偏振信号演化的条件随机仿真模型

2.2.1.偏振信号演化的条件随机仿真模型通常对光纤中光波偏振态演化的模拟基于波片模型，即将整根光纤看作许多段光纤，每一段光纤作为一个波片，每个波片有相同的线双折射、圆双折射和主轴方向，但不同波片的线双折射和圆双折射在一定范围内随机变化，主轴方向之间的夹角在0~2间随机变化。利用波片模型可以从整体上很好的描述光纤中光波的变化规律，在对光纤通信系统中PMD、差分群时延等的研究中具有重要作用。然而在POTDR传感系统中，由于测量对象为光纤沿线各个位置处的散射光，因此为了能够准确描述不同位置扰动信号对光波偏振态的影响，需要对光纤沿线各个位置的光波偏振态进行更为细致准确的模拟。一般情况下光纤的各个部分之间是连续相连的整体，因此各个位置双折射的变化应该具有连续性，并非波片模型中所定义的随机突变。本研究内容包括分析光纤中双折射的分布和变化规律，建立能够更加准确描述光纤中双折射变化的模型，再进一步模拟光纤中前向传输光波和后向散射光偏振态的演化，以及外界振动、压力等扰动对光波偏振态的影响，为多点扰动的检测提供仿真条件。研究目标：建立适合于POTDR传感系统的光波偏振态演化仿真模型，得到更接近实际情况的模拟信号，为检测多点扰动研究提供仿真条件。3.1.2偏振信号演化的条件随机仿真模型通常POTDR传感技术中光源的相干长度在cm量级以下，相对于m量级的探测脉冲光脉宽，对散射光的描述可以忽略相干叠加的影响，因此在这一模型中对于光波和光纤的描述可以分别用斯托克斯矢量和穆勒矩阵很好的表示。对于本内容的研究方案如图3-2所示，我们拟首先仿照在光纤通信领域常用的波片模型对光纤的双折射进行初步建模，将传感光纤分为多段，各段之间的双折射轴方位角按照高斯分布在0~2之间随机变化。然后使每一段光纤的长度依照光纤的平均耦合长度在一定范围内按照高斯分布随机变化，并根据每一段光纤的长度和与下一段光纤双折射轴间的夹角关系，生成每一段光纤的双折射分布函数(,)z，其中z为光纤长度，为方位角。该函数初步定为二元一次、一阶连续可导的函数，以提高模拟和仿真效率，并保证其符合实际双折射具有的连续变化、总体随机的分布特征。然后利用该模型对散射信号进行模拟，并与实验测量结果进行对比，通过同时比较拍长和双折射的统计分布特性、偏振信号的时域变化特征来验证仿真模型的有效性，并根据对比结果修正仿真模型中各步骤的参数，最终得到较为理想的仿真模型。图3-2偏振信号演化的仿真研究