CN113776567A - 一种基于光频域反射计的偏振衰落消除装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光频域反射计的偏振衰落消除装置及方法，其装置包括：可调谐激光器、耦合器、环形器、集成相干接收单元以及数据处理单元；所述可调谐激光器用于产生偏振激光；所述耦合器用于将所述偏振激光分为测量激光以及本振激光；所述环形器用于根据所述测量激光以及待测器件生成反射激光；所述集成相干接收单元用于根据所述本振激光和所述反射激光生成多路拍频信号；所述数据处理单元用于对所述多路拍频信号进行处理分析，获得所述待测器件的待测参数。本发明通过设置集成相干接收单元实现偏振衰落消除，降低了偏振衰落消除装置的成本，并从根本上消除了偏振衰落。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光频域反射计的偏振衰落消除装置及方法。
背景技术
光频域反射计(OFDR)是一种广泛应用于光通信、航空航天、土木工程、能源电力等领域的分布式光纤测量与传感技术。OFDR中的单模光纤存在双折射现象，会造成光纤链路中的输出光的偏振态发生变化而产生偏振衰落现象。OFDR技术的基本原理是光外差检测，是通过获取信号光和参考光的拍频干涉信号。偏振衰落现象的具体表现为信号光和参考光的拍频干涉信号幅度随机涨落，甚至会出现无法检测到拍频干涉信号的情况。偏振衰落效应会严重影响OFDR系统测量的准确性。
目前抑制偏振衰落的方法主要有两种：一种方法是将OFRD中的光器件均替换为保偏光器件，例如：将单模光纤全部替换为保偏光纤，将耦合器替换为保偏耦合器等，避免出现偏振衰落。另一种方法是在参考光路或信号光路中添加偏振控制器来控制该光路光信号的偏振态，从而实现抑制偏振衰落。
现有技术存在以下问题：第一种方法中由于保偏光器件的价格过高，导致整个偏振衰落消除装置的成本过高。第二种方法中偏振控制器需要前期调节，但当外界环境发生变化时，参考光和信号光的最佳匹配偏振态有可能发生改变，导致偏振衰落消除效果不稳定。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种基于光频域反射计的偏振衰落消除装置及方法，用以解决现有技术中存在的偏振衰落消除装置的成本过高、消除效果不稳定的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光频域反射计的偏振衰落消除装置，包括：可调谐激光器、耦合器、环形器、集成相干接收单元以及数据处理单元；
所述可调谐激光器用于产生偏振激光；
所述耦合器用于将所述偏振激光分为测量激光以及本振激光；
所述环形器用于根据所述测量激光以及待测器件生成反射激光；
所述集成相干接收单元用于根据所述本振激光和所述反射激光生成多路拍频信号；
所述数据处理单元用于对所述多路拍频信号进行处理分析，获得所述待测器件的待测参数。
在一些可能的实现方式中，所述集成相干接收单元包括偏振分束器、分束器、第一混频器、第二混频器、平衡探测器；
所述偏振分束器用于将所述反射激光分为第一子反射激光和第二子反射激光；
所述分束器用于将所述本振激光分为第一子本振激光和第二子本振激光；
所述第一混频器用于将所述第一子反射激光和所述第一子本振激光进行混频，生成第一混频信号和第二混频信号；
所述第二混频器用于将所述第二子反射激光和所述第二子本振激光进行混频，生成第三混频信号和第四混频信号；
所述平衡探测器用于根据所述第一子反射激光、所述第二子反射激光、所述第一子本振激光、所述第二子本振激光、所述第一混频信号、所述第二混频信号、所述第三混频信号和所述第四混频信号生成第一拍频信号、第二拍频信号、第三拍频信号和第四拍频信号。
在一些可能的实现方式中，所述平衡探测器包括第一子平衡探测器、第二子平衡探测器、第三子平衡探测器以及第四子平衡探测器；
所述第一子平衡探测器用于根据所述第一子反射激光和所述第二混频信号生成所述第一拍频信号；
所述第二子平衡探测器用于根据所述第一混频信号和所述第一子本振激光生成所述第二拍频信号；
所述第三子平衡探测器用于根据所述第二子反射激光和所述第四混频信号生成所述第三拍频信号；
所述第四子平衡探测器用于根据所述第三混频信号和所述第二子本振激光生成所述第四拍频信号。
在一些可能的实现方式中，所述集成相干接收单元还包括电阻放大器，所述电阻放大器的两端分别连接所述平衡探测器和所述数据处理单元。
在一些可能的实现方式中，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述待测器件正对所述第二端口，所述测量激光从所述第一端口进入所述环形器，从所述第二端口出射至所述待测器件，所述测量激光在所述待测器件发生反射，生成所述发射激光，所述反射激光从所述第二端口进入所述环形器，并从所述第三端口射出至所述集成相干接收单元。
在一些可能的实现方式中，所述数据处理单元包括数据分发子单元和并行的多个数据处理子单元；
所述数据分发子单元用于将所述多路拍频信号分为与所述多个数据子处理子单元一一对应的多个信号块；
所述多个数据子处理单元用于处理所述多个信号块。
在一些可能的实现方式中，所述数据处理单元还包括显示子单元，所述显示子单元用于将所述待测参数进行显示。
在一些可能的实现方式中，所述基于光频域反射计的偏振衰落消除装置还包括高速数据采集单元，所述高速数据采集单元的两端分别连接于所述集成相干接收单元和所述数据处理单元。
在一些可能的实现方式中，所述可调谐激光器、所述耦合器、所述环形器、所述待测器件以及所述集成相干接收单元之间均通过单模光纤耦合。
另一方面，本发明还提供了一种基于光频域反射计的偏振衰落消除方法，适用于上述基于光频域反射计的偏振衰落消除装置中任一种可能的实现方式，所述基于光频域反射计的偏振衰落消除方法包括：
通过可调谐激光器产生偏振激光；
通过耦合器将所述偏振激光分为测量激光以及本振激光；
环形器根据所述测量激光以及待测器件生成反射激光；
集成相干接收单元根据所述本振激光和所述反射激光生成多路拍频信号；
通过数据处理单元对所述多路拍频信号进行处理分析，获得所述待测器件的待测参数。
采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置，通过集成相干接收单元生成多路拍频信号，并根据多路拍频信号获得待测器件的待测参数，无需使用保偏光器件，降低了偏振衰落消除装置的成本。进一步地，本发明提供的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置也无需设置偏振控制器，进一步降低了变阵衰落消除装置的成本，并且，通过集成相干接收单元生成多路拍频信号，将多路拍频信号进行叠加后总能得到不为零的干涉信号，因此，可以获得偏振变化稳定的输出信号，从根本上消除了偏振衰落。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置的一个实施例结构示意图；
图2为本发明提供的集成相干接收单元的一个实施例结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于光频域反射计的偏振衰落消除方法的一个实施例流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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发明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。
本发明提供了一种基于光频域反射计的偏振衰落消除装置及方法，以下分别进行说明。
如图1所示，为本发明实施例提供的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置的一个实施例结构示意图，该基于光频域反射计的偏振衰落消除装置10包括：可调谐激光器100、耦合器200、环形器300、集成相干接收单元400以及数据处理单元500；
可调谐激光器100用于产生偏振激光；
耦合器200用于将偏振激光分为测量激光以及本振激光；
环形器300用于根据测量激光以及待测器件生成反射激光；
集成相干接收单元400用于根据本振激光和反射激光生成多路拍频信号；
数据处理单元500用于对多路拍频信号进行处理分析，获得待测器件20的待测参数。
与现有技术相比，本发明实施例提供的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置10，通过集成相干接收单元400生成多路拍频信号，并根据多路拍频信号获得待测器件的待测参数，无需使用保偏光器件，降低了偏振衰落消除装置10的成本。进一步地，本发明提供的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置10也无需设置偏振控制器，进一步降低了变阵衰落消除装置的成本，并且，通过集成相干接收单元300生成多路拍频信号，将多路拍频信号进行叠加后总能得到不为零的干涉信号，因此，可以获得偏振变化稳定的输出信号，从根本上消除了偏振衰落。
在本发明的具体实施例中，待测器件20的待测参数可以为待测器件20的位置值和反射功率值。
其中，可调谐激光器100可产生指定调谐范围、指定扫描频率的偏振激光。单次扫描根据扫描范围只需几十到几百毫秒即可完成整个光学链路检测，且无需考虑偏振状态。
需要说明的是：为了提高基于光频域反射计的偏振衰落消除装置10的适用性，在本发明的一些实施例中，可调谐激光器100为窄线宽激光器。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，可调谐激光器100、耦合器200、环形器300、待测器件20以及集成相干接收单元400之间均通过单模光纤600耦合。
在本发明的一些实施例中，如图2所示，集成相干接收单元400包括偏振分束器410、分束器420、第一混频器430、第二混频器440、平衡探测器450；
偏振分束器410用于将反射激光分为第一子反射激光和第二子反射激光；
分束器420用于将本振激光分为第一子本振激光和第二子本振激光；
第一混频器430用于将第一子反射激光和第一子本振激光进行混频，生成第一混频信号和第二混频信号；
第二混频器440用于将第二子反射激光和第二子本振激光进行混频，生成第三混频信号和第四混频信号；
平衡探测器450用于根据第一子反射激光、第二子反射激光、第一子本振激光、第二子本振激光、第一混频信号、第二混频信号、第三混频信号和第四混频信号生成第一拍频信号、第二拍频信号、第三拍频信号和第四拍频信号。
相比于现有技术，本发明实施例中的集成相干单元400使用一个偏振分束器410和一个分束器420实现分集相干，而不是同时使用两个偏振分束器410实现分集相干，进一步降低了偏振衰落装置10的成本。同时，并不影响分集相干性能，这是由于：本振激光的偏振态未受外界影响，偏振态较稳定，因此，使用分束器420将本振激光进行分束并不会影响分集相干的性能。
在本发明的一个具体实施例中，第一混频器430和第二混频器440均为90°混频器。
为了避免4路拍频信号在采集过程中发生误采，在本发明的一些实施例中，如图2所示，平衡探测器450包括第一子平衡探测器451、第二子平衡探测器452、第三子平衡探测器453以及第四子平衡探测器454；
第一子平衡探测器451用于根据第一子反射激光和第二混频信号生成第一拍频信号；
第二子平衡探测器452用于根据第一混频信号和第一子本振激光生成第二拍频信号；
第三子平衡探测器453用于根据第二子反射激光和第四混频信号生成第三拍频信号；
第四子平衡探测器454用于根据第三混频信号和第二子本振激光生成第四拍频信号。
通过设置4个子平衡探测器分别生成4路拍频信号，可避免通过一个子平衡探测器同时生成4路拍频信号时，由于反射激光、本振激光和混频信号发生混乱，导致生成的4路拍频信号出现错误的问题，进而提高偏振衰落消除装置10的可靠性。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，环形器300包括第一端口310、第二端口320和第三端口330，待测器件20正对第二端口320，测量激光从第一端口310进入环形器300，从第二端口320出射至待测器件20，测量激光在待测器件20发生反射，生成发射激光，反射激光从第二端口320进入环形器300，并从第三端口330射出至集成相干接收单元400。
通过设置环形器300可简化偏振衰落消除装置10的结构，提高偏振衰落消除装置10的紧凑度。并且，通过设置环形器300，还可确保环形器300内的激光只能从第一端口310到第二端口320，从第二端口320到第三端口330，其他任意方向均会被隔离。
由于拍频信号中的信号量以电流的形式存在，而数据处理单元500无法直接采集电流，即：数据处理单元500无法直接对拍频信号进行处理，因此，在本发明的一些实施例中，如图2所示，集成相干接收单元400还包括电阻放大器460，电阻放大器460的两端分别连接平衡探测器450和数据处理单元500。
通过设置电阻放大器460可将拍频信号中的电流转换为电压，以便于数据处理单元500采集和处理。
为了提高数据处理单元500的数据处理速度，从而提高偏振衰落消除装置10的效率，在本发明的一些实施例中，如图1所示，数据处理单元500包括数据分发子单元510和并行的多个数据处理子单元520；
数据分发子单元510用于将多路拍频信号分为与多个数据子处理子单元520一一对应的多个信号块；
多个数据子处理单元520用于处理多个信号块。
本发明实施例通过设置多个并行的数据处理子单元520对应处理多个信号块，可提高数据处理单元500对多路拍频信号的处理速度，进而提高偏振衰落消除装置10的效率。
进一步地，为了便于工作人员可直观的看到待测器件20的待测参数，在本发明的一些实施例中，如图1所示，数据处理单元500还包括显示子单元530，显示子单元530用于将待测参数进行显示。
需要说明的是：在本发明的一些实施例中，数据处理单元500为基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)的处理单元。
基于FPGA的处理单元相比于现有技术中基于CPU、GPU的处理单元，其可实现并行运算，为多路拍频信号的并行处理提供保障。
应当理解的是：在本发明的一些实施例中，数据处理单元500可为计算机。
为了进一步提高偏振衰落装置10的效率，在本发明的一些实施例中，如图1所示，基于光频域反射计的偏振衰落消除装置10还包括高速数据采集单元700，高速数据采集单元700的两端分别连接于集成相干接收单元400和数据处理单元500。
在本发明的一个具体实施例中，高速数据采集单元700由AD9269-80MSPS芯片组成。
通过设置高速数据采集单元700采集多路拍频信号，并将多路拍频信号传输至数据处理单元500，可提高采集多路拍频信号的采集速度，从而实现进一步提高偏振衰落装置10效率的技术效果。
另一方面，如图3所示，本发明实施例还提供了一种基于光频域反射计的偏振衰落消除方法，该方法包括：
S301、通过可调谐激光器100产生偏振激光；
S302、通过耦合器200将偏振激光分为测量激光以及本振激光；
S303、环形器300根据测量激光以及待测器件生成反射激光；
S304、集成相干接收单元400根据本振激光和反射激光生成多路拍频信号；
S305、通过数据处理单元500对多路拍频信号进行处理分析，获得待测器件20的待测参数。
本发明实施例提供的基于光频域反射计的偏振衰落消除方法，通过集成相干接收单元400生成多路拍频信号，并根据多路拍频信号获得待测器件的待测参数，无需使用保偏光器件，降低了偏振衰落消除的成本。进一步地，本发明提供的基于光频域发射计的偏振衰落消除方法也无需设置偏振控制器，进一步降低了变阵衰落消除的成本，并且，通过集成相干接收单元300生成多路拍频信号，将多路拍频信号进行叠加后总能得到不为零的干涉信号，因此，可以获得偏振变化稳定的输出信号，从根本上消除了偏振衰落。
上述实施例提供的基于光频域反射计的偏振衰落消除方法可实现上述基于光频域反射计的偏振衰落消除装置实施例中描述的技术方案，上述步骤具体实现的原理可参见上述基于光频域反射计的偏振衰落消除装置实施例中的相应内容，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上对本发明所提供的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于光频域反射计的偏振衰落消除装置，其特征在于，包括：可调谐激光器、耦合器、环形器、集成相干接收单元以及数据处理单元；
所述可调谐激光器用于产生偏振激光；
所述耦合器用于将所述偏振激光分为测量激光以及本振激光；
所述环形器用于根据所述测量激光以及待测器件生成反射激光；
所述集成相干接收单元用于根据所述本振激光和所述反射激光生成多路拍频信号；
所述数据处理单元用于对所述多路拍频信号进行处理分析，获得所述待测器件的待测参数。
2.根据权利要求1所述的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置，其特征在于，所述集成相干接收单元包括偏振分束器、分束器、第一混频器、第二混频器、平衡探测器；
所述偏振分束器用于将所述反射激光分为第一子反射激光和第二子反射激光；
所述分束器用于将所述本振激光分为第一子本振激光和第二子本振激光；
所述第一混频器用于将所述第一子反射激光和所述第一子本振激光进行混频，生成第一混频信号和第二混频信号；
所述第二混频器用于将所述第二子反射激光和所述第二子本振激光进行混频，生成第三混频信号和第四混频信号；
所述平衡探测器用于根据所述第一子反射激光、所述第二子反射激光、所述第一子本振激光、所述第二子本振激光、所述第一混频信号、所述第二混频信号、所述第三混频信号和所述第四混频信号生成第一拍频信号、第二拍频信号、第三拍频信号和第四拍频信号。
3.根据权利要求2所述的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置，其特征在于，所述平衡探测器包括第一子平衡探测器、第二子平衡探测器、第三子平衡探测器以及第四子平衡探测器；
所述第一子平衡探测器用于根据所述第一子反射激光和所述第二混频信号生成所述第一拍频信号；
所述第二子平衡探测器用于根据所述第一混频信号和所述第一子本振激光生成所述第二拍频信号；
所述第三子平衡探测器用于根据所述第二子反射激光和所述第四混频信号生成所述第三拍频信号；
所述第四子平衡探测器用于根据所述第三混频信号和所述第二子本振激光生成所述第四拍频信号。
4.根据权利要求2所述的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置，其特征在于，所述集成相干接收单元还包括电阻放大器，所述电阻放大器的两端分别连接所述平衡探测器和所述数据处理单元。
5.根据权利要求1所述的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置，其特征在于，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述待测器件正对所述第二端口，所述测量激光从所述第一端口进入所述环形器，从所述第二端口出射至所述待测器件，所述测量激光在所述待测器件发生反射，生成所述发射激光，所述反射激光从所述第二端口进入所述环形器，并从所述第三端口射出至所述集成相干接收单元。
6.根据权利要求1所述的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置，其特征在于，所述数据处理单元包括数据分发子单元和并行的多个数据处理子单元；
所述数据分发子单元用于将所述多路拍频信号分为与所述多个数据子处理子单元一一对应的多个信号块；
所述多个数据子处理单元用于处理所述多个信号块。
7.根据权利要求6所述的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置，其特征在于，所述数据处理单元还包括显示子单元，所述显示子单元用于将所述待测参数进行显示。
8.根据权利要求1所述的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置，其特征在于，所述基于光频域反射计的偏振衰落消除装置还包括高速数据采集单元，所述高速数据采集单元的两端分别连接于所述集成相干接收单元和所述数据处理单元。
9.根据权利要求1所述的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置，其特征在于，所述可调谐激光器、所述耦合器、所述环形器、所述待测器件以及所述集成相干接收单元之间均通过单模光纤耦合。
10.一种基于光频域反射计的偏振衰落消除方法，适用于如权利要求1-9所述的基于光频域反射计的偏振衰落消除装置其特征在于，所述基于光频域反射计的偏振衰落消除方法包括：
通过可调谐激光器产生偏振激光；
通过耦合器将所述偏振激光分为测量激光以及本振激光；
环形器根据所述测量激光以及待测器件生成反射激光；
集成相干接收单元根据所述本振激光和所述反射激光生成多路拍频信号；
通过数据处理单元对所述多路拍频信号进行处理分析，获得所述待测器件的待测参数。
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