CN112649956B - 偏差实时校准的光纤相位扫描调谐装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏差实时校准的光纤相位扫描调谐装置及方法，其中光纤相位扫描调谐装置包括：可调谐光纤延迟单元，根据实际光程相对改变量，对输入的待调谐的信号进行调谐后输出；光程差调谐偏差校准单元，得到所述可调谐光纤延迟单元的实际光程相对改变量，并将该实际光程相对改变量作为控制信号输出到所述可调谐光纤延迟单元；光程差调谐偏差产生单元，包括用于形成低相干干涉的低相干干涉模块和用于形成高相干干涉的高相干干涉模块。本发明的优点是能够对时延、光程、相位调谐扫描过程所产生偏差进行实时校准，调谐范围大，稳定性高，重复性好，可长期实时高速扫描调谐。

Description

偏差实时校准的光纤相位扫描调谐装置及方法

技术领域

一种偏差实时校准的光纤相位扫描调谐技术，用于光纤中光信号光程或时延调谐、相位扫描等。可实现对相位调制型或干涉型光纤传感系统相位解调，以及光纤通信中光信号的时延、光程调谐以及相位扫描及其偏差实时修正。

背景技术

光纤相位扫描调谐一般是通过光纤产生拉伸形变导致光程差或时延差来实现相位调制，可用于干涉相关的光纤传感或通信系统中对光信号相位变化进行调制或解调。目前光纤相位扫描调谐大多为低速或者准静态扫描，通过机械或电机装置使光纤产生拉伸形变从而改变光在该段光纤中的光程或时延实现相位调制。对于高速相位扫描调谐，大多是通过基于高频压电陶瓷或MEMS微机电系统对一定长度光纤所缠绕形成的光纤环施加周期性应力，以实现对光程差或对应相位差的高速调谐扫描，尤其对于干涉型分布式光纤振动传感系统，相关技术能够实现对高频振动所引起干涉光信号相位变化的高速解调。目前现有基于压电陶瓷或MEMS微机电技术的高频相位调谐扫描系统一般重复性较差，其主要问题在于由于压电材料应变重复性差、蠕变问题突出且温度变化亦会引起材料变形，导致时延或相位调谐偏差大，重复性差。现有方案一般是通过采用高性能压电变形材料，以精确控制其应变大小实现对光纤时延或相位的精确调节，但相关技术造价高、压电调谐控制系统复杂，调谐扫描频率低，且其调谐量程以及高频重复性有限。目前尚缺乏可靠的技术手段，能够解决对光纤相位扫描调谐系统的高速、大量程、高精度实时校准与控制难题，以及低成本、工艺简化、高重复性等关键需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种偏差实时校准的光纤相位扫描调谐装置及方法，用于光纤中光信号光程或时延调谐、相位扫描等。可实现对相位调制型或干涉型光纤传感系统相位解调，以及光纤通信中光信号的时延、光程调谐以及相位扫描及其偏差实时修正，扫描频率高、调谐范围大、技术方案简单且成本低、稳定性与重复性高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种偏差实时校准的光纤相位扫描调谐装置，其特征在于，包括：

可调谐光纤延迟单元，根据实际光程相对改变量，对输入的待调谐的信号进行调谐后输出；

光程差调谐偏差校准单元，得到所述可调谐光纤延迟单元的实际光程相对改变量，并将该实际光程相对改变量作为控制信号输出到所述可调谐光纤延迟单元；

光程差调谐偏差产生单元，包括用于形成低相干干涉的低相干干涉模块和用于形成高相干干涉的高相干干涉模块；所述低相干干涉模块形成的低相干干涉信号和高相干干涉模块形成的高相干干涉信号输出到所述光程差调谐偏差校准单元，得到所述可调谐光纤延迟单元的实际光程相对改变量。当光纤延迟单元开始调谐扫描，由于光程差连续改变，高相干干涉模块形成一系列等间隔干涉峰，峰峰间隔对应于可调谐光纤延迟单元的光程差改变量为固定波长窄线宽激光器的波长值，仅当可调谐光纤延迟单元所形成光程差为0时，低相干干涉信号强度最大，可根据低相干干涉信号最大即光程差为0处，将其作为基准点，通过插值可得到基准点左右相邻干涉峰所对应的光程差，由于干涉峰峰间对应的相对光程差改变量为固定值，因此可扩展推算得到所有的一系列干涉峰所对应的总光程差，进而得到所述可调谐光纤延迟单元的实际光程相对改变量。

所述低相干干涉模块包括：

宽带光源，用于发出窄带光信号；

第一耦合器，将所述宽带光源发出窄带光信号分成两路输出；

光纤延迟器，设置在所述第一耦合器两路输出的其中一路上使该路的窄带光信号产生延迟；

第二耦合器，将所述第一耦合器的两路输出耦合后分成两路输出；

第三耦合器，将所述第二耦合器的两路输出耦合后作为一路输出；

所述可调谐光纤延迟单元设置在所述第二耦合器4两路输出中的一路上；所述光纤延迟器用于使第三耦合器输出的光信号形成低相干干涉；

第一光电探测器，获取所述低相干干涉信号。

高相干干涉模块包括：

固定波长窄线宽激光器，用于发出窄线宽高相干激光；

第三耦合器，将所述固定波长窄线宽激光器发出窄线宽高相干激光分成两路输出；

第二耦合器，将所述第三耦合器的两路输出耦合后作为一路输出；

所述可调谐光纤延迟单元设置在所述第三耦合器两路输出中的一路上；两路信号经第二耦合器输出形成高相干干涉信号；

第二光电探测器，获取所述高相干干涉信号。

所述光程差调谐偏差校准单元包括：

信号脉冲整形，对所述第二光电探测器输出的信号进行脉冲整形；

脉冲计数，对脉冲整形后信号进行脉冲计数；

低相干信号定位，仅当可调谐光纤延迟单元所形成光程差为0时，低相干干涉信号强度最大，可根据低相干干涉信号最大即光程差为0处，将其作为基准点，实现对可调谐光纤延迟单元光程差改变量的基准定位；

光程差计算校准，利用低相干干涉所形成基准点，通过插值可得到基准点左右相邻干涉峰所对应的光程差，由于干涉峰峰间对应的相对光程差改变量为固定值，因此可扩展推算得到所有的一系列干涉峰所对应的总光程差，进而得到所述可调谐光纤延迟单元6的实际光程相对改变量。

还包括：

电控扫描驱动器，根据光程差调谐偏差校准单元得到的可调谐光纤延迟线实际光程相对改变量，对可调谐光纤延迟线所产生延迟量进行调谐。

还包括：

数据存储与显示，用于存储和显示所述光程差调谐偏差校准单元输出的结果。

一种基于上述任一所述光纤相位扫描调谐装置的光纤相位扫描调谐方法，其特征在于，包括：

获取实际光程相对改变量；

根据实际光程相对改变量对输入的待调谐的信号进行调谐后输出。

获取所述实际光程相对改变量的方法如下：第一光电探测器与第二光电探测器的输出信号经多通道数据采集卡采集后进入光程差调谐偏差校准单元，通过对信号脉冲整形、脉冲计数、低相干信号定位分析处理后，得到实际光程相对改变量。本发明采用双干涉仪自参考方法，结合双光源高、低相干信号的协同校准技术，利用对自发辐射光源低相干干涉信号的扫描与探测，建立精确光程或时延参考点，进而通过高相干性的窄线宽激光干涉信号探测实现大范围光程步进调谐的实时标定，最终通过低相干干涉信号与高相干干涉信号的协同解析，实现高速、大量程、高重复性与稳定性的光程或时延调谐、相位扫描。

附图说明

图1是本发明的一种具体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1具所示，宽带光源1发出低相干自发辐射光进入第一耦合器2后分为两路，一路经高稳定性固定光纤延迟器3后进入第二耦合器4，另一路直接进入第二耦合器4，第二耦合器4输出光分为两路，一路依次经过波分复用器5、高速可调谐光纤延迟线6、第三耦合器7后进入第一光电探测器8，另一路直接进入第三耦合器7后进入第一光电探测器8。当高稳定性固定光纤延迟器3与高速可调谐光纤延迟线6所产生时延或光程差相等时，进入第一光电探测器8的自发辐射光满足低相干条件，形成干涉最大值，第一光电探测器8输出信号强度对应达到最大。固定波长窄线宽激光器9发出的窄线宽高相干激光进入第三耦合器7后分两路，一路依次经过高速可调谐光纤延迟线6、波分复用器5、第二耦合器4后进入第二光电探测器10，另一路直接进入第二耦合器4后进入第二光电探测器10。两路光在第二耦合器4处形成干涉，干涉条纹随高速可调谐光纤延迟线10产生时延或光程差变化而变化，且相邻干涉极值条纹之间所对应的时延或光程差保持不变，第二光电探测器10输出信号强度与干涉信号极大和极小值成正比，形成对应的高低起伏信号输出。第一光电探测器8与第二光电探测器10的输出信号经多通道数据采集卡采集11后进入光程差调谐偏差校准单元12，其中第二光电探测器10高低起伏输出信号通过信号脉冲整形12-1以及脉冲计数12-2，由于脉冲间距对应于激光器一个波长的光程改变量，通过测得一系列脉冲便可得到对应高速可调谐光纤延迟线6实际光程相对改变量。第一光电探测器8的输出信号经低相干信号定位12-3分析处理后，通过光程差计算校准12-4后，可形成对第二光电探测器12一系列脉冲所对应光程相对改变量的实时校准与修正。最后将校准结果通过数据存储与显示13进行处理。多通道数据采集卡11控制电控扫描驱动器14发出的驱动扫描信号进入高速可调谐光纤延迟线6，通过控制端口施加锯齿波电压对光纤延迟线所产生延迟量进行调谐，调谐量的控制可通过不断监测实时校准与修正后的光程相对改变量来控制调谐电压，待调谐信号可由第三耦合器7第三输出端进入高速可调谐光纤延迟线，经过调谐后可形成时延或相位调谐后，从波分复用器11输出，实现对信号相位、时延的调谐及偏差实时修正。

本发明的具体实施过程：当待调谐光信号通过波分复用器进入高速可调谐光纤延迟线时，电控扫描驱动器通过周期性锯齿波电压控制高速可调谐光纤延迟线中的压电陶瓷或微机电系统使光纤延迟线产生拉伸形变，利用电压与拉伸变形量成正比对光纤延迟线所产生时延量或光程进行调谐控制，进而实现对输入信号的光程或时延调谐并通过波分复用输出。但调谐过程中，由于压电陶瓷或微机电系统蠕变及温度敏感等影响，导致电压与所对应拉伸变形量之间重复性和稳定性较差，因此需要对调谐过程中其所导致的时延、光程偏差进行高精度实时校准修正。

当宽带光源发出的两路低相干光通过第一耦合器分为两路后，依次经过所述第二耦合器、第三耦合器后进入第一光电探测器，当高稳定性固定光纤延迟器3所产生的时延与高速可调谐光纤延迟线6所产生时延接近相等时，才会出现低相干干涉，且仅有当时延完全相等时，第一光电探测器所测低相干干涉信号强度最大。利用低相干干涉能够标定可调谐光纤延迟线6所产生光程或时延的高精度绝对值，用于提供基准光程或时延参考。针对低相干干涉长度小，难以进行大范围光程或时延调谐的校准或修正难题，采用高相干激光干涉设计，当高相干窄线宽激光器发出的激光通过第三耦合器分为两路后，经第二耦合器形成干涉信号并进入第二光电探测器。当高速可调谐光纤延迟线经拉伸产生时延或光程变化时，第二光电探测器所探测干涉条纹光强会发生循环变化：当拉伸量或对应光程为激光波长整数倍时为光强最大，当拉伸量或对应光程为半波长奇数倍时光强最小，因而随着光纤延迟线调谐量不断增加，光强高低产生循环变化，光强循环变大一次意味着拉伸量精确增加一个波长，因而通过激光高相干干涉的可进行大范围光程或时延调谐过程中相对光程变化量的探测。本发明采用高低相干相结合方式，当某一时刻第一光电探测器所测低相干干涉信号强度最大，则高速可调谐光纤延迟线6所产生时延与高稳定性固定光纤延迟器3相同，并以此为基准，对第一光电探测器在同一时刻的高相干干涉信号所形成的脉冲进行校准，以其为所调谐光程的绝对参考零点，在此基础上第二光电探测器每出现一次干涉极大信号，则表明所调谐光程增加一个波长。通过以上双光源的高相干干涉与低相干干涉相结合方式可同时实现大量程、高精度的光纤时延、光程或相位调谐与精确校准与控制，能够实时校准和修正由于高速可调谐光纤延迟线6中由于压电陶瓷或微机电系统自身蠕变及温度敏感所导致拉伸变形偏差，进而实现对拉伸量及其对应光程调谐量的精确调谐与控制。待调谐光信号通过耦合器3会与窄线宽固定波长激光器输出光混合，适当选择窄线宽固定波长激光器的波长，通过波分复用器可分离待调谐信号与窄线宽固定波长激光器输出光信号，且可确保待调谐信号无法进入第二耦合器形成干涉串扰。另一方面窄线宽固定波长激光器输出光信号与宽带光源信号为相反方向输出，确保高、低相干的干涉信号之间无串扰。

实施例1

宽带光源1发出的光进入第一耦合器2后分为两路，第一路直接进入第二耦合器4，第二路经高稳定性固定光纤延迟器3后进入第二耦合器4，由于高稳定性固定光纤延迟器3的存在，使得第二路光产生额外光程，因而两路光到达第二耦合器4时会产生相对应的光程差，当第一路光由第二耦合器4出射依次经过波分复用器5、高速可调谐光纤延迟线6到达第三耦合器7，由于高速可调谐光纤延迟线6的存在其亦会产生时延量，且时延量的大小由高速可调谐光纤延迟线6控制，第二路光则直接由第二耦合器4进入第三耦合器7，当通过控制高速可调谐光纤延迟线6使得第一路光与第二路光产生的时延相等，或者说两路光由第一耦合器2到达第7耦合器所产生的光程完全相等时，第一光电探测器8所输出低相干干涉信号则达到最大，因此可以将处此作为高速可调谐光纤延迟线6扫描过程中的基准位置即光程差为0处。

另一方面，固定波长窄线宽激光器9发出的窄线宽高相干激光进入第三耦合器7后分两路，一路依次经过高速可调谐光纤延迟线6、波分复用器5后进入第二耦合器4，另一路直接进入第二耦合器4。两路光在第二耦合器4处形成干涉，当高速可调谐光纤延迟线6开始扫描，经过高速可调谐光纤延迟线6的一路光的光程产生连续变化，而另一路光光程保持不变，因而两路光之间的光程差对应变化，引起第二耦合器4处形成的干涉状态改变。若固定波长窄线宽激光器9所输出激光波长为λ，当两路光光程差为波长整数倍即kλ时，第二耦合器4处对应形成干涉峰，相邻两个干涉峰峰对应于光程差改变量恒定为激光器波长值λ，因此随着高速可调谐光纤延迟线6的连续扫描，在第二耦合器4处形成对应的高低周期起伏、间隔固定的干涉峰。第二光电探测器10所探测输出的信号强度波动与干涉峰(极大值)和谷(极小值)成正比，且相邻强度极大值或极小值之间所对应的光程差改变量为固定值，同样为固定波长窄线宽激光器9的输出激光波长λ。

在此基础上，通过第一光电探测器8与第二光电探测器10分别探测和输出低相干干涉信号和高相干干涉信号，以低相干干涉信号为基准，以高相干干涉信号读取和控制调谐步进量，对相位调谐扫描的实时高精度解析与控制。当宽带光源所形成低相干干涉峰出现且达到最大时，则此处可精确标定为光程差为0处。若低相干干涉峰的位置在任意两个高相干干涉峰正中间，则可通过插值精确标定这两个干涉峰所对应的光程差分别为

和

依次可推出这两个干涉峰两侧的一系列干涉峰所对应光程差依次分别为

以及

等，因此可实现对高速可调谐光纤延迟线6的光程差扫描量精确测量与控制。若入射待调谐光信号

由第三耦合器7进入时，其初始相位为

通过插值计算从开始调谐扫描时到光程差为0之间共产生多少个干涉峰即可推算出

例如若产生上述光程差为一个半干涉峰即

则可得到对应

而调谐扫描过程中高速可调谐光纤延迟线6开始扫描调谐至任意位置所对应的相位为

因此入射待调谐光信号进入高速可调谐光纤延迟线6后，其相位得到调谐，所输出调谐信号变为

相位调谐改变量即可通过对以上高、低相干信号解析以及对高速可调谐光纤延迟线6的同步控制进行实时精确扫描与读取。

Claims (7)

1.一种偏差实时校准的光纤相位扫描调谐装置，其特征在于，包括：

可调谐光纤延迟单元，根据实际光程相对改变量，对输入的待调谐的信号进行调谐后输出；

光程差调谐偏差校准单元，得到所述可调谐光纤延迟单元的实际光程相对改变量，并将该实际光程相对改变量作为控制信号输出到所述可调谐光纤延迟单元；

光程差调谐偏差产生单元，包括用于形成低相干干涉的低相干干涉模块和用于形成高相干干涉的高相干干涉模块；所述低相干干涉模块形成的低相干干涉信号和高相干干涉模块形成的高相干干涉信号输出到所述光程差调谐偏差校准单元，得到所述可调谐光纤延迟单元的实际光程相对改变量；

所述光程差调谐偏差校准单元包括：

信号脉冲整形，对高相干干涉信号进行脉冲整形；

脉冲计数，对脉冲整形后信号进行脉冲计数；

低相干信号定位，用于当可调谐光纤延迟单元所形成光程差为0时，作为基准点实现对可调谐光纤延迟单元光程差改变量的基准定位；

光程差计算校准，利用低相干干涉所形成基准点，通过插值得到基准点左右相邻干涉峰所对应的光程差，得到所述可调谐光纤延迟单元的实际光程相对改变量。

2.根据权利要求1所述的光纤相位扫描调谐装置，其特征在于，所述低相干干涉模块包括：

宽带光源，用于发出窄带光信号；

第一耦合器，将所述宽带光源发出窄带光信号分成两路输出；

光纤延迟器，设置在所述第一耦合器两路输出的其中一路上使该路的窄带光信号产生延迟；

第二耦合器，将所述第一耦合器的两路输出耦合后分成两路输出；

第三耦合器，将所述第二耦合器的两路输出耦合后作为一路输出；

所述可调谐光纤延迟单元设置在所述第二耦合器两路输出中的一路上；所述光纤延迟器用于使第三耦合器输出的光信号形成低相干干涉；

第一光电探测器，获取所述低相干干涉信号。

3.根据权利要求2所述的光纤相位扫描调谐装置，其特征在于，高相干干涉模块包括：

固定波长窄线宽激光器，用于发出窄线宽高相干激光；

所述第三耦合器，将所述固定波长窄线宽激光器发出窄线宽高相干激光分成两路输出；

所述第二耦合器，将所述第三耦合器的两路输出耦合后作为一路输出；

所述可调谐光纤延迟单元设置在所述第三耦合器两路输出中的一路上；两路信号经所述第二耦合器输出形成高相干干涉信号；

第二光电探测器，获取所述高相干干涉信号。

4.根据权利要求1所述的光纤相位扫描调谐装置，其特征在于，还包括：

电控扫描驱动器，根据光程差调谐偏差校准单元得到的可调谐光纤延迟线实际光程相对改变量，对可调谐光纤延迟线所产生延迟量进行调谐。

5.根据权利要求1所述的光纤相位扫描调谐装置，其特征在于，还包括：

数据存储与显示，用于存储和显示所述光程差调谐偏差校准单元输出的结果。

6.一种基于权利要求1-5任一所述光纤相位扫描调谐装置的光纤相位扫描调谐方法，其特征在于，包括：

获取实际光程相对改变量；

根据实际光程相对改变量对输入的待调谐的信号进行调谐后输出。

7.根据权利要求6所述的光纤相位扫描调谐方法，其特征在于，获取所述实际光程相对改变量的方法如下：第一光电探测器与第二光电探测器的输出信号经多通道数据采集卡采集后进入光程差调谐偏差校准单元，通过对信号脉冲整形、脉冲计数、低相干信号定位分析处理后，得到实际光程相对改变量。

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