CN113804406B - 一种用于光频域偏振串音测量的双折射色散迭代补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于光频域偏振串音测量的双折射色散迭代补偿方法，属于光纤测试技术领域，其特征在于，对测得的待测保偏光纤环的频域偏振串扰数据进行傅里叶变换，得到空域的复偏振串扰数据后根据光纤长度分段参数对其分段，对每一段复偏振串扰数据的双折射色散进行估计并构造相应的色散补偿卷积核，将这一段复偏振串扰数据与构造的色散补偿卷积核进行卷积运算得到局部色散补偿数据，最后将所有的局部色散补偿数据依次拼接并取模运算后得到色散补偿后偏振串扰数据。在空域进行迭代卷积的色散补偿方法减少了每一步迭代所涉及的数据量，缩短了色散补偿的时间。本发明能够有效地补偿光频域偏振串音测量中由于待测器件的双折射色散引入的相位误差。
Description
技术领域
本发明具体涉及到一种用于光频域偏振串音测量的双折射色散补偿方法，属于光纤测试领域
背景技术
保偏光纤作为一种能够保持传输光偏振态的特种光纤，通过在光纤内部引入固有内应力或改变光纤的几何形状使得光纤产生固有双折射，从而消除微扰双折射对传输光偏振态的影响来实现保偏传输。在干涉型光纤传感技术中，保偏光纤的使用可以克服外界环境对光纤中传输光波偏振态的影响，抑制干涉测量产生的偏振衰落现象，被广泛用于制作光纤偏振器件，通过对光纤偏振器件的偏振串音的测量能有效评估和诊断光纤偏振器件的性能。
分布式偏振串音测量是评估保偏器件的重要方法，通过测量，我们知道有缺陷或者应力的位置，以及对偏振保持性能的影响。分布式偏振串音的测量通常使用光学相干域偏振测量技术(OCDP)，其空间分辨率少于9cm，动态范围大于90dB，测量长度至少12km，但是测量速度受限于光延迟线扫描装置速度，所以提出光频域偏振串音测量技术(OFDP)，其使用可调谐激光器的线性扫频取代光学相干域偏振串音测量技术中的扫描式白光干涉仪来实现不同偏振耦合模式间的干涉，具体实现方案是可调谐激光器发出线性调频光，通过待测器件，然后通过有一定臂长差的干涉仪，然后信号被探测器接收，由于干涉仪具有臂长差，两臂信号到达探测器的有时延，不同频率之间产生拍频信号，然后通过傅里叶变换，将频域转到空域，得到拍频的幅值和位置，确定偏振串音的位置和幅值。光频域偏振串音测量技术的测量速度和精度就只与激光器的线性扫频相关，他能大大提高测量的速度。
由于保偏器件的快慢轴之间存在双折射色散，会导致输出信号劣化，二阶色散会导致测试结果中的干涉峰幅度下降且包络展宽，严重时会导致信号畸变，破坏干涉峰与待测器件内部缺陷点之间一一对应关系，因此测量系统中对待测器件的双折射色散补偿是实现高分辨率，高精度测量的重要技术。
针对双折射色散补偿，在2011年天津大学刘铁根等提出了一种对宽带光源色散补偿方法(一种宽带光源的色散补偿方法，CN102332956B)，通过对探测器采集的原始数据进行窗函数截取，得到主峰数据以及需要色散补偿的某一干涉峰数据，根据宽度比值算出双折射色散系数，得到色散补偿因子对双折射色散进行补偿，但是该方案仅针对基于迈克尔逊干涉仪的保偏光纤偏振耦合测试系统。
同年，哈尔滨工程大学杨军等提出一种减少双折射色散的装置(一种减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置，CN102279095B)，利用半反半透偏振旋光器将宽谱光分成两束，双向测量待测光纤，利用同一偏振耦合检测装置，同时获得扫描位置对称的偏振耦合测量数据，通过对数据的处理，增强对光纤耦合点的位置和幅度的测量精度，抑制双折射色散影响。
在2016年，哈尔滨工程大学杨军等提出一种在光学相干域偏振测量色散补偿的方法(一种用于具有超高分布式双折射色散的光纤保偏器件的色散补偿方法，CN106525390A)，对原始数据两端进行补零得到初始待补偿数据，提取待补偿数据在光程差范围内的数据作为首端数据，分段处理数据，对数据使用优化色散测量技术测得色散参数，然后进行色散补偿。但是该方案仅针对OCDP输出信号。
待测器件双折射色散会引起相位误差，影响OFDP的测试结果，本发明提供一种OFDP双折射色散补偿的方法，提高测试系统的动态范围和空间分辨率，进而提高系统测试的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光频域偏振串音测量系统中双折射色散补偿的方法，该方法在于校正补偿待测器件双折射色散引起的相位误差，提高测试系统的空间分辨率和动态范围，进而提高系统测试的精度。
一种用于光频域偏振串音测量的双折射色散迭代补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一101：数据预处理，对测得的待测保偏器件的频域偏振串扰数据(500)进行傅里叶变换，得到空域的复偏振串扰数据600，将复偏振串扰数据(600)根据光纤长度参数对其分N段并初始化循环次数j＝1，确定第j段复偏振串扰数据601对应的二阶色散系数GDDj和三阶色散系数TODj；
步骤二102：取第j段复偏振串扰数据601的数据；
步骤三103：利用第j段复偏振串扰数据601对应的TODj和GDDj构造色散补偿卷积核；
步骤四104：将第j段复偏振串扰数据601与构造的色散补偿卷积核进行卷积计算得到局部色散补偿后的数据701结果，得到的局部色散补偿数据后数据701长度与第j段复偏振串扰数据601的长度相等；
步骤五105：判断j是否大于N，如果是，则进行步骤七107，如果否，则进行步骤六106，然后重复步骤二102至步骤五105；
步骤六106：使循环次数j自增，即j＝j+1；
步骤七107：将得到的局部色散补偿后数据701按顺序进行拼接并取模运算；
步骤八108：得到完整色散补偿后的偏振串扰数据700的输出，完成补偿；
步骤一101中复偏振串扰数据600根据光纤长度参数对其分N段，其特征在于：根据光纤长度参数每5m分一段，对其分成N段；
步骤一101中确定第j段复偏振串扰数据601对应的二阶色散系数和三阶色散系数，其特征在于：已知全复偏振串扰数据600的二阶色散总量GDD和三阶色散总量TOD，第j段复偏振串扰数据601对应的二阶色散系数为GDDj＝GDD·j/N，对应的三阶色散系数为TODj＝TOD·j/N；
步骤三103中构造色散补偿卷积核Ip(s)，其特征在于：卷积核Ip(s)是色散补偿相位的复条纹/>的傅里叶变换，即/>
色散补偿相位其特征在于：色散补偿相位/>是/>其中k是波数，k＝k1+t·γ/c，其中k1＝1/λmax，λmax是最大扫描波长，c是光速，t是扫频时间，γ是可调谐激光器的扫频速率；
本发明公开一种用于光频域偏振串音测量的双折射色散迭代补偿方法，适用于光频域测量技术领域，在空域上实现色散补偿算法，即
I(k)是波数域的偏振串扰数据，A(k)和分别是其振幅谱和相位谱；/>是色散补偿相位，频域通过傅里叶变换转到空域表示，Ic(s)是空域色散补偿后的复偏振串扰数据；
对于色散补偿后的信号Ic(s)，考虑其单边形式Ic_os(s)，即
使用希尔伯特变换实现单边谱的变换，Ios(s)和Ip_os(s)分别是I(k)和Ip(k)的单边傅里叶变换，是由色散补偿相位构造的色散补偿条纹。上述推导中，主要利用了关系，
只要构造了色散补偿条纹的单边傅里叶变换Ip_os(s)，并计算出原始信号的单边傅里叶变换Ios(s)，然后使用公式(3)即可以求得色散补偿结果Ic_os(s)；
保偏器件的两个正交轴偏振特征轴(偏振模式)具有不同的色度色散特性，一般将保偏器件两个偏振模式的色度色散差称为双折射色散，待测器件固有的双折射色散，会制约测试结果的空间分辨率，因为色散会导致结果中的干涉峰幅度下降且包络展宽，色散补偿能让峰还原幅度和宽度，达到高精度测量的目的，而使用硬件补偿限性过大无法针对多种实际情况去实现灵活调整，还会受测量的长度的限制。
本发明使用软件算法对空域的复偏振串扰数据进行双折射色散补偿，根据光纤长度分段参数对其分段，对每一段复偏振串扰数据的双折射色散进行估计并构造相应的色散补偿卷积核，将这一段复偏振串扰数据与构造的色散补偿卷积核进行卷积运算得到局部色散补偿数据，最后将所有的局部色散补偿数据依次拼接并取模运算后得到色散补偿后偏振串扰数据。本发明能有效对保偏待测器件中的双折射色散进行补偿。
本发明的优点在于：
本发明无需额外的硬件装置就可以实现对光频域偏振串音测量系统的输出信号进行双折射色散补偿，灵活度高，能够对长距离光纤环的测量数据进行双折射色散补偿；
在空域进行迭代卷积的色散补偿方法减少了每一步迭代所涉及的数据量，缩短了色散补偿的时间；
本发明能够有效校正光频域偏振串音测量系统中由于待测器件双折射色散引致的相位误差，提高系统测量的空间分辨率和动态范围，进而有效提升测量的精度。
附图说明
图1是一种用于光频域偏振串音测量的双折射色散迭代补偿方法流程图
图2是光频域偏振串音测量系统的装置图
图3是待测保偏器件的频域偏振串扰数据结果图
图4是对待测器件进行色散补偿结果图
图5是第j段复偏振串扰数据色散补偿前后结果图
图6是色散补偿前后对比结果的局部放大图
具体实施方式
为清楚地说明本发明一种用于光频域偏振串音测量的双折射色散迭代补偿方法，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。
以待测器件为长度500m的光纤环为例，主要的光电器件选择参数如下：
可调谐激光源10扫频范围为1510-1620nm，扫频速度为100nm/s；
采集卡采样率为11.25MHz/s，触发方式用LabVIEW进行软件触发；
第二耦合器11分光比为2∶98，第二耦合器31，第二耦合器32，第三耦合器41以及第四耦合器42分光比为50∶50；
第一平衡探测器32和第二平衡探测器43型号为Newport 1817，最大探测带宽是80MHz，共模抑制比是25dB，饱和差分探测功率是55uW；
起偏器21的起偏角度是0°，检偏器23的检偏角度为45°；
辅助干涉仪40臂长差为5m，主干涉仪30臂长差为3m；
如图2所示是本实施例所使用的光频域偏振串音测量系统，可调谐激光源10发出光通过第一耦合器11分成两束，分光为98的一束通过起偏器21注入待测器件22，经过检偏器23后注入第二耦合器31中分束，分别经过主干涉仪上臂32和主干涉仪下臂33，在第三耦合器34合束后被第一差分探测器35接收，分光为1的另一束注入第四耦合器41分束分别经过辅助干涉仪上臂42和辅助干涉仪下臂43，在第五耦合器44合束后被第二差分探测器45接收，采集卡51分别采集第一差分探测器35和第二差分探测器45所输出的信号，然后送入计算机52使用如本发明所述的补偿方法对待测器件22的双折射色散进行补偿，辅助干涉仪40为了校正光源非线性扫频带来的相位误差；
一种用于光频域偏振串音测量的双折射色散迭代补偿方法，具体补偿流程如下：
第一步是对数据预处理，对测得的待测保偏器件的频域偏振串扰数据500进行傅里叶变换，得到空域的复偏振串扰数据600，将复偏振串扰数据600根据光纤长度参数每5m分一段，对其分成N段并初始化循环次数j＝1，确定第j段复偏振串扰数据601对应的二阶色散参数GDDj和三阶色散系数TODj；
第二步是取第j段复偏振串扰数据601的数据；
第三步是利用第j段复偏振串扰数据601对应的TODj和GDDj构造色散补偿卷积核；
第四步是将第j段复偏振串扰数据601与构造的色散补偿卷积核进行卷积计算得到局部色散补偿后的数据701结果，得到的局部色散补偿数据后数据701长度与第j段复偏振串扰数据601的长度相等；
第五步判断j是否大于N，如果是，则进行第七步，如果否，则进行第六步，然后重复第二步至第五步；
第六步是使循环次数j自增，即j＝j+1；
第七步是将得到的局部色散补偿后数据701按顺序进行拼接并取模运算；
第八步得到完整色散补偿后的偏振串扰数据700的输出，完成补偿；
第一步中确定第j段复偏振串扰数据601对应的二阶色散系数和三阶色散系数，具体是已知全复偏振串扰数据600的二阶色散总量GDD和三阶色散总量TOD，第j段复偏振串扰数据601对应的二阶色散系数为GDDj＝GDD·j/N，对应的三阶色散系数为TODj＝TOD·j/N；
卷积核Ip(s)是色散补偿相位的复条纹/>的傅里叶变换；色散补偿相位是/>其中k是波数，k0为1550nm波长对应的波数，k＝k1+t·γ/c，其中k1＝1/λmax，λmax是最大扫描波长，c是光速，t是扫频时间，γ是可调谐激光器的扫频速率；
图4色散前后对比发现，同一位置的的特征峰色散补偿后空间分辨率提高，峰的幅值增加；
如图6为500m光纤环的色散补偿前后的局部放大图，色散补偿前，可以看到来自起偏器21的第一偏振串扰峰602，由于保偏光纤中双折射色散的影响，偏振串扰峰幅值低，且包络展宽，空间分辨率已经劣化到一定程度，特征无法区分，经过色散补偿后，同样的位置显示了第二偏振串扰峰702和第三偏振串扰峰703和第四偏振串扰峰704，都是来自起偏器21偏振串扰峰，从图6可以看出色散补偿后，偏振串扰峰的空间分辨率提高，峰的幅值增加了20dB，可以通过分析光纤环的偏振特性；
实验结果表明，该方法能够有效补偿双折射色散，极大的提高了系统测量的空间分辨率和动态范围，提高测量精度。
Claims (2)
1.一种用于光频域偏振串音测量的双折射色散迭代补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一(101)：数据预处理，对测得的待测保偏器件的频域偏振串扰数据(500)进行傅里叶变换，得到空域的复偏振串扰数据(600)，将复偏振串扰数据(600)根据光纤长度参数对其分N段并初始化循环次数j＝1，已知复偏振串扰数据(600)的二阶色散总量GDD和三阶色散总量TOD，确定第j段复偏振串扰数据(601)对应的二阶色散系数为GDDj＝GDD·j/N，对应的三阶色散系数为TODj＝TOD·j/N；
步骤二(102)：取第j段复偏振串扰数据(601)的数据；
步骤三(103)：利用第j段复偏振串扰数据(601)对应的TODj和GDDj构造色散补偿卷积核，卷积核Ip(s)是色散补偿相位的复条纹/>的傅里叶变换，即色散补偿相位/>是/>其中k是波数，k＝k1+t·γ/c，其中k1＝1/λmax，λmax是最大扫描波长，c是光速，t是扫频时间，γ是可调谐激光器的扫频速率；
步骤四(104)：将第j段复偏振串扰数据(601)与构造的色散补偿卷积核进行卷积计算得到局部色散补偿后的数据(701)结果，得到的局部色散补偿数据后数据(701)长度与第j段复偏振串扰数据(601)的长度相等；
步骤五(105)：判断j是否大于N，如果是，则进行步骤七(107)，如果否，则进行步骤六(106)，然后重复步骤二(102)至步骤五(105)；
步骤六(106)：使循环次数j自增，即j＝j+1；
步骤七(107)：将得到的局部色散补偿后数据(701)进行按顺序拼接并取模运算；
步骤八(108)：得到完整色散补偿后的偏振串扰数据(700)的输出，完成补偿。
2.根据权利要求1所述的用于光频域偏振串音测量的双折射色散迭代补偿方法，步骤一(101)中复偏振串扰数据(600)根据光纤长度参数对其分N段，其特征在于：
根据光纤长度参数每5米分一段，对其分成N段。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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