一种基于双光频率梳的光频域反射仪系统

本发明涉及光频域反射仪系统领域，具体涉及一种基于双光频率梳的光频域反射仪系统。

背景技术：

1、光反射仪技术是指对光纤中的光散射和光反射进行单端探测以实现对光纤链路进行无损检测或分布式、准分布式光纤传感的技术。根据反射光的形成方式，光反射仪分为光纤中光反射点的探测和光散射的探测。其中，探测瑞利散射的光反射仪除了可以用于分布式传感外，还广泛应用于光纤链路健康状况监测。瑞利散射光中的一部分沿光纤反向传输，满足传输的全反射条件的这部分光被称为后向瑞利散射光，可以在光纤入射端被探测到。由于后向瑞利散射分布式地发生于光纤沿线的各个位置，并且光纤链路上的局部微扰信息会加载到后向瑞利散射光上，因此可以通过观察分析后向瑞利散射光来监测和分析光纤链路的状况。

2、光频域反射仪(ofdr)技术来源于微波领域中的频率调制连续波技术(frequencymodulated continuous wave,fmcw)。在发展过程，光频域反射仪中遇到了许多挑战，主要有以下两方面：一方面，光频域反射仪系统需要采用扫频光源，而扫频光源固有的扫频非线性会导致严重的相位噪声，这会对系统的空间分辨率、解调精度和传感距离产生显著影响；另一方面，光频域反射仪系统通过互相关的方法解调动态应变信号，解调获得的信号信噪比较低。

3、光频率梳是一种特殊的光源，可通过主动或被动锁模激光器或克尔微腔谐振产生。在频域上，光频率梳由离散的频率成分组成，这些频率成分之间有着严格相等的频率差以及确定的相位关系，因其在频域上的形状与梳子相似而被称为光频率梳。与单频激光光源相比，光频率梳具有极高的频率稳定性和极低的相位噪声。自2005年获得诺贝尔物理学奖以来，其全新的特性为多个领域带来了技术革新，包括精密光谱学、天文学、微波光子学。此外，光频率梳在通信及传感领域也展现出了巨大的应用潜力。

4、双光频率梳光源(dual optical frequency combs)，是指一对相位关系相互锁定，频率间隔值相近的频率梳。它能够将光谱带宽上的信息映射到射频谱带宽，因此双光频率梳在光谱学、精密测量、雷达测距、光学成像、通信、传感领域具有巨大的应用潜力。目前，其主要应用集中在光谱学和气体传感领域。然而，双光频率梳在光频域反射仪系统中的应用案例仍处于空白状态。

技术实现思路

1、针对上述存在的问题或不足，为解决光频域反射仪系统解调动态信号信噪比较低的问题，本发明提供了一种基于双光频率梳的光频域反射仪系统，使用两个具有一定重频差的双光频率梳光源替代现有光频域反射仪系统中的扫频激光光源，其中一个作为本振光频率梳，另一个作为探测光频率梳，将探测光频率梳在传感光纤中传输时所产生的后向瑞利散射光与本振光频率梳拍频后，进行叠加解调获取光纤链路信息，从而显著提升输出信号的信噪比。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于双光频率梳的光频域反射仪系统，包括：扫频模块，本振光频率梳激发模块，探测光频率梳激发模块，光放大模块，偏振控制模块，光环形器，传感光纤，耦合器，光电探测模块，信号采集模块和数据处理模块。

4、所述扫频模块包括窄线宽激光器，用于激发光频梳的形成，以及任意信号发生器，用于调制产生扫频激光；扫频模块接本振光频率梳激发模块和探测光频率梳激发模块，用于调控两个光频梳激发模块产生两个重复频率不同的光频率梳，其中一个作为本振光频率梳，另一个作为探测光频率梳，并对两个光频梳激发模块产生的光频率梳进行扫频操作，扫频范围为δf。

5、所述本振光频率梳激发模块基于扫频模块的窄线宽激光器，用于产生本振光频率梳，通过滤波操作得到本振频率梳频域上的n条梳齿后接入耦合器，起始频率为fc，相邻梳齿之间的频率间隔为fr，输出本振光频率梳的扫频范围为δf。

6、所述探测光频率梳激发模块基于扫频模块的窄线宽激光器，用于产生探测光频率梳，通过滤波操作得到探测频率梳频域上的n条梳齿后，依次接光放大模块、偏振控制模块和光环形器的第一端口；探测光频率梳其起始频率为fc，相邻梳齿之间的频率间隔为fr+δfr，δfr为两个光频率梳相邻梳齿之间的频率间隔值差值，输出探测光频率梳的扫频范围为δf。

7、所述光环形器的第二端口接传感光纤，第三端口接耦合器。

8、所述耦合器的输入接光环形器的第三端口和本振光频率梳激发模块，将输入的两路光混合，产生双梳拍频信号；然后将双梳拍频信号传输至光电探测模块转化为电信号，之后将其传输至信号采集模块转换为数字信号；最后进入数据处理模块进行数据处理，获得传感光纤上的动态应变信息，进而实现对外界扰动信号的定位和定量。

9、进一步的，所述数据处理模块中数据处理即为对无应变发生时得到的参考信号和有应变发生时得到的测量信号进行傅里叶变换和反傅里叶变换得到n根梳齿携带的探测光纤链路上各空间位置处的后向瑞利散射谱，通过对参考信号和测量信号进行互相关计算得到n根梳齿的各空间位置处后向瑞利散射谱随时间的变化，获得测量信号相对于参考信号的光谱频移量随测量时间的变化，得到n组传感光纤上各空间位置处的动态应变信息，进而实现对外界扰动信号的定位和定量，对目标空间位置处的n组动态应变信号进行叠加从而使系统信噪比提高n倍。

10、进一步的，所述光电探测模块的带宽大于第n根梳齿得到的光纤最远探测长度对应的拍频信号频率δfr为两个光频率梳相邻梳齿之间的频率间隔值差值，l为最远探测长度，γ为实际脉冲扫频速度，vc为介质中的光速。

11、进一步的，所述滤波后的探测光频率梳由光放大模块调整其功率至10dbm以上。

12、进一步的，所述信号采集模块的采样率为光电探测器探测带宽的2～4倍，保证完整准确的重建光电探测器输出电信号。

13、进一步的，所述光频率梳的梳齿n为2≤n，保证ofdr系统信噪比最少提升2倍。

14、上述基于双光频率梳的光频域反射仪系统，其工作流程为：

15、扫频模块激发本振光频率梳激发模块和探测光频率梳激发模块，获得两个重复频率不同的光频率梳，其中一个作为本振光频率梳，另一个作为探测光频率梳，并对两个光频梳激发模块产生的光频率梳进行扫频操作。

16、本振光频率梳，产生本振光频率梳并通过滤波操作得到本振光频率梳频域上的n条梳齿后接入耦合器。探测光频率梳，产生探测光频率梳并通过滤波操作得到探测光频率梳频域上的n条梳齿后，探测光频率梳由光放大模块调整其功率，再由偏振控制模块调整偏振状态后进入光环形器的第一端口，从光环形器的第二端口进入传感光纤；探测光频率梳在传感光纤中产生的后向瑞利散射光返回光环形器的第二端口，通过光环形器的第三端口传输至耦合器。

17、耦合器将本振光频率梳与探测光频率梳的后向散射光混合，分别在无应变发生和有应变发生时产生对应的双梳拍频信号；然后将双梳拍频信号传输至光电探测模块转化为电信号，之后将其传输至信号采集模块转换为数字信号；最后进入数据处理模块通过对无应变发生时得到的参考信号和有应变发生时得到的测量信号进行互相关计算，获得测量信号相对于参考信号的光谱频移量随测量时间的变化，通过互相关计算后向瑞利散射谱的频移量随测量时间的变化获得传感光纤上的动态应变信息，进而实现对外界扰动信号的定位和定量；并对n根梳齿的解调信号进行叠加。

18、综上所述，本发明采用同源但重复频率不同的双光频率梳作为光源，探测光频率梳在传感光纤中传播时，外界的扰动信息会加载在探测光频率梳的所有n个梳齿上，在经过与本振光频率梳拍频后，拍频信号映射到射频域并被转化为电信号且数字化后，得到n个信号通道，对所有通道的信号进行数字信号处理解调后可以得到n组频域信息，然后对其进行相干叠加。由于叠加的频域信息来自于不同的频段，光源噪声、系统噪声对解调后的n组频域信息带来的噪声是不相干的，所以其最终信噪比可以提升n倍，ofdr系统性能得到了极大的提升。