CN105490738A - 基于频率合成的光频域反射方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于频率合成的光频域反射方法计及系统，通过将本地光经电光调制和声光调制后得到光脉冲，将其作为探测脉冲光信号输入测试光纤，将得到的瑞利背向散射光信号与本地光耦合拍频后进行光电转换并解调，从而实现光频率反射计，其中：电光调制采用单频信号进行调制，声光调制采用脉冲信号进行调制，并将电光调制得到的光梳信号的多个频率成分同时扫频，从而得到光脉冲；本发明探测距离大、空间分辨率高，并且硬件成本和软件复杂度低。

Description

基于频率合成的光频域反射方法及系统

技术领域

本发明涉及的是一种光传感领域的技术，具体是一种基于频率合成的光频域反射计方法及系统。

背景技术

自20世纪70年代以来，光纤通信技术凭借其超大传输带宽、超低传输损耗等诸多优势得到了迅猛发展。与光纤通信技术同时期飞速发展的还有光纤传感技术。光纤传感技术是指以光波为载体，以光纤为媒介，对外界物理信号(如温度和应变)或者对光纤各参数测量的技术。相比于传统的机械式或电磁式传感器，光纤传感器有着巨大的优势，比如不受电磁干扰产生噪声、可以在强电磁环境下稳定地工作，光纤是电绝缘体不产生电火花，可以在易燃易爆等危险场所工作，光纤传感器可以与光纤通信系统完美结合，实现超远距离的传感，等等。

光反射计技术是光纤传感技术家族中的重要成员，它是一种利用光纤背向散射光对光纤网络进行无损探测的一种技术，可以测量光纤长度、损耗、连接器、断裂等的分布情况。目前最主要的一种光反射计技术是采用光脉冲探测的光时域反射计(OpticalTimeDomainReflectmeter,OTDR)技术。OTDR技术的优势在于光纤探测距离很长，一般可达上百公里；系统结构简单，成本低廉，目前市面上已有商用产品。但由于OTDR技术的空间分辨率(能够分辨两个相邻”事件点”的最小距离)取决于光脉冲的宽度，光脉冲越窄，空间分辨率越高；而光脉冲受限于激光器性能和光纤非线性效应而无法做的很窄，因此OTDR技术的空间分辨率差，这点限制了OTDR技术的应用。

为了解决空间分辨率的问题，研究人员提出光频率域反射计(OpticalFrequencyDomainReflectmeter,OFDR)技术。OFDR技术的空间分辨率取决于光源频率可调谐范围，只要光源频率可调谐范围越大，理论空间分辨率越高。但OFDR技术也面临两个主要问题。其一，OFDR技术的探测距离较短，最大探测距离一般不超过激光器相干距离的一半。有文献报道利用辅助干涉仪进行相位噪声补偿以提高探测距离[Opt.Lett.32(22),3227–3229(2007)]，但这种技术的硬件复杂度高，相位噪声补偿算法复杂导致处理数据时间长，且无法补偿环境因素引入的相位噪声。其二，光源频率可调谐范围有限，空间分辨率很难再提高。有文献报道利用射频扫频信号源和单边带调制器对窄线宽激光器进行调制，得到大范围的线性扫频光源，实现高空间分辨率[J.LightwaveTechnol.6,3287-3294(2008)]，这种方案现已成为外部调制的OFDR系统的主流选择。但是单边带调制器的缺点包括使用复杂、价格昂贵、插入损耗大等，更严重的是无法完全抑制其他边带，实现单边带扫频，这严重影响了扫频的性能，而且这种方案的扫频范围受限于射频扫频信号源的性能。因此寻找实现高空间分辨率和长探测距离的光反射计十分必要。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103763022A，公开日2014.4.30，公开了一种基于高阶边带扫频调制的高空间分辨率光频域反射计系统，包括扫频光源部分、测试光路部分、接收机及信号处理部分，所述的扫频光源部分使用窄线宽激光器作为原始光源，出射光经过外部调制产生扫频的边带光信号。所述的外部调制过程中，扫频射频信号通过高功率射频放大器放大，以高电压加载到半波电压较低的电光调制器，产生多阶的边带，通过窄带光学滤波器滤波得到高阶的宽带扫频的光边带将高阶边带作为扫频载波光源导入光路系统，采集背向散射和反射的光信号，通过本地的相干检测和信号处理，实现光频域反射分析。但该技术硬件复杂度高，滤波效果受限于滤波器的性能，无法完全抑制其他边带，严重影响了扫频性能；其余边带滤除后，光功率损耗极大，需使用高倍率的光放大器放大，带来额外的相位噪声。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于频率合成的光频域反射方法及系统，采用电光调制器和声光调制器产生多频率同时扫频的光脉冲信号，突破调制器性能和射频扫频信号源性能的限制，获得线性度佳、频率单一、扫频范围大的光信号，提高空间分辨率和探测距离，不增加系统的硬件成本和软件复杂度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于频率合成的光频域反射方法，通过将本地光经电光调制和声光调制后得到光脉冲，将其作为探测脉冲光信号输入测试光纤，将得到的瑞利背向散射光信号与本地光耦合拍频后进行光电转换并解调，从而实现光频率反射，其中：电光调制采用单频信号进行调制，声光调制采用脉冲信号进行调制，并将电光调制得到的光梳信号的多个频率成分同时扫频，从而得到光脉冲。

所述的本地光为窄线宽激光。

所述的脉冲信号为啁啾脉冲信号。

所述的光梳信号的频率间隔等于脉冲信号的扫频范围。

所述的电光调制是指：将高频正弦电信号以强度调制或相位调制方式调制到单频光信号上，产生光频率梳信号。

所述的声光调制是指：通过脉冲信号对光梳信号进行调制，得到多频率扫频光脉冲信号。

本发明涉及一种基于频率合成的光频域反射系统，包括：参考光支路和与之同源的调制光支路、耦合单元以及解调单元，其中：参考光支路和调制光支路的输出端均与耦合单元相连，耦合单元的输出端与解调单元相连。

所述的参考光支路和调制光支路的输入端接收来自同一激光器的窄线宽激光，优选为该激光器经过光纤耦合器，将窄线宽激光以99:1的分光比分别输出至调制光支路和参考光支路。

所述的参考光支路上优选设有偏振控制器。

所述的调制光支路包括：依次串联的电光调制器、声光调制器、掺饵光纤放大器、光环行器和测试光纤，其中：电光调制器通过单频信号进行调制产生光梳信号，输入声光调制器的光梳信号经脉冲信号调制得到多频率扫频光脉冲信号，并经掺饵光纤放大器放大后输出至光环行器和测试光纤，光环行器的反射端作为调制光支路的输出与耦合单元相连。

所述的电光调制器为电光强度调制器或电光相位调制器。

所述的耦合单元采用但不限于50：50光纤耦合器，其中：来自参考光支路的本地光和光纤环形器输出的瑞利背向散射光在50：50光纤耦合器中耦合拍频。

所述的解调单元包括：光电转换模块、数据采集卡和解调模块，其中：数据采集卡采集经过光电转换模块转换后的电信号，由解调模块进行解调。

技术效果

与现有技术相比，本发明技术效果包括：

1)采用声光调制器对窄线宽激光扫频，可获得更好的单边带扫频效果，没有其他边带的干扰；并具备更低的插入损耗，使用简单，性能更稳定；

2)声光调制器对探测光切脉冲，可以有效地抑制激光相位噪声和环境对光相位的影响，使得本系统的最大探测距离突破了相干距离限制，并且系统硬件成本和软件复杂度并未增加；

3)采用多频率同时扫频并在数字域进行频率合成的方法，可以突破声光调制器和射频扫频信号源的最大扫频范围的限制，成倍地提高系统的空间分辨率。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为光脉冲信号的光频谱示意图；

图3为实施例输出的信号曲线图；

图4为实施例在测试光纤70km处FC/APC连接头的反射点在频率合成前后对比图；

图中：1为窄线宽光纤激光器，2为光纤耦合器，3为电光调制器，4为声光调制器，5为掺饵光纤放大器，6为直流电压源，7为双通道任意波形发生器，8为光纤环形器，9为测试光纤，10为直流偏置电压，11为单频正弦信号，12为扫频射频脉冲信号，13为触发和参考时钟信号，14为偏振控制器，15为探测脉冲光信号，16为瑞利背向散射光信号，17为50：50光纤耦合器，18为平衡探测器，19为数据采集卡，20为计算机。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：测试光纤9、信号发生模块、依次相连的窄线宽激光光源模块、光梳生成模块、扫频切脉冲模块、相干接收模块、光电转换模块和数字信号处理模块，其中：相干接收模块与测试光纤9相连，

所述的信号发生模块为双通道任意波形发生器7，该双通道任意波形发生器7向光梳生成模块和扫频切脉冲模块分别输出放大后的单频正弦信号11和扫频射频脉冲信号12，并且向数字信号处理模块发送触发和参考时钟信号。

所述的单频正弦信号11频率为40MHz，初始相位为0°。

所述的扫频射频脉冲信号12的初始频率为180MHz，终止频率为220MHz，扫频持续时间为8μs，扫频范围为40MHz。

所述的测试光纤9为普通单模光纤，长度为75km，未做任何隔离处理，完全暴露在实验室环境中。

所述的测试光纤9在25km、35km、45km和70km处分别设置有FC/APC连接头。

所述的扫频射频脉冲信号12为频率啁啾脉冲信号。

所述的窄线宽激光光源模块包括：依次相连的窄线宽光纤激光器1和99：1光纤耦合器2，其中：窄线宽光纤激光器1产生的超窄线宽激光经过99：1光纤耦合器2分为99％功率的探测光和1％功率的本地光。

所述的光梳生成模块包括：直流电压源6和电光调制器3，其中：直流电压源6调整输入电光调制器3的直流偏置电压10，使输入电光调制器3的探测光和单频正弦信号11产生光梳信号。

所述的电光调制器3为电光强度调制器或电光相位调制器，所述的探测光经过电光调制器3输出有若干频率分量的光梳信号。

所述的频率分量的数量取决于调制电压及直流偏置电压10的设置，因而是可变的，且数量的增加等效提高空间分辨率；本实施例中频率分量为5个，光梳信号频率间隔为40MHz，并且各频率成分的强度基本相同、频率间隔严格等于扫频射频脉冲信号12的扫频范围。

所述的扫频切脉冲模块包括：依次相连的声光调制器4和掺饵光纤放大器5，其中：输入声光调制器4的光梳信号和扫频射频脉冲信号12同时扫频切脉冲，得到多频率扫频光脉冲信号，并经掺饵光纤放大器5放大后输出。

所述的相干接收模块包括：依次相连的光纤环形器8、测试光纤9和50：50光纤耦合器17，其中：多频率扫频光脉冲信号从光纤环形器8的a端口进入并从b端口入射测试光纤9进行测量，返回的瑞利背向散射光信号16通过光纤环形器8的b端口进入并从c端口出射，光纤耦合器2输出的本地光和光纤环形器8输出的瑞利背向散射光16在50：50光纤耦合器17中耦合拍频。

所述的窄线宽光纤激光器1产生的超窄线宽激光从99：1光纤耦合器2的a端口进入分束，从b端口分出探测光，从c端口分出本地光。

所述的光纤耦合器2的输出端优选设有偏振控制器14。

所述的光电转换模块在本实施例中通过平衡探测器18实现。

所述的数字信号处理模块包括：依次相连的数据采集卡19和计算单元20，其中：数据采集卡19采集到的数据在计算单元20中进行合成和处理分析，即：

1)计算单元20根据数据采集卡19得到的原始数据，产生与其频率分量数量相同段数的数字扫频信号(复信号)；

当电光调制器3输出的光梳信号有N个频率分量，频率间隔为Ω。为简化分析，令N＝2；光梳信号经过扫频切脉冲模块后，得到两频率的扫频光脉冲信号，其扫频速率皆为γ，扫频持续时间为τ_p，扫频范围为2πγτ_p。测试光纤某一点的瑞利散射光经相干接收模块接收，得到的原始数据可表示为：

$\begin{array}{c}{S}_{beat1}\left(t\right)=rect\left(\frac{t-{\mathrm{\τ}}_0}{{\mathrm{\τ}}_p}\right)A\left({\mathrm{\τ}}_0\right)\exp \left\{j\[\mathrm{\π}\mathrm{\γ}{\left(t-{\mathrm{\τ}}_0\right)}^2-{\mathrm{\ω}}_L{\mathrm{\τ}}_0+C\]\right\}\\ S_{beat2}\left(t\right)=rect\left(\frac{t-{\mathrm{\τ}}_0}{{\mathrm{\τ}}_p}\right)A\left({\mathrm{\τ}}_0\right)\exp \left\{j\[\mathrm{\π}\mathrm{\γ}{\left(t-{\mathrm{\τ}}_0\right)}^2+\mathrm{\Ω}\left(t-{\mathrm{\τ}}_0\right)-{\mathrm{\ω}}_L{\mathrm{\τ}}_0+C\]\right\}\end{array},$ 其中：A(τ₀)为该反射点的反射系数，τ₀为该反射点往返时间，ω_L为激光器中心频率，C为激光器相位噪声和由环境引入的相位噪声，rect()为矩形窗函数。虽然上述两个频率的拍频信号同时进入数据采集模块，因为其频率范围不同，所以在数据处理中利用滤波器可以将其准确分离。

所述的对应的数字扫频信号的表达式为： $\begin{array}{c}{h}_1\left(t\right)=rect\left(\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_p}\right)\exp \left\{j\[{\mathrm{\π\γt}}^2\]\right\}\\ h_2\left(t\right)=rect\left(\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_p}\right)\exp \left\{j\[{\mathrm{\π\γt}}^2+\mathrm{\Ω}t\]\right\}\end{array}.$

本实施例产生5段数字扫频信号(复信号)，其扫频范围分别为：100～140MHz、140～180MHz、180～220MHz、220～260MHz和260～300MHz，持续时间均为8μs。

2)为消除解调结果中反射点的旁瓣的影响，将产生的复信号分别与窗函数相乘，并与数据采集卡19采集到的原始数据做互相关运算，得到对应的相关函数(复函数)。

本实施例中上述窗函数采用Hanning窗函数，在其他场合下也可以采用其他类型的窗函数实现。

所述的相关函数的表达式为： $\begin{array}{c}{R}_1\left(t\right)=\frac{A\sin \[\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\left(t-{\mathrm{\τ}}_0\right)\left({\mathrm{\τ}}_p-\left|t-{\mathrm{\τ}}_0\right|\right)\]}{\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\left(t-{\mathrm{\τ}}_0\right)}{e}^{{\mathrm{j\π\γ\τ}}_{p}t+jC}\\ R_2\left(t\right)=\frac{A\sin \[\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\left(t-{\mathrm{\τ}}_0\right)\left({\mathrm{\τ}}_p-\left|t-{\mathrm{\τ}}_0\right|\right)\]}{\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\left(t-{\mathrm{\τ}}_0\right)}{e}^{{\mathrm{j\π\γ\τ}}_{p}t+\mathrm{\Ω}+jC}\end{array}.$

3)将得到的复函数直接相加取模，得到数字扫频信号合成的解调结果。

当且仅当Ω＝2πγτ_p，即光梳信号的频率间隔严格等于扫频射频脉冲信号的扫频范围时，将得到的两个复函数直接相加取模，得到多段数字扫频信号合成的解调结果如下式所示：

$\left|R\left(t\right)\right|=|R_1\left(t\right)+R_2\left(t\right)|=|\frac{2Asin\[\mathrm{\π}\mathrm{\γ}(t-{\mathrm{\τ}}_0)({\mathrm{\τ}}_p-|t-{\mathrm{\τ}}_0\left|\right)\]}{\mathrm{\π}\mathrm{\γ}(t-{\mathrm{\τ}}_0)}\·cos\left({\mathrm{\π\γ\τ}}_{p}t\right)|.$

相比于合成之前的解调结果，合成后的解调结果的峰更窄更高，达到了提高空间分辨率的技术效果。

如图2所示，单段扫频范围为40MHz，5段扫频合成后可以等效为200MHz的扫频范围。

如图3所示，可清晰地看出有6个反射点，第一个反射点为光纤环形器8的b端口与测试光纤9的连接头。根据理论分析，单段扫频范围为40MHz，对应的空间分辨率为2.5m，加窗函数解调后，理论空间分辨率应为5m；5段扫频合成后等效扫频范围为200MHz，对应的空间分辨率为0.5m，加窗函数解调后，理论空间分辨率应为1m。

如图4所示，在测试光纤9的70km处反射点，可以测量出合成后的空间分辨率为1.2m，与合成前的5.8m的空间分辨率相比，提升了约5倍，与理论分析高度吻合。

所述的50：50光纤耦合器17接收的本地光信号为频率恒定不变的非扫频光信号，区别为传统的OFDR系统频率啁啾的本地光。

所述的双通道任意波形发生器7向数据采集卡19输出触发和参考时钟信号以使二者的时钟完全同步。

所述的平衡探测器18进行光电转换。

所述的数字信号在计算单元20中被合成为一个等效的大扫频范围信号，实现高空间分辨率的光频域反射分析。

所述的探测光依次经过电光调制器3和声光调制器4形成多频率同时扫频的脉冲光，区别于传统OFDR系统的单频率扫频、恒定光功率的探测光。

所述的声光调制器4取代传统的单边带调制器对窄线宽激光进行扫频，可获得更好的单边带扫频效果，并且没有其他边带的干扰，使用简单，插入损耗降低，性能更稳定。

所述的声光调制器4对探测光信号切脉冲，可有效抑制激光相位噪声和环境对光相位的影响，使本实施例的最大探测距离突破了相干距离限制，并且未增加系统硬件成本和软件复杂度。

本实施例采用多频率同时扫频并在数字域进行频率合成的方法，可以突破声光调制器4和射频扫频信号源的最大扫频范围的限制，成倍地提高系统的空间分辨率。

本实施例的结果表明，一方面多频率同时扫频的数字合成OFDR能够成倍地提升空间分辨率，提升倍数等于频率的数量，突破了声光调制器扫频范围的限制；另一方面，测试光纤9的70km处已经超过了光源的相干长度，但空间分辨率仍然与理论分辨率相吻合，说明相位噪声对该系统的影响很小，本实施例有效地抑制了相位噪声影响。如果增大探测光功率，便可以探测更长距离的光纤；同样地，增加光梳信号的频率成分数量，可以提高空间分辨率。

Claims (13)

1.一种基于频率合成的光频域反射方法，其特征在于，通过将本地光经电光调制和声光调制后得到光脉冲，将其作为探测脉冲光信号输入测试光纤，将得到的瑞利背向散射光信号与本地光耦合拍频后进行光电转换并解调，从而实现光频率反射计，其中：电光调制采用单频信号进行调制，声光调制采用脉冲信号进行调制，并将电光调制得到的光梳信号的多个频率成分同时扫频，从而得到光脉冲。

2.根据权利要求1所述的基于频率合成的光频域反射方法，其特征是，所述的本地光为窄线宽激光；所述的脉冲信号为啁啾脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的基于频率合成的光频域反射方法，其特征是，所述的光梳信号的频率间隔等于脉冲信号的扫频范围。

4.根据权利要求1所述的基于频率合成的光频域反射方法，其特征是，所述的电光调制是指：将高频正弦电信号以强度调制或相位调制方式调制到单频光信号上，产生光频率梳信号。

5.根据权利要求1所述的基于频率合成的光频域反射方法，其特征是，所述的声光调制是指：通过脉冲信号对光梳信号进行调制，得到多频率扫频光脉冲信号。

6.根据权利要求1所述的基于频率合成的光频域反射方法，其特征是，所述的解调是指：根据光电转换后得到的电信号，产生与其频率分量数量相同段数的数字扫频信号；将产生的多段复信号分别与窗函数相乘，并分别与原始数据做互相关运算，得到相应的相关函数；将得到的多个复函数直接相加取模，得到多段数字扫频信号合成的解调结果。

7.根据权利要求6所述的基于频率合成的光频域反射方法，其特征是，所述的窗函数为Hanning窗函数。

8.一种基于频率合成的光频域反射系统，其特征在于，包括：参考光支路和与之同源的调制光支路、耦合单元以及解调单元，其中：参考光支路和调制光支路的输出端均与耦合单元相连，耦合单元的输出端与解调单元相连；

所述的调制光支路包括：依次串联的电光调制器、声光调制器、掺饵光纤放大器、光环行器和测试光纤，其中：电光调制器通过单频信号进行调制产生光梳信号，输入声光调制器的光梳信号经脉冲信号调制得到多频率扫频光脉冲信号，并经掺饵光纤放大器放大后依次输出至光环行器和测试光纤，光环行器的反射端作为调制光支路的输出与耦合单元相连。

9.根据权利要求8所述的光频域反射系统，其特征是，所述的参考光支路和调制光支路的输入端接收来自同一激光器的窄线宽激光，该激光器经过光纤耦合器，将窄线宽激光以99:1的分光比分别输出至调制光支路和参考光支路。

10.根据权利要求8所述的光频域反射系统，其特征是，所述的参考光支路上设有偏振控制器。

11.根据权利要求8所述的光频域反射系统，其特征是，所述的电光调制器为电光强度调制器或电光相位调制器。

12.根据权利要求8所述的光频域反射系统，其特征是，所述的耦合单元采用50：50光纤耦合器，其中：来自参考光支路的本地光和光纤环形器输出的瑞利背向散射光在50：50光纤耦合器中耦合拍频。

13.根据权利要求8所述的光频域反射系统，其特征是，所述的解调单元包括：光电转换模块、数据采集卡和解调模块，其中：数据采集卡采集经过光电转换模块转换后的电信号，由解调模块进行解调。