一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿系统及补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于光频域反射计(OFDR)的激光器非线性调谐效应补偿系统。首先在OFDR辅助干涉仪的一个干涉臂中接入声光频移器(AOM)对光波进行移频，增大辅助干涉仪的拍频信号频率。然后通过光电探测器将拍频信号转换为交流电信号，利用该信号的过零点作为参考点，校正主干涉仪的测量信号。校正过程包括求解过零点、计算两两过零点之间的频率间隔、消除AOM引入的附加频率、求校正系数以及横坐标校正五个步骤。将以上过程所得到的校正信号用于OFDR的探测，可有效克服光源非线性调谐效应的影响，提高OFDR的空间分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿系统及补偿方法
本专利技术属于分布式光纤传感领域，尤其涉及一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿系统及补偿方法。
技术介绍
光频域反射(OpticalFrequencyDomainReflectometer,OFDR)技术在1981年由Eickhoff等人首次提出。在过去几年中，OFDR因其高空间分辨率、高灵敏度等优势，在分布式光纤传感领域发挥了重要作用，主要应用领域包括温度传感、应变传感、形状传感等。在基本的OFDR中，可调谐激光器发出的扫频光分为两路，一路作为参考光，另一路进入待测光纤，反射或散射回来的光与参考光发生拍频，根据拍频信号的特性来检测待测光纤的特性。OFDR中最关键的器件是可调谐激光器，它的扫频特性决定了系统的空间分辨率。大多数激光器都存在非线性扫频的情况，所以需要通过软件或硬件方法来对其非线性进行校正，从而提高OFDR的空间分辨率。针对OFDR中可调谐激光器的非线性补偿问题，研究者们已经提出了很多方法，这些方法可以分为两类：硬件方法和软件方法。天津大学刘琨提出的硬件方法，利用辅助干涉仪输出的拍频信号作为数据采集卡的外时钟，触发对主干涉仪信号的采集，这样采集到的主干涉仪拍频信号是等光频间隔的(B.Feng,K.Liu,etal.OpticsCommunications,2016,363:74-79)。该方法简单，数据处理方便，但是受到奈奎斯特采样定理的限制，测量长度最长只有辅助干涉仪延迟光纤的1/4。丁振扬提出用去斜滤波器方法补偿激光器的非线性，实现了10km和80km的长度上20cm和1.6m的空间分辨率，该方法要求对非线性相位有很准确的估计(Z.Ding,T.Liu,etal.OpticsExpress,2013,21(3):3826–3834)。另一种方法是通过可调谐激光器的扫频曲线得到等光频间隔点，然后对主干涉仪信号重采样，Tae-JungAhn提出用希尔伯特变换方法从辅助干涉仪信号中提取激光器的扫频曲线，该方法使得系统空间分辨率达到3cm(T.J.Ahn,J.Lee,etal.AppliedOptics,2005,44(35):7630–7634)。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决上述问题，本专利技术提供一种用于光频域反射计的激光器非线性调谐效应补偿方法，从而降低激光器非线性扫频对OFDR空间分辨率的影响。技术方案：一种用于光频域反射计(OFDR)的激光器非线性调谐效应补偿系统，所述系统包括可调谐激光器、辅助干涉仪、主干涉仪、平衡探测器、数据采集卡和计算机六个部分，可调谐激光器发出的连续光通过第一耦合器(1)分为1：99的两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪，连续光经过第二耦合器(2)以50：50的比例分别进入参考路和延迟路，光在延迟路经过延迟光纤和声光频移器(AOM)，然后两路输出光在第四耦合器(4)中发生拍频，得到参考信号C；进入主干涉仪的光经第三耦合器(3)分为1：99的两路，分别称为参考光和测试光，测试光经环形器进入待测光纤，反射或散射回来的光与经过了延迟光纤的参考光在第第五耦合器(5)中发生拍频，得到测量信号S；辅助干涉仪输出的拍频信号C和主干涉仪输出的拍频信号S分别由第一平衡探测器(1)和第二平衡探测器(2)进行探测，然后由数据采集卡进行同步采集，最后用计算机进行数据处理。本专利技术还提出一种根据上述补偿系统实现的一种用于光频域反射计(OFDR)的激光器非线性调谐效应补偿方法，该方法包括如下步骤：步骤一，计算信号C的所有过零点的横坐标；步骤二，计算两两过零点的横坐标之差作为该段的时间长度，用采样率除以每段时间长度的2倍即可得到两两过零点之间的频率间隔；步骤三，将步骤二得到的频率间隔消除AOM引入的附加频率的影响，然后用此时的频率间隔计算校正系数；步骤四，用步骤三所求的校正系数对C所有的横坐标进行校正；步骤五，用校正后的坐标点对S进行一维线性插值重采样得到拍频信号S1；步骤六，对S1进行傅里叶变换转换到频域，根据拍频频率和位置之间一一对应的关系将频域转换到距离域，便可以得到待测光纤沿线反射点的位置信息。进一步的，所述步骤一中计算信号C的所有过零点的横坐标具体包括：当信号C的某过零位置恰好有采样点时，该采样点的坐标即过零点的横坐标，否则根据该过零位置左右两侧的采样点坐标，通过一维线性插值方法得到该过零点的横坐标。进一步的，所述步骤二，用采样率除以每段长度的2倍即可得到两两过零点之间的频率间隔，具体包括：两两过零点之间的横坐标之差代表该半个周期内采样点的数目，该数目除以采样率可以得到两两过零点之间的时间间隔，将该时间间隔乘2，再取倒数即为两两过零点之间的频率间隔。进一步的，所述步骤三，消除AOM引入的附加频率的影响是通过步骤二所得的两两过零点之间的频率减去AOM的频率实现的。进一步的，所述步骤三，计算校正系数具体包括：以过零点作为分界点将信号C分为多段，用所有两两过零点之间的频率间隔除以第一个过零点和第二个过零点之间的频率间隔，所得结果作为对应段的校正系数，并且第一段的校正系数设置为1。进一步的，所述步骤四，用步骤三所求的校正系数对信号C的横坐标进行校正具体包括：第一个点的横坐标为1，后面每个点新的横坐标等于前一个点的横坐标加上1乘以对应段的校正系数。有益技术效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益技术效果：降低对数据采集卡采样率的要求，提高了系统空间分辨率。用AOM产生移频时，只需要较短的延迟光纤就可以得到较高频率的拍频信号。当辅助干涉仪延迟光纤很长时，产生的频谱展宽严重，为了保证数据完整需要高采样率，而短延迟光纤对应的非线性较小，频谱展宽小，对数据采集卡的采样率要求降低。在同样的采样率下，用短延迟光纤加AOM比用长延迟光纤得到的空间分辨率高。提高了系统的最大可测量长度。如果要测量较长的距离，辅助干涉仪只用延迟光纤不加AOM则需要很长的光纤，会超出激光器相干长度，导致非线性补偿结果很差，而AOM可以产生移频，代替长距离的延迟光纤，有效增加了测量距离。附图说明图1是本专利技术系统的基本结构示意图；图中包含：可调谐激光器；第一耦合器1、第二耦合器2、第三耦合器3：1×2耦合器；第四耦合器4、第五耦合器5：2×2耦合器；声光频移器；第一平衡探测器1和第二平衡探测器2；环形器；延迟光纤；待测光纤；数据采集卡；计算机；图2是本专利技术所采用方法的流程图；图3是未经过处理的信号距离域图；图4是辅助干涉仪延迟路只用延迟光纤进行非线性补偿的结果；图5是辅助干涉仪延迟路用短光纤加40MHz的AOM移频进行非线性补偿的结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作详细说明：在OFDR中，所采用的光源是可调谐激光器，激光器发出的扫频光通过参考路和测量路后发生拍频，激光器线性扫频时，拍频频率与待测光纤位置之间是一一对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于光频域反射计(OFDR)的激光器非线性调谐效应补偿系统，其特征在于，所述系统包括可调谐激光器、辅助干涉仪、主干涉仪、平衡探测器、数据采集卡和计算机，可调谐激光器发出的连续光通过第一耦合器(1)分为1：99的两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪，进入辅助干涉仪的连续光经过第二耦合器(2)以50：50的比例分别进入参考路和延迟路，光在延迟路经过延迟光纤和声光频移器(AOM)，然后两路输出光在第四耦合器(4)中发生拍频，得到参考信号C；进入主干涉仪的光经第三耦合器(3)分为1：99的两路，分别称为参考光和测试光，测试光经环形器进入待测光纤，反射或散射回来的光与经过了延迟光纤的参考光在第第五耦合器(5)中发生拍频，得到测量信号S；辅助干涉仪输出的拍频信号C和主干涉仪输出的拍频信号S分别由第一平衡探测器(1)和第二平衡探测器(2)进行探测，由数据采集卡进行同步采集，最后用计算机进行数据处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于光频域反射计(OFDR)的激光器非线性调谐效应补偿系统，其特征在于，所述系统包括可调谐激光器、辅助干涉仪、主干涉仪、平衡探测器、数据采集卡和计算机，可调谐激光器发出的连续光通过第一耦合器(1)分为1：99的两路，分别进入辅助干涉仪和主干涉仪，进入辅助干涉仪的连续光经过第二耦合器(2)以50：50的比例分别进入参考路和延迟路，光在延迟路经过延迟光纤和声光频移器(AOM)，然后两路输出光在第四耦合器(4)中发生拍频，得到参考信号C；进入主干涉仪的光经第三耦合器(3)分为1：99的两路，分别称为参考光和测试光，测试光经环形器进入待测光纤，反射或散射回来的光与经过了延迟光纤的参考光在第第五耦合器(5)中发生拍频，得到测量信号S；辅助干涉仪输出的拍频信号C和主干涉仪输出的拍频信号S分别由第一平衡探测器(1)和第二平衡探测器(2)进行探测，由数据采集卡进行同步采集，最后用计算机进行数据处理。


2.根据权利要求1所述的补偿系统实现的一种用于光频域反射计(OFDR)的激光器非线性调谐效应补偿方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一，计算信号C的所有过零点的横坐标；
步骤二，计算两两过零点的横坐标之差作为该段的时间间隔，用采样率除以每段时间间隔的2倍即可得到两两过零点之间的频率间隔；
步骤三，将步骤二得到的频率间隔消除AOM引入的附加频率的影响，然后用此时的频率间隔计算校正系数；
步骤四，用步骤三所求的校正系数对C所有的横坐标进行校正；
步骤五，用校正后的坐标点对S进行一维线性插值重采样得到拍频信号S1；
步骤六，对S1进行傅里叶变换转换到频域，根据拍频频率和位置之间一一对应的关系将频域转换到距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，邢婧婧，章颖，张旭苹，张益昕，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32