CN109682403A - 一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法 - Google Patents
一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109682403A CN109682403A CN201910084695.9A CN201910084695A CN109682403A CN 109682403 A CN109682403 A CN 109682403A CN 201910084695 A CN201910084695 A CN 201910084695A CN 109682403 A CN109682403 A CN 109682403A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- serial number
- signal
- zero crossing
- frequency
- tunable laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 45
- 238000012952 Resampling Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 34
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 claims description 4
- 241000208340 Araliaceae Species 0.000 claims description 2
- 235000005035 Panax pseudoginseng ssp. pseudoginseng Nutrition 0.000 claims description 2
- 235000003140 Panax quinquefolius Nutrition 0.000 claims description 2
- 235000008434 ginseng Nutrition 0.000 claims description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 14
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 9
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 208000033748 Device issues Diseases 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
- G01D5/35354—Sensor working in reflection
- G01D5/35358—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity
- G01D5/35361—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity using elastic backscattering to detect the measured quantity, e.g. using Rayleigh backscattering
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法。本方法首先检测辅助干涉仪过零点，再根据过零点序号差计算得到校正系数，接下来利用校正系数对主干涉仪信号进行校正，并通过插值法对校正后的信号进行重采样，最后利用时频变换将信号转换到频域，从而补偿激光器的非线性扫频。本发明能够分辨出传感光纤上距离较近的多个反射点，并且对辅助干涉仪的延迟光纤长度没有限制。此外，本发明处理的数据量较小，降低了对采集卡采样率的要求，能达到更长的测量距离。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别是光频域反射计中激光器的非线性扫频及其校正方法。
背景技术
光频域反射计(OFDR)最早是在1981年由W.Eickhoff等人提出，它的基本原理来自于FMCW(调频连续波)技术。常见的OFDR系统采用可调谐激光器对光频进行线性调谐。激光器发出的光通过耦合器后分为两束，一束光进入参考光纤后被反射镜反射回耦合器，作为参考光；另一束光进入待测光纤后，在任意位置发生瑞利散射和菲涅尔反射，将一部分光返回到耦合器中，作为测试光。此时在耦合器中参考光与瑞利散射和菲涅尔反射组成的测试光相干涉。由于参考臂和测试臂的长度不同，参考光和测试光是激光器在不同时刻发出的光，因此两束光的频率不相等，发生的干涉为拍频干涉。再用光电探测器采集干涉光，输出拍频信号。此时，信号的频率和测试光纤的位置呈线性的函数关系。通过傅里叶变换，将拍频信号变换到频域，拍频信号的各频率分量将与待测光纤上各位置一一对应，由此实现分布式的光纤传感。
OFDR技术中使用的可调谐激光器通常存在非线性扫频现象，即随着时间推移，激光器的光频不再线性变化。在利用傅里叶变换将光频域信息转化为距离域信息时，需要以等光频间隔对信号采样。由于激光器的非线性扫频现象，相邻采样点间的光频间隔并不相等，经傅里叶变换后，反射点的峰值会发生明显的展宽，系统的空间分辨率也会显著下降。因此，非线性扫频效应导致距离域的空间分辨率恶化，从而影响系统的测量精度。
此前已经有补偿激光器非线性扫频的研究。K.Feng等研究者利用辅助干涉仪信号作为外部时钟，对主干涉仪信号进行重采样(K.Feng,et al,Optics Letters,2018,43(14))。但测量距离受限于辅助干涉仪延迟光纤长度，最大测量范围仅为辅助干涉仪长度的一半。Z.Ding等提出用NUFFT方法补偿非线性扫频，但这一方法在测量距离稍长时补偿效果就会急剧下降(Z.Ding,et al,Review of Scientific instruments,2012,83(6):066110)。J.Song等使用过零点重采样法进行补偿，但这一方法对采样率和和数据量的要求较高(J.Song,et al,IEEE Photonics Journal,2014,6.3:1-8)。此外，还有去斜滤波器等方法，也在测量距离、补偿效果等方面受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
本发明提供一种基于过零点检测的激光器非线性扫频校正方法，减少了激光器非线性扫频对光频域反射计空间分辨率的影响。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，所述光频域反射计包括依序连接的可调谐激光器和主干涉仪系统，主干涉仪系统生成拍频干涉信号A1，还设置辅助干涉仪系统，辅助干涉仪系统与所述主干涉仪系统同步接收可调谐激光器的光信号，生成用于校正的干涉信号A2，所述校正方法包括以下步骤：
步骤一，同步采集A1和A2；
步骤二，检测A2的所有过零点，根据过零点序号计算校正系数；
步骤三，用步骤二得到的校正系数校正A1的采样点序号，得到信号A1′；
步骤四，利用插值法对A1′信号中序号为小数的采样点进行重采样，得到采样点序号均为整数的主干涉仪拍频信号A3；
步骤五，对A3进行时域-频域转换，得到拍频信号的频谱；
步骤六，根据频率和位置的对应关系，将光频域信息转换到距离域，得到已校正非线性扫频的反射及散射信息。
优选地，所述步骤二中检测A2的所有过零点包括：当过零位置处有采样点，该采样点序号即为过零点序号；当过零位置处没有采样点时，根据过零点两侧最近的两采样点的序号，利用线性插值得到该过零点的序号。
优选地，所述步骤二中根据过零点序号计算校正系数包括：A2信号由过零点分成多段，计算A2的每两个相邻过零点的序号差，用第二个过零点和第一个过零点的序号差除以各段过零点序号差，其商作为各段的校正系数。
优选地，在所述步骤三中用校正系数校正A1的采样点序号包括：用A2信号的过零点将A1信号分成多段，用每一段中采样点与段首过零点的序号差乘上校正系数，再加上段首过零点的校正后序号，得到该采样点校正后的序号，其中，第一段作为参照段，不需校正。
优选地，在所述步骤四中所述插值法为线性插值法。
优选地，辅助干涉仪系统包括第一耦合器、参考光纤、延迟光纤、第二耦合器和光电探测器，其中，第一耦合器接收可调谐激光器的光信号，第一耦合器的输出端分别连接至并联的参考光纤与延迟光纤，参考光纤与延迟光纤的输出端连接至第二耦合器，第二耦合器的输出端连接至光电探测器，光电探测器输出干涉信号A2。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明的待测光纤长度不受辅助干涉仪延迟光纤长度限制；
(2)本发明利用辅助干涉仪过零点间隔和主干涉仪拍频信号各段的对应关系，对主干涉仪信号进行逐段校正，因此不用等待信号全部采集完再开始校正，可实现实时校正；
(3)本发明在进行数据采集时，所需的数据量较小，因此对数据采集卡的采样率要求较低，可以用较低采样率的采集卡测量较长长度的待测光纤；
(4)本发明在实现反射点测量时，无需进行平均等数据处理；
附图说明
图1是根据本发明的在光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法的流程图。
图2是光频域反射计中用于校正可调谐激光器非线性扫频的实验装置的示意图。
图3是本发明所用带有弱反射光栅的123m待测光纤示意图。
图4是本发明中计算校正系数的示意图。
图5是未进行过零点校正时的输出信号曲线。
图6是本发明进行过零点校正之后的输出信号曲线。
附图标记：1-可调谐激光器，2-1×2耦合器，3-1×2耦合器，4-200m延迟光纤，5-参考光纤，6-2×2耦合器，7-光电探测器，8-1×2耦合器，9-参考光纤，10-环形器，11-123m待测光纤，12-2×2耦合器，13-光电探测器，14-数据采集卡，15-计算机
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
OFDR系统使用的是扫频激光器。假设激光器线性扫频，其扫频速度为γ，初始频率为f0，则其频率表示为：
f(t)＝f0+γt
在OFDR系统中光纤某一位置处产生的反射或背向散射光与参考光相干涉，得到单一频率的拍频信号，拍频信号的频率是反射光和参考光的频率差。反射光和参考光是激光器不同时刻发出的光，其对应光束发出的时间间隔等于反射光与参考光的群延时差。当激光器线性扫频时，由于反射位置到耦合器的光程一定，所以反射光和参考光的频率差一定，拍频信号有着确定的频率：
fb＝γτ
其中，τ是反射光与参考光的群延时差。
但在实际情况中，激光器的扫频速度γ不是常数，而是随时间变化的函数γ(t)。因此，拍频信号的频率也将随时间变化。
在本实施方案中，用采集卡对拍频干涉信号进行等时间间隔采样，再通过傅里叶变换进行时频转换。理想情况下，激光器线性扫频，采集到的时域信号经傅里叶变换之后，恢复成拍频信号对应的单一频率。但由于激光器的非线性扫频现象，等时间间隔对应的激光器光频间隔不相等，随着时间变化，拍频信号的实际频率在其真实频率附近波动，这样解调出的信号不再是单一频率。又因为频率和位置一一对应，所以根据解调出的频率信息，无法准确定位散射点的位置，从而导致系统的空间分辨率显著下降。
为了解决这一问题，本发明提出在OFDR系统中加入辅助干涉仪，利用辅助干涉仪采集到的信号，根据光频间隔与相位差的正比关系，补偿激光器非线性扫频效应对主干涉仪系统空间分辨率的影响。
如图2所示，在本实施方案中，可调谐激光器1发出的扫频信号通过1×2耦合器2分别送往主干涉仪和辅助干涉仪。辅助干涉仪与主干涉仪并联连接于可调谐激光器1和数据采集卡14之间。主干涉仪包括依次连接的第三耦合器8、第四耦合器12和光电探测器13，其中环形器10与参考光纤9并联连接在第三耦合器8与第四耦合器12之间，待测光纤11连接至环形器10。辅助干涉仪系统包括第一耦合器3、参考光纤5、延迟光纤4、第二耦合器6和光电探测器7，其中，第一耦合器3接收可调谐激光器1的光信号，第一耦合器3的输出端分别连接至并联的参考光纤5与延迟光纤4，参考光纤与延迟光纤的输出端连接至第二耦合器6，第二耦合器6的输出端连接至光电探测器7。在辅助干涉仪中，参考光纤末端输出的参考信号和延迟光纤末端输出信号相干涉，形成拍频信号，经由光电探测器7作为干涉信号A2输出。辅助干涉仪信号和主干涉仪信号被数据采集卡14同步采集并送往计算机15进行处理，用于校正激光器非线性扫频。
在本实施方案中，辅助干涉仪中拍频信号强度的交流量表示为
其中，是反射或散射位置处的衰减系数，E0是参考光光场的幅值。
由上式可知，拍频信号的相位表达式为
当信号强度为零时，信号的相位可表示为
信号强度为零的点即为信号曲线上的过零点。由上式可知，相邻两个过零点之间的相位差为π。
对拍频信号的相位表达式求导，再代入fb＝γτ，可以将扫频速率γ表示为
在信号曲线上，每个过零点都对应着扫频激光器的一个频率，两点之间的时间间隔对应着激光器的光频间隔，这一光频间隔表示为
由此可见，两过零点的光频间隔与这两点的瞬时相位差成正比。又因为相邻两个过零点之间的相位差相等，所以辅助干涉仪拍频信号的过零点对应着等光频间隔位置。
由于激光器非线性扫频，拍频信号的频率和周期始终在波动，所以相邻过零点间的时间间隔不等。但如果能将过零点间隔调整为等时间间隔，就能将等时间间隔与过零点所代表的等光频间隔对应起来。借助过零点，校正拍频信号的所有采样点，将其调整为等光频间隔，再经过傅里叶变换，就能恢复出单一频率的拍频信号，从而补偿激光器非线性扫频的影响。
本发明的具体实施方式如图1所示。首先要检测辅助干涉仪的拍频信号A2的所有过零点，即信号强度为零的点。在找过零点时有两种情况。一是过零位置处恰好有采样点，该采样点序号即为过零点序号；而过零位置处没有采样点时，须根据过零点两侧最近的两采样点的序号，利用线性插值得到该点的近似序号。
第二步是计算每两个相邻过零点的序号差。由于采集卡是等时间间隔采样，所以两点的序号差与其时间间隔成正比。在讨论对象均为过零点的序号时，过零点的时间间隔能用过零点序号差代替。以某两个相邻过零点的序号差为参照段，将相邻过零点的序号差都缩放到与参照段相等，这样相邻过零点间的时间间隔就相等了。由于相邻过零点间的光频间隔本身就相等，因此这就实现了等光频间隔和等时间间隔的对应。
第三步是利用过零点校正采样点的光频间隔。辅助干涉仪信号被过零点分成了许多段，除了首尾两段之外，所有采样点都被夹在两个相邻过零点之间。对于每两个过零点所夹的采样点而言，由于其对应的采样时间极短(对于本实施方案中所使用的系统，约在0.38ns左右)，因此在这段时间内可以忽略激光器的非线性扫频，近似认为在这段采样时间内，相邻采样点的光频间隔相等。因此在对两相邻过零点序号差进行缩放时，也对这两点所夹的采样点进行等比例缩放，这样就将所有采样点调整为等光频间隔。
如图4所示，在进行校正时，一般选取第一个过零点和第二个过零点所夹的一段作为参照段。假设信号一共有M个过零点，其序号分别为CZ1,CZ2,CZ3……CZM。将相邻过零点的序号相减，得到参照段的过零点序号差为(CZ2-CZ1)。
在对第k段进行校正时，设其过零点序号差为Czk+1-Czk，那么这段的缩放比例为将这一值称为第k段的校正系数。采用上述方法，可以得到辅助干涉仪信号中所有采样点序号的校正系数。
由于主、辅干涉仪的信号是同步采集的，每个采样点都一一对应，因此可以用辅助干涉仪信号的采样点序号的校正系数校正主干涉仪信号的采样点序号。设第k个过零点Czk校正之后的序号为Czk′，那么对于第k段上某个序号为Cm的采样点，其校正后的序号应该为校正之后得到主干涉仪信号A1′，此时激光器的非线性扫频已经被补偿。
第四步是用插值法对A1′信号重采样。经过校正后，A1′信号的采样点序号大都不是整数。由于傅里叶变换需要等间隔采样，因此再利用插值法，选取整数序号的新采样点，得到采样点序号为连续整数的信号A3。此处的插值法可选用线性插值、样条插值等，线性插值是优选的，因为其简便易行，计算效率高，插值效果较好。相较于其他插值方法，线性插值法的计算时间最短。
最后，对A3信号进行傅里叶变换，得到频域信号。根据频率和位置的对应关系，将信号转换到距离域，从而得到待测光纤上的反射及散射信息。
利用上述校正方法对一段123m长的光纤进行测试。所用实验系统包括可调谐激光器、耦合器、主干涉仪系统、辅助干涉仪系统、数据采集卡和计算机。所用激光器扫频范围为1540-1556nm，扫频速率100nm/s。辅助干涉仪所用延迟光纤长度为200m。数据采集卡的采样率为78.125MHz。此外，所述123m待测光纤由一根122m的单模光纤和一根0.8m长且末端刻有弱反射光纤光栅的单模光纤连接而成，如图3所示。
在对这一待测光纤进行校正时，首先采集主干涉仪信号A1和辅助干涉仪信号A2。A1信号和A2信号均包含N个采样点。本实施方案中，N＝107，A2＝[(1,-0.53),(2,0.20),(3,0.63),(4,0.35),(5,-0.31),(6,-0.63),(7,-0.27),(8,0.33),……,(9999993,-0.61),(9999994,-0.25),(9999995,0.33),(9999996,0.61),(9999997,0.41),(9999998,-0.16),(9999999,-0.57),(10000000,-0.51)]。
第二步，检测A2信号的所有过零点，并保存其序号为C1＝[CZ1,CZ2,CZ3……CZM]，M是过零点的个数。本实施方案中，M＝3242300，C1＝[1.73,4.53,7.45,10.37,13.53,16.96,20.10,22.87,……,9999975.61,9999978.56,9999982.16,9999985.07,9999988.03,9999991.14,9999994.43,9999997.72]。这M个过零点一共把A2信号分割成了M+1段。值得注意的是，C1中大多数序号是通过插值法获得的，其值为小数。
第三步，计算校正系数。将C1中两两相邻过零点的序号相减，再用第一段的过零点序号差除以每一段的过零点序号差，得到M-1个校正系数。对于第一个过零点前和最后一个过零点后的采样点，设置其校正系数为1，得到完整的M+1校正系数为 本实施方案中，C2＝[1,1,1.04,1,1,0.92,0.85,0.93,……,0.99,0.81,1.00,0.98,0.94,0.89,0.89,1]。
第四步，用校正系数校正主干涉仪信号。由于A1和A2信号同步采集，因此，A2信号的M个过零点也将A1信号分割成了M+1段。本实施方案中，A1＝[(1,-0.02),(2,0),(3,0.01),(4,-0.01),(5,-0.04),(6,-0.05),(7,-0.03),(8,0.01),…….,(999993,-0.01),(999994,0),(999995,0.01),(999996,0),(999997,-0.01),(999998,-0.02),(999999,0),(10000000,0.01)]。按前文论述的方法校正，得到校正序号后的A1信号，记为信号A1′。本实施方案中，A1′＝[(1,-0.02),(2,0),(3,0.01),(4,-0.01),(5.02,-0.04),(6.06,-0.05),(7.10,-0.03),(8.10,0.01),…….,(9674450.00,-0.01),(9674451,0),(9674452.00,0.01),(9674453.00,0),(9674454.00,-0.01),(9674455.00,-0.02),(9674456.00,0),(9674457.00,0.01)]。
第五步，对A1′重采样，得到采样点序号为整数的信号A3。由于A1′中的序号大都不是整数，而傅里叶变换需要对信号等时间间隔采样。因此利用线性插值法，选取整数序号的新采样点，得到采样点序号为连续整数的信号A3。本实施方案中，A3＝[(1,-0.02),(2,0),(3,0.01),(4,-0.01),(5,-0.04),(6,-0.05),(7,-0.03),(8,0.01),……,(9674450,-0.01),(9674451,0),(9674452.00,0.01),(9674453.00,0),(9674454.00,-0.01),(9674455.00,-0.02),(9674456.00,0),(9674457.00,0.01)]。
第六步，对A3信号进行时频转换变换到频域，再利用频率和位置的对应关系，从频域转换到距离域。
如图5所示是未校正非线性扫频的输出信号曲线，由于激光器非线性扫频的影响，123m光纤末端的法兰、弱反射光纤光栅和光纤末端这三个反射点没有被区分出来，反射峰的半高全宽，即系统空间分辨率仅为10m。校正激光器非线性扫频后，输出的信号曲线如图6所示。法兰、弱反射光纤光栅和光纤末端这三处反射点能被清晰地分辨，弱反射光纤光栅的分辨率达到0.1mm。经校正后的信号较未校正时，分辨率提高了105倍。实验结果表明：该方法较好的抑制了激光器非线性扫频，极大地提高了系统的空间分辨率。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，所述光频域反射计包括依序连接的可调谐激光器和主干涉仪系统，主干涉仪系统生成拍频干涉信号A1，其特征在于，还设置辅助干涉仪系统，辅助干涉仪系统与所述主干涉仪系统同步接收可调谐激光器的光信号，生成用于校正的干涉信号A2，所述校正方法包括以下步骤：
步骤一，同步采集A1和A2；
步骤二，检测A2的所有过零点，根据过零点序号计算校正系数；
步骤三，用步骤二得到的校正系数校正A1的采样点序号，得到信号A1′；
步骤四，利用插值法对A1′信号中序号为小数的采样点进行重采样，得到采样点序号均为整数的主干涉仪拍频信号A3；
步骤五，对A3进行时域-频域转换，得到拍频信号的频谱；
步骤六，根据频率和位置的对应关系，将光频域信息转换到距离域，得到已校正非线性扫频的反射及散射信息。
2.根据权利要求1所述的光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，其特征在于，所述步骤二中检测A2的所有过零点包括：当过零位置处有采样点，该采样点序号即为过零点序号；当过零位置处没有采样点时，根据过零点两侧最近的两采样点的序号，利用线性插值得到该过零点的序号。
3.根据权利要求1所述的光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，其特征在于，所述步骤二中根据过零点序号计算校正系数包括：A2信号由过零点分成多段，计算A2的每两个相邻过零点的序号差，用第二个过零点和第一个过零点的序号差除以各段过零点序号差，其商作为各段的校正系数。
4.根据权利要求1所述的光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，其特征在于，在所述步骤三中用校正系数校正A1的采样点序号包括：用A2信号的过零点将A1信号分成多段，用每一段中采样点与段首过零点的序号差乘上校正系数，再加上段首过零点的校正后序号，得到该采样点校正后的序号，其中，第一段作为参照段，不需校正。
5.根据权利要求1所述的光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，其特征在于，在所述步骤四中所述插值法为线性插值法。
6.根据权利要求1所述的光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，其特征在于，辅助干涉仪系统包括第一耦合器、参考光纤、延迟光纤、第二耦合器和光电探测器，其中，第一耦合器接收可调谐激光器的光信号，第一耦合器的输出端分别连接至并联的参考光纤与延迟光纤，参考光纤与延迟光纤的输出端连接至第二耦合器，第二耦合器的输出端连接至光电探测器，光电探测器输出干涉信号A2。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910084695.9A CN109682403B (zh) | 2019-01-29 | 2019-01-29 | 一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910084695.9A CN109682403B (zh) | 2019-01-29 | 2019-01-29 | 一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109682403A true CN109682403A (zh) | 2019-04-26 |
| CN109682403B CN109682403B (zh) | 2020-10-16 |
Family
ID=66194988
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910084695.9A Active CN109682403B (zh) | 2019-01-29 | 2019-01-29 | 一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109682403B (zh) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110487313A (zh) * | 2019-08-02 | 2019-11-22 | 哈尔滨工业大学 | 光频域反射技术中光源扫频非线性自校正方法 |
| CN110749420A (zh) * | 2019-09-12 | 2020-02-04 | 芯华创(武汉)光电科技有限公司 | 一种ofdr检测装置 |
| CN111397644A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-07-10 | 南京大学 | 一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿系统及补偿方法 |
| CN112034475A (zh) * | 2020-09-09 | 2020-12-04 | 哈尔滨工业大学 | Fmcw激光雷达扫频光源跳模补偿方法 |
| CN112051583A (zh) * | 2020-08-25 | 2020-12-08 | 哈尔滨工业大学 | Fmcw距离测量系统中拍频信号非线性校正方法 |
| CN112082585A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-12-15 | 哈尔滨工业大学 | 基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布式测量方法、装置及系统 |
| CN112923960A (zh) * | 2021-02-01 | 2021-06-08 | 南京大学 | 用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置 |
| CN113804302A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-12-17 | 广东工业大学 | 一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置 |
| CN114577243A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-06-03 | 宁夏回族自治区水利工程建设中心 | 提高安全状态的相敏光时域反射仪脉冲发生频率调节方法 |
| CN115327515A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-11-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于相位传递的双扫频干涉动态测量系统及测量方法 |
| CN116659395A (zh) * | 2023-06-07 | 2023-08-29 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法 |
| CN117007170A (zh) * | 2023-07-04 | 2023-11-07 | 哈尔滨工业大学 | Ofdr振动测量装置、方法和系统 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100145648A1 (en) * | 2008-08-08 | 2010-06-10 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | System and method for correcting sampling errors associated with radiation source tuning rate fluctuations in swept-wavelength interferometry |
| JP4769668B2 (ja) * | 2006-09-05 | 2011-09-07 | 日本電信電話株式会社 | 光リフレクトメトリ測定方法および装置 |
| CN104833380A (zh) * | 2015-04-22 | 2015-08-12 | 江苏骏龙电力科技股份有限公司 | 一种光频扫描非线性校正系统 |
| CN106248118A (zh) * | 2016-07-15 | 2016-12-21 | 武汉理工大学 | 高波长分辨率光纤光栅解调系统及方法 |
| CN106568382A (zh) * | 2016-11-14 | 2017-04-19 | 武汉理工大学 | 超长光纤光栅刻写在线监测系统及方法 |
| CN107102173A (zh) * | 2017-06-22 | 2017-08-29 | 北京航空航天大学 | 一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定装置及方法 |
| CN107328429A (zh) * | 2017-08-09 | 2017-11-07 | 武汉隽龙科技股份有限公司 | 光频域反射技术中可提高近距离传感稳定性的装置及方法 |
| CN107830880A (zh) * | 2017-11-10 | 2018-03-23 | 武汉理工大学 | 基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统及方法 |
| CN108562237A (zh) * | 2018-01-04 | 2018-09-21 | 大连理工大学 | 一种采用hcn气室在光频域反射传感系统中进行光谱校准的装置和方法 |
-
2019
- 2019-01-29 CN CN201910084695.9A patent/CN109682403B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4769668B2 (ja) * | 2006-09-05 | 2011-09-07 | 日本電信電話株式会社 | 光リフレクトメトリ測定方法および装置 |
| US20100145648A1 (en) * | 2008-08-08 | 2010-06-10 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | System and method for correcting sampling errors associated with radiation source tuning rate fluctuations in swept-wavelength interferometry |
| CN104833380A (zh) * | 2015-04-22 | 2015-08-12 | 江苏骏龙电力科技股份有限公司 | 一种光频扫描非线性校正系统 |
| CN106248118A (zh) * | 2016-07-15 | 2016-12-21 | 武汉理工大学 | 高波长分辨率光纤光栅解调系统及方法 |
| CN106568382A (zh) * | 2016-11-14 | 2017-04-19 | 武汉理工大学 | 超长光纤光栅刻写在线监测系统及方法 |
| CN107102173A (zh) * | 2017-06-22 | 2017-08-29 | 北京航空航天大学 | 一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定装置及方法 |
| CN107328429A (zh) * | 2017-08-09 | 2017-11-07 | 武汉隽龙科技股份有限公司 | 光频域反射技术中可提高近距离传感稳定性的装置及方法 |
| CN107830880A (zh) * | 2017-11-10 | 2018-03-23 | 武汉理工大学 | 基于微腔阵列光纤的全分布式解调系统及方法 |
| CN108562237A (zh) * | 2018-01-04 | 2018-09-21 | 大连理工大学 | 一种采用hcn气室在光频域反射传感系统中进行光谱校准的装置和方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 李化军: "OFDR光纤传感技术在复合材料非均匀应变测量中的研究", 《万方数据知识服务平台》 * |
| 樊鹏: "二维应变场测量的光纤光栅传感理论与实验研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 * |
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110487313B (zh) * | 2019-08-02 | 2021-04-16 | 哈尔滨工业大学 | 光频域反射技术中光源扫频非线性自校正方法 |
| CN110487313A (zh) * | 2019-08-02 | 2019-11-22 | 哈尔滨工业大学 | 光频域反射技术中光源扫频非线性自校正方法 |
| CN110749420A (zh) * | 2019-09-12 | 2020-02-04 | 芯华创(武汉)光电科技有限公司 | 一种ofdr检测装置 |
| CN111397644A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-07-10 | 南京大学 | 一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿系统及补偿方法 |
| CN111397644B (zh) * | 2020-03-26 | 2022-02-08 | 南京大学 | 一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应的补偿方法 |
| CN112082585B (zh) * | 2020-06-05 | 2022-06-14 | 哈尔滨工业大学 | 基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布式测量方法、装置及系统 |
| CN112082585A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-12-15 | 哈尔滨工业大学 | 基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布式测量方法、装置及系统 |
| CN112051583A (zh) * | 2020-08-25 | 2020-12-08 | 哈尔滨工业大学 | Fmcw距离测量系统中拍频信号非线性校正方法 |
| CN112034475A (zh) * | 2020-09-09 | 2020-12-04 | 哈尔滨工业大学 | Fmcw激光雷达扫频光源跳模补偿方法 |
| CN112923960A (zh) * | 2021-02-01 | 2021-06-08 | 南京大学 | 用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置 |
| CN113804302A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-12-17 | 广东工业大学 | 一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置 |
| WO2023001207A1 (zh) * | 2021-07-20 | 2023-01-26 | 广东工业大学 | 一种基于光频域干涉的光纤分布式偏振串音快速测量装置 |
| CN114577243A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-06-03 | 宁夏回族自治区水利工程建设中心 | 提高安全状态的相敏光时域反射仪脉冲发生频率调节方法 |
| CN115327515A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-11-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于相位传递的双扫频干涉动态测量系统及测量方法 |
| CN115327515B (zh) * | 2022-08-10 | 2023-04-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于相位传递的双扫频干涉动态测量系统及测量方法 |
| CN116659395A (zh) * | 2023-06-07 | 2023-08-29 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法 |
| CN116659395B (zh) * | 2023-06-07 | 2024-02-23 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法 |
| CN117007170A (zh) * | 2023-07-04 | 2023-11-07 | 哈尔滨工业大学 | Ofdr振动测量装置、方法和系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109682403B (zh) | 2020-10-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109682403A (zh) | 一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法 | |
| CN110487313B (zh) | 光频域反射技术中光源扫频非线性自校正方法 | |
| CN111397644B (zh) | 一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应的补偿方法 | |
| JP6698164B2 (ja) | 周波数合成に基づいた光周波数領域反射方法及びシステム | |
| EP1825215B1 (en) | Compensating for time varying phase changes in interferometric measurements | |
| EP1286150B1 (en) | Interferometric optical component analyzer based on orthogonal filters | |
| CN112923960B (zh) | 用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置 | |
| CN102384799B (zh) | 基于布里渊分布式光纤传感系统相干检测方案的扫频及数据处理方法 | |
| CN105891434B (zh) | 一种海水盐度的在线检测方法及其装置 | |
| CN102420650B (zh) | 一种抑制光频域反射仪的激光器非线性扫描装置和方法 | |
| CN113029034A (zh) | 激光扫频干涉测量的非线性校正与量程扩展装置及方法 | |
| CN105444793B (zh) | 基于高速脉冲激光器的光纤布拉格光栅传感装置 | |
| CN104006948B (zh) | 基于多峰分裂周期解调保偏光纤偏振耦合点位置的方法 | |
| CN114370889B (zh) | Ofdr系统中不同测量长度的自适应补偿测量方法 | |
| CN102607612A (zh) | 基于单色频率绝对相位的低相干干涉解调方法 | |
| CN110243472B (zh) | 基于色散傅里叶变换的自校准集成式高速实时光谱分析仪 | |
| CN209590271U (zh) | 一种空间长度的测量装置 | |
| CN103823175B (zh) | 一种基于otdr的光电探测电路频响特性测试方法 | |
| CN109375190A (zh) | 同时测量大气多种成分的频率梳激光雷达检测方法及系统 | |
| CN104459676B (zh) | 同时测量两根光纤长度的系统和方法 | |
| CN104038281B (zh) | 非线性相位估计的长距离高分辨率光频域反射解调方法 | |
| CN110332951A (zh) | 一种光频域反射技术中实现远端传感的装置及方法 | |
| CN111912516A (zh) | 一种相位同步的光纤分布式振动测量装置、驱动器及方法 | |
| CN109031341B (zh) | 一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法 | |
| JP6274555B2 (ja) | 群遅延演算を用いたｏｆｄｒ方式光ファイバ計測方法及びそれを実施する装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |