OFDR系统中不同测量长度的自适应补偿测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种OFDR系统中不同测量长度的自适应补偿测量方法，可以自适应校正激光器非线性调谐效应。自适应校正过程如下：首先测量出含有非线性信息的辅助干涉仪信号和主干涉仪信号，然后从辅助干涉仪信号提取出光源的非线性扫频曲线，根据需要测量的光纤反射点的不同位置，通过对扫频曲线进行相应的时移并与原扫频曲线作差，可以获取与不同位置相匹配的时延下的非线性扫频校正信号，从而可以对待测光纤不同位置的主干涉仪信号均进行最佳补偿，实现长距离、高空间分辨率的分布式光纤传感测量。感测量。感测量。

【技术实现步骤摘要】
OFDR系统中不同测量长度的自适应补偿测量方法


[0001]本专利技术涉及一种提高光频域反射计系统中测量范围和空间分辨率的方法，尤其涉及一种 OFDR系统中不同测量长度的自适应补偿测量方法，属于分布式光纤传感领域。

技术介绍

[0002]光频域反射计(Optical Frequency Domain Reflectometer,OFDR)是分布式光纤传感中一项重要技术，最早由Eickhoff等人提出并证明。随着OFDR技术的成熟，它逐渐被应用到温度、应变、振动以及电磁场等参数的测量。在光频域反射系统中，可调谐光源(TLS)输出光被分为两束，一束为参考光，另一束为探测光。来自待测光纤菲涅尔反射光和后向散射光与参考光发生拍频干涉，产生拍频信号。待测点位置和拍频频率存在一一对应关系，通过傅里叶变换对拍频信号进行处理，就可以得到待测光纤上待测光纤的沿线反射点位置信息。
[0003]由于激光器的非线性扫频，导致拍频信号经过傅里叶变换后得到的频谱展宽，无法准确恢复出待测信息。因此对可调谐光源的非线性补偿是至关重要的。目前常见的非线性补偿方法有两种：硬件补偿法和软件补偿法。两种方法都是在原有的光路基础上添加一个相似结构的干涉仪，即辅助干涉仪，原来的测量光路为主干涉仪。硬件补偿法是辅助干涉仪输出的拍频信号作为采集卡的触发信号，实现对主干涉仪信号的等光频间隔采样，从而实现非线性补偿，但是最大测量距离只有辅助干涉仪两臂光路差的一半。而软件补偿法通过辅助干涉仪输出的拍频信号提取出可调谐光源的非线性信息，从而实现对主干涉仪拍频信号的补偿。传统的软件补偿方法有一维插值法、NUFFT、基于时间尺度因子补偿法、去斜滤波器法以及相位噪声补偿法等。一维插值法、NUFFT、基于时间尺度因子补偿法虽然降低了系统对辅助干涉仪两臂光路差的要求，但随着测量距离的增大，仍对辅助干涉仪两臂光路差有一定要求，测量距离受限。去斜滤波器法适用于长距离的测量，但是当非线性较大时，补偿效果不佳。
[0004]目前传统方法存在着测量距离受辅助干涉仪延迟光纤长度制约、空间分辨率差、运算速度慢等问题，难以实现在不同测量距离下仍保持高空间分辨率、高运算速度的测量。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为了解决上述问题，本专利技术提供一种OFDR系统中不同测量长度的自适应补偿测量方法，并且提高了系统的空间分辨率。
[0006]技术方案：本专利技术提出一种OFDR系统，由可调谐激光器、第一耦合器、主干涉仪、辅助干涉仪、第一和第二探测器、第一和第二采集卡以及计算机构成；所述主干涉仪由第二耦合器、第三耦合器、环形器及待测光纤组成，所述辅助干涉仪由第四耦合器、第五耦合器、短延迟光纤、声光移频器AOM组成。
[0007]所述第一耦合器的输入端连接可调谐激光器，所述第一耦合器的第一输出端连接第二耦合器的输入端，第一耦合器的第二输出端连接第四耦合器的输入端；所述第二耦合
器的第一输出端连接环形器的第一端，第二耦合器的第二输出端连接第三耦合器的输入端，所述环形器的第二端连接第三耦合器的输入端，所述环形器的第三端连接待测光纤，所述第三耦合器的输出端连接第一探测器的输入端，所述第一探测器的输出端连接第一采集卡的输入端，第一采集卡的输出端连接计算机；所述第四耦合器的第一输出端连接第五耦合器的输入端，第四耦合器的第二输出端通过短延迟光纤连接AOM的输入端，所述AOM的输出端连接第五耦合器的输入端，所述第五耦合器的输出端连接第二探测器的输入端，所述第二探测器的输出端连接第二采集卡，所述第二采集卡的输出端连接计算机。
[0008]所述第一耦合器将可调谐激光器的输出分为两路，第一路进入主干涉仪后，经过第二耦合器分为探测光和参考光，探测光经过环形器注入待测光纤，待测光纤产生的后向瑞利散射光经过环形器进入第三耦合器，参考光直接进入第三耦合器与后向瑞利散射光发生拍频并产生第一拍频信号；第二路进入辅助干涉仪后，经过第四耦合器分为两束光，第一束光经过短延迟光纤和AOM后注入第五耦合器，第二束光直接注入第五耦合器与AOM的输出发生拍频并产生第二拍频信号；第一和第二拍频信分别经过第一和第二探测器转化为电信号，第一和第二采集卡分别对第一和第二探测器的输出进行采集，采集到的第一和第二信号输入计算机进行处理，以得到待测光纤的沿线反射点位置信息。
[0009]上述OFDR系统中不同测量长度的自适应补偿测量方法，包括以下步骤：
[0010]步骤一，测量在可调谐激光源非线性扫频影响下的辅助干涉仪拍频信号C(t)和主干涉仪拍频信号S(t)，其中辅助干涉仪短延迟光纤长度为L
c
，主干涉仪待测光纤长度为L
s
，分别对应两臂间时间延迟为τ
c
、τ
s
；
[0011]步骤二，求出辅助干涉仪拍频信号C(t)两两过零点之间的时间间隔，进而计算出拍频频率f
c
(t)；
[0012]步骤三，用步骤二中得到的拍频频率f
c
(t)，恢复出激光器的扫频速率γ(t)；
[0013]步骤四，将步骤三中得到的可调谐激光源的扫频速率γ(t)在时间上积分，得到激光器的扫频曲线ν(t)；
[0014]步骤五，将待测光纤分为N段，分别对每段按照以下方法进行补偿：；
[0015]步骤1，对待测光纤第i段，将扫频曲线ν(t)以该段中间位置L
i
产生的时延τ
i
进行平移得到ν(t
‑
τ
i
)；其中，i＝1,2,
…
,N，N为待测光纤的段数；
[0016]步骤2，将ν(t)和ν(t
‑
τ
i
)作差值，得到新的拍频频率f
ci
(t)；
[0017]步骤3，将新的拍频频率f
ci
(t)代入辅助干涉仪信号表达式，得到新的辅助干涉仪信号C
i
’
(t)；
[0018]步骤4，采用新的辅助干涉仪信号C
i
’
(t)来补偿主干涉仪信号S(t)，得到待测光纤第i段沿线反射点的位置信息。
[0019]具体地，所述步骤二具体包括：采集卡的采样率为f
s
，辅助干涉仪拍频信号相邻两个过零点之间点数间隔结果记成数组d，点数间隔乘以采样间隔1/f
s
得到相邻过零点之间的时间间隔d/f
s
。将时间间隔d/f
s
乘以2再求倒数得到辅助干涉仪的拍频频率，减去AOM产生的移频频率f
AOM
得到辅助干涉仪真正的瞬时拍频频率f
ci
(t)＝f
s
/2d
‑
f
AOM
。
[0020]具体地，所述步骤三中具体包括：辅助干涉仪拍频频率是通过对实际扫频曲线ν(t)进行时移τ
c
并与原扫频曲线作差得到，即f
c...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种OFDR系统，其特征在于，所述OFDR系统由可调谐激光器、第一耦合器、主干涉仪、辅助干涉仪、第一和第二探测器、第一和第二采集卡以及计算机构成；所述主干涉仪由第二耦合器、第三耦合器、环形器及待测光纤组成，所述辅助干涉仪由第四耦合器、第五耦合器、短延迟光纤、声光移频器AOM组成；所述第一耦合器的输入端连接可调谐激光器，所述第一耦合器的第一输出端连接第二耦合器的输入端，第一耦合器的第二输出端连接第四耦合器的输入端；所述第二耦合器的第一输出端连接环形器的第一端，第二耦合器的第二输出端连接第三耦合器的输入端，所述环形器的第二端连接第三耦合器的输入端，所述环形器的第三端连接待测光纤，所述第三耦合器的输出端连接第一探测器的输入端，所述第一探测器的输出端连接第一采集卡的输入端，第一采集卡的输出端连接计算机；所述第四耦合器的第一输出端连接第五耦合器的输入端，第四耦合器的第二输出端通过短延迟光纤连接AOM的输入端，所述AOM的输出端连接第五耦合器的输入端，所述第五耦合器的输出端连接第二探测器的输入端，所述第二探测器的输出端连接第二采集卡，所述第二采集卡的输出端连接计算机；所述第一耦合器将可调谐激光器的输出分为两路，第一路进入主干涉仪后，经过第二耦合器分为探测光和参考光，探测光经过环形器注入待测光纤，待测光纤产生的后向瑞利散射光经过环形器进入第三耦合器，参考光直接进入第三耦合器与后向瑞利散射光发生拍频并产生第一拍频信号；第二路进入辅助干涉仪后，经过第四耦合器分为两束光，第一束光经过短延迟光纤和AOM后注入第五耦合器，第二束光直接注入第五耦合器与AOM的输出发生拍频并产生第二拍频信号；第一和第二拍频信分别经过第一和第二探测器转化为电信号，第一和第二采集卡分别对第一和第二探测器的输出进行采集，采集到的第一和第二信号输入计算机进行处理，以得到待测光纤的沿线反射点位置信息。2.根据权利要求1所述的一种OFDR系统，其特征在于，所述短延迟光纤的长度小于待测光纤长度的一半。3.根据权利要求1或2所述的系统实现的不同测量长度的自适应补偿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，测量在可调谐激光源非线性扫频影响下的第二拍频信号C(t)和第一拍频信号S(t)；步骤二，求出第二拍频信号C(t)两两过零点之间的时间间隔，进而计算出拍频频率f
c
(t)；步骤三，用步骤二中得到的拍频频率f
c
(t)，恢复出可调谐激光源的扫频速率γ(t)；步骤四，将步骤三中得...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，孙莹，夏益华，陈强，张旭苹，张益昕，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：