CN117811649A - 一种光频域反射计中扫频干涉信号非线性补偿***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明光纤长度测量领域，具体涉及一种光频域反射计中扫频干涉信号非线性补偿***及方法，本申请基于高精度控温光纤光栅反馈的扫频干涉信号非线性补偿方法，实现对被测光纤链路的高精度长度测量，该非线性补偿方法可以使光频域反射计测量***具有更好的测量分辨率、测量精度以及测量稳定性。
Description
技术领域
本发明光纤长度测量领域，具体涉及一种光频域反射计中扫频干涉信号非线性补偿***及方法。
背景技术
光频域反射计是利用参考扫频光和被测光路反射的扫频光之间因时间差而产生的频率差来确定被测光纤链路的长度。为确保能够通过频域信息准确得到被测光纤链路的绝对长度信息，需要通过特定方式来解决光频域反射计测量过程中由于扫频激光器的非线性和干涉光信号经过光电转换后电噪声等原因引起的测量分辨率和测量精度降低等问题。
目前光频域反射计测量***中激光器非线性补偿关于硬件方法主要包括两种非线性补偿方法，其中一种硬件补偿方法是通过光锁相环将扫频的非线性误差信号反馈到输出激光器的扫频调制中，来实现对光学扫频非线性的抑制，但是该方法方案复杂、实现难度大、无法实现对激光器全调频范围非线性进行补偿。另一种硬件补偿方法是利用辅助干涉仪的信号直接当作采样信号对被测光纤链路的测量臂进行采样，这样可以获得一个等频率间隔的采样结果，从而补偿激光器的扫频非线性，该方法受采样定理的限制，必须采用较长光纤的辅助干涉仪，这样会导致光频域反射计测量***对环境变化非常敏感，同时也会增加后端采样***的数据处理时间和难度。
发明内容
本申请针对现有光频域反射计测量***中扫频激光器非线性补偿方法中存在的问题，提出了一种基于高精度控温光纤光栅反馈的扫频干涉信号非线性补偿方法，实现对被测光纤链路的高精度长度测量，该非线性补偿方法可以使光频域反射计测量***具有更好的测量分辨率、测量精度以及测量稳定性。其技术方案为，
一种光频域反射计中扫频干涉信号非线性补偿***，包括线性扫频光源、光纤耦合器一和控温光纤光栅模块；所述线性扫频光源输出光经过光纤耦合器一分别进入主干涉仪模块、辅助干涉仪模块和控温光纤光栅模块，
其中进入主干涉仪模块的一路光信号再进入光纤耦合器二中被分为两路进入主干涉仪的两条干涉臂，一路通过一个固定的反射镜一反射，另一路通过被测光纤的终端反射；两路反射光干涉后形成频率为两路反射光拍频的正弦信号，通过两个反射光的拍频就可测得被测光纤的长度；
进入辅助干涉仪模块的一路光信号也进入光纤耦合器三中被分为两路进入辅助干涉仪的两条干涉臂，一路通过一个固定的反射镜二反射，另一路通过标准光纤和固定反射镜三的终端反射，将辅助干涉仪的信号当作采样信号对主干涉仪进行采样，可以获得一个等频率间隔的采样结果，从而补偿激光器扫频的非线性；
经过光纤耦合器一输出的最后一路光信号进入控温光纤光栅模块，通过控温光纤光栅提供一个参考波长点，用于对线性扫频光源的波长信号进行在线标定和校正；
经过光纤耦合器二、耦合器三反射回来的光分别进入偏振分束相干探测模块中的分束器一、分束器二，再经过分束器一、分束器二分光后进入两个平衡探测器中进行光电转换，转换后的电信号进入信号处理模块对信号进行处理，最后处理后的信号再进入数据处理分析模块对信号进行分析、计算。
优选的，所述数据处理分析模块将处理后的数发送至瑞利散射信号处理***，瑞利散射信号处理***利用FFT将时域信号转换成频域信号，并将结果发送至瑞利散射信号修正***进行数据修正，瑞利散射信号修正***将修正后的数据反馈至数据处理分析模块，实现一个闭路反馈。
优选的，瑞利散射信号修正***通过全局和局部范围内的频谱分析算法来实现对频谱的细化处理，包括频移、滤波和降采样来实现对局部频谱的分析，从而实现到数据修正。
一种光频域反射计中扫频干涉信号非线性补偿方法，包括以下步骤：
S1.所述线性扫频光源输出光经过光纤耦合器一分别进入主干涉仪模块、辅助干涉仪模块和控温光纤光栅模块；
S2.进入主干涉仪模块的一路光信号再进入光纤耦合器二中被分为两路进入主干涉仪的两条干涉臂；一路通过一个固定的反射镜一反射，另一路通过被测光纤的终端反射；两路反射光干涉后形成频率为两路反射光拍频的正弦信号，通过两个反射光的拍频就可测得被测光纤的长度；
进入辅助干涉仪模块的一路光信号也进入光纤耦合器三中被分为两路进入辅助干涉仪的两条干涉臂，一路通过一个固定的反射镜二反射，另一路通过标准光纤和固定反射镜三的终端反射，将辅助干涉仪的信号当作采样信号对主干涉仪进行采样，这样就可以获得一个等频率间隔的采样结果，从而补偿激光器扫频的非线性；
经过光纤耦合器一输出的最后一路光信号进入控温光纤光栅模块，通过控温光纤光栅提供一个参考波长点，用于对线性扫频光源的波长信号进行在线标定和校正；
S3.经过光纤耦合器二、耦合器三反射回来的光分别进入偏振分束相干探测模块中的分束器一、分束器二，再经过分束器一、分束器二分光后进入两个平衡探测器中进行光电转换，转换后的电信号进入信号处理模块对信号进行处理，最后处理后的信号再进入数据处理分析模块对信号进行分析、计算。
与现有技术相比，本申请有益效果如下：
(1)通过一种基于高精度控温光纤光栅反馈的扫频干涉信号非线性补偿方法可以实现对干涉拍频信号非线性修正；
(2)通过高精度控温光纤光栅来实现对扫频激光器输出波长的实时修正，保证激光器输出波长的准确可靠，进而提高光频域反射计测量***的测量空间分辨率；
(3)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，同时使光频域反射计测量***基本环境变化的影响，提高了测量***的抗噪能力。
附图说明
图1为本申请原理图。
其中1-线性扫描光源，2-光纤耦合器一，3-光纤耦合器二，4-被测光纤，5-反射镜一；6-光纤耦合器三，7-控温光纤光栅，8-分束器一，9-分束器二，10-平衡探测器一，11-平衡探测器二，12-信号处理模块，13-数据处理分析***，14-瑞利散射信号处理***，15-瑞利散射信号修正***,16-反射镜二，17-发射镜三。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所采用的技术方案是利用扫频干涉的原理实现对被测光纤长度的测量，同时利用辅助干涉仪结合高精度控温光纤光栅的方式实现对扫频激光非线性的抑制。该装置主要包括线性扫频光源1、包含被测光纤的主干涉仪模块、偏振分束相干探测模块、扫频非线性抑制模块以及数据处理分析模块组成，其中主干涉仪模块包括光纤耦合器二3、反射镜一5以及被测光纤4，偏振分束相干探测模块包括分束器一8、分束器二9、平衡探测器一10、平衡探测器二11和信号处理模块12，扫频非线性抑制模块包括由光纤耦合器三6和反射镜二16、反射镜三17组成的辅助干涉仪以及高精度控温光纤光栅7，数据处理分析模块包括数据处理分析***13、瑞利散射信号处理***14和瑞利散射信号修正***15。本发明中的装置原理图如图1所示。
一种光频域反射计中扫频干涉信号非线性补偿补偿方法，包括以下步骤：
S1.所述线性扫频光源输出光经过光纤耦合器一分别进入主干涉仪模块、辅助干涉仪模块和高精度控温光纤光栅模块；
S2.进入主干涉仪模块的一路光信号再进入光纤耦合器二中被分为两路进入主干涉仪的两条干涉臂(测量臂、参考臂)；一路通过一个固定的反射镜一反射，另一路通过被测光纤的终端反射；由于存在光程差，两路反射光干涉后形成频率为两路反射光拍频的正弦信号，而拍频与两路反射光的光程差相关，通过两个反射光的拍频就可测得被测光纤的长度；
进入辅助干涉仪模块的一路光信号也进入光纤耦合器三中被分为两路进入辅助干涉仪的两条干涉臂(参考臂、测量臂)，一路通过一个固定的反射镜二反射，另一路通过标准光纤和固定反射镜三的终端反射，标准光纤的长度是经过专业计量机构标定后的标准值，将该辅助干涉仪的信号当作采样信号对主干涉仪进行采样，这样就可以获得一个等频率间隔的采样结果，从而补偿激光器扫频的非线性。
经过光纤耦合器一输出的最后一路光信号进入控温光纤光栅模块，通过控温光纤光栅提供一个准确可靠的参考波长点，用于对线性扫频光源的波长信号进行在线标定和校正；
S3.经过光纤耦合器二、耦合器三反射回来的光分别进入偏振分束相干探测模块中的分束器一、分束器二，再经过分束器一、分束器二分光后进入两个平衡探测器中进行光电转换，转换后的电信号进入信号处理模块对信号进行处理，最后处理后的信号再进入数据处理分析模块对信号进行分析、计算。
所述数据处理分析模块将处理后的数发送至瑞利散射信号处理***，瑞利散射信号处理***通过利用FFT将时域信号转换成频域信号，并将结果发送至瑞利散射信号修正***进行数据修正，瑞利散射信号修正***将修正后的数据反馈至数据处理分析模块，实现一个闭路反馈。
瑞利散射信号修正***通过全局和局部范围内的频谱分析算法来实现对频谱的细化处理，包括频移、滤波和降采样来实现对局部频谱的分析，不仅可以实现对数据的修正，还可以提高算法分析计算效率，大幅度减小信号占用内存资源。
上述依据本发明为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (4)
1.一种光频域反射计中扫频干涉信号非线性补偿***，其特征在于，包括线性扫频光源、光纤耦合器一和控温光纤光栅模块；所述线性扫频光源输出光经过光纤耦合器一分别进入主干涉仪模块、辅助干涉仪模块和控温光纤光栅模块，
其中进入主干涉仪模块的一路光信号再进入光纤耦合器二中被分为两路进入主干涉仪的两条干涉臂，一路通过一个固定的反射镜一反射，另一路通过被测光纤的终端反射；两路反射光干涉后形成频率为两路反射光拍频的正弦信号，通过两个反射光的拍频就可测得被测光纤的长度；
进入辅助干涉仪模块的一路光信号也进入光纤耦合器三中被分为两路进入辅助干涉仪的两条干涉臂，一路通过一个固定的反射镜二反射，另一路通过标准光纤和固定反射镜三的终端反射，将辅助干涉仪的信号当作采样信号对主干涉仪进行采样，可以获得一个等频率间隔的采样结果，从而补偿激光器扫频的非线性；
经过光纤耦合器一输出的最后一路光信号进入控温光纤光栅模块，通过控温光纤光栅提供一个参考波长点，用于对线性扫频光源的波长信号进行在线标定和校正；
经过光纤耦合器二、耦合器三反射回来的光分别进入偏振分束相干探测模块中的分束器一、分束器二，再经过分束器一、分束器二分光后进入两个平衡探测器中进行光电转换，转换后的电信号进入信号处理模块对信号进行处理，最后处理后的信号再进入数据处理分析模块对信号进行分析、计算。
2.根据权利要求1所述的一种光频域反射计中扫频干涉信号非线性补偿***，其特征在于，所述数据处理分析模块将处理后的数发送至瑞利散射信号处理***，瑞利散射信号处理***利用FFT将时域信号转换成频域信号，并将结果发送至瑞利散射信号修正***进行数据修正，瑞利散射信号修正***将修正后的数据反馈至数据处理分析模块，实现一个闭路反馈。
3.根据权利要求2所述的一种光频域反射计中扫频干涉信号非线性补偿***，其特征在于，瑞利散射信号修正***通过全局和局部范围内的频谱分析算法来实现对频谱的细化处理，包括频移、滤波和降采样来实现对局部频谱的分析，从而实现到数据修正。
4.采用如权利要求1-3任一所述***的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.所述线性扫频光源输出光经过光纤耦合器一分别进入主干涉仪模块、辅助干涉仪模块和控温光纤光栅模块；
S2.进入主干涉仪模块的一路光信号再进入光纤耦合器二中被分为两路进入主干涉仪的两条干涉臂；一路通过一个固定的反射镜一反射，另一路通过被测光纤的终端反射；两路反射光干涉后形成频率为两路反射光拍频的正弦信号，通过两个反射光的拍频就可测得被测光纤的长度；
进入辅助干涉仪模块的一路光信号也进入光纤耦合器三中被分为两路进入辅助干涉仪的两条干涉臂，一路通过一个固定的反射镜二反射，另一路通过标准光纤和固定反射镜三的终端反射，将辅助干涉仪的信号当作采样信号对主干涉仪进行采样，这样就可以获得一个等频率间隔的采样结果，从而补偿激光器扫频的非线性；
经过光纤耦合器一输出的最后一路光信号进入控温光纤光栅模块，通过控温光纤光栅提供一个参考波长点，用于对线性扫频光源的波长信号进行在线标定和校正；
S3.经过光纤耦合器二、耦合器三反射回来的光分别进入偏振分束相干探测模块中的分束器一、分束器二，再经过分束器一、分束器二分光后进入两个平衡探测器中进行光电转换，转换后的电信号进入信号处理模块对信号进行处理，最后处理后的信号再进入数据处理分析模块对信号进行分析、计算。
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