四相移键控(PDM-QPSK)信号和采样光脉冲进入光混频器后完成偏振相位分集探测,利用模拟带宽为400 MHz的平衡探测器完成光电转换后,将4路模拟信号传入主机进行数字化处理,获得高速光信号时域分析结果。通过优化设计,实现被动锁模光纤激光器的脉冲功率、中心波长、重复频率稳定输出。利用商用128 Gb/s PDM-QPSK信号对工程样机和安捷伦调制信号分析仪N4391A展开对比测试,测试结果表明工程样机可获得相同的时域参数分析结果。     

基于3×3耦合器干涉仪的正负反馈判断及高频振动探测研究

研究了基于3×3耦合器的光纤马赫-曾德尔干涉仪的三路输出干涉信号的特点,针对相位衰落问题,提出了一种根据所得的正交信号来判断反馈正负性的方案。实验通过LabVIEW软件来实现正交信号的获得及反馈输出信号的处理。测量和分析得到了直接输出反馈信号时会出现干涉信号短暂偏离稳定点的情况,整个过程的时间约为35 ms,而采用所提反馈正负判断方案后,相位稳定所需时间约为18 ms。通过一个光纤准直聚焦系统把光入射到被测物体表面并接收反射光,探测到了与输入信号频率一致的1.5 MHz的高频振动信号。验证了正负反馈判断方案及设计干涉系统的可行性和有效性。     

光纤大电流传感器非线性误差机理与抑制

非线性误差是基于Faraday效应的干涉式数字闭环光纤大电流传感器基本测量准确度的主要影响因素。考虑到传感光路中偏振交叉耦合、圆偏振态不理想等因素的影响，计算了与调制信号同频的干涉信号，得到了闭环反馈相移与被测电流之间的非线性跟踪关系。仿真结果表明：传感光纤线性双折射、1/4波片方位角及相位延迟误差、相位调制器输出尾纤偏振串音是光纤大电流传感器产生非线性误差的主要原因。需根据被测电流的动态范围相应提高相位调制器输出尾纤耦合及熔接对轴精度。通过求解光纤敏感环微分模型方程，提出了波片参数与椭圆双折射光纤拍长-螺距比的匹配条件，实现了传感器对Faraday效应的线性响应，降低了椭圆偏振传感信号造成的非线性误差。实验结果表明：采用参数匹配的1/4波片后，在6～500 kA范围内，传感器比例因子随被测电流的变化量为0.2%，相比于理想1/4波片降低了一个数量级。     

基于迈克耳孙干涉的毫米波本振信号相位稳定传送

提出了一种毫米波本振信号的相位稳定传送技术。采用迈克耳孙干涉原理,将传输过程中的信号相位扰动信息调制在信号臂上,通过反射部分信号臂信号,并与参考臂信号干涉拍频,获得传输过程中的相位扰动信息,从而反馈控制光纤延时器,对系统进行相位校正。在建立传送系统的理论模型和实验系统的基础上,实验测试了本振信号的相位漂移与光纤长度漂移及干涉拍频输出信号之间的关系,理论和实验结果取得了一致。研究结果表明,这一本振信号传送方案的可行性。