Page 32 - 网络电信2019年6月刊下

解 决 方 案

基于偏振分集技术的分布式光纤声波传感系统

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孙廷玺 徐龙海 王升 谢峰 黄毓华 1
1.广东电网有限责任公司珠海供电局；2.无锡联河光子技术有限公司

摘要：分布式光纤声波传感（DAS）系统中由于单模光纤存在双折射现象，导致光纤中输
出光偏振态发生变化，与参考光偏振状态不匹配从而产生偏振衰落现象。设计了一套基于偏振
分集方法的DAS系统，将瑞利散射光分别与2种状态的偏振参考光相干后进行光电转换和数据采
集，消除了偏振衰落现象的产生，从而减少DAS系统的漏误报率，大幅提升了系统的实用性。实
验结果表明，偏振分集方法可以完全消除光纤沿线由于偏振衰落造成的系统误判，提高DAS系统
报警准确度。
关键词：偏振衰落；光纤传感；瑞利散射；衰落噪声；振动检测

引言
分布式光纤声波传感（DAS）技术是一种利用光纤后向瑞利 一、分布式光纤声波传感系统实现与理论分
散射干涉效应实现声波信号连续分布式探测的新型传感技术 [1， 析
2] 。作为光纤测量和光纤传感的核心技术，DAS利用相干瑞利散 1.DAS 原理
射光的相位而非光强来检测声波频率范围内的振动信号，其特 本文设计的偏振分集DAS系统原理图如图1所示。窄线宽激
点是利用相位幅值大小可以线性测量振动信号强度信息，从而 光器作为光源，它的输出功率为40毫瓦，线宽为100Hz。发射出
可以定量分析光纤所受振动强度大小。 的连续光经过1×2耦合器后分别通过2条支路，一路光经过声
由于单模光纤存在双折射现象，会导致光纤中输出光的 光调制器（AOM），声光调制器将连续光调制成脉冲光并产生
偏振态发生变化与参考光偏振状态不匹配从而产生偏振衰落现 80MHz频移，再经过掺铒光纤放大器（EDFA）放大后由环形器耦
象。偏振衰落现象的具体表现为信号光和参考光的拍频信号幅 合进入待测光纤；另一路光作为参考光，其与待测量光纤返回
度随机涨落，严重影响了系统的漏误报率。目前，解决偏振衰 到环行器的瑞利散射光在偏振分集模块中分成2路P光和2路S光
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落的方法主要有保偏光纤消偏振法 、法拉第旋镜法 、输入 （P、S是光的两个偏振态），其中P光与P光相干、S光与S光相
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偏振态控制法 和高速偏振调制法 等。其中，保偏光纤消偏 干后分别输入到光电检测模块，光电转换模块将其拍频信号转
振法要求必须使用保偏光纤，导致系统价格昂贵，不适合用于 成电信号并传输给平衡探测器，然后经数据采集卡采集，传输
长距离测量；法拉第旋镜法可以彻底解决偏振衰落问题，但它 到计算机处理。偏振分集模块由空间光学器件构成，主要器件
只适合用于Michelson干涉仪中，使用范围有限；输入偏振态控 为2个反射镜、一个45°起偏器以及一个偏振分束器（PBS）。
制法通过调节输入偏振态实现光纤的抗偏振衰落，但是在光反 如果待测光纤稳定，反射回来的瑞利散射信号统计特征是固定
射仪测量时，它无法实现所有通道的抗偏振衰落；高速偏振调 不变的，所以散射回来的瑞利信号是不变的。一旦待测光纤有
制法虽然可以在输入端实现抗偏振衰落，但是无法消除传输光 外界振动，振动会引起光纤长度变化或者折射率变化，最终表
纤偏振扰动带来的相位噪声 [7-14] 。 现在瑞利散射曲线上是振动点位置的相位信号发生变化，如果
为解决以上问题，本文采用偏振分集方法来消除偏振衰落 可以线性还原光纤中的相位变化量，就可以准确测得振动强
现象，从而降低DAS系统漏误报提升系统实用性。 度。

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