CN113804298B - 一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置，属于光纤测量领域。该装置包括可调谐激光源、光频域干涉反射测量模块、光频域干涉透射测量模块、待测器件模块、第一辅助干涉仪模块、第二辅助干涉仪模块、信号处理模块；激光源输出的连续光作为问询光注入待测器件模块，其中的瑞利散射光返回注入光频域干涉反射测量模块中，而前向传输光和偏振耦合光则注入光频域干涉透射测量模块中，经过第一辅助干涉仪、第二辅助干涉仪匹配校正扫频非线性后，分别获得光纤器件的分布式瑞利散射谱、分布式偏振串扰谱。该装置利用多个具有不同光程差的辅助干涉仪匹配校正扫频非线性，提升了系统的空间分辨率，快速获得光纤器件的透反射信息。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤测量技术领域，涉及的是一种光纤器件的分布式透反射性能测量装置。
背景技术
分布式光纤测量技术由于具有同时获取器件的空间上被测量分布信息的能力，对光纤器件的高精度测量与评估方面是白光干涉测量原理与技术的一个重要应用，其中光频域偏振(OFDP)测量技术和光频域反射(OFDR)测量技术是分别针对光纤器件的透射特性和反射特性进行测量的高精度分布式测量技术。
光频域偏振(OFDP)测量技术是由可调谐激光源对光频进行线性扫描，对待测器件偏振串音的强度和位置进行高精度的测量，从而测量与评估偏振光学器件。
光频域反射(OFDR)测量技术是基于光外差探测技术，通过光纤瑞利散射的背向反射作用，应用于各种范围的高精度测量具有大动态范围，由此得到光纤器件内部的反射信息。
分布式光纤测量技术可真实描述光信号在光纤光路中的透射和反射行为，尤其适合于对光纤器件、元件，以及高精度光纤传感光路进行测量和评估。其具有模块简单、测量范围大、高空间分辨率、测量灵敏度高等优点，如：2015年哈尔滨工程大学杨军等人公开了一种光学相干域偏振测量装置(CN103743487B)，利用光程相关器两干涉臂中的差分对称光程扫描装置实现光强自动补偿，极大地抑制了单一扫描器强度浮动对测量的影响，不仅利用光相干域偏振测量技术得到了偏振串音的位置和强度，还提高偏振串音的测量精度。2014年天津大学刘铁根等人公开了一种抑制光频域反射仪的激光器非线性扫描装置和方法(CN102420650B)，利用附加干涉仪采用双法拉第旋镜反射，抑制了干涉仪中偏振衰落现象，在主干涉仪中采用平衡探测器技术，利用光频域反射测量技术得到了器件的反射信息，提高系统信噪比3dB以上。以上两个专利是分别对待测器件的透射和反射信息进行测量，但是没有做到同时测到待测器件透射和反射特征。
2016年杨军等人公开的一种光纤器件的透射和反射性能测量装置及方法(CN105784336B)，利用光学相干域偏振(OCDP)测量技术和光学低相干域反射(OLCR)测量技术，使用共用延迟部件进行扫描，同时得到待测器件的透射和反射特征。此装置是在光相干域上利用光学相干域偏振(OCDP)测量技术和光学低相干域反射(OLCR)测量技术对待测器件进行测量，但是光相干域上延迟部件扫描慢，测量时间长。
在对光纤器件的测量，单独使用OFDP只能得到待测器件中偏振串音的信息，而单独使用OFDR只能得到待测器件中反射信息，为了得到光纤器件更为全面的信息，本发明提供一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置，在光频域上不仅同时研究了器件的透射和反射特性，还利用多个辅助干涉仪的不同臂长差校正了激光器的非线性扫频，具有大动态范围和高精度测量的优势，对器件全面特性的测量具有重要意义。
发明内容
本发明基于使用多个辅助干涉仪校正光源的扫频非线性，目的在于提供一种高精度、大动态范围、测量全面的光纤器件的透射和反射性能同时测量装置。
一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置，包括可调谐激光源1、光频域干涉反射测量模块2、光频域干涉透射测量模块3、待测器件模块4、信号处理模块5、第一辅助干涉仪模块6、第二辅助干涉仪模块7，其特征是：
可调谐激光源1发出的连续光经第一耦合器102分成两束，分别进入第二耦合器201与第三耦合器203中，第二耦合器201将光信号分成两束，一束作为待测光注入第二耦合器第一输出端211，经环行器第一端口202a进入三端口环行器202中，由环行器第二端口202b注入待测器件模块4，其分别产生瑞利散射光404a和偏振耦合光404b，瑞利散射光404a注入光频域干涉反射测量模块2中，由第一采集卡210接收，偏振耦合光404b注入光频域干涉透射测量模块3中，由第二采集卡209接收，另一束光作为参考光注入第二耦合器第二输出端212；第三耦合器203将光信号分别注入第一辅助干涉仪模块6和第二辅助干涉仪模块7中，第一辅助干涉仪模块6的输出信号由第一采集卡210接收，并校正光频域干涉反射测量模块2中的扫频非线性，第二辅助干涉仪模块7的输出信号由第二采集卡209接收，并校正光频域干涉透射测量模块3中的扫频非线性；最后由信号处理模块5对干涉信号进行测量，经过快速傅里叶变化501和透反射数据融合502后，同时得到待测器件的透射和反射信息；
所述待测器件模块4，其特征是：由可调谐激光源1输出的光信号依次经过起偏器输入尾纤403a、起偏器403，由起偏器尾纤403b注入待测器件401中，再经过检偏器尾纤405a、检偏器405、由检偏器输出尾纤405b输出；其中起偏器尾纤403b、待测器件401、检偏器尾纤405a对应的光程差为SFUT；
所述的第一辅助干涉仪模块6，其特征是：光信号由第七耦合器601分成两束，一束进入第七耦合器第一输入端601a，另一束进入第七耦合器第二输入端601b，通过第二延迟光纤602后，两束光经第八耦合器603，注入第三平衡探测器604后发生干涉，并由第三平衡探测器604后进行差分探测，第一辅助干涉仪模块6干涉仪对应的光程差S1，要求S1≥2S3
所述的第二辅助干涉仪模块7，其特征是：光信号由第九耦合器701分成两束，一束进入第九耦合器第一输入端701a，另一束进入第九耦合器第二输入端701b，通过第三延迟光纤702后，两束光经第十耦合器703，注入第四平衡探测器704后发生干涉，并由第四平衡探测器704进行差分探测，第二辅助干涉仪模块7中干涉仪对应的光程差S2，要求S2≥2S4
所述的信号处理模块5，其特征是：信号处理模块5对第一采集卡210和第二采集卡209所接收的干涉信号进行数据采集与储存，经过快速傅里叶变化501后，得到串扰位置幅度和瑞利散射位置幅度，然后校正瑞利散射峰与偏振串扰峰位置的错位量，再比较二者的幅度差异，最后将透反射数据融合502，得到待测器件的透反射信息；
所述的扫频非线性校正501，其特征是：使用硬件方法校正光源扫频非线性，其中所述方法为辅助干涉仪514输出的拍频信号511通过硬件电路516转换为方波512，利用方波的上升沿作为数据采集卡513的外部时钟，触发对主干涉仪信号的采集，由此实现等光频间隔采样；
光频域反射(OFDR)测量技术原理如附图3所示：可调谐激光源1发出线性调频连续光经第一耦合器102后被分成两束，一束注入第一耦合器第一输出端211，由三端口环行器202注入待测器件401中，由于待测光纤中存在瑞利散射和菲涅尔反射，一部分光反射回去作为待测光Test经三端口环行器202进入耦合器206中；另一束作为参考光LO注入第一耦合器第二输入端212中，经过延迟光纤112后与待测光Test在第四耦合器206中产生了光程差，经过时延τ后，待测光Test与参考光LO之间产生了频率差，即拍频信号，拍频信号第一平衡探测器213接收进行差分探测，第一采集卡210将光信号进行数据同步采集与储存，校正扫频非线性后进行FFT将光频域信息转换成距离域，最后得到待测器件上单一缺陷点对应瑞利散射峰幅值和位置信息。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明是一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置，基于光频域干涉原理，通过可调谐激光源的快速线性频率扫描，提升了测试速率和测量长度，快速获得器件的透反射信息。
(2)本发明利用多个不同臂长差的辅助干涉仪匹配校正光频域干涉反射测量模块和光频域干涉透射测量模块的扫频非线性。使频谱不再出现展宽现象，提升了系统的空间分辨率。
附图说明
图1是一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置摘要图；
图2是扫频非线性校正硬件方法说明图；
图3是光频域反射(OFDR)测量技术对单一缺陷点测量的示意图；
图4是保偏光纤双向偏振相应测量图；
图5是可调谐激光源非线性效应示意图；
图6(a)是扫频非线性校正前的结果图；
图6(b)是扫频非线性校正后的结果图；
图7是透反射数据校正融合示意图；
具体实施方式
为清楚地说明本发明基于偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
应用实施例
此装置主要光电器件的选择及其参数如下：
光源为窄线宽可调谐激光源，型号为TSL-770，波长调谐范围是1510nm～1620nm，扫频速率是100nm/s，扫频时间是1.1s；
探测器的型号为Newport 1817，最大探测带宽是80MHz，饱和差分探测功率是55uW，共模抑制比是25dB；
采集卡的型号为M4i：4471-x8，16位的采样率设置11.25MHz，采样点数25M，采样时间为2.222s，触发方式用labview进行软件触发；
第一耦合器102的分光比为1∶99，剩余耦合器的分光比均为50∶50，消光比均大于20dB，插入损耗均小于0.5dB，工作波长覆盖1550nm波段；
起偏器202工作波长为1550nm，角度为0°，插入损耗小于1dB，消光比大于30dB，检偏器405工作波长为1550nm，角度45°，插入损耗小于1dB，消光比大于30dB；
三端口环行器202的工作波长为1550nm，插入损耗为0.8dB，隔离度大于50dB；
本发明的一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置的实施方式为：测量装置如图4所示，包括可调谐激光源1发出的连续光经第一耦合器102分成两束，分别进入第二耦合器201与第三耦合器203中，第二耦合器201将光信号分成两束，一束作为待测光注入第二耦合器第一输出端211，经环行器第一端口202a进入三端口环行器202中，由环行器第二端口202b注入待测器件模块4，其分别产生瑞利散射光404a和偏振耦合光404b，瑞利散射光404a注入光频域干涉反射测量模块2中，由第一采集卡210接收，偏振耦合光404b注入光频域干涉透射测量模块3中，由第二采集卡209接收，另一束光作为参考光注入第二耦合器第二输出端212；第三耦合器203将光信号分别注入第一辅助干涉仪模块6和第二辅助干涉仪模块7中，第一辅助干涉仪模块6的输出信号由第一采集卡210接收，并校正光频域干涉反射测量模块2中的扫频非线性，第二辅助干涉仪模块7的输出信号由第二采集卡209接收，并校正光频域干涉透射测量模块3中的扫频非线性；最后由信号处理模块5对干涉信号进行测量，同时得到待测器件的透射和反射信息；
待测器件模块4包括0°起偏器、保偏光纤、45°检偏器；待测器件是由三段长度均为1m的直径均为125um的保偏光纤，将这三段保偏光纤熔接起来，产生第二熔接点B、第三熔接点C；起偏器尾纤403b与待测器件401通过第一熔接点A连接，检偏器405通过第四熔接点D与待测器件401相连；
0°起偏器的输入尾纤是单模光纤，输出尾纤403b是直径为125μm的保偏光纤，其输出尾纤403b长度为l2＝2m，其反射光程是S11＝l1×n×2＝5.8m，对应的透射光程差S12＝l1×Δn＝1×10-3m，n为光纤折射率，约为1.45，Δn为保偏光纤的线性双折射，约为5×10-4；
45°检偏器的输入尾纤405a是直径125um的保偏光纤，输出尾纤405b为单模光纤，其输入尾纤405a长度为l2＝16m，其反射光程是S21＝l2×n×2＝46.4m对应的透射光程差S22＝l2×Δn＝8×10-3，n为光纤的折射率，约为1.45，Δn为保偏光纤的线性双折射，约为5×10-4；
信号处理模块5对第一采集卡210和第二采集卡209所接收的干涉信号进行数据采集与储存，经过快速傅里叶变换501后，得到偏振串扰位置幅度和瑞利散射信息位置幅度，从而得到分布式偏振串扰谱和分布式瑞利散射谱，通过以上待测器件模块中光程差的计算，找到四个熔接点对应的透反射位置，在分布式瑞利散射谱中，第一瑞利散射峰(61)、第二瑞利散射峰(62)、第三瑞利散射峰(63)、第四瑞利散射峰(64)、第五瑞利散射峰(65)、第六瑞利散射峰(66)，分别对应第一熔接点(A)、第二熔接点(B)、第三熔接点(C)、第四熔接点(D)、起偏器、检偏器；在分布式偏振串扰谱中，第一偏振串扰峰(71)、第二偏振串扰峰(72)、第三偏振串扰峰(73)、第四偏振串扰峰(74)、第五偏振串扰峰(75)、第六偏振串扰峰(76)，分别对应第一熔接点(A)、第二熔接点(B)、第三熔接点(C)、第四熔接点(D)起偏器、检偏器；
可调谐激光源1模块产生波长随时间线性变化的扫频光，但可调谐激光源1一般都存在非线性调谐效应，如图5所示，扫描频率随时间变化出现非线性变化，很难实现完全的线性扫频。非线性扫频会导致数据采集卡等时间间隔采集的数据对应非等光频间隔，如图6a所示，由于调谐激光源1的非线性效应出现频谱展宽，最终导致动态范围降低，系统空间分辨率下降。
所述的第一辅助干涉仪模块6和第二辅助干涉仪模块7，均采用单臂延迟光纤的Mach-Zehnder光纤干涉仪模块，作用是通过不同光程差匹配校正激光源的扫频非线性进行。其中使用硬件方法校正光源扫频非线性，其中所述方法如图2所示，辅助干涉仪514输出的拍频信号511通过硬件电路转换为方波512，利用方波的上升沿作为数据采集卡513的外部时钟，触发对主干涉仪信号的采集，由此实现等光频间隔采样；如图6b所示，经扫频非线性校正后，不再出现频谱展宽，由此提高了动态范围和空间分辨率。
所述第一辅助干涉仪模块6中延迟光纤长度为L1，输出信号由第一采集卡210接收，且第一辅助干涉仪模块6校正光频域干涉反射测量模块2的扫频非线性，要求S1≥2S3；第二辅助干涉仪模块7中延迟光纤为L2，输出信号由第二采集卡209接收，且第二辅助干涉仪模块7校正光频域干涉透射测量模块的扫频非线性，要求S2≥2S4；
对基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置进行连接，开启可调谐激光源1，对保偏光纤进行测试。
通过测量得到光频域干涉反射测量模块2和光频域干涉透射测量模块3对应的分布式瑞利散射谱和分布式偏振串扰谱，利用第一辅助干涉仪6和第二辅助干涉仪7进行扫频非线性校正，将透反射数据进行初步融合，得到瑞利散射峰与偏振串扰峰位置的错位量关系，然后校正瑞利散射峰与偏振串扰峰位置的错位量，最后将透反射数据融合505，如图7所示，得到待测器件的更为全面的透反射信息，从中分析其偏振特性、色散特性、损耗特性，完成器件测试。
Claims (5)
1.一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置，包括可调谐激光源(1)、光频域干涉反射测量模块(2)、光频域干涉透射测量模块(3)、待测器件模块(4)、信号处理模块(5)、第一辅助干涉仪模块(6)、第二辅助干涉仪模块(7)，其特征是：光频域干涉反射测量模块(2)包括第二耦合器(201)、环行器(202)、第四耦合器(206)、第一平衡探测器(213)；待测器件模块(4)包括起偏器输入尾纤(403a)、起偏器(403)、起偏器输出尾纤(403b)、待测器件(401)、检偏器输入尾纤(405a)、检偏器(405)和检偏器输出尾纤(405b)，其中起偏器输出尾纤(403b)、待测器件(401)、检偏器输入尾纤(405a)对应的光程差为SFUT；
可调谐激光源(1)发出的连续光经第一耦合器(102)分成两束，分别进入第二耦合器(201)与第三耦合器(203)中，第二耦合器(201)将光信号分成两束，一束作为参考光注入第二耦合器的第二输出端，另一束作为待测光注入第二耦合器第一输出端(211)，经环行器第一端口(202a)进入三端口环行器(202)中，由环行器第二端口(202b)注入待测器件模块(4)，然后，待测器件(401)分别产生瑞利散射光(404a)和偏振耦合光(404b)，瑞利散射光(404a)从环行器第二端口(202b)进入光频域干涉反射测量模块(2)作为待测光，与第二耦合器(201)输出的参考光经第四耦合器(206)后发生干涉，并由第一平衡探测器(213)进行差分探测，其中光频域干涉反射测量模块(2)中干涉仪对应的光程差为S3，第一平衡探测器(213)的输出信号被第一采集卡(210)接收，偏振耦合光(404b)注入光频域干涉透射测量模块(3)中，光频域干涉透射测量模块(3)包括第五耦合器(301)、第一延迟光纤(302)、第六耦合器(303)、第二平衡探测器(304)，其中的偏振耦合光(404b)被第五耦合器(301)分成两束，一束作为参考光注入第五耦合器第一输出端(301a)，另一束作为待测光注入第五耦合器第二输出端(301b)，待测光经过第一延迟光纤(302)后与参考光经第六耦合器(303)后发生干涉，并由第二平衡探测器(304)进行差分探测，其中光频域干涉透射测量模块(3)中干涉仪对应的光程差为S4，第二平衡探测器(304)的输出信号由第二采集卡(209)接收；第三耦合器(203)将光信号分别注入第一辅助干涉仪模块(6)和第二辅助干涉仪模块(7)中，第一辅助干涉仪模块(6)的输出信号由第一采集卡(210)接收，并校正光频域干涉反射测量模块(2)中的扫频非线性，第二辅助干涉仪模块(7)的输出信号由第二采集卡(209)接收，并校正光频域干涉透射测量模块(3)中的扫频非线性；最后由信号处理模块(5)对第一采集卡(210)和第二采集卡(209)的输出信号进行处理，经过快速傅里叶变换(501)和透反射数据融合(502)后，最后同时得到待测器件的透射和反射信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置，其特征是：起偏器(403)的起偏角度是0°、检偏器(405)的检偏角度是45°；起偏器输入尾纤(403a)是单模光纤，起偏器输出尾纤(403b)是保偏光纤；检偏器输入尾纤(405a)是保偏光纤，检偏器输出尾纤(405b)是单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置，其特征是：第一辅助干涉仪模块(6)包括第七耦合器(601)、第二延迟光纤(602)、第八耦合器(603)、第三平衡探测器(604)，其中的光信号由第七耦合器(601)分成两束，一束进入第七耦合器第一输出端(601a)，另一束进入第七耦合器第二输出端(601b)，第二输出端(601b)的光束通过第二延迟光纤(602)后，两束光经第八耦合器(603)后发生干涉，并由第三平衡探测器(604)后进行差分探测，第一辅助干涉仪模块(6)干涉仪对应的光程差S1，光频域干涉反射测量模块(2)中干涉仪对应的光程差为S3，要求S1≥2S3。
4.根据权利要求1所述的一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置，其特征是：第二辅助干涉仪模块(7)包括第九耦合器(701)、第十耦合器(703)、第三延迟光纤(702)、第四平衡探测器(704)，其中的光信号由第九耦合器(701)分成两束，一束进入第九耦合器第一输出端(701a)，另一束进入第九耦合器第二输出端(701b)，第二输出端(701b)的光束通过第三延迟光纤(702)后，两束光经第十耦合器(703)后发生干涉，并由第四平衡探测器(704)进行差分探测，第二辅助干涉仪模块(7)中干涉仪对应的光程差S2，光频域干涉透射测量模块(3)中干涉仪对应的光程差为S4，要求S2≥2S4。
5.根据权利要求1所述的一种基于匹配校正光频域干涉的分布式双向偏振测量装置，其特征是：信号处理模块(5)对第一采集卡(210)和第二采集卡(209)所接收的差分信号进行数据采集与储存，经过快速傅里叶变换(501)后，得到串扰位置幅度和瑞利散射位置幅度，然后校正瑞利散射峰与偏振串扰峰位置的错位量，最后将透反射数据融合(502)，得到待测器件的透反射信息。
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