一种测量光源相对强度噪声功率谱密度的方法与流程

本发明涉及光电子技术中光纤传感技术，特别是涉及了一种测量光源相对强度噪声功率谱密度的方法。

背景技术：

早期光纤干涉精密测量系统，例如光纤陀螺使用的光源为窄带激光光源，由于激光器具有很好地空间相干性，光纤中由于瑞利散射、端面反射在输出端产生寄生干涉，寄生干涉信号叠加在携带有用信息的干涉信号上，使得检测信噪比下降，限制了光纤干涉仪的测量分辨率。

宽谱光源的出现完美的解决了窄带激光器带来的寄生干涉问题。由于光源谱宽在40nm以上，其空间相干长度在微米量级，使得寄生干涉现象仅发生在干涉臂中点附近极小的一段光纤中，大大降低了寄生干涉对干涉系统信噪比的影响。

宽谱光源的出现解决了寄生干涉问题，但是宽谱光源具有相对强度噪声。相对强度噪声是宽谱光源发光谱中不同频率成分之间随机拍频而成。相对强度噪声在检测电路带宽内可以认为是白噪声，其降低了干涉仪的信噪比，从而降低了干涉仪的分辨率。抑制宽谱光源相对强度噪声对提高光纤陀螺等精密干涉测量系统的分辨率具有很大帮助。为了抑制相对强度噪声，需要对光源相对强度噪声进行准确的测量。

通常测量光源相对强度噪声是通过电子频谱仪进行，将光电探测器输出电压进行隔直流后输入到频谱仪信号输入端，通过频谱仪可以得到噪声功率谱密度。但是这种测量方法中，光源相对强度噪声常常和光电探测器光电转换过程引入的散粒噪声和检测电路的电子噪声混在一起，难以单独测量。

另一方面，电子噪声、散粒噪声和相对强度噪声与光功率之间具有不同的关系，电子噪声功率与光功率无关，散粒噪声功率与光功率的平方根成正比，相对强度噪声功率与光功率成正比。据此，可以通过二项式拟合的手段对三种噪声功率进行分离，从而完成对光源相对强度噪声功率谱密度的准确测量。

本发明提出的通过光功率衰减器与模数转换器采样的方法，可以有效地将光源相对强度噪声从众多噪声中分离出来，通过二项式拟合的手段，准确得到光源相对强度噪声的功率谱密度，极大地降低了其他白噪声源的干扰。

技术实现要素：

针对传统使用电子频谱仪测量光源相对强度噪声的不足，本发明提出了一种测量光源相对强度噪声功率谱密度的方法，使用光功率衰减器和模数转换器采样对光源相对强度噪声进行测量，能够对光源相对强度噪声进行准确测量，测量结果不受其他白噪声源的干扰。

本发明的技术方案是：

1)采用主要由待测光源、可调光功率衰减器、光电探测器、信号调理电路、模数转换电路和上位机依次连接组成的测量系统，通过模数转换器对探测器信号进行采样，根据模数转换器的输出信号在上位机中计算获得输出信号标准差；并同时采集光电探测器的输出电压，根据光电探测器的输出电压计算获得光电探测器的输入光功率；

2)调节可调光功率衰减器，使得待测光源输出的光信号衰减为不同的光功率，在不同光功率下获得一系列的模数转换器的输出信号标准差和光电探测器的输入光功率；

3)根据光源相对强度噪声功率和到达探测器的光功率成正比的关系，对输出信号标准差和输入光功率进行二次多项式拟合，利用拟合系数计算得到光源相对强度噪声功率谱密度。

所述待测光源的出光尾纤与可调光功率衰减器的输入尾纤连接，可调光功率衰减器的输出尾纤与光电探测器的输入尾纤连接。

所述光电探测器接收光信号，将接收到的光信号转换为光电流信号，并通过内部的流压转换电路转换为电压信号输出，光电探测器输出的电压信号与接收到的光信号的光功率成正比；电压信号经信号调理电路滤波放大后，被模数转换电路转换为数字信号，再通过通信模块发送给上位机。

所述的一系列的模数转换器的输出信号标准差和光电探测器的输入光功率采用以下方式获得：在光电探测器接收到的光信号的光功率位于其工作范围的线性区内的条件下，不同的光功率衰减器衰减系数对应不同的光电探测器的探测光功率，改变光功率衰减器衰减系数使得光电探测器和模数转换器接收到的光功率对应发生改变，每次改变后采集，进而处理获得一系列的模数转换器的输出信号标准差和光电探测器的输入光功率。

优选地，所述的一系列的模数转换器的输出信号标准差和光电探测器的输入光功率采用以下方式获得：先将光功率衰减器衰减系数调整到较小值，使得光电探测器接收到的光信号的光功率在其工作范围的线性区内，然后逐步增大光功率衰减器衰减系数，使得光电探测器和模数转换器接收到的光信号的光功率减小，每次改变光功率衰减器的衰减系数后在不同探测光功率下在模数转换器和光电探测器的输出端进行采集，进而处理获得一系列的模数转换器的输出信号标准差和光电探测器的输入光功率。

如图2所示，光电探测器输出电压和接收光功率具有线性关系，通过对光电探测器输出电压的测量，计算得到光电探测器接收到的光强。

采集光电探测器的输出电压，根据光电探测器的输出电压计算获得光电探测器的输入光功率具体是：用万用表或者电压表测量光电探测器的输出电压V(V)，利用探测器转换系数η(A/W)和运算放大器跨阻R(Ω)采用以下公式计算得到光电探测器的输入光功率P(W)：

其中，η表示探测器转换系数，R表示运算放大器跨阻。

所述步骤3)是将上一步骤获得的一系列的输出信号标准差和输入光功率采用以下二项式进行拟合，获得二次项系数C：

其中，P表示光电探测器的输入光功率，σ_AD表示模数转换器的输出信号SAD的标准差，A为常数项；B为一次项系数；C为二次项系数；

根据二次项系数C采用以下公式计算光源相对强度噪声功率谱密度：

其中，Δf为检测系统带宽。

本发明的有益效果：

本发明提出的通过光功率衰减器与模数转换器采样的方法，能有效地将光源相对强度噪声从众多噪声中分离出来，通过二项式拟合的手段，准确得到光源相对强度噪声的功率谱密度，极大地降低了其他白噪声源的干扰，并且使用模数转换器采样，可以降低测试系统成本。

附图说明

图1是测量系统框图。

图2是光电探测器接收光功率和光电探测器输出电压关系示意图。

图3是实验数据二次拟合曲线图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明方法采用的测量系统主要由待测光源、可调光功率衰减器、光电探测器、信号调理电路、模数转换电路和上位机依次连接组成。待测光源的出光尾纤与可调光功率衰减器的输入尾纤连接，可调光功率衰减器的输出尾纤与光电探测器的输入尾纤连接，光电探测器的输出端依次经信号调理电路、模数转换电路后与上位机连接。光电探测器接收光信号，将接收到的光信号转换为光电流信号，并通过内部的流压转换电路转换为电压信号输出，光电探测器输出的电压信号与接收到的光信号的光功率成正比；电压信号经信号调理电路滤波放大后，被模数转换电路转换为数字信号，再通过通信模块发送给上位机。

光电探测器接收光功率和光电探测器输出电压关系如图2，光电探测器输出电压和接受光功率具有线性关系，通过对光电探测器输出电压的测量，可以计算得到光电探测器接收到的光强。通过调节光功率衰减器衰减系数，可以改变光功率衰减器输出光功率，从而改变光电探测器接收到的光功率，在不同探测光功率下记录模数转换器采集数据。

本发明的工作原理和工作过程是：

本发明模数转换器检测到的信号中主要包含三种噪声，分别是电子噪声、散粒噪声和相对强度噪声。电子噪声由电路元件热噪声、高频信号辐射和环境电磁干扰组成。散粒噪声由光电探测器暗电流的散粒噪声和光电检测过程的散粒噪声组成。相对强度噪声是光源中不同频率分量随机拍频而成。电子噪声、散粒噪声和相对强度噪声的功率与光电探测器接收到的光功率P的关系分别是：

σ_ele＝常量

式中，σ_ele为电子噪声功率，σ_shot为散粒噪声功率，σ_rin为相对强度噪声功率，P为探测器接受到的光功率，h为普朗克常数，c为真空中光速，λ为光源出光中心波长，Δf为系统带宽。

电子噪声和光电探测器接收到的光功率P无关，与实验环境的温度有关，在有空调的室内做实验时则认为室温恒定，此时电子噪声为常数。散粒噪声与光电探测器接收到的光功率的平方根，即成正比。光源相对强度噪声与光电探测器接收到的光功率P成正比。

到达光电探测器的光功率为P(W)，其中包含的噪声功率为σ_P(W)。光信号经过光电探测器转换为电压信号，设转换系数为η(A/W)，探测器跨阻为R(Ω)。则光电探测器输出直流电压V(V)为：

V＝ηRP

通过万用表测量光电探测器输出电压直流量，可以计算得到探测器接收光功率。

模数转换器转换后的数字信号噪声功率包含三个部分，分别是电子噪声σ_ele、散粒噪声σ_shot和相对强度噪声σ_rin。与光电探测器接收到的光功率关系分别为常数项、一次项和二次项，即其中A为常数项，主要由电子噪声功率σ_ele决定；B为一次项系数，主要由散粒噪声功率σ_shot决定；C为二次项系数，主要由光源相对强度噪声功率σ_rin决定。

二次项系数C与光源相对强度噪声功率σ_rin关系为：

通过拟合模数转换器转换数字信号的标准差σ_AD光电探测器接收光强P，从而获得拟合参数C，利用上式即可计算光源相对强度噪声的功率谱密度。

本发明的实施例如下：

图3是实验数据二次拟合曲线图像。通过拟合曲线的二次项系数C＝6.3021×10^-7，在检测系统带宽Δf为5MHz时，可以计算得到相对强度噪声功率谱密度PSD_RIN为-128.99dB。

按照图1所示连接系统，光源采用带有光纤尾纤的ASE光源，与可调节衰减器输入尾纤通过光纤连接头或者熔接。可调光功率衰减器可以是铌酸锂基光功率衰减器，通过调节控制电压，达到对输入光进行可控衰减。衰减器输出尾纤和光电探测器尾纤连接。典型的光电探测器转换效率为η＝0.9A/W，跨阻为R＝3kΩ。在光电探测器典型参数下，如果光电探测器输出直流电压通过万用表测量为0.27V，则实际光电探测器输入光功率为100uW。

测量过程开始时将光功率衰减器衰减系数调整到较小值，且此时光电探测器接收到的光功率应在其量程内，即探测器不能饱和。设此时光功率衰减器衰减系数为α₁，此时光电探测器输出电压为V₁，可以得到此时光电探测器接收光强为：

保持光功率衰减器衰减系数不变，令模数转换器对光电探测器输出电压进行连续采样，采样数据为SAD1(n)，n＝1,2,3……，为采样点。在上位机中计算SAD1(n)的标准差σ_AD1。

将光功率衰减器衰减系数调大为α₂，减小探测器接收光功率，此时光电探测器输出电压为V₂，可以得到此时光电探测器接收光强为P₂。令模数转换器对光电探测器输出电压进行连续采样，采样数据为SAD2(n)，n＝1,2,3，……为采样点。在上位机中计算SAD2(n)的标准差σ_AD2。

重复上述步骤，得到一系列模数转换器采样标准差关于探测器接收光功率数据，{σ_ADn，P_n}，n＝1,2,3……，为测量次数。

将{σ_ADn，P_n}进行二项式拟合，可以得到其中A为常数项，主要由电子噪声引起；B为一次项系数，主要由散粒噪声引起；C为二次项系数，主要由光源相对强度噪声引起。二次项系数C和光源相对强度噪声功率谱密度的关系为：

上式，Δf为检测系统带宽，利用上式即可以计算光源相对强度噪声功率谱密度。如图3所示，C＝6.3021×10^-7，带宽为5MHz，可以得到PSD_RIN＝-128.99dB/Hz。

另外本实施例通过光谱仪可获得待测光源谱宽为40nm，光源相对强度噪声功率谱密度理论值为：

若不使用拟合手段进行数据处理，电子噪声和散粒噪声会干扰光源相对强度噪声功率谱密度测量，此时光源相对强度噪声功率谱密度测量值为：

PSD_{RIN-未拟合}＝-125.3dB

对比PSD_RIN、PSD_RIN-理论和PSD_{RIN-未拟合}可以看出，本发明方法得到的光源相对强度噪声功率谱密度准确度高，能够排除电子噪声和散粒噪声带来的干扰。