CN114337804B - 一种增加白光干涉测量链路长度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以增加基于白光干涉原理测量DUT链路长度的装置及方法，属于光学测量领域，一路光信号分成N路信号，每一路光信号分别进行不同范围的移频后合到一路，改变光纤链路光程；另一路进入DUT链路，从DUT返回的回波信号与不同频率的白光混合信号发生拍频干涉；对拍频信号进行差频探测；对差频信号转化为待测DUT链路的回损‑位置曲线；控制每一路的长度差等于延迟的可移动量程，将白光干涉测量链路信号的测量范围提高N倍。本发明通过频域复用思想使得多路信号同时发生干涉的叠加混合信号在频域上分离，再反变换到时域信号，前后拼接，可得到N路拍频信号顺次拼接的总信号，此总信号即可实现原单路干涉时的测量范围的N倍。

Description

一种增加白光干涉测量链路长度的装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，更具体地，涉及一种增加白光干涉测量链路长度的装置及方法。

背景技术

白光干涉是测量光学微弱信号并精准定位的有效手段和方案。利用白光极短的相干长度，可实现分布式极弱回波信号的检测和准确定位。白光干涉通常使用光纤延迟线扫描增加一段光程距离，观察此增加的一段光程长度内拍频光谱的干涉峰值有无与高低，判断有无事件点、事件点位置、事件点回波功率大小。

但是，因为光纤延迟线这个光学器件的工艺限制，目前绝大部分的延迟线量程均在几厘米到十几厘米之间，相应的，应用到白光干涉测量链路方案中，系统的可测量长度也就非常短。受限于系统较短的测量长度，工程试验人员或研究人员需要根据待测样品器件的光路长度或距离来极其精确匹配预先设置好的参考臂长度，此过程难度大，操作复杂，应用场合极其有限。而一些特别工艺制造的光纤延迟线虽然能够有限的提高延迟量程，但相应的单次扫描全程所用的时间也会大大增加，且延迟长度并没有非常大提升，最多增加几个厘米到十几厘米。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种增加白光干涉测量链路长度的装置及方法，以解决针对白光干涉方式测量链路分布式回损的方案，其测量的待测链路长度非常短，受限于光纤延迟线最大延迟量程约束的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种增加白光干涉测量链路长度的装置，包括：白光光源、第一光纤耦合器、光纤环形器、第一1×N分束器、第二1×N分束器、电控光纤延迟线、N个声光移频器、第二光纤耦合器、信号检测及采集模块和终端；

所述第一1×N分束器、N个声光移频器、第二1×N分束器和电控光纤延迟线构成参考臂；所述光纤环形器构成信号臂；

所述白光光源发出宽谱光，并经过所述第一光纤耦合器分成两路分别进入所述信号臂和所述参考臂；所述第一1×N分束器将进入所述参考臂的白光信号分成N路，每一路白光信号分别接入不同移频范围的声光移频器后，再经所述第二1×N分束器，把N路移频后的白光信号合到一路，进入所述电控光纤延迟线后输出到达所述第二光纤耦合器；进入所述信号臂的白光信号经所述光纤环形器进入到待测光纤DUT链路中，经待测光纤DUT链路实时返回的回波信号经所述光纤环形器另一端口输出到达所述第二光纤耦合器，所述信号臂信号和所述参考臂中不同频率的白光混合信号在所述第二光纤耦合器处形成拍频干涉；

所述信号检测及采集模块与所述第二光纤耦合器连接，用于将两路拍频干涉信号进行差频探测并采集数据；所述终端与所述信号检测及采集模块连接，用于将采集到的差频信号转化为待测光纤DUT链路的回损-位置曲线。

在一些可选的实施方案中，所述第一光纤耦合器输出的光，50%进入所述信号臂，50%进入所述参考臂。

在一些可选的实施方案中，所述光纤环形器通过接待测光纤DUT链路，用于分布式测量待测光纤DUT链路的回损。

在一些可选的实施方案中，所述声光移频器用于通过电控声光调制技术把白光信号频率向上或者向下平移固定的频率Δf，每一路声光移频器平移的频率Δf不同。

在一些可选的实施方案中，所述电控光纤延迟线通过控制其电机转动，进而连续改变其内部反射镜位置，从而连续改变参考臂光程。

在一些可选的实施方案中，所述终端，用于对采集到的差频信号作FFT变换，将同一时刻N路光信号发生的干涉在频域上区分出来，变成不同频率的分立干涉峰；再对频域上的干涉峰逐个进行反FFT变换，得到每一路的拍频信号；然后将每一路的拍频信号前后顺次拼接，得到N路信号所有的拍频曲线。

在一些可选的实施方案中，所述信号检测及采集模块的通道数为单通道光信号检测。

在一些可选的实施方案中，所述电控光纤延迟线与所述信号检测及采集模块同步工作。

按照本发明的另一方面，提供了一种增加白光干涉测量链路长度的方法，包括：

白光光源发出的宽谱光通过第一光纤耦合器分成两路分别进入信号臂和参考臂；

参考臂中白光信号经过第一1×N分束器分成N路信号，每一路光信号分别接入不同移频范围的声光移频器后，再经第二1×N分束器，把光信号合到一路；

在第二1×N分束器后接入能够改变光纤链路光程的电控光纤延迟线；

信号臂中白光信号通过光纤环形器进入待测光纤DUT链路，从待测光纤DUT链路实时返回的回波信号与参考臂中不同频率的白光混合信号在第二光纤耦合器发生拍频干涉；

通过信号检测及采集模块对拍频信号进行差频探测，其差频大小为声光移频器移频的大小Δf；

对检测到的差频信号作FFT变换，将差频信号在频域上变成不同频率的干涉峰，将同一时刻N路光信号发生的干涉在频域上区分出来，变成不同频率的分立干涉峰；

对频域上的干涉峰逐个进行反FFT变换，得到每一路的拍频信号，把每一路的拍频信号前后顺次拼接，得到N路信号前后加起来的总信号拍频曲线；

在光路上通过控制使得每一路参考臂光程差刚好等于电控光纤延迟线延迟的量程，以将白光干涉测量链路信号的测量范围相较于单路干涉提高N倍。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明通过光路上的分路移频设计，给每一路参考臂施加不同的固定移频，并通过人为的控制参考臂每一路的总光程长度差等于光纤延迟线的可移动量程，则每一路的干涉曲线对应相关的待测链路长度，运用频域复用的思想，把相同时刻的拍频混合信号在频域分离，再重新拼接组合，形成一个完整的N倍于白光干涉测量链路长度的测量曲线。此装置及方案，在不改变光纤延迟线的情况下，极大的增加了白光干涉测量链路回损的测量长度，同时其单次测量时间仍然为单程延迟线扫描全程的时间。也大大节约了光电探测的通道数，只需要单通道采集数据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种增加白光干涉测量链路长度的装置示意图；

图2是本发明实施例1用于增加白光干涉测量链路长度的装置示意图；

图3是本发明频域复用原理示意图；

图4是本发明实施例电控光纤延迟线的结构示意图；

图1中：1为白光光源、2为第一光纤耦合器、3为第一1×N分束器、4为声光移频器、5为第二1×N分束器、6为电控光纤延迟线、7为光纤环形器、8为待测光纤DUT链路、9为第二光纤耦合器、10为信号探测与采集模块、11为终端、12为白光干涉信号臂、13为N路白光干涉参考臂。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明在不增加光纤延迟线数量以及测量时间的同时，极大提高链路测量范围。且仍使用单通道信号采集方式，大大节约了成本和操作等待时间，适合批量测试或流水线作业。

本发明公开了一种可以增加基于白光干涉原理测量DUT链路长度的装置及方法，白光光源发出宽谱光通过第一光纤耦合器分成两路分别进入信号臂和参考臂；参考臂中光信号经过第一1×N分束器分成N路信号，每一路光信号分别接入不同移频范围的声光移频器后，再经第二1×N分束器，把移频后的白光信号合到一路。在其后接入能够改变光纤链路光程的电控光纤延迟线。信号臂中白光信号通过环形器进入DUT链路，从DUT返回的回波信号与参考臂中不同频率的白光混合信号发生拍频干涉。对拍频信号进行差频探测，其差频大小即为移频器移频的大小。对检测到的差频信号作FFT变换，则信号变成不同频率的干涉峰，即可以把同一时刻N路光信号发生的干涉在频域上区分出来，变成不同频率的分立干涉峰。再对频域上的干涉峰逐个进行反FFT变换，可得到每一路的拍频信号。把每一路的拍频信号前后顺次拼接，即可得到N路信号所有的拍频曲线。最终只需人为控制每一路的长度差等于光纤延迟线的可移动量程，则可以把白光干涉测量链路信号的测量范围提高N倍。本发明通过光路上的设计及相关方法，使得原本只能测量单个光纤延迟线量程的范围，提升到N倍于单个光纤延迟线的量程范围，且每次测量时间与单程参考臂扫描时间相同。与此同时，信号探测与采集模块的通道数，仍然为单通道光信号检测，节约了成本，提高探测结果的一致性。

实施例1

如图1和图2所示，本发明实施例用于增加白光干涉测量链路长度的装置包括白光光源1、第一光纤耦合器2、光纤环形器7、第一1×N分束器3、第二1×N分束器5、电控光纤延迟线6、光纤声光移频器4、第二光纤耦合器9、待测光纤DUT链路8、信号探测与采集模块10以及终端11；

其中，本发明中所述终端可以为手机、平板电脑、笔记本电脑、UMPC（Ultra-mobilePersonal Computer，超级移动个人计算机）、上网本、PDA（Personal Digital Assistant，个人数字助理）、台式机等终端。

其中白光干涉基本结构包括白光光源1、信号臂12和参考臂13；信号臂13包括光纤环形器7；第一光纤耦合器2的第一输出端与光纤环形器7第一端口连接，光纤环形器7第二端口与待测光纤DUT链路8连接，光纤环形器7第三端口与第二光纤耦合器9输入端连接；

参考臂13包括顺次连接的第一1×N分束器3、N个声光移频器4、第二1×N分束器5和电控光纤延迟线6；第一光纤耦合器2的第二输出端与第一1×N分束器3输入端连接；第一1×N分束器3每一路输出端均连接一个声光移频器5输入端，每一路声光移频器5输出端连接第二1×N分束器5多端输入；第二1×N分束器5单端输出连接电控光纤延迟线6的输入端，电控光纤延迟线6输出端与第二光纤耦合器9的输入端连接；参考臂13和信号臂12的输出光在第二光纤耦合器9处发生拍频干涉。

白光光源1输出端与第一光纤耦合器2的输入端连接，用于发出宽谱光，并分成两路分别进入信号臂12和参考臂13；参考臂13中白光信号经过第一1×N分束器3分成N路信号，每一路光信号分别接入不同移频范围的声光移频器4后，再经第二1×N分束器5，把光信号合到一路。

分束器端口数以N=4为例，设：第一路声光移频器4对白光的移频频率为f1，当电控光纤延迟线6不工作处于初始位置时，第一路对应的参考臂13总长度为L1；电控光纤延迟线6扫描全程增加的光程为ΔL。因白光本身的相干长度极短，对于信号臂12和参考臂13，其两路光程差可以近似认为在相等的时候，光才会发生干涉。那么在电控光纤延迟线6开始扫描后，即参考臂13持续增长时，信号臂12与其光程相等的位置也将持续变长，达到分布式测量待测链路的目的。电控光纤延迟线6改变长度的量程为ΔL，则信号臂12中光纤环形器7的第二端口待测光纤DUT链路能够在扫描过程中与第一路声光移频器4的移频信号发生干涉的距离则为L1到L1+ΔL/2 。此时第一路参考臂光程最长时为L1+ΔL。

依次类推，参考臂13的第二路声光移频器4对白光的移频频率为f2，通过人为控制长度，使得第二路参考臂13初始长度为L1+ΔL，那么电控光纤延迟线6扫描全程对应信号臂12的待测光纤DUT链路8的干涉位置从L1+ΔL/2到L1+ΔL；此时第二路参考臂光程最长时为L1+2ΔL。

同理：参考臂13的第三路声光移频器4对白光的移频频率为f3，令第三路参考臂13初始长度为L1+2ΔL，电控光纤延迟线6扫描全程对应可测量信号臂12的待测光纤DUT链路8的位置从L1+ΔL到L1+ 3ΔL/2；此时第三路参考臂光程最长时为L1+3ΔL。

参考臂13的第四路声光移频器4对白光的移频频率为f4，第四路参考臂13初始长度为L1+3ΔL，电控光纤延迟线6扫描全程对应可测量信号臂12的待测光纤DUT链路8的位置从L1+3ΔL/2到L1+2ΔL。此时第四路参考臂光程最长时为L1+4ΔL。

进入信号臂12的白光经光纤环形器7进入到待测光纤DUT链路8中，经待测光纤DUT链路8实时返回的回波信号经光纤环形器7第三端口输出到达第二光纤耦合器9。4路不同移频，不同光程的参考臂13白光信号与不同位置回波的信号臂12白光信号在第二光纤耦合器9发生拍频干涉。经信号探测与采集模块10后，得到4路混合的差频信号曲线（差频相干检测）。其中，通过调整信号检测及采集模块10带通频率，只检测拍频信号中的差频量，滤除直流量和高频量。

通过终端11，对混合的拍频曲线进行FFT傅里叶变换，在频域上可得到4个分立的干涉峰，设置合适大小的窗分别圈中4个分立干涉峰，对窗内的数据进行反FFT变换，则变换后的曲线为每一路的时域干涉信号。对每一路的反FFT信号前后顺次拼接可得到从L1到L1+2ΔL长度范围内的待测链路回损。实现4倍于原白光干涉测量待测链路长度。

如图3所示，本发明频域复用原理示意。如图4所示是本发明实施例电控光纤延迟线的结构示意图，通过控制其电机转动，进而连续改变其内部反射镜位置，从而连续改变参考臂光程，通过在光路上人为控制使得每一路参考臂光程差刚好等于电控光纤延迟线延迟的量程，则可以把白光干涉测量链路信号的测量范围相较于单路干涉提高N倍。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种增加白光干涉测量链路长度的装置，其特征在于，包括：白光光源、第一光纤耦合器、光纤环形器、第一1×N分束器、第二1×N分束器、电控光纤延迟线、N个声光移频器、第二光纤耦合器、信号检测及采集模块和终端；

所述第一1×N分束器、N个声光移频器、第二1×N分束器和电控光纤延迟线构成参考臂；所述光纤环形器构成信号臂；

所述白光光源发出宽谱光，并经过所述第一光纤耦合器分成两路分别进入所述信号臂和所述参考臂；所述第一1×N分束器将进入所述参考臂的白光信号分成N路，每一路白光信号分别接入不同移频范围的声光移频器后，再经所述第二1×N分束器，把N路移频后的白光信号合到一路，进入所述电控光纤延迟线后输出到达所述第二光纤耦合器；进入所述信号臂的白光信号经所述光纤环形器进入到待测光纤DUT链路中，经待测光纤DUT链路实时返回的回波信号经所述光纤环形器另一端口输出到达所述第二光纤耦合器，所述信号臂信号和所述参考臂中不同频率的白光混合信号在所述第二光纤耦合器处形成拍频干涉；

所述信号检测及采集模块与所述第二光纤耦合器连接，用于将两路拍频干涉信号进行差频探测并采集数据；所述终端与所述信号检测及采集模块连接，用于将采集到的差频信号转化为待测光纤DUT链路的回损-位置曲线。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光纤耦合器输出的光，50%进入所述信号臂，50%进入所述参考臂。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤环形器通过接待测光纤DUT链路，用于分布式测量待测光纤DUT链路的回损。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述声光移频器用于通过电控声光调制技术把白光信号频率向上或者向下平移固定的频率Δf，每一路声光移频器平移的频率Δf不同。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电控光纤延迟线通过控制其电机转动，进而连续改变其内部反射镜位置，从而连续改变参考臂光程。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述终端，用于对采集到的差频信号作FFT变换，将同一时刻N路光信号发生的干涉在频域上区分出来，变成不同频率的分立干涉峰；再对频域上的干涉峰逐个进行反FFT变换，得到每一路的拍频信号；然后将每一路的拍频信号前后顺次拼接，得到N路信号所有的拍频曲线。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号检测及采集模块的通道数为单通道光信号检测。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电控光纤延迟线与所述信号检测及采集模块同步工作。

9.一种增加白光干涉测量链路长度的方法，其特征在于，包括：

白光光源发出的宽谱光通过第一光纤耦合器分成两路分别进入信号臂和参考臂；

参考臂中白光信号经过第一1×N分束器分成N路信号，每一路光信号分别接入不同移频范围的声光移频器后，再经第二1×N分束器，把光信号合到一路；

在第二1×N分束器后接入能够改变光纤链路光程的电控光纤延迟线；

信号臂中白光信号通过光纤环形器进入待测光纤DUT链路，从待测光纤DUT链路实时返回的回波信号与参考臂中不同频率的白光混合信号在第二光纤耦合器发生拍频干涉；

通过信号检测及采集模块对拍频信号进行差频探测，其差频大小为声光移频器移频大小Δf；

对检测到的差频信号作FFT变换，将差频信号在频域上变成不同频率的干涉峰，将同一时刻N路光信号发生的干涉在频域上区分出来，变成不同频率的分立干涉峰；

对频域上的干涉峰逐个进行反FFT变换，得到每一路的拍频信号，把每一路的拍频信号前后顺次拼接，得到N路信号前后加起来的总信号拍频曲线；

在光路上通过控制使得每一路参考臂光程差刚好等于电控光纤延迟线延迟的量程，以将白光干涉测量链路信号的测量范围相较于单路干涉提高N倍。

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