CN102997937B - 一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置和解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置和方法，包括可调谐激光器、1∶99光分束器、调谐信号控制模块、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统、主干涉仪系统和计算机。光源相位噪声会严重影响光频域反射方法的空间分辨率和测试距离。本发明采用基于辅助干涉仪的光源相位噪声监测系统，实时采集光源的相位噪声，并通过相关算法对主干涉仪系统的输出信号进行补偿。该算法的思想是对光源出射光和待测光纤中反射光的相位噪声采取分别补偿的方式，其中待测光纤中反射光的相位噪声补偿是利用菲涅尔变换实现。

Description

一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置和解调方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感仪器技术领域。具体涉及一种用于光频域反射方法的光源相位噪声抑制装置和方法。

背景技术

在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方法（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。

光频域反射方法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方法中的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（FFT,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，如果激光器输出光存在相位噪声（包括非线性调谐的寄生相位），即使采用FFT算法，由于自变量非等间隔采样，会造成光频域反射计的空间分辨率严重恶化。但是目前常见激光器一定会存在有相位噪声，

发明内容

针对上述现有技术，以消除光源相位噪声对光频域反射方法影响，本发明提出一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置和方法。

为了解决上述技术问题，本发明一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置予以实现的技术方案是：包括可调谐激光器、1：99光分束器、调谐信号控制模块、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统、主干涉仪系统和计算机；

所述可调谐激光器，用于为系统提供光源，光源采用超窄线宽线性调谐回音壁模式自注入锁模激光光源，其光频能够实现线性扫描，光源由调谐信号控制模块控制，所述调谐信号控制模块根据要求产生三角波或锯齿波来驱动可调谐激光器；

1：99光分束器，可调谐激光器的出射光由所述1:99光分束器的a端口进入，并以1：99的比例分别从所述1：99光分束器的b端口和c端口分配到基于辅助干涉仪的光相位监测系统和主干涉仪系统；

基于辅助干涉仪的光源相位监测系统：采集实时的光源输出光相位信息，其结构包括隔离器、第一50：50耦合器、第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜、延迟光纤和探测器；

隔离器用于防止第一50：50耦合器的b端口的反射光进入可调谐激光器；

第一50：50耦合器用于光干涉，光从第一50：50耦合器的b端口进入，从第一50：50耦合器的c端口和d端口出射，分别被基于辅助干涉仪的时钟触发系统的两臂的第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜反射，并返回到第一50：50耦合器的c端口和d端口，两束光在第一50：50耦合器中发生干涉，从第一50：50耦合器的a端口输出；

第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜基于辅助干涉仪的光源相位监测系统提供反射，并且能够消除偏振衰落现象；

延迟光纤用于实现非等臂的拍频干涉；

探测器用于采集第一50：50耦合器a端口的出射光；

主干涉仪系统包括环行器、50：50分束器，第二50：50耦合器、参考臂、测试臂、偏振控制器、待测光纤和平衡探测器以及采集装置；50：50分束器作用是马赫-泽德干涉仪分束，光从50：50分束器的a端口进入，经过50：50分束器的b端口进入参考臂的偏振控制器，经过50：50分束器的c端口进入测试臂的环行器的a端口；

参考臂上的偏振控制器：调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致；

测试臂上的环行器：光从环行器的a端口进入，从环行器的c端口进入待测光纤，而待测光纤的背向散射光从环行器的c端口进入，从环行器的b端口输出；

第二50：50耦合器：将参考臂上的参考光与测试臂上背向散射光通过第二50：50耦合器的a端口和b端口进入该第二耦合器进行合束，形成拍频干涉并从该第二50：50耦合器的c端口和d端口输出；平衡探测器分别接入第二50：50耦合器的c端口和d端口；所述平衡探测器用于采集第二50：50耦合器c端口和d端口的出射光；

所述平衡探测器和所述探测器将光信号转换为电信号；采集装置将平衡探测器和探测器输出的模拟电信号采集到计算机；其中，计算机对采集装置采集的干涉信号进行数据处理，实现利用基于辅助干涉仪的光源相位监测系统监测的光源相位信息和相位噪声校正算法对主干涉仪系统的输出信号进行处理。

本发明一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置的解调方法包括以下步骤：

第一步，基于辅助干涉仪的光源相位监视系统输出信号A，对信号A进行希尔伯特变换和相位展开得到辅助干涉仪输出信号的相位变化信号A1；利用谱分析和微分法估计出信号A1中相位变化中的线性变化成分，进而得到非线性成分信号A2，对信号A2利用泰勒级数展开法，得到光源发射的非线性相位，对非线性相位变换为复指数信号A3；

与此同时，主干涉仪输出信号S，利用希尔伯特变换得到复指数信号S1；

第二步，将信号A3的共轭进行菲涅尔变换得到信号A4；

与此同时，对信号S1相乘信号A3,去掉光源发射非线性得到信号S2，对信号S2进行菲涅尔变换得到信号S3；

第三步，将信号S3与信号A4的共轭相乘即可得到抑制相位噪声后的信号S4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明使得光频域反射装置在采用本方法后对反射点（由于法兰盘连接或跳线末端）的空间分辨率提高125倍。在10km位置的反射点空间分辨率为20cm，在40km处的反射点空间分辨率为50cm，在80km处反射点空间分辨率为1.6m。

附图说明

图1是一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置示意图；

图1中：1-可调谐激光器，2-探测器，3-50:50分束器，4-1：99分束器，5-第一50:50耦合器，6-调谐信号控制模块，7-延迟光纤，8-第一法拉第转镜，9-第二法拉第转镜，10-隔离器，11-计算机，12-偏振控制器，13-环形器，14-第二50:50耦合器，15-待测光纤，16-平衡探测器，17-采集装置，18-参考臂，19-测试臂，20-主干涉系统，21-基于辅助干涉仪的光源相位监测系统；

图2是本发明可抑制光源相位噪声的光频域反射装置解调方法步骤框图；

图3是未抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线；

图4是未抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线的在80km处末端APC头跳线的反射点；

图5是抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线；

图6是抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线的在10km处APC头连接法兰的反射点；

图7是抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线的在40km处APC头连接法兰的反射点；

图8是抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线的在80km处APC头连接法兰的反射点。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明为一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置包括：可调谐激光器1、1：99光分束器4、调谐信号控制模块6、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统21、主干涉仪系统20和计算机11。

可调谐激光器1：用于为系统提供光源，光源采用超窄线宽线性调谐回音壁模式自注入锁模激光光源，其光频能够实现线性扫描，光源由调谐信号控制模块6控制，所述调谐信号控制模块6根据要求产生三角波或锯齿波来驱动可调谐激光器1。

1：99光分束器4：可调谐激光器1的出射光由所述1:99光分束器4的a端口进入，并以1：99的比例分别从所述1：99光分束器4的b端口和c端口分配到基于辅助干涉仪的光相位监测系统21和主干涉仪系统20。

基于辅助干涉仪的光源相位监测系统21：采集实时的光源输出光相位信息，其结构包括隔离器10、第一50：50耦合器5、第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9、延迟光纤7和探测器2。隔离器10用于防止第一50：50耦合器5的b端口的反射光进入可调谐激光器1。第一50：50耦合器5用于光干涉，光从第一50：50耦合器5的b端口进入，从第一50：50耦合器5的c端口和d端口出射，分别被基于辅助干涉仪的时钟触发系统21的两臂的第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9反射，并返回到第一50：50耦合器5的c端口和d端口，两束光在第一50：50耦合器5中发生干涉，从第一50：50耦合器5的a端口输出。第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9基于辅助干涉仪的光源相位监测系统21提供反射，并且能够消除偏振衰落现象。延迟光纤7用于实现非等臂的拍频干涉。探测器2用于采集第一50：50耦合器5a端口的出射光。

主干涉仪系统20包括环行器13、50：50分束器3，第二50：50耦合器14、参考臂18、测试臂19、偏振控制器12、待测光纤15和平衡探测器16以及采集装置17。50：50分束器3作用是马赫-泽德干涉仪分束，光从50：50分束器3的a端口进入，经过50：50分束器3的b端口进入参考臂18的偏振控制器12，经过50：50分束器3的c端口进入测试臂19的环行器13的a端口。参考臂18上的偏振控制器12：调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致。测试臂19上的环行器13：光从环行器13的a端口进入，从环行器13的c端口进入待测光纤15，而待测光纤15的背向散射光从环行器13的c端口进入，从环行器13的b端口输出。第二50：50耦合器14：将参考臂18上的参考光与测试臂19上背向散射光通过第二50：50耦合器14的a端口和b端口进入该第二耦合器14进行合束，形成拍频干涉并从该第二50：50耦合器14的c端口和d端口输出；平衡探测器16分别接入第二50：50耦合器14的c端口和d端口；所述平衡探测器16用于采集第二50：50耦合器14c端口和d端口的出射光。所述平衡探测器16和所述探测器2将光信号转换为电信号。采集装置17将平衡探测器16和探测器2输出的模拟电信号采集到计算机11。

计算机11对采集装置17采集的干涉信号进行数据处理，实现利用基于辅助干涉仪的光源相位监测系统监测的光源相位信息和相位噪声校正算法对主干涉仪系统的输出信号进行处理。

如图2所示，本发明解调方法的步骤是：

第一步，基于辅助干涉仪的光源相位监视系统输出信号A，对信号A进行希尔伯特变换和相位展开得到辅助干涉仪输出信号的相位变化信号A1；利用谱分析和微分法估计出信号A1中相位变化中的线性变化成分，进而得到非线性成分信号A2，对信号A2利用泰勒级数展开法，得到光源发射的非线性相位，对非线性相位变换为复指数信号A3；

与此同时，主干涉仪输出信号S，利用希尔伯特变换得到复指数信号S1；

第二步，将信号A3的共轭进行菲涅尔变换得到信号A4；

与此同时，对信号S1相乘信号A3,去掉光源发射非线性得到信号S2，对信号S2进行菲涅尔变换得到信号S3；

第三步，将信号S3与信号A4的共轭相乘即可得到抑制相位噪声后的信号S4。

这里的菲涅尔变换在时域可以表示为，设输入信号为S(t)，输出信号为S_α(f)

$S_{\mathrm{\α}}\left(t\right)=\sqrt{-\mathrm{j\α}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}s\left(t^{\′}\right)\exp \left[\mathrm{j\π}{(t-t^{\′})}^2\right]d{t}^{\′}$

这里α为激光器的调谐速率。

设输入信号S(t)在频域可以表示为S(f)，输出信号S_α(f)在频域可以表示为S_α(f)，菲涅尔变换在频域上可以表示为：

$S_{\mathrm{\α}}\left(f\right)=S\left(f\right)\exp (-\mathrm{j\π}\frac{f^2}{\mathrm{\α}})$

其中f为信号频率。

由于菲涅尔变换频域比较容易实现，一般对信号进行菲涅尔变换时是在频域进行。

利用上述装置和解调方法对一段80km长的普通单模通讯光纤进行测试。其中在10km处，30km处，40km处设置FC/APC法兰，在80km末端设置一个APC光纤跳线。当未抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线如图3所示，由于光源相位噪声影响FC/APC法兰的反射点没有测出，末端APC光纤跳线空间分辨率很差达到200m，如图4所示。抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线如图5所示。10km处FC/APC法兰的反射点的空间分辨率为20cm如图6所示，40km处FC/APC法兰的反射点的空间分辨率为50cm如图7所示，末端APC光纤跳线的空间分辨率到1.6m如图8所示，较未抑制光源相位噪声的光频域反射装置时提高了125倍。实验结果表明：该装置和方法较好的抑制了光源相位噪声，极大提供了系统的空间分辨率。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种可抑制光源相位噪声的光频域反射装置的解调方法，采用如下结构的可抑制光源相位噪声的光频域反射装置，该装置包括：可调谐激光器(1)、1：99光分束器(4)、调谐信号控制模块(6)、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统(21)、主干涉仪系统(20)和计算机(11)；其中：

可调谐激光器(1)：用于为系统提供光源，光源采用超窄线宽线性调谐回音壁模式自注入锁模激光光源，其光频能够实现线性扫描，光源由调谐信号控制模块(6)控制，所述调谐信号控制模块(6)根据要求产生三角波或锯齿波来驱动可调谐激光器(1)；

1：99光分束器(4)：可调谐激光器(1)的出射光由所述1:99光分束器(4)的a端口进入，并以1：99的比例分别从所述1：99光分束器(4)的b端口和c端口分配到基于辅助干涉仪的光相位监测系统(21)和主干涉仪系统(20)；

基于辅助干涉仪的光源相位监测系统(21)：采集实时的光源输出光相位信息，其结构包括隔离器(10)、第一50：50耦合器(5)、第一法拉第旋转镜(8)和第二法拉第旋转镜(9)、延迟光纤(7)和探测器(2)；

隔离器(10)用于防止第一50：50耦合器(5)的b端口的反射光进入可调谐激光器(1)；

第一50：50耦合器(5)用于光干涉，光从第一50：50耦合器(5)的b端口进入，从第一50：50耦合器(5)的c端口和d端口出射，分别被基于辅助干涉仪的时钟触发系统(21)的两臂的第一法拉第旋转镜(8)和第二法拉第旋转镜(9)反射，并返回到第一50：50耦合器(5)的c端口和d端口，两束光在第一50：50耦合器(5)中发生干涉，从第一50：50耦合器(5)的a端口输出；

第一法拉第旋转镜(8)和第二法拉第旋转镜(9)基于辅助干涉仪的光源相位监测系统(21)提供反射，并且能够消除偏振衰落现象；

延迟光纤(7)用于实现非等臂的拍频干涉；

探测器(2)用于采集第一50：50耦合器(5)a端口的出射光；

主干涉仪系统(20)包括环行器(13)、50：50分束器(3)，第二50：50耦合器(14)、参考臂(18)、测试臂(19)、偏振控制器(12)、待测光纤(15)和平衡探测器(16)以及采集装置(17)；

50：50分束器(3)作用是马赫-泽德干涉仪分束，光从50：50分束器(3)的a端口进入，经过50：50分束器(3)的b端口进入参考臂(18)的偏振控制器(12)，经过50：50分束器(3)的c端口进入测试臂(19)的环行器(13)的a端口；

参考臂(18)上的偏振控制器(12)：调节参考光偏振态，使其在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致；

测试臂(19)上的环行器(13)：光从环行器(13)的a端口进入，从环行器(13)的c端口进入待测光纤(15)，而待测光纤(15)的背向散射光从环行器(13)的c端口进入，从环行器(13)的b端口输出；

第二50：50耦合器(14)：将参考臂(18)上的参考光与测试臂(19)上背向散射光通过第二50：50耦合器(14)的a端口和b端口进入该第二耦合器(14)进行合束，形成拍频干涉并从该第二50：50耦合器(14)的c端口和d端口输出；平衡探测器(16)分别接入第二50：50耦合器(14)的c端口和d端口；所述平衡探测器(16)用于采集第二50：50耦合器(14)c端口和d端口的出射光；

所述平衡探测器(16)和所述探测器(2)将光信号转换为电信号；

采集装置(17)将平衡探测器(16)和探测器(2)输出的模拟电信号采集到计算机(11)；其中，计算机(11)对采集装置(17)采集的干涉信号进行数据处理，实现利用基于辅助干涉仪的光源相位监测系统监测的光源相位信息和相位噪声校正算法对主干涉仪系统的输出信号进行处理。

其特征在于：解调方法包括以下步骤：

第一步，基于辅助干涉仪的光源相位监视系统输出信号A，对信号A进行希尔伯特变换和相位展开得到辅助干涉仪输出信号的相位变化信号A1；利用谱分析和微分法估计出信号A1中相位变化中的线性变化成分，进而得到非线性成分信号A2，对信号A2利用泰勒级数展开法，得到光源发射的非线性相位，对非线性相位变换为复指数信号A3；

与此同时，主干涉仪输出信号S，利用希尔伯特变换得到复指数信号S1；

第二步，将信号A3的共轭进行菲涅尔变换得到信号A4；

与此同时，对信号S1相乘信号A3,去掉光源发射非线性得到信号S2，对信号S2进行菲涅尔变换得到信号S3；

第三步，将信号S3与信号A4的共轭相乘即可得到抑制相位噪声后的信号S4。