一种基于周期性相位噪声估计的光频域反射解调方法技术

本发明专利技术公开了一种基于周期性相位噪声估计的光频域反射解调方法，所述方法在光频域反射计装置中构建参考干涉仪，通过对参考干涉仪信号中的非线性相位进行移动滑动平均滤波，滤除随机噪声并抑制微分操作中随机噪声的放大效应，通过三阶泰勒展开精确估计光源周期性相位噪声，再使用去斜滤波器逐步补偿待测信号中与距离无关以及与距离相关的相位噪声。该方法提高了光源相位噪声中周期性成分的估计精度，有效抑制光源相位噪声对信号的影响，在增长测量距离的同时能够保持高空间分辨率，可广泛应用于高精度分布式光纤传感等领域。用于高精度分布式光纤传感等领域。用于高精度分布式光纤传感等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于周期性相位噪声估计的光频域反射解调方法


[0001]本专利技术属于分布式光纤测试与传感
，涉及一种光频域反射解调方法，具体涉及一种基于周期性相位噪声估计的光频域反射解调方法。

技术介绍

[0002]分布式光纤测量和传感技术具有高精度、分布式测量的特点，广泛应用于桥梁和大坝等民用基础设施的结构健康监测、油气管道监测、动态测量以及光纤器件特征测量等领域。其中光频域反射计(OFDR)因具有高空间分辨率、高灵敏度等优势越来越受到人们的关注。光频域反射计采用可调谐激光器作为光源，频率随时间线性变化的输出光分为两路，一路作为参考光，另一路注入待测光纤，反射或散射回来的光与参考光发生拍频，通过探测不同的拍频信号，测量待测光纤特性。但激光器中的扫频非线性与相位噪声会使空间分辨率恶化，限制系统测量距离，严重影响OFDR系统性能。
[0003]针对OFDR中非线性相位补偿问题，2005年Soller B等人采用频率采样方法，利用辅助反射仪输出的拍频信号作为数据采集卡的外部时钟，实现了主干涉仪信号的等光频采样，在35m的测量距离上达到了22μm的空间分辨率(Brian,Soller,Dawn,et al.High resolution optical frequency domain reflectometry for characterization of components and assemblies.[J].Optics express,2005.)。但是为了满足奈奎斯特定理，这种方法的测量距离只能为参考干涉仪两臂臂长差的一半。为了增长测量距离，南京大学张旭苹等人使用过零点重采样算法(CN.202010224505.1)，有效克服了光源非线性调谐效应的影响，在155m的测量长度处实现了0.5mm的空间分辨率；2022年，英国华威大学Guo Z等人采用等光频重采样的方法在191m处实现了21.3μm的空间分辨率(Guo Z,Han G,Yan J,et al.Ultimate Spatial Resolution Realisation in Optical Frequency Domain Reflectometry with Equal Frequency Resampling[J].Sensors,2021,21(14):4632.)。但是重采样的累积误差以及随着距离增加的光源相位噪声使这种方法校正后的空间分辨率随着测量距离的增长而逐渐恶化。为了消除光源相位噪声，进一步提高测量距离，梵昕昱等人采用级联生成相位(PCT/CN2016/091043)实现了跨越光源相干长度距离的测量，但是当测量点脱离最佳补偿点时，校正效果会大大下降。为了一次性同时补偿所有测量距离下的相位噪声，丁振扬提出了去斜滤波器的校正方法，使用倒谱求取准确参考时延并利用二阶泰勒展开法对光源相位噪声进行估计，在80km测量距离处实现了80cm的空间分辨率(Yang D,Liu T,Ding Z,et al.Method for Improving Spatial Resolution and Amplitude by Optimized Deskew Filter in Long
‑
Range OFDR[J].Photonics Journal IEEE,2014,6(5):1
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11.)，但是该方法对光源非线性相位噪声中的周期性噪声成分估计的准确度不够，使其空间分辨率依然随着测量距离的增长而劣化。因此，目前还缺乏一种简单有效的手段能够对长距离光频域反射仪系统的光源非线性相位噪声进行完全补偿。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的上述缺点和不足，本专利技术提供了一种基于周期性相位噪声估计的光频域反射解调方法。该方法提高了光源相位噪声中周期性成分的估计精度，有效抑制光源相位噪声对信号的影响，在增长测量距离的同时能够保持高空间分辨率，可广泛应用于高精度分布式光纤传感等领域。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种基于周期性相位噪声估计的光频域反射解调方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一：在光频域反射仪外构建参考干涉仪并获取参考干涉仪的拍频信号，然后提取参考干涉仪信号中的非线性相位其中，非线性相位的提取方法如下：对参考干涉仪拍频信号使用希尔伯特变化成为复信号，取复信号相角并解缠绕后得到信号相位θ(t)，减去线性变化的相位成分后得到非线性相位
[0008]步骤二：针对非线性相位截取长度为最小噪声周期两到三倍的相位噪声信号x(t)进行多项式拟合，拟合后的信号记为yp(t)；
[0009]步骤三：使用不同的窗长的移动滑动平均窗对相位噪声信号x(t)进行滤波，滤波后的信号记为y(t)，计算误差函数ε的值，并将使误差函数取最小值的窗长记为L，其中，误差函数ε的计算公式如下：
[0010][0011]式中，n为x(t)的长度，Δt为采样时间间隔；
[0012]步骤四：使用滑动窗长为L的移动滑动平均滤波器对非线性相位进行滤波，滤波后的非线性相位记为
[0013]步骤五：对非线性相位利用三阶泰勒展开法，得到光源相位噪声e(t)，其中，光源相位噪声e(t)的计算公式如下：
[0014][0015]步骤六：利用光源相位噪声e(t)，使用去斜滤波器对待测信号I
M
进行相位噪声补偿，得到校正后信号I
c
(t)，具体步骤如下：
[0016]步骤六一、利用光源相位噪声e(t)构造相噪函数s
e
(t)＝exp(je(t))，并经过频率响应为去斜滤波器频率响应共轭的滤波器得到s(t)；
[0017]步骤六二、将待测信号复信号与相噪函数的共轭相乘得到信号I1(t)，去除测量信号中不随距离变化的相位噪声；
[0018]步骤六三、将信号通过去斜滤波器得到信号I2(t)；
[0019]步骤六四、将I2(t)与s(t)相乘，去除待测信号中与距离相关的相位噪声，得到校正后信号I
c
(t)。
[0020]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
[0021](1)本专利技术通过移动滑动平均滤波器滤除了随机噪声，抑制了微分操作中的噪声放大效应，避免由光源随机噪声造成光源相位噪声估计的不准确；
[0022](2)本专利技术利用三阶泰勒展开法对光源相位噪声进行估计，提高了光源相位噪声中周期性相位噪声成分的估计精度；
[0023](3)本专利技术采用去斜滤波器对待测信号中相位进行补偿，同时实现了长距离和高空间分辨率的测量，在8km位置的反射点空间分辨率高达522μm，并且该方法易于实现，与现有系统兼容性好，可广泛应用于高精度分布式光纤测量和传感系统中。
附图说明
[0024]图1是光频域反射系统的结构示意图；
[0025]图2是基于周期性相位噪声估计的光频域反射解调方法流程图；
[0026]图3是不同窗长下误差函数的值；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于周期性相位噪声估计的光频域反射解调方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一：在光频域反射仪外构建参考干涉仪并获取参考干涉仪的拍频信号，然后提取参考干涉仪信号中的非线性相位步骤二：针对非线性相位截取长度为最小噪声周期两到三倍的相位噪声信号x(t)进行多项式拟合，拟合后的信号记为yp(t)；步骤三：使用不同的窗长的移动滑动平均窗对相位噪声信号x(t)进行滤波，滤波后的信号记为y(t)，计算误差函数ε的值，并将使误差函数取最小值的窗长记为L；步骤四：使用滑动窗长为L的移动滑动平均滤波器对非线性相位进行滤波，滤波后的非线性相位记为步骤五：对非线性相位利用三阶泰勒展开法，得到光源相位噪声e(t)；步骤六：利用光源相位噪声e(t)，使用去斜滤波器对待测信号I
M
进行相位噪声补偿，得到校正后信号I
c
(t)。2.根据权利要求1所述的基于周期性相位噪声估计的光频域反射解调方法，其特征在于所述非线性相位的提取方法如下：对参考干涉仪拍频信号使用希尔伯特变化成为复信号，取复信号相角并解缠绕后得到信号相位θ(t)，减去线性变化的相位成分后得到非线性相位3.根据权利要求1所述的基于周期性相位噪声估计的光频域反射解调方法，其特征在于所述参考干涉仪输出的参考信号E
R
(t)表示为：待测信号E
M
(t)表示为：其中，γ为发射信号调谐率，f0为初始频率，e(t)为相位噪声，τ
ref
,τ
M
分别为参考与待测信号的延时。4.根据权利要求1所述的基于周期性相位噪声估计的光频域反射解调方法，其特征在于所述误差函数ε的计算公式如下：式中，n为x(t)的长度，Δt为采样时间间隔。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨军，邹晨，林蹉富，牟铁梁，喻张俊，朱云龙，朱瑶，党凡阳，苑勇贵，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：