CN112923960B - 用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置，其首先在OFDR的辅助干涉仪中接入一个声光调制器(AOM)，用于对光波进行移频，增大拍频信号频率；然后用平衡探测器将该拍频信号转换为电信号，再用电耦合器分为两路，一路用高采样率的数据采集卡进行采集，另一路作为主干涉仪信号采集的外部时钟；最后以辅助干涉仪信号过零点为参考，通过简单的数据处理校正主干涉仪信号。本装置可以以较低的成本获得高精度的测量数据，并减小冗余的数据量，能够同时提高OFDR中激光器非线性扫频的校正准确度和数据处理的运算速度。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置。
背景技术
光频域反射计(Optical Frequency Domain Reflectometer,OFDR)是一种基于光外差探测原理的光纤传感技术，于1981年由W.Eickhoff等人借鉴微波领域中的调频连续波技术后首次提出。与传统的光时域反射计相比，该技术具有更高的空间分辨率、传感精度和灵敏度，在建筑结构的安全监测、通信器件的性能检测和医学成像等领域有着重要的应用价值。
在典型的OFDR系统中，可调谐激光器发出的线性扫频光分为两路，一路作为参考光入射并由末端的反射镜反射回来，另一路进入待测光纤，由于光纤中存在折射率不均匀或突变的情况，将在对应位置处发生背向瑞利散射或菲涅尔反射，同时返回的参考光和测量光将在耦合器中发生拍频干涉，被光电探测器检测后由数据采集卡采集，根据拍频信号的特性可检测光纤的特性。然而实际上，所有激光器都无法做到严格线性扫频，即存在非线性调谐效应，这会导致相邻采样点之间的光频间隔不再相等，傅里叶变换后会发生反射峰明显展宽的现象，显著降低OFDR系统的空间分辨率。因此，要想提升系统的传感性能，必须对该效应进行补偿。
目前，主流的补偿方法是通过添加一个辅助干涉仪采集光源信息，然后采用硬件或者软件方法对主干涉仪信号进行校正。硬件方法是由B.Feng等人最先提出的，其补偿思想是利用辅助干涉仪拍频信号的过零点作为外部时钟，触发数据采集卡对主干涉仪信号进行采样，这样得到的信号便是等光频间隔的；该方法结构简单，数据处理量小，但由于Nyquist采样定理的限制，最大测量长度只有第一延迟光纤长度的一半。软件方法的光路结构与硬件方法完全相同，唯一不同的是该方法是在信号被采集后，再利用算法处理数据校正非线性，主要分为去斜滤波器法和重采样法。去斜滤波器法由Y.Du等人首次提出，通过估算光源的非线性相位信息，校正主干涉仪的拍频信号信息；该方法在短距离测试时补偿效果极佳，但要求对光源的非线性相位有很准确的估计，否则容易出错，并且，当光源非线性波动较大时，其补偿效果不佳。重采样法是先提取光源的瞬时光频信息，然后对主干涉仪拍频信号重采样得到等光频间隔的数据点，主要有一维插值法、非均匀快速傅里叶变换法和基于时间尺度因子的过零点重采样法。J.Song等人提出的一维插值法，原理简单易懂，但对采样率的要求较高，数据处理量大，运算效率很低；Z.Ding等人提出的非均匀快速傅里叶变换法，数据处理过程简便，但有效测试距离较短，待测光纤稍长时补偿效果会急剧下降；J.Xing等人提出的基于时间尺度因子的过零点重采样法是对过零点采样法的改进，该方法减轻了第一延迟光纤长度对最大测量范围的影响，并降低了对采样率的要求，缺点是难以准确获取辅助干涉仪拍频信号的过零点。因此目前的补偿方法均在测量距离、运算效率、补偿效果等方面受到不同程度的限制。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置，通过基于过零点的分段校正方法，实现对待测信号的快速准确校正，从而提高OFDR系统的处理速度和空间分辨率，其中提出的补偿方法可以很好地平衡测量距离、运算效率、补偿效果等方面的关系。
为实现本发明的目的，提供一种用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置，包括：可调谐激光器、第一耦合器、主干涉仪、辅助干涉仪、第二耦合器、第一数据采集卡、时钟调理电路、第二数据采集卡和计算机；所述主干涉仪包括第三耦合器、第一环形器、第四耦合器和第一平衡探测器；
所述第一耦合器的输入端连接可调谐激光器，所述第一耦合器的第一输出端连接辅助干涉仪的输入端，第一耦合器的第二输出端连接主干涉仪的输入端，辅助干涉仪的输出端通过第二耦合器分别连接第一数据采集卡的输入端和时钟调理电路的输入端，第二数据采集卡的输入端分别连接主干涉仪的输出端和时钟调理电路的输出端，计算机分别连接第一数据采集卡的输出端和第二数据采集卡的输出端；所述第三耦合器的输入端为主干涉仪的输入端，第三耦合器的输出端分别连接第四耦合器的输入端和第一环形器的第一端，第一环形器的第二端连接待测光纤，第一环形器的第三端连接第四耦合器的输入端，第四耦合器的输出端连接第一平衡探测器的输入端，第一平衡探测器的输出端为主干涉仪的输出端；
第一耦合器将可调谐激光器输出的连续光分为第一路光和第二路光，将第一路光输入辅助干涉仪，并将第二路光输入主干涉仪；辅助干涉仪获取第一路光对应的第一干涉光信号，将第一干涉光信号转换为交流电信号，将交流电信号输入第二耦合器；主干涉仪中，第三耦合器将第二路光分为参考光和测量光，将参考光传输至第四耦合器，将测量光经第一环形器输入待测光纤，由于待测光纤中存在折射率不均匀或突变的情况，将在相应位置处发生背向瑞利散射或菲涅尔反射，同时散射或反射回来的测量光与参考光在第四耦合器中发生拍频干涉，得到第二干涉光信号，第二干涉光信号经第一平衡探测器输入第二数据采集卡；第二耦合器将交流电信号分为第一信号和第二信号，将第一信号输入第一数据采集卡，将第二信号输入时钟调理电路；第一数据采集卡采集第一信号得到信号A，将信号A输入计算机；时钟调理电路将第二信号转化为时钟信号，作为第二数据采集卡的外部时钟信号，以对主干涉仪的拍频信号进行采集，得到信号M，第二数据采集卡将信号M输入计算机；计算机对信号A和信号M同步进行数据处理，以得到主干涉仪内设置的待测光纤各位置处散射点或反射点的强度信息，实现对待测光纤的光纤参数的测量。
在一个实施例中，所述辅助干涉仪包括第五耦合器、第一延迟光纤、第一声光调制器、第一法拉第反射镜、第六耦合器和第二平衡探测器；
进入辅助干涉仪的第一路光经过第五耦合器以50：50的功率比进入参考路和延迟路，得到参考光和延迟光，延迟光经过第一延迟光纤并被固定在末端的法拉第反射镜反射回去，先穿过第一延迟光纤再回到第五耦合器，接下来第五耦合器等分成两路光，一路光沿原路返回到可调激光器中，另一路光首先经过第一声光调制器产生频移，然后与直接通过的参考光在第六耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第二平衡探测器后转换为交流电信号输出。
在另一个实施例中，所述辅助干涉仪包括第七耦合器、第二环形器、第二延迟光纤、第二声光调制器、第二法拉第反射镜、第八耦合器和第三平衡探测器；
进入辅助干涉仪的第一路光经过第七耦合器以50：50的功率比进入参考路和延迟路，得到参考光和延迟光，延迟光首先经过第二环形器进入第二延迟光纤，然后被固定在其末端的第二法拉第反射镜反射回去，经过第二环形器进入第二声光调制器产生移频，然后与直接通过的参考光在第八耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第三平衡探测器后转换为交流电信号输出。
在其他实施例中，所述辅助干涉仪包括第九耦合器、第三延迟光纤、第三声光调制器、第十耦合器和第四平衡探测器；
进入辅助干涉仪的第一路光经过第九耦合器以50：50的功率比进入参考路和延迟路，得到参考光和延迟光，延迟光首先经过第三延迟光纤，然后进入第三声光调制器产生移频，最后与直接通过的参考光在第十耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第四平衡探测器后转换为交流电信号输出。
在一个实施例中，待测光纤各位置处散射点或反射点的强度信息的获取过程包括：
步骤一，求解辅助干涉仪信号A中的所有过零点的横坐标，即找出信号为零的点的位置，该横坐标对应该过零点的时间信息；
步骤二，计算两相邻过零点之间的时间间隔，对应得到频率间隔，即相当于得到辅助干涉仪对应的非线性信息，为后面校正光源的非线性调谐效应做准备；
步骤三，对该频率间隔减去AOM的频率以消除AOM引入的附加频率的影响，并基于此计算校正系数，该校正系数即为校正了非线性的各过零点的坐标增量；其中AOM为第一声光调制器、第二声光调制器或第三声光调制器；
步骤四，利用校正系数，对信号A的所有过零点的横坐标进行校正，由于信号M与信号A对应同一光源信息，因此该坐标也即信号M校正后的坐标；
步骤五，对校正后的横坐标对应下的主干涉仪信号M进行非均匀快速傅里叶变换，得到整条光纤上所有散射点或反射点对应的强度信息。
具体地，信号A中过零点的横坐标的获取过程包括：当信号A的过零位置处恰好有采样点时，该采样点的序数即为过零点的横坐标，否则根据该过零位置左右相邻的采样点序数和强度，通过一维线性插值方法得到该过零点的横坐标。
具体地，计算两相邻过零点之间的频率间隔的过程包括：两相邻过零点的横坐标之差代表采样点的数目，乘以采样周期，得到两相邻过零点之间的时间间隔；该时间间隔表示半个周期，要先乘以2得到完整周期，再取倒数即为频率间隔。
本发明具有以下有益技术效果：
辅助干涉仪延迟路的末端使用法拉第反射镜，并将AOM接在该路光反射回去的路径中，可避免光纤中光波偏振态变化对辅助干涉仪中第六耦合器或者第八耦合器输出的拍频信号造成的偏振衰落现象，获得可视度更高的拍频信号，有助于获取准确的辅助干涉仪拍频信号，从而提升对主干涉仪信号的校正效果。
采用将辅助干涉仪拍频信号分为一路直接采集另一路作外时钟的结构，是对过零点采样法和AOM移频法的结合和改进，可带来如下便利：以较低的成本，组装出实用的结构，快速精确地找出辅助干涉仪信号过零点对应的主干涉仪信号的时间点，保障了后续频率求解步骤的准确性；得到的主干涉仪信号数据量小、数据精度高、并与辅助干涉仪过零点位置准确对应，使得在之后的数据处理中，无需对这些采样点进行复杂运算即可实现校正。与常规的软件补偿方法相比，提高了补偿精度的同时大大降低了运算量，具有较高的空间分辨率和计算效率，为实现高精度在线测量提供了可能。
附图说明
图1是一个实施例的用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置结构示意图；
图2是另一个实施例的用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置结构示意图；
图3是另一个实施例的用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置结构示意图；
图4是另一个实施例的用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置结构示意图；
图5是一个实施例的信号采集示意图；
图6为一个实施例的数据处理流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参考图1所示，图1为一个实施例的用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置结构示意图，包括：可调谐激光器、第一耦合器、主干涉仪、辅助干涉仪、第二耦合器、第一数据采集卡、时钟调理电路、第二数据采集卡和计算机；所述主干涉仪包括第三耦合器、第一环形器、第四耦合器和第一平衡探测器；
所述第一耦合器的输入端连接可调谐激光器，所述第一耦合器的第一输出端连接辅助干涉仪的输入端，第一耦合器的第二输出端连接主干涉仪的输入端，辅助干涉仪的输出端通过第二耦合器分别连接第一数据采集卡的输入端和时钟调理电路的输入端，第二数据采集卡的输入端分别连接主干涉仪的输出端和时钟调理电路的输出端，计算机分别连接第一数据采集卡的输出端和第二数据采集卡的输出端；所述第三耦合器的输入端为主干涉仪的输入端，第三耦合器的输出端分别连接第四耦合器的输入端和第一环形器的第一端，第一环形器的第二端连接待测光纤，第一环形器的第三端连接第四耦合器的输入端，第四耦合器的输出端连接第一平衡探测器的输入端，第一平衡探测器的输出端为主干涉仪的输出端；
第一耦合器将可调谐激光器输出的连续光分为第一路光和第二路光，将第一路光输入辅助干涉仪，并将第二路光输入主干涉仪；辅助干涉仪获取第一路光对应的第一干涉光信号，将第一干涉光信号转换为交流电信号，将交流电信号输入第二耦合器；主干涉仪中，第三耦合器将第二路光分为参考光和测量光，将参考光传输至第四耦合器，将测量光经第一环形器输入待测光纤，由于待测光纤中存在折射率不均匀或突变的情况，将在相应位置处发生背向瑞利散射或菲涅尔反射，同时散射或反射回来的测量光与参考光在第四耦合器中发生拍频干涉，得到第二干涉光信号，第二干涉光信号经第一平衡探测器输入第二数据采集卡；第二耦合器将交流电信号分为第一信号和第二信号，将第一信号输入第一数据采集卡，将第二信号输入时钟调理电路；第一数据采集卡采集第一信号得到信号A，将信号A输入计算机；时钟调理电路将第二信号转化为时钟信号，作为第二数据采集卡的外部时钟信号，以对主干涉仪的拍频信号进行采集，得到信号M，第二数据采集卡将信号M输入计算机；计算机对信号A和信号M同步进行数据处理，以得到主干涉仪内设置的待测光纤各位置处散射点或反射点的强度信息，实现对待测光纤的光纤参数的测量。
上述第二耦合器可以为功分器。可调谐激光器输出的光是线性扫频的连续光，通过1*2端口的第一耦合器分为功率比为1：99的两路光(第一路光和第二路光)，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪；其中，主干涉仪是马赫增德尔干涉仪形式的，而辅助干涉仪可采用迈克尔逊干涉仪形式或者马赫增德尔干涉仪形式。
具体地，主干涉仪中光波的传播历程如下：进入主干涉仪的光首先由第三耦合器分为功率比为1：99的两路光，分别称为参考光和测量光，参考光直接通过，而测量光经环形器(第一环形器)进入待测光纤，由于光纤中存在折射率不均匀或突变的情况，将在相应位置处发生背向瑞利散射或菲涅尔反射，同时散射或反射回来的测量光与参考光在第四耦合器中发生拍频干涉，该干涉光信号经第一平衡探测器探测后输出，由第二数据采集卡进行采集。
优选地，上述用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置中的各个器件均为保偏器件。
上述用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置中，第一耦合器将可调谐激光器输出的连续光分为第一路光和第二路光，将第一路光输入辅助干涉仪，并将第二路光输入主干涉仪；辅助干涉仪将第一干涉光信号转换为交流电信号，将交流电信号输入第二耦合器；主干涉仪得到第二干涉光信号，将其输入第二数据采集卡；第二耦合器将交流电信号分为第一信号和第二信号，将第一信号输入第一数据采集卡，将第二信号输入时钟调理电路；第一数据采集卡采集第一信号得到信号A，将信号A输入计算机；时钟调理电路将第二信号转化为方波信号，将方波信号作为第二数据采集卡的外部时钟信号，以对主干涉仪的拍频信号进行采集，得到信号M，第二数据采集卡将信号M输入计算机；计算机对信号A和信号M同步进行数据处理，以得到主干涉仪内设置的待测光纤各位置处散射点或反射点的强度信息，实现对待测光纤的相应位置处温度、应变、振动等光纤参数的高精度实时测量，具有较高的灵活性和准确性。
上述辅助干涉仪可以通过三种结构实现，三种辅助干涉仪中，正常通光均能采集到准确的拍频干涉信号，对该信号进行相应的数据处理，可有效校正激光器非线性调谐效应。
在一个实施例中，参考图2所示，所述辅助干涉仪包括第五耦合器、第一延迟光纤、第一声光调制器、第一法拉第反射镜、第六耦合器和第二平衡探测器；
上述第五耦合器为2*2端口的耦合器，进入辅助干涉仪的第一路光经过第五耦合器以50：50的功率比进入参考路和延迟路，得到参考光和延迟光，延迟光经过第一延迟光纤并被固定在末端的法拉第反射镜反射回去，先穿过第一延迟光纤再回到第五耦合器，接下来第五耦合器将其等分成两路光，一路光沿原路返回到可调激光器中(由于可调激光器配备有隔离器，因此该返回光不会对其输出性能产生影响)，另一路光首先经过第一声光调制器产生频移，然后与直接通过的参考光在第六耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第二平衡探测器后转换为交流电信号输出。
本实施例中，辅助干涉仪可充分利用第五耦合器，降低系统搭建成本。
在另一个实施例中，参考图3所示，所述辅助干涉仪包括第七耦合器、第二环形器、第二延迟光纤、第二声光调制器、第二法拉第反射镜、第八耦合器和第三平衡探测器；
上述第七耦合器为1*2端口的耦合器，进入辅助干涉仪的第一路光经过第七耦合器以50：50的功率比进入参考路和延迟路，得到参考光和延迟光，延迟光首先经过第二环形器进入第二延迟光纤，然后被固定在其末端的第二法拉第反射镜反射回去，经过第二环形器进入第二声光调制器产生移频，然后与参考光在第八耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第三平衡探测器后转换为交流电信号输出。
本实施例中，辅助干涉仪中添加了一个环形器(第二环形器)，使得光路更加直观，而且光波损耗更小。
在其他实施例中，参考图4所示，所述辅助干涉仪包括第九耦合器、第三延迟光纤、第三声光调制器、第十耦合器和第四平衡探测器；
上述第九耦合器为1*2端口的耦合器，进入辅助干涉仪的第一路光经过第九耦合器以50：50的功率比进入参考路和延迟路，得到参考光和延迟光，延迟光首先经过第三延迟光纤，然后进入第三声光调制器产生移频，最后与直接通过的参考光在第十耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第四平衡探测器后转换为交流电信号输出。
本实施例中，辅助干涉仪所用器件进一步减少，降低成本的同时减小了光波损耗。
在一个实施例中，待测光纤各位置处散射点或反射点的强度信息的获取过程包括：
步骤一，求解辅助干涉仪信号A中的所有过零点的横坐标，该横坐标对应该过零点的时间信息，即找出信号为零的点的位置；
步骤二，计算两相邻过零点之间的时间间隔，对应得到频率间隔，即相当于得到辅助干涉仪对应的非线性信息，为后面校正光源的非线性调谐效应做准备；
步骤三，对该频率间隔减去AOM的频率以消除AOM引入的附加频率的影响，并基于此计算校正系数，该校正系数即为校正了非线性的各过零点的坐标增量；其中AOM为第一声光调制器、第二声光调制器或第三声光调制器；
步骤四，利用校正系数，对信号A的所有过零点的横坐标进行校正，由于信号M与信号A对应同一光源信息，因此该坐标也即信号M校正后的坐标；
步骤五，对校正后的横坐标对应下的主干涉仪信号M进行非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)，得到整条光纤上所有散射点或反射点对应的强度信息。
具体地，步骤一中信号A中过零点的横坐标的获取过程包括：当信号A的过零位置处恰好有采样点时，该采样点的序数即为过零点的横坐标，否则根据该过零位置左右相邻的采样点序数和强度，通过一维线性插值方法得到该过零点的横坐标。
具体地，步骤二中计算两相邻过零点之间的频率间隔的过程包括：两相邻过零点的横坐标之差代表采样点的数目，乘以采样周期，得到两相邻过零点之间的时间间隔；该时间间隔表示半个周期，要先乘以2得到完整周期，再取倒数即为频率间隔。
进一步的，步骤三中，AOM的加入改变了辅助干涉仪两相邻过零点之间的实际光频间隔，为实现正确校正必须消除该影响，根据理论推导，消除AOM引入的附加频率的影响可通过上一步得到的频率间隔减去AOM的移频实现，而校正系数的获取是用消除影响后的各个频率间隔除以第一个频率间隔实现的。
进一步的，步骤四中，校正信号A的所有过零点的横坐标的过程具体包括：将第一个点的横坐标设置为1，后面每个点新的横坐标等于前一个点的横坐标加上该点对应段的校正系数，得到的新坐标即对应校正后的主干涉仪信号M的横坐标。
进一步的，步骤五中，NUFFT可以直接对非等时间间隔采样的数据进行处理，将该采样信号从时域变换到频域；再根据OFDR中拍频频率与位置之间的一一对应关系，可将频域信息对应到距离域信息，从而得到待测光纤上所有散射或反射点的位置和强度信息。
在一个示例中，在OFDR系统中，假设可调谐激光器为线性扫频，其扫频速率为γ，初始频率为f0，时间变量为t，则其输出频率可表示为：
f(t)＝f0+γt，
主干涉仪待测光纤上的测试点相对于参考路末端的位置为Z，该位置处返回的测试光与通过参考路的光的时延为τ，真空中光速为c，光纤纤芯的有效折射率为n，则拍频信号频率fb(即测试光与参考光的频率之差)：
fb＝γτ，
而时延τ与位置Z的关系为：
故拍频信号频率fb与位置Z的关系为：
可以看出，在可调谐激光器线性扫频的前提下，拍频信号频率与相应光纤中的位置点存在正比关系，利用快速傅里叶变换对采集到的时域上的拍频信号进行处理，可得到频域上的信息。其中，拍频频率fb可以转换为光纤中散射点的距离Z，而fb对应的功率则表示相应位置附近一小段光纤上的散射光强度。
然而实际情况下，光源容易受很多因素的影响，难以做到严格线性扫频，此时的扫频速率是一个随时间变化的量，拍频频率与待测光纤位置之间的关系变为：fb＝2nγ(t)Z/c，即某位置处的拍频信号频率大小不再固定，快速傅里叶变换后会出现反射峰能量扩散、幅度明显下降的情况，系统空间分辨率显著恶化，无法对光纤中的反射或散射点进行精确定位，因此必须采用合适的方法对光源的非线性扫频效应进行补偿。
为了解决OFDR中出现的上述问题，本示例使用主干涉仪+辅助干涉仪的系统结构。其中，主干涉仪采用马赫增德尔干涉仪结构，用以获取待测光纤上的散射信息；辅助干涉仪可采用迈克尔逊干涉仪结构或者马赫增德尔干涉仪结构，用于补偿由于激光器非线性扫频导致的空间分辨率下降的现象。与其他惯用结构不同的是，本示例在辅助干涉仪的延迟路加入了一个声光调制器(AOM)，并且在之后的光路中，将该干涉仪的拍频信号分为两路，一路用高采样率的数据采集卡采集以得到精确的过零点，另一路作为采集主干涉仪信号的数据采集卡的外部时钟信号。此处，AOM作为移频器使用，允许我们在使用较短延迟光纤的情况下得到较大的拍频干涉信号；其原理是利用晶体的声光效应增大经过其中光波的频率，进而增大辅助干涉仪拍频信号的频率，使得该信号的过零点变得更加密集，对主干涉仪信号的校正也就更加准确。AOM的使用相当于增加延迟光纤长度，但是剔除了长延迟光纤带来的其他不利影响，可有效提升系统传感性能。辅助干涉仪拍频信号过零点(即信号大小为零处)可作为主干涉仪拍频信号的外时钟采样信号，是因为该信号相邻过零点间相位相差π，对应半个周期，进一步可推导出两相邻过零点间的光频差相等，而两干涉仪同一时间对应的是同一光频信息，因此用辅助干涉仪信号过零点作为外时钟，可实现对主干涉仪信号等光频间隔采样。在本装置中，由于接入AOM对辅助干涉仪信号产生了移频，使得过零点采集到的主干涉仪信号点之间的光频间隔不再相等，但在之后的步骤中，可通过简单的数据处理进行校正。
该系统所用的光源是可调谐激光器，激光器发出的线性扫频光通过第一耦合器分为功率比为1：99的两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪。
本示例的第一种辅助干涉仪结构如图2所示。进入辅助干涉仪的光经过第五耦合器以50：50的比例进入参考路和延迟路，分别称为参考光和延迟光，参考光直接通过，而延迟光经过第一延迟光纤并被固定在末端的法拉第反射镜反射回去，先穿过第一延迟光纤再回到第五耦合器，接下来第五耦合器等分成两路光，一路光沿原路返回到可调激光器中(由于可调激光器配备有隔离器，因此该返回光不会对其输出性能产生影响)，另一路光首先经过第一声光调制器产生频移，然后与直接通过的参考光在第六耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第二平衡探测器后转换为交流电信号输出。
本示例的第二种辅助干涉仪结构如图3所示。进入辅助干涉仪的光经过第七耦合器以50：50的功率比进入参考路和延迟路，得到参考光和延迟光，延迟光首先经过第二环形器进入第二延迟光纤，然后被固定在其末端的第二法拉第反射镜反射回去，经过第二环形器进入第二声光调制器产生移频，然后与参考光在第八耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第三平衡探测器后转换为交流电信号输出。
本示例的第三种辅助干涉仪结构如图4所示。进入辅助干涉仪的光经过第九耦合器以50：50的功率比进入参考路和延迟路，得到参考光和延迟光，延迟光首先经过第三延迟光纤，然后进入第三声光调制器产生移频，最后与直接通过的参考光在第十耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第四平衡探测器后转换为交流电信号输出。
然后交流电信号被第二耦合器分为两路，一路用高采样率的第一数据采集卡采样得到信号A，另一路用于过零点触发第二数据采集卡对主干涉仪拍频信号进行采样。进入主干涉仪的光首先经第三耦合器分为1：99的两路，分别称为参考光和测试光，参考光亦是直接通过，而测试光经主干涉仪中第一环形器进入待测光纤，由于光纤中存在折射率不均匀或折射率突变的情况，将在相应位置处发生背向瑞利散射或菲涅尔反射，散射或反射回来的测试光与参考光在第四耦合器中发生拍频干涉，该干涉光信号经第一平衡探测器探测后，由第二数据采集卡采集得到信号M。最后将采集到的两信号导入计算机，并基于MATLAB软件进行数据处理。由于信号A的过零点与信号M的采样点在时间上是一一对应的，因此可利用信号A的过零点计算出信号M的采样点间的时间间隔，并在此基础上对信号M进行非线性校正。
激光器线性扫频输出的光经过延迟光纤和AOM后与参考光发生拍频干涉，得到的信号可表示为：
其中，E0表示该信号的幅度，fAOM是AOM的移频频率；大括号中1代表直流项，
是与延迟光纤相关项，fAOM(t-τ)是与AOM相关项。
由于各个平衡探测器均可以滤除直流量保留交流量，则该信号经第二平衡探测器探测得到的结果为：
由上式可知，辅助干涉仪拍频信号的频率由延迟光纤的时延和AOM的移频两部分共同决定，所需的辅助干涉仪拍频频率一定时，AOM的频移量越大，延迟光纤就越短，所以可以在使用短延迟光纤的情况下，通过接入AOM产生移频得到频率较大的拍频信号。
接下来该信号被分成两路，一路直接采集一路作为外时钟，假设采集到的辅助干涉仪信号为A，主干涉仪信号为M。具体地，本示例的信号采集过程可以参考图5所示，图5中曲线上的小圆点表示采集到的信号点。
激光器非线性扫频时，信号A不再是单一频率的正弦波，再加上AOM移频作用的影响，此时该信号的过零点是非等时间间隔且非等光频间隔的，需要根据AOM的移频原理，对该信号进行相应处理，才能正确补偿激光器非线性调谐效应带来的影响。具体地，本示例的数据处理过程可以参考图6所示，其处理过程如下。
第一步，求解辅助干涉仪拍频信号A的过零点横坐标，并将其保存在数组P中：
P＝{P1,P2,P3，…,PN}，
假设一共有N个过零点，当某过零位置处恰好有采样点时，该采样点的序数即为过零点的横坐标，否则根据该过零位置左右两侧相邻采样点的序数和强度，通过一维插值方法得到过零点的横坐标。优选地，采用线性插值的方法，因为该方法既能保持较高的计算精度又有着较高的运算效率。
第二步，计算两相邻过零点之间的频率间隔，并将其保存在数组f中。首先计算两相邻过零点的横坐标之差，得到两相邻过零点之间的采样点数目，记为数组d；以过零点为分界点可将辅助干涉仪信号A划分为许多段，考虑到该信号第一段通常不完整，所以直接将d中的第一个元素设置为P1；两相邻过零点间的采样点数目除以相应数据采集卡的采样率fs，即可得到该段的时间长度，记为数组t；由于两相邻过零点可视为半个周期，所以还应该乘以2补充为一个完整周期，然后根据频率与周期的关系，对周期取倒数即可得到这两个过零点间的频率间隔fi：
d＝{P1,P2-P1,…,PN-PN-1}’
ti＝di/fs,i＝1,2,…,N，
fi＝1/(2ti),i＝1,2,…,N，
第三步，计算每个过零点的校正系数，并将结果保存在数组D中。AOM的接入改变了辅助干涉仪拍频信号的频率，使得相同时间内的过零点个数变得密集，此时两过零点之间的光频间隔无法直接对应到激光器上，为了能够正确补偿激光器非线性扫频下的主干涉仪信号，需要先消除AOM引入的附加频率的影响，根据推导，将上一步得到的频率间隔减掉AOM的频率，即可得到消除了AOM移频影响后的两相邻过零点之间的频率间隔，也即主干涉仪相应采样点之间的实际频率间隔：
fcorr_i＝fi-fAOM,i＝1,2,…,N’
然后需要将频率间隔转化为校正系数，因为时间和频率互为倒数，用所有两相邻过零点之间的频率间隔分别除以第一个过零点与第二个过零点之间的频率间隔fcorr_2，所得结果可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fcorr_2时，该段的校正系数小于1。因为信号A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。由此得到N个过零点的校正系数为：
第四步，校正所有过零点的横坐标，将得到的横坐标用数组x表示。由于上一步求得的某过零点的校正系数是相对于前一个过零点的，因此某过零点的校正坐标应等于前一个过零点的校正坐标加上该点对应的校正系数。可用公式将该迭代关系表示为：
xi＝xi-1+Di,x1＝1,i＝2,…,N’
其中，xi表示辅助干涉仪信号A的第i个过零点的校正坐标，Di表示第i个过零点对应的校正系数。根据主干涉仪与辅助干涉仪的对应关系，求得的校正坐标也即主干涉仪信号M中每个采样点的校正坐标。
第五步，运用非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)算法对校正后的坐标对应下的主干涉仪信号M进行处理，即可将信号从时域转换到频域，然后根据OFDR中拍频频率和位置之间一一对应的关系
对应到距离域，便可以得到待测光纤上所有反射或散射点的位置和强度信息。该过程利用NUFFT直接对时域上非均匀采样的原始数据点进行变换，而未对主干涉仪信号插值求取新数据点，保证了数据的准确性，有利于减小误差，提高系统的空间分辨率。
本示例具有以下有益技术效果：
辅助干涉仪延迟路的末端使用法拉第反射镜，并将AOM接在该路光反射回去的路径中，可避免光纤中光波偏振态变化对辅助干涉仪中第六耦合器或者第八耦合器输出的拍频信号造成的偏振衰落现象，获得可视度更高的拍频信号，有助于获取准确的辅助干涉仪拍频信号，从而提升对主干涉仪信号的校正效果。
采用将辅助干涉仪拍频信号分为一路直接采集另一路作外时钟的结构，是对过零点采样法和AOM移频法的结合和改进，可带来如下便利：以较低的成本，组装出实用的结构，快速精确地找出辅助干涉仪信号过零点对应的主干涉仪信号的时间点，保障了后续频率求解步骤的准确性；得到的主干涉仪信号数据量小、数据精度高、并与辅助干涉仪过零点位置准确对应，使得在之后的数据处理中，无需对这些采样点进行复杂运算即可实现校正。与常规的软件补偿方法相比，提高了补偿精度的同时大大降低了运算量，具有较高的空间分辨率和计算效率，为实现高精度在线测量提供了可能。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置，其特征在于，包括：可调谐激光器、第一耦合器、主干涉仪、辅助干涉仪、第二耦合器、第一数据采集卡、时钟调理电路、第二数据采集卡和计算机；所述主干涉仪包括第三耦合器、第一环形器、第四耦合器和第一平衡探测器；
所述第一耦合器的输入端连接可调谐激光器，所述第一耦合器的第一输出端连接辅助干涉仪的输入端，第一耦合器的第二输出端连接主干涉仪的输入端，辅助干涉仪的输出端通过第二耦合器分别连接第一数据采集卡的输入端和时钟调理电路的输入端，第二数据采集卡的输入端分别连接主干涉仪的输出端和时钟调理电路的输出端，计算机分别连接第一数据采集卡的输出端和第二数据采集卡的输出端；所述第三耦合器的输入端为主干涉仪的输入端，第三耦合器的输出端分别连接第四耦合器的输入端和第一环形器的第一端，第一环形器的第二端连接待测光纤，第一环形器的第三端连接第四耦合器的输入端，第四耦合器的输出端连接第一平衡探测器的输入端，第一平衡探测器的输出端为主干涉仪的输出端；
第一耦合器将可调谐激光器输出的连续光分为第一路光和第二路光，将第一路光输入辅助干涉仪，并将第二路光输入主干涉仪；辅助干涉仪获取第一路光对应的第一干涉光信号，将第一干涉光信号转换为交流电信号，将交流电信号输入第二耦合器；主干涉仪中，第三耦合器将第二路光分为参考光和测量光，将参考光传输至第四耦合器，将测量光经第一环形器输入待测光纤，由于待测光纤中存在折射率不均匀或突变的情况，将在相应位置处发生背向瑞利散射或菲涅尔反射，同时散射或反射回来的测量光与参考光在第四耦合器中发生拍频干涉，得到第二干涉光信号，第二干涉光信号经第一平衡探测器输入第二数据采集卡；第二耦合器将交流电信号分为第一信号和第二信号，将第一信号输入第一数据采集卡，将第二信号输入时钟调理电路；第一数据采集卡采集第一信号得到信号A，将信号A输入计算机；时钟调理电路将第二信号转化为时钟信号，作为第二数据采集卡的外部时钟信号，以对主干涉仪的拍频信号进行采集，得到信号M，其中，辅助干涉仪拍频信号过零点作为主干涉仪拍频信号的外时钟，第二数据采集卡将信号M输入计算机；计算机对信号A和信号M同步进行数据处理，以得到主干涉仪内设置的待测光纤各位置处散射点或反射点的强度信息，实现对待测光纤的光纤参数的测量；
其中，所述辅助干涉仪的一种结构包括第七耦合器、第二环形器、第二延迟光纤、第二声光调制器、第二法拉第反射镜、第八耦合器和第三平衡探测器；
进入辅助干涉仪的第一路光经过第七耦合器以50∶50的功率比进入参考路和延迟路得到参考光和延迟光，延迟光首先经过第二环形器进入第二延迟光纤，然后被固定在其末端的第二法拉第反射镜反射回去，经过第二环形器进入第二声光调制器产生移频，然后与直接通过的参考光在第八耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第三平衡探测器后转换为交流电信号输出；
待测光纤各位置处散射点或反射点的强度信息的获取过程包括：
步骤一，求解辅助干涉仪信号A中的所有过零点的横坐标，该横坐标对应该过零点的时间信息；
步骤二，计算两相邻过零点之间的时间间隔，对应得到频率间隔，以得到辅助干涉仪对应的非线性信息；
步骤三，对该频率间隔减去AOM的频率以消除AOM引入的附加频率的影响，并基于此计算校正系数，该校正系数即为校正了非线性的各过零点的坐标增量；其中AOM为第一声光调制器、第二声光调制器或第三声光调制器；
步骤四，利用校正系数，对信号A的所有过零点的横坐标进行校正，由于信号M与信号A对应同一光源信息，因此该坐标也即信号M校正后的坐标；
步骤五，对校正后的横坐标对应下的主干涉仪信号M进行非均匀快速傅里叶变换，得到整条光纤上所有散射点或反射点对应的强度信息。
2.根据权利要求1所述的用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置，其特征在于，所述辅助干涉仪的另一种结构包括第五耦合器、第一延迟光纤、第一声光调制器、第一法拉第反射镜、第六耦合器和第二平衡探测器；
进入辅助干涉仪的第一路光经过第五耦合器以50∶50的功率比进入参考路和延迟路，得到参考光和延迟光，延迟光经过第一延迟光纤并被固定在末端的法拉第反射镜反射回去，先穿过第一延迟光纤再回到第五耦合器，接下来被第五耦合器等分成两路光，一路光沿原路返回到可调激光器中，另一路光首先经过第一声光调制器产生频移，然后与直接通过的参考光在第六耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第二平衡探测器后转换为交流电信号输出。
3.根据权利要求1所述的用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置，其特征在于，所述辅助干涉仪的另一种结构包括第九耦合器、第三延迟光纤、第三声光调制器、第十耦合器和第四平衡探测器；
进入辅助干涉仪的第一路光经过第九耦合器以50∶50的功率比进入参考路和延迟路，得到参考光和延迟光，延迟光首先经过第三延迟光纤，然后进入第三声光调制器产生移频，最后与直接通过的参考光在第十耦合器中发生拍频干涉，得到第一干涉光信号，第一干涉光信号进入第四平衡探测器后转换为交流电信号输出。
4.根据权利要求1所述的用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置，其特征在于，信号A中过零点的横坐标的获取过程包括：当信号A的过零位置处恰好有采样点时，该采样点的序数即为过零点的横坐标，否则根据该过零位置左右相邻的采样点序数和强度，通过一维线性插值方法得到该过零点的横坐标。
5.根据权利要求1所述的用于校正非线性调谐效应的光纤参数测量装置，其特征在于，计算两相邻过零点之间的频率间隔的过程包括：两相邻过零点的横坐标之差代表采样点的数目，乘以采样周期，得到两相邻过零点之间的时间间隔；该时间间隔表示半个周期，要先乘以2得到完整周期，再取倒数即为频率间隔。
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