论文摘要：双M-Z型光纤安防系统抗偏振衰落技术研究

双马赫-曾德（Mach-Zender，M-Z）型光纤安防系统基于干涉型光纤传感器原理，通过监测环境应力对光纤的影响，分析干扰信息，从而进行判断和定位报警。它具有监测距离长、响应时间短、灵敏度高等优点，适用于安全防范、石油管道监测等领域。本文针对现场实验中，环境变化易导致定位精度降低以及误报率升高的问题，从分析长距离双M-Z型光纤安防系统误差机理着手，得到干涉仪中偏振态变化不一致产生的偏振衰落是引起系统误差的主要因素，从而展开对系统偏振衰落机理的分析，提出并实现双偏振态控制方案来消除偏振衰落对系统的影响，取得了良好的效果。 全文的研究内容如下： 一、双M-Z型光纤安防系统误差分析：对双M-Z型光纤安防系统的原理进行研究，从光路和检测电路两方面分析了系统误差产生的机理。通过实验数据分析以及对系统干涉输出信号表达式的推导，得到干涉光偏振态不一致产生的偏振衰落是引起系统误差的主要因素。并根据现场测试数据与仿真计算结合定量分析了偏振衰落对系统信号识别及定位精度的影响。 二、系统偏振衰落形成机理分析：从以下四个方面展开对系统中偏振衰落现象的研究：1）应用琼斯矩阵和邦加球理论对单模光纤双折射效应进行分析，建立偏振光在单模光纤中偏振态演化的传输模型；2）分析单模光纤中影响双折射的因素，从本征双折射和感应双折射两方面建立单模光纤双折射效应的定量模型；3）分析系统中光缆制造以及成缆技术对系统双折射的影响，并建立系统中光缆的双折射效应模型；4）测试不同环境下干涉臂偏振态的演化，与以上建立模型仿真得到的结果进行对比，发现温度变化是影响系统双折射效应的主要因素。通过以上分析，得到了长距离双M-Z型光纤安防系统中偏振衰落机理与定位误差的关系。 三、抗偏振衰落方案研究：针对本项目特殊的背景——长距离安全防范，分析几种主要的抗偏振衰落方案，提出偏振态控制方案能够有效抑制偏振衰落对系统的影响，在此基础上，对偏振控制方案中主要器件——偏振控制器进行了分析研究。 四、双输入偏振态反馈控制方案理论分析：对系统可视度和干涉臂偏振主轴之间的关系进行研究，得到最佳输入偏振态与干涉仪本征偏振态之间的数学表示式，同时对干涉仪本征偏振态的表达式进行理论推导，根据系统参数可推得最佳输入偏振态。能够通过控制双M-Z干涉仪的输入偏振态，达到消除偏振衰落影响的目的。 五、双输入偏振态控制方案的设计与实现：对系统输出信号分析，得到输出信号及其可视度与干涉臂椭圆延迟算子之间的数学表达式，在数学模型和理论分析基础上建立了双输入偏振态反馈控制方案的理论依据。对前述光路模型进行仿真，仿真结果表明存在两个正交的输入偏振态使得可视度为1，从而证明了双输入偏振态控制方案的可行性。在上述分析的基础上，完成了双输入偏振态控制方案的理论设计和技术实现，并设计了相应的信号调制解调和偏振态反馈控制方案。 实验研究表明：系统的可视度被稳定在0.8~1之间，最终有效提高了系统的定位精度、降低了系统的误报率。

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