双Mach-Zehnder光纤干涉传感系统中的偏振衰落控制

　　1　引　言

　　在油气管道安全监测系统和现代安全防范系统中，入侵行为的实时检测及其精确定位具有重要的现实意义。分布式双Mach-Zehnder(MZ)光纤干涉传感系统将干涉仪的高灵敏探测特性与分布式传感技术的高精度定位特性有机结合，使它具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、定位准确等显著优点，因而成为探测和定位入侵行为的理想手段，并得到了广泛研究与应用。基于双Mach-Ze-hnder结构的检测定位系统通常对信号强度没有特别要求，因为定位可以采用互相关函数估计时延的方法;但该方法对信号相关性的要求很高，只有信号具备了足够好的相关性，才能达到理想的定位精度[1-2]。而在实际应用中，该系统常常因偏振衰落现象而出现信号相关性不稳定的问题，从而造成定位时误差较大，甚至无法定位[3]。

　　本文从研究MZ光纤干涉仪中偏振衰落的来源入手，建立了系统光路的琼斯矩阵偏振模型，通过定性分析偏振衰落对系统信号的影响，指出传感光纤偏振特性的不一致使系统检测信号对输入偏振态敏感是造成信号相关性恶化的根本原因。根据双臂检测信号相关系数随输入偏振态方位角θ和椭率角ε的变化趋势，得到了控制输入偏振态，搜索偏振态工作点是可行的抗偏振衰落方法，并指出偏振控制算法必须具备全局搜索以及跳出局部最优并最终趋于全局最优的能力。最后，利用模拟退火算法作为偏振控制算法进行实验验证，结果表明，该算法可实现对偏振态工作点的快速搜索，持续稳定系统检测信号的相关性，从而证实了该偏振衰落控制思路的可行性和所具备的抗偏振衰落能力。

　　2　单Mach-Zehnder干涉信号

　　图1为双MZ光纤干涉传感系统的等效光路图。考虑顺时针方向的单MZ干涉仪，把分布在单模光纤全长上的双折射以及光波所经光学元件的双折射集中表示为一个等效的偏振器件，而将其它元件还原成理想光学器件。两传感臂L1，L2则分别等效为偏振器件G1，G2，其琼斯矩阵为[4-7]：

　　式(1)中x为等效偏振器件快轴与X轴的夹角，光纤不同，该夹角一般不同;ξ为等效光纤双折射相位差，可表示为：

　　式(3)中波导形状双折射δβGE与光纤形状有关;应力双折射δβSE与光纤所受应力成正比;光纤弯曲双折射δβ和扭曲双折射δβt分别与光纤的弯曲半径和每米平均扭转数成正比。由于传感臂的长度L很大，两条光纤在首末端光缆接续盒中的缠绕圈数、偏转角度、弯曲角度以及在光缆中的应力分布、波导形状等不同，造成两臂之间的δβGE，δβ，δβt及δβSE不同，与L累计在一起，使得两臂的光纤双折射不同。这就导致了两根传感光纤的偏振特性的不一致。