光頻域反射儀中激光相位噪聲分析及補(bǔ)償方法研究.pdf

1、分布式光纖傳感和光纖測量技術(shù)隨著光電產(chǎn)業(yè)的成熟，逐漸成為一個新興的技術(shù)領(lǐng)域，其中尤為重要的是光頻域反射儀（OFDR：Optical frequency-domain reflectometry），它能提供相較于傳統(tǒng)的光時域反射儀更高的靈敏度和空間分辨率，因此也受到了廣泛的研究和關(guān)注。但 OFDR中由于光源的相位噪聲的問題，導(dǎo)致OFDR的空間分辨率和測量范圍等性能指標(biāo)都受到了很大的限制。
　　解決OFDR中的相位噪聲問題主要通過兩個

2、手段，即光源的相干性增強(qiáng)，和對接收端的相位噪聲補(bǔ)償。在相干性增強(qiáng)方面，本文提出了新型的相位噪聲評估和測量方法，并針對OFDR中相位噪聲的特性進(jìn)行了測量和分析。在相位噪聲補(bǔ)償方面，本文提出基于延遲匹配采樣的相位噪聲補(bǔ)償方法。
　　本文的主要工作內(nèi)容和創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　1．提出基于功率面積法（PAM：Power-area method）的高精度激光線寬評估方法。
　　隨著窄線寬激光器和激光線寬壓縮技術(shù)的應(yīng)用越

3、來越廣泛，迫切需要高精度評估激光的線寬和線型。雖然利用激光的頻率噪聲譜，通過數(shù)值計算可以得到激光譜線型和線寬，但是計算量很大，不夠直觀。尋求一種直觀而簡單的線寬估計方法成為本領(lǐng)域關(guān)注的研究課題。此前，有文獻(xiàn)報道了一種β-分隔線法的線寬評估方法，可以簡單直觀的觀察頻率噪聲譜對于線型和線寬的影響，但是精度不足，可適用的激光類型有限。本文提出一種功率面積法（PAM：Power-area method）的新型線寬評估方法，實現(xiàn)了對任意頻率噪聲譜

4、的精確評估，本方法不僅具有更高的精度，而且同樣具有簡單和直觀的優(yōu)點。基于本方法也實現(xiàn)了光鎖相控制激光的光譜和延遲自相干拍頻譜的線寬評估。
　　2．提出基于短延遲自外差相干法測量的寬頻范圍激光頻率噪聲譜測量方法。
　　隨著窄線寬激光技術(shù)不斷發(fā)展，對于激光頻率噪聲譜的測量提出新的要求，要求能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)精確測量激光頻率噪聲，目前的激光頻率噪聲譜的測量存在系統(tǒng)復(fù)雜度高、光纖過長引入擾動嚴(yán)重，傅里葉頻率范圍受限等缺點。本論文

5、提出基于短延遲自外差相干法（SDSH：Short-delayed self-heterodyne）的頻率噪聲譜測量方法?；诒痉椒?，利用長度僅15.5 m的短延遲光纖，精確地測量出10 Hz~50 MHz頻率范圍的激光頻率噪聲譜，頻率范圍只受限于數(shù)字采集卡的采樣率和采樣深度，測量系統(tǒng)和數(shù)字處理非常簡單，具有較高的實際應(yīng)用價值。
　　3．提出基于激光本征頻率噪聲提取和重構(gòu)掃頻激光器的動態(tài)頻率噪聲譜的測量方法。
　　針對OFDR

6、中的掃頻激光器，傳統(tǒng)的頻率噪聲譜測量方法不足以體現(xiàn)其動態(tài)特性。本論文提出了一種平均法提取激光本征頻率噪聲，并且結(jié)合分時段 SDSH法重構(gòu)頻率噪聲譜，獲得了掃頻激光的動態(tài)頻率噪聲三維譜圖，另外還實現(xiàn)了鎖相控制的掃頻激光器動態(tài)頻率噪聲譜的測量和分析。動態(tài)頻率噪聲譜能夠提供比傳統(tǒng)測量結(jié)果更準(zhǔn)確的激光瞬態(tài)特性的信息，可用于掃頻激光器、高穩(wěn)定激光器等領(lǐng)域的測量。
　　4．提出基于延遲匹配采樣的OFDR相位噪聲補(bǔ)償方法。
　　在高精度的

7、OFDR系統(tǒng)中必須采用相位噪聲的補(bǔ)償。已報道的相位噪聲補(bǔ)償方法中，均存在相位噪聲估計不準(zhǔn)確、長延遲光纖引入附加抖動等問題。本論文基于基于延遲匹配采樣的激光相位噪聲測量技術(shù)，提出短光纖OFDR相位噪聲補(bǔ)償方法，提高了激光相位噪聲估計和補(bǔ)償?shù)木龋?00米處將分辨率提升了2857倍，較大幅度提升了OFDR的性能。
　　本論文研究工作是在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）課題“光波相位控制機(jī)理與毫米波穩(wěn)相傳輸器件（課題編號：201