CN112197878A - 基于光频域反射仪的高精度光波长检测方法及系统 - Google Patents

基于光频域反射仪的高精度光波长检测方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112197878A
CN112197878A CN201910608581.XA CN201910608581A CN112197878A CN 112197878 A CN112197878 A CN 112197878A CN 201910608581 A CN201910608581 A CN 201910608581A CN 112197878 A CN112197878 A CN 112197878A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
module
optical
optical fiber
interference
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.)
Pending
Application number
CN201910608581.XA
Other languages
English (en)
Inventor
何祖源
樊昕昱
刘庆文
张照鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN201910608581.XA priority Critical patent/CN112197878A/zh
Publication of CN112197878A publication Critical patent/CN112197878A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • G01J9/0246—Measuring optical wavelength
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • G01J2009/0226—Fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • G01J2009/0234—Measurement of the fringe pattern
    • G01J2009/0238—Measurement of the fringe pattern the pattern being processed optically, e.g. by Fourier transformation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • G01J2009/0249—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods with modulation

Abstract

一种基于光频域反射仪的高精度光波长检测方法及系统，首先将待测光调制为线性啁啾光，采集该线性啁啾光和其经单模光纤产生的背向瑞利散射光干涉后得到的电流信号的离散形式，再经过傅里叶变换得到频域信号，然后经傅里叶逆变换得到电流时域信号的复数离散形式；以第一组信号作为参考信号与后续组信号进行互相关运算，通过监测相关峰位置的移动得到待测光波长的精确变化。本发明基于光频域反射仪方法，通过使用光调制模块产生线性啁啾光进而测量光纤背向瑞利散射光，运用简单的仪器和算法，得到高波长分辨率的效果，实现光波长的精确测量。

Description

基于光频域反射仪的高精度光波长检测方法及系统
技术领域
本发明涉及的是一种光波长测量领域的技术，具体是一种基于光频域反射仪的波长分辨率达到0.06飞米(测量标准差)的光波长检测系统及方法。
背景技术
在很多科学领域中，对窄线宽激光器的波长进行精准测量和控制有着重要的作用，例如气体检测和材料分析等方面，精准的波长测量可以带来准确的分析结果。现有光谱分析仪的分辨率大都在0.01nm量级，对于特殊的应用场景，该分辨率无法满足需求；传统的光谱测量是基于光栅进行分光的，由于设备尺寸的限制，提升该类型光谱仪的分辨率比较困难；目前也有通过改变结构和材料并且运用极为复杂的算法达到0.3fm精度的测试结果，但这些技术都具有较高的软硬件要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于光频域反射仪的高精度光波长检测方法及系统，通过产生线性啁啾光并将其与测量光纤的背向瑞利散射光相干涉，通过简单的仪器设备和算法得到高波长分辨率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明首先将待测光调制为线性啁啾光，采集该线性啁啾光和其经单模光纤产生的背向瑞利散射光干涉后得到的电流信号I(t)的离散形式I(n)，再经过傅里叶变换得到频域信号 f(n)，然后经傅里叶逆变换得到电流时域信号的复数离散形式
Figure RE-GDA0002173632560000011
以第一组信号
Figure RE-GDA0002173632560000012
作为参考信号与后续组信号
Figure RE-GDA0002173632560000013
进行互相关运算，通过监测相关峰位置的移动得到待测光波长的精确变化。
本发明涉及一种实现上述方法的光波长检测系统，包括：线性啁啾光调制模块、背向瑞利散射光模块、干涉模块和检测模块，其中：线性啁啾光调制模块与背向瑞利散射光模块相连并向其传输50％的啁啾光作为种子光，线性啁啾光模块与干涉模块相连并向其传输另外50％的啁啾光作为本地光，背向瑞利散射光模块与干涉模块相连并向其传输背向瑞利散射光，干涉模块与检测模块相连并传输干涉得到的电流信号，该信息经检测模块处理得到分辨率达0.06fm 的光波长。
所述的线性啁啾光模块包括：光强度调制器、电信号发生器、第一光纤环形器和第一光纤耦合器，其中：光强度调制器、第一光纤环形器和第一光纤耦合器依次相连并传输啁啾光，电信号发生器将产生的线性啁啾的电信号传输至光强度调制器。
所述的第一光纤环形器上进一步设有用于滤除杂质信号的光滤波器。
所述的背向瑞利散射光模块包括：第二光纤环形器和单模光纤，其中：第二光纤环形器将接收的来自第一光纤耦合器传输的啁啾光传输至单模光纤，单模光纤产生背向瑞利散射光并经第二光纤环形器传输至干涉模块。
所述的干涉模块包括：第二光纤耦合器和光电探测器，其中：第二光纤耦合器将接收来自第二光纤环形器传输的背向瑞利散射光和来自第一光纤耦合器传输的本地光进行干涉，干涉信号经光电探测器转换为电流信号。
所述的检测模块包括：信号采集器和数据处理器，其中：信号采集器采集电流信号并传输至数据处理器获取检测结果。
技术效果
与现有技术相比，本发明基于光频域反射仪方法，通过使用光调制模块产生线性啁啾光进而测量光纤背向瑞利散射光，运用简单的仪器和算法，得到高波长分辨率的效果，实现光波长的精确测量。
附图说明
图1为本实施例的测量系统示意图；
图2为本实施例的光波长变化的示意图；
图3为实施例效果示意图；
图中：激光器1、光强度调制器2、电信号发生器3、第一光纤环形器4、光滤波器5、第一光纤耦合器6、第二光纤环形器7、第二光纤耦合器8、单模光纤9、光电探测器10、信号采集模块11、数据处理模块12。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：激光器1、光强度调制器2、电信号发生器3、第一光纤环形器4、光滤波器5、第一光纤耦合器6、第二光纤环形器7、第二光纤耦合器8、单模光纤 9、光电探测器10、信号采集模块11和数据处理模块12，其中：激光器1、光强度调制器2、第一光纤环形器4和光滤波器5依次连接，电信号发生器3与光强度调制器2连接，第一光纤环形器4的第三端口c与第一光纤耦合器6的第一端口a连接，第一光纤耦合器6的第二端口 b与第二光纤耦合器8的第二端口b连接，第一光纤耦合器6的第三端口c与第二光纤环形器 7的第一端口a连接，第二光纤环形器7的第二端口b与第二光纤耦合器8的第一端口a连接，第二光纤环形器7的第三端口c与单模光纤9连接，第二光纤耦合器8的第三端口c和第四端口d均与光电探测器10连接，光电探测器10依次与信号采集模块11和数据处理模块12相连。
本实施例涉及上述系统的光波长检测方法，通过激光器1将产生的功率恒定的激光传输至光强度调制器2并生成啁啾光，该光经过第一光纤环形器4传输至第一光纤耦合器6的第一端口a，第一光纤耦合器6将50％的光通过第三端口c传输至第二光纤环形器7作为种子光并传输至单模光纤9，第一光纤耦合器6再将另外50％的光通过第二端口b作为本地光传输至第二光纤耦合器8中，在种子光的激励下，单模光纤9产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光经过第二光纤环形器7传输至第二光纤耦合器8中进行干涉，干涉信号被光电转换为电流信号I(t)。单模干涉信号被光电探测器10转换为电流信号，信号采集模块11对采集到的电流信号离散化并经数据处理模块12处理。电信号发生器3产生的线性啁啾的电信号为10ms线性啁啾电信号，其频率范围为16～20GHz。
本实施例涉及一种基于系统的光波长检测方法，具体包括以下步骤：
1)信号采集模块11采集一次线性啁啾光和背向瑞利散射光干涉生成的电信号 {I(n)；n＝1,...,N}，数据处理模块12将该电信号进行傅里叶变换并得表达式 {f(n)；n＝1,...,N}，再进行傅里叶逆变换得到电流时域信号的复数形式
Figure RE-GDA0002173632560000031
其中：N根据信号采集模块11的采样率和探测光持续时长决定；
2)多次测量信号
Figure RE-GDA0002173632560000032
并以其中第一组作为参考信号，与后续组进行互相关运算，通过相关峰位置的移动即可以得出待测光波长在该过程中的变化。
以上所述以n为变量的公式都表示该过程经信号采集模块12之后生成的离散信号，以下所述分析内容以连续参量t为变量，二者在原理描述方面等价。
所述的激光器1输出的光电场为：Re{E(t)}＝Re{E exp[j(2πνrt+πγt2+φ)]}，其中：j为
Figure RE-GDA0002173632560000033
E为电场振幅，νr为激光器1的中心频率，
Figure RE-GDA0002173632560000034
为光波初始相位，γ为线性啁啾速度。
所述的背向瑞利散射光的信号为：
Figure RE-GDA0002173632560000035
其中：τi和ri分别是光纤上不同位置的背向瑞利散射光的双向传输时间和反射光的强度。
所述的经干涉过程生成的电流信号I(t)为：
Figure RE-GDA0002173632560000036
当待测激光波长变化时，得到该电流信号的相位会随之改变为：
Figure RE-GDA0002173632560000041
其中：为了得到待测光的变化量，采取相关运算的方式先得到时域信号的平移Δt，得到关系式：νm-νr＝γΔt。
优选地，波长测量精度取决于相关峰的宽度，越窄的相关峰可以得到越高的波长分辨率；相关峰的宽度与单模光纤长度成反比，因此，越长的单模光纤可以得出越高的波长测量精度。本实施例中单模光纤长度与光频率精度之间的关系满足：
Figure RE-GDA0002173632560000042
如图2所示，对光源产生的光信号进行幅值为4MHz的正弦调制，测得灵敏度为0.06fm (测量标准差)，如图3所示。
经过具体实际实验，在测量环境稳定(温度稳定，没有环境振动)下，以2km单模光纤为测量介质，所调制的光频率啁啾范围和时长分别为1GHz和10ms运行上述方法，能够得到如图2和图3的测量结果。
与现有技术相比，本方法的性能指标提升在于：
1.该系统最终达到的光波长测量精度为0.06fm，相较于市面上常见的光谱分析仪和波长测量计都大大提升。如当前市面上常见的光谱分析仪的精度为0.01nm量级，以多模光纤为测量介质的方法中可测量的波长分辨率为1pm左右；
2.用市面上常见的通信用单模光纤作为光波长测量介质，以光纤系统中常用的链路测试技术光频域反射仪作为测量手段，相较于以复杂结构和不常用材料作为测量工具的方法大大缩减了系统成本和制造难度。如以随机散射球为测量介质的测量方法中随机散射球的材料并不常见，制造方法也需要严格掌控；如以光子无序晶片为测量介质的方法中该晶片的只做需要高超的制作工艺。
3.本方法与现有测试方法中必须的较为复杂的图形-波长映射算法相比，计算时间大幅度缩短，从而增加了系统的测试速度。当前，系统的测试速度仅受待测光往返单模光纤的所需时长限制，对于测量工具为2km单模光纤的系统，系统刷新率可达3.3kHz。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种基于光频域反射仪的高精度光波长检测方法，其特征在于，首先将待测光调制为线性啁啾光，采集该线性啁啾光和其经单模光纤产生的背向瑞利散射光干涉后得到的电流信号的离散形式，再经过傅里叶变换得到频域信号，然后经傅里叶逆变换得到电流时域信号的复数离散形式；以第一组信号作为参考信号与后续组信号进行互相关运算，通过监测相关峰位置的移动得到待测光波长的精确变化。
2.一种实现权利要求1所述方法的光波长检测系统，其特征在于，包括：线性啁啾光调制模块、背向瑞利散射光模块、干涉模块和检测模块，其中：线性啁啾光调制模块与背向瑞利散射光模块相连并向其传输50％的啁啾光作为种子光，线性啁啾光模块与干涉模块相连并向其传输另外50％的啁啾光作为本地光，背向瑞利散射光模块与干涉模块相连并向其传输背向瑞利散射光，干涉模块与检测模块相连并传输干涉得到的电流信号，该信息经检测模块处理得到高分精度光波长。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的线性啁啾光模块包括：光强度调制器、电信号发生器、第一光纤环形器和第一光纤耦合器，其中：光强度调制器、第一光纤环形器和第一光纤耦合器依次相连并传输啁啾光，电信号发生器将产生的线性啁啾的电信号传输至光强度调制器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的第一光纤环形器上进一步设有用于滤除杂质信号的光滤波器。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的背向瑞利散射光模块包括：第二光纤环形器和单模光纤，其中：第二光纤环形器将接收的来自第一光纤耦合器传输的啁啾光传输至单模光纤，单模光纤产生背向瑞利散射光并经第二光纤环形器传输至干涉模块。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的干涉模块包括：第二光纤耦合器和光电探测器，其中：第二光纤耦合器将接收来自第二光纤环形器传输的背向瑞利散射光和来自第一光纤耦合器传输的本地光进行干涉，干涉信号经光电探测器转换为电流信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述的检测模块包括：信号采集器和数据处理器，其中：信号采集器采集电流信号并传输至数据处理器获取检测结果。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述的单模光纤长度与光频率精度之间的关系满足：
Figure FDA0002121576110000021
CN201910608581.XA 2019-07-08 2019-07-08 基于光频域反射仪的高精度光波长检测方法及系统 Pending CN112197878A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910608581.XA CN112197878A (zh) 2019-07-08 2019-07-08 基于光频域反射仪的高精度光波长检测方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910608581.XA CN112197878A (zh) 2019-07-08 2019-07-08 基于光频域反射仪的高精度光波长检测方法及系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112197878A true CN112197878A (zh) 2021-01-08

Family

ID=74004577

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910608581.XA Pending CN112197878A (zh) 2019-07-08 2019-07-08 基于光频域反射仪的高精度光波长检测方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112197878A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114884570A (zh) * 2022-06-16 2022-08-09 北京泛在云科技有限公司 一种光纤窃听检测方法及装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101650197A (zh) * 2008-08-13 2010-02-17 上海波汇通信科技有限公司 一种光频域反射光纤传感系统
CN102322880A (zh) * 2011-08-18 2012-01-18 天津大学 偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法
CN102538846A (zh) * 2011-12-14 2012-07-04 北京航空航天大学 双臂脉冲光干涉的相位敏感光时域反射计型光纤分布式扰动传感器
CN104344945A (zh) * 2014-11-06 2015-02-11 无锡联河光子技术有限公司 频率编码光纤时域反射仪及其工作方法
US20150263804A1 (en) * 2012-10-15 2015-09-17 Koninklijke Philips N.V. Optical frequency domain reflectometry (ofdr) system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101650197A (zh) * 2008-08-13 2010-02-17 上海波汇通信科技有限公司 一种光频域反射光纤传感系统
CN102322880A (zh) * 2011-08-18 2012-01-18 天津大学 偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法
CN102538846A (zh) * 2011-12-14 2012-07-04 北京航空航天大学 双臂脉冲光干涉的相位敏感光时域反射计型光纤分布式扰动传感器
US20150263804A1 (en) * 2012-10-15 2015-09-17 Koninklijke Philips N.V. Optical frequency domain reflectometry (ofdr) system
CN104344945A (zh) * 2014-11-06 2015-02-11 无锡联河光子技术有限公司 频率编码光纤时域反射仪及其工作方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王赵鹏: "OFDR系统设计与关键技术研究", 《中国优秀硕士论文全文数据库》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114884570A (zh) * 2022-06-16 2022-08-09 北京泛在云科技有限公司 一种光纤窃听检测方法及装置
CN114884570B (zh) * 2022-06-16 2024-01-19 北京泛在云科技有限公司 一种光纤窃听检测方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107219002B (zh) 一种超高分辨率光谱测量方法及系统
CN104279959B (zh) 一种采用矢量网络分析仪精确测量光纤长度的新方法
CN103727968B (zh) 一种同时测量温度、应变、振动的方法
CN110646805B (zh) 一种基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统
CN102332956B (zh) 一种宽带光源的色散补偿方法
CN103091072B (zh) 基于光单边带调制的光器件测量方法、测量装置
CN104706322B (zh) 一种基于光计算的扫频光学相干成像系统
CN108801153B (zh) 光纤长度测量方法及测量装置
CN101949685B (zh) 光纤型激光自混合干涉仪及其测量方法
CN108827601A (zh) 一种光纤干涉仪臂长差的测量装置
CN104155619A (zh) 基于磁致伸缩分布式光频域反射磁场传感装置和解调方法
CN110207733B (zh) 基于扫频激光的光纤干涉仪臂长差测量装置及方法
CN105783999A (zh) 一种光频域反射中参考光纤消除温度应变交叉敏感方法
CN106093962B (zh) 一种干涉测速系统及方法
CN103852164A (zh) 一种获取光源光谱的方法
CN108844717A (zh) 一种光纤干涉仪臂长差的测量方法
CN209590271U (zh) 一种空间长度的测量装置
CN107782696A (zh) 利用拉锥光纤测量分布式液体折射率的传感系统及方法
CN113340571B (zh) 基于光矢量分析的光时延测量方法及装置
KR101541602B1 (ko) 저간섭성 광원과 분산형 간섭계를 이용한 다축 측정 광학 갭 센서 장치 및 광학 갭 센서를 이용한 다축 측정 광학 갭 센싱 방법
CN110375779B (zh) 提高ofdr频域采样率的装置和方法
CN101520509A (zh) 混沌光时域波形帧间比较测距方法
CN112197878A (zh) 基于光频域反射仪的高精度光波长检测方法及系统
Ge et al. Enabling variable high spatial resolution retrieval from a long pulse BOTDA sensor
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

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
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210108

RJ01 Rejection of invention patent application after publication