【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及光譜分析，尤其是基于相位噪聲功率譜分析的高分辨率相干光譜重構方法。
技術介紹
1、光譜分析技術廣泛應用于光纖傳感、光計量和光通信等領域中，其光譜分辨力、動態范圍等指標直接決定了光纖傳感的傳感極限、信道間隔、激光器線寬、邊摸抑制比等技術指標。隨著密集波分復用、高速光通信以及光頻梳等領域的高速發展，基于光柵衍射原理的傳統的譜儀(分辨率通常在1.25ghz左右)已經不能滿足高分辨力、大動態范圍、快速掃描的要求，并成為限制光傳感、光計量和光通信技術發展的重要因素之一?，F代高分辨率光譜儀主要有兩個技術方向：基于受激布里淵散射的布里淵光譜儀(bosa)和基于外差相干的相干光譜儀(cosa),其中bosa對環境振動較為敏感，魯棒性較差。cosa則是基于待測光信號(sut)與線性掃頻的本振光信號(lo)進行拍頻處理，并根據lo頻率與時間的映射關系重構sut光譜，具有良好的魯棒性和高分辨力。
2、cosa需要對濾波后的sut和lo拍頻信號進行有限帶寬內的功率統計以獲得相應頻率的sut相對光功率，該過程受到sut和lo的相位噪聲影響較大。2002年，美國安捷倫實驗室系統研究了cosa的掃描速率、分辨力和功率不確定性之間的相互制約關系，研究表明，cosa的分辨力、功率不確定性與帶通濾波器頻率和帶寬有直接關系，且分辨力與功率不確定性成反比，功率不確定性與掃描速率成正比。三者的相互制約限制了cosa的發展。
3、以單色sut為例，如圖1所示，cosa的光譜重構原理是基于sut與lo拍頻的時域和頻域信號均具有相同的線性
4、對于非單色sut，基于帶通濾波的cosa光譜分辨力取決于帶通濾波器的頻率及帶寬，具體表示為2f0+δf，其中f0為濾波器的中心頻率，δf為濾波器帶寬。為獲得較高的光譜分辨力，需要盡可能降低濾波器的頻率和帶寬，但拍頻信號的低頻部分受sut和lo的相位噪聲影響，信號幅度隨噪聲變化明顯，功率不確定性增大。不能準確測得sut的相對光功率，從而導致cosa的動態范圍降低，且不能一味降低窄帶濾波器頻率以獲得高分辨力。
5、2016年，哈爾濱工業大學的馮昆鵬等人基于窄帶濾波器實現了6mhz分辨率的cosa。2018年，哈爾濱工業大學的吳偉東采用維納卷積算法將cosa的分辨率進一步提升至5mhz。上述研究表明，相干光譜分析技術在超高分辨率光譜分析領域具有良好的發展和應用前景，但仍存在掃描速率低、功率不確定性與分辨力相互制約的問題。
技術實現思路
1、本申請的目的在于提供基于相位噪聲功率譜分析的高分辨率相干光譜重構方法，旨在解決上述現有技術中的問題。
2、本申請提供了基于相位噪聲功率譜分析的高分辨率相干光譜重構方法，包括相干光譜儀系統，所述相干光譜儀系統包括光路、光電轉換和數據處理，光路部分包括線性啁啾的本振光和待測光信號，線性啁啾的本振光和待測光信號各連接一個光隔離器，兩個光隔離器連通光纖耦合器；光電轉換部分包括平衡光電探測器，所述平衡光探測器上游與光電耦合器連通，平衡光探測器下游與低通濾波器連通；數據處理部分包括數據采集、時域傅里葉變換、時域頻譜疊加和待測信號光譜重構，將本振光進行多次掃頻后獲得的原始數據進行時域傅里葉變換，并通過時域頻譜疊加進行待測信號光譜重構。
3、進一步地，所述相干光譜儀系統工作流程如下：本振光和待測光信號通過光隔離器以防止反射光對光源的影響，并通過光纖耦合器產生干涉行為，設本振光的初始相位為角頻率為ωlo＝ω0+γt，γ為本振光的啁啾率，ω0為本振光的初始角頻率，振幅為elo，則同理，設待測光信號的初始相位為角頻率為ωsut,振幅為esut，則本振光和待測光信號在光纖耦合器內發生外差干涉，形成拍頻信號，光纖耦合器的兩個輸出端口連接平衡光電探測器，則平衡光電探測器所測得的電流信號的交流部分可表示為其中，為本振光和待測光信號的相位差。
4、進一步地，采用低通濾波，根據拍頻信號各頻率差δω受相位噪聲影響程度的不同，對拍頻信號進行時域傅里葉變換，低頻差部分的相位噪聲頻率分布廣且幅值大，相對的高頻差部分的相位噪聲頻率幅值較小。
5、進一步地，對各頻率差的頻譜進行積分獲得待測光信號各頻率差的相對功率，實現對待測光信號光譜的重構。
6、進一步地，采用直接調制線寬為100mhz的分布式反饋激光器作為本振光。
7、本專利技術的有益效果是：本專利技術的相干光譜儀系統較于傳統的相比結構更加簡化，不再需要窄帶濾波器對拍頻信號進行預處理，將傳統相干光譜儀所采用的帶通濾波方案，替換為相位噪聲分析方案；光譜分辨力進一步提高至所采用的本振光線寬極限，突破了傳統相干光譜儀光譜分辨力取決于窄帶濾波器頻率和帶寬的限制。
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1.基于相位噪聲功率譜分析的高分辨率相干光譜重構方法，其特征在于，包括相干光譜儀系統，所述相干光譜儀系統包括光路、光電轉換和數據處理，光路部分包括線性啁啾的本振光和待測光信號，線性啁啾的本振光和待測光信號各連接一個光隔離器，兩個光隔離器連通光纖耦合器；光電轉換部分包括平衡光電探測器，所述平衡光探測器上游與光電耦合器連通，平衡光探測器下游與低通濾波器連通；數據處理部分包括數據采集、時域傅里葉變換、時域頻譜疊加和待測信號光譜重構，將本振光進行多次掃頻后獲得的原始數據進行時域傅里葉變換，并通過時域頻譜疊加進行待測信號光譜重構。
2.根據權利要求1所述的基于相位噪聲功率譜分析的高分辨率相干光譜重構方法，其特征在于，所述相干光譜儀系統工作流程如下：本振光和待測光信號通過光隔離器以防止反射光對光源的影響，并通過光纖耦合器產生干涉行為，設本振光的初始相位為角頻率為ωLO＝ω0+γt，γ為本振光的啁啾率，ω0為本振光的初始角頻率，振幅為ELO，則同理，設待測光信號的初始相位為角頻率為ωSUT,振幅為ESUT，則本振光和待測光信號在光纖耦合器內發生外差干涉，形成拍頻信號，光纖耦合器的兩
3.根據權利要求1所述的基于相位噪聲功率譜分析的高分辨率相干光譜重構方法，其特征在于，采用低通濾波，根據拍頻信號各頻率差Δω受相位噪聲影響程度的不同，對拍頻信號進行時域傅里葉變換，低頻差部分的相位噪聲頻率分布廣且幅值大，相對的高頻差部分的相位噪聲頻率幅值較小。
4.根據權利要求3所述的基于相位噪聲功率譜分析的高分辨率相干光譜重構方法，其特征在于，對各頻率差的頻譜進行積分獲得待測光信號各頻率差的相對功率，實現對待測光信號光譜的重構。
5.根據權利要求1所述的基于相位噪聲功率譜分析的高分辨率相干光譜重構方法，其特征在于，采用直接調制線寬為100MHz的分布式反饋激光器作為本振光。
...【技術特征摘要】
1.基于相位噪聲功率譜分析的高分辨率相干光譜重構方法，其特征在于，包括相干光譜儀系統，所述相干光譜儀系統包括光路、光電轉換和數據處理，光路部分包括線性啁啾的本振光和待測光信號，線性啁啾的本振光和待測光信號各連接一個光隔離器，兩個光隔離器連通光纖耦合器；光電轉換部分包括平衡光電探測器，所述平衡光探測器上游與光電耦合器連通，平衡光探測器下游與低通濾波器連通；數據處理部分包括數據采集、時域傅里葉變換、時域頻譜疊加和待測信號光譜重構，將本振光進行多次掃頻后獲得的原始數據進行時域傅里葉變換，并通過時域頻譜疊加進行待測信號光譜重構。
2.根據權利要求1所述的基于相位噪聲功率譜分析的高分辨率相干光譜重構方法，其特征在于，所述相干光譜儀系統工作流程如下：本振光和待測光信號通過光隔離器以防止反射光對光源的影響，并通過光纖耦合器產生干涉行為，設本振光的初始相位為角頻率為ωlo＝ω0+γt，γ為本振光的啁啾率，ω0為本振光的初始角頻率，振幅為elo，則同理，設待測...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王曰海，郝子鑒，戴庭舸，
申請(專利權)人：浙江大學紹興研究院，
類型：發明
國別省市：
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