基于频率合成的光频域反射方法及系统技术方案

一种基于频率合成的光频域反射方法计及系统，通过将本地光经电光调制和声光调制后得到光脉冲，将其作为探测脉冲光信号输入测试光纤，将得到的瑞利背向散射光信号与本地光耦合拍频后进行光电转换并解调，从而实现光频率反射计，其中：电光调制采用单频信号进行调制，声光调制采用脉冲信号进行调制，并将电光调制得到的光梳信号的多个频率成分同时扫频，从而得到光脉冲；本发明专利技术探测距离大、空间分辨率高，并且硬件成本和软件复杂度低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及的是一种光传感领域的技术，具体是一种基于频率合成的光频域反射 计方法及系统。
技术介绍
自20世纪70年代W来，光纤通信技术凭借其超大传输带宽、超低传输损耗等诸多 优势得到了迅猛发展。与光纤通信技术同时期飞速发展的还有光纤传感技术。光纤传感技 术是指W光波为载体，W光纤为媒介，对外界物理信号（如溫度和应变)或者对光纤各参数 测量的技术。相比于传统的机械式或电磁式传感器，光纤传感器有着巨大的优势，比如不受 电磁干扰产生噪声、可W在强电磁环境下稳定地工作，光纤是电绝缘体不产生电火花，可W 在易燃易爆等危险场所工作，光纤传感器可W与光纤通信系统完美结合，实现超远距离的 传感，等等。 光反射计技术是光纤传感技术家族中的重要成员，它是一种利用光纤背向散射光 对光纤网络进行无损探测的一种技术，可W测量光纤长度、损耗、连接器、断裂等的分布情 况。目前最主要的一种光反射计技术是采用光脉冲探测的光时域反射计（Optical Time Domain Reflectmeter ,0TDR)技术。OTDR技术的优势在于光纤探测距离很长，一般可达上百 公里；系统结构简单，成本低廉，目前市面上已有商用产品。但由于0TDR技术的空间分辨率 (能够分辨两个相邻"事件点"的最小距离)取决于光脉冲的宽度，光脉冲越窄，空间分辨率 越高；而光脉冲受限于激光器性能和光纤非线性效应而无法做的很窄，因此0TDR技术的空 间分辨率差，运点限制了 0TDR技术的应用。 为了解决空间分辨率的问题，研究人员提出光频率域反射计(Optical Frequency Domain Reflectmeter，0FDR)技术。OFDR技术的空间分辨率取决于光源频率可调谐范围，只 要光源频率可调谐范围越大，理论空间分辨率越高。但0FDR技术也面临两个主要问题。其 一，0FDR技术的探测距离较短，最大探测距离一般不超过激光器相干距离的一半。有文献报 道利用辅助干设仪进行相位噪声补偿W提高探测距离，但运种技术的硬件复杂度高，相位噪声补偿算法复杂导致处理数据时间长，且无 法补偿环境因素引入的相位噪声。其二，光源频率可调谐范围有限，空间分辨率很难再提 高。有文献报道利用射频扫频信号源和单边带调制器对窄线宽激光器进行调制，得到大范 围的线性扫频光源，实现高空间分辨率，运种 方案现已成为外部调制的(FDR系统的主流选择。但是单边带调制器的缺点包括使用复杂、 价格昂贵、插入损耗大等，更严重的是无法完全抑制其他边带，实现单边带扫频，运严重影 响了扫频的性能，而且运种方案的扫频范围受限于射频扫频信号源的性能。因此寻找实现 高空间分辨率和长探测距离的光反射计十分必要。 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103763022A，公开日2014.4.30， 公开了一种基于高阶边带扫频调制的高空间分辨率光频域反射计系统，包括扫频光源部 分、测试光路部分、接收机及信号处理部分，所述的扫频光源部分使用窄线宽激光器作为原 始光源，出射光经过外部调制产生扫频的边带光信号。所述的外部调制过程中，扫频射频信 号通过高功率射频放大器放大，W高电压加载到半波电压较低的电光调制器，产生多阶的 边带，通过窄带光学滤波器滤波得到高阶的宽带扫频的光边带将高阶边带作为扫频载波光 源导入光路系统，采集背向散射和反射的光信号，通过本地的相干检测和信号处理，实现光 频域反射分析。但该技术硬件复杂度高，滤波效果受限于滤波器的性能，无法完全抑制其他 边带，严重影响了扫频性能；其余边带滤除后，光功率损耗极大，需使用高倍率的光放大器 放大，带来额外的相位噪声。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于频率合成的光频域反射方法 及系统，采用电光调制器和声光调制器产生多频率同时扫频的光脉冲信号，突破调制器性 能和射频扫频信号源性能的限制，获得线性度佳、频率单一、扫频范围大的光信号，提高空 间分辨率和探测距离，不增加系统的硬件成本和软件复杂度。 本专利技术是通过W下技术方案实现的： 本专利技术设及一种基于频率合成的光频域反射方法，通过将本地光经电光调制和声 光调制后得到光脉冲，将其作为探测脉冲光信号输入测试光纤，将得到的瑞利背向散射光 信号与本地光禪合拍频后进行光电转换并解调，从而实现光频率反射，其中：电光调制采用 单频信号进行调制，声光调制采用脉冲信号进行调制，并将电光调制得到的光梳信号的多 个频率成分同时扫频，从而得到光脉冲。 所述的本地光为窄线宽激光。 所述的脉冲信号为调嗽脉冲信号。 所述的光梳信号的频率间隔等于脉冲信号的扫频范围。 所述的电光调制是指:将高频正弦电信号W强度调制或相位调制方式调制到单频 光信号上，产生光频率梳信号。 所述的声光调制是指:通过脉冲信号对光梳信号进行调制，得到多频率扫频光脉 冲信号。 本专利技术设及一种基于频率合成的光频域反射系统，包括:参考光支路和与之同源 的调制光支路、禪合单元W及解调单元，其中：参考光支路和调制光支路的输出端均与禪合 单元相连，禪合单元的输出端与解调单元相连。 所述的参考光支路和调制光支路的输入端接收来自同一激光器的窄线宽激光，优 选为该激光器经过光纤禪合器，将窄线宽激光W99:l的分光比分别输出至调制光支路和参 考光支路。 所述的参考光支路上优选设有偏振控制器。 所述的调制光支路包括:依次串联的电光调制器、声光调制器、渗巧光纤放大器、 光环行器和测试光纤，其中：电光调制器通过单频信号进行调制产生光梳信号，输入声光调 制器的光梳信号经脉冲信号调制得到多频率扫频光脉冲信号，并经渗巧光纤放大器放大后 输出至光环行器和测试光纤，光环行器的反射端作为调制光支路的输出与禪合单元相连。 所述的电光调制器为电光强度调制器或电光相位调制器。 所述的禪合单元采用但不限于50:50光纤禪合器，其中：来自参考光支路的本地光 和光纤环形器输出的瑞利背向散射光在50:50光纤禪合器中禪合拍频。所述的解调单元包括:光电转换模块、数据采集卡和解调模块，其中：数据采集卡 采集经过光电转换模块转换后的电信号，由解调模块进行解调。 技术效果与现有技术相比，本专利技术技术效果包括： 1)采用声光调制器对窄线宽激光扫频，可获得更好的单边带扫频效果，没有其他 边带的干扰;并具备更低的插入损耗，使用简单，性能更稳定； 2)声光调制器对探测光切脉冲，可W有效地抑制激光相位噪声和环境对光相位的 影响，使得本系统的最大探测距离突破了相干距离限制，并且系统硬件成本和软件复杂度 并未增加； 3)采用多频率同时扫频并在数字域进行频率合成的方法，可W突破声光调制器和 射频扫频信号源的最大扫频范围的限制，成倍地提高系统的空间分辨率。【附图说明】 图1为本专利技术示意图； 图2为光脉冲信号的光频谱示意图； 图3为实施例输出的信号曲线图； 图4为实施例在测试光纤70km处FC/APC连接头的反射点在频率合成前后对比图； 图中：1为窄线宽光纤激光器，2为光纤禪合器，3为电光调制器，4为声光调制器，5 为渗巧光纤放大器，6为直流电压源，7为双通道任意波形发生器，8为光纤环形器，9为测试 光纤，10为直流偏置电压，11为单频正弦信号，12为扫频射频脉冲信号，13为触发和参考时 钟信号，14为偏振控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频率合成的光频域反射方法，其特征在于，通过将本地光经电光调制和声光调制后得到光脉冲，将其作为探测脉冲光信号输入测试光纤，将得到的瑞利背向散射光信号与本地光耦合拍频后进行光电转换并解调，从而实现光频率反射计，其中：电光调制采用单频信号进行调制，声光调制采用脉冲信号进行调制，并将电光调制得到的光梳信号的多个频率成分同时扫频，从而得到光脉冲。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何祖源，刘庆文，樊昕昱，陈典，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31