光纤布里渊散射与干涉中的偏振问题及其分布式传感应用

论文摘要

光纤系统性能本质上受限于所应用光纤的非理想因素。光纤双折射是对光纤系统性能影响较大的因素之一。光纤双折射所引入的偏振相关问题始终是光纤系统面临的难题。本论文研究光纤布里渊散射与干涉过程中由双折射引入的偏振相关问题，进而分析其在分布式光纤传感中的应用，包括：光纤双折射的分布式测量以及光纤双折射对分布式光纤传感器性能的影响。本文首先研究单模光纤布里渊散射谱的偏振特性，包括散射增益的空间演化以及散射线宽与频移的偏振关联性。基于波片模型建立了布里渊散射增益空间演化的理论模型；通过理论分析提出单模光纤中布里渊散射线宽和频移具有偏振关联性，指出光纤双折射与声速非均匀性共同造成该偏振关联性，并实验测量了其大小。基于布里渊散射增益的空间演化模型及散射频移的偏振特性，本文提出了两种光纤双折射分布式测量新方法，并进行了数值仿真和实验研究。该方法可应用于含椭圆双折射单模光纤的双折射测量。基于光纤布里渊散射谱偏振关联性的研究，本文进一步分析其对分布式温度/应力传感器测量精度的影响。研究了在传感器中应用扰偏器对该偏振关联性的抑制作用，指出在非理想扰偏情况下，光纤双折射与声速非均匀性引入的散射频移测量不确定度决定了此类传感器对温度/应力测量的极限精度；并对比了应用不同种传感光纤以及传感器单端配置与双端配置时的测量精度。本文最后研究偏振态衰落对干涉型分布式振动传感器定位误差的影响。结合干涉仪结构的等效双折射模型，分析了光纤双折射引入偏振态衰落噪声的特征，并理论提出了传感器定位误差估计方法，指出了偏振态衰落引入的可见度噪声和相位噪声对传感器定位误差的贡献；基于上述理论，本文提出并验证了可有效抑制偏振态衰落噪声影响的功率谱重塑法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 单模光纤双折射理论模型及双折射对光纤通信系统的影响
• 1.3 单模光纤布里渊散射偏振特性研究现状
• 1.4 光纤干涉仪偏振特性研究现状
• 1.5 光纤双折射测量技术研究现状
• 1.6 论文研究内容和主要成果
• 第2章 光纤布里渊散射谱的偏振关联性研究
• 2.1 光纤布里渊散射的偏振匹配与相位匹配条件
• 2.2 光纤布里渊散射增益沿空间演化理论模型
• 2.3 单模光纤布里渊散射线宽与频移的偏振关联性
• 2.3.1 理论模型
• 2.3.2 实验研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于布里渊散射的光纤双折射分布式测量方法研究
• 3.1 研究背景
• 3.2 应用 SBS 测量光纤双折射需考虑的问题
• 3.2.1 电致伸缩和克尔效应引入的非线性折射率对双折射测量的影响
• 3.2.2 两 PSP 轴上的布里渊频移差对布里渊增益测量的影响
• 3.2.3 强 SBS 作用引入的偏振牵引现象对光纤双折射测量的影响
• 3.3 基于布里渊散射增益的光纤双折射分布式测量方法
• 3.3.1 数值仿真研究
• 3.3.2 实验研究
• 3.4 基于布里渊散射频移的光纤双折射分布式测量方法
• 3.4.1 测量原理
• 3.4.2 测量装置与初步实验结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 光纤布里渊散射谱偏振关联性对分布式温度/应力传感器测量精度影响研究
• 4.1 布里渊散射型分布式温度/应力传感器的测量原理和关键参数
• 4.2 扰偏器对布里渊散射谱偏振关联性的抑制作用分析
• 4.3 应用不同种传感光纤时传感器测量精度对比
• 4.3.1 理论分析
• 4.3.2 测量装置与光纤参数
• 4.3.3 实验结果与讨论
• 4.4 对声波模式耦合现象及其偏振关联性的研究
• 4.4.1 产生声波模式耦合及其偏振关联性的物理原因
• 4.4.2 声波模式耦合偏振关联性的实验研究
• 4.5 BOTDR 与 BOTDA 系统中布里渊散射频移值偏振关联性对比
• 4.6 本章小结
• 第5章 偏振态衰落对干涉型分布式振动传感器定位误差影响研究
• 5.1 研究背景
• 5.2 双 M-Z 干涉型光纤分布式振动传感器振动检测与定位原理
• 5.3 双 M-Z 干涉型光纤分布式振动传感器等效双折射模型
• 5.4 双 M-Z 干涉型光纤分布式振动传感器定位误差估计方法
• 5.4.1 问题描述
• 5.4.2 纯加性噪声互相关时延估计理论
• 5.4.3 含噪声干涉信号互相关时延估计方法：偏振态衰落噪声对传感器等效信噪比贡献分析
• 5.4.4 可实际应用的传感器定位误差估计公式
• 5.5 双 M-Z 干涉型光纤分布式振动传感器定位误差估计方法的验证
• 5.5.1 数值仿真验证
• 5.5.2 实验验证
• 5.6 本章小结
• 第6章 功率谱重塑法抑制偏振态衰落对干涉型分布式振动传感器影响研究
• 6.1 研究背景
• 6.2 功率谱重塑法抑制偏振态衰落噪声的原理
• 6.3 功率谱重塑法的现场试验验证
• 6.4 功率谱重塑法现场试验结果讨论
• 6.4.1 截止频率选取的可重复性测试
• 6.4.2 应用不同类型高通滤波器的结果比较
• 6.4.3 应用于不同带宽干涉信号的结果比较
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 7.2.1 更精确的光纤双折射分布式测量方法研究
• 7.2.2 光纤双折射分布式测量系统与光纤干涉系统的结合方法研究
• 附录
• p和 T_r的迭代算法'>A 计算矩阵 T_p和 T_r的迭代算法
• B 偏振牵引现象对光纤双折射测量影响的理论估算和实验测量
• B.1 理论估算
• B.2 实验测量
• C 含相位噪声时延估计模型 SNR-ρ关系推导
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文