三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统及方法

摘要

本发明公开了一种三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统，它包括激光器、脉冲光调制器、三脉冲生成保偏结构、第一掺铒光纤放大器、第一光环形器、光纤光栅阵列、第二掺铒光纤放大器、第二光环形器、三分三光耦合器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜和四通道数据采集卡。本发明基于分布式光纤光栅振动传感系统，采用三脉冲错位干涉和三分三光耦合器数字相位解调技术，利用XX，XY脉冲对干涉可见度互补，通过选择较优的进行解调，从而实现了在分布式光纤光栅振动传感系统中抗偏振衰落，干涉信号高可见度。

权利要求

1.一种三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统，其特征在于：它包括激光器（1）、脉冲光调制器（2）、三脉冲生成保偏结构（4）、第一掺铒光纤放大器（10）、第一光环形器（12）、光纤光栅阵列（14）、第二掺铒光纤放大器（17）、第二光环形器（19）、三分三光耦合器（20）、第一法拉第旋转镜（21）、第二法拉第旋转镜（23）、四通道数据采集卡（25），其中，激光器（1）的信号输出端连接脉冲光调制器（2）的信号输入端，脉冲光调制器（2）的光脉冲输出端连接三脉冲生成保偏结构（4）的信号输入端，三脉冲生成保偏结构（4）的信号输出端连接第一掺铒光纤放大器（10）的信号输入端，第一掺铒光纤放大器（10）的信号输出端连接第一光环形器（12）的第一通信端口，第一光环形器（12）的第二通信端口经过传感延时光纤（13）接入光纤光栅阵列（14），第一光环形器（12）的第三通信端口连接第二掺铒光纤放大器（17）的信号输入端，第二掺铒光纤放大器（17）的信号输出端连接第二光环形器（19）的第一通信端口，第二光环形器（19）的第二通信端口连接三分三光耦合器（20）的左侧第一通信端、三分三光耦合器（20）的右侧第一通信端连接第一法拉第旋转镜（21）的通信端，三分三光耦合器（20）的右侧第二通信端悬空、三分三光耦合器（20）的右侧第三通信端通过干涉仪延时光纤（22）连接第二法拉第旋转镜（23）的通信端，第二光环形器（19）的第三端口、三分三光耦合器（20）的左侧第二通信端、三分三光耦合器（20）的左侧第三通信端分别通过多通道光电探测器（24）连接四通道数据采集卡（25）的输入端；

所述脉冲光调制器（2）用于将激光器（1）输出的连续光调制为光脉冲，光脉冲进入三脉冲生成保偏结构（4）后，输出偏振态为X、X、Y的三脉冲光信号，三脉冲光信号依次进入第一掺铒光纤放大器（10）和第一光滤波器（11）后输出放大了峰值功率的三脉冲光信号，放大了峰值功率的三脉冲光信号通过第一光环形器（12），进入到光纤光栅阵列（14）中；

偏振态为X、X、Y的三脉冲光信号表示三脉冲光信号中前两个脉冲偏振态相同，第三个脉冲偏振态与前两个脉冲正交；

所述三脉冲生成保偏结构（4）包括保偏一分三光耦合器（5）、第一保偏延时光纤（6）、保偏一分二光耦合器（7）、第二保偏延时光纤（8）和偏振合束器（9），其中，脉冲光调制器（2）输出端连接保偏一分三光耦合器（5）的输入端，保偏一分三光耦合器（5）将输入脉冲分为三路偏振相同的光脉冲，保偏一分三光耦合器（5）的第一路输出端连接保偏一分二光耦合器（7）的第一输入端，保偏一分三光耦合器（5）的第二路输出端通过第一保偏延时光纤（6）连接保偏一分二光耦合器（7）的第二输入端，保偏一分二光耦合器（7）的输出端连接偏振合束器（9）的第一输入端，保偏一分三光耦合器（5）的第三路输出端通过第二保偏延时光纤（8）连接偏振合束器（9）的第二输入端，三个光脉冲在偏振合束器（9）的输出端组合成为一个偏振态为X、X、Y的三脉冲光信号。

2.根据权利要求1所述的三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统，其特征在于：它还包括第一光滤波器（11）和第二光滤波器（18），第一掺铒光纤放大器（10）的信号输出端连接第一光滤波器（11）的信号输入端，第一光滤波器（11）的信号输出端连接第一光环形器（12）的第一通信端口；

第二掺铒光纤放大器（17）的信号输出端连接第二光滤波器（18）的信号输入端，第二光滤波器（18）的输出端连接第二光环形器（19）的第一通信端口。

3.根据权利要求1所述的三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统，其特征在于：它还包括双通道脉冲程序发生器（3），双通道脉冲程序发生器（3）的第一信号输出通道连接脉冲光调制器（2）的控制信号输入端，双通道脉冲程序发生器（3）的第二信号输出通道连接四通道数据采集卡（25）的同步采集控制端。

4.根据权利要求1所述的三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统，其特征在于：所述光纤光栅阵列（14）包括多个光纤光栅（16）和传感光纤（15），相邻两个光纤光栅（16）之间通过传感光纤（15）连接，相邻两个光纤光栅（16）之间的间距相等。

5.根据权利要求1所述的三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统，其特征在于：所述光纤光栅阵列（14）的反射率范围为‑40～‑45dB；所述放大了峰值功率的三脉冲光信号的脉冲宽度为20 30ns，峰值功率强度为30dBm。

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6.根据权利要求1所述的三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统，其特征在于：所述三分三光耦合器（20）、第一法拉第旋转镜（21）、第二法拉第旋转镜（23）和干涉仪延时光纤（22）构成非平衡迈克尔逊干涉仪。

7.根据权利要求1所述的三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统，其特征在于：所述四通道数据采集卡（25）利用三分三光耦合器数字解调算法对接收到的三组干涉光强电信号进行相位解调，得到对应的分布式振动信息。

8.一种根据权利要求1所述系统的解调方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：激光器（1）输出连续光信号；

步骤2：脉冲光调制器（2）利用双通道脉冲程序发生器（3）产生的电脉冲将连续光信号调制为光脉冲，经过三脉冲生成保偏结构（4）输出偏振态为X、X、Y的三脉冲光信号，偏振态为X、X、Y的三脉冲光信号进入第一掺铒光纤放大器（10）后，输出放大了峰值功率的三脉冲光信号；

步骤3：放大了峰值功率的三脉冲光信号从第一光环形器（12）的第一通信端口接入，从第一光环形器（12）的第二通信端口输出到光纤光栅阵列（14）中，光纤光栅阵列（14）中的每个光纤光栅（15）形成一个反射面，用于反射放大了峰值功率的三脉冲光信号，在光纤光栅阵列（14）中，前一个光纤光栅（15）反射的三脉冲光信号与后一个光纤光栅（15）反射的三脉冲光信号以一定间隔依次返回第一光环形器（12），并经由第一光环形器（12）的第三通信端口输出到第二掺铒光纤放大器（17），然后经过第二掺铒光纤放大器（17）和第二光滤波器（18）放大滤波后在由三分三光耦合器（20）、第一法拉第旋转镜（21）、第二法拉第旋转镜（23）和干涉仪延时光纤（22）构成的非平衡迈克尔逊干涉仪中形成干涉光信号，三分三光耦合器（20）再将干涉光信号进行分光处理，输出具有预设相位差的三路干涉光信号；

步骤4：具有预设相位差的三路干涉光信号分别在多通道光电探测器（24）中进行光电转换后输送到四通道数据采集卡（25）中；

步骤5：所述四通道数据采集卡（25）利用三分三光耦合器数字解调算法对接收到的三组干涉光强电信号进行相位解调，得到对应的分布式振动信息。

说明书

三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤传感技术领域，具体地指一种三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统及方法。

背景技术

[0002] 光纤传感技术自问世以来，就凭借诸多优势而被广泛关注并深入研究。光纤作为传感器因为无源，体积小，易复用被广泛研究与应用。利用相位敏感光时域反射技术
的光纤传感系统，又具有高灵敏度的特点，在许多领域都具有十分重要的应用价值，较传统
的电类传感系统在各种恶劣环境中具有更优异的传感性能和更广阔的应用前景。为了提高
定位精度和检测灵敏度以实现对微小信号的传感，研究人员在传统的系统中引入了弱光栅
阵列，以弱光纤光栅阵列中相邻两个光栅之间的光纤为传感单元，实现了高精度高灵敏度
的基于时分复用的分布式探测系统。振动是自然界最普遍的现象之一，获取振动信号在各
领域都有巨大的作用，也是光栅增强型分布式传感技术中的一个重要研究方向和应用领
域，在地震波检测、石油勘探和水下军事等领域有着广阔的应用前景。

[0003] 目前，制约分布式干涉型光纤光栅振动传感系统在实际中大范围应用的问题就是偏振诱导衰落。光通过在各向异性晶体时，会发生双折射现象。双折射现象使光波分解成振
动方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两种偏振光，其中遵从折射定律的称为o光，
另一个不遵从折射定律的称为e光。理想情况下，即假设光纤截面为正圆、长向无弯曲、材料
无杂质、两者相速相同、相位相等情况下，其合成光为线偏振光。但是在实际情况下，单模光
纤在制造、使用过程中存在一些问题，比如制造工艺欠完善等原因造成材料分布不均匀，导
致使用过程中光纤被弯曲、扭曲而产生形变和内应力等。这些问题会导致光纤介质的光学
各向异性，产生双折射。在大规模的分布式干涉型传感系统中，系统的光纤双折射效应会导
致在光纤中传输的光的偏振态发生随机的变化，偏振态的随机变化会使得输出端的干涉信
号的干涉可见度在0到1之间随机变化，如果两干涉光的偏振态是正交的，那么干涉光的干
涉可见度为0，就会发生偏振衰落。可见度的减小会导致解调后的信号信噪比降低，甚至解
调不出信号，在实际应用中就会产生误判问题或者得不到需要的信号，因此偏振衰落是影
响其性能的一个重要问题。偏振衰落的抑制技术是干涉型传感器走向应用的关键技术之
一。

[0004] 目前，常用的解决偏振衰落问题的方法有光路全保偏技术、偏振分集接收技术、扰偏法、法拉第旋镜法、偏振切换技术等。光路全保偏技术是将光路中的普通光器件更换为保
偏光器件，光路中基本没有双折射效应，但是成本较高且不易于复用；偏振分集接收技术在
接收端依据偏振方向进行检偏，通常是三路接收端，偏振态在空间上互为60度，这可以保证
三个接收端中至少有一路不会产生偏振衰落，但是这种方法使得接收端复杂同时最小可见
度仅为0.38；扰偏法是使用扰偏器将光路中的线偏光高速调制为消偏光，这种方法保证干
涉光不会收到偏振态的影响，但是会引入较大的偏振噪声同时降低光强；法拉第旋镜法利
用法拉第旋镜使光路中往返时的双折射效应抵消，但是每个传感点都需要两个法拉第旋
镜，成本太高，适用面较窄；偏振切换技术使用偏振控制器使输出脉冲的偏振态在两种正交
的方向变化(设为X，Y方向)，通过构建传感光纤的琼斯矩阵消除偏振衰落的影响，可以达到
可见度恒定为1，但是偏振切换技术系统中需要偏振切换器，无法做到无源且偏振切换器需
要负反馈控制，此外因为需要得到同一个传感区4个干涉脉冲才能解调一次信号，采样率的
利用率只有实际的1/4。

[0005] 现有的抗偏振衰落方法都有其各自的缺点，且大部分的方法成本都不算低，因此需要寻找一种最小可见度高，适用面广同时性价比高的抗偏振衰落方法。

发明内容

[0006] 本发明的目的就是要提供一种三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统及方法，本发明基于分布式光纤光栅振动传感系统，采用三脉冲错位干涉和三分三光耦
合器数字相位解调技术，利用一组前两个脉冲偏振态相同(设偏振态为X)，第三个脉冲偏振
态与前两个脉冲正交(设偏振态为Y)的三脉冲即偏振态为X、X、Y的三脉冲光信号，在干涉时
通过错位干涉，获取传感区的XX干涉脉冲(第N个光栅返回的X偏振态脉冲与第N+1光栅返回
的X偏振态脉冲干涉)和XY干涉脉冲(第N个光栅返回的Y偏振态脉冲与第N+1光栅返回的X偏
振态脉冲干涉)，两者的干涉可见度互补且平方和为1，解调后选择较优的一路输出，从而实
现了在分布式光纤光栅振动传感系统中抗偏振衰落，可见度大于0.7，得到高可见度的干涉
信号。

[0007] 为实现此目的，本发明所设计的三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统，它包括激光器、脉冲光调制器、三脉冲生成保偏结构、第一掺铒光纤放大器、第一光环形
器、光纤光栅阵列、第二掺铒光纤放大器、第二光环形器、三分三光耦合器、第一法拉第旋转
镜、第二法拉第旋转镜、四通道数据采集卡，其中，激光器的信号输出端连接脉冲光调制器
的信号输入端，脉冲光调制器的光脉冲输出端连接三脉冲生成保偏结构的信号输入端，三
脉冲生成保偏结构的信号输出端连接第一掺铒光纤放大器的信号输入端，第一掺铒光纤放
大器的信号输出端连接第一光环形器的第一通信端口，第一光环形器的第二通信端口经过
传感延时光纤接入光纤光栅阵列，第一光环形器的第三通信端口连接第二掺铒光纤放大器
的信号输入端，第二掺铒光纤放大器的信号输出端连接第二光环形器的第一通信端口，第
二光环形器的第二通信端口连接三分三光耦合器的左侧第一通信端、三分三光耦合器的右
侧第一通信端连接第一法拉第旋转镜的通信端，三分三光耦合器的右侧第二通信端悬空、
三分三光耦合器的右侧第三通信端通过干涉仪延时光纤连接第二法拉第旋转镜的通信端，
第二光环形器的第三端口、三分三光耦合器的左侧第二通信端、三分三光耦合器的左侧第
三通信端分别通过多通道光电探测器连接四通道数据采集卡的输入端。

[0008] 一种上述系统的解调方法，其特征在于，它包括如下步骤：

[0009] 步骤1：激光器输出连续光信号到脉冲光调制器；

[0010] 步骤2：脉冲光调制器利用双通道脉冲程序发生器产生的电脉冲将连续光信号调制为光脉冲，经过三脉冲生成保偏结构(4)输出偏振态为X、X、Y的三脉冲光信号，偏振态为
X、X、Y的三脉冲光信号进入第一掺铒光纤放大器后，输出放大了峰值功率的三脉冲光信号；

[0011] 步骤3：放大了峰值功率的三脉冲光信号从第一光环形器的第一通信端口接入，从第一光环形器的第二通信端口输出到光纤光栅阵列中，光纤光栅阵列中的每个光栅形成一
个反射面，用于反射放大了峰值功率的三脉冲光信号，相邻的光栅返回的脉冲将会在干涉
仪内干涉，在光纤光栅阵列中，前一个光纤光栅反射的三脉冲光信号与后一个光纤光栅反
射的三脉冲光信号以一定的间隔(光栅间距长度乘以10ns的时间差)依次返回第一光环形
器，并经由第一光环形器的第三通信端口输出到第二掺铒光纤放大器，然后经过第二掺铒
光纤放大器和第二光滤波器放大滤波后在由三分三光耦合器、第一法拉第旋转镜、第二法
拉第旋转镜和干涉仪延时光纤构成的非平衡迈克尔逊干涉仪中形成干涉光信号，三分三光
耦合器再将干涉光信号进行分光处理，输出具有预设相位差的三路干涉光信号；

[0012] 步骤4：具有预设相位差的三路干涉光信号分别在多通道光电探测器中进行光电转换后输送到四通道数据采集卡中；

[0013] 步骤5：所述四通道数据采集卡利用三分三光耦合器数字解调算法对接收到的三组干涉光强电信号进行相位解调，得到对应的分布式振动信息。

[0014] 本发明的有益效果：

[0015] 1、本发明采用抗偏振衰落技术，解决分布式光纤传感系统中因为偏振诱导衰落现象带来的解调错误或者解调后信噪比较低的问题，可以使系统的最小可见度大于0.7。

[0016] 2、本发明采用三脉冲错位干涉技术，不需要对分布式光纤传感系统中的其他部分进行改动，只需要加入三脉冲生成保偏结构就可以实现抗偏振衰落，结构简单，且适用面
广，可以普适所有的分布式干涉型光纤传感系统。

[0017] 3、本发明采用三脉冲错位干涉技术，规避了偏振开关技术中解调信号切换时相位不连续的缺点以及偏振切换技术中系统时间分辨率低的缺点，且因为不需要偏振切换器，
系统的成本也较低。

[0018] 4、本发明利用了XX，XY脉冲对干涉可见度互补，通过选择较优的进行解调，从而实现了在分布式光纤光栅振动传感系统中抗偏振衰落，干涉信号可见度高。因此，可以将本发
明所述振动解调系统更好地适用于铁轨、周界安防、光纤水听器等环境扰动大且需求高信
噪比的分布式振动信号测量需求的应用领域。

附图说明

[0019] 图1为本发明的结构示意图；

[0020] 图2为三脉冲错位干涉的原理图

[0021] 其中，1—激光器、2—脉冲光调制器、3—双通道脉冲程序发生器、4—三脉冲生成保偏结构、5—保偏一分三光耦合器、6—第一保偏延时光纤、7—保偏一分二光耦合器、8—
第二保偏延时光纤、9—偏振合束器、10—第一掺铒光纤放大器、11—第一光滤波器、12—第
一光环形器、13—传感延时光纤、14—光纤光栅阵列、15—传感光纤、16—光纤光栅、17—第
二掺铒光纤放大器、18—第二光滤波器、19—第二光环形器、20—三分三光耦合器、21—第
一法拉第旋转镜、22—干涉仪延时光纤、23—第二法拉第旋转镜、24—多通道光电探测器、
25—四通道数据采集卡。

具体实施方式

[0022] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

[0023] 如图1所示的三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统，它包括激光器1、脉冲光调制器2、三脉冲生成保偏结构4、第一掺铒光纤放大器10、第一光环形器12、光纤
光栅阵列14、第二掺铒光纤放大器17、第二光环形器19、三分三光耦合器20、第一法拉第旋
转镜21、第二法拉第旋转镜23、四通道数据采集卡25，其中，激光器1的信号输出端连接脉冲
光调制器2的信号输入端，脉冲光调制器2的光脉冲输出端连接三脉冲生成保偏结构4的信
号输入端，三脉冲生成保偏结构4的信号输出端连接第一掺铒光纤放大器10的信号输入端，
第一掺铒光纤放大器10的信号输出端连接第一光环形器12的第一通信端口，第一光环形器
12的第二通信端口经过传感延时光纤13接入光纤光栅阵列14，第一光环形器12的第三通信
端口连接第二掺铒光纤放大器17的信号输入端，第二掺铒光纤放大器17的信号输出端连接
第二光环形器19的第一通信端口，第二光环形器19的第二通信端口连接三分三光耦合器20
的左侧第一通信端、三分三光耦合器20的右侧第一通信端连接第一法拉第旋转镜21的通信
端，三分三光耦合器20的右侧第二通信端悬空、三分三光耦合器20的右侧第三通信端通过
干涉仪延时光纤22连接第二法拉第旋转镜23的通信端，第二光环形器19的第三端口、三分
三光耦合器20的左侧第二通信端、三分三光耦合器20的左侧第三通信端分别通过多通道光
电探测器24连接四通道数据采集卡25的输入端。

[0024] 上述技术方案中，它还包括第一光滤波器11和第二光滤波器18，第一掺铒光纤放大器10的信号输出端连接第一光滤波器11的信号输入端，第一光滤波器11的信号输出端连
接第一光环形器12的第一通信端口；

[0025] 第二掺铒光纤放大器17的信号输出端连接第二光滤波器18的信号输入端，第二光滤波器18的输出端连接第二光环形器19的第一通信端口。

[0026] 上述技术方案中，它还包括双通道脉冲程序发生器3，双通道脉冲程序发生器3的第一信号输出通道连接脉冲光调制器2的控制信号输入端，双通道脉冲程序发生器3的第二
信号输出通道连接四通道数据采集卡25的同步采集控制端。通过同步触发采集，来降低对
脉冲程序发生器3的频率稳定性要求。

[0027] 上述技术方案中，激光器1产生波长与光纤光栅相匹配的激光信号。所述脉冲光调制器2用于将激光器1输出的连续光调制为光脉冲(所述脉冲光调制器2为半导体光放大器，
用于将输入的连续光信号变成脉宽为30ns，频率为30kHz的脉冲光)，光脉冲进入三脉冲生
成保偏结构4后，输出偏振态为X、X、Y的三脉冲光信号，三脉冲光信号依次进入第一掺铒光
纤放大器10和第一光滤波器11后输出放大了峰值功率的三脉冲光信号，放大了峰值功率的
三脉冲光信号通过第一光环形器12，进入到光纤光栅阵列14中；

[0028] 偏振态为X、X、Y的三脉冲光信号表示三脉冲光信号中前两个脉冲偏振态相同，第三个脉冲偏振态与前两个脉冲正交。

[0029] 上述技术方案中，所述三脉冲生成保偏结构4包括保偏一分三光耦合器5、第一保偏延时光纤6、保偏一分二光耦合器7、第二保偏延时光纤8和偏振合束器9，其中，脉冲光调
制器2输出端连接保偏一分三光耦合器5的输入端，保偏一分三光耦合器5将输入脉冲分为
三路偏振相同的光脉冲，保偏一分三光耦合器5的第一路输出端连接保偏一分二光耦合器7
的第一输入端，保偏一分三光耦合器5的第二路输出端通过第一保偏延时光纤6连接保偏一
分二光耦合器7的第二输入端，保偏一分二光耦合器7的输出端连接偏振合束器9的第一输
入端，保偏一分三光耦合器5的第三路输出端通过第二保偏延时光纤8连接偏振合束器9的
第二输入端，三个光脉冲在偏振合束器9的输出端组合成为一个偏振态为X、X、Y的三脉冲光
信号(脉冲宽度为30ns，脉冲间距为40ns)。

[0030] 上述技术方案中，所述光纤光栅阵列14包括多个光纤光栅16和传感光纤15，相邻两个光纤光栅16之间通过传感光纤15连接，相邻两个光纤光栅16之间的间距相等，相邻两
个光纤光栅16之间的间距为12m，光栅间距相等是为了保证每个传感区间隔都能与干涉仪
匹配，光栅间距长度必须保证相邻光栅返回的脉冲组之间不会产生重叠。中间的传感光纤
为普通的单模光纤，相邻两个光纤光栅16之间即为一个传感区，偏振衰落产生的原因主要
是中间的单模光纤的双折射效应。

[0031] 上述技术方案中，所述光纤光栅15的反射率范围为‑40～‑45dB；所述放大了峰值功率的三脉冲光信号的脉冲宽度为20～30ns，峰值功率强度为30dBm。考虑到光纤光栅间隔
12m，所以为了避免光脉冲同时覆盖两个光栅，而且减小瑞利散射带来的相位噪声，所以脉
冲宽度和峰值功率强度需要经过计算确定。

[0032] 上述技术方案中，所述三分三光耦合器20、第一法拉第旋转镜21、第二法拉第旋转镜23和干涉仪延时光纤22构成使干涉仪臂长差8m的非平衡迈克尔逊干涉仪。在光纤光栅阵
列14中，前一个光纤光栅16反射的光三脉冲与后一个光纤光栅16反射的光三脉冲的时间差
为120ns，进入由非平衡迈克尔逊干涉仪中，后一个光纤光栅16反射的光三脉冲进入迈克尔
逊干涉仪的短臂，前一个光纤光栅16反射的光三脉冲进入迈克尔逊干涉仪臂长差为8m的长
臂，使得前一个光纤光栅16反射的窄光三脉冲的第二个脉冲(偏振态为X)与第三个脉冲(偏
振态为Y)与后一个光纤光栅16反射的窄光三脉冲的第一个脉冲(偏振态为X)与第二个脉冲
(偏振态为X)分别干涉；三分三光耦合器20还用于将干涉光进行分光处理，输出具有预设相
位差的三路干涉光，干涉光如图2所示。

[0033] 上述技术方案中，所述四通道数据采集卡25利用三分三光耦合器数字解调算法对接收到的三组干涉偏振态为XX和XY的两组干涉光强电信号进行相位解调，可以得到对应的
分布式振动信息，实现了抗偏振衰落下的分布式振动传感要求。

[0034] 利用三脉冲错位干涉方法获取的偏振态为XX和XY的两组干涉光强电信号可见度互补证明过程如下：

[0035] 假设到达第N个FBG之前的三个探测脉冲光电场分别为：

[0036]

[0037] 其中，A0为脉冲的光强，i为‑1的平方根，ω是探测脉冲光的角频率，t为时间，φ1,φ2,φ3为第一，二，三探测脉冲光的初始相位，Px为探测脉冲在水平极化(X轴方向)的偏振
分量，ε为光的电场在水平和垂直极化之间的初始相位，E1、E2和E3分别为三个探测脉冲光电
场，e为自然常数。

[0038] 第N个FBG与第N+1个FBG间的传感光纤长度为d，其传输矩阵F及反向传输矩阵R为：

[0039]

[0040]

[0041] 其中，Δ为脉冲经过此段光纤产生的相位变化，δ表示线性双折射，ρ代表圆双折射。q为线性双折射快轴相对与Y轴的角度，K为光场的损耗系数，仅与传输光纤的损耗有关，
φd为脉冲经过此段光纤产生的相位变化。则两光栅间往返的琼斯矩阵RF如下：

[0042]

[0043]

[0044] 为了简化公式，定义 θ如上所示。FBG的反射矩阵M为(r为光栅的反射率)

[0045] 则XX干涉脉冲与XY干涉脉冲的光强IXX及IXY为：

[0046]

[0047]

[0048] I表示干涉脉冲的光强,Δφ1表示XX干涉脉冲两束光干涉时的光程差导致的相位差，Δφ2表示XY干涉脉冲两束光干涉时的光程差导致的相位差，与振动等测量量相关；
表示XX干涉脉冲中的偏振相位噪声， 表示XY干涉脉冲中的偏振相位噪声。

[0049] XX干涉脉冲与XY干涉脉冲两者可见度为：

[0050]

[0051] 计算可得两者平方和为1。

[0052] 在抗偏振衰落的三脉冲错位干涉的光栅增强型分布式振动解调系统中，使用一种基于反正切算法的解调方法：查表‑坐标旋转‑近似联合快速算法对三路干涉输出光强电信
号进行解调，该方法是一种既能满足高精度要求又易于数字实现的低运算量近似算法，只
‑6
需要一次查表、一次坐标旋转和一次小量近似就可以获得10 精度的反正切计算结果，并且
查表时占用的存储空间很小。

[0053] 上述技术方案中，所述四通道数据采集卡25利用三分三光耦合器数字解调算法对接收到的三组干涉光强电信号进行相位解调，得到对应的分布式振动信息。

[0054] 上述技术方案中，保偏一分三光耦合器5的分光比为2：2：1，用于将输入线偏光分为三束偏振相同，功率比为2：2：1的脉冲光。保偏一分二光耦合器7用于将脉冲光分解为功
率比为1：1的两束偏振相同的脉冲光。

[0055] 一种根据上述系统的解调方法，它包括如下步骤：

[0056] 步骤1：激光器1输出波长为1550nm的连续光信号；

[0057] 步骤2：脉冲光调制器2利用双通道脉冲程序发生器3产生的电脉冲将连续光信号调制为光脉冲，经过三脉冲生成保偏结构4输出偏振态为X、X、Y的三脉冲光信号，偏振态为
X、X、Y的三脉冲光信号进入第一掺铒光纤放大器10后，输出放大了峰值功率的三脉冲光信
号；

[0058] 步骤3：放大了峰值功率的三脉冲光信号从第一光环形器12的第一通信端口接入，从第一光环形器12的第二通信端口输出到光纤光栅阵列14中，光纤光栅阵列14中的每个光
纤光栅15形成一个反射面，用于反射放大了峰值功率的三脉冲光信号(相邻的光栅返回的
脉冲将会在干涉仪内干涉)，在光纤光栅阵列14中，前一个光纤光栅15反射的三脉冲光信号
与后一个光纤光栅15反射的三脉冲光信号以一定的间隔(光栅间距长度乘以10ns的时间
差)依次返回第一光环形器12，并经由第一光环形器12的第三通信端口输出到第二掺铒光
纤放大器17，然后经过第二掺铒光纤放大器17和第二光滤波器18放大滤波后在由三分三光
耦合器20、第一法拉第旋转镜21、第二法拉第旋转镜23和干涉仪延时光纤22构成的非平衡
迈克尔逊干涉仪中形成干涉光信号，三分三光耦合器20再将干涉光信号进行分光处理，输
出具有预设相位差的三路干涉光信号；

[0059] 步骤4：具有预设相位差的三路干涉光信号分别在多通道光电探测器24中进行光电转换后输送到四通道数据采集卡25中；

[0060] 步骤5：所述四通道数据采集卡25利用三分三光耦合器数字解调算法对接收到的三组干涉光强电信号进行相位解调，得到对应的分布式振动信息。

[0061] 本发明解决现有的干涉型光纤光栅振动传感系统中偏振诱导衰落引起的解调错误问题，实现高可见度干涉解调，使之能够适用于铁轨振动监测、水听器等存在超大幅度振
动信号测量需求的应用领域。

[0062] 本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。