[发明专利]非线性相位估计的长距离高分辨率光频域反射解调方法

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：

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；