CN102420650A - 一种抑制光频域反射仪的激光器非线性扫描装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种抑制光频域反射仪的激光器非线性扫描影响的装置和方法。该装置主要包括主干涉仪和附加干涉仪，附加干涉仪采用双法拉第旋转镜反射，抑制了干涉仪中偏振衰落现象。在主干涉仪中采用平衡探测技术，抑制系统共模噪声，提高系统信噪比3dB以上。方法上，对附加干涉仪的拍频干涉信号采用希尔伯特算法，提取出光频信息，再利用非均匀快速傅里叶变换技术（NUFFT）对主干涉仪的拍频信息进行处理，达到抑制光频非线性扫描的效果，压窄反射峰300倍以上，提高光频域反射仪的空间分辨率。

Description

一种抑制光频域反射仪的激光器非线性扫描装置和方法

技术领域

本发明属于光纤传感和光网络器件及系统检测仪器技术领域。具体涉及一种抑制光频域反射仪的激光器非线性扫描装置和方法

背景技术

应用于光纤通讯网络及其器件测试以及应力、温度、扰动传感等领域的光频域反射仪(OFDR，Optical Frequency Domain Reflectometry)，采用高相干激光器进行高速和线性波长扫描，利用参考臂上由法拉第反射镜反射的光与单模光纤背向散射光(瑞利反射光)进行干涉。由于二者的光程不同，干涉端实际上是不同频率的两束光进行干涉，形成拍频。通过探测不同的拍频信号，就可以探测传感光纤不同位置的背向散射信息。

光频域反射仪的关键技术是需要激光器光源提供较大的光频扫描范围，并且光频在扫描过程中保持高速和线性特性。这是因为在光频域反射仪信号处理需要将信号转换到频域，通常使用快速傅里叶算法(FF T，Fast Fourier transform)实现，而FFT算法要求自变量采取等间隔采样，由于光频域反射仪的自变量不是时间而是激光器的瞬时光频率，如果激光器光频扫描是非线性的，即使得FFT算法自变量非等间隔采样，这样会造成光频域反射计的空间分辨率严重恶化。但是目前的商用激光器在光频扫描中都存在非线性特性，这就需要采用一系列装置和方法抑制激光器的光频非线性扫描对光频域反射仪的影响。

目前，有几种方法抑制激光器的光频非线性扫描对光频域反射装置的影响。

第一种是频率采样技术，这种方法采用固定时延臂的附加干涉仪实时为主干涉仪产生采样时钟脉冲，实现等频率间隔采样，可以抑制激光器的光频非线性扫描对光频域反射装置的影响。但这种方法对采集系统和脉冲产生电路要求较高，且根据采样定理光频域反射仪的测试最大距离会受到附加干涉仪的固定时延臂长度的限制，不适用长距离的光频域反射仪。

另一种方法是采用附加干涉仪提取实时激光器的光频信息，在后期信号处理时，利用采集的光频对主干涉仪的干涉信号进行等频率间隔重采样。可以抑制激光器的光频非线性扫描对光频域反射装置的影响。但这种方法会降低采集系统的带宽，进而限制了光频域反射技术的最大测试距离。

发明内容

本发明目的是克服现有方法存在的上述不足，提出利用非均匀快速傅里叶变换技术(NUFFT，Nouniform Fast Fourier Transform)抑制光频域反射仪激光器的光频非线性扫描影响的装置和方法。

本发明提供的抑制光频域反射仪的激光器非线性扫描影响的装置包括：

扫描激光器：用于为光频域反射系统提供光源，其光频能够进行线性扫描；

1:99光分束器:激光器的出射光由光分束器的第一端口进入，并以1∶99的比例分别从第二、第三端口分配到附加干涉仪和主干涉仪；

附加干涉仪：用于对激光器光频的采集和监控；包括隔离器、第一50:50耦合器、第一法拉第转镜和第二法拉第转镜、延迟光纤和探测器；

隔离器、防止附加干涉仪中第一50:50耦合器的第二端口的反射光进入激光器；第一50:50耦合器、用于光干涉，光从第一50:50耦合器的第二端口进入，从第三、第四端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜和第二法拉第转镜反射，返回到第三、第四端口，两束光在第一50:50耦合器中发生干涉，从第一端口输出；两个法拉第转镜、用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象；延迟光纤、用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频；探测器、用于采集第一50:50耦合器从第一端口的出射光，即附加干涉仪的拍频信号；

主干涉仪：是光频域反射仪的核心，包括环行器、第二50:50耦合器、参考臂及第三法拉第转镜、测试臂及待测光纤和平衡探测器；

环行器、作用是光从环行器的第一端口进入，从第二端口出射，而从第二端口进入的反射光，从环行器的第三端口出射；第二50:50耦合器、作用是，将由第一端口进入的光分为两束从第三、第四端口出射，分别进入参考臂和测试臂，从参考臂末端的第三法拉第转镜的反射光以及测试臂中待测光纤各个位置的背向散射光分别进入第二50:50耦合器的第三、第四端口，在第二50:50耦合器中进行拍频干涉，从第二50:50耦合器的第一端口和第二端口输出；平衡探测器、作用是接收从环行器第三端口的出射光以及从第二50:50耦合器的第二端口的出射光，能够抑制共模噪声并提高系统信噪比3dB；

采集装置：用于采集附加干涉仪中的探测器和主干涉仪中的平衡探测器采集的干涉信号；

计算机：对采集装置采集的干涉信号进行数据处理，包括对干涉信号进行快速傅里叶变换，得到待测光纤中距离与反射光信号的关系，以及利用非均匀快速傅里叶变换技术用于抑制光频域反射仪激光器的光频非线性扫描的影响。

本发明同时提供了一种采用以上所述装置抑制光频域反射仪激光器的光频非线性扫描影响的方法，该方法的步骤是：

第1步、将附加干涉仪采集的拍频信号进行预处理带通滤波；

第2步、对上一步预处理后的信号进行希尔伯特变换，变换后的信号与原信号相除，得到拍频信号的相位信息；

第3步、采用反正切运算得到附加干涉仪拍频信号的相位信息，并进行相位展开；

第4步、对第3步得到的相位信息进行归一化，由于光频与相位成正比，相位信息对应光频信息；

第5步、选择非均匀快速傅里叶变换方法；

第6步、选择窗函数及窗系数，对与原信号长度相同的窗函数进行快速傅里叶变换；

对于NUFFT常见的窗函数有高斯窗、B样条窗、sinc窗、凯泽窗。

第7步、将主干涉仪采集信号利用窗函数进行加权，即除以窗函数的快速傅里叶变换式；

第8步、选择过采样因子，并对第7步加权后的原信号进行过采样快速傅里叶变换；

第9步、利用第8步的信号与窗函数进行卷积，实际上对等间距的频率点进行插值，即得到非均匀快速傅里叶变换处理后的、消除光频非线性扫描影响的原信号。

第5步所述的非均匀快速傅里叶变换方法包括：窗函数法、最小二乘法以及最大最小值法。本发明优选窗函数法。

第6步所述的窗函数包括：高斯窗、B样条窗、sinc窗和凯泽窗。

本发明采用非均匀快速傅里叶变换技术(NUFFT，Nouniform Fast Fourier Transform)抑实现制光频域反射仪中激光器的光频非线性扫描的影响。

本发明抑制光频域反射仪激光器的光频非线性扫描的方法是，首先利用附加干涉仪的拍频干涉信号和希尔伯特算法，提取出光频信息，再利用非均匀快速傅里叶变换技术(NUFFT，NouniformFast Fourier Transform)对主干涉仪的拍频信息进行处理，达到抑制光频非线性扫描的效果，常用的NUFFT方法有，窗函数法、最小二乘法以及最大最小值法，本发明采用的是窗函数法。

一、利用附加干涉仪提取光频的基本原理

附加干涉仪干涉信号为：

x₀、ξ₀为拍频信号恒定的幅值和相位，

分别在n采样点时间的相位以及在采样点时间n-τ的相位。

其中，v(n)＝V₀+δv(n)＝V₀+γn为激光器光频，其中忽略高阶项ξ₀≈0(2)式可以化为

对(1)式进行希尔伯特变换得到

2πv(n)τ+ξ₀＝tan^-1[HT{y(n)}/y(n)](5)

其中

为两臂产生的时延差，ΔL为两臂长度差，本系统为100m。n_b为光纤的群折射率，c为光速。

$v\left(n\right)=\frac{1}{{2\mathrm{\πn}}_g}\frac{c}{\mathrm{\ΔL}}{\tan }^{-1}\left[\mathrm{HT}\right\{y\left(n\right)\}/y\left(n\right)]---\left(6\right)$

这样就得到各个采样点n的光频v(n)。

二、非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)方法原理

对于光频域反射仪原始采集的时域信号为x_n，光频域反射仪的频域信号为X(v)，其v对应测试光纤各个位置。

根据傅里叶变换关系存在以下关系：

$X\left(v\right)=\underset{n=-N/2}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{e}^{-i2\mathrm{\πnv}}---\left(7\right)$

其中v(n)为采集的归一化离散光频值v∈[-1/2，1/2]，引入过采样因子α(α＞1)，K＝αN，引入适当的窗函数

将其以1为周期进行延拓得到：

具有绝对收敛的傅里叶级数

记I_N＝{n：-N/2≤n≤N/2-1}，用如下函数来近似X(v)：

转换到频域：

其中，

${\hat{g}}_n=\underset{k\∈I_k}{\mathrm{\Σ}}{g}_k{e}^{2\mathrm{\πkn}/K}$ 其中

这样，利用长度为K的FFT可计算出g_k的值，此时的

通常为尺度因子，它在进行过采样FFT之前对x_n起到预先平滑的作用，能够部分地消除采样光频不等间隔的影响。若

在时域有很好的集中性，可被具有紧支撑的函数

近似，其支撑区间满足

2J＜＜K，计算x_n的频域信号X(v_j)时至多需要邻域的2J个点参与运算，大大减小计算量，这样X(v_j)可以近似得到：

其中 $I_{K,J\left(v_j\right)}:=\{k\∈I_N:{\mathrm{Kv}}_j-J\≤k\≤{\mathrm{Kv}}_j+J\}.$

本发明的优点和积极效果：

本发明采用非均匀快速傅里叶变换技术(NUFFT，Nouniform Fast Fourier Transform)对主干涉仪的拍频信息进行处理，达到抑制光频非线性扫描的效果，提高光频域反射仪的空间分辨率。本发明可以有效的抑制由于激光器光频非线性扫描带来的光频域反射仪的空间分辨率的恶化，即压窄了光纤背向散射反射峰300倍以上。

此外，本发明对硬件采集电路要求低，且不会降低采集装置的带宽，便于应用到长距离光频反射仪中。

附图说明

图1是抑制光频域反射仪激光器光频非线性扫描影响的装置示意图；

图中，1是扫描激光器、2是探测器、3是环形器、4是1:99分束器、5是第一50:50耦合器、6是附加干涉仪、7是延迟光纤、8是第一法拉第转镜、9是第二法拉第转镜、10是第三法拉第转镜、11是参考臂、12是测试臂、13是待测光纤、14是第二50:50耦合器、15是平衡探测器、16是采集装置、17是计算机、18是主干涉仪、19是隔离器。

图2是抑制光频域反射仪激光器光频非线性扫描影响的方法及步骤；

图3是提取的附加干涉仪的相位信息；

图4是提取归一化激光器光频，并与直线对比；

图5是未采取NUFFT处理的光频域反射仪待测光纤为10km的频域信号；

图6是采取NUFFT处理的光频域反射仪的待测光纤为10km的频域信号；

图7是采取NUFFT处理的光频域反射仪待测光纤为10km的频域信号局部放大。

具体实施方式

实施例1、抑制光频域反射仪的激光器非线性扫描影响的装置

如图1所示，该装置包括：

扫描激光器1：用于为光频域反射系统提供光源，其光频能够进行线性扫描；

1:99光分束器4：激光器的出射光由光分束器的第一端口1进入，并以1∶99的比例分别从第二、第三端口2、3分配到附加干涉仪6和主干涉仪18；

附加干涉仪6：用于对激光器光频的采集和监控；包括隔离器19、第一50:50耦合器5、第一法拉第转镜8和第二法拉第转镜9、延迟光纤7和探测器2；

隔离器、防止附加干涉仪中第一50:50耦合器的第二端口的反射光进入激光器；第一50:50耦合器、用于光干涉，光从第一50:50耦合器的第二端口进入，从第三、第四端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜和第二法拉第转镜反射，返回到第三、第四端口，两束光在第一50:50耦合器中发生干涉，从第一端口输出；两个法拉第转镜、用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象；延迟光纤、用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频；探测器、用于采集第一50:50耦合器从第一端口的出射光，即附加干涉仪的拍频信号；

主干涉仪：是光频域反射仪的核心，包括环行器3、第二50:50耦合器14、参考臂11及第三法拉第转镜10、测试臂12及待测光纤13和平衡探测器15；

环行器、作用是光从环行器的第一端口进入，从第二端口出射，而从第二端口进入的反射光，从环行器的第三端口出射；第二50:50耦合器、作用是，将由第一端口进入的光分为两束从第三、第四端口出射，分别进入参考臂和测试臂，从参考臂末端的第三法拉第转镜的反射光以及测试臂中待测光纤各个位置的背向散射光分别进入第二50:50耦合器的第三、第四端口，在第二50:50耦合器中进行拍频干涉，从第二50:50耦合器的第一端口和第二端口输出；平衡探测器、作用是接收从环行器第三端口的出射光以及从第二50:50耦合器的第二端口的出射光，能够抑制共模噪声并提高系统信噪比3dB；

采集装置16：用于采集附加干涉仪中的探测器和主干涉仪中的平衡探测器采集的干涉信号；

计算机17：对采集装置采集的干涉信号进行数据处理，包括对干涉信号进行快速傅里叶变换，得到待测光纤中距离与反射光信号的关系，以及利用非均匀快速傅里叶变换技术(NUFFT，Nouniform Fast Fourier Transform)用于抑制光频域反射仪激光器的光频非线性扫描的影响。

实施例2、抑制光频域反射仪的激光器非线性扫描影响的方法

如图2所示，本发明方法的步骤是：

第1步，对附加干涉仪采集的拍频信号进行预处理带通滤波，得到信号

其中，x₀，ξ₀为拍频信号恒定的幅值和相位，

分别在n采样点时间的相位，以及在采样点时间n-τ的相位。

第2步，对上一步信号(15)进行希尔伯特变换

第3步，将上述(15)与(16)相除，采用反正切运算得到附加干涉仪拍频信号的相位信息如图3所示，并进行相位展开：

第4步，对相位信息进行归一化如图4所示，由于光频与相位成正比

其中v(n)为在n采样点时刻的光频，相位信息对应光频信息。v(n)归一化后离散光频值v∈[-1/2，1/2]。

第5步，选择合适非均匀快速傅里叶变换方法(NUFFT)，常用非均匀快速傅里叶变换方法有，窗函数法、最小二乘法以及最大最小值法，本发明采用的是窗函数法。

第6步，选择合适的窗函数，对于非均匀快速傅里叶变换常见的窗函数有高斯窗、B样条窗、sinc窗、凯泽窗。本方面采用的是凯泽窗，设凯泽窗的窗函数是

选择过采样因子α(α＞1)，K＝αN，x(n)信号长度为N，其中n∈[-N/2，N/2-1]。

第7步，是对与原信号长度相同N点的窗函数进行快速傅里叶变换

第8步，将原信号利用窗函数进行加权，即除以窗函数的快速傅里叶变换式

第9步，并对加权后的原信号进行过采样快速傅里叶变换。

${\hat{g}}_k:=\frac{1}{K}\underset{n\∈I_N}{\mathrm{\Σ}}{\hat{g}}_n{e}^{2\mathrm{\πikn}/K},k\∈I_K---\left(21\right)$

第10步，利用第9步的信号与窗函数进行卷积，实际上对等间距的频率点进行插值。即得到NUFFT处理后的信号X(v_j)

其中j∈I_N， $I_{K,J\left(v_j\right)}:=\{k\∈I_N:{\mathrm{Kv}}_j-J\≤k\≤{\mathrm{Kv}}_j+J\}$

如图5和图6分别为未采取NUFFT处理的光频域反射仪待测光纤为10km的频域信号和采取NUFFT处理的的频域信号对比，其中在待测光纤10km处加入一个PC接头，这样就存在4％菲涅尔反射。图5中的菲涅尔反射峰在归一化光强一半的宽度很宽达到将近5km，光频域反射仪的空间分辨率严重恶化。图6为经过NUFFT处理后的信号，菲涅尔反射峰被明显压窄，光频域反射仪的空间分辨率得到了保证。从图7为图6局部放大图，得到菲涅尔反射峰在归一化光强一半的宽度为15m，较未处理信号的峰宽度压窄了近300倍。

Claims (4)

1.一种抑制光频域反射仪的激光器非线性扫描影响的装置，其特征在于该装置包括：

扫描激光器：用于为光频域反射系统提供光源，其光频能够进行线性扫描；

1：99光分束器：激光器的出射光由光分束器的第一端口进入，并以1：99的比例分别从第二、第三端口分配到附加干涉仪和主干涉仪；

附加干涉仪：用于对激光器光频的采集和监控；包括隔离器、第一50：50耦合器、第一法拉第转镜和第二法拉第转镜、延迟光纤和探测器；

隔离器、防止附加干涉仪中第一50：50耦合器的第二端口的反射光进入激光器；第一50：50耦合器、用于光干涉，光从第一50：50耦合器的第二端口进入，从第三、第四端口出射，分别被两臂的第一法拉第转镜和第二法拉第转镜反射，返回到第三、第四端口，两束光在第一50：50耦合器中发生干涉，从第一端口输出；两个法拉第转镜、用于为干涉仪提供反射，且能够消除干涉仪的偏振衰落现象；延迟光纤、用于实现非等臂的拍频干涉，能够根据拍频和延迟光纤长度得到光频；探测器、用于采集第一50：50耦合器从第一端口的出射光，即附加干涉仪的拍频信号；

主干涉仪：是光频域反射仪的核心，包括环行器、第二50：50耦合器、参考臂及第三法拉第转镜、测试臂及待测光纤和平衡探测器；

环行器、作用是光从环行器的第一端口进入，从第二端口出射，而从第二端口进入的反射光，从环行器的第三端口出射；第二50：50耦合器、作用是，将由第一端口进入的光分为两束从第三、第四端口出射，分别进入参考臂和测试臂，从参考臂末端的第三法拉第转镜的反射光以及测试臂中待测光纤各个位置的背向散射光分别进入第二50：50耦合器的第三、第四端口，在第二50：50耦合器中进行拍频干涉，从第二50：50耦合器的第一端口和第二端口输出；平衡探测器、作用是接收从环行器第三端口的出射光以及从第二50：50耦合器的第二端口的出射光，能够抑制共模噪声并提高系统信噪比3dB；

采集装置：用于采集附加干涉仪中的探测器和主干涉仪中的平衡探测器采集的干涉信号；

计算机：对采集装置采集的干涉信号进行数据处理，包括对干涉信号进行快速傅里叶变换，得到待测光纤中距离与反射光信号的关系，以及利用非均匀快速傅里叶变换技术用于抑制光频域反射仪激光器的光频非线性扫描的影响。

2.一种采用权利要求1所述的装置抑制光频域反射仪激光器的光频非线性扫描影响的方法，其特征在于该方法的步骤是：

第1步、将附加干涉仪采集的拍频信号进行预处理带通滤波；

第2步、对上一步预处理后的信号进行希尔伯特变换，变换后的信号与原信号相除，得到拍频信号的相位信息；

第3步、采用反正切运算得到附加干涉仪拍频信号的相位信息，并进行相位展开；

第4步、对第3步得到的相位信息进行归一化，由于光频与相位成正比，相位信息对应光频信息；

第5步、选择非均匀快速傅里叶变换方法；

第6步、选择窗函数及窗系数，对与原信号长度相同的窗函数进行快速傅里叶变换；

对于NUFFT常见的窗函数有高斯窗、B样条窗、sinc窗、凯泽窗;

第7步、将主干涉仪采集信号利用窗函数进行加权，即除以窗函数的快速傅里叶变换式；

第8步、选择过采样因子，并对第7步加权后的原信号进行过采样快速傅里叶变换；

第9步、利用第8步的信号与窗函数进行卷积，实际上对等间距的频率点进行插值，即得到非均匀快速傅里叶变换处理后的、消除光频非线性扫描影响的原信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于第5步所述的非均匀快速傅里叶变换方法包括：窗函数法、最小二乘法以及最大最小值法。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于第6步所述的窗函数包括：高斯窗、B样条窗、sinc窗和凯泽窗。

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