POTDR原理技术

POTDR原理技术线偏振光完全偏振光可沿两个相互垂直的方向分解某时刻左旋圆偏振光E随z的变化偏振光右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光uu图1图2图3背向瑞利散射来自于沿着光纤纤芯分布的不均匀的沉积部分和杂质纤芯背向散射---背向散射光的偏振态与入射光偏振态相同12当OTDR通过不均匀的沉积点时，它的一部分光功率会被散射到不同的方向上。向光源方向散射回来的部分叫做背向散射.由于散射损耗的原因，这一部分光脉冲强度会变得很弱。沉积点由前向不均匀点导致的背向散射图4◆背景OTDR：BarnoskiandJensen，1976;PolarizationOTDR(POTDR)：Rodgers,1981；设计高灵敏度光纤传感器的重要技术◆特点Characteristic﹡背向散射光功率较低;﹡光信号偏振态易受外界影响﹡散射光与入射光偏振态相同。图5POTDRPOTDR工作原理光纤受外界物理量的调制时，光的偏振态就会随之发生变化；瑞利散射光在散射点的偏振方向与入射光相同，在光纤的入射端对后向瑞利散射光的偏振态和光信号的延迟时间进行检测就可获得外界物理量的分布情况；由于磁场、电场、横向压力和温度都能够对光纤中光的偏振态进行调制，因此该技术可用于实现多个物理量的测量。偏振态光时间域反射法（POTDR）最初由Rogers提出，其基本原理：POTDR应用范围用于测量光纤中的偏振模色散用于光纤链路检测用于电流传感用于安防监测通信传感用POTDR图6POTDR结构图1邦加球图7庞加球测量参数双折射分布双折射：单模光纤中两个相互正交的偏振基模沿光纤轴向传输时的传播常数之差偏振模色散测量出已铺设光缆的PMD分布，并替换掉PMD过大的光缆部分。偏振相关损耗POTDR系统方框图工作流程脉冲激光器发出的光脉冲经检偏器输出偏振光脉冲信号，光脉冲经环形器进入待测光纤，待测光纤散射及反射回来的光信号经环形器输出到检偏器，然后到达光电探测器，系统对采得的信号做数据处理并显示探测结果。脉冲信号发生器脉冲激光器环形器Fiber检偏器231数据采集卡PC机光电探测器起偏器图8POTDR系统POTDR系统主要用于测量横向压力干扰，可用于静态应力传感也可用于振动传感，也可用于微扰测量。静态传感的数据处理方法是比较法。由于振动信号都是具有一定频率的信号，系统需对时域数据做频谱变换。这里频谱变换是指分别对光纤沿线上每一点处不同时间的瑞利散射偏振光信号进行傅里叶变换数据处理数据处理（比较法）图9从左图得出，在第一个点加力时，由图9前两个曲线图看到，在A点左右之前的偏振曲线几乎不变,A点之后的偏振曲线发生了较大的变化,可判断出光纤上受力点约为A点，约110米处。然后再在第二个点加力，有第二、三两张图观测出,在B点之前的曲线几乎不变，B点之后的曲线变化较大,可判断出第二个受力点约在B点，约116米处。空间分辨率4米。若在两点同时加力，由第一、四幅图看出，只能观测到第一个受力点，第二个受力点观测不到。数据处理（频谱分析法）010203040501234图10反应的是光纤上振动位置处光纤受外界干扰的频率；图11反应的是频率为10Hz时，光信号的功率随距离变化而变化的情况，即光纤未受干扰时11Hz处的光功率为-50dBm，从光纤受干扰位置处开始（约2km位置处）光信号功率变化-33dBm并随传输距离的增加而逐渐衰减。图10图11数据处理结果0102030401234将图10和图11的数据处理结果反应到一幅三维图上如图12所示的可以看出POTDR系统用于振动传感时，不仅可以测量干扰源的位置还可以测出干扰源的频率。图12POTDR的应用场合小区周界预警铁路栅栏安防结论POTDR比OTDR灵敏度高，可实现更灵敏的光纤传感；POTDR技术是一种有效测量光纤沿线偏振态信息的方法；较窄的光脉冲，较低的光损耗，可得到更精确的测量结果；应用范围更广，除实现OTDR的功能外还可用于预警，微扰等传感。基于平衡探测器的POTDR系统脉冲信号发生器脉冲激光器环形器Fiber（2km)Fiber(2km)振动装置偏振分束器231数据采集卡PC机信号发生器平衡光电探测器图13图11虚线框中的部分实现了差分探测功能，其主要特点是被探测光信号输入到PBS，PBS输出的两路光信号分别输入到BD的两个光输入端口，在BD内光电转换后相减，得到外界微扰造成的两路光信号的能量差。平衡探测器工作原理1I1I2Iout=I1-I2P1P21图14该器件有两个光输入端口P1和P2，当外界有两路光信号分别输入到BD的两个光输入端口后，两光信号分别在BD内部转换为电信号I1和I2后相减，在BD的输出端口得出反应两路光信号光强差的电信号。Iout为BD的输出信号。图15传感光纤沿线某固定位置点未受外界干扰时信号随时间变化的示意图(a)PBS输出的两路信号;(b)BD输出的信号;(a)(b)模拟结果以光纤上某一固定位置点为例，被测光纤中该点的瑞利散射信号光总强度不变；图13、图14中所给的是理想状态下该点偏振光信号强度随时间变化的模拟结果。当传感光纤不受振动干扰时，该点的瑞利散射光信号经PBS输出的两正交偏振光信号的偏振态不发生变化，此时该点输出的两偏振光信号经探测器转换为电信号的结果如图13（a）所示，分别为I1和I2；二者强度差恒定，二者之差由BD输出，结果如图13（b）所示。图16传感光纤沿线某固定位置点受外界干扰后信号随时间变化的示意图(a)PBS输出的两路信号;(b)BD输出的信号;(a)(b)模拟结果当传感光纤受振动干扰时，该点的瑞利散射光信号经PBS输出的两正交偏振光信号的偏振态不断变化，此时该点输出的两偏振光信号经探测器转换为电信号的结果如图14（a）所示，分别为I1’和I2’；二者强度差由BD输出，结果如图14（b）所示。图14（b）中信号变化幅度为I1’（或I2’）的2倍。BD的使用可提高系统测量偏振态变化时的灵敏度，提高幅度为3dB。实验结果图17传感光纤沿线某固定位置点受外界干扰后信号随时间变化的示意图(a)PD输出的信号;(b)BD输出的信号;(a)(b)实验结果(a)(b)图18探测结果。(a)单PD探测结果;(b)BD探测结果基于平衡探测器的POTDR系统（优点）利用平衡探测器（BD）代替了以往POTDR系统中常用的单光输入端口光电探测器，可充分利用瑞利散射光信号中两正交偏振光信号的光强差；与单PD方法相比避免了测量盲点，提高了系统的灵敏度；与双PD方法相比差分探测方法仅需要对一路信号进行采集，可将需采集和处理的数据量减半，进而提高了实验系统响应速度。