CN115791090B - 一种提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***及方法，该提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***包括白光光源、前光纤耦合器、光纤环形器、电控光纤延迟线、波分复用器组件、后光纤耦合器组件以及信号探测与采集模块：所述光纤环形器与波分复用器组件的传输光路组成信号臂，所述电控光纤延迟线与波分复用器组件的另一传输光路组成参考臂，信号臂和参考臂的输出光在后光纤耦合器组件处发生拍频干涉。本发明在提升***测量灵敏度和稳定性的同时，基于光谱复用的特点，只使用单个宽谱光源，且只用一次扫描测试时间；单次扫描测试相当于对待测DUT重复测量N次，大大节约了***物料成本和时间成本，具有极佳的推广前景。

Description

一种提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***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；利用白光短相干长度，可实现光纤分布式回波信号的检测和故障点准确定位；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。

但因白光的低相干性，基于白光干涉测量弱信号的灵敏度不是特别高，对于某些使用场合灵敏度无法满足要求；如瑞利散射，微弱弯曲等超微弱信号的情况；这种情况引起的回损要远小于通常的APC连接头，且大多数光纤测量设备均无法测到如此低的光功率。

因此，当前亟待出现一种提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***或方法，可在现有白光干涉测量的弱信号上再大幅提升回波信号检测能力；同时，解决了待测DUT偏振态随机造成的回损测不准的情况，能够解决很多苛刻的使用条件，使之测量信号更加精准和稳定，适用面更广。

发明内容

为了克服现有技术中相关产品的不足，本发明提出一种提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***或方法，以解决针对白光干涉方式测量链路分布式回损灵敏度不高的方案，提升超微小光信号的检测能力并提高测量结果的偏振稳定性。

本发明提供了一种提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***，包括：白光光源、前光纤耦合器、光纤环形器、电控光纤延迟线、波分复用器组件、后光纤耦合器组件以及信号探测与采集模块；所述白光光源和第一光纤耦合器的输入端连接，所述第一光纤耦合器的第一输出端以及第二输出端分两路分别连接光纤环形器的第一端口以及电控光纤延迟线的输入端；所述光纤环形器的第二端口与待测光纤DUT链路连接，所述光纤环形器的第三端口与波分复用器组件连接；所述电控光纤延迟线的输出端与所述波分复用器组件连接；所述波分复用器组件、后光纤耦合器组件以及信号探测与采集模块依次连接；所述光纤环形器与波分复用器组件的传输光路组成信号臂，所述电控光纤延迟线与波分复用器组件的另一传输光路组成参考臂，信号臂和参考臂的输出光在后光纤耦合器组件处发生拍频干涉。

在本发明的某些实施方式中，所述波分复用器组件包括多组依次串联的波分复用器。

在本发明的某些实施方式中，所述后光纤耦合器组件包括多组并联的光纤耦合器，且所述光纤耦合器的设置数量与所述波分复用器组件内的波分复用器的设置数量一一对应。

在本发明的某些实施方式中，所述波分复用器组件包括三组依次串联的波分复用器，如第一波分复用器、第二波分复用器以及第三波分复用器，相应的，所述后光纤耦合器组件包含三组并联的光纤耦合器，即第一后光纤耦合器、第二后光纤耦合器以及第三后光纤耦合器，所述第一波分复用器、第二波分复用器以及第三波分复用器的波长和带宽均不相同，三者分别对应在第一后光纤耦合器、第二后光纤耦合器以及第三后光纤耦合器处发生拍频干涉。

在本发明的某些实施方式中，所述光纤环形器的第三端口以及电控光纤延迟线的输出端分别与所述第一波分复用器的输入端连接；所述第一波分复用器的第一输出端和第二输出端分别连接所述第一后光纤耦合器，所述第一波分复用器的第三输出端连接第二波分复用器的输入端；所述第二波分复用器的第一输出端和第二输出端分别连接所述第二后光纤耦合器，所述第二波分复用器的第三输出端连接第三波分复用器的输入端；所述第三波分复用器的第一输出端和第二输出端分别连接所述第三后光纤耦合器；所述第一后光纤耦合器、第二后光纤耦合器以及第三后光纤耦合器的输出端分别连接所述信号探测与采集模块。

在本发明的某些实施方式中，所述前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。

本发明还提供一种提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的方法，应用于上述任一项所述的提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***，包括如下步骤：

白光光源发出的宽谱光通过前光纤耦合器分成两路分别进入信号臂和参考臂，其中，光纤环形器与波分复用器组件的传输光路组成信号臂，电控光纤延迟线与波分复用器组件的另一传输光路组成参考臂，信号臂和参考臂在的输出光在后光纤耦合器组件处发生拍频干涉，所述波分复用器组件包括多组依次串联的波分复用器，所述后光纤耦合器组件包括多组并联的光纤耦合器，且所述光纤耦合器的设置数量与所述波分复用器组件内的波分复用器的设置数量一一对应；

参考臂中白光信号接入能够改变光纤链路光程的电控光纤延迟线，电控光纤延迟线的输出端接入波分复用器组件，滤波后的白光进入后光纤耦合器组件；

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连接波分复用器组件，滤波后的光信号进入后光纤耦合器组件；

通过信号探测与采集模块对后光纤耦合器组件出来的拍频信号进行探测，最终的N组干涉曲线全部叠加取平均得到最终事件点的回波信号曲线。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

本发明实施例所述提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***基于光谱复用的特点，一个宽谱白光源通过多个不同中心波长不同带宽的波分复用器分割光谱，不同波长的白光分别独立进行干涉，相当于同一个事件点DUT单次扫描实现多次测量，提升了信号高度抑制噪声厚度，即提升***信噪比；另一方面，光谱复用后，由于光谱带宽变窄，相干长度变长，单位时间内信号干涉时间也将变长，有用的干涉信号占比更大，经数据处理变化后，峰值变高，同样提高了***测量链路弱信号的能力；对于同一DUT，其经过不同长度的单模光纤光程后，偏振态随机变化，多个不同偏振态干涉的结果平均后大幅减弱了单次干涉的不确定性，使***测量信号结果更加准确和稳定；综上所述，本发明在提升***测量灵敏度和稳定性的同时，只使用单个宽谱光源，且只用一次扫描测试时间；单次扫描测试相当于对待测DUT重复测量N次，大大节约了***物料成本和时间成本，具有极佳的推广前景。

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，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明所述提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***的原理结构示意图；

图2为本发明实施例 3个波分复用器光谱复用示意图；

图3为本发明干涉时间长短与干涉峰高低关系示意图；

图4为本发明实施例叠加平均处理后曲线峰值提高噪声减弱示意图；

图5为不同偏振态夹角对应干涉后峰值高低示意图。

附图标记说明：

1、白光光源；2、前光纤耦合器；3、光纤环形器；4、电控光纤延迟线；5、第一波分复用器；6、第二波分复用器；7、第三波分复用器；8、第一后光纤耦合器；9、第二后光纤耦合器；10、第三后光纤耦合器；11、信号探测与采集模块；12、待测光纤DUT链路；13、信号臂；14、参考臂。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，附图中给出了本发明的较佳实施例；本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

参阅图1所示，所述提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***包括白光光源1、前光纤耦合器2、光纤环形器3、电控光纤延迟线4、波分复用器组件、后光纤耦合器组件以及信号探测与采集模块11；所述白光光源1和第一光纤耦合器的输入端连接，所述第一光纤耦合器的第一输出端以及第二输出端分两路分别连接光纤环形器3的第一端口以及电控光纤延迟线4的输入端；所述光纤环形器3的第二端口与待测光纤DUT链路12连接，所述光纤环形器3通过接待测光纤DUT链路12，用于测量待测光纤DUT链路12的回波信号，所述光纤环形器3的第三端口与波分复用器组件连接；所述电控光纤延迟线4的输出端与所述波分复用器组件连接；所述波分复用器组件、后光纤耦合器组件以及信号探测与采集模块11依次连接；所述光纤环形器3与波分复用器组件的传输光路组成信号臂13，所述电控光纤延迟线4与波分复用器组件的另一传输光路组成参考臂14，所述前光纤耦合器2输出的光，50%进入所述信号臂13，50%进入所述参考臂14，信号臂13和参考臂14的输出光在后光纤耦合器组件处发生拍频干涉。

所述波分复用器组件包括多组依次串联的波分复用器，所述后光纤耦合器组件包括多组并联的光纤耦合器，且所述光纤耦合器的设置数量与所述波分复用器组件内的波分复用器的设置数量一一对应。

例如，在本发明实施例中，所述波分复用器组件包括三组依次串联的波分复用器，如第一波分复用器5、第二波分复用器6以及第三波分复用器7，相应的，所述后光纤耦合器组件包含三组并联的光纤耦合器，即第一后光纤耦合器8、第二后光纤耦合器9以及第三后光纤耦合器10，所述第一波分复用器5、第二波分复用器6以及第三波分复用器7的波长和带宽均不相同，三者分别对应在第一后光纤耦合器8、第二后光纤耦合器9以及第三后光纤耦合器10处发生拍频干涉。

其中，所述光纤环形器3的第三端口以及电控光纤延迟线44的输出端分别与所述第一波分复用器5的输入端连接；所述第一波分复用器5的第一输出端（信号臂13输出）和第二输出端（参考臂14输出）分别连接所述第一后光纤耦合器8，所述第一波分复用器5的第三输出端连接第二波分复用器6的输入端；所述第二波分复用器6的第一输出端（信号臂13输出）和第二输出端（参考臂14输出）分别连接所述第二后光纤耦合器9，所述第二波分复用器6的第三输出端连接第三波分复用器7的输入端；所述第三波分复用器7的第一输出端（信号臂13输出）和第二输出端（参考臂14输出）分别连接所述第三后光纤耦合器10；所述第一后光纤耦合器8、第二后光纤耦合器9以及第三后光纤耦合器10的输出端分别连接所述信号探测与采集模块11；在本发明的其他实施方式中，根据实际的需求，所述波分复用器组件内置的波分复用器以及后光纤耦合器的设置数量也可以是其他的复数，例如，四组、五组等，本发明对此并无限制。

本发明实施例所述提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***具体工作原理如下：

如图1所示，以3组波分复用器为例，白光光源1的相干长度可用如下公式表示

，因每组干涉数据均来自同一个白光光源1，3组波分复用器对应的中心波长λ近似相同；而带宽∆λ是成倍的缩小，则***干涉的相干长度决定于第一波分复用器5、第二波分复用器6以及第三波分复用器7相应的滤波带宽；原光谱分割后，带宽大幅减小，其相干长度将增加；相干长度增加，干涉后的正弦信号个数将大幅变多，相对干涉信号占比也将提高，最终提高干涉曲线的信噪比；相同大小的回波信号，干涉峰值越高，可测量微弱信号能力越强，灵敏度越高。

结合图2-3所示，第一后光纤耦合器8、第二后光纤耦合器9以及第三后光纤耦合器10，输出3组不同波长和带宽光源的干涉曲线，通过调整信号臂13和参考臂14的光纤长度，使同一段待测光纤DUT链路12返回的信号臂13光程刚好等于电控光纤延迟线4扫描全程走过的参考臂14光程（因白光相干长度短，可以认为光程相等才能发生干涉）；假设电控光纤延迟线4的扫描量程为S，则信号臂13可测量长度为S/2；3组复用的光源干涉曲线均为同一段DUT测量曲线，相当于对同一段DUT测量得到3次结果；通过多通道的信号探测与采集模块11对3次独立测量结果进行探测采集，并做相加后取平均值，平均后的曲线作为最终测量结果。

根据统计学原理，噪声随机分布，多次叠加后平均一定程度上会消除噪声水平，而干涉信号为接近高斯分布的峰，多次平均后是得到一个平均高度，综合处理后变相的增加了峰值高度削弱了噪声水平；综合以上两个增加峰值高度的有益效果，最终实现提高***测量超微弱信号的能力，大幅提升***测量灵敏度。

同时，待测光纤DUT链路12返回的光信号经过每个波分复用器后，偏振态随机变化（光纤弯曲，光程长短均会导致偏振态变化），那么每组干涉拍频信号的两条臂偏振态夹角随机，干涉后的峰值曲线就是不稳定的，当其夹角为0度或者180度时，峰值最大，相互垂直时最小（几乎看不到峰）；而多个干涉链路则很好削弱了偏振态对回损信号测量的影响；第一波分复用器5、第二波分复用器6以及第三波分复用器7中，每个波分复用器对应的光纤长度，弯曲程度均不一样，对应相关参考臂14和信号臂13的偏振均不同，随机变化；多次高低不同的干涉峰平均后，大幅减弱了单次测量因偏振态的随机性造成的测量结果不准确性和稳定性。

具体来说，白光光源1发出的宽谱光通过前光纤耦合器2分成两路分别进入信号臂13和参考臂14。

参考臂14中白光信号接入能够改变光纤链路光程的电控光纤延迟线4；电控光纤延迟线4输出接入带宽为∆λ1，中心波长λ1的波分复用器，滤波后的白光进入后光纤耦合器组件。

信号臂13中白光信号通过光纤环形器3进入待测光纤DUT链路12，从待测光纤DUT链路12实时返回的回波信号同样连接带宽为∆λ1，中心波长λ1波分复用器，滤波后的光信号进入后光纤耦合器组件。

通过信号探测与采集模块11对后光纤耦合器组件出来的拍频信号进行探测，

按照以上波分复用器的连接方法，在第一组带宽∆λ1、中心波长λ1波分复用器后串联滤波带宽为∆λ2、中心波长λ2的波分复用器；并用光纤耦合器合波输出，被信号检测和采集模块探测和处理，同样的连接方式，可串联N组不同带宽和中心波长的波分复用器；光源复用的组数越多，最终干涉数据组数越多，数据处理后测量信号灵敏度越高且偏振稳定性越好。

如图4所示，为多次测量结果曲线，叠加后取平均，效果示意图。

如图5所示，为不同偏振态夹角对应干涉后峰值高低示意图。

本发明实施例所述提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***基于光谱复用的特点，一个宽谱白光源通过多个不同中心波长不同带宽的波分复用器分割光谱，不同波长的白光分别独立进行干涉，相当于同一个事件点DUT单次扫描实现多次测量，提升了信号高度抑制噪声厚度，即提升***信噪比；另一方面，光谱复用后，由于光谱带宽变窄，相干长度变长，单位时间内信号干涉时间也将变长，有用的干涉信号占比更大，经数据处理变化后，峰值变高，同样提高了***测量链路弱信号的能力；对于同一DUT，其经过不同长度的单模光纤光程后，偏振态随机变化，多个不同偏振态干涉的结果平均后大幅减弱了单次干涉的不确定性，使***测量信号结果更加准确和稳定；综上所述，本发明在提升***测量灵敏度和稳定性的同时，只使用单个宽谱光源，且只用一次扫描测试时间；单次扫描测试相当于对待测DUT重复测量N次，大大节约了***物料成本和时间成本，具有极佳的推广前景。

在上述实施例的基础上，本发明还提出了一种提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的方法，包括如下步骤：

白光光源1发出的宽谱光通过前光纤耦合器2分成两路分别进入信号臂13和参考臂14，其中，光纤环形器3与波分复用器组件的传输光路组成信号臂13，电控光纤延迟线4与波分复用器组件的另一传输光路组成参考臂14，信号臂13和参考臂14在的输出光在后光纤耦合器组件处发生拍频干涉，所述波分复用器组件包括多组依次串联的波分复用器，所述后光纤耦合器组件包括多组并联的光纤耦合器，且所述光纤耦合器的设置数量与所述波分复用器组件内的波分复用器的设置数量一一对应；

参考臂14中白光信号接入能够改变光纤链路光程的电控光纤延迟线4，电控光纤延迟线4的输出端接入波分复用器组件，滤波后的白光进入后光纤耦合器组件；

信号臂13中白光信号通过光纤环形器3进入待测光纤DUT链路12，从待测光纤DUT链路12实时返回的回波信号连接波分复用器组件，滤波后的光信号进入后光纤耦合器组件；

通过信号探测与采集模块11对后光纤耦合器组件出来的拍频信号进行探测，最终的N组干涉曲线全部叠加取平均得到最终事件点的回波信号曲线。

上述实施例所述的提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***可执行本发明实施例所提供的提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的方法，所述提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的方法具备上述实施例所述提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***相应的功能部件以及有益效果，具体请参阅上述提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***的实施例，本发明实施例在此不再赘述。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术；以上仅为本发明的实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换；凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***，其特征在于，包括：白光光源（1）、前光纤耦合器（2）、光纤环形器（3）、电控光纤延迟线（4）、波分复用器组件、后光纤耦合器组件以及信号探测与采集模块（11）；所述白光光源（1）和第一光纤耦合器的输入端连接，所述第一光纤耦合器的第一输出端以及第二输出端分两路分别连接光纤环形器（3）的第一端口以及电控光纤延迟线（4）的输入端；所述光纤环形器（3）的第二端口与待测光纤DUT链路（12）连接，所述光纤环形器（3）的第三端口与波分复用器组件连接；所述电控光纤延迟线（4）的输出端与所述波分复用器组件连接；所述波分复用器组件、后光纤耦合器组件以及信号探测与采集模块（11）依次连接；所述光纤环形器（3）与波分复用器组件的传输光路组成信号臂（13），所述电控光纤延迟线（4）与波分复用器组件的另一传输光路组成参考臂（14），信号臂（13）和参考臂（14）的输出光在后光纤耦合器组件处发生拍频干涉；所述波分复用器组件包括多组依次串联的波分复用器；所述后光纤耦合器组件包括多组并联的光纤耦合器，且所述光纤耦合器的设置数量与所述波分复用器组件内的波分复用器的设置数量一一对应。

2.根据权利要求1所述的提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***，其特征在于：所述波分复用器组件包括三组依次串联的波分复用器，即第一波分复用器（5）、第二波分复用器（6）以及第三波分复用器（7），相应的，所述后光纤耦合器组件包含三组并联的光纤耦合器，即第一后光纤耦合器（8）、第二后光纤耦合器（9）以及第三后光纤耦合器（10），所述第一波分复用器（5）、第二波分复用器（6）以及第三波分复用器（7）的波长和带宽均不相同，三者分别对应在第一后光纤耦合器（8）、第二后光纤耦合器（9）以及第三后光纤耦合器（10）处发生拍频干涉。

3.根据权利要求2所述的提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***，其特征在于：所述光纤环形器（3）的第三端口以及电控光纤延迟线（4）的输出端分别与所述第一波分复用器（5）的输入端连接；所述第一波分复用器（5）的第一输出端和第二输出端分别连接所述第一后光纤耦合器（8），所述第一波分复用器（5）的第三输出端连接第二波分复用器（6）的输入端；所述第二波分复用器（6）的第一输出端和第二输出端分别连接所述第二后光纤耦合器（9），所述第二波分复用器（6）的第三输出端连接第三波分复用器（7）的输入端；所述第三波分复用器（7）的第一输出端和第二输出端分别连接所述第三后光纤耦合器（10）；所述第一后光纤耦合器（8）、第二后光纤耦合器（9）以及第三后光纤耦合器（10）的输出端分别连接所述信号探测与采集模块（11）。

4.根据权利要求1所述的提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***，其特征在于：所述前光纤耦合器（2）输出的光，50%进入所述信号臂（13），50%进入所述参考臂（14）。

5.一种提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的方法，应用于权利要求1-4任一项所述的提高信号测量灵敏度及偏振稳定性的***，其特征在于，包括如下步骤：

白光光源（1）发出的宽谱光通过前光纤耦合器（2）分成两路分别进入信号臂（13）和参考臂（14），其中，光纤环形器（3）与波分复用器组件的传输光路组成信号臂（13），电控光纤延迟线（4）与波分复用器组件的另一传输光路组成参考臂（14），信号臂（13）和参考臂（14）在的输出光在后光纤耦合器组件处发生拍频干涉，所述波分复用器组件包括多组依次串联的波分复用器，所述后光纤耦合器组件包括多组并联的光纤耦合器，且所述光纤耦合器的设置数量与所述波分复用器组件内的波分复用器的设置数量一一对应；

参考臂（14）中白光信号接入能够改变光纤链路光程的电控光纤延迟线（4），电控光纤延迟线（4）的输出端接入波分复用器组件，滤波后的白光进入后光纤耦合器组件；

信号臂（13）中白光信号通过光纤环形器（3）进入待测光纤DUT链路（12），从待测光纤DUT链路（12）实时返回的回波信号连接波分复用器组件，滤波后的光信号进入后光纤耦合器组件；

通过信号探测与采集模块（11）对后光纤耦合器组件出来的拍频信号进行探测，最终的N组干涉曲线全部叠加取平均得到最终事件点的回波信号曲线。

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