CN111397644B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光频域反射计(OFDR)的激光器非线性调谐效应补偿系统。首先在OFDR辅助干涉仪的一个干涉臂中接入声光频移器(AOM)对光波进行移频，增大辅助干涉仪的拍频信号频率。然后通过光电探测器将拍频信号转换为交流电信号，利用该信号的过零点作为参考点，校正主干涉仪的测量信号。校正过程包括求解过零点、计算两两过零点之间的频率间隔、消除AOM引入的附加频率、求校正系数以及横坐标校正五个步骤。将以上过程所得到的校正信号用于OFDR的探测，可有效克服光源非线性调谐效应的影响，提高OFDR的空间分辨率。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤传感领域，尤其涉及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。
背景技术
光频域反射(Optical Frequency Domain Reflectometer,OFDR)技术在1981年由Eickhoff等人首次提出。在过去几年中，OFDR因其高空间分辨率、高灵敏度等优势，在分布式光纤传感领域发挥了重要作用，主要应用领域包括温度传感、应变传感、形状传感等。
在基本的OFDR中，可调谐激光器发出的扫频光分为两路，一路作为参考光，另一路进入待测光纤，反射或散射回来的光与参考光发生拍频，根据拍频信号的特性来检测待测光纤的特性。OFDR中最关键的器件是可调谐激光器，它的扫频特性决定了系统的空间分辨率。大多数激光器都存在非线性扫频的情况，所以需要通过软件或硬件方法来对其非线性进行校正，从而提高OFDR的空间分辨率。
针对OFDR中可调谐激光器的非线性补偿问题，研究者们已经提出了很多方法，这些方法可以分为两类：硬件方法和软件方法。天津大学刘琨提出的硬件方法，利用辅助干涉仪输出的拍频信号作为数据采集卡的外时钟，触发对主干涉仪信号的采集，这样采集到的主干涉仪拍频信号是等光频间隔的(B.Feng,K.Liu,et al.Optics Communications,2016,363:74-79)。该方法简单，数据处理方便，但是受到奈奎斯特采样定理的限制，测量长度最长只有辅助干涉仪延迟光纤的1/4。丁振扬提出用去斜滤波器方法补偿激光器的非线性，实现了10km和80km的长度上20cm和1.6m的空间分辨率，该方法要求对非线性相位有很准确的估计(Z.Ding,T.Liu,et al.Optics Express,2013,21(3):3826–3834)。另一种方法是通过可调谐激光器的扫频曲线得到等光频间隔点，然后对主干涉仪信号重采样，Tae-Jung Ahn提出用希尔伯特变换方法从辅助干涉仪信号中提取激光器的扫频曲线，该方法使得系统空间分辨率达到3cm(T.J.Ahn,J.Lee,et al.Applied Optics,2005,44(35):7630–7634)。
发明内容
发明目的：为了解决上述问题，本发明提供一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿方法，从而降低激光器非线性扫频对OFDR空间分辨率的影响。
技术方案：一种用于光频域反射计(OFDR)的激光器非线性调谐效应补偿系统，所述系统包括可调谐激光器、辅助干涉仪、主干涉仪、平衡探测器、数据采集卡和计算机六个部分，可调谐激光器发出的连续光通过第一耦合器(1)分为1：99的两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪，连续光经过第二耦合器(2)以50：50的比例分别进入参考路和延迟路，光在延迟路经过延迟光纤和声光频移器(AOM)，然后两路输出光在第四耦合器(4)中发生拍频，得到参考信号C；
进入主干涉仪的光经第三耦合器(3)分为1：99的两路，分别称为参考光和测试光，测试光经环形器进入待测光纤，反射或散射回来的光与经过了延迟光纤的参考光在第第五耦合器(5)中发生拍频，得到测量信号S；
辅助干涉仪输出的参考信号C和主干涉仪输出的测量信号S分别由第一平衡探测器(1)和第二平衡探测器(2)进行探测，然后由数据采集卡进行同步采集，最后用计算机进行数据处理。
本发明还提出一种根据上述补偿系统实现的一种用于光频域反射计(OFDR)的激光器非线性调谐效应补偿方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，计算参考信号C的所有过零点的横坐标；
步骤二，计算两两过零点的横坐标之差作为该段的时间长度，用采样率除以每段时间长度的2倍即可得到两两过零点之间的频率间隔；
步骤三，将步骤二得到的频率间隔消除AOM引入的附加频率的影响，然后用此时的频率间隔计算校正系数；
步骤四，用步骤三所求的校正系数对参考信号C所有的横坐标进行校正；
步骤五，用校正后的坐标点对测量信号S进行一维线性插值重采样得到拍频信号S1；
步骤六，对S1进行傅里叶变换转换到频域，根据拍频频率和位置之间一一对应的关系将频域转换到距离域，便可以得到待测光纤沿线反射点的位置信息。
进一步的，所述步骤一中计算参考信号C的所有过零点的横坐标具体包括：当参考信号C的某过零位置恰好有采样点时，该采样点的坐标即过零点的横坐标，否则根据该过零位置左右两侧的采样点坐标，通过一维线性插值方法得到该过零点的横坐标。
进一步的，所述步骤二，用采样率除以每段长度的2倍即可得到两两过零点之间的频率间隔，具体包括：两两过零点之间的横坐标之差代表该半个周期内采样点的数目，该数目除以采样率可以得到两两过零点之间的时间间隔，将该时间间隔乘2，再取倒数即为两两过零点之间的频率间隔。
进一步的，所述步骤三，消除AOM引入的附加频率的影响是通过步骤二所得的两两过零点之间的频率减去AOM的频率实现的。
进一步的，所述步骤三，计算校正系数具体包括：以过零点作为分界点将参考信号C分为多段，用所有两两过零点之间的频率间隔除以第一个过零点和第二个过零点之间的频率间隔，所得结果作为对应段的校正系数，并且第一段的校正系数设置为1。
进一步的，所述步骤四，用步骤三所求的校正系数对参考信号C的横坐标进行校正具体包括：第一个点的横坐标为1，后面每个点新的横坐标等于前一个点的横坐标加上1乘以对应段的校正系数。
有益技术效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
降低对数据采集卡采样率的要求，提高了系统空间分辨率。用AOM产生移频时，只需要较短的延迟光纤就可以得到较高频率的拍频信号。当辅助干涉仪延迟光纤很长时，产生的频谱展宽严重，为了保证数据完整需要高采样率，而短延迟光纤对应的非线性较小，频谱展宽小，对数据采集卡的采样率要求降低。在同样的采样率下，用短延迟光纤加AOM比用长延迟光纤得到的空间分辨率高。
提高了系统的最大可测量长度。如果要测量较长的距离，辅助干涉仪只用延迟光纤不加AOM则需要很长的光纤，会超出激光器相干长度，导致非线性补偿结果很差，而AOM可以产生移频，代替长距离的延迟光纤，有效增加了测量距离。
附图说明
图1是本发明系统的基本结构示意图；图中包含：可调谐激光器；第一耦合器1、第二耦合器2、第三耦合器3：1×2耦合器；第四耦合器4、第五耦合器5：2×2耦合器；声光频移器；第一平衡探测器1和第二平衡探测器2；环形器；延迟光纤；待测光纤；数据采集卡；计算机；
图2是本发明所采用方法的流程图；
图3是未经过处理的信号距离域图；
图4是辅助干涉仪延迟路只用延迟光纤进行非线性补偿的结果；
图5是辅助干涉仪延迟路用短光纤加40MHz的AOM移频进行非线性补偿的结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
在OFDR中，所采用的光源是可调谐激光器，激光器发出的扫频光通过参考路和测量路后发生拍频，激光器线性扫频时，拍频频率与待测光纤位置之间是一一对应的关系：fb＝2γnz/c。通过傅里叶变换将采集到的信号从时域转换到频域，并根据此关系可以获得反射点的位置信息。但是激光器一般都存在非线性扫频的情况，此时扫频速率是关于时间的函数，拍频频率与待测光纤位置之间的关系变为：fb＝2γ(t)nz/c，一个位置对应多个拍频频率，导致傅里叶变换后出现反射峰能量扩散，幅度下降，系统空间分辨率恶化的情况。
为了解决上述问题，本发明使用辅助干涉仪+主干涉仪的OFDR结构，辅助干涉仪信号用于补偿主干涉仪信号由于激光器非线性扫频导致的空间分辨率下降问题。辅助干涉仪中延迟光纤路加了声光调制器(acoustic optical modulator，AOM)作为声光移频器使用，在使用短延迟光纤的情况下得到大的拍频信号。加入AOM进行移频增大了辅助干涉仪拍频信号的频率，使信号过零点变密集，对主干涉仪进行非线性校正更准确。
图1显示了本实施方案的系统结构基本示意图。可调谐激光器发出的连续光通过第一耦合器1分为1：99的两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪。其中辅助干涉仪是马赫曾德干涉仪结构，连续光经过第二耦合器2以50：50的比例分别进入参考路和延迟路，光在延迟路经过延迟光纤和声光频移器(AOM)，然后两路输出光在第四耦合器4中发生拍频，得到参考信号C，用第一平衡探测器1进行探测。进入主干涉仪的光经第三耦合器3又分为1：99的两路，分别称为参考光和测试光，测试光经环形器进入待测光纤，反射或散射回来的光与参考光在第五耦合器5中发生拍频，得到测量信号S，用第二平衡探测器2进行探测。然后由数据采集卡进行同步采集信号C和S，这样两个信号在时间上是一一对应的，信号C用于对信号S进行非线性校正。最后用计算机的MATLAB软件进行数据处理。
激光器输出的光经过延迟光纤和AOM后与参考光发生拍频得到拍频信号C表示为：
其中，E0表示信号C的幅度，v0是可调谐激光器扫频的初始频率，γ是激光器的扫频速率，τ是短延迟光纤的时延，fAOM是AOM的移频频率，大括号中1是直流项，
是与延迟光纤相关项，fAOM(t-τ)是声光调制器移频相关项。
信号C经第一平衡探测器1探测的结果为：
第一步，用数据采集卡同步采集辅助干涉仪信号C和主干涉仪信号S。
因为信号C的过零点是半个周期的分界点，两两过零点之间的信号有相同的相位差π，又因为两两过零点之间的光频间隔与相位差成正比，所以过零点是信号的等光频间隔分界点。由于激光器非线性扫频，辅助干涉仪拍频信号不是单一频率的正弦，所以信号过零点是非等距离分布的。本发明就是基于信号的过零点对所有的横坐标进行校正以达到等光频间隔分布的目的，从而补偿激光器非线性调谐效应的影响。
第二步，检测辅助干涉仪拍频信号C的过零点坐标，记为P1,P2,P3,…,PM。当信号C的某过零位置恰好有采样点时，该采样点的序号即过零点的横坐标，否则根据该过零位置左右两侧的采样点序号，通过一维线性插值方法得到该过零点的横坐标。
第三步，计算两两过零点的横坐标之差作为该段的长度：
d{P1,P2-P1,…,PM-PM-1} (3)
其中，M表示信号C过零点的个数，考虑到时域信号第一个采样点通常不会恰好是过零点，所以d中的第一个元素为P1。两两过零点之间间隔的不均匀性反映了激光器的非线性，但是由于AOM的加入，两两过零点之间的点数变得密集，并且AOM的频率较高，把两两过零点之间的不均匀性稀释了。为了能够正确补偿激光器非线性，在求校正系数过程中需要去掉AOM引入的附加频率影响，通过两两过零点之间的频率间隔减去fAOM实现。
第四步，用两两过零点的横坐标之差，即两两过零点之间的采样点数目除以采样率，得到两两过零点之间的时间间隔：
ti＝di/fs,i＝1,2,…,M (4)
其中，fs是采样率，式(4)得到的时间间隔乘2补充为一个完整周期的时间，再取倒数得到这两个过零点对应的频率，最后减掉AOM的频率即得到消除了AOM影响后的两两过零点之间的频率间隔：
fcorr_i＝1/(2ti)-fAOM,i＝1,2,…,M (5)
把式(5)求得的两两过零点之间的频率间隔保存在数组d0中表示为
d0{fcorr_1,fcorr_2,…,fcorr_M} (6)
其中，M表示信号C过零点的个数。以过零点作为分界点将信号C分为多段，为了实现各段信号等光频间隔分布，对于时间间隔较长的部分进行长度收缩，对于较短的部分进行长度拉伸。因为时间和频率互为倒数，用所有两两过零点之间的频率间隔除以第一个过零点和第二个过零点之间的频率间隔(fcorr_2)，所得结果作为对应段的校正系数。当某一段频率间隔大于fcorr_2时，该段的校正系数大于1；当某一段频率间隔小于标准值时，该段的校正系数小于1。因为信号的第一个采样点不一定是过零点，导致第一段不一定是完整的半个周期，所以第一段的校正系数不按照上述方法计算，直接设置为1。得到校正系数为：
当辅助干涉仪拍频信号的第一个采样点恰好是过零点时，需要去掉D中的第一个元素。对于两两过零点之间的采样点，由于其对应的采样时间极短(ns量级)，在这段时间内可以忽略激光器的非线性变化，所以两两过零点之间的各个采样点对应的校正系数近似认为是相等的，并且两两过零点之间的各采样点以及左端过零点对应的校正系数都等于利用两两过零点所计算得到的校正系数，比如P1和P2之间的采样点以及P1的校正系数都等于fcorr_2/fcorr_2，其它两两过零点之间的各采样点的校正系数以此类推即可，并且最后一个过零点的校正系数等于最后两两过零点所计算得到的校正系数，如果第一个过零点之前存在采样点或最后一个过零点之后存在采样点，那么第一个过零点之前的采样点和最后一个过零点之后的所有采样点的校正系数都设置为1；即每半个周期内所有的采样点都进行等比例的长度缩放，根据此原则可以由式(7)表示的M个过零点的校正系数得到所有N个采样点的校正系数α1,α2,…,αN。
第五步，根据第四步中求的校正系数对辅助干涉仪信号C的横坐标进行校正：
xi＝xi-1+1×αi,x1＝1,i＝2,…,N (8)
其中，xi表示信号C的第i个采样点校正后的横坐标，αi表示第i个采样点对应的校正系数。
第六步，对主干涉仪信号重采样。由于辅助干涉仪和主干涉仪信号是同步采集的，二者在时间上一一对应，可以利用第五步校正后得到的小数坐标点的横坐标左右相邻的两个整数点用一维线性插值方法对主干涉仪信号S进行重采样得到校正的纵坐标对应的函数值，得到信号S1。
最后，对S1进行傅里叶变换得到对应的频谱。根据式(9)表示的拍频频率与光纤上的位置之间的对应关系将频域数据转换到距离域，得到光纤上反射点的位置信息，如式(9)所示。
其中，z表示光纤上的位置信息，c表示真空中的光速，fb表示测量信号的拍频频率，γ是激光器的扫频速率，n表示光纤纤芯的折射率。
下面进行实验验证。主干涉仪待测光纤长度约155m，距离光纤末端6mm处有一个弱光纤布拉格光栅。设置的激光器扫频速率为100nm/s，数据采集卡的采样率为625MHz，共采集20M个点，激光器扫频范围约3.2nm，对应的理论空间分辨率为0.25mm。
第一组实验辅助干涉仪延迟光纤路不加AOM，延迟光纤长度为700m，得到拍频信号的频率是43MHz。图3显示了非线性补偿前主干涉仪信号的频谱图，从图中可以看出，由于激光器非线性扫频，导致频谱图出现反射峰能量扩散，空间分辨率恶化的情况。图4显示了非线性补偿后的结果，末端两个峰混叠在一起无法进行精确定位，空间分辨率约15.75mm。
第二组实验设置辅助干涉仪短延迟光纤的长度为60m，然后接40MHz的AOM，这样辅助干涉仪拍频信号的频率也为43MHz，通过非线性补偿后的结果如图5所示，空间分辨率有了明显提高。可以清楚地分辨开末端两个反射点，空间分辨率约为0.5mm，接近理论空间分辨率0.25mm。
以上实验结果表明：该系统的优势是在保持高空间分辨率的情况下使测量长度可以超过辅助干涉仪延迟光纤的长度。如果要测量较长的距离，辅助干涉仪只用延迟光纤不加AOM则需要的延迟光纤长度会超出激光器相干长度，导致非线性补偿结果很差，而AOM可以产生移频，只需要短延迟光纤即可达到需要的拍频频率，提高了系统的空间分辨率。
Claims (6)
1.基于补偿系统实现的一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿方法，其特征在于，所述补偿系统包括可调谐激光器、辅助干涉仪、主干涉仪、平衡探测器、数据采集卡和计算机，可调谐激光器发出的连续光通过第一耦合器(1)分为1：99的两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪，进入辅助干涉仪的连续光经过第二耦合器(2)以50：50的比例分别进入参考路和延迟路，光在延迟路经过延迟光纤和声光频移器(AOM)，然后两路输出光在第四耦合器(4)中发生拍频，得到参考信号C；进入主干涉仪的光经第三耦合器(3)分为1：99的两路，分别称为参考光和测试光，测试光经环形器进入待测光纤，反射或散射回来的光与经过了延迟光纤的参考光在第五耦合器(5)中发生拍频，得到测量信号S；辅助干涉仪输出的参考信号C和主干涉仪输出的测量信号S分别由第一平衡探测器和第二平衡探测器进行探测，由数据采集卡进行同步采集，最后用计算机进行数据处理；
该方法包括如下步骤：
步骤一，计算参考信号C的所有过零点的横坐标；
步骤二，计算两两过零点的横坐标之差作为该段的时间间隔，用采样率除以每段时间间隔的2倍即可得到两两过零点之间的频率间隔；
步骤三，将步骤二得到的频率间隔消除声光频移器(AOM)引入的附加频率的影响，然后用此时的频率间隔计算校正系数；
步骤四，用步骤三所求的校正系数对参考信号C所有的横坐标进行校正；
步骤五，用校正后的坐标点对测量信号S进行一维线性插值重采样得到拍频信号S1；
步骤六，对拍频信号S1进行傅里叶变换转换到频域，根据拍频频率和位置之间一一对应的关系将频域转换到距离域，便可以得到待测光纤沿线反射点的位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿方法，其特征在于，所述步骤一中计算参考信号C的所有过零点的横坐标具体包括：当参考信号C的某过零位置恰好有采样点时，该采样点的坐标即过零点的横坐标，否则根据该过零位置左右两侧的采样点坐标，通过一维线性插值方法得到该过零点的横坐标。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿方法，其特征在于，所述步骤二，用采样率除以每段时间间隔的2倍即可得到两两过零点之间的频率间隔，具体包括：两两过零点之间的横坐标之差代表半个周期内采样点的数目，该数目除以采样率可以得到两两过零点之间的时间间隔，将该时间间隔乘2，再取倒数即为两两过零点之间的频率间隔。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿方法，其特征在于，所述步骤三，消除声光频移器(AOM)引入的附加频率的影响是通过步骤二所得的两两过零点之间的频率减去声光频移器(AOM)的频率实现的。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿方法，其特征在于，所述步骤三，计算校正系数具体包括：以过零点作为分界点将参考信号C分为多段，用所有两两过零点之间的频率间隔除以第一个过零点和第二个过零点之间的频率间隔，所得结果作为对应段的校正系数，并且第一段的校正系数设置为1。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿方法，其特征在于，所述步骤四，用步骤三所求的校正系数对参考信号C的横坐标进行校正具体包括：第一个点的横坐标为1，后面每个点新的横坐标等于前一个点的横坐标加上1乘以对应段的校正系数。
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