CN106768895A - 一种单、多模光纤量程自适应的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单、多模光纤量程自适应的检测方法，步骤包括：对待检测光纤进行采样，使得可分辨的距离接近激光器的相干长度；在辅助参考信号中获得相位噪声：对测量数据进行相位噪声补偿后，计算偏振态数据的频谱；光纤的长度和频率是正比关系，由频谱数据来计算光纤末端反射点位置；末端反射点即为光纤量程。本发明可根据被测光纤的长度，自动调整测试量程，不用每次测试不同长度光纤时手动设置测试量程，也不用因无法确认被测光纤长度的情况下，多次测试不同量程估算光纤长度。

Description

一种单、多模光纤量程自适应的检测方法

技术领域

本发明涉及光缆检测技术领域，特别是一种单、多模光纤量程自适应的检测方法。

背景技术

光纤检测的技术已经成熟，它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。光纤检测设备的测试精度等技术性能也能满足大部分用户要求，但是在实际操作运用中还存在很多需要改进和优化的方面。比如说在测量光纤时需要在软件中设置测量范围，如果测量量程少于被测光纤长度，就无法测出光纤状况，很多测试环境下也无法确认被测光纤的长度，测试时需要不断尝试不同测试量程，影响测试效率。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可根据被测光纤的长度，自动调整测试量程，不用每次测试不同长度光纤时手动设置测试量程，也不用因无法确认被测光纤长度的情况下，多次测试不同量程估算光纤长度的单、多模光纤量程自适应的检测方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种单、多模光纤量程自适应的检测方法，步骤包括：

1)对待检测光纤进行采样，使得可分辨的距离接近激光器的相干长度；

2)在辅助参考信号中获得相位噪声：

3)对测量数据进行相位噪声补偿后，计算偏振态数据的频谱；

4)光纤的长度和频率是正比关系，由频谱数据来计算光纤末端反射点位置；

5)末端反射点即为光纤量程。

进一步的，所述步骤2)具体为：设激光源的瞬时频率为v＝v₀+γt，其中v₀为起始光频，γ为扫频斜率，其发出的光信号可表示为：其中为光源的瞬时相位；

参考臂反射信号与相对与参考臂反射端面距离为x₀处的信号臂反射信号混频得到的拍频信号的频率为设在x₀处的反射系数为R₀，信号光和参考光经光电检测器相干混频后输出电流为：

其中相位差

激光器因有限线宽而产生的相位噪声，使式

中的其大小由激光线宽Δv₀决定：

OFDR的拍频信号表达式中，去掉直流项，得到：其中R(τ)时考虑损耗的反射率，τ是对应待测光纤不同位置的时延，e(t)是本振参考光的非线性相位，e(t-τ)是接收测试光的非线性相位，那么e(t)-e(t-τ)就是拍频信号的非线性相位。

进一步的，所述步骤3)具体为：将式

通过希尔伯特变换转换到复指数形式，即：其中S_e(t)＝exp[j2πe(t)]和S_e(t-τ)＝exp[j2πe(t-τ)]，符号*代表复共轭；携带光源调谐非线性相位的拍频信号如式所示中，设非线性相位函数S_e(t)已知，在主干涉仪拍频信号中，与距离无关的本振参考光非线性相位可以用简单乘法消除，即：在式中测试光的非线性相位e(t-τ)是与距离有关的，信号通过去斜滤波器后，测试光信号的非线性相位可以被转换为距离无关项；在频域I₁(t)通过去斜滤波器后得到：其中，和分别代表傅里叶变换和傅里叶反变换，I₂(t)可以表示为：其中表示以时间t为变量的傅里叶反变换，是的傅里叶变换，设 S(t)是距离无关的，从式看出，只要去掉S(t)，就可将任意τ下的线性拍频信号恢复出来；线性拍频信号I₃(t)可以通过去掉S(t)得到，即I₂(t)乘以S^*(t)即可得到I₃(t)。S(t)可以将通过去斜滤波器得到，即然后

相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明可根据被测光纤的长度，自动调整测试量程，不用每次测试不同长度光纤时手动设置测试量程，也不用因无法确认被测光纤长度的情况下，多次测试不同量程估算光纤长度。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

如图1所示，一种单、多模光纤量程自适应的检测方法，步骤包括：

1)对待检测光纤进行采样，使得可分辨的距离接近激光器的相干长度；

2)在辅助参考信号中获得相位噪声：

3)对测量数据进行相位噪声补偿后，计算偏振态数据的频谱；

4)光纤的长度和频率是正比关系，由频谱数据来计算光纤末端反射点位置；

5)末端反射点即为光纤量程。

假设激光源的瞬时频率为v＝v₀+γt，其中v₀为起始光频，γ为扫频斜率，其发出的光信号可表示为：

其中为光源的瞬时相位。

参考臂反射信号与相对与参考臂反射端面距离为x₀处的信号臂反射信号混频得到的拍频信号的频率为设在x₀处的反射系数为R₀，信号光和参考光经光电检测器相干混频后输出电流为：

其中相位差ω_b＝2πf_b＝2πγτ₀。由式(1-2)可见，干涉拍频信号的频率f_b由反射信号和参考信号之间的光程差(即待测光纤和参考端面的相对距离)决定，而拍频信号的功率则正比于反射信号的强度。因此，通过分析拍频信号的功率谱，可直接获得被测光纤回波信号的强度和位置信息。

激光器因有限线宽而产生的相位噪声，使式(1-2)中的其大小由激光线宽Δv₀决定：

下面讨论OFDR中激光器非线性调谐效应的基本理论，OFDR的拍频信号表

达式(1-2)中，去掉直流项，得到：

其中R(τ)其是考虑损耗的反射率，τ是对应待测光纤不同位置的时延，e(t)是本振参考光的非线性相位，e(t-τ)是接收测试光的非线性相位，那么e(t)-e(t-τ)就是拍频信号的非线性相位。非线性效应其实就是一种相位噪声。这里提到的非线性效应补偿，也可以看作是一种相位噪声的补偿。

为了便于分析基本原理，将式(2-1)通过希尔伯特变换转换到复指数形式，即：

其中S_e(t)＝exp[j2πe(t)]和S_e(t-τ)＝exp[j2πe(t-τ)]，符号*代表复共轭。

在式(2-1)中的非线性相位项e(t)-e(t-τ)导致了反射峰能量扩散，恶化了空间分辨率，引起反射峰幅度下降。而且非线性效应的影响随距离增大而增大。由于非线性相位与距离有关，难以在整个距离域一次去除。幸运的是，这一问题采用去斜滤波法可以解决。此方法分别处理本振参考光非线性相位e(t)和测试光的非线性相位e(t-τ)。去斜滤波法在FMCW SAR领域的非线性调频中也得到了成功的应用。

通过以下三步可对非线性调谐效应进行补偿：

步骤一，携带光源调谐非线性相位的拍频信号如式(3-1)所示中，假设非线

性相位函数S_e(t)已知(其具体估算方法在下面讨论)，在主干涉仪拍频信号中，与距离无关的本振参考光非线性相位可以用简单乘法消除，即：

在式(3-2)中测试光的非线性相位e(t-τ)是与距离有关的，由于在距离域上分布着多个反射点，如瑞利散射或多个菲涅尔反射，所以在不同位置测试光信号的非线性相位难以被单一的参考函数去除。为了解决这一问题，一种与距离相关的时移(对应时延τ)施加到主干涉仪拍频信号中，其过程可以通过去斜滤波器exp(jπf²/γ)实现。信号通过去斜滤波器后，测试光信号的非线性相位可以被转换为距离无关项。

步骤二，在频域I₁(t)通过去斜滤波器后得到：

其中，和分别代表傅里叶变换和傅里叶反变换。把式(3-2)代入(3-3)，I₂(t)可以表示为：

其中表示以时间t为变量的傅里叶反变换。是的傅里叶变换。假设S(t)是距离无关的。从式(3-4)看出，只要去掉S(t)，就可将任意τ下的线性拍频信号恢复出来。

步骤三：线性拍频信号I₃(t)可以通过去掉S(t)得到，即I₂(t)乘以S^*(t)即可得到I₃(t)。S(t)可以将通过去斜滤波器得到，即

然后

从前面的信号处理流程可以看到，只要本振参考光信号的非线性相位e(t)估计准确，这种方法理论上可完全消除调谐非线性相位。

根据前面分析，先假设本振参考光信号的非线性相位e(t)已知。下面将讨论如何从附加干涉仪估计e(t)的问题。附加干涉仪采用非平衡的迈克尔逊干涉仪结构，在一臂中有固定的参考时延(利用长距离光纤实现)。类似的方法在FMCWSAR中也有讨论。对应固定参考时延为τ_ref的附加干涉仪归一化拍频信号I_ref(t)可以表示为：

利用希尔伯特变换和其他简单的信号处理算法，得到非线性相位e(t)-e(t-τ_ref)。

当τ_ref较小时，采用一阶泰勒级数展开估计e(t)，即：

e(t)-e(t-τ_ref)≈8(t)′τ_ref (3-8)

其中e(t)’表示e(t)对时间t的微分，因此对本振参考光的非线性相位估计可以表示为：

Claims (3)

1.一种单、多模光纤量程自适应的检测方法，其特征在于步骤包括：

1)对待检测光纤进行采样，使得可分辨的距离接近激光器的相干长度；

2)在辅助参考信号中获得相位噪声：

3)对测量数据进行相位噪声补偿后，计算偏振态数据的频谱；

4)光纤的长度和频率是正比关系，由频谱数据来计算光纤末端反射点位置；

5)末端反射点即为光纤量程。

2.根据权利要求1所述的一种单、多模光纤量程自适应的检测方法，其特征在于所述步骤2)具体为：设激光源的瞬时频率为v＝v₀+γt，其中v₀为起始光频，γ为扫频斜率，其发出的光信号可表示为：其中为光源的瞬时相位；

参考臂反射信号与相对与参考臂反射端面距离为x₀处的信号臂反射信号混频得到的拍频信号的频率为设在x₀处的反射系数为R₀，信号光和参考光经光电检测器相干混频后输出电流为：

其中相位差ω_b＝2πf_b＝2πγτ₀；

激光器因有限线宽而产生的相位噪声，使式

中的其大小由激光线宽Δv₀决定：

OFDR的拍频信号表达式中，去掉直流项，得到：其中R(τ)时考虑损耗的反射率，τ是对应待测光纤不同位置的时延，e(t)是本振参考光的非线性相位，e(t-τ)是接收测试光的非线性相位，那么e(t)-e(t-τ)就是拍频信号的非线性相位。

3.根据权利要求1所述的一种单、多模光纤量程自适应的检测方法，其特征在于所述步骤3)具体为：将式通过希尔伯特变换转换到复指数形式，即：其中S_e(t)＝exp[j2πe(t)]和S_e(t-τ)＝exp[j2πe(t-τ)]，符号*代表复共轭；携带光源调谐非线性相位的拍频信号如式所示中，设非线性相位函数S_e(t)已知，在主干涉仪拍频信号中，与距离无关的本振参考光非线性相位可以用简单乘法消除，即：在式中测试光的非线性相位e(t-τ)是与距离有关的，信号通过去斜滤波器后，测试光信号的非线性相位可以被转换为距离无关项；在频域I₁(t)通过去斜滤波器后得到：其中，和分别代表傅里叶变换和傅里叶反变换，I₂(t)可以表示为：

其中表示以时间t为变量的傅里叶反变换，是的傅里叶变换，设 S(t)是距离无关的，从式看出，只要去掉S(t)，就可将任意τ下的线性拍频信号恢复出来；线性拍频信号I₃(t)可以通过去掉S(t)得到，即I₂(t)乘以S^*(t)即可得到I₃(t)，S(t)可以将通过去斜滤波器得到，即然后