CN110375782B - 提高ofdr单次扫描解调速度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种显著提高OFDR单次扫描解调速度的装置及方法，装置包括了扫频光源、1xN光纤分束器、辅助触发模块、辅助时钟模块、测量模块、数据采集卡和计算机，该装置可产生三个拍频信号。在扫频光源扫描过程中，在第一拍频信号的触发下，第二拍频干涉作为时钟信号，对第三拍频信号进行等频率间隔分段采集。本发明在单次扫描过程中实现分成N段采集，可将调解速度中占比最重的扫描时间压缩N倍，并保证了分段采集的数据在波长(频率)上具有严格的重复性。因此，本发明在保证OFDR技术实现通信或者传感测量的前提下，采用分段采集的思想，将调解速度中占比最大的扫描时间压缩N倍，显著提高了OFDR单次扫描解调速度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，更具体而言,涉及一种本发明涉及一种显著提高OFDR单次扫描解调速度的装置及方法。
背景技术
光频域反射技术(OFDR)是一种新兴分布式光纤测量传感技术，其基本原理主要基于扫频光源和光外差检测技术相结合。根据解调速度快慢可将OFDR系统分为静态OFDR系统和动态OFDR系统。OFDR系统解调速度主要受限于三大因素：激光器扫描速度、采集卡采集及传输速率、计算机数据处理能力。通常一次标准的测量包含激光器扫描、数据采集卡采集及数据传输和计算机分析处理各个步骤。
目前采集卡采集和传输数据速率显著上升，计算机数据处理能力也在飞速发展。激光器扫描时间在单次OFDR系统测量中时间占比高，因此对于OFDR系统而言，提高激光器扫描速度可以大大缩短OFDR系统单次测量所需时间。
OFDR系统中使用的扫频激光器大多数是基于外腔调制，即：通过改变激光器谐振腔长来实现扫频激光的输出。在扫描过程中，激光器腔的其中一个面固定不动，另一个面通过电机控制其线性移动，从而使得输出的激光的波长是线性变化的。腔长从最大(短)到最短(长)为一个扫描周期，即激光实现了一次线性扫频输出。传统方式缩短OFDR激光扫描时间占比的方式是提高激光器的扫描速度。通过激光器的快速扫描，并利用采集卡采集其中一段波长数据，传输到计算机进行相应分析处理。因此，传统方式单次测量时间大于激光器的扫描时间。要想提高OFDR系统解调速度，必须提高激光器的扫描速度。激光器的扫描速度受限于激光器的电机、反射镜等机械机构装置，并且扫描速度过快产生的加速冲击以及减速停顿容易损坏激光器内部精密部件。
发明内容
针对现有技术的不足或者改进需求，本发明的目的在于提供一种可显著提高OFDR单次扫描解调速度的装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供一种提高OFDR单次扫描解调速度的装置，该装置包括扫频光源、1xN光纤分束器、辅助触发模块、辅助时钟模块、测量模块、数据采集卡和计算机，其中：
所述扫频光源，用于发出波长周期性线性变化的扫频激光；
所述1xN光纤分束器，用于将扫频激光分为三路，分别进入辅助触发源模块、辅助时钟模块和测量模块；
所述辅助触发源模块，用于使进入其内的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；
所述辅助时钟模块，用于使进入其内的扫频激光发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号经过转化后作为数据采集卡的外部时钟；
所述测量模块，用于使进入其内的扫频激光发生拍频干涉，产生第三拍频信号；
所述数据采集卡，用于在扫频光源扫描过程中，在第一拍频信号的触发下，第二拍频干涉作为时钟信号，对第三拍频信号进行等频率间隔分段采集；第一拍频信号每触发一次，完成一次完整的数据采集；每次采集的数据中，相应分段数据的起始波长和结束波长一致；
所述计算机，用于对扫频光源、辅助触发模块、数据采集卡进行控制，并对采集的第一拍频信号进行处理分析。
接上述技术方案，所述辅助触发源模块包括顺次连接的第一光纤隔离器、第一光纤耦合器、电动光纤延时线、第二光纤耦合器和第一光电探测电路；其中电动光纤延时线的延时量通过计算机设置并控制。
接上述技术方案，所述辅助时钟模块包括顺次连接的第二光纤隔离器、第三光纤耦合器和第二光电探测电路，该第三光纤耦合器的一个输出端连接一光纤线圈，光纤线圈的另一端连接一第一法拉第旋转镜，该第三光纤耦合器的另一个输出端连接一第二法拉第旋转镜。
接上述技术方案，所述测量模块包括依次连接的第三光纤隔离器、第四光纤耦合器、待测光纤链路第五光纤耦合器和第三光电探测电路，该测量模块还包括连接在第四光纤耦合器和第五光纤耦合器之间的光纤环形器，该光纤环形器还连接待测光纤链路。
接上述技术方案，第三光纤耦合器为2x2光纤耦合器，第四光纤耦合器为1x2光纤耦合器，第五光纤耦合器为1x2光纤耦合器。
接上述技术方案，第一拍频信号的频率间隔远大于第二拍频信号的频率间隔。
本发明还提供了一种基于上述提高OFDR单次扫描解调速度的装置的解调方法，包括以下步骤：
由扫频光源发出的线性扫频激光经过1xN光纤分束器分为三路，一路进入辅助触发模块，一路进入辅助时钟模块，还有一路进入测量模块；
在辅助触发模块中，激光经过隔离后分成两路，其中一路光经过延时后与另一路光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；
在辅助时钟模块中，激光经过隔离器后分为两路，其中一路光直接经反射后原路返回，与另一路经过延时后再原路返回的光发生拍频干涉，产生第二拍频信号；
在测量模块中，激光经过隔离后分成两路，其中一路光与另一路进入待测光纤器件后原路返回的光发生拍频干涉，产生第三拍频信号；
在扫频光源扫描过程中，数据采集卡利用第一拍频信号作为触发源信号，第二拍频干涉作为时钟，对第三拍频信号进行等频率间隔分段采集；第一拍频信号每触发一次，完成一次完整的数据采集；每次采集的数据中，相应分段数据的起始波长和结束波长一致。
接上述技术方案，分段采集时，每段采集的点数相同。
接上述技术方案，第一拍频信号的频率间隔远大于第二拍频信号的频率间隔。
接上述技术方案，计算机与扫频光源、电动光纤延时线、高速数据采集卡连接。计算机控制激光输出、控制电动光纤延时线的长度、控制数据采集卡将数据传输到计算机。
接上述技术方案，数据采集卡在第一拍频信号的上升沿或者下降沿的触发下，将第二拍频信号产生的正弦拍频信号作为等频率间隔时钟，在该等频率间隔时钟的上升沿或下降沿采集第三拍频信号。
接上述技术方案，利用计算机控制数据采集卡，设置成外部硬件触发采集。将第一拍频信号作为系统采集的触发，第二拍频信号作为采集的时钟，第三拍频信号是测量信号。对采集到的第三拍频信号分析处理，即可得到N段有效测量数据，显著提高了单次扫描的解调速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供了一种显著提高OFDR单次扫描解调速度的装置及方法。本发明的核心思想是将OFDR技术中单次扫描过程中实现分成N段采集，本发明可将调解速度中占比最重的扫描时间压缩N倍。同时本发明提供了波长范围校准方案，保证了分段采集的数据在波长(频率)上具有严格的重复性。因此，本发明在保证OFDR技术实现通信或者传感测量的前提下，采用分段采集的思想，将调解速度中占比最大的扫描时间压缩N倍，显著提高了OFDR单次扫描解调速度。
附图说明
为了完善说明并帮助更好地理解本发明特性的目的，下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提高OFDR单次扫描解调速度的装置的结构示意图图；
图2为本发明实施例单次分段采集示意图；
图3为本发明实施例提高OFDR单次扫描解调速度的。
图1中，1为扫频光源，2为1xN光纤分束器，3为辅助触发模块，4为辅助时钟模块，5为测量模块，6为数据采集卡，7为计算机，8为第一光纤隔离器，9为第一光纤耦合器，10为电动光纤延时线，11为第二光纤耦合器，12为第一光电探测电路，13为第二光纤隔离器，14为第三光纤耦合器，15为光纤线圈，16为第一法拉第旋转镜，17为第二法拉第旋转镜，18为第二光电探测电路，19为第三光纤隔离器，20为第四光纤耦合器，21为光纤环形器，22为待测光纤链路，23为第五光纤耦合器，24为第三光电探测电路。
具体实施方式
下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的核心思想是在OFDR技术中，于单次扫描过程中实现分段采集。即：单次扫描过程中，对数据进行等频率并分解成N段采集，可将调解速度中占比最重的扫描时间压缩N倍，并且保证了分段采集的数据在波长(频率)上具有严格的重复性。为了保证OFDR技术实现通信或者传感测量，每次分段采集的数据必须在波长(频率)上具有严格的重复性。因此在单次扫描过程中的N段数据采集，每一段信号采集均需要有固定的波长(频率)起始采集信号，并采集相同的点数。
本发明可实现任意单次扫描过程中的N段数据采集均有固定的波长(频率)起始采集信号，并采集到相同的频段覆盖数据。
如图1所示，本发明实施例的显著提高OFDR单次扫描解调速度的装置，包括扫频光源1、1xN光纤分束器2、辅助触发源模块3、辅助时钟模块4、测量模块5、数据采集卡6和计算机7，其中：
所述扫频光源1，用于发出激光波长周期性线性变化的扫频激光；
所述1xN光纤分束器2，用于将扫频激光分为三路，分别进入测量模块3、辅助时钟模块4、辅助触发源模块5；
所述辅助触发源模块3，用于使进入该辅助触发源模块的扫频激光发生拍频干涉，产生第三拍频信号，该第三拍频信号经过转化后作为高速数据采集卡6的外部触发信号。
所述辅助时钟模块4，用于使进入该辅助时钟模块的扫频激光发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号经过转化后作为高速数据采集卡的外部时钟；
所述测量模块5，用于使进入该模块的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；
所述数据采集卡6，用于在接收到外部触发指令后，使用外部时钟的触发下等频率间隔采样第一拍频信号；
所述计算机7，用于对采集的第一拍频信号进行处理分析、并对激光器、辅助触发源模块进行控制。
进一步地，该辅助触发模块3包括第一光纤隔离器8、第一光纤耦合器9、第二光纤耦合器11、电动光纤延时线10和第一光电探测电路12。所述第一光纤隔离器8一端与1xN光纤分束器2连接、另一端与第一光纤耦合器8的输入端连接，第一光纤耦合器8的两个输出端分别与第二光纤耦合器11和电动光纤延时线10连接，其中电动光纤延时线10的输出端还跟第二光纤耦合器11连接。扫频激光被第一光纤耦合器9分出的两路激光在第二光纤耦合器11发生干涉，产生第一拍频信号。第一拍频信号经过第一光电探测模块12转化与高速数据采集卡6的触发接口连接。如图1所示，计算机7与扫频光源1、电动光纤延时线10、数据采集卡6连接。计算机7控制激光输出、控制电动光纤延时线10的延时量、控制数据采集卡6参数设置并将采集到的第三拍频信号数据传输到计算机7。
进一步地，该辅助时钟模块4包括第二光纤隔离器13、第三光纤耦合器14、两个法拉第旋转镜16、17，还有一个光纤线圈15。所述第二光纤隔离器13的一端与1xN光纤分束器2连接，另一端与第三光纤耦合器14其中一个输入端连接。第三光纤耦合器14的两个输出端的其中一端连接光纤线圈15，光纤线圈15的另一端再与法拉第旋转镜16连接，另一输出端直接与法拉第旋转镜17连接。进入该辅助时钟模块的激光在两个法拉第旋转镜反射，并沿路返回到第三光纤耦合器14处发生干涉，产生第二拍频信号。第二拍频信号由第三光纤耦合器14的另一个输入端出射进入第二光电探测电路18，第二光电探测电路18与高速数据采集卡6的外部时钟接口连接。
进一步地，述测量模块5包括第三光纤隔离器19、第四光纤耦合器20、光纤环形器21、待测光纤链路22(DUT)和第五光纤耦合器23。所述第三光纤隔离器19的一端与1xN光纤分束器2的一端连接，另一端与第四光纤耦合器20的连接。所述第四光纤耦合器20其中一端连接第三光纤隔离器19，另一端与光纤环形器21连接。所述光纤环形器21的a口与第四光纤耦合器20连接、b口与待测光纤期间22连接、c口与第五光纤耦合器23的一端连接。从第四光纤耦合器20分出的两路激光，经过两个路径后在第五光纤耦合器23处发生拍频干涉。第五光纤耦合器23的输出端与第三光电探测电路24连接，第三光电探测电路24与高速数据采集卡6的信号输入端连接。
其中，第三光纤耦合器14为2x2光纤耦合器，第四光纤耦合器20为1x2光纤耦合器，第五光纤耦合器23为1x2光纤耦合器。
如图2所示，本发明实施例基于上述实施例的提高OFDR单次扫描解调速度的装置的解调方法，包括以下步骤：
S1、由扫频光源发出的线性扫频激光经过1xN光纤分束器分为三路，一路进入辅助触发模块，一路进入辅助时钟模块，还有一路进入测量模块；
S2、在辅助触发模块中，激光经过隔离后分成两路，其中一路光经过延时后与另一路光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；
S3、在辅助时钟模块中，激光经过隔离器后分为两路，其中一路光直接经反射后原路返回，与另一路经过延时后再原路返回的光发生拍频干涉，产生第二拍频信号；
S4、在测量模块中，激光经过隔离后分成两路，其中一路光与另一路进入待测光纤器件后原路返回的光发生拍频干涉，产生第三拍频信号；
S5、在扫频光源扫描过程中，数据采集卡利用第一拍频信号作为触发源信号，第二拍频干涉作为时钟，对第三拍频信号进行等频率间隔分段采集；第一拍频信号每触发一次，完成一次完整的数据采集；每次采集的数据中，相应分段数据的起始波长和结束波长一致。
具体地，在辅助触发模块3中，激光经过第一光纤隔离器8后再进入第一光纤耦合器9。第一光纤隔离器9的目的是为了防止辅助触发模块的激光反射回到激光器或者其他模块中，产生干扰。激光进入第一光纤耦合器9处分成两路，一路进入第二光纤耦合器11连接，另一路进入电动光纤延时线10。激光在两个路径下，走的光程不同，因此两路光到达连接后再跟第二光纤耦合器连接。激光在这两路走的光程不同，引入的时延，两路光到达第二光纤耦合器11处时间不同，由于激光是随时间线性扫频输出，因此两路激光频率不同，含有差频。两路光在第二光纤耦合器11发生干涉，产生第一拍频信号。该第一拍频信号是等频率间隔的正弦信号，经过第一光电探测电路后转化成电信号，该电信号作为数据采集卡的等频率间隔触发源信号，用于本发明单次扫描过程的触发信号使用。
假设激光从第一光纤耦合器9直接到第二光纤耦合器10的时延为t1；从第二光纤耦合器9经过电动光纤延时线10后再到第二光纤耦合器10的时延为t2。因此两者的时延差为t2-t1。
由OFDR技术等频率间隔采样推导公式可知，干涉仪臂差延时量等于频率间隔的倒数，即：
ΔV＝1/τ (1)
公式(1)中ΔV为干涉仪的频率间隔，τ为干涉仪的延时。
具体可参考专利2019103602195《基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置及方法》。
因此两路光产生的第一拍频信号的频率间隔：
V1＝1/(t2-t1) (2)
电动光纤延时线10的延时通过计算机7来控制，根据频率间隔需要来控制延时量。
具体地，在辅助时钟模块4中，激光经过第二光纤隔离器13后再进入第三光纤耦合器14，接着分成两路，一路光进入光纤线圈15后再进入第一法拉第旋转镜16并沿路返回，另一路光直接进入第二法拉第旋转镜17并原路返回。两路法拉第旋转镜原路返回的光在第三光纤耦合器14处发生干涉。两路光来回会产生一个时延，因此该干涉信号中含有拍频信号，即第二拍频信号。进入第二光电探测电路18后转换成电信号，该拍频信号作为数据采集卡6的时钟输入。
设两路光产生的时延差为t3，则第二拍频信号的频率间隔为：
V2＝1/t3 (3)
具体地，在测量模块5中，激光经过第三光纤隔离器19后再进入第四光纤耦合器20。激光在第四光纤耦合器20处分成两路，一路光直接进入第五光纤耦合器23，可称为参考光；一路光进入光纤环形器21并在待测光纤链路22(DUT)中传输并产生反射光沿路返回后再次进入光纤环形器21并由光纤环形器21出射进入第五光纤耦合器23，可称为信号光。两路激光在两个路径中的光程不同，进而引入了时延，因此两路激光在第五光纤耦合器处发生拍频干涉，产生第三拍频信号，该拍频信号是一个混频信号，参考光路的激光与待测光纤链路22(DUT)所有位置处的反射发生混频干涉，该拍频光信号进入第三光电探测电路24后，转为电信号，并由数据采集卡6采集。
本发明利用计算机7控制数据采集卡6，设置成外部硬件触发采集。即：采集卡在采集数据过程中，需要硬件信号触发采集卡才开始采集信号，直到采完设置的数据量才停止。前面已经详细说明了三种拍频信号的产生以及基本属性。本发明将第一拍频信号作为系统采集的触发，第二拍频信号作为采集的时钟，第三拍频信号是测量信号。对采集到的第三拍频信号分析处理，即可得到N段有效测量数据，显著提高了单次扫描的速率。
如图3所示，图中左边是本发明提出的OFDR系统单次扫描、N次采集的工作示意图，右边是单段采集工作示意图。下面详细介绍采集步骤：
1、扫频光源1在计算机7的控制下开始扫描，在扫描的过程中，本发明装置会同步产生3个拍频信号，即第一拍频信号、第二拍频信号和第三拍频信号。
2、采集卡等待第一个触发源信号(即第一拍频信号)的上升沿(或者下降沿)，采集卡收到第一个触发源信号后，开始用第二拍频信号产生的正弦拍频信号作为时钟，并采集第三拍频信号。该触发源的频率间隔是V1，该时钟的频率间隔是V2，并且V1远大于V2。采集卡在等频率间隔时钟下是通过时钟的上升沿(或下降沿)采集第三拍频信号。第一段数据采集直到数据采集卡采满设定的点数后停止采集，并将数据上传到计算机7，在计算机7中处理分析。
3、采集卡等待第二个触发源信号(即第一拍频信号)的上升沿(或者下降沿)，重复步骤2，直至完成N次数据采集。
需要特别指出的是，本发明提供的辅助触发模块中含有电动光纤延时线10，因此本发明可以根据需要来设定采样频段间隔。即：通过改变电动光纤延时线10延时量，可以调节单次扫描过程中采集的数据段数N。一般情况下，会有如下近似：扫描范围(频域)＝N*V1。即电动光纤延时线10的延时量越大，采集的数据段数N越多，单次扫描数据刷新率越高。
本领域的技术人员容易理解，此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制，凡不脱离本发明方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种提高OFDR单次扫描解调速度的装置，其特征在于，该装置包括扫频光源、1xN光纤分束器、辅助触发模块、辅助时钟模块、测量模块、数据采集卡和计算机，其中：
所述扫频光源，用于发出波长周期性线性变化的扫频激光；
所述1xN光纤分束器，用于将扫频激光分为三路，分别进入辅助触发源模块、辅助时钟模块和测量模块；
所述辅助触发源模块，用于使进入其内的扫频激光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；
所述辅助时钟模块，用于使进入其内的扫频激光发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该第二拍频信号经过转化后作为数据采集卡的外部时钟；
所述测量模块，用于使进入其内的扫频激光发生拍频干涉，产生第三拍频信号；
所述数据采集卡，用于在扫频光源扫描过程中，在第一拍频信号的触发下，第二拍频干涉作为时钟信号，对第三拍频信号进行等频率间隔分段采集；第一拍频信号每触发一次，完成一次完整的数据采集；每次采集的数据中，相应分段数据的起始波长和结束波长一致；
所述计算机，用于对扫频光源、辅助触发模块、数据采集卡进行控制，并对采集的第一拍频信号进行处理分析。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助触发源模块包括顺次连接的第一光纤隔离器、第一光纤耦合器、电动光纤延时线、第二光纤耦合器和第一光电探测电路；其中电动光纤延时线的延时量通过计算机设置并控制。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述辅助时钟模块包括顺次连接的第二光纤隔离器、第三光纤耦合器和第二光电探测电路，该第三光纤耦合器的一个输出端连接一光纤线圈，光纤线圈的另一端连接一第一法拉第旋转镜，该第三光纤耦合器的另一个输出端连接一第二法拉第旋转镜。
4.如权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，所述测量模块包括依次连接的第三光纤隔离器、第四光纤耦合器、待测光纤链路第五光纤耦合器和第三光电探测电路，该测量模块还包括连接在第四光纤耦合器和第五光纤耦合器之间的光纤环形器，该光纤环形器还连接待测光纤链路。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，第三光纤耦合器为2x2光纤耦合器，第四光纤耦合器为1x2光纤耦合器，第五光纤耦合器为1x2光纤耦合器。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，第一拍频信号的频率间隔远大于第二拍频信号的频率间隔。
7.一种基于权利要求1所述的提高OFDR单次扫描解调速度的装置的解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
由扫频光源发出的线性扫频激光经过1xN光纤分束器分为三路，一路进入辅助触发模块，一路进入辅助时钟模块，还有一路进入测量模块；
在辅助触发模块中，激光经过隔离后分成两路，其中一路光经过延时后与另一路光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；
在辅助时钟模块中，激光经过隔离器后分为两路，其中一路光直接经反射后原路返回，与另一路经过延时后再原路返回的光发生拍频干涉，产生第二拍频信号；
在测量模块中，激光经过隔离后分成两路，其中一路光与另一路进入待测光纤器件后原路返回的光发生拍频干涉，产生第三拍频信号；
在扫频光源扫描过程中，数据采集卡利用第一拍频信号作为触发源信号，第二拍频干涉作为时钟，对第三拍频信号进行等频率间隔分段采集；第一拍频信号每触发一次，完成一次完整的数据采集；每次采集的数据中，相应分段数据的起始波长和结束波长一致。
8.根据权利要求7中所述的方法，其特征在于，分段采集时，每段采集的点数相同。
9.根据权利要求7中所述的方法，其特征在于，第一拍频信号的频率间隔远大于第二拍频信号的频率间隔。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其特征在于，数据采集卡在第一拍频信号的上升沿或者下降沿的触发下，将第二拍频信号产生的正弦拍频信号作为等频率间隔时钟，在该等频率间隔时钟的上升沿或下降沿采集第三拍频信号。
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