基于匹配延遲采樣光相干系統及測量與補償相位噪聲方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于匹配延遲采樣光相干系統及測量與補償相位噪聲方法，光信號通過第二光耦合器形成第三路輸出端和第四路輸出端，第三路輸出端通過保偏光纖與90度混合光耦合器的第一個輸入端相連接，并由90度混合光耦合器的第五路輸出端輸出，第四路輸出端直接與90度混合光耦合器的第二個輸入端相連接，并由90度混合光耦合器的第六路輸出端輸出，第五路輸出端與第一差分光電探測器的輸入端相連接，第六路輸出端與第二差分光電探測器的輸入端相連接，并由兩個差分光電探測器的輸出端輸出。本發明可用短距離光纖進行測量，避免了采用長距離光纖，由于結果是累積相位噪聲，可以對多種不同類型或不同長度的相干系統進行補償。
【專利說明】基于匹配延遲采樣光相干系統及測量與補償相位噪聲方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光相干通信和光相干測量【技術領域】的測量和補償相干系統相位噪聲的方法，具體地，涉及一種基于匹配延遲采樣光相干系統及測量與補償相位噪聲方法。
【背景技術】
[0002]光相干系統由于其極高的靈敏度，被運用于光纖通信、光纖傳感等領域，例如光頻域反射計(OFDR)。如圖1所示，為光頻域反射計(OFDR)測量系統原理圖。光頻域反射計(OFDR)由掃頻激光器、兩個光耦合器、一個環形器、一個光電探測器構成，利用激光在光纖中的瑞利后向散射，以相干的方式在頻域上分布式測量光纖的反射率。掃頻激光器產生的光信號由光耦合器I分為兩路，一路光信號通過環形器進入待測光纖，待測光纖的瑞利后向散射再通過環形器進入光耦合器II的輸入端I，另一路直接進入光耦合器II的輸入端I，光耦合器II的輸出光信號進入光電探測器轉化為電信號，由數據采集卡采集數據之后做傅里葉變換轉換到頻域上，即可反映光纖的分布式反射跡線。然而由于相位噪聲的存在，會大幅度降低相干系統的可用性。經過檢索相關文獻，現在相干系統中的方法主要是利用一個輔助干涉臂來補償相位噪聲，有兩種方式進行補償。一種是模擬的方式，Brian J.Soller等人發表在學術雜志《Opitcs Express》(光學快報)中的學術論文“High resolution optical frequency domain reflectometry for characterizationof components and assemblies”(用于組裝件和部件的特征描述的高分辨率光頻域反射計)中提到可以利用輔助干涉臂輸出時鐘信號對相干系統進行補償，這種方式可以獲得較好的效果，但是需要很長的輔助干涉臂以獲得足夠頻率的時鐘信號，這增加了系統的不穩定性。另一種是數字的方式，Tae-Jung Ahn等人發表在學術雜志《Applied Optics》(應用光學)中的學術論文“Suppression of nonlinear frequency sweep in an opticalfrequency-domain reflectometer by use of Hilbert transformation，，(利用希爾伯特變換抑制光頻域反射計中的非線性掃頻)中提到利用采集輔助干涉臂的信號進行重采樣，從而補償相干系統的相位噪聲，這種方法可以獲得很好的補償效果，但是只能針對補償變化較慢的相位噪聲，例如非線性掃頻帶來的相位噪聲，適用范圍小。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在與克服現有相位噪聲測量與補償方法的不足，提出了一種基于匹配延遲采樣光相干系統及測量與補償相位噪聲方法，縮短了測量相位噪聲時需要的光纖長度，可以補償快速變化的相位噪聲，并可以對不同類型和不同延遲差的相干系統進行補償。
[0004]本發明是通過以下技術方案實現的。
[0005]根據本發明的第一個方面，提供了一種基于匹配延遲采樣的測量與補償系統，包括第二光耦合器、90度混合光耦合器以及差分光電探測器，光信號通過所述第二光耦合器形成第三路輸出端和第四路輸出端，所述第三路輸出端通過保偏光纖與90度混合光耦合器的第一個輸入端相連接，并由90度混合光I禹合器的第五路輸出端輸出，所述第四路輸出端直接與90度混合光稱合器的第二個輸入端相連接,并由90度混合光稱合器的第六路輸出端輸出，所述差分光電探測器包括第一差分光電探測器和第二差分光電探測器，所述第五路輸出端與第一差分光電探測器的輸入端相連接，所述第六路輸出端與第二差分光電探測器的輸入端相連接，并由兩個差分光電探測器的輸出端輸出。
[0006]優選地，所述第五路輸出端和第六路輸出端分別有兩個輸出端口，相應地，每一個差分光電探測器均設有兩個輸入端口。
[0007]優選地，兩個差分光電探測器的參數一致。
[0008]根據本發明的第二個方面，提供了一種上述基于匹配延遲采樣的測量與補償系統的方法，包括以下步驟:
[0009]步驟1，光信號通過第二光耦合器分為第三路光信號和第四路光信號，其中第三路光信號經過保偏光纖，輸入到90度混合光稱合器的第一個輸入端,第四路光信號直接輸入到90度混合光稱合器的第二個輸入端；
[0010]步驟2，90度混合光耦合器的第五路輸出端和第六路輸出端的光信號分別輸入到差分光電探測器的輸入端中，并由兩個差分光電探測器的輸出端輸出。
[0011]優選地,所述90度混合光稱合器的第一個輸入端的輸入信號為S,第二個輸入端的輸入信號為L,貝U,90度混合光I禹合器第五路輸出端的兩個端口輸出的信號分別為S+L,S-L, 90度混合光耦合器第六路輸出端的兩個端口輸出的信號分別為S+jL，S-jL，其中，j為虛數單位。
[0012]根據本發明的第三個方面，提供了一種基于匹配延遲采樣光相干系統，包括激光器、第一光耦合器、光頻域反射計測量系統以及上述測量與補償系統，所述激光器通過第一光耦合器形成第一路輸出端和第二路輸出端，其中，所述第一路輸出端與光頻域反射計測量系統的輸入端相連接，所述第二路輸出端與測量與補償系統的第二光耦合器的輸入端相連接。
[0013]優選地，還包括數據采集卡和計算機，所述光頻域反射計測量系統的輸出端以及測量與補償系統的兩個差分光電探測器的輸出端均與數據采集卡的輸入端相連接，所述數據采集卡的輸出端與計算機相連接。
[0014]優選地，所述第二光耦合器的耦合點和90度混合光耦合器的耦合點之間的兩路光信號傳播延遲時間差與數據采集卡的采樣周期相等。
[0015]根據本發明的第四個方面，提供了一種上述基于匹配延遲采樣光相干系統的測量與補償相位噪聲方法，包括以下步驟:
[0016]第一步，激光器輸出的光信號通過第一保偏稱合器分為第一路光信號和第二路光信號，其中，第一路光信號經過光頻域反射計測量后輸出，第二路光信號經過第二光耦合器分為第三路光信號和第四路光信號，其中，第三路光信號經過保偏光纖，輸入到90度混合光率禹合器的第一個輸入端，第四路光信號直接輸入到90度混合光稱合器的第二個輸入端；
[0017]第二步,90度混合光I禹合器的第五路輸出端和第六路輸出端的光信號分別輸入到差分光電探測器的輸入端中；
[0018]第三步，差分光電探測器輸出端輸出的電信號與第一路光信號共同輸入到數據米集卡的輸入端，同步進行數據采集；
[0019]第四步，對數據采集卡接收到的數據進行數據處理，得到光信號的相對相位信息，即激光的相位噪聲的時域反映；
[0020]第五步，同步采集的第一路光信號為待補償數據，與第四步得到的數據一起通過計算機進行處理，即得到相位噪聲補償結果。
[0021]優選地，所述第四步中的數據處理具體為:將第一差分光電探測器的輸入端口采集到的數據作為實數部分，第二差分光電探測器的輸入端口采集到的數據做為虛數部分，得到一組復數數據，求取其相位，將相位逐個累加，即得到激光時域上的相位信息。
[0022]與現有技術相比，本發明具有以下技術特點:
[0023]采用短距離光纖進行測量，避免了采用長距離光纖，可以補償快速變化的相位噪聲，由于結果是累積相位噪聲，可以對多種不同類型或不同長度的相干系統進行補償。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0025]圖1為現有光頻域反射計(OFDR)測量系統原理圖；
[0026]圖2為本發明基于匹配延遲采樣的測量與補償系統結構原理圖
[0027]圖3為本發明基于匹配延遲采樣光相干系統結構原理圖；
[0028]圖4為現有光頻域反射計(未補償時)測量的尾端反射點處的跡線圖；
[0029]圖5為經過本發明補償之后光頻域反射計測量的尾端反射點處的跡線圖；
[0030]圖中:1為光耦合器1，2為光耦合器11，3為環形器，4為第一光耦合器，5為第二光率禹合器，6為保偏光纖。
【具體實施方式】
[0031]下面對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。
[0032]實施例1
[0033]本實施例提供了一種基于匹配延遲采樣的測量與補償系統，包括第二光耦合器、90度混合光耦合器以及差分光電探測器，光信號通過所述第二光耦合器形成第三路輸出端和第四路輸出端,所述第三路輸出端通過保偏光纖與90度混合光I禹合器的第一個輸入端相連接，并由90度混合光耦合器的第五路輸出端輸出，所述第四路輸出端直接與90度混合光I禹合器的第二個輸入端相連接，并由90度混合光I禹合器的第六路輸出端輸出，所述差分光電探測器包括第一差分光電探測器和第二差分光電探測器，所述第五路輸出端與第一差分光電探測器的輸入端相連接，所述第六路輸出端與第二差分光電探測器的輸入端相連接，并由兩個差分光電探測器的輸出端輸出。
[0034]進一步地，所述第五路輸出端和第六路輸出端分別有兩個輸出端口，相應地，每一個差分光電探測器均設有兩個輸入端口。
[0035]進一步地，兩個差分光電探測器的參數一致。
[0036]圖2為實施例1的工作原理圖。[0037]實施例1提供的上述基于匹配延遲采樣的測量與補償系統，其測量與補償方法，包括以下步驟:
[0038]步驟1，光信號通過第二光耦合器分為第三路光信號和第四路光信號，其中第三路光信號經過保偏光纖，輸入到90度混合光稱合器的第一個輸入端,第四路光信號直接輸入到90度混合光稱合器的第二個輸入端；
[0039]步驟2，90度混合光耦合器的第五路輸出端和第六路輸出端的光信號分別輸入到差分光電探測器的輸入端中，并由兩個差分光電探測器的輸出端輸出。
[0040]進一步地,所述90度混合光稱合器的第一個輸入端的輸入信號為S,第二個輸入端的輸入信號為L,貝U, 90度混合光f禹合器第五路輸出端的兩個端口輸出的信號分別為S+L，S-L，90度混合光耦合器第六路輸出端的兩個端口輸出的信號分別為S+jL，S-jL，其中，j為虛數單位。
[0041]實施例2
[0042]本實施例提供了一種基于匹配延遲采樣光相干系統，包括激光器、第一光耦合器、光頻域反射計測量系統以及上述測量與補償系統，所述激光器通過第一光耦合器形成第一路輸出端和第二路輸出端，其中，所述第一路輸出端與光頻域反射計測量系統的輸入端相連接，所述第二路輸出端與測量與補償系統的第二光耦合器的輸入端相連接。
[0043]進一步地，還包括數據采集卡和計算機，所述光頻域反射計測量系統的輸出端以及測量與補償系統的兩個差分光電探測器的輸出端均與數據采集卡的輸入端相連接，所述數據采集卡的輸出端與計算機相連接。
[0044]進一步地，所述第二光耦合器的耦合點和90度混合光耦合器的耦合點之間的兩路光信號傳播延遲時間差與數據采集卡的采樣周期相等。
[0045]圖3為實施例2的工作原理圖。
[0046]如圖3所示，本實施例的部件和組件主要包括:第一光耦合器和第二光耦合器均為保偏光耦合器，一個90度混合光耦合器，一個長度約為4m的保偏光纖，兩個參數一致的差分光電探測器，一個采樣頻率為50MHz的數據采集卡，一個掃頻激光器:其掃頻速率約為133GHz / s，一個光頻域反射計測量系統，一根1.5km的待測光纖。
[0047]本實施例的工作原理為:掃頻激光器的輸出光信號通過第一光耦合器分為兩路，一路通過光頻域反射計測量系統，一路通過第二光耦合器再分為兩路，一路通過長度約4m的保偏光纖，和另一路一起通過90度混合光I禹合器。90度混合光I禹合器輸出的4路由兩個參數一致的差分光電探測器接收。最后和光頻域反射計測量系統的輸出信號一起由數據采集卡同步采樣，采樣的數據經過數據處理得到激光器的相位噪聲信息，用其最終補償光頻域反射計測量系統的相位噪聲。
[0048]本發明提供的上述基于匹配延遲采樣光相干系統，其測量與補償相位噪聲方法，包括以下步驟:
[0049]第一步，激光器輸出的光信號通過第一保偏稱合器分為第一路光信號和第二路光信號，其中，第一路光信號經過光頻域反射計測量后輸出，第二路光信號經過第二光耦合器分為第三路光信號和第四路光信號，其中，第三路光信號經過保偏光纖，輸入到90度混合光率禹合器的第一個輸入端，第四路光信號直接輸入到90度混合光稱合器的第二個輸入端；
[0050]第二步,90度混合光I禹合器的第五路輸出端和第六路輸出端的光信號分別輸入到差分光電探測器的輸入端中；
[0051]第三步，差分光電探測器輸出端輸出的電信號與第一路光信號共同輸入到數據米集卡的輸入端，同步進行數據采集；
[0052]第四步，對數據采集卡接收到的數據進行數據處理，得到光信號的相對相位信息，即激光的相位噪聲的時域反映；
[0053]第五步，同步采集的第一路光信號為待補償數據，與第四步得到的數據一起通過計算機進行處理，即得到相位噪聲補償結果。
[0054]進一步地，所述第四步中的數據處理具體為:將第一差分光電探測器的輸入端口采集到的數據作為實數部分，第二差分光電探測器的輸入端口采集到的數據做為虛數部分，得到一組復數數據，求取其相位，將相位逐個累加，即得到激光時域上的相位信息。
[0055]具體如下:
[0056]一、測量相位噪聲。[0057]掃頻激光器的輸出光信號可表不為= 7?2/2 + ωα* + ε(?),其中Etl為光場振幅，e為自然對數的底，j為虛數單位，φ?為激光器輸出光信號的相位，t為時間，Y為掃頻速率，Ocit為起始頻率，ε (t)為相位噪聲項。輸入90度混合光耦合器兩路信號設為S和L，則5 = 且L =其中Tref為第二光耦合器耦合點與90度混合光耦合器耦合點之間兩路的延遲差。本實施例中，Tref為20ns，90度混合光耦合器四路輸出的光信號分別為 S+L, S-L, S+jL, S-jL ο
[0058]經兩個參數一致的差分光電探測器接收輸出的電信號分別為:
[0059]
Sreii(t) = σΕ0 cos [93⑷—ψ(? — Tref)]
[0060]
Sren(I) = σΕ0 sin [φ(?) - ψ(? - Tref)]
[0061]其中σ為差分光電探測器的靈敏度。
[0062]經數據采集卡采集的離散信號則為:
[0063]
=COS— ψ{^? — ^ref)]
[0064]
Sxe[2\ti) — O'Eq Sin— tp(ij — Tref)]
[0065]其中\為數據采集卡第i個采樣時刻，采集卡的采樣間隔為At = Wp
[0066]將這兩個信號合成復信號SMf (W=Srefl (t^+jSgai)，求取其相位，可得在\時
刻的相位為:
[0067]
X(U) — φ(--) — φ(-- — Aef)
[0068]若采集卡的采樣間隔Λ t滿足Λ t=Tref,則有:
[0069]
^(U) = φ(Μ) —
[0070]將Xai)做累加，則有:
[0071]
【權利要求】
1.一種基于匹配延遲采樣的測量與補償系統，其特征在于，包括第二光耦合器、90度混合光耦合器以及差分光電探測器，光信號通過所述第二光耦合器形成第三路輸出端和第四路輸出端，所述第三路輸出端通過保偏光纖與90度混合光I禹合器的第一個輸入端相連接，并由90度混合光I禹合器的第五路輸出端輸出，所述第四路輸出端直接與90度混合光率禹合器的第二個輸入端相連接，并由90度混合光I禹合器的第六路輸出端輸出，所述差分光電探測器包括第一差分光電探測器和第二差分光電探測器，所述第五路輸出端與第一差分光電探測器的輸入端相連接，所述第六路輸出端與第二差分光電探測器的輸入端相連接，并由兩個差分光電探測器的輸出端輸出。
2.根據權利要求1所述的基于匹配延遲采樣的測量與補償系統，其特征在于，所述第五路輸出端和第六路輸出端分別有兩個輸出端口，相應地，每一個差分光電探測器均設有兩個輸入端口。
3.根據權利要求1所述的基于匹配延遲采樣的測量與補償系統，其特征在于，兩個差分光電探測器的參數一致。
4.一種基于匹配延遲米樣光相干系統，其特征在于，包括激光器、第一光稱合器、光頻域反射計測量系統以及權利要求1至3中任一項所述的測量與補償系統，所述激光器通過第一光I禹合器形成第一路輸出端和第二路輸出端，其中，所述第一路輸出端與光頻域反射計測量系統的輸入端相連接，所述第二路輸出端與測量與補償系統的第二光耦合器的輸入端相連接。
5.根據權利要求1所述的基于匹配延遲采樣光相干系統，其特征在于，還包括數據采集卡和計算機，所述光頻域反射計測量系統的輸出端以及測量與補償系統的兩個差分光電探測器的輸出端均與數據采集卡的輸入端相連接，所述數據采集卡的輸出端與計算機相連接。
6.根據權利要求5所述的基于匹配延遲采樣光相干系統，其特征在于，所述第二光耦合器的耦合點和90度混合光耦合器的耦合點之間的兩路光信號傳播延遲時間差與數據采集卡的采樣周期相等。
7.—種權利要求1至3中任一項所述的基于匹配延遲采樣的測量與補償系統的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，光信號通過第二光耦合器分為第三路光信號和第四路光信號，其中第三路光信號經過保偏光纖，輸入到90度混合光稱合器的第一個輸入端,第四路光信號直接輸入到90度混合光稱合器的第二個輸入端； 步驟2，90度混合光耦合器的第五路輸出端和第六路輸出端的光信號分別輸入到差分光電探測器的輸入端中，并由兩個差分光電探測器的輸出端輸出。
8.根據權利要求7所述的基于匹配延遲采樣的測量與補償系統的方法，其特征在于，所述90度混合光稱合器的第一個輸入端的輸入信號為S,第二個輸入端的輸入信號為L,貝1J，90度混合光 f禹合器第五路輸出端的兩個端口輸出的信號分別為S+L, S-L, 90度混合光耦合器第六路輸出端的兩個端口輸出的信號分別為S+jL，S-jL，其中，j為虛數單位。
9.一種權利要求4至6中任一項所述的基于匹配延遲米樣光相干系統的測量與補償相位噪聲方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，激光器輸出的光信號通過第一保偏稱合器分為第一路光信號和第二路光信號，其中，第一路光信號經過光頻域反射計測量后輸出，第二路光信號經過第二光耦合器分為第三路光信號和第四路光信號，其中，第三路光信號經過保偏光纖，輸入到90度混合光率禹合器的第一個輸入端，第四路光信號直接輸入到90度混合光稱合器的第二個輸入端；第二步,90度混合光I禹合器的第五路輸出端和第六路輸出端的光信號分別輸入到差分光電探測器的輸入端中； 第三步，差分光電探測器輸出端輸出的電信號與第一路光信號共同輸入到數據采集卡的輸入端，同步進行數據采集； 第四步，對數據采集卡接收到的數據進行數據處理，得到光信號的相對相位信息，即激光的相位噪聲的時域反映； 第五步，同步采集的第一路光信號為待補償數據，與第四步得到的數據一起通過計算機進行處理，即得到相位噪聲補償結果。
10.根據權利要求9所述的基于匹配延遲采樣光相干系統的測量與補償相位噪聲方法，其特征在于，所述第四步中的數據處理具體為:將第一差分光電探測器的輸入端口采集到的數據作為實數部分，第二差分光電探測器的輸入端口采集到的數據做為虛數部分，得到一組復數數據， 求取其相位，將相位逐個累加，即得到激光時域上的相位信息。
【文檔編號】H04B10/61GK103944644SQ201410141105
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月9日 優先權日:2014年4月9日
【發明者】周潛, 董毅, 謝瑋霖 申請人:上海交通大學