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基于连续波强度动态自扫光纤激光器的光频域反射系统中的信号处理

分类： 博客Blogs 发布日期： 2025-10-17

光纤中的光反射术 (OR) 是分布式传感/测量的主要技术之一 [ 1 ]。基于 OR 的方法涵盖了广泛的温度、应变和振动测量任务。在这些任务中，传感光纤的长度可以超过 100 km [ 2 ]，而空间分辨率可以达到亚毫米级 [ 3 ]。OR 基于探测辐射沿光纤传播时发生的局部光散射测量。OR 的主要类型之一是基于瑞利光散射 (RLS) [ 4,5 ] 。它是在所有常用光纤芯中存在的折射率微观不均匀性的弹性光散射。根据探测辐射的性质，这种类型的 OR 可以分为两个主要分支。在 OR 的分支中，时域和频域分别使用具有固定光频的脉冲探测辐射和连续波 (CW) 可调探测辐射。

光时域反射仪 (OTDR) 基于对短（纳秒）脉冲产生的散射/反射信号的测量。当脉冲沿光纤传播时，散射/反射信号返回激光源，其时间延迟与激光器和局部散射体/反射体之间的距离成正比 [ 6 ]。OTDR 的结果是反射图，显示了反射幅度/散射体密度与光纤纵坐标的关系。在这种情况下，最大传感线长度仅受光纤损耗的限制，可达数十公里 [ 7 ]。同时，空间分辨率受脉冲持续时间的限制，通常以米为单位 [ 7 ]。

反过来，在光频域反射仪 (OFDR) 中，局部响应也可能与散射信号延迟有关。然而，分析的信号是在干涉双光束配置中测量的，其中使用具有光频调谐的相干探测辐射来构建干涉图。分别通过干涉仪的测试臂和参考臂的散射信号和参考信号之间的相对延迟包含在干涉图的光谱振荡频率中 [ 8,9 ]。使用快速傅里叶变换 (FFT) 对此类干涉图进行光谱分析，可以构建反射图并实现高空间分辨率（单位甚至几分之一毫米），但代价是减少传感光纤线 [ 10 ] 。传感线通常长度为几十米。这种传感线可用于分布式测试各种系统和组件、检测裂缝和监测建筑健康 [ 11,12 ] 。

OFDR 需要使用具有频率调谐能力的高度相干激光源。傅里叶分析的使用对频率调谐的线性度提出了严格的要求。通常，半导体可调谐激光器被用作探测辐射源。这种激光器的光频率调谐率通常具有非线性[ 10 ]。在绝大多数 OFDR 文章和专利中，这个问题的解决方式是使用其他方法使激光频率调谐线性化[ 13,14 ]，或者测量激光频率并进一步补偿非线性[ 15,16,17 ]。这种方法的另一种方法是使用频率以固定频率步长逐步变化的激光器。在逐步频率调谐的情况下，线性度是预先实现的，而无需通过外部手段进行校正。这种光源的一种实现方式是光纤自扫激光器[ 18 ]。此类激光器的一个重要特征是，光频率调谐是通过基于粒子数反转光栅[ 18 ]的动态滤波器形成的内部过程实现的，这些滤波器在激光产生过程中直接存在于激活介质中，无需任何额外的外部滤波器。在此类激光器中，光频率以基于激光腔长度确定的固定值（约2~20 MHz）逐脉冲逐步变化。

理论部分

图 1显示了典型 OFDR 系统的光学方案。来自可调谐激光源的辐射进入由两个耦合器（一个循环器和一个 LUT）组成的马赫-曾德尔干涉仪 (MZI)。可调谐探测激光辐射在耦合器 1 处分到 MZI 的参考臂和探测臂之间。在前一个臂中，辐射被引导至耦合器 2，而在后一个臂中，它穿过循环器。穿过循环器后，探测辐射进入 LUT，散射/反射信号再次穿过循环器并与耦合器 2 处来自参考臂的另一个信号发生干涉。在分布式测量的情况下，LUT 表示为一组许多局部反射器。然而，我们注意到，反射器的每个特定位置都对应于干涉仪参考臂和探测臂长度之间的固定差值Δ L。在 MZI 输出端测得的干涉信号E out ( ν ) 通过以下表达式给出：

（1）

其中，E 1、E 2分别为耦合器 2 输出端探测和参考辐射电场的振幅，c为光速，v为探测激光器的光频率。对于点反射器，输出信号与激光频率v呈正弦函数关系。如果存在多个局部反射器并沿 LUT 分布，则输出信号将变为这些具有不同振幅和周期的正弦函数的叠加。图 1展示了一个放置在 LUT 中三个不同位置的局部反射器的示例，以及分别以红色、绿色和蓝色表示近、中、远位置的相应正弦透射函数。对光谱透射函数应用 FFT 来计算与每个反射器相关的 MZI 臂差（时间延迟）。在这种情况下，重建了与每个局部反射器的反射振幅相对应的每个正弦函数的振幅。对于基于 RLS 的 OR，散射中心充当了这样的局部反射器。

本文描述了使用连续波自扫激光器 [ 20 ] 作为可调谐辐射源时的情况。调谐过程以逐步方式进行（图 2a ）。在这种情况下，持续时间为T 的连续水平段除以频域中的固定值——频率调谐步长δν——该值由激光腔的参数确定。在这种情况下，每个水平段内的光频率可以被认为是恒定的（每个段内的波动不超过 50 kHz [ 20 ]）。每个段的持续时间等于模式脉冲T的持续时间，约为几毫秒。[ 20 ] 证实了这些结果，其中对激光模式动力学进行了详细的分析。当光频率逐步变化的辐射穿过 MZI 时，输出端出现幅度调制，透射功率也逐步调制（图 2b）。然后将 MZI 输出的信号数字化。所得信号中每单位时间的点数即为信号采样率。因此，通过MZI波透射的入射光的振幅集合被记录下来，对应于每个光学频率。

值得一提的是，在 OFDR 系统中，可以适当选择窗口函数来使用 FFT 处理测量信号，特别是当 LUT 中存在强反射体时。我们用一个数值例子来说明这个问题。根据表达式 (1)，模型信号是在离散坐标处采样的正弦波（图 3a中的黑线）。为了评估与该信号相对应的反射图，我们使用矩形窗口执行了 FFT（图3b 中的黑色实线）。反射图有一个以调制频率为中心的幅度为 0 dB 的单峰。它有与仪器相对应的宽翼。翼位于相对较高的水平 ~ −35 dB。然而，从 [ 22 ] 得知，必须适当选择正弦波长度以满足所考虑的采样间隔内的周期性条件，并以此方式降低翼的幅度。因此，将采样点的数量减少到更接近正弦周期的倍数（参见图 3a中的红线），可以观察到仪器函数翼电平急剧下降至 −70 dB（图 3b中的红色实线）。这种行为与谱泄漏效应有关 [ 22 ]。降低仪器函数翼电平的另一种方法是改变 FFT 窗函数的形状。Hann 窗是最常用的窗函数之一 [ 22 , 23 ]。使用 Hann 窗时，仪器函数翼电平在距中心峰值较远的地方下降到 −100 dB（图 3b中的黑色虚线）。然而，在这种情况下，中心峰值明显增宽。值得注意的是，尽管使用了不同的窗口，但在这种情况下，正确选择正弦波长度的作用类似。图3b中的红色虚线对应于使用 Hann 窗的 FFT，此时点数更接近正弦函数周期的倍数。然而，在这种情况下，翼状波水平并没有像前一种情况那样显著下降。此外，与 FFT 矩形窗函数相比，工具函数仍然更宽。因此，在选择窗函数时，需要在中心峰的宽度和工具函数翼状波水平之间保持平衡。在处理实验信号时，我们进一步使用了使用 Hann 窗函数的 FFT。

图 3. 模型正弦函数 ( a ) 及其对应的 FFT ( b )，其中点数匹配和非匹配。黑线和红线分别对应非匹配和匹配的点数，实线和虚线分别对应矩形和汉恩窗。

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