本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其是壓力傳感系統(tǒng)，具體地說是一種利用光纖光柵透射光的斯托克斯參量對壓力進行實時監(jiān)測的光纖傳感方法。

背景技術(shù)：

當光纖受到外界環(huán)境(溫度、應力、磁場、壓力等)影響時，光纖中傳輸光的強度、相位、頻率、偏振態(tài)等參量會相應的發(fā)生變化。通過檢測傳輸光的這些參量便可獲知相應物理量的變化，這種技術(shù)稱為光纖傳感技術(shù)。

光纖光柵作為一種成熟的全光纖器件，由于其本身具有的體積小，插入損耗低，易于與其他光纖器件集成等特點，在光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域中有著非常重要的應用。目前多數(shù)是利用波長偏移量進行溫度傳感和應力傳感。其測量原理主要是利用外界參量變化引起的光纖光柵的折射率或光柵周期的變化從而導致布拉格波長發(fā)生偏移，通過測量偏移量達到傳感的目的。然而，現(xiàn)有的有源、無源光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的解調(diào)速率通常在～kHz量級，對瞬變、高頻和高速沖擊變量的解調(diào)能力不足。

研究和實驗表明，在壓力的作用下，光纖光柵中所產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象會引起光的偏振特性發(fā)生變化，比如斯托克斯參量。通過對單波長點上斯托克斯參量的檢測可以實現(xiàn)動態(tài)壓力的傳感。并可以通過懸臂梁、磁鐵、振動膜等多種換能結(jié)構(gòu)可以將位移、加速度、電流、水下聲信號等其它變量轉(zhuǎn)換成壓力致雙折射的變化，從而可以利用偏振特性實現(xiàn)多種變量的測量。

傳統(tǒng)測量斯托克斯參量的原理是分波型方式，即將待測光分成四束，然后對這些光束分別施加不同方位的檢偏器或者1/4波片，經(jīng)過光電檢測后，對輸出的光電流進行計算，得到Stokes參量。由于檢偏器和波片目前只有分立式器件而沒有光纖在線式器件，因此光束的準直、檢偏器和波片角度的精準調(diào)節(jié)以及器件的集成處理對工藝和封裝要求非常嚴格，核心工藝技術(shù)為國外壟斷，成本較為昂貴。同時國外公司的偏振測試卡采用非終端測試方式，限制了帶寬，很難進行帶寬擴展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種新穎簡單的、全光纖在線方式高頻動態(tài)信息解調(diào)方法，用以檢測壓力致雙折射引起的偏振信息變化，從而得到外在傳感量的。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于光纖光柵偏振信息檢測的高頻動態(tài)信息解調(diào)系統(tǒng)，它包括偏振分束器PBS，光電檢測器PD1、PD2和信號處理模塊，所述的偏振分束器PBS用于接收含有壓力信息的光信號，偏振分束器PBS的兩個信號輸出端分別接兩個光電檢測器PD1、PD2的信號輸入端，前述光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，前述兩個光電檢測器PD1、PD2的信號輸出端與信號處理模塊的信號輸入端相連，解調(diào)壓力信息。

一種基于光纖光柵偏振信息檢測的高頻動態(tài)信息解調(diào)方法，該方法包括以下步驟：

S1、將外在高頻動態(tài)壓力F加載在傳感光纖光柵上，光源的出射光通過前述光纖光柵；

S2、采用偏振分束器PBS接收前述經(jīng)過光纖光柵的出射光，該出射光為S^C，偏振分束器PBS將出射光S^C分成偏振相互正交的兩束出射光S//和S┴；

S3、前述偏振相互正交的兩束出射光S//和S┴分別通過光電檢測器PD1、PD2，轉(zhuǎn)換成光電流I₁和I₂，并且發(fā)送至信號處理模塊；

S4、信號處理模塊對前述光電流I₁和I₂進行處理，提取高頻動態(tài)壓力F。

本發(fā)明的步驟S1中，外在高頻動態(tài)壓力F加載在傳感光纖光柵上，使得透射光的三個斯托科斯參量發(fā)生變化，其變化量與壓力大小存在線性關(guān)系。

本發(fā)明的步驟S2具體為；偏振分束器PBS將出射光S^C分成偏振相互正交的兩束出射光S//和S┴；

出射光S^C，S//以及S┴的偏振態(tài)可用斯托克斯參量分別表示為：

下標0、1、2、3分別表示四個斯托克斯參量。

采用下述公式計算得到出射光S//以及S┴中第一斯托克斯參量分別為：

其中：α表示出射光S^C在//方向與參考系的x軸夾角；出射光S^C在┴方向與x軸夾角為α+90°。

本發(fā)明的步驟S3具體為；采用下述公式將偏振相互正交的出射光S//和S┴轉(zhuǎn)換成光電流I₁和I₂：

其中：R是常數(shù)，R的大小取決于所用的光電探測器性能；分別表示出射光S^C的第一、第二和第三個斯托克斯參量；α表示出射光S^C在//方向與參考系的x軸夾角。

本發(fā)明的步驟S4具體為；

S4-1、信號處理模塊對前述光電流I₁和I₂進行處理，獲取輸出光電流I_out；

S4-2、采用下述公式提取高頻動態(tài)壓力F；

I_out＝F(k₁cos2α+k₂sin2α)；

其中：α表示出射光S^C在//方向與參考系的x軸夾角，k₁、k₂、k₃為出射光S^C的歸一化斯托克斯參量對壓力F的靈敏度，當傳感光纖光柵調(diào)整固定后，k₁、k₂以及角度α均為定值。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明利用光纖光柵在外加壓力作用下產(chǎn)生線雙折射，導致透射光的三個歸一化斯托克斯參量發(fā)生變化，利用偏振分束器采用光纖在線方式，構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的信息解調(diào)系統(tǒng)，建立解調(diào)系統(tǒng)輸出函數(shù)與動態(tài)壓力信息之間的關(guān)系模型，從中解調(diào)出所含動態(tài)壓力信息?？梢詽M足高頻率的動態(tài)壓力實時監(jiān)測需求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖1所示，一種全光纖在線方式偏振信息解調(diào)方法，如圖中虛線框圖所示，包括偏振分束器(PBS)和兩個光電探測器以及信號處理模塊。利用PBS將從壓力作用下光纖光柵中的出射光(偏振態(tài)S^C)分成偏振相互正交的兩束光(S^//和S^┴)，這兩束偏振正交的光中都會含有動態(tài)壓力信息F，分別通過光電探測器后轉(zhuǎn)換成強度信息(I₁和I₂)，再通過信號處理方式，將信息提取出來。

理論部分如下：

經(jīng)過FBG中壓力致雙折射調(diào)制后，出射光斯托克斯參量S^C表示為：

歸一化斯托克斯參量分別為：

其中這三個歸一化參量都與壓力大小相關(guān)。經(jīng)過合理設(shè)計，可以使他們的歸一化矢量與壓力大小之間形成線性關(guān)系，即：

其中k₁、k₂、k₃為靈敏度，F(xiàn)是施加壓力大小。我們的目的就是要檢測出其中的壓力信息F。

對包含壓力信息的光偏振信息S^C進行檢測。PBS的兩個正交方向分別記為水平(//)和垂直(┴)方向，兩個方向與參考系的x軸有一定的夾角，//方向與x軸夾角為α，則┴方向與x軸夾角為α+90°。//方向穆勒矩陣為：

此方向上的斯托克斯參量為：

S^//＝M_//·S^C

經(jīng)過光電探測器測量的是光電流，即光功率大小，光功率大小就包含S₀^//中，因此計算得到：

同理，┴方向的穆勒矩陣為

此方向上的斯托克斯參量為：

S^⊥＝M_⊥·S^C

同理得到，

則經(jīng)過光電探測器后得到的光電流為：

其中R是常數(shù)。

利用差除和的信號處理方法得到

可以看到，出射電流與壓力大小成正比，從而可以解調(diào)出壓力信息。

具體實施時：

一種基于光纖光柵偏振信息檢測的壓力傳感系統(tǒng)中高頻動態(tài)信息解調(diào)方法，包括以下步驟：

S1、外在動態(tài)壓力加載在傳感光纖光柵上，導致透射光的三個斯托科斯參量發(fā)生變化，其變化量與壓力大小存在線性關(guān)系；

S2、通過偏振分束器(PBS)將輸出的透射光分成偏振方向相互正交的兩束光；

S3、兩個光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；

S4、信號處理模塊對兩路光電流進行差除和運算，實時監(jiān)測壓力大小。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。