干涉型光纤传感系统的抗偏振衰落技术研究开题报告

传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一，已经成为一个国家科学技术水平发展的重要标志。传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化、网络化方同发展。光纤传感技术是20世纪70年代未兴起的一项技术，现已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器由于其优越的性能而备受青睐，其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点，并可以构成传感网络。先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级，可以测量压力、温度、应力、磁场、折射率、形变、微震动、微位移、声压等，已经实现的可用光纤传感技术测量的物理量。

在不同类型的光纤传感器中，干涉型光纤传感器结构灵活多样，具有灵敏度高、分辨率高、便于复用等诸多优势，在油气、铁路、水声监测、航空航天、医学等基础建设以及军用领域都有广泛应用，尤其对油气探测和水下监测有着重要意义。干涉型光纤传感器基于光纤干涉仪原理，主要有马赫曾德、迈克尔逊和萨格纳克等光纤干涉仪。在这类干涉仪的使用过程中，传输光纤中的偏振扰动会导致输出端信号的干涉度波动，光的偏振方向随机变化会致使干涉仪输出的可见度随机改变。两束光的偏振态正交时，即两束光的振动方向垂直，会导致干涉仪的可见度为零。上述这种现象称为“偏振诱导信号衰落”，此时，会使得解调得到的信号噪声较大，甚至无法解调出信号，是干涉型传感器需要解决的问题。因此，抗偏振衰落问题是光纤传感器实现相干检测的难题之一，也是光纤传感器走向实用化的关键问题之一。

常用的抑制偏振诱导信号衰落的方法有使用全保偏光纤(PMF)、偏振控制器(PC)和法拉第旋转镜(FRM)等。全保偏方案为实现系统抗偏振衰落最简单的方法。2012年，日本的Okawara等人进行了全保偏光纤光栅传感阵列抗偏振衰落的验证。全保偏方案虽然能够实现抗偏振衰落，但是一方面系统造价高昂，另一方面在长距离传输过程的偏振耦合会加剧，保偏效果有限。因而该方案更多地用于实验室研究中，而在工程化应用中不适用。

输入偏振态控制法由A. D. Kersey等人在1988年提出，通过对输入偏振态进行控制，总能够实现信号光与参考光的干涉光强干涉度最大。1991年，Marrone, Michael J.与 A. D. Kersey等人对这一方法在干涉型传感阵列的复用上进行了应用，并对阵列性能进行了评估。然而，这种方法一般只适用于单基元系统，很难应用于多基元系统。

扰偏法是通过对光的偏振态进行高速扰动，降低光的偏振度，从而可以使干涉光的可见度达到稳定的平均水平。这一方法最早由A. D. Kersey提出，并进行了验证性的实验。2012年，Lin Huizu分析了这一方法对光的偏振度的改变，并对扰偏法对光纤干涉仪的输出干涉度进行了研究。但是，目前并没有这一方法用于大规模光纤传感阵列的报道。

偏振分集接收方法由N. J. Frigo等在1984年提出，通过将光纤线偏振器置于光电探测器之前选择偏振态，获得干涉度最大的一路输出。2003-2004年，G. A. Cranch等人将双态偏振分集接收方法用于两条48基元的光纤水听器阵列中，并对该方法进行了评估。2013年，715研究所的陆旻提出采用将三态偏振分集接收中的三路干涉光强平方和相加的信号合成思想，并进行了仿真研究，但是未见有后续的实验研究。

针对目前普遍存在偏振衰落的问题，本课题在相位解调方法的基础之上，采用偏振分集接收的方法进行相位信号提取以克服偏振衰落问题。具体应用时，可根据情况选择其中干涉对比度最好的一组或通过平方和相加的方法有效克服完全偏振衰落。最后，通过实验对实际的光纤传感器阵列的相位信号检测进行验证。该研究对于光纤传感系统的的实用价值和实际意义。

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