[發(fā)明專利]非線性相位估計的長距離高分辨率光頻域反射解調(diào)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410280714.2
• 申請日: 2014-06-20
• 公開（公告）號: CN104038281B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉鐵根;丁振揚;杜陽;劉琨;江俊峰;馮博文
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: H04B10/071
• 分類號: H04B10/071
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 溫國林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及分布式光纖傳感儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非線性相位估計的長距離高分辨率光頻域反射解調(diào)方法。

背景技術(shù)

在用于光纖通訊網(wǎng)絡(luò)及其器件測試以及應(yīng)力、溫度、擾動傳感等領(lǐng)域的光頻域反射方法(OFDR，Optical Frequency Domain Reflectometry)采用高相干激光器進行高速和線性波長掃描，利用參考臂上由法拉第反射鏡反射的光與單模光纖背向散射光(瑞利反射光)進行干涉。由于二者的光程不同，干涉端實際上是不同頻率的兩束光進行干涉，形成拍頻。通過探測不同的拍頻信號，就可以探測傳感光纖不同位置的背向散射信息。

光頻域反射方法的關(guān)鍵技術(shù)是需要光源提供較大的光頻掃描范圍，并且光頻在掃描過程中保持高速和線性特性。在光頻域反射方法中的信號處理通常需要將信號轉(zhuǎn)換到頻域，一般需要使用快速傅里葉算法(FFT，F(xiàn)ast Fourier transform)實現(xiàn)，而FFT算法要求自變量進行等間隔采樣，由于光頻域反射儀的自變量不是時間而是光源的瞬時光頻率，如果激光器輸出光存在非線性調(diào)諧的寄生相位，在采用FFT算法處理時，由于自變量非等間隔采樣，會造成光頻域反射計的空間分辨率嚴重惡化。但是目前常見光源一定會存在有相位噪聲。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種非線性相位估計的長距離高分辨率光頻域反射解調(diào)方法，本發(fā)明消除了光源相位噪聲對光頻域反射方法影響，詳見下文描述：

一種非線性相位估計的長距離高分辨率光頻域反射解調(diào)方法，所述方法包括以下步驟：

構(gòu)建光頻域反射系統(tǒng)，所述光頻域反射系統(tǒng)包括：可調(diào)諧激光器、1：99光分束器、調(diào)諧信號控制模塊、基于輔助干涉儀的光源相位監(jiān)測系統(tǒng)、主干涉儀系統(tǒng)和計算機；

所述基于輔助干涉儀的光源相位監(jiān)視系統(tǒng)輸出信號A，對所述信號A進行希爾伯特變換，對得到的復(fù)指數(shù)信號A1實部和虛部做正切運算，得到正切表達式A2，再進行反正切和相位展開運算得到相位變化信號A3；減去所述相位變化信號A3中的線性相位變化成分，得到非線性成分信號A4；

對所述非線性成分信號A4進行傅立葉變換得到功率譜函數(shù)，再對所述功率譜函數(shù)取對數(shù)，針對對數(shù)域信號進行逆傅立葉變換處理，得到倒譜信號A5，通過所述倒譜信號A5中沖擊函數(shù)形成的尖峰的所在位置即對應(yīng)了延遲光纖時延大小；

對所述非線性成分信號A4進行傅立葉變換獲取光源的發(fā)射非線性相位e(t)關(guān)于所述非線性成分信號A4和所述延遲光纖時延大小的表達關(guān)系，求解出光源的發(fā)射非線性相位，再將光源的發(fā)射非線性相位變換為復(fù)指數(shù)信號A6；

將復(fù)指數(shù)信號A6的共軛進行菲涅爾變換得到信號A7，對主干涉儀輸出信號S進行希爾伯特變換得到復(fù)指數(shù)信號S1，通過信號A7和復(fù)指數(shù)信號S1獲取非線性補償后的光頻域反射信號S4。

所述光源的發(fā)射非線性相位e(t)關(guān)于所述非線性成分信號A4和所述延遲光纖時延大小的表達關(guān)系具體為：

其中，τ為延遲光纖的時延大小，e⁽¹⁾(t)為光源的發(fā)射非線性相位e(t)的一階導(dǎo)數(shù)，Φ⁽¹⁾(t)為Φ(t)的一階導(dǎo)數(shù)，Φ⁽²⁾(t)為Φ(t)的二階導(dǎo)數(shù)，Φ⁽⁴⁾(t)為Φ(t)的四階導(dǎo)數(shù)，Φ(t)即為非線性成分信號A4。

所述通過信號A7和復(fù)指數(shù)信號S1獲取非線性補償后的光頻域反射信號S4的步驟具體為：

將復(fù)指數(shù)信號S1相乘復(fù)指數(shù)信號A6，去掉光源發(fā)射非線性得到信號S2，對信號S2進行菲涅爾變換得到信號S3；將信號S3與信號A7的共軛相乘即可得到非線性補償后的光頻域反射信號S4。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：本方法采用基于輔助干涉儀的光源相位噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集光源的相位噪聲，并通過相關(guān)算法對主干涉儀系統(tǒng)的輸出信號進行補償。該算法的思想是對光源出射光和待測光纖中反射光的相位噪聲采取分別補償?shù)姆绞?，其中光源出射光的相位信號運用傅立葉變換和泰勒展開法準確得到，光源反射光相位對應(yīng)的延遲光纖時延大小采用倒譜域變換法得到其精確估計，同時待測光纖中反射光的相位補償是利用菲涅爾變換實現(xiàn)的。并通過實驗驗證采用本方法后對反射點的空間分辨率提高187.5倍。在40km處的反射點空間分辨率為40cm，在80km處反射點空間分辨率為0.8m。

附圖說明

圖1是光頻域反射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；