一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法技术

本发明专利技术公开了一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法。本方法首先检测辅助干涉仪过零点，再根据过零点序号差计算得到校正系数，接下来利用校正系数对主干涉仪信号进行校正，并通过插值法对校正后的信号进行重采样，最后利用时频变换将信号转换到频域，从而补偿激光器的非线性扫频。本发明专利技术能够分辨出传感光纤上距离较近的多个反射点，并且对辅助干涉仪的延迟光纤长度没有限制。此外，本发明专利技术处理的数据量较小，降低了对采集卡采样率的要求，能达到更长的测量距离。

A Method of Correcting Nonlinear Sweeping Frequency of Tunable Laser in Optical Frequency Domain Reflectometer

The invention discloses a method for correcting the non-linear sweep frequency of tunable laser in an optical frequency domain reflectometer. This method first detects the zero-crossing point of the auxiliary interferometer, then calculates the correction coefficient according to the sequence number difference of the zero-crossing point. Then the correction coefficient is used to correct the main interferometer signal, and the corrected signal is re-sampled by interpolation method. Finally, the time-frequency transform is used to convert the signal into the frequency domain to compensate the non-linear sweep frequency of the laser. The invention can distinguish a plurality of reflecting points on a sensing optical fiber with relatively close distances, and has no limitation on the delay optical fiber length of an auxiliary interferometer. In addition, the data amount processed by the invention is small, the requirement for sampling rate of the acquisition card is reduced, and a longer measuring distance can be achieved.

【技术实现步骤摘要】
一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法
本专利技术涉及光纤传感领域，特别是光频域反射计中激光器的非线性扫频及其校正方法。
技术介绍
光频域反射计(OFDR)最早是在1981年由W.Eickhoff等人提出，它的基本原理来自于FMCW(调频连续波)技术。常见的OFDR系统采用可调谐激光器对光频进行线性调谐。激光器发出的光通过耦合器后分为两束，一束光进入参考光纤后被反射镜反射回耦合器，作为参考光；另一束光进入待测光纤后，在任意位置发生瑞利散射和菲涅尔反射，将一部分光返回到耦合器中，作为测试光。此时在耦合器中参考光与瑞利散射和菲涅尔反射组成的测试光相干涉。由于参考臂和测试臂的长度不同，参考光和测试光是激光器在不同时刻发出的光，因此两束光的频率不相等，发生的干涉为拍频干涉。再用光电探测器采集干涉光，输出拍频信号。此时，信号的频率和测试光纤的位置呈线性的函数关系。通过傅里叶变换，将拍频信号变换到频域，拍频信号的各频率分量将与待测光纤上各位置一一对应，由此实现分布式的光纤传感。OFDR技术中使用的可调谐激光器通常存在非线性扫频现象，即随着时间推移，激光器的光频不再线性变化。在利用傅里叶变换将光频域信息转化为距离域信息时，需要以等光频间隔对信号采样。由于激光器的非线性扫频现象，相邻采样点间的光频间隔并不相等，经傅里叶变换后，反射点的峰值会发生明显的展宽，系统的空间分辨率也会显著下降。因此，非线性扫频效应导致距离域的空间分辨率恶化，从而影响系统的测量精度。此前已经有补偿激光器非线性扫频的研究。K.Feng等研究者利用辅助干涉仪信号作为外部时钟，对主干涉仪信号进行重采样(K.Feng,etal,OpticsLetters,2018,43(14))。但测量距离受限于辅助干涉仪延迟光纤长度，最大测量范围仅为辅助干涉仪长度的一半。Z.Ding等提出用NUFFT方法补偿非线性扫频，但这一方法在测量距离稍长时补偿效果就会急剧下降(Z.Ding,etal,ReviewofScientificinstruments,2012,83(6):066110)。J.Song等使用过零点重采样法进行补偿，但这一方法对采样率和和数据量的要求较高(J.Song,etal,IEEEPhotonicsJournal,2014,6.3:1-8)。此外，还有去斜滤波器等方法，也在测量距离、补偿效果等方面受到限制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：本专利技术提供一种基于过零点检测的激光器非线性扫频校正方法，减少了激光器非线性扫频对光频域反射计空间分辨率的影响。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，所述光频域反射计包括依序连接的可调谐激光器和主干涉仪系统，主干涉仪系统生成拍频干涉信号A1，还设置辅助干涉仪系统，辅助干涉仪系统与所述主干涉仪系统同步接收可调谐激光器的光信号，生成用于校正的干涉信号A2，所述校正方法包括以下步骤：步骤一，同步采集A1和A2；步骤二，检测A2的所有过零点，根据过零点序号计算校正系数；步骤三，用步骤二得到的校正系数校正A1的采样点序号，得到信号A1′；步骤四，利用插值法对A1′信号中序号为小数的采样点进行重采样，得到采样点序号均为整数的主干涉仪拍频信号A3；步骤五，对A3进行时域-频域转换，得到拍频信号的频谱；步骤六，根据频率和位置的对应关系，将光频域信息转换到距离域，得到已校正非线性扫频的反射及散射信息。优选地，所述步骤二中检测A2的所有过零点包括：当过零位置处有采样点，该采样点序号即为过零点序号；当过零位置处没有采样点时，根据过零点两侧最近的两采样点的序号，利用线性插值得到该过零点的序号。优选地，所述步骤二中根据过零点序号计算校正系数包括：A2信号由过零点分成多段，计算A2的每两个相邻过零点的序号差，用第二个过零点和第一个过零点的序号差除以各段过零点序号差，其商作为各段的校正系数。优选地，在所述步骤三中用校正系数校正A1的采样点序号包括：用A2信号的过零点将A1信号分成多段，用每一段中采样点与段首过零点的序号差乘上校正系数，再加上段首过零点的校正后序号，得到该采样点校正后的序号，其中，第一段作为参照段，不需校正。优选地，在所述步骤四中所述插值法为线性插值法。优选地，辅助干涉仪系统包括第一耦合器、参考光纤、延迟光纤、第二耦合器和光电探测器，其中，第一耦合器接收可调谐激光器的光信号，第一耦合器的输出端分别连接至并联的参考光纤与延迟光纤，参考光纤与延迟光纤的输出端连接至第二耦合器，第二耦合器的输出端连接至光电探测器，光电探测器输出干涉信号A2。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)本专利技术的待测光纤长度不受辅助干涉仪延迟光纤长度限制；(2)本专利技术利用辅助干涉仪过零点间隔和主干涉仪拍频信号各段的对应关系，对主干涉仪信号进行逐段校正，因此不用等待信号全部采集完再开始校正，可实现实时校正；(3)本专利技术在进行数据采集时，所需的数据量较小，因此对数据采集卡的采样率要求较低，可以用较低采样率的采集卡测量较长长度的待测光纤；(4)本专利技术在实现反射点测量时，无需进行平均等数据处理；附图说明图1是根据本专利技术的在光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法的流程图。图2是光频域反射计中用于校正可调谐激光器非线性扫频的实验装置的示意图。图3是本专利技术所用带有弱反射光栅的123m待测光纤示意图。图4是本专利技术中计算校正系数的示意图。图5是未进行过零点校正时的输出信号曲线。图6是本专利技术进行过零点校正之后的输出信号曲线。附图标记：1-可调谐激光器，2-1×2耦合器，3-1×2耦合器，4-200m延迟光纤，5-参考光纤，6-2×2耦合器，7-光电探测器，8-1×2耦合器，9-参考光纤，10-环形器，11-123m待测光纤，12-2×2耦合器，13-光电探测器，14-数据采集卡，15-计算机具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：OFDR系统使用的是扫频激光器。假设激光器线性扫频，其扫频速度为γ，初始频率为f0，则其频率表示为：f(t)＝f0+γt在OFDR系统中光纤某一位置处产生的反射或背向散射光与参考光相干涉，得到单一频率的拍频信号，拍频信号的频率是反射光和参考光的频率差。反射光和参考光是激光器不同时刻发出的光，其对应光束发出的时间间隔等于反射光与参考光的群延时差。当激光器线性扫频时，由于反射位置到耦合器的光程一定，所以反射光和参考光的频率差一定，拍频信号有着确定的频率：fb＝γτ其中，τ是反射光与参考光的群延时差。但在实际情况中，激光器的扫频速度γ不是常数，而是随时间变化的函数γ(t)。因此，拍频信号的频率也将随时间变化。在本实施方案中，用采集卡对拍频干涉信号进行等时间间隔采样，再通过傅里叶变换进行时频转换。理想情况下，激光器线性扫频，采集到的时域信号经傅里叶变换之后，恢复成拍频信号对应的单一频率。但由于激光器的非线性扫频现象，等时间间隔对应的激光器光频间隔不相等，随着时间变化，拍频信号的实际频率在其真实频率附近波动，这样解调出的信号不再是单一频率。又因为频率和位置一一对应，所以根据解调出的频率信息，无法准确定位散射点的位置，从而导致系统的空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，所述光频域反射计包括依序连接的可调谐激光器和主干涉仪系统，主干涉仪系统生成拍频干涉信号A1，其特征在于，还设置辅助干涉仪系统，辅助干涉仪系统与所述主干涉仪系统同步接收可调谐激光器的光信号，生成用于校正的干涉信号A2，所述校正方法包括以下步骤：步骤一，同步采集A1和A2；步骤二，检测A2的所有过零点，根据过零点序号计算校正系数；步骤三，用步骤二得到的校正系数校正A1的采样点序号，得到信号A1′；步骤四，利用插值法对A1′信号中序号为小数的采样点进行重采样，得到采样点序号均为整数的主干涉仪拍频信号A3；步骤五，对A3进行时域‑频域转换，得到拍频信号的频谱；步骤六，根据频率和位置的对应关系，将光频域信息转换到距离域，得到已校正非线性扫频的反射及散射信息。

【技术特征摘要】
1.一种光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，所述光频域反射计包括依序连接的可调谐激光器和主干涉仪系统，主干涉仪系统生成拍频干涉信号A1，其特征在于，还设置辅助干涉仪系统，辅助干涉仪系统与所述主干涉仪系统同步接收可调谐激光器的光信号，生成用于校正的干涉信号A2，所述校正方法包括以下步骤：步骤一，同步采集A1和A2；步骤二，检测A2的所有过零点，根据过零点序号计算校正系数；步骤三，用步骤二得到的校正系数校正A1的采样点序号，得到信号A1′；步骤四，利用插值法对A1′信号中序号为小数的采样点进行重采样，得到采样点序号均为整数的主干涉仪拍频信号A3；步骤五，对A3进行时域-频域转换，得到拍频信号的频谱；步骤六，根据频率和位置的对应关系，将光频域信息转换到距离域，得到已校正非线性扫频的反射及散射信息。2.根据权利要求1所述的光频域反射计中校正可调谐激光器非线性扫频的方法，其特征在于，所述步骤二中检测A2的所有过零点包括：当过零位置处有采样点，该采样点序号即为过零点序号；当过零位置处没有采样点时，根据过零点两侧最近的两采样点的序号，利用线性插值得到该过零点的序号。3.根据权利要求1所述的光频域反射计中校正可...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，章颖，邢婧婧，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