非线性相位估计的长距离高分辨率光频域反射解调方法

摘要

本发明公开了一种非线性相位估计的长距离高分辨率光频域反射解调方法，构建光频域反射系统；通过基于辅助干涉仪的光源相位监视系统的输出信号A获取相位变化信号A3，减去相位变化信号A3中的线性相位变化成分，得到非线性成分信号A4；通过倒谱信号A5中冲击函数形成的尖峰的所在位置即对应了延迟光纤时延大小；求解出光源的发射非线性相位，再将光源的发射非线性相位变换为复指数信号A6；将复指数信号A6的共轭进行菲涅尔变换得到信号A7，对主干涉仪输出信号S进行希尔伯特变换得到复指数信号S1，通过信号A7和复指数信号S1获取非线性补偿后的光频域反射信号S4。采用本方法后对反射点的空间分辨率提高187.5倍。

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，尤其涉及一种非线性相位估计的长距离高 分辨率光频域反射解调方法。

背景技术

在用于光纤通讯网络及其器件测试以及应力、温度、扰动传感等领域的光频域反射方 法(OFDR，Optical Frequency Domain Reflectometry)采用高相干激光器进行高速和线性 波长扫描，利用参考臂上由法拉第反射镜反射的光与单模光纤背向散射光(瑞利反射光)进 行干涉。由于二者的光程不同，干涉端实际上是不同频率的两束光进行干涉，形成拍频。 通过探测不同的拍频信号，就可以探测传感光纤不同位置的背向散射信息。

光频域反射方法的关键技术是需要光源提供较大的光频扫描范围，并且光频在扫描过 程中保持高速和线性特性。在光频域反射方法中的信号处理通常需要将信号转换到频域， 一般需要使用快速傅里叶算法(FFT，Fast Fourier transform)实现，而FFT算法要求自变 量进行等间隔采样，由于光频域反射仪的自变量不是时间而是光源的瞬时光频率，如果激 光器输出光存在非线性调谐的寄生相位，在采用FFT算法处理时，由于自变量非等间隔采 样，会造成光频域反射计的空间分辨率严重恶化。但是目前常见光源一定会存在有相位噪 声。

发明内容

本发明提供了一种非线性相位估计的长距离高分辨率光频域反射解调方法，本发明消 除了光源相位噪声对光频域反射方法影响，详见下文描述：

一种非线性相位估计的长距离高分辨率光频域反射解调方法，所述方法包括以下步 骤：

构建光频域反射系统，所述光频域反射系统包括：可调谐激光器、1：99光分束器、 调谐信号控制模块、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统、主干涉仪系统和计算机；

所述基于辅助干涉仪的光源相位监视系统输出信号A，对所述信号A进行希尔伯特变 换，对得到的复指数信号A1实部和虚部做正切运算，得到正切表达式A2，再进行反正切 和相位展开运算得到相位变化信号A3；减去所述相位变化信号A3中的线性相位变化成分， 得到非线性成分信号A4；

对所述非线性成分信号A4进行傅立叶变换得到功率谱函数，再对所述功率谱函数取 对数，针对对数域信号进行逆傅立叶变换处理，得到倒谱信号A5，通过所述倒谱信号A5 中冲击函数形成的尖峰的所在位置即对应了延迟光纤时延大小；

对所述非线性成分信号A4进行傅立叶变换获取光源的发射非线性相位e(t)关于所述 非线性成分信号A4和所述延迟光纤时延大小的表达关系，求解出光源的发射非线性相位， 再将光源的发射非线性相位变换为复指数信号A6；

将复指数信号A6的共轭进行菲涅尔变换得到信号A7，对主干涉仪输出信号S进行希 尔伯特变换得到复指数信号S1，通过信号A7和复指数信号S1获取非线性补偿后的光频 域反射信号S4。

所述光源的发射非线性相位e(t)关于所述非线性成分信号A4和所述延迟光纤时延大 小的表达关系具体为：

$e^{\left(1\right)}\left(t\right)=\frac{1}{\tau }\Phi \left(t\right)+\frac{1}{2}{\Phi }^{\left(1\right)}\left(t\right)+\frac{\tau }{12}{\Phi }^{\left(2\right)}\left(t\right)-\frac{{\tau }^3}{720}{\Phi }^{\left(4\right)}\left(t\right)+...$

其中，τ为延迟光纤的时延大小，e⁽¹⁾(t)为光源的发射非线性相位e(t)的一阶导数， Φ⁽¹⁾(t)为Φ(t)的一阶导数，Φ⁽²⁾(t)为Φ(t)的二阶导数，Φ⁽⁴⁾(t)为Φ(t)的四阶导数，Φ(t)即 为非线性成分信号A4。

所述通过信号A7和复指数信号S1获取非线性补偿后的光频域反射信号S4的步骤具 体为：

将复指数信号S1相乘复指数信号A6，去掉光源发射非线性得到信号S2，对信号S2 进行菲涅尔变换得到信号S3；将信号S3与信号A7的共轭相乘即可得到非线性补偿后的 光频域反射信号S4。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本方法采用基于辅助干涉仪的光源相位噪声监 测系统，实时采集光源的相位噪声，并通过相关算法对主干涉仪系统的输出信号进行补偿。 该算法的思想是对光源出射光和待测光纤中反射光的相位噪声采取分别补偿的方式，其中 光源出射光的相位信号运用傅立叶变换和泰勒展开法准确得到，光源反射光相位对应的延 迟光纤时延大小采用倒谱域变换法得到其精确估计，同时待测光纤中反射光的相位补偿是 利用菲涅尔变换实现的。并通过实验验证采用本方法后对反射点的空间分辨率提高187.5 倍。在40km处的反射点空间分辨率为40cm，在80km处反射点空间分辨率为0.8m。

附图说明

图1是光频域反射系统的结构示意图；

图1中：1-可调谐激光器，2-探测器，3-50:50分束器，4-1：99分束器，5-第一50:50 耦合器，6-调谐信号控制模块，7-延迟光纤，8-第一法拉第转镜，9-第二法拉第转镜，10- 隔离器，11-计算机，12-偏振控制器，13-环形器，14-第二50:50耦合器，15-待测光纤，16- 平衡探测器，17-采集装置，18-参考臂，19-测试臂，20-主干涉系统，21-基于辅助干涉仪 的光源相位监测系统；

图2是非线性相位估计的长距离高分辨率光频域反射解调方法的流程图；

图3是基于辅助干涉仪的光源相位监视系统输出信号进行倒谱域处理后的曲线；

图4是未抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线；

图5是未抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线的 在80km处末端APC头跳线的反射点；

图6是抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线；

图7是抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线的在 40km处APC头连接法兰的反射点；

图8是抑制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线的在 80km处APC头连接法兰的反射点。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详 细描述。

101：构建光频域反射系统；

参见图1，该光频域反射系统包括：可调谐激光器1、1：99光分束器4、调谐信号控 制模块6、基于辅助干涉仪的光源相位监测系统21、主干涉仪系统20和计算机11。

可调谐激光器1：用于为提供光源，光源采用超窄线宽调谐激光光源，其光频能够实 现线性扫描，光源由调谐信号控制模块6控制，调谐信号控制模块6根据要求(光源调谐 所需的电压、频率等参数)产生三角波或锯齿波来驱动可调谐激光器1。

1：99光分束器4：可调谐激光器1的出射光由1：99光分束器4的a端口进入，并以 1：99的比例分别从1：99光分束器4的b端口和c端口分配到基于辅助干涉仪的光源相 位监测系统21和主干涉仪系统20。

基于辅助干涉仪的光源相位监测系统21：实时采集光相位信息，其结构包括隔离器 10、第一50：50耦合器5、第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9、延迟光纤7和探 测器2。隔离器10用于防止第一50：50耦合器5的b端口的反射光进入可调谐激光器1。 第一50：50耦合器5用于光干涉，光从第一50：50耦合器5的b端口进入，从第一50： 50耦合器5的c端口和d端口出射，分别被第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转镜9反 射，并返回到第一50：50耦合器5的c端口和d端口，两束光在第一50：50耦合器5中 发生干涉，从第一50：50耦合器5的a端口输出。第一法拉第旋转镜8和第二法拉第旋转 镜9提供反射，并且能够消除偏振衰落现象。延迟光纤7用于实现非等臂(一臂为b端口 到第一法拉第旋转镜8，另一臂为d端口到第二法拉第旋转镜9，两臂的长度不相等)的 拍频干涉。探测器2用于采集第一50：50耦合器5的a端口的出射光。

主干涉仪系统20包括环行器13、50：50分束器3，第二50：50耦合器14、参考臂 18、测试臂19、偏振控制器12、待测光纤15和平衡探测器16以及采集装置17。50：50 分束器3作用是马赫-泽德干涉仪分束，光从50：50分束器3的a端口进入，经过50：50 分束器3的b端口进入参考臂18的偏振控制器12，经过50：50分束器3的c端口进入测 试臂19的环行器13的a端口。参考臂18上的偏振控制器12：调节参考光偏振态，使其 在偏振分束时两个正交方向上光强基本一致。测试臂19上的环行器13：光从环行器13的 a端口进入，从环行器13的c端口进入待测光纤15，而待测光纤15的背向散射光从环行 器13的c端口进入，从环行器13的b端口输出。第二50：50耦合器14：将参考臂18上 的参考光与测试臂19上背向散射光通过第二50：50耦合器14的a端口和b端口进入该第 二耦合器14进行合束，形成拍频干涉并从该第二50：50耦合器14的c端口和d端口输出； 平衡探测器16分别接入第二50：50耦合器14的c端口和d端口；平衡探测器16用于采 集第二50：50耦合器14c端口和d端口的出射光。平衡探测器16和探测器2将光信号转 换为电信号。采集装置17将平衡探测器16和探测器2输出的模拟电信号采集到计算机11。

计算机11对采集装置17采集的干涉信号进行数据处理，实现利用光源相位信息和相 位噪声校正算法对主干涉仪系统20的输出信号进行处理。

102：基于辅助干涉仪的光源相位监视系统输出信号A(即50：50耦合器5的a端口的 出射光信号)，对信号A进行希尔伯特变换得到信号的复指数表达A1，对得到的复指数信 号A1实部和虚部做正切运算，得到相位信号的正切表达式A2，再对A2做反正切和相位 展开运算得到A的相位变化信号A3；利用谱分析和多项式拟合法估计出信号A3中相位变 化中的线性变化成分，将相位信号A3中的线性相位变化成分减去，进而得到非线性成分 信号A4。

103：对非线性成分信号A4进行傅立叶变换得到信号A4的功率谱函数,再对该功率谱 函数取对数运算将其变换到对数域，针对此对数域信号进行逆傅立叶变换处理，得到倒谱 信号A5,倒谱信号A5即为非线性信号A4的倒谱域形式，在信号A5中，非线性相位对应 延迟光纤的时延大小表现出无限个冲击函数的累加，通过倒谱信号A5中冲击函数形成的 尖峰的所在位置即对应了延迟光纤的时延大小。

这里倒谱信号A5可以表示为：假设非线性成分信号A4为Φ(t)，光源的发射非线性 相位为e(t)，和分别为Φ(t)和e(t)在倒谱域的表达，τ_ref为延迟光纤7对应的时 延大小，δ(.)为冲激函数，k为整数，则和的倒谱域关系将如下：

$\hat{\Phi }\left(t\right)=\hat{e}\left(t\right)+\{-\underset{k=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{1}{k+1}\delta [t-(k+1){\tau }_{\mathrm{ref}}\left]\right\}$

104：对非线性信号A4进行傅立叶变换将其变换至频域，对A4的频域信号表达式的 等式两端同乘一复数项以此消除极点，针对变换后的表达式运用泰勒级数展开法，得到光 源的发射非线性相位e(t)关于非线性信号A4和延迟光纤时延大小的准确表达关系，这里代 入第一步中得到的非线性成分信号A4和第二步中精确估计出的非线性相位对应延迟光纤 的时延大小，最终准确得到光源的发射非线性相位，再对光源的发射非线性相位变换为复 指数信号A6。得到的复指数信号A6将用于长距离高空间分辨率光频域反射解调中。

根据以上的处理步骤，复指数信号A6与非线性信号A4和延迟光纤时延大小的关系表 示为：

$e^{\left(1\right)}\left(t\right)=\frac{1}{\tau }\Phi \left(t\right)+\frac{1}{2}{\Phi }^{\left(1\right)}\left(t\right)+\frac{\tau }{12}{\Phi }^{\left(2\right)}\left(t\right)-\frac{{\tau }^3}{720}{\Phi }^{\left(4\right)}\left(t\right)+...$

其中，τ为延迟光纤的时延大小，e⁽¹⁾(t)为光源的发射非线性相位e(t)的一阶导数， Φ⁽¹⁾(t)为非线性成分信号A4(即Φ(t))的一阶导数，Φ⁽²⁾(t)为非线性成分信号A4(即Φ(t)) 的二阶导数，Φ⁽⁴⁾(t)为非线性成分信号A4(即Φ(t))的四阶导数。

与此同时，主干涉仪输出信号S，利用希尔伯特变换得到复指数信号S1；

105：将信号A6的共轭进行菲涅尔变换得到信号A7；与此同时，对信号S1相乘复指 数信号A6，去掉光源发射非线性得到信号S2，对信号S2进行菲涅尔变换得到信号S3； 将信号S3与信号A7的共轭相乘即可得到非线性补偿后的光频域反射信号S4。

这里的菲涅尔变换在时域可以表示为，设输入信号为S(t)，输出信号为S_α(t)

$S_{\alpha }\left(t\right)=\sqrt{-\mathrm{j\alpha }}\underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}s(t\prime )\exp \left[\mathrm{j\pi }{(t-t\prime )}^2\right]\mathrm{dt}\prime$

这里α为激光器的调谐速率，t'为积分变量。

设输入信号S(t)在频域可以表示为S(f)，输出信号S_α(t)在频域可以表示为S_α(f)，菲涅 尔变换在频域上可以表示为：

$S_{\alpha }\left(f\right)=S\left(f\right)\exp (-\mathrm{j\pi }\frac{f^2}{\alpha })$

其中f为信号频率。

由于菲涅尔变换频域比较容易实现，一般对信号进行菲涅尔变换是在频域进行。

利用上述装置和解调方法对一段80km长的普通单模通讯光纤进行测试。其中在10km 处，30km处，40km处设置FC/APC法兰，在80km末端设置一个APC光纤跳线。由非线 性相位估计的延迟光纤的延迟大小信号曲线如图3所示，当未抑制光源相位噪声的光频域 反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线，如图4所示，由于光源相位噪声影响FC/APC 法兰的反射点没有测出，末端APC光纤跳线空间分辨率很差达到150m，如图5所示。抑 制光源相位噪声的光频域反射装置输出的待测光纤为80km的信号曲线，如图6所示。40km 处FC/APC法兰的反射点的空间分辨率为40cm如图7所示，80km处末端APC光纤跳线 的空间分辨率到0.8m如图8所示，较未抑制光源相位噪声的光频域反射装置时提高了187.5 倍。实验结果表明：该方法较好的抑制了光源相位噪声，极大提供了系统的空间分辨率。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要 能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号 仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。