CN103940513B - 一种实现光谱测量动态范围改善的方法及光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现光谱测量动态范围改善的方法及光谱测量系统，包括步骤(1)将待测光信号分成两路，一路光信号与反向传输的泵浦光发生受激布里渊散射，使得SBS增益谱带宽内的波长被放大，再将光信号经过功率衰减后，转化为相应的第一电信号；另一路光信号作为参考信号，经过功率衰减后转化为相应的第二电信号；(2)将第一电信号与第二电信号进行相减处理，得到消除了SBS增益带外光谱成分的待测信号光谱。本发明可以消除信号处于SBS增益谱带宽外的光谱成分对光谱测量的影响，从而降低信号噪声，有效提高光谱仪的动态范围。即使当两个光谱成分的功率水平相差很大，并且它们的频率十分接近时，也能够准确探测到其中功率较小的那个频率成分，使它不会被噪声淹没。

Description

一种实现光谱测量动态范围改善的方法及光谱测量系统

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，更具体地，涉及一种实现光谱测量动态范围改善的方法及光谱测量系统。

背景技术

随着新一代光纤通信系统与网络的发展，更小的信道波长间隔，更复杂的信号光谱细节，对传统的基于体光栅的光谱分析技术的分辨率(1GHz左右)提出了极大的挑战。因此顺应需求，出现了一种新的基于受激布里渊散射(SBS，StimulatedBrillouinScattering)效应的光谱分析技术。基于SBS效应的超高分辨率光谱分析方法利用了光纤中SBS增益带宽非常窄(10～100MHz量级)的特点，对被测信号处于SBS增益带宽内的光谱成分进行放大，对SBS增益带宽外的光谱成分不起作用，因此我们可以将SBS效应等效于一个极窄带的滤波器，从而实现超高分辨率的波长提取。利用可调谐滤波器作为泵浦源，通过连续波长扫描的方式获得待测信号的超高分辨率光谱(10MHz左右)。

然而，在实际应用中，基于SBS效应的超高分辨率光谱分析系统中噪声的来源多种多样，其中包含有泵浦光的强度与相位噪声、光放大器的ASE噪声、探测器的散粒噪声和热噪声以及被测信号中处于SBS增益带宽外的信号成分等。除了SBS增益带宽内被放大的光谱成分以外，SBS增益带宽外未被放大的那一部分光谱成分也会几乎无损失的被光探测器接收，甚至可能会淹没SBS增益带宽内的光谱成分。动态范围作为衡量光谱分析能力的关键指标之一，它很大程度上取决于系统噪声累积后形成的噪声底线。而这种处于SBS增益带宽外光谱成分的噪声来源与基于SBS效应的超高分辨率光谱分析机理自身特点密切相关，相比于其他噪声来源，会更加显著的劣化测量的动态范围。当两个光谱成分的功率水平相差很大，并且它们的频率十分接近时，我们就无法准确探测到其中功率较小的那个频率成分。期刊文献(StefanPreussler，AviZadok，AndrzejWiatrek，MosheTur，andThomasSchneider，“EnhancementofspectralresolutionandopticalrejectionratioofBrillouinopticalspectralanalysisusingpolarizationpulling”，June2012/Vol.20，No.13/OPTICSEXPRESS14734)中介绍了一种利用偏振态来区分被放大光谱成分和未被放大光谱成分的方法。主要原理是基于信号中被放大的光谱成分的偏振态会随着泵浦光的偏振态变化，但未被放大的光谱成分的偏振态则与泵浦光的偏振态无关，由此分离出处于SBS增益带宽外未被放大的光谱成分。但此方法并不适用于非偏振的信号，适用范围受限。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种实现光谱测量动态范围改善的方法及光谱测量系统，旨在解决现有技术未有对光谱分析时的噪声提出较为全面的抑制方案，通过偏振控制器区分放大光和未放大光方法导致非偏振的信号不适用的问题。

本发明提供了一种实现光谱测量动态范围改善的方法，包括下述步骤：

(1)将待测光信号分成两路，一路光信号与反向传输的泵浦光发生受激布里渊散射，使得SBS增益谱带宽内的波长被放大，再将光信号经过功率衰减后，转化为相应的第一电信号；另一路光信号作为参考信号，经过功率衰减后，转化为相应的第二电信号；

(2)将所述第一电信号与所述第二电信号进行相减处理，得到消除了SBS增益带外光谱成分的待测信号光谱。

其中，所述泵浦光的线宽小于所述SBS增益谱的带宽一个量级。

本发明还提供了一种光谱测量系统，包括耦合器、SBS滤波器、第一衰减器、第二衰减器、第一光电探测器、第二光电探测器和相减处理单元；所述耦合器的输入端用于与待测光信号相连；所述耦合器的第一输出端与所述SBS滤波器的输入端相连，所述SBS滤波器的输出端与所述第一衰减器的输入端相连，所述第一衰减器的输出端与所述第一光电探测器的输入端相连；所述耦合器的第二输出端与所述第二衰减器的输入端相连，所述第二衰减器的输出端与所述第二光电探测器的输入端相连；所述第一光电探测器的输出端和所述第二光电探测器的输出端分别与相减处理单元的两个输入端相连。

其中，所述耦合器将待测光信号分成两路信号，一路信号通过所述SBS滤波器，使在SBS增益谱带宽内的信号光得到放大，再通过所述第一衰减器衰减后被所述第一光电探测器检测，并将光信号变成第一电信号，另一路信号通过所述第二衰减器衰减后被所述第二光电探测器检测，并将光信号变成第二电信号，所述相减处理单元将第一电信号与第二电信号进行相减处理，得到消除了SBS增益谱带宽外光谱成分的待测信号光谱。

其中，所述SBS滤波器包括可调谐激光器、光放大器、第一隔离器、第三衰减器、环形器、第一偏振控制器、非线性光纤和第二偏振控制器；所述可调激光器的输出端与所述光放大器的输入端相连；所述光放大器的输出端与所述第一隔离器的输入端相连，用于控制激光输出方向，抑制回波对激光器的影响；所述第一隔离器的输出端与所述第三衰减器的输入端相连，用于将产生的窄线宽泵浦激光调节至需要的功率水平，使得泵浦光能与待测光信号发生充分的受激布里渊散射；所述第三衰减器的输出端与所述环形器的第一端口相连；所述环形器的第二端口顺次与所述第一偏振控制器、所述非线性光纤、所述第二偏振控制器相连，用于在此段光纤中控制泵浦光和信号光的偏振态，并使泵浦光和信号光发生SBS效应进行滤波放大；所述第二偏振控制器的剩余端口作为SBS滤波器的输入端；所述环形器的第三端口作为SBS滤波器的输出端。

其中，所述第一光衰减器用于调整一路光束的总衰减系数，所述第二光衰减器用于调整另一路光束的总衰减系数，使得两路信号光的总的衰减系数相同。

其中，所述光谱测量系统还包括：第二隔离器，所述第二隔离器的输入端与待测光信号相连；所述第二隔离器的输出端与所述耦合器的输入端连接。

其中，所述相减处理单元包括：第一数据采集单元、第二数据采集单元和第一数据处理单元；所述第一数据采集单元的输入端连接至所述第一光电探测器的输出端，所述第一数据采集单元的输出端与所述第一数据处理单元连接；用于采集上一路产生的第一电信号；所述第二数据采集单元的输入端连接至所述第二光电探测器的输出端，所述第二数据采集单元的输出端与所述第一数据处理单元连接；用于采集下一路产生的第二电信号；所述第一数据处理单元用于将所述第一电信号与所述第二电信号进行相减处理，获得消除了SBS增益谱带宽外光谱的待测信号光光谱。

其中，所述相减处理单元包括第二数据处理单元，输入端连接至所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的输出端，用于将两路电信号进行相减处理，得到消除了SBS增益带外光谱的待测信号光谱。

本发明可以消除信号处于SBS增益谱带宽外的光谱成分对光谱测量的影响，从而降低信号噪声，有效提高光谱仪的动态范围。即使当两个光谱成分的功率水平相差很大，并且它们的频率十分接近时，也能够准确探测到其中功率较小的那个频率成分，使它不会被噪声淹没。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种在受激布里渊散射光谱分析中消除背景噪声提高动态范围方法的整体流程示意图。

图2为本发明的一个实施例所构建的消除背景噪声方法的主体结构示意图。

图3为本发明的另外一个实施例所构建的消除背景噪声方法的主体结构示意图。

图4是本发明实施例提供的实现光谱测量动态范围改善的光谱测量系统的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种可以消除背景噪声的方法，用于消除信号处于SBS增益带外的光谱成分对光谱测量的影响，从而降低信号噪声，有效提高光谱仪的动态范围。由此，即使当两个光谱成分的功率水平相差很大，并且它们的频率十分接近时，我们也能够准确探测到其中功率较小的那个频率成分，使它不会被噪声淹没。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种通过消除带外背景噪声实现光谱测量动态范围改善的方法，包括：

(1)将待测光信号分成两路，一路光信号与反向传输的泵浦光发生受激布里渊散射，使得SBS增益带宽内的波长被放大，再将光信号经过功率衰减后，转化为相应的第一电信号；另一路光信号作为参考信号，同样经过功率衰减后，转化为相应的第二电信号；

(2)将两路输出的第一电信号与第二电信号通过软件编程或硬件差分电路的方法进行相减，得到消除了SBS增益带外光谱成分的待测信号光谱。

按照本发明的另一方面，还提供了一种通过消除带外背景噪声实现光谱测量动态范围改善的装置：具体包括：耦合器、SBS滤波器、第一衰减器、第二衰减器、第一光电探测器、第二光电探测器和相减处理单元。

所述耦合器的输入端与待测信号相连；所述耦合器的第一输出端与所述SBS滤波器的输入端相连，所述SBS滤波器的输出端与所述第一衰减器的输入端相连，所述第一衰减器的输出端与所述第一光电探测器的输入端相连；所述耦合器的第二输出端与所述第二衰减器的输入端相连，所述第二衰减器的输出端与所述第二光电探测器的输入端相连；所述第一、第二光电探测器的输出端分别与相减处理单元的两个输入端相连。

通过本发明所述方法，可以消除信号处于SBS增益带外的光谱成分对光谱测量的影响，从而降低信号噪声，提高光谱仪的动态范围。由此，即使当两个光谱成分的功率水平相差很大，并且它们的频率十分接近时，我们也能够准确探测到其中功率较小的那个频率成分，使它不会被噪声淹没。

针对我们提出的这种实现光谱测量动态范围改善的系统，假设在一种更加严苛的条件下，即假设所述可调谐激光器产生的泵浦光光谱宽度远小于待测光信号的光谱宽度(即至少小一个数量级)，且忽略光纤中自发布里渊散射和瑞丽散射的影响，只考虑SBS增益谱带宽外的光谱成分这一最主要的噪声来源。在这种假设和近似下，通过搭建以下实施例，也能够很好的消除SBS增益谱带宽外的光谱成分，结合非线性补偿处理，可实现50dB以上的动态范围改善。

图1为本发明的一种在受激布里渊散射光谱分析中消除背景噪声提高动态范围方法的整体流程示意图。所述方法具体包含以下步骤，具体为：

(1)待测信号通过一个耦合器分成两路，一路信号光在光纤中传输，与反向注入的泵浦光相互作用，发生受激布里渊散射效应，使得信号光中波长处于SBS增益带宽之内的成分被放大，再通过一个功率衰减器后输入到一个光电探测器中；另一路信号光作为参考信号，在另一根光纤中传输，直接通过另一个功率衰减器后输入到另一个光电探测器中。

(2)将两路输出信号通过数据采集利用软件方法或者直接通过硬件差分电路方法，实现两路电信号的相减处理，得到消除了SBS增益带外光谱成分的待测信号光谱。

通过本发明所述方法，可以消除信号处于SBS增益带外的光谱成分对光谱测量的影响，从而降低信号噪声，提高光谱仪的动态范围。由此，即使当两个光谱成分的功率水平相差很大，并且它们的频率十分接近时，我们也能够准确探测到其中功率较小的那个频率成分，使它不会被噪声淹没。

图2为本发明的一个实施例所构建的消除背景噪声方法的主体结构示意图。所述方法具体组成部分包括：可调谐激光器1、光放大器2、第一隔离器3、第三衰减器4、环形器5、第一偏振控制器6、非线性光纤7、第二偏振控制器8、耦合器9、第二隔离器10、第一衰减器11、第二衰减器12、第一光电探测器13、第二光电探测器14、第一数据采集单元15、第二数据采集单元16、第一数据处理单元17等。

具体的，所述可调激光器1的输出端与所述光放大器2的输入端相连；所述光放大器2的输出端与所述第一隔离器3的输入端相连，用于控制激光输出方向，抑制回波对激光器的影响；所述第一隔离器3的输出端与所述第三衰减器4的输入端相连，用于将产生的窄线宽泵浦激光调节至合适的功率水平；所述第三衰减器4的输出端与所述环形器5的第一端口相连；所述环形器5的第二端口顺次与所述第一偏振控制器6、所述非线性光纤7、所述第二偏振控制器8相连，用于在此段光纤中控制泵浦光和信号光的偏振性，并使泵浦光与信号光发生SBS效应进行滤波放大；所述环形器5的第三端口与所述第一衰减器11相连，用于调节此路信号光至所需的功率，使得上下两路信号光的总衰减系数尽可能相同。

所述第二隔离器10的输入端与待测信号相连；所述第二隔离器10的输出端与所述第一耦合器9的输入端相连，用于将待测信号分成两束，一束通过所述第一耦合器9的第一输出端与所述第二偏振控制器8相连，用于将信号光注入所述非线性光纤7中与泵浦光发生SBS效应进行滤波放大；另一束通过所述耦合器9的第二输出端与所述第二衰减器12相连，用于调节此路信号光至所需的功率，使得上下两路信号光的总衰减系数尽可能相同。

所述第一衰减器11和所述第二衰减器12分别与所述第一光电探测器13和所述第二光电探测器14的输入端相连，用于对两路光信号进行探测，转化为相应电信号；所述第一光电探测器13和所述第二光电探测器14的输出端分别与所述第一数据采集单元15和所述第二数据采集单元16相连，最后两输出同时与所述第一数据处理单元17相连，用于先将两路信号分别进行数据采集，再将采集到的两路信号数据通过软件方法进行相减处理，得到消除了SBS增益带外光谱的待测信号光光谱。

本发明实施例中，上、下两条支路的光信号的总衰减系数近似相同。

本发明实施例中，第一偏振控制器6以及第二偏振控制器8的作用是保证注入到非线性光纤中的信号光偏振态与泵浦光偏振态匹配。

本发明实施例中，第一数据采集单元15或第二数据采集单元16可以采用数据采集卡将两路电信号数据记录下来；第一数据处理单元17可以通过软件编程的方法实现两路信号的相减处理，这个对于本领域普通技术人员很容易实现，在此不再赘述。

通过本发明所述方法，可以消除信号处于SBS增益带外的光谱成分对光谱测量的影响，从而降低信号噪声，提高光谱仪的动态范围。由此，即使当两个光谱成分的功率水平相差很大，并且它们的频率十分接近时，我们也能够准确探测到其中功率较小的那个频率成分，使它不会被噪声淹没。

图3为本发明的另外一个实施例所构建的消除背景噪声方法的主体结构示意图。所述方法具体组成部分包括：可调谐激光器1、光放大器2、第一隔离器3、第三衰减器4、环形器5、第一偏振控制器6、非线性光纤7、第二偏振控制器8、耦合器9、第二隔离器10、第一衰减器11、第二衰减器12、第一光电探测器13、第二光电探测器14、第二数据处理单元18。

具体的，所述可调激光器1的输出端与所述光放大器2的输入端相连；所述光放大器2的输出端与所述第一隔离器3的输入端相连，用于控制激光输出方向，抑制回波对激光器的影响；所述第一隔离器3的输出端与所述第三衰减器4的输入端相连，用于将产生的窄线宽泵浦激光调节至合适的功率水平；所述第三衰减器4的输出端与所述环形器5的输入端相连；所述环形器12的第一输出端顺次与所述第一偏振控制器6、所述非线性光纤7、所述第二偏振控制器8相连，用于在此段光纤中与信号光发生SBS效应进行滤波放大；所述环形器5的第二输出端与所述第一衰减器11相连，用于调节此路信号光至所需的功率，使得上下两路信号光的总衰减系数尽可能相同。

所述第二隔离器10的输入端与待测信号相连；所述第二隔离器10的输出端与所述耦合器9的输入端相连，用于将待测信号光分成两束，一束通过所述耦合器9的第一输出端与所述第二偏振控制器8相连，用于将信号光注入所述非线性光纤7中与泵浦光发生SBS效应进行滤波放大；另一束通过所述耦合器9的第二输出端与所述第二衰减器12相连，用于调节此路信号光至所需的功率，使得上下两路信号光的总衰减系数尽可能相同。

所述第一衰减器11和所述第二衰减器12分别与所述第一光电探测器13和所述第二光电探测器14的输入端相连，用于将两路光信号转化为相应电信号；所述第一光电探测器13和所述第二光电探测器14的输出端与所述第二数据处理单元18相连，用于通过硬件差分电路方法实现两路信号的相减，得到消除了SBS增益带外光谱的待测信号光光谱。

本发明实施例中，第一偏振控制器6以及第二偏振控制器8的作用是保证注入到非线性光纤中的信号光偏振态与泵浦光偏振态匹配。

本发明实施例中，第二数据处理单元18可以通过搭建差分电路，利用硬件方法实现两路电信号的相减处理，得到消除了SBS增益带外光谱的待测信号光光谱。至于如何去搭建该差分电路，对于本领域的普通技术人员而言是很容易实现的，在此不再赘述。

需要说明的是，图2和图3中所示的实施例对本发明所作的说明是描述性而不是限定性的，例如图2和图3中所示的测量系统中的放大器并不是必需的，所述放大器用于使激光以合适的光功率注入到待测介质中，如果激光器功率足够高可以省去，为了测量的灵活性所述放大器和衰减器可以相互组合使用，且放置的位置可以在隔离器之前或之后。

通过本发明所述方法，可以消除信号处于SBS增益带外的光谱成分对光谱测量的影响，从而降低信号噪声，提高光谱仪的动态范围。由此，即使当两个光谱成分的功率水平相差很大，并且它们的频率十分接近时，我们也能够准确探测到其中功率较小的那个频率成分，使它不会被噪声淹没。

下面结合图4对上述发明的原理进行分析如下：

待测信号SUT输入光纤，由耦合器分成两束，分别作为上支路信号光和下支路参考光。上支路中，泵浦光在光纤中传输发生SBS效应使信号光中波长处于SBS增益谱带宽内的成分被放大，而后被探测器PD1接收。下支路的参考光则直接通过衰减器ATT后被探测器PD2接收。最终，两路电信号通过相减处理，得到消除了SBS增益谱带宽外的信号噪声的信号光谱。

光谱分析的动态范围作为衡量光谱分析能力的关键指标之一，它很大程度上取决于系统噪声累积后形成的噪声底线。通过消除SBS增益谱带宽外的光谱成分，大幅抑制了系统积累的噪声，降低了探测器能探测到的功率最小值，提升了光谱分析的动态范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实现光谱测量动态范围改善的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将待测光信号分成两路，两路信号光的总衰减系数相同；一路光信号与反向传输的泵浦光发生受激布里渊散射，使得SBS增益谱带宽内的波长被放大，再将光信号经过功率衰减后，转化为相应的第一电信号；另一路光信号作为参考信号，经过功率衰减后，转化为相应的第二电信号；

(2)将所述第一电信号与所述第二电信号进行相减处理，得到消除了SBS增益带外光谱成分的待测信号光谱；

所述泵浦光的线宽小于所述SBS增益谱的带宽一个量级。

2.一种光谱测量系统，其特征在于，包括耦合器(9)、SBS滤波器(19)、第一衰减器(11)、第二衰减器(12)、第一光电探测器(13)、第二光电探测器(14)和相减处理单元(20)；

所述耦合器(9)的输入端用于与待测光信号相连；所述耦合器(9)的第一输出端与所述SBS滤波器(19)的输入端相连，所述SBS滤波器(19)的输出端与所述第一衰减器(11)的输入端相连，所述第一衰减器(11)的输出端与所述第一光电探测器(13)的输入端相连；所述耦合器(9)的第二输出端与所述第二衰减器(12)的输入端相连，所述第二衰减器(12)的输出端与所述第二光电探测器(14)的输入端相连；所述第一光电探测器(13)的输出端和所述第二光电探测器(14)的输出端分别与相减处理单元(20)的两个输入端相连；

所述SBS滤波器(19)包括可调谐激光器(1)、光放大器(2)、第一隔离器(3)、第三衰减器(4)、环形器(5)、第一偏振控制器(6)、非线性光纤(7)和第二偏振控制器(8)；

所述光放大器(2)的输入端与所述可调激光器(1)的输出端相连，所述光放大器(2)的输出端与所述第一隔离器(3)的输入端相连，用于控制所述可调激光器的激光输出方向，并抑制回波对所述可调激光器的影响；

所述第一隔离器(3)的输出端与所述第三衰减器(4)的输入端相连，用于将产生的窄线宽泵浦激光调节至需要的功率水平，使得泵浦光与待测信号光的功率匹配；

所述环形器(5)的第一端口与所述第三衰减器(4)的输出端相连，所述环形器(5)的第二端口顺次与所述第一偏振控制器(6)、所述非线性光纤(7)、所述第二偏振控制器(8)相连，用于在此段光纤中控制泵浦光和信号光的偏振态，并使泵浦光和信号光发生SBS效应进行滤波放大；

所述第二偏振控制器(8)的剩余端口作为SBS滤波器(19)的输入端；所述环形器(5)的第三端口作为SBS滤波器(19)的输出端。

3.如权利要求2所述的光谱测量系统，其特征在于，所述耦合器(9)将待测光信号分成两路信号，一路信号通过所述SBS滤波器(19)，使在SBS增益谱带宽内的信号光得到放大，再通过所述第一衰减器(11)衰减后被所述第一光电探测器(13)检测，并将光信号变成第一电信号，另一路信号通过所述第二衰减器(12)衰减后被所述第二光电探测器(14)检测，并将光信号变成第二电信号，所述相减处理单元(20)将第一电信号与第二电信号进行相减处理，得到消除了SBS增益谱带宽外光谱成分的待测信号光谱。

4.如权利要求2或3所述的光谱测量系统，其特征在于，所述第一衰减器用于调整一路光束的总衰减系数，所述第二衰减器用于调整另一路光束的总衰减系数，使得两路信号光的总的衰减系数相同。

5.如权利要求2或3所述的光谱测量系统，其特征在于，所述相减处理单元(20)包括：第一数据采集单元(15)、第二数据采集单元(16)和第一数据处理单元(17)；

所述第一数据采集单元(15)的输入端连接至所述第一光电探测器(13)的输出端，所述第一数据采集单元(15)的输出端与所述第一数据处理单元(17)连接；用于采集上一路产生的第一电信号；

所述第二数据采集单元(16)的输入端连接至所述第二光电探测器(14)的输出端，所述第二数据采集单元(16)的输出端与所述第一数据处理单元(17)连接；用于采集下一路产生的第二电信号；

所述第一数据处理单元(17)用于将所述第一电信号与所述第二电信号进行相减处理，获得消除了SBS增益谱带宽外光谱的待测信号光光谱。

6.如权利要求2或3所述的光谱测量系统，其特征在于，所述相减处理单元(20)包括第二数据处理单元(18)，输入端连接至所述第一光电探测器(13)和所述第二光电探测器(14)的输出端，用于将两路电信号进行相减处理，得到消除了SBS增益带外光谱的待测信号光谱。