分布式光纖傳感系統(tǒng)相位還原的色散特性

陳小莉，周鵬威，彭和闊，賈 波，肖 倩

(復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系，上海 200433)

分布式光纖傳感系統(tǒng)相位還原的色散特性

陳小莉，周鵬威，彭和闊，賈 波，肖 倩

(復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系，上海 200433)

在強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)中，光脈沖的傳播會受色散的影響而產(chǎn)生展寬效應(yīng)．為了研究色散對相位調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)相位傳輸特性的影響，本文對該系統(tǒng)獲得的相位信號受色散的影響進行研究評估．該研究是基于寬光譜白光光源Sagnac結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，分別使用正弦信號和脈沖信號對在不同長度傳感光纖里傳輸?shù)墓膺M行相位調(diào)制，并還原出相應(yīng)的相位調(diào)制信號；作為對比，在另一強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)中，用相同參數(shù)的脈沖信號對在不同長度傳感光纖里傳輸?shù)墓膺M行強度調(diào)制．結(jié)果顯示，在強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)中獲得的脈沖信號會發(fā)生明顯的展寬，但在相位調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)中還原出的相位調(diào)制信號脈寬展寬明顯小于強度調(diào)制型系統(tǒng)．

色散； 白光光源； 分布式光纖傳感； 干涉； 相位傳輸

20世紀70年代，隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展，分布式光纖傳感技術(shù)以其大動態(tài)測量范圍、使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點日益受到青睞[1]，基于Sagnac結(jié)構(gòu)的干涉儀便是其中一種被廣泛使用的分布式光纖傳感器[2-6]．相比于傳統(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀要求光源是昂貴的具有高相干穩(wěn)定性的單模激光器，低相干性的白光光源也能被很好的運用于基于Sagnac結(jié)構(gòu)的干涉儀中[2，3]．白光光源具有許多優(yōu)勢，如絕對測量的可能性、噪聲水平的顯著降低、光源波動的不敏感性以及在測量系統(tǒng)中大量傳感器復(fù)用的可能性等[7]．但是，在強度調(diào)制型的分布式光纖傳感系統(tǒng)中使用白光光源這類寬帶光源的時候會產(chǎn)生不可忽視的色散現(xiàn)象，色散會導(dǎo)致光脈沖在傳播時產(chǎn)生明顯的展寬，極大地影響傳感信號的準確性．

由于基于相位調(diào)制的光纖傳感器在非接觸、連續(xù)測量中的獨特用途，很早便成功應(yīng)用于強沖擊作用下被測體速度的連續(xù)測量[8]．基于光纖的這種獨特用途，可以研究其在高速爆炸沖擊波下的應(yīng)用．由于爆炸沖擊波的能量是在極短的時間內(nèi)迅速上升，光纖傳感系統(tǒng)能否不失真地傳輸快速變化信號是極關(guān)鍵的問題．目前，已經(jīng)有許多文章對強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)的色散特性展開了研究[9-14]，但是很少有文章研究色散對相位調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)的相位傳輸特性的影響．本文基于寬光譜白光光源Sagnac結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，對傳感線路的光波進行相位調(diào)制，并利用相位還原算法解調(diào)出相應(yīng)的調(diào)制信號，同時與強度調(diào)制下輸出的強度調(diào)制信號進行對比，評估相位調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)相位傳輸?shù)纳⑻匦裕?/p>

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文中運用的基于Sagnac效應(yīng)的分布式光纖傳感系統(tǒng)如圖1所示．光源為相干長度為微米量級的超輻射發(fā)光二級管(Super Luminace Diode, SLD)．光電探測器(Photo detector, PD)PD1、PD2用于光電轉(zhuǎn)換．時間延遲光纖(Time Delay Fiber, TDF)是接入光路的長距離分布式光纖，對光起傳輸作用．傳感光纖(Sensing Fiber, SF)作為外界物理擾動信號的感應(yīng)光纖．干涉單元(Interference Unit, IU)由3×3耦合器(C1)、2×2耦合器(C2)及一條直通臂(Direct arm)和延時臂(Delay arm)組成，F(xiàn)RM(Faraday Rotator Minor)為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，控制光路偏振特性．圖中所示的“擾動”是由相位調(diào)制器對光纖中傳輸?shù)墓獠óa(chǎn)生的．

從圖1可以看出，一束由SLD發(fā)出的光由端口2進入耦合器C1后被分為2路，一路沿順時針方向(Clockwise, CW)傳播，一路沿逆時針方向(Counter-clockwise, CCW)傳播．由于光源選用的是低相干長度的SLD，因此4路光中的2路光會在耦合器C1處發(fā)生干涉，即路徑Ⅰ和路徑Ⅲ．Ⅰ至Ⅳ對應(yīng)著此干涉系統(tǒng)的光傳輸?shù)?條路徑，分別為：

Ⅰ： 2→4→6→8→TDF→9→FRM→9→TDF→8→7→5→C1

Ⅱ： 2→4→6→8→TDF→9→FRM→9→TDF→8→6→4→C1

Ⅲ： 2→5→7→8→TDF→9→FRM→9→TDF→8→6→4→C1

Ⅳ： 2→5→7→8→TDF→9→FRM→9→TDF→8→7→5→C1

2 理論分析

2.1 干涉型光纖傳感系統(tǒng)的展寬特性

一束由SLD發(fā)出的光的電場可表示為[15]

E(t)=E0exp(i(ω0t+θ(t)))，

(1)

其中，θ(t)為SLD的隨機相位波動，ω0為光源的中心角頻率，E0為場振幅．由于光路中有相位調(diào)制器產(chǎn)生φ(t)的調(diào)制，則在C1處發(fā)生干涉的兩束光的電場分別表示為

ECW1(t)=E1exp(i(ω0t+θ(t)+φ(t-τ)))，

(2)

ECCW1(t)=E2exp(i(ω0t+θ(t)+φ(t)))，

(3)

I=(ECW1+ECCW1)·(ECW1+ECCW1).

(4)

(5)

(6)

式中，Δφ(t)是由相位調(diào)制器引起的光相位變化，表示為

Δφ(t)=φ2(t)-φ1(t)=φ(t)-φ(t-τ)，

(7)

對式(5)、(6)進行相位還原，可還原出相位差Δφ(t)，下面對其相位還原方法做簡單介紹[16]．

(8)

(9)

將這兩路干涉信號分別相加相減后可得

I+=I1+I2=-C·cos Δφ(n)，

(10)

(11)

通過式(10)、(11)可求得

(12)

因此，結(jié)合式(10)～(12)可還原出經(jīng)周期拓展后的Δφ(t)為

(13)

通過式(13)可以看出，還原出的Δφ(n)與SLD的隨機相位波動θ(t)無關(guān)，則經(jīng)過該干涉系統(tǒng)還原出的相位還原信號不會產(chǎn)生展寬[17,19]．

2.2 強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)的展寬特性

在傳統(tǒng)的強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)中，由于光纖固有的色散，會引起光纖中傳輸?shù)墓饷}沖發(fā)生展寬．下面對強度調(diào)制型分布式光纖傳感系統(tǒng)的色散特性進行分析．其光路結(jié)構(gòu)如圖2所示，光路中的M-Z調(diào)制器的作用是對在傳感光纖中傳輸?shù)墓獠ㄟM行強度調(diào)制．

SLD光源發(fā)出的光的電場如式(1)所示，在實際中，光場振幅E0在光波周期內(nèi)是緩變的，可用E0(t)表示，則SLD發(fā)出的光的譜密度函數(shù)為[17]

(14)

(15)

在(14)式中，S(ω)半高值對應(yīng)的譜寬為：

(16)

綜合(14)、(16)式可以看出，SLD光源發(fā)射出的光是具有有限譜寬，則光路中攜帶信息的光脈沖必然含有不同的頻率成分．由Sellmeier方程[18]可知，不同頻率的光對應(yīng)的介質(zhì)折射率不同，介質(zhì)折射率在不同光頻下的表達式為：

(17)

3 實驗結(jié)果及分析

為了評估相位調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)相位傳輸?shù)纳⑻匦裕萌鐖D1所示的光纖系統(tǒng)進行實驗．該實驗系統(tǒng)中SLD光源的中心波長為1550nm．TDF是不同千里數(shù)的單模光纖，長度分別為0,10,20,30,40,50,60,70km，單模光纖放在隔音箱中，可減少外界噪聲對測量的影響．

φ(t)是由LiNbO3相位調(diào)制器的作用產(chǎn)生，相位調(diào)制器的載波信號由信號發(fā)生器控制，信號發(fā)生器型號為Tektronix AFG3021．實驗中利用信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號和脈沖信號，正弦信號和脈沖信號的頻率均為4MHz，其中脈沖信號的脈寬為32ns，調(diào)制電壓幅度4V．光電探測器PD1、PD2輸出的電信號接入Agilent示波器進行信號采集，采樣率為10GSa/s，最后將采集到的數(shù)據(jù)送入計算機并利用Labview軟件編程做數(shù)據(jù)處理分析．

實驗結(jié)果如圖3所示，圖3的波形展示了在不同長度傳感光纖下，分別對光波進行正弦調(diào)制和脈沖調(diào)制還原出來的相位調(diào)制信號，φ0表示相位幅值．從圖3可以明顯地看出，無論是在正弦調(diào)制還是脈沖調(diào)制的情況下，幾個長度的傳感光纖下的相位還原信號基本重疊，并沒有隨著TDF公里數(shù)的增加而產(chǎn)生明顯的展寬．由此說明，對使用基于寬光譜白光光源Sagnac結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感系統(tǒng)進行相位調(diào)制，還原出的調(diào)制信號基本沒有受到色散的影響．另外，在圖3(b)中能觀察到還原出的脈沖調(diào)制信號邊沿不完全重合，并且沒有規(guī)律，分析后認為主要是由于干涉系統(tǒng)中LiNbO3相位調(diào)制器對SLD光源發(fā)出的不同頻率成分的光的響應(yīng)不同造成的．由于圖3(b)證明了脈沖信號在干涉型光纖傳感系統(tǒng)中傳輸時波形基本不失真，則當(dāng)光纖應(yīng)用于諸如高速爆炸沖擊波等測量時，可使在光纖中傳輸?shù)目焖僮兓盘柌皇д?，保證了光纖傳感的準確性．

下面對強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)的色散特性進行研究．該系統(tǒng)中使用的M-Z調(diào)制器的載波信號仍由相同的信號發(fā)生器提供；信號發(fā)生器輸出的脈沖信號頻率為4MHz，脈寬32ns；TDF的長度仍為0,20,50,70km，則光電探測器PD輸出的脈沖信號如圖4所示．

由圖4可以看出，在強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)中，對SLD輸出的光進行強度調(diào)制獲得的脈沖信號會隨著TDF公里數(shù)的增加而產(chǎn)生明顯的展寬，并呈現(xiàn)出規(guī)律的對稱性．

為了更準確直觀地展示出相位調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)和強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)在波形展寬上的區(qū)別，本文計算出由這兩類光纖傳感系統(tǒng)獲得的各脈沖波形的上升時間和下降時間，并繪制其分布趨勢圖，結(jié)果如圖5(見第776頁)所示．

在圖5中，兩條變化趨勢平緩的線(紅色和淡藍色)上的各點對應(yīng)于相位調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)還原出的各脈沖信號的上升時間和下降時間，可以看出，各脈沖信號的上升時間和下降時間沒有隨著TDF的增加而明顯變大，只發(fā)生了很小的波動．圖5中的另外兩條線(綠色和亮藍色)上的各點則對應(yīng)于強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)獲得的各脈沖信號的上升時間和下降時間，可以看出，各脈沖信號的上升時間和下降時間隨著TDF的增加而明顯變大．

綜合以上實驗結(jié)果得出： 由于SLD光源發(fā)出的光具有有限的譜寬，含有多種頻率成分，因此在強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)中，由于色散的影響會使PD探測到的脈沖信號隨著TDF的增加發(fā)生明顯的展寬．但是，在相位調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)中，對干涉項進行相位還原，還原出的相位差Δφ(n)不包含θ(t)，實驗還原出的脈沖信號沒有隨著TDF公里數(shù)的增加而產(chǎn)生明顯的展寬．因此，在相位調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)中，色散對相位還原信號影響不明顯．

4 結(jié) 語

本文針對一種基于寬光譜白光光源的Sagnac結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，就其色散對相位傳輸特性的影響展開研究．實驗結(jié)果表明，在強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)通過強度調(diào)制獲得的脈沖信號會隨著TDF的增加發(fā)生明顯的展寬，但在相位調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)中，相位還原出的相位差信號沒有隨著TDF的增加發(fā)生明顯展寬，即受到色散的影響不明顯．這項研究，對相位調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用于諸如爆炸沖擊波等快速變化信號的測量具有重要的意義，尤其是對更好的應(yīng)用長距離分布式光纖傳感系統(tǒng)傳輸高速脈沖信號提供了理論支持．

[1] DAKIN J P. Distributed optical fiber sensors[J].ProcSPIE, 1992,1797： 76-108.

[2] FANG X J. A variable-loop Sagnac interferometer for distributed impact sensing[J].JournalofLightwaveTechnology, 1996,14(10)： 2250-2254.

[3] FANG X. Fiber-optic distributed sensing by a two-loop Sagnac interferometer[J].OpticsLetters, 1996,21(6)： 444-446.

[4] HOFFMAN P R, KUZYK M G. Position determination of an acoustic burst along a Sagnac interferometer[J].JournalofLightwaveTechnology, 2004,22(2)： 494-498.

[5] 徐宏杰,劉海峰,張春熹,等.基于光纖Sagnac干涉儀的高精度寬譜光源平均波長測量技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報,2010,31(1)： 127-131.

[6] 卞 龐,吳 媛,賈 波,等.基于改進型Sagnac干涉儀的擾動定位系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報,2012,33(12)： 2870-2874.

[7] HLUBINA P, CIPRIAND, KNYBLOVL. Interference of white light in tandem configuration of birefringent crystal and sensing birefringent fiber[J].OpticsCommunications, 2006,260(2)： 535-541.

[8] 馮 陽,吳紅艷,王 超,等.基于光纖干涉系統(tǒng)非接觸沖擊波速度測試[J].儀器儀表學(xué)報,2010,31(10)： 2334-2338.

[9] ZENG C, ZHANG H, JIA D,etal. Group delay dispersion measurement from a spectral interferogram based on the cubic phase function[J].PhotonicsJournal, 2014,6(6)： 1-9.

[10] HLUBINA P. Dispersive spectral-domain two-beam interference analysed by a fibre-optic spectrometer[J].JournalofModernOptics, 2004,51(4)： 537-547.

[11] HLUBINA P, CIPRIAND, KNYBLOVL. Interference of white light in tandem configuration of birefringent crystal and sensing birefringent fiber[J].OpticsCommunications, 2006,260(2)： 535-541.

[12] WANG Y, NELSON J, CHEN Z,etal. Optimal wavelength for ultrahigh-resolution optical coherence tomography[J].OpticsExpress, 2003,11(12)： 1411-1417.

[13] HLUBINA P, CIPRIAND, KNYBLOVL. Interference of white light in tandem configuration of birefringent crystal and sensing birefringent fiber[J].OpticsCommunications, 2006,260(2)： 535-541.

[14] YUAN L. White-light interferometric fiber-optic strain sensor from three-peak-wavelength broadband LED source[J].AppliedOptics, 1997,36(25)： 6246-6250.

[15] NIE Y Q, HUANG L,etal. The generation of 68 Gbps quantum random number by measuring laser phase fluctuations[J].ReviewofScientificInstruments, 2015,86(6)： 2435.

[16] 吳紅艷,賈 波,葉 佳,等.基于光纖干涉定位系統(tǒng)的信號解調(diào)技術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(5)： 45-51.

[17] YARIV A.光子學(xué)——現(xiàn)代通信光電子學(xué)[M].陳鶴鳴,施偉華,汪靜麗,等譯.北京： 電子工業(yè)出版社,2014： 434-443.

[18] AGRAWALG P. Nonlinear fiber optics[M]. New York： New York Academic Press,1995： 3-58.

[19] LEFEVRE H C.光纖陀螺儀[M].張桂才,王巍譯.北京： 國防工業(yè)出版社,2002： 181-218.

Dispersion on Distributed Fiber-Optic Sensing System for Phase Retrieval

CHEN Xiaoli, ZHOU Pengwei, PENG Hekuo, JIA Bo, XIAO Qian

(DepartmentofMaterialsScience,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

In intensity-modulated system, the pulse signal propagation is affected by dispersion, resulting in pulse broadening. In order to study the effects of dispersion on the phase transmission characteristics in the same system, this paper evaluates the effects of dispersion on phase signal. The study is based on a distributed optical fiber sensing system along a Sagnac structure, and the white light source is also used in the system, the light transmitting in the sensor fibers with different lengths is modulated respectively by sinusoidal signal and pulse signal, and the phase-modulated signal will be retrieved from the phase-composed signal. As a comparison, in another intensity-modulated fiber sensing system, a pulse signal having the same parameters will also modulate the light transmitting in sensor fibers with different lengths. The results show that the broadening of the pulse signal in intensity-modulated fiber sensing system is very obvious, but the pulse broadening of the phase-modulated signal is obviously less than the intensity modulation systems.

dispersion; white light source; distributed optical fiber sensing; interference; phase transmission

0427-7104(2016)06-0772-06

2015-02-26

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項項目(2012YQ150213、2014YQ090709)；上海市科委項目(15XD1500100、14DZ2281200、14dz1206702、14511101800)

陳小莉(1990—)，女，碩士研究生；肖 倩，女，講師，通訊聯(lián)系人，E-mail： xiaoqian@fudan.edu.cn.

TP 212.9

A