光谱域反射仪的实现方法及系统

本发明涉及光纤传感，具体地，涉及光谱域反射仪的实现方法及系统，更为具体地，涉及一种检测光纤中的后向散射并确定其强度与相位的光反射仪方法及系统。

背景技术：

1、光反射仪是一种能够检测和定位光纤中的后向散射光(如瑞利散射)信号的技术。通过分析光纤不同位置处后向散射光信号的强度或相位的信息，实现对光纤链路损耗的检测、环境应变与温度等物理量的测量。

2、根据后向散射光信号的定位原理，现有的光反射仪主要有光时域反射仪、光频域反射仪和光相干域反射仪三种类型。

3、光时域反射仪发射探测脉冲，接收探测脉冲产生的后向散射光，根据后向散射光返回的时间确定散射发生的位置，探测脉冲的持续时间越短，空间分辨率越高，但是后向散射光的信噪比就越差，空间分辨率与检测信噪比之间的矛盾使得这种反射仪的空间分辨率不高，一般大于1米；

4、光频域反射仪采用线性调谐光源和相干接收的方式，将散射光信号与本地光拍频，将散射光信号的时间延迟映射为拍频信号的频率，该方案的空间分辨率取决于光源的频率调谐范围，不再受探测光持续时间的限制，但是该方案需要高线性度、低相位噪声的扫频光源，这种光源非常昂贵。

5、光相干域反射仪采用低相干光作为光源，只有当散射光的光程与本地光的光程相同时，才能观测到干涉信号，可以实现很高的空间分辨率，但是测量距离普遍很短。

6、专利文献cn113014313a(申请号：201911328434.3)公开了一种光时域反射仪，光时域反射仪包括：激光器，用于发射探测光源；调制器，用于将探测光源转化为第一脉冲信号和第二脉冲信号并用于向待测光纤发送第一脉冲信号，使得待测光纤产生反射信号；耦合器，用于将第二脉冲信号和待测光纤的反射信号耦合为光信号；光电转换模块，用于将光信号转化为电信号；可编程模块，用于根据电信号调整激光器发射的探测光源。

7、专利文献cn114964329a(申请号：202210559130.3)公开了一种双边带光频域反射仪，包括：调制信号产生单元、传感信号接收单元和信号处理单元，调制信号产生单元通过外调制的方式产生双边带探测光波，并将探测光波分为两路，一路作为探测光输入待测光纤，另一路作为本地光输入传感信号接收单元，待测光纤将外界物理量的变化耦合到探测光波上，并将其产生的后向瑞利散射信号作为信号光传回至传感信号接收单元，传感信号接收单元使用频移法或iq接收法从双边带信号光中分来自两个边带扫频产生的两种不同的拍频信号，信号处理单元对两种不同的拍频信号按照扫频范围在时域对齐后进行傅里叶变换，得到光纤上的瑞利散射的强度和相位信息。

8、专利文献cn203617996u(申请号：201320800522.0)公开了一种相干光时域反射仪装置，其特征在于：包括激光器、光分束器、一对脉冲发生装置、光循环器、光电检测器。一种相干光时域反射测量方法，其特征在于：采用测试脉冲光获取被测器件的散射/反射信息，采用本地脉冲光与散射/反射回来的光信号进行干涉，通过调整测试脉冲光和本地脉冲光各自的重复频率，完整的构造出反射/散射光信号，再经光电转换和模数转换，获取散射/反射光位置信息；所述测试脉冲光和本地脉冲光的脉宽与所需空间分辨率相适应，相邻脉冲距离远大于脉宽。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种光谱域反射仪系统及实现方法。

2、根据本发明提供的一种光谱域反射仪系统，包括：光源模块产生本地光信号和具有梳状光谱的探测光信号，本地光信号直接与相干检测模块相连，探测光信号经无源光路模块后一部分进入待测光纤，从待测光纤返回的后向散射信号经无源光路模块进入相干检测模块，与本地光拍频后输出传感电信号；另一部分直接进入相干检测模块，与本地光拍频后输出参考电信号；传感电信号与参考电信号均输入信号处理模块进行数据解调，得到光纤链路上后向散射信号的强度和相位分布信号。

3、优选地，光源模块为单光梳光源模块，所述光源模块包括：窄线宽激光光源或光频率梳光源、信号发生器、相位或强度调制器、声光调制器、第一耦合器与光滤波器；

4、所述窄线宽激光光源经所述第一耦合器分为本地光路与探测光路；所述本地光路输入所述声光调制器使得窄带激光产生频移，得到本地光信号；所述探测光路对应的窄带激光在所述相位或调制器中受由所述信号发生器产生的周期性信号调制产生具有梳状光谱的探测光信号。

5、所述光频率梳光源经所述第一耦合器分为本地光路与探测光路；所述本地光路输入所述光滤波器过滤得到一个单频梳齿，得到本地光信号；所述探测光路即为所述的光频率梳光源产生具有梳状光谱的光信号。

6、优选地，光源模块为双光梳光源模块，同时产生两个重频具有微小差别的光频率梳，分别作为本地光和探测光。

7、优选地，所述无源光路模块包括第一耦合器、第三耦合器以及光环形器；

8、所述具有梳状光谱的探测光信号进入所述第一耦合器分为两路，具有较大能量的一路光信号进入光环形器连接待测光纤，具有较小能量的光信号进入第四耦合器；从待测光纤返回后向散射信号进入第二耦合器；本地光信号进入所述第三耦合器，分束比较高的一路光信号进入第二耦合器，分束比较小的的光信号进入第四耦合器。

9、优选地，所述相干检测模块包括：第二耦合器、第四耦合器、第一平衡光电探测器以及第二平衡光电探测器；

10、所述无源光路模块输出的本地光与探测光信号分别在所述第二耦合器和所述第四耦合器处拍频，产生的拍频光信号分别输入所述第一平衡光电探测器与所述第二平衡光电探测器；所述第一平衡光电探测器与所述第二平衡光电探测器将拍频光信号转换为电信号，分别输出传感电信号与参考电信号。

11、优选地，所述信号处理模块包括：数据采集卡和数字信号处理器；

12、通过数据采集卡对输入的传感电信号和参考电信号进行采集与存储，并将采集到的传感电信号和参考电信号输入数字信号处理器进行信号解调。

13、优选地，在所述信号处理模块中，利用模数转换器将传感电信号和参考电信号数字化，再利用傅里叶变换分别得到传感电信号和参考电信号的频谱，对参考电信号的频谱进行相位取共轭，模值取倒数，然后与传感电信号的频谱相乘，对结果进行傅里叶逆变换，得到待测光纤上后向散射信号的强度与相位信息。

14、根据本发明提供的一种光谱域反射仪的实现方法，包括：光源模块产生本地光信号和具有梳状光谱的探测光信号，本地光信号直接与相干检测模块相连，探测光信号经无源光路模块后一部分进入待测光纤，从待测光纤返回的后向散射信号经无源光路模块进入相干检测模块，与本地光拍频后输出传感电信号；另一部分直接进入相干检测模块，与本地光拍频后输出参考电信号；传感电信号与参考电信号均输入信号处理模块进行数据解调，得到光纤链路上后向散射信号的强度和相位分布信号。

15、优选地，当光源模块为单光梳光源模块时，则所述光源模块包括：窄线宽激光光源、脉冲发生器、相位调制器、声光调制器与第一耦合器；

16、所述窄线宽激光光源经所述第一耦合器分为本地光路与探测光路；所述本地光路输入所述声光调制器使得窄带激光产生频移，得到本地光信号；所述探测光路对应的窄带激光在所述相位调制器中受由所述脉冲发生器产生的脉冲调制产生具有梳状光谱的探测光信号；

17、当光源模块为双光梳光源模块时，则所述光源模块包括：窄线宽激光光源、脉冲发生器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一耦合器、第一光滤波器以及第二光滤波器；

18、所述窄线宽激光光源通过所述第一耦合器均分为本地光路与探测光路；所述本地光路和所述探测光路分别输入所述第一相位调制器和所述第二相位调制器，并且所述第一相位调制器和所述第二相位调制器分别被所述脉冲发生器产生不同序列调制；所述第一相位调制器的输出光信号进入所述第一光滤波器进行滤波处理，得到所需要频率范围内的光梳信号，并作为探测光信号输出；所述第二相位调制器的输出光进入所述第二光滤波器进行滤波处理，得到所需要频率范围内的光梳信号，并作为本地光信号输出。

19、优选地，所述无源光路模块包括第二耦合器、第四耦合器以及光环形器；

20、所述具有梳状光谱的探测光信号进入所述第二耦合器分别得到能量90％的光信号与能量10％的光信号；具有90％能量的光信号进入光环形器连接待测光纤，具有10％能量的光信号进入第五耦合器；从待测光纤返回后向散射信号进入第三耦合器；所述具有梳状光谱的本地光信号进入所述第四耦合器分别得到能量90％的光信号与能量10％的光信号；具有90％能量的光信号进入第三耦合器，具有10％能量的光信号进入第五耦合器；

21、所述相干检测模块包括：第三耦合器、第五耦合器、第一平衡光电探测器以及第二平衡光电探测器；

22、所述无源光路模块输出的本地光与探测光信号分别在所述第三耦合器和所述第五耦合器处拍频，产生的拍频光信号分别输入所述第一平衡光电探测器与所述第二平衡光电探测器；所述第一平衡光电探测器与所述第二平衡光电探测器将拍频光信号转换为电信号，分别输出传感电信号与参考电信号；

23、所述信号处理模块包括：数据采集卡和数字信号处理器；

24、通过数据采集卡对输入的传感电信号和参考电信号进行采集与存储，并将采集到的传感电信号和参考电信号输入数字信号处理器进行信号解调；

25、在所述信号处理模块中，利用模数转换器将传感电信号和参考电信号数字化，再利用傅里叶变换分别得到传感电信号和参考电信号的频谱，对参考电信号的频谱进行相位取共轭，模值取倒数，然后与传感电信号的频谱相乘，对结果进行傅里叶逆变换，得到待测光纤上后向散射信号的强度与相位信息。

26、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

27、1、本发明利用连续光以及频谱采样的技术特征，突破了空间分辨率与检测信噪比之间的矛盾，实现了更高的空间分辨率与动态范围的技术效果；

28、2、本发明通过非扫频光源(即光梳)的技术特征，实现了避免扫频非线性，极大简化系统复杂度保证系统性能的稳定与精确的技术效果；

29、3、本发明通过使用相干光源的技术特征，实现在不进行相位噪声补偿的情况下，只要探测路与参考路的光程差不超过光源相干长度时，无需调整相干长度可观测到信号的技术效果。

30、4、本发明规避了扫频光源的扫频非线性带来的一系列问题，降低了光频域反射的成本和系统复杂度；相比于光时域反射仪与光相干域反射仪，具有高的定位精度和信噪比以及较长的可测量距离。