一种基于光谱OCT技术的光纤色散测量系统与方法

本发明涉及光纤色散测量技术，尤其是涉及一种基于光谱oct技术的光纤色散测量系统与方法。

背景技术：

1、光纤通信利用光纤作为信息传输的介质，具有高速、大容量和低损耗等优点，已成为目前的主要通信方式。同时采用多波长或宽带光进行通信，可提高信息传输的效率。但由于纤芯材料的折射率随着波长和模式的不同而发生变化，导致不同波长光信号在光纤中以不同的速度传输，在经过一定的距离后它们间就会相互产生时延，使得传输的光信号发生展宽、畸变和重叠等现象，最终导致通信系统的误码率上升和通信容量下降。随着传输距离和波长带宽的增加，光纤色散(chromatic dispersion，cd)会显著增大，其负面影响不容忽视。为了提升通信容量和传输距离，光纤色散是一个必须要解决的问题，对其进行补偿等操作的前提条件是必须知道其分布，因此光纤色散测量对于光纤通信行业和其它涉及光纤的领域、比如超快激光脉冲在光纤中的传输，具有重要的意义。此外，零色散波长的准确测量及其使用，才有可能实现超远距离的光纤通信。光纤色散包含材料色散和波导色散，利用sellmeier色散方程和纤芯材料的色散系数只能计算出材料色散，故需通过实际测量来获得包含材料色散和波导色散才内的全部光纤色散。

2、目前已有多种光纤色散的测量方法，主要可分为时延法、调制相移法和干涉法等。时延法直接测量不同波长的时间延迟，然后对其求取关于波长的导数来获得色散。此方法操作简单，但受光源稳定性和低光谱分辨率的影响，其测量精度较低。调制相移法通过测量光源发出的不同波长光信号、对其进行正弦相位调制后的相对相移差，来获得各波长的群时延，其对波长的导数即为色散。该方法具有较高的测量精度和稳定性，但需使用昂贵的可调谐激光器来输出不同的波长信号、和光谱分析仪来实时监测输出波长，使得系统成本大为增加，波长调谐和移相操作又增加了测量时间。干涉法将光纤样品作为干涉仪的一臂，通过采集干涉信号、并对其进行各种数据处理，来获得各波长的群时延。干涉法具有测量精度高和结构简单等优点，但现有的大部分方法在测量过程中均需调节参考臂，导致测量时间长和稳定性下降。发展一种能克服前述问题的新型光纤色散测量系统与方法，很有必要。

3、光学相干层析成像术(optical coherence tomography，oct)也属于干涉技术，但它是一种非相干或低相干干涉技术，也就是使用非相干或低相干宽带光进行成像与测量的技术。宽带光的使用为宽光谱范围内的光纤色散测量提供了便利，再加上目前广泛使用的频域(或傅里叶域)oct技术无需参考光的轴向机械扫描即可获得深度方向的全部信息，使得成像速度和系统稳定性获得了大幅提升，这些特征为把其应用于光纤色散测量提供了可能。频域oct包含谱域(spectral-domain)和扫频(swept-source)oct这两种具体实现方式，该技术本身目前还不能实现光纤色散测量这一目的。

4、光谱oct(spectroscopic oct)技术在oct技术的基础上又增加了光谱这一信息维度，加上oct技术本身获得的图像信息，使其成为一种图谱合一的功能型成像技术，目前主要被用于生物医学领域的高对比度和特异性成像、或组织成分测定等。光谱oct技术通过对oct系统采集到的干涉信号进行时频分析，来获得不同深度位置(即样品光束与参考光束之间的光程差)处的光谱信息；而光纤色散就是不同光谱分量具有不同的时间延迟，时间延迟可换算成空间延迟，也就是不同光谱分量具有不同的光程差。可见这二者是等效的，光谱oct技术在原理上可用于光纤色散测量。从干涉信号提取光谱信息的时频分析方法，主要包括线性和双线性时频分布方法：前者受光谱分辨率和空间分辨率不可兼得这一固有矛盾、即测不准原理的制约，主要有短时傅里叶变换和小波变换等方法；后者不受前述矛盾的制约，主要有魏格纳分布(wigner-villedistribution，wvd)等方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于光谱oct技术的光纤色散测量系统与方法，具体采用扫频oct系统来采集干涉信号，然后利用魏格纳分布这一时频分析方法来获取光谱信息，通过一系列数据处理来获得在宽光谱范围内的光纤色散分布。本发明具有系统简单和稳定性高、操作容易、信号采集时间短、同时高光谱和高空间分辨率、可测量的光纤长度范围宽等优点。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光谱oct技术的光纤色散测量系统，包括扫频光源、第一耦合器、第一准直器、第二准直器、参考镜、平移台、第三准直器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第二耦合器、平衡探测器、数据采集卡、计算机、第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤、第一信号线、第二信号线、和第三信号线；

3、扫频光源发出的光信号经第一光纤传输至第一耦合器时被分成两部分，分别经第二光纤和第三光纤传输后进入参考臂和样品臂；进入参考臂的参考光信号，被第一准直器准直后入射参考镜，由参考镜返回的光信号由第一准直器接收和经第二光纤传输至第一耦合器，然后经第四光纤传输至第二耦合器的一入射端，经过第二耦合器时被分成两部分、分别经第六光纤和第七光纤传输至平衡探测器；进入样品臂的样品光信号，被第二准直器准直后，由第三准直器耦合进光纤样品中传输，再经第五光纤传输至第二耦合器的另一入射端，经过第二耦合器时被分成两部分、分别经第六光纤和第七光纤传输至平衡探测器；平衡探测器把接收到的光信号转化为电信号，并经第二信号线传输至数据采集卡进行信号的模数转化和采集，然后经第三信号线传输至计算机进行处理；

4、参考镜固定在平移台上，第一偏振控制器和第二偏振控制器分别安装在第四光纤和第五光纤上，扫频光源输出的扫描同步触发信号经第一信号线传输至数据采集卡。

5、进一步的，平移台带着参考镜轴向移动，来调节参考光信号和样品光信号之间的光程差，直至产生干涉信号；通过调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，来分别调节参考光信号和样品光信号的偏振态，直至干涉条纹的信号最强和形状规则。

6、本发明的另一方面，提出一种基于光谱oct技术的光纤色散测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

7、步骤1：计算重映射矢量和系统残余色散系数；采集不装入光纤样品时的干涉信号，用于计算干涉信号在波数k空间线性重采样所需的重映射矢量、和补偿系统自身残余色散所需的色散系数，具体包括如下步骤：

8、步骤11：不装入样品时的干涉信号采集；不装入光纤样品，轴向调节参考镜，直至出现最佳干涉信号，由平衡探测器采集的干涉信号is(k)可表示为：

9、

10、式中：k为波数，isr(k)和iss(k)分别为参考光和样品光的信号强度，δz为参考光和样品光之间的光程差，ns(k)为暗电流噪声信号；前两项为直流背景信号，第三项为参考光和样品光之间形成的互相干信号；

11、步骤12：背景信号和暗电流噪声信号的消除；挡住样品臂，采集由参考臂返回的光信号isr(k)；挡住参考臂，采集由样品臂返回的光信号iss(k)；同时挡住样品臂和参考臂，采集系统的暗电流噪声信号ns(k)；从干涉信号is(k)中减去采集到的isr(k)、iss(k)和ns(k)，得到消除背景信号和暗电流噪声信号的干涉信号i′s(k)，可表示为：

12、i′s(k)＝c·cos(k·δz) (2)

13、其中c是常数；

14、步骤13：重映射矢量的计算；利用干涉信号i′s(k)及其希尔伯特变换结果，通过反正切运算来获得包裹在-π/2～π/2范围内的相位信息，再通过相位解包裹处理来获得干涉信号i′s(k)的“采样点-相位θ”曲线，其中相位θ的计算方法如下：

15、θ＝unwrapping{arctan[ht(i's(k))/i's(k)]} (3)

16、式中：ht、arctan和unwrapping分别表示希尔伯特变换、反正切和相位解包裹操作；利用相位θ与波数k之间的线性关系来求取重映射矢量，具体做法为：对相位θ进行等间距划分，在“采样点-相位θ”曲线上与这些等间距相位点相对应的采样点，就构成了重映射矢量；

17、步骤14：干涉信号在波数k空间线性重采样；以重映射矢量为插值节点，利用插值算法对干涉信号i′s(k)进行重采样，获得在波数k空间均匀分布的干涉信号i”s(k)；

18、步骤15：系统自身残余色散系数的计算；同步骤13一样，通过希尔伯特变换、反正切和相位解包裹操作来获得干涉信号i”s(k)的相位分布；泰勒多项式可表示为：

19、θ(k)＝θ(k0)+a1(k-k0)+a2(k-k0)2+a3(k-k0)3+… (4)

20、式中：k0是中心波数，a1、a2和a3分别是一阶、二阶和三阶系数；利用泰勒多项式对相位分布进行拟合可求得各阶系数，本发明只需使用二阶系数a2对系统的残余色散进行补偿即可获得很好的结果；

21、步骤2：装入样品时的干涉信号采集；加入光纤样品，轴向调节参考镜，直至出现最佳干涉信号，由平衡探测器采集的干涉信号ifs(k)可表示为：

22、

23、式中：ifsr(k)、ifss(k)和nfs(k)分别为加入光纤样品时的参考光信号强度、样品光信号强度、和暗电流噪声信号，δz(k)是与波数k相关的光程差；

24、步骤3：背景信号和暗电流噪声信号的消除；同步骤12一样，对干涉信号ifs(k)进行减背景信号和暗电流噪声信号处理后，获得的干涉信号i′fs(k)可表示为：

25、i′fs(k)＝c′·cos[k·δz(k)] (6)

26、其中c'是常数；

27、步骤4：干涉信号在波数k空间线性重采样；同步骤14一样，利用步骤13获得的重映射矢量，利用插值算法对干涉信号i′fs(k)进行线性重采样处理后，获得干涉信号i”fs(k)；

28、步骤5：低通滤波消除高频噪声干扰；对干涉信号i”fs(k)进行数字低通滤波处理，来消除毛刺等高频噪声信号的干扰；数字低通滤波器的截止频率f由下式计算：

29、

30、式中：δυ＝c(1/λ1-1/λ2)是光源的光频带宽，其中c是真空中的光速，λ1和λ2分别是光源的起始和终止波长；δt是光源的扫频时间；δz(k1)是最大光程差，其中k1是波长λ1对应的波数；对干涉信号i”fs(k)进行低通滤波后得到干涉信号ifs_fi(k)；

31、步骤6：系统自身残余色散的补偿；对干涉信号ifs_fi(k)的相位乘以色散补偿相位得到补偿系统残余色散后的干涉信号ifs_comp(k)，其中系数a2由步骤15获得；

32、步骤7：时频分析提取光谱分布信息；对干涉信号ifs_comp(k)进行时频分析，获得波长和光程差之积的二维分布，在此分布上，波长和光程差之间不是一一对应关系；

33、步骤8：求取一一对应的“波长-光程差”分布；在波长和光程差之积的二维分布上提取不同波长对应的光程差信息，并绘制“光程差-信号强度”分布；在“光程差-信号强度”分布上，利用寻峰算法找到峰值强度对应的光程差位置；由这些峰值光程差和对应的波长就构成了“波长-光程差”测量数据点，对测量数据点进行多项式拟合来获得连续分布的、一一对应的“波长-光程差”曲线；

34、步骤9：计算光纤样品的色散；在“波长-光程差”曲线上，求取光程差关于波长的导数，并利用下式来计算光纤样品的色散cd分布：

35、

36、式中：l为光纤样品的几何长度，d(δz)/dλ是光程差关于波长的导数。

37、本发明与现有技术相比的有益效果是：

38、1)本发明首次提出了基于光谱oct原理的光纤色散测量系统与方法，具体采用扫频oct系统来采集干涉信号、利用魏格纳分布这一时频分析方法来从干涉信号中提取光谱信息、并利用提出的数据处理流程与方法，来获得在宽光谱范围内的连续测量结果。光谱oct目前主要被用于生物医学领域的高对比度和特异性成像、和组织成分测定等方面，还从未被用于色散测量。

39、2)本发明具有很多突出优点，主要包括：(1)系统简单和操作容易。无需稳定的可调谐光源及调制器件以输出不同的波长分量，也无需精密运动机构来调节光程等，使得系统成本显著降低。无需复杂的系统调节和信号采集过程，使其可应用于某些特殊场合、比如生产现场、甚至野外等，而不只是在室内环境中使用；(2)系统稳定性高和信号采集时间短。在系统调节和样品装调完成后，测量过程中无需任何调节、只需一次信号采集即可获得宽光谱范围内的连续测量结果。本发明实施例采用的1060nm系统，信号采集时间只需10μs，可避免测量过程中由于环境振动等带来的干扰；(3)测量精度高。在本发明的实施例中，采用了魏格纳分布来提取光谱信息，可同时获得高光谱和高空间分辨率：光谱分辨率在亚纳米量级、空间分辨率小于10μm水平；(4)可测量的光纤长度范围广。样品过短，由其引起的色散小，对测量系统和方法的灵敏度提出了较高要求；样品过长，由其引起的色散会超出量程而不能测量。本发明实施例在1060nm波段对sm980-5.8-12型光纤样品进行测量，可测量的光纤长度范围为0.016～10m，可测量短样品有助于降低样品成本。

40、3)本发明提出的方法是一种普适的色散测量方法。除了用于光纤色散测量外，只需对系统稍作改动，就可用于其它光学材料的色散测量，使其具有广泛的应用价值。本发明使用了扫频oct系统来采集干涉信号，也可利用另一主流oct——谱域oct系统来采集信号。从干涉信号提取光谱信息的时频分析技术的种类较多，如短时傅里叶变换、小波变换、和同步压缩短时傅里叶变换等，任何能同时获得高光谱和高空间分辨率的方法均可使用。