CN112461276A - 一种减小ofdr光源非线性相位影响的***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小OFDR光源非线性相位影响的***及方法，属于分布式光纤传感技术领域。本发明解决了现有技术中光路复杂，参考光纤存在长度限制，外界扰动对不同扰动位置的光纤产生不同的噪声项，可调谐光源的非线性相位的补偿与测试光纤的长度有关的问题。本发明中的光路结构主要包括可调谐窄线宽扫频激光器、光纤环形器、偏振控制器、光耦合器、偏振分束器、光电平衡探测器、数据采集卡和信号处理***，本发明采用测试光纤作为辅助干涉仪的参考光纤，能够在OFDR***中实现长距离以及高空间分辨率的信号检测。

Description

一种减小OFDR光源非线性相位影响的***及方法
技术领域
本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种减小OFDR光源非线性相位影响的***及方法。
背景技术
分布式光纤传感技术基于光纤中光的干涉、瑞利散射等光学效应,利用光纤本身作为传感器,当光在光纤传输过程中受到加载在路径上的振动、应变、声音、温度变化、结构损伤等载荷的调制时,其在路径沿线不同空间分布和随时间变化的光信号也会产生相应变化。光频域反射(OFDR)作为一种先进的光学反射技术，与其他传感技术相比，有着高空间分辨率、大动态范围的优势。
在OFDR技术中，由于可调谐光源在线性调谐时的非线性调谐效应的客观存在，导致干涉仪中的拍频干涉信号在相同时间间隔下并不是相等光频间隔，因此不能直接对干涉仪中采集到的信号进行傅里叶变换。传统方法中消除光源非线性效应是利用一种非常典型的***结构，即搭建两个马赫-曾德尔干涉仪，一个为辅助干涉仪，其拍频信号是由本振臂光信号与测试臂中经过延迟光纤的光信号发生干涉产生的，通过监测干涉信号光强度的变化，可以得到相位信息随时间的变化；另一个则为主干涉仪，其拍频信号是由本振臂光信号与测试臂中经过延迟光纤的后向瑞利散射光信号发生干涉产生的，由于瑞利散射光信号中包含了整个延迟光纤中相位的信息，所以拍频干涉信号中的相位信息是整个延迟光纤中相位的叠加，无法直接从中得到光源非线性相位的信息。通过采集辅助干涉仪的干涉信号得到可调谐光源的非线性相位信息，将得到的非线性相位信息与主干涉仪得到的信号在时间上一一对应，利用算法对主干涉仪的信号进行补偿。
通过算法能实现等光频间隔的采样，可以非常有效的抑制***中由光源带来的非线性效应，有效提升拍频干涉信号的质量。然而这种***结构在进行等光频采样的同时，也是具有一定缺点的，即参考光纤和测试光纤是两条不同的光纤，由于不同光纤之间存在外界环境导致的不同的随机相位噪声，同时，参考光纤中得到的光源非线性相位信息是与距离有关的，其本身就相当于一个只有一个反射点的主干涉仪信号，当用参考光纤得到的相位信息对测试光纤进行补偿时，随着测试光纤与参考光纤距离的增大，补偿效果越差，所以用辅助干涉仪的拍频干涉信号来给主干涉仪的信号进行光源的非线性补偿存在一定的误差。
发明内容
本发明提供了一种减小OFDR光源非线性相位影响的***及方法，能够提高OFDR的空间分辨率，简化光路结构。
本发明所采用的技术方案是：一种减小OFDR光源非线性相位影响的***，包括OFDR光路***，还包括一个测试光纤，所述OFDR光源***至少包括光环形器和3dB光耦合器；所述测试光纤一端连接光环形器的输出端口2，一端连接3dB光耦合器的输入端口2。
进一步地，所述OFDR光路***包括可调谐窄线宽激光光源、主干涉仪、辅助干涉仪；所述主干涉仪包括光耦合器、光环形器、偏振控制器、测试光纤和3dB光耦合器，所述光耦合器的输出端口2与光环形器的输入端口1相连，所述光耦合器的输出端口3与偏振控制器相连接，所述光环形器的输出端口2与测试光纤相连，所述光环形器的输出端口3与3dB光耦合器的输入端口1相连，所述偏振控制器的输出端与3dB光耦合器的输入端口2相连；
所述辅助干涉仪包括光耦合器、光环形器、测试光纤和3dB光耦合器，所述光耦合器的输出端口3与3dB光耦合器的输入端口1相连，所述测试光纤与3dB光耦合器的输入端口2相连。
进一步地，所述OFDR光路***还包括偏振分束器，光电平衡探测器，数据采集卡和信号处理***，所述3dB光耦合器的输出端口3与偏振分束器的输入端口1相连，所述3dB光耦合器器的输出端口4与偏振分束器的输入端口1相连，所述偏振分束器的输出端口2与光电平衡探测器的输入端口1相连，所述偏振分束器的输出端口3与光电平衡探测器的输入端口2相连；所述偏振分束器的输出端口2与光电平衡探测器的输入端口1相连，所述偏振分束器的输出端口3与光电平衡探测器的输入端口2相连；
所述光耦合器的输出端口3与光电平衡探测器的输入端口1相连，所述光耦合器的输出端口4与光电平衡探测器的输入端口2相连，所述光电平衡探测器、光电平衡探测器和光电平衡探测器的输出端分别与数据采集卡相连，数据采集卡与信号处理***相连。
本发明还提供了一种减小OFDR光源非线性相位影响的方法：包括如下步骤：
步骤1：可调谐窄线宽激光光源发出的可调谐窄线激光经光耦合器分光后，一部分进入主干涉仪，另一部分光进入辅助干涉仪；
步骤2：进入主干涉仪的可调谐窄线激光经过光耦合器分光后，一部分光进入光环形器的输入端口1，从光环形器的输出端口2出来进入测试光纤，测试光纤中的后向瑞利散射光从2端口进入至光环形器的输出端口3到达3dB光耦合器，另一部分光则经过偏振控制器后到达3dB光耦合器，与从光环形器出来的光信号发生拍频干涉，得到拍频信号I1(t)；
拍频干涉后的光经过偏振分束器和偏振分束器后被分为P光和S光，分别被平衡探测器和平衡探测器探测；
步骤3：进入测试光纤的信号光通过测试光纤进入3dB光耦合器，与从光耦合器的输出端口3出来的光发生拍频干涉，辅助干涉仪输出的拍频信号为I2(t)，干涉光分成两束，随即被平衡探测器探测；
步骤4：平衡探测器将干涉光信号转化为电信号后传至数据采集卡，数据采集卡通过采样将模拟信号转化为数字信号传输给信号处理***进行处理。
进一步地，所述拍频信号I1(t)的具体公式为：
Figure BDA0002769652920000031
其中,E0是拍频光信号的振幅；R(τz)是光纤的反射系数；f0是光源的初始频率；γ是光源的可调谐速率；τz是测试光纤与本振臂光纤的时间延迟；其中
Figure BDA0002769652920000032
其中c是光在真空中的传播速度；n是光纤的有效折射率；z是测试光纤的长度；φ1(t)-φ1(t-τz)是光源自身非线性在主干涉仪中引起的相位噪声项；
Figure BDA0002769652920000034
是外部扰动对测试光纤的影响所引起的附加相位噪声。
进一步地，所述拍频信号I2(t)的具体公式为：
Figure BDA0002769652920000035
其中，E1是辅助干涉仪拍频光信号的振幅；φ2(t)-φ2(t-τz)是光源自身非线性在辅助干涉仪中引起的相位噪声项；
Figure BDA0002769652920000036
是外部扰动对辅助干涉仪延时光纤的影响所引起的附加相位噪声。
进一步地，所述扫频光源自身非线性在主干涉仪***中引起的相位噪声项φ1(t)-φ1(t-τz)等于所述扫频光源自身非线性在辅助干涉仪中引起的相位噪声项φ2(t)-φ2(t-τz)，外部扰动对测试光纤的影响所引起的附加相位噪声
Figure BDA0002769652920000037
等于外部扰动对辅助干涉仪延时光纤的影响所引起的附加相位噪声
Figure BDA0002769652920000038
进一步地，对辅助干涉仪中获取的拍频信号I2(t)所建立的方程进一步改写，建立方程：
Figure BDA0002769652920000033
其中，U0等同于I2(t)中的2E1 2，
Figure BDA0002769652920000041
等同于I2(t)中的
Figure BDA0002769652920000044
进一步地，对公式(3)进行Hilbert变换，即：
Figure BDA0002769652920000042
进一步地，根据公式(2)和公式(3)可得辅助干涉仪输出的拍频信号的相位延迟随时间的变化规律的公式：
Figure BDA0002769652920000043
进一步地，所述辅助干涉仪输出的相位与可调谐光信号在主干涉仪***中的测试光纤中不同位置产生的相位变化一一对应，通过对该相位随时间的变化进行补偿和非线性校正，使辅助干涉仪***拍频信号的相位变化实现线性输出；
主干涉仪输出信号的相位变化随时间或光纤位置呈线性关系，用于在频域中实现频谱压缩，提高***的空间分辨率。
进一步地，对相位随时间的变化进行补偿和非线性校正过程中，采用插值或去斜滤波算法。
有益效果
1、本发明中，由于干涉仪中的相位延迟正比于延时光纤的长度，用辅助干涉仪中的参考光纤得到的相位信息对主干涉仪中的测试光纤进行补偿时，随着测试光纤与参考光纤距离的增大，补偿效果就会越差，本发明将主干涉仪中的测试光纤代替辅助干涉仪中的参考光纤，更准确的反映出了测试光路中的相位噪声累积，有效减小了光源的非线性相位噪声和外界对光纤产生的随机相位噪声，提高了OFDR的空间分辨率。
2、本发明消除了传统辅助干涉仪中对延时光纤长度的要求，简化了光路结构。
附图说明
图1为本发明的***框架结构示意图。
图中：1a表示可调谐窄线宽激光光源；2a-3a均表示光耦合器；4a表示光环形器；5a表示偏振控制器；6a表示测试光纤；7a表示3dB光耦合器；8a-9a均表示偏振分束器；10表示3dB光耦合器；11-13均表示光电平衡探测器；14表示数据采集卡；15表示信号处理***。
具体实施方式
为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种减小OFDR光源非线性相位影响的***，还包括一个测试光纤6a，OFDR光源***至少包括光环形器4a和3dB光耦合器10；测试光纤6a一端连接光环形器4a的输出端口2，一端连接3dB光耦合器10的输入端口2。OFDR光路***包括可调谐窄线宽激光光源1a、光耦合器2a、主干涉仪和辅助干涉仪；主干涉仪包括光耦合器3a、光环形器4a、偏振控制器5a、测试光纤6a和3dB光耦合器7a，光耦合器3a的输出端口2与光环形器4a的输入端口1相连，光耦合器3a的输出端口3与偏振控制器5a相连接，光环形器4a的输出端口2与测试光纤6a相连，光环形器4a的输出端口3与3dB光耦合器7a的输入端口1相连，偏振控制器5a的输出端与3dB光耦合器7a的输入端口2相连；
辅助干涉仪包括光耦合器2a、光环形器4a、测试光纤6a和3dB光耦合器10，光耦合器2a的输出端口3与3dB光耦合器10的输入端口1相连，测试光纤6a与3dB光耦合器10的输入端口2相连。
本实施例的OFDR光路***还包括偏振分束器，光电平衡探测器，数据采集卡14和信号处理***15，3dB光耦合器7a的输出端口3与偏振分束器8a的输入端口1相连，3dB光耦合器7a的输出端口4与偏振分束器9a的输入端口1相连，偏振分束器8a的输出端口2与光电平衡探测器12的输入端口1相连，偏振分束器8的输出端口3与光电平衡探测器11的输入端口2相连；偏振分束器9a的输出端口2与光电平衡探测器11的输入端口1相连，偏振分束器9a的输出端口3与光电平衡探测器12的输入端口2相连；
3dB光耦合器10的输出端口3与光电平衡探测器13的输入端口1相连，3dB光耦合器10的输出端口4与光电平衡探测器13的输入端口2相连，光电平衡探测器12、光电平衡探测器11和光电平衡探测器12的输出端分别与数据采集卡14相连，数据采集卡14与信号处理***15相连。
本发明的主干涉仪和辅助干涉仪采用同一测试光纤，在实际工程应用中，无论用多长的光纤来测试，都能随时保证参考光纤和测试光纤的长度一致，同时，由于是同一根光纤，外界对它造成的干扰也是一致的，本发明消除了传统辅助干涉仪中对延时光纤长度的要求，简化了光路结构。
实施例2
基于实施例1的基础上，本发明还提供一种减小OFDR光源非线性相位影响的方法，包括如下步骤：
步骤1：可调谐窄线宽激光光源1a发出的可调谐窄线激光经光耦合器2a分光后，一部分进入主干涉仪，另一部分光进入辅助干涉仪；
步骤2：进入主干涉仪的可调谐窄线激光经过光耦合器3a分光后，一部分光进入光环形器4a的输入端口1，从光环形器4a的输出端口2出来进入测试光纤6a，测试光纤6a中的后向瑞利散射光从2端口进入至光环形器4a的输出端口3到达3dB光耦合器7a，另一部分光则经过偏振控制器5a后到达3dB光耦合器7a，与从光环形器4a出来的光信号发生拍频干涉，得到拍频信号I1(t)，拍频干涉后的光经过偏振分束器8a和偏振分束器9a后被分为P光和S光，分别被平衡探测器12和平衡探测器11探测；
拍频信号I1(t)的具体公式为：
Figure BDA0002769652920000061
其中,E0是拍频光信号的振幅；R(τz)是光纤的反射系数；f0是光源的初始频率；γ是光源的可调谐速率；τz是测试光纤与本振臂光纤的时间延迟；其中
Figure BDA0002769652920000062
其中c是光在真空中的传播速度；n是光纤的有效折射率；z是测试光纤的长度；φ1(t)-φ1(t-τz)是光源自身非线性在主干涉仪中引起的相位噪声项；
Figure BDA0002769652920000063
是外部扰动对测试光纤的影响所引起的附加相位噪声。
步骤3：进入测试光纤6a的信号光通过测试光纤6a进入3dB光耦合器10，与从光耦合器2a的输出端口3出来的光发生拍频干涉，得到拍频信号I2(t)，干涉光分成两束，随即被平衡探测器13探测；
拍频信号I2(t)的具体公式为：
Figure BDA0002769652920000064
其中，E1是辅助干涉仪拍频光信号的振幅；φ2(t)-φ2(t-τz)是光源自身非线性在辅助干涉仪中引起的相位噪声项；
Figure BDA0002769652920000065
是外部扰动对辅助干涉仪延时光纤的影响所引起的附加相位噪声。
步骤4：平衡探测器将干涉光信号转化为电信号后传至数据采集卡14，数据采集卡14通过采样将模拟信号转化为数字信号传输给信号处理***15处理。
扫频光源自身非线性在主干涉仪***中引起的相位噪声项φ1(t)-φ1(t-τz)等于扫频光源自身非线性在辅助干涉仪中引起的相位噪声项φ2(t)-φ2(t-τz)，外部扰动对测试光纤的影响所引起的附加相位噪声
Figure BDA0002769652920000066
等于外部扰动对辅助干涉仪延时光纤的影响所引起的附加相位噪声
Figure BDA0002769652920000067
对辅助干涉仪中获取的拍频信号I2(t)所建立的方程进一步改写，建立方程：
Figure BDA0002769652920000071
其中，U0等同于I2(t)中的2E1 2，
Figure BDA0002769652920000072
等同于I2(t)中的
Figure BDA0002769652920000073
其中，对公式(3)进行Hilbert变换，公式如下：
Figure BDA0002769652920000074
其中，根据公式(3)和公式(4)可得辅助干涉仪输出的拍频信号的相位延迟随时间的变化规律的公式：
Figure BDA0002769652920000075
辅助干涉仪输出的拍频信号的相位与可调谐光信号在主干涉仪***中的测试光纤中不同位置产生的相位变化一一对应，通过对该相位随时间的变化进行补偿和非线性校正，对相位随时间的变化进行补偿和非线性校正过程中，可以采用插值或去斜滤波等算法使辅助干涉仪***拍频信号的相位变化实现线性输出；主干涉仪输出信号的相位变化随时间或光纤位置呈线性关系，从而在频域中实现频谱压缩，提高***的空间分辨率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种减小OFDR光源非线性相位影响的***，包括OFDR光路***，其特征在于：还包括一个测试光纤(6a)，所述OFDR光路***至少包括光环形器(4a)和3dB光耦合器(10)；所述测试光纤(6a)一端连接光环形器(4a)的输出端口2，另一端连接3dB光耦合器(10)的输入端口2。
2.根据权利要求1所述的一种减小OFDR光源非线性相位影响的***，其特征在于：所述OFDR光路***包括可调谐窄线宽激光光源(1a)、光耦合器(2a)、主干涉仪和辅助干涉仪；
所述主干涉仪包括光耦合器(3a)、光环形器(4a)、偏振控制器(5a)、测试光纤(6a)和3dB光耦合器(7a)，所述光耦合器(3a)的输出端口2与光环形器(4a)的输入端口1相连，所述光耦合器(3a)的输出端口3与偏振控制器(5a)相连，所述光环形器(4a)的输出端口2与测试光纤(6a)相连，所述光环形器(4a)的输出端口3与3dB光耦合器(7a)的输入端口1相连，所述偏振控制器(5a)的输出端与3dB光耦合器(7a)的输入端口2相连；
所述辅助干涉仪包括光耦合器(2a)、光环形器(4a)、测试光纤(6a)和3dB光耦合器(10)，所述光耦合器(2a)的输出端口3与3dB光耦合器(10)的输入端口1相连，所述测试光纤(6a)与3dB光耦合器(10)的输入端口2相连。
3.根据权利要求1所述的一种减小OFDR光源非线性相位影响的***，其特征在于：所述OFDR光路***还包括偏振分束器，光电平衡探测器，数据采集卡(14)和信号处理***(15)；
所述3dB光耦合器(7a)的输出端口3与偏振分束器(8a)的输入端口1相连，所述3dB光耦合器(7a)的输出端口4与偏振分束器(9a)的输入端口1相连，所述偏振分束器(8a)的输出端口2与光电平衡探测器(12)的输入端口1相连，所述偏振分束器(8)的输出端口3与光电平衡探测器(11)的输入端口2相连；所述偏振分束器(9a)的输出端口2与光电平衡探测器(11)的输入端口1相连，所述偏振分束器(9a)的输出端口3与光电平衡探测器(12)的输入端口2相连；
所述3dB光耦合器(10)的输出端口3与光电平衡探测器(13)的输入端口1相连，所述3dB光耦合器(10)的输出端口4与光电平衡探测器(13)的输入端口2相连，所述光电平衡探测器(12)、光电平衡探测器(11)和光电平衡探测器(12)的输出端分别与数据采集卡(14)相连，数据采集卡(14)与信号处理***(15)相连。
4.一种减小OFDR光源非线性相位影响的方法，应用于权利要求1-3任意一项所述的一种减小OFDR光源非线性相位影响的***，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：可调谐窄线宽激光光源(1a)发出的可调谐窄线激光经光耦合器(2a)分光后，一部分进入主干涉仪，另一部分光进入辅助干涉仪；
步骤2：进入主干涉仪的可调谐窄线激光经过光耦合器(3a)分光后，一部分光进入光环形器(4a)的输入端口1，从光环形器(4a)的输出端口2出来进入测试光纤(6a)，测试光纤(6a)中的后向瑞利散射光从2端口进入至光环形器(4a)的输出端口3到达3dB光耦合器(7a)，另一部分光则经过偏振控制器(5a)后到达3dB光耦合器(7a)，与从光环形器(4a)出来的光信号发生拍频干涉，得到拍频信号I1(t)；
拍频干涉后的光经过偏振分束器(8a)和偏振分束器(9a)后被分为P光和S光，分别被平衡探测器(11)和平衡探测器(12)探测；
步骤3：进入测试光纤(6a)的信号光通过测试光纤(6a)进入3dB光耦合器(10)，与从光耦合器(2a)的输出端口3出来的光发生拍频干涉，得到拍频信号I2(t)，干涉光分成两束，随即被平衡探测器(13)探测；
步骤4：平衡探测器将干涉光信号转化为电信号后传至数据采集卡(14)，数据采集卡(14)通过采样将模拟信号转化为数字信号传输给信号处理***(15)处理。
5.根据权利要求4所述的一种减小OFDR光源非线性相位影响的方法，其特征在于：所述拍频信号I1(t)的具体公式为：
Figure FDA0002769652910000021
其中,E0是拍频光信号的振幅；R(τz)是光纤的反射系数；f0是光源的初始频率；γ是光源的可调谐速率；τz是测试光纤与本振臂光纤的时间延迟；其中
Figure FDA0002769652910000022
其中c是光在真空中的传播速度；n是光纤的有效折射率；z是测试光纤的长度；φ1(t)-φ1(t-τz)是光源自身非线性在主干涉仪中引起的相位噪声项；
Figure FDA0002769652910000023
是外部扰动对测试光纤的影响所引起的附加相位噪声。
6.根据权利要求4所述的一种减小OFDR光源非线性相位影响的方法，其特征在于：所述拍频信号I2(t)的具体公式为：
Figure FDA0002769652910000024
其中，E1是辅助干涉仪拍频光信号的振幅；φ2(t)-φ2(t-τz)是光源自身非线性在辅助干涉仪中引起的相位噪声项；
Figure FDA0002769652910000031
是外部扰动对辅助干涉仪延时光纤的影响所引起的附加相位噪声。
7.根据权利要求5或6所述的一种减小OFDR光源非线性相位影响的方法，其特征在于：所述扫频光源自身非线性在主干涉仪***中引起的相位噪声项φ1(t)-φ1(t-τz)等于所述扫频光源自身非线性在辅助干涉仪中引起的相位噪声项φ2(t)-φ2(t-τz)；
外部扰动对测试光纤的影响所引起的附加相位噪声
Figure FDA0002769652910000032
等于外部扰动对辅助干涉仪延时光纤的影响所引起的附加相位噪声
Figure FDA0002769652910000033
8.根据权利要求6所述的一种减小OFDR光源非线性相位影响的方法，其特征在于：对辅助干涉仪中获取的拍频信号I2(t)所建立的方程进一步改写，建立方程：
Figure FDA0002769652910000034
其中，U0等同于I2(t)中的2E1 2，
Figure FDA0002769652910000035
等同于I2(t)中的
Figure FDA0002769652910000036
其中，对公式(3)进行Hilbert变换，公式如下：
Figure FDA0002769652910000037
其中，根据公式(3)和公式(4)得到辅助干涉仪输出的拍频信号的相位延迟随时间的变化规律的公式：
Figure FDA0002769652910000038
9.根据权利要求8所述的一种减小OFDR光源非线性相位影响的方法，其特征在于：所述辅助干涉仪输出的拍频信号的相位与可调谐光信号在主干涉仪中的测试光纤中不同位置产生的相位变化一一对应，通过对该相位随时间的变化进行补偿和非线性校正，使辅助干涉仪拍频信号的相位变化实现线性输出；
主干涉仪输出信号的相位变化随时间或光纤位置呈线性关系，用于在频域中实现频谱压缩，提高***的空间分辨率。
10.根据权利要求9所述的一种减小OFDR光源非线性相位影响的方法，其特征在于：对相位随时间的变化进行补偿和非线性校正过程中，采用插值或去斜滤波算法。
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