光频域反射技术中激光相位噪声影响分析
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相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)是一种用于监测光纤线路范围内振动信号的分布式光纤传感器,它在远程实时监测方面具有独特优势。
关于相位敏感光时域反射仪及其衰落噪声问题的研究,可以从以下几个方面进行了解:
1. 技术原理:φ-OTDR基于光时域反射技术(OTDR),通过分析瑞利散射产生的相位变化来实现对光纤中事件的检测。
它可以捕捉到光纤中的微小变化,如温度、压力或振动等。
2. 应用领域:由于其高灵敏度和分布式监测能力,φ-OTDR被广泛应用于边界安全、管道监控、铁路监测等多个领域。
3. 衰落噪声问题:在实际应用中,φ-OTDR可能会受到衰落噪声的影响,这会降低系统的性能。
衰落噪声通常与光纤中的非线性效应、光源的相干性以及环境因素有关。
4. 研究进展:目前,国内外的研究主要集中在如何提高φ-OTDR的抗噪性能,以及如何通过信号处理技术来减少衰落噪声的影响。
这包括使用更先进的算法、改善系统设计和采用新的光纤材料等方法。
5. 未来展望:随着技术的不断进步,可以预见φ-OTDR将在性能上得到进一步提升,特别是在衰落噪声问题的解决上,将有助于扩大其在各种监测场景中的应用范围。
综上所述,相位敏感光时域反射仪作为一种先进的光纤传感技术,其研究和开发对于提高监测系统的精确度和可靠性具有重要意义。
而衰落噪声作为影响其性能的关键因素之一,是当前研究的热点和难点。
随着相关技术的突破,φ-OTDR有望在未来的光纤传感领域中发挥更大的作用。
激光中的噪声胡静【摘要】本文从噪声的基本定义出发,综述了目前在各个学术领域噪声的基本分类,再以激光中的噪声为例,讨论了不同的噪声类型,和激光中的噪声可诱导激光系统发生相变的现象.【期刊名称】《赤峰学院学报(自然科学版)》【年(卷),期】2010(026)005【总页数】2页(P112-113)【关键词】噪声;激光;相变【作者】胡静【作者单位】南京邮电大学,江苏,南京,210003【正文语种】中文【中图分类】TN24通常意义的噪声是指物体做无规则振动时发出的声音.一般有三种意义:(1)在物理上指不规则的,间歇的或随机的声振动,例如:当物体发生冲击时,大量的动能在短时间内要转成振动或噪音的能量,而且频率分布的范围非常的广. (2)对人的影响方面,任何的难听的,不和谐的声音或干扰,妨碍人们正常休息、学习和工作的声音,以及对人们要听的声音产生干扰的的声音.(3)使用频带内的任何不需要的干扰.噪声干扰不仅是由声音的物理性质决定,还与人们的心理状态有关,与工程中的实际需要有关.如:在电路中,噪声指由于电子持续的杂乱运动形成频率范围很宽的干扰,例如散粒噪声,热噪声等.在可能混淆时应该注明“声噪声”或“电噪声”.瞬时值不能预先确定的一种振动.它可以是幅值对时间的分布满足正态(高斯)分布的声或电信号.普通热噪声是空气中分子无规则运动的结果;电子的无规则运动也是产生电噪声的原因.无规则噪声在很宽的频率范围内具有连续的频谱.按照噪声的频谱特性的不同,可以把噪声如下分类:1.1 白噪声指频谱连续而均匀的噪声.“白”字是从光谱学名词中借用的,表示各频率的能量是均匀分布的.因此,白噪声在很宽频率范围内,用固定带宽测量时,在线性频率坐标系中能量分布是均匀的;在对数频率坐标系中,其能量分布每倍频程上升3分贝.白噪声有两种含义:(1)指加于声源上的电信号具有白噪声的特性;(2)指声场具有白噪声的特性,宽频带内幅度(强度)均为随机的一类噪声.理想的白噪声具有无限带宽,因而其能量是无限大,实际的工程应用中,研究人员常常将有限带宽的平整讯号视为白噪音,因为这让噪声在数学分析上更加方便.白噪声在数学处理上比较方便,因此它是系统分析的有力工具,只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用系统的带宽,并且在该带宽中其频谱密度基本上可以作为常数来考虑,就可以把它作为白噪声来处理1.2 粉红噪声指在很宽频率范围内用等比例频带宽度测量时,频谱连续而均匀的噪声.“粉红”两字是从光谱学中借用的,表示相对于白噪声而言,它的低频成分较多.因此它在对数频率坐标系中的能量分布是均匀的,而在线性频率坐标系中其能量分布每倍频程下降3分贝.粉红噪声有两种含义:(1)指加于声源上的电信号具有粉红噪声的特性;(2)指声场具有粉红噪声的特性.粉红噪音是自然界最常见的噪音,简单说来,粉红噪音的频率分量功率主要分布在中低频段.从波形角度看,粉红噪音是分形的,在一定的范围内音频数据具有相同或类似的能量.从功率(能量)的角度来看,粉红噪音的能量从低频向高频不断衰减,曲线为1/f,通常为每8度下降3分贝.用粉红噪音可以模拟出比如瀑布或者下雨的声音.2.1 激光噪声研究的历史背景激光中的噪声是指激光器输出激光的振幅,相位或频率发生随机起伏的现象.如在氦氖气体激光其中,按成因噪声可分为:(1)基本噪声:自发辐射或辐射场的起伏效应以及光的波粒二相性导致的噪声,其水平一般很低;(2)多模噪声:在自由运转(即未锁模)的多模激光器中,各振荡模的振幅随时间变化,位相也存在着随机起伏,这是由于工作物质的非线性引起的一种低频强度噪声,其频谱一般分布在几十千周范围内,强度低于等离子体噪声,在一千周的范围内,它的强度低于振动噪声;(3)振动噪声:各种振动源(热学的波动,声学的和机械的振动,电极的颤动等)会引起谐振腔反射镜面沿轴方向平移和饶、绕镜面的中心线转动.前者引起振荡频率的起伏,从而导致输出功率的变化;后者主要影响腔内损耗大小.振动噪声频谱主要分布在低频范围内(尤其是在10^3周的数量级内);(4)等离子体起伏噪声:这是直流放电激励的氦氖激光器低频噪声的最重要来源,主要是由于电子温度,电子密度及等离子体密度等参量的起伏造成的.噪声水平与放电电流噪声之间有密切的关系,故等离子体起伏噪声又称电流调制(或激励)噪声.一般说来,物理系统在运行过程中都存在着一定的涨落,引起涨落的主要原因是系统中存在噪声.噪声一般可以分为两种类型,一种是系统的内部动力学所产生的内噪声,另一种是外部环境的运动对系统的影响所产生的外噪声.在激光系统中,内噪声亦指由原子的自发跃迁产生的加性量子噪声,而外噪声指外界环境扰动产生的乘性噪声.无论是加性噪声还是乘性噪声都影响激光系统在运行过程中的稳定性,因而在激光的应用中,找出起主导作用噪声源,进而提出抑制噪声的方法,就成为激光应用中的重要课题之一.比如,对He-Ne激光器等气体激光系统而言,加性噪声在其运行过程中起主导作用,乘性噪声的影响则可以忽略不计.而对于染料激光器等液体激光系统,乘性噪声对系统的行为起着十分重要的影响,因此就要同时考虑加性噪声和乘性噪声的影响.二十世纪八十年代初期,人们发现染料激光系统阈值附近的行为不能用传统的单模气体激光理论来分析[1],主要原因是染料分子的三重态对阈值附近的激光的行为有一定的影响,这样就需要考虑乘性噪声的作用.在实验与理论比较中发现,仅含有乘性白噪声的染料激光模型的理论不能很好地与实验曲线拟合.人们用数值类比拟合实验数据的方式证实[2],同时含有加性白噪声和乘性色噪声的激光理论能很好地描述系统在阈值附近的动力学行为.2.2 激光中噪声的作用在特定过程中,随机力是导致序的形成及相变的关键因素.研究非线性激光系统中由噪声诱导的非平衡相变是近年来国际学术界十分活跃的课题之一.描述激光场运动的非线性方程中含有两种不同性质的噪声,一种是表征自发辐射的量子噪声,即加性噪声;另一种是描述环境扰动引起的抽运涨落,即乘性噪声.一般说来,在描述激光场运动的非线性郎之万方程中含有两种不同性质的噪声.一种是白噪声,即噪声的自相关时间T=0.另一种是色噪声,即噪声的自相关时间T 不为O,而是有限值.在研究染料激光系统的统计性质时,人们发现了染料激光反常的统计性质同系统中存在的乘性色噪声有关,与在阈值附近的二级相变类比不同的是,这里观测到的结果是由抽运涨落引起的一级相变类比,定态分布函数的极值点随序参数出现了不连续的变化.同样,激光系统中由于抽运涨落引起的反常统计性质受到人们的高度重视.在染料激光和加入乘性噪声的氦氖激光等激光系统中,人们观察到强度涨落的加强.人们认识到要对抽运涨落建立正确的模型,必须考虑色噪声,也就是有一定相关时间的噪声.实际激光系统中存在许多噪声相关时间较长而不能作白噪声处理的系统,所以研究噪声相关时间对随机系统各种物理性质的影响尤其重要.对色噪声,常用的处理方法是引进新变量,把低维空间中的色噪声转化成高维空间中的白噪声来加以处理.随着空间维数的增大,与郎之万方程相应的福克-普朗克方程的计算工作量大为增加.应用泛函导数,可以不增加随机变量的维数,近似处理有色噪声问题.因此,这种方法引起了人们的极大兴趣.人们对各种激光模型研究由噪声诱导的非平衡相变,从单模激光到双模激光,从含有白噪声的激光模型到含有色噪声的激光模型,从含非相关噪声的激光模型到含有相关噪声的激光模型的,但是光学系统中的非平衡相变还期待着人们进一步做更全面的研究.自从上世纪六十年代第一台激光器问世以来,激光技术的运用已深入到人们生活的各个领域.人们想方设法地抑制激光系统中噪声,使得激光测量的精度大大提高,或者利用激光系统中的噪声,使激光技术的运用更加深入.【相关文献】〔1〕Kaminishi K.,Roy R.,Short R.and Mandel L.,“Investigation of photon statistics andcor relations of a dye laser”,Phys.Rev.A,1981,Vol.24,1,370-378.〔2〕Lett P.,Short R.and Mandel L., “Photon Statistics of a Dye Laser Far Below Threshold”,Phys.Rev.Lett., 1984,Vol.52,5,341-343.〔3〕胡岗.随机力与非线性系统.上海科技教育出版社,1994.。
相位敏感光时域反射仪及其衰落噪声问题研究全文共四篇示例,供读者参考第一篇示例:引言光时域反射仪是一种用于测量光脉冲在光纤中传输过程中的反射信号的仪器。
它主要通过测量反射光脉冲与发送光脉冲之间的时间差来确定反射点的位置,从而实现在光纤中进行定位和检测的功能。
在光通信领域中,光时域反射仪被广泛应用于网络故障检测、光纤连接质量测试等方面。
在实际应用过程中,相位敏感光时域反射仪也面临着一些挑战,其中之一就是衰落噪声问题。
衰落噪声是指在光信号传输过程中由光纤本身的光衰减、光学器件衰减等因素引起的信号质量下降现象。
衰落噪声会对反射信号的测量精度和准确性产生影响,严重影响光时域反射仪的性能。
本文将从相位敏感光时域反射仪的原理和结构、衰退噪声的产生原因和影响以及降低衰退噪声的方法等方面进行探讨,旨在深入了解相位敏感光时域反射仪及其衰落噪声问题,为光通信领域的研究和发展提供参考。
一、相位敏感光时域反射仪的原理和结构相位敏感光时域反射仪是一种基于相位测量原理的光时域反射仪,它主要由光源、光纤、光学模块和信号处理模块等组成。
具体原理如下:1. 光源:光源是产生发送光脉冲的部件,常用的光源有激光二极管、激光器等,发送光脉冲的特性将直接影响反射信号的质量和测量精度。
2. 光纤:光纤是光信号传输的媒介,光脉冲经过光纤传输后会被反射回来,光纤的损耗和色散会影响反射信号的形状和强度。
3. 光学模块:光学模块包括光路设置、光路延迟补偿和相位测量等部分,其中相位测量是相位敏感光时域反射仪的核心部分,通过测量反射光脉冲与发送光脉冲之间的相位差来确定反射点的位置。
4. 信号处理模块:信号处理模块主要用于对反射信号进行解调、放大、滤波等处理,从而得到准确的反射信号数据。
相位敏感光时域反射仪具有测量精度高、分辨率高的优点,适用于对光纤中微弱反射信号的测量和分析。
二、衰退噪声的产生原因和影响衰退噪声是光信号传输过程中常见的一种噪声现象,其原因主要包括:1. 光纤的光衰减:光信号在光纤中传输时会受到光衰减的影响,主要原因是光纤材料的损耗和光信号在光纤中的传输损耗等。
相位噪声的产生原因和影响概述相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。
在理想情况下,一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒,每500ns有一个跳变沿。
但不幸的是,这种信号并不存在。
如图1所示,信号周期的长度总会有一定变化,从而导致下一个沿的到来时间不确定。
这种不确定就是相位噪声,或者说抖动。
相位噪声是频率域的概念。
相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式,其结果在频率域内显示。
用一个振荡器信号来解释相位噪声。
如果没有相位噪声,那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。
但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去,产生了边带(sideband)。
从图2中可以看出,在离中心频率一定合理距离的偏移频率处,边带功率滚降到1/fm,fm是该频率偏离中心频率的差值。
相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值,其中,dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。
一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。
定义定义1:相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标源自: 有线数字电视传输特性与故障解析《中国有线电视》 2005年赵雨境,王恒江定义2:相位噪声是指光的正弦振荡不稳定,时而出现某处相位的随机跳变.相位噪声导致光源线宽变宽.光强度噪声是指因自发辐射光强的随机变化和外界温度的变化,导致发射光强的起伏源自: Fabry-Perot干涉式光纤温度传... 《传感器技术》 2001年曹满婷来源文章摘要:分析了温度对相位的调制作用以及Fabry -Perot干涉结构检测相位变化的原理 ,提出了一种具有高灵敏度和高分辨率的相位调制型全光纤结构 ,并进行了系统的噪声分析。
定义3:是一随机量通常把信号的相似随机起伏中(t)称为相位噪声.(t)随时间变化的随机过程是一平稳的随机过程并使随机量的概率密度分布符合正态分布源自: 受多项噪声影响的二级方差估值的置信度《四川教育学院学报》 1997年林时昌来源文章摘要:有限次(m次)采样测量的二级方差估值(,m)随机地偏离其真值<)。
关于相位噪声的分析大家都知道,相位噪声是频率域的概念,这里我们就先讲一下时域分析和频域分析:频域是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系。
对任何一个事物的描述都需要从多个方面进行,每一方面的描述仅为我们认识这个事物提供部分的信息。
对于一个信号来说,它也有很多方面的特性,如信号强度随时间的变化规律(时域特性),信号是由哪些单一频率的信号合成的(频域特性)。
时域分析与频域分析是对模拟信号的两个观察面。
时域分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系;频域分析是把信号变为以频率轴为坐标表示出来。
一般来说,时域的表示较为形象与直观,频域分析则更为简练,剖析问题更为深刻和方便。
目前,信号分析的趋势是从时域向频域发展。
然而,它们是互相联系,缺一不可,相辅相成的。
抖动测量一直被称为示波器测试测量的最高境界。
传统最直观的抖动测量方法是利用余辉来查看波形的变化。
后来演变为高等数学概率统计上的艰深问题,抖动测量结果准还是不准的问题就于是变得更加复杂。
时钟的特性可以用频率计测量频率的稳定度,用频谱仪测量相噪,用示波器测量TIE抖动、周期抖动、cycle-cycle抖动。
关于相位噪声分析仪的更多信息请和小安联系,QQ894 959 252;联系电话: 189 **** ****但是更深层次的时域测量方法和频域测量方法的原理, TIE抖动和相噪抖动之间关系的推导推导,我们在网上搜集为大家提供一篇高人提供的文档,希望对仍然纠结在这些问题迷雾中的朋友们有所启发:抖动是衡量时钟性能的重要指标,抖动一般定义为信号在某特定时刻相对于其理想位置的短期偏移。
这个短期偏移在时域的表现形式为抖动(这里的抖动专指时域抖动),在频域的表现形式为相噪。
本文主要探讨下时钟抖动和相噪以及其测量方法,以及两者之间的关系。
1、抖动介绍抖动是对时域信号的测量结果,反映了信号边沿相对其理想位置偏离了多少。
抖动有两种主要成分:确定性抖动和随机抖动。
确定性抖动是可以重复和预测的,其峰峰值是有界的,通常意义上的DJ是指其pk-pk值;随机抖动是不能预测的定时噪声,分析时一般使用高斯分布来近似表征,理论上可以偏离中间值无限大,所以随机抖动是没有峰到峰边界的,通常意义上的RJ指标是指其RMS 值,可以根据其RMS值推算其在一定误码率时的值。
激光图像背景噪声影响的研究毕业论文目录摘要..................................................................................................... 错误!未定义书签。
Abstract ....................................................................................................... 错误!未定义书签。
1绪论. (1)1.1 噪声图像模型及噪声特性 (1)1.1.1含噪模型 (1)1.1.2 噪声特性 (1)1.2 图像质量的评价 (2)1.2.1 主观评价 (2)1.2.2客观评价 (2)2 数字图像去噪方法 (4)2.1 传统去噪方法 (4)2.1.1 空域滤波 (4)2.1.2 频域低通滤波法 (5)2.2 小波去噪 (5)2.2.1 小波去噪的发展历程及研究现状 (6)2.2.2 小波去噪方法 (7)2.3 本文去噪方法 (7)3 总体设计方案 (8)3.1总体方案介绍 (8)3.2总体方案流程图 (8)4 激光光斑图像去噪 (10)4.1 中值去噪 (10)4.2 图像分割 (12)4.2.1 图像分割概述 (12)4.2.2 图像分割方法 (12)4.2.3 阈值分割 (14)4.3彩色处理 (17)结论 (19)参考文献 (20)附录A 激光图像背景去噪影响的研究主程序 (21)致谢 (24)1绪论人类获取外界信息有视觉、听觉、触觉、味觉等多种方法,但绝大部分(约80%)是来自视觉所接收的图像信息,即所谓“百闻不如一见”。
而图像处理就是对图像息进行加工处理,以满足人的视觉心理和实际应用的要求[1]。
因此,图像处理技术的广泛研究和应用是必然的趋势。
在分析和使用图像之前,需要对图像信号进行一系列处理。
相位噪声的产生原因和影响相位噪声(Phase Noise)是指信号频率中相位差的随机变化引起的频率不稳定性。
它主要由以下几个因素引起:1.器件非线性:电子器件在非线性工作状态下,会引起频率混叠,导致相位噪声的增加。
例如,放大器的工作点偏差、非线性传感器、杂散回路等都会引起相位噪声。
2.温度变化:温度的变化会导致电子器件参数的变化,进而引起相位噪声的产生。
例如,晶体振荡器(OCXO)受温度影响较大,温度变化会导致晶体振荡器的共振频率发生变化,进而引起相位噪声。
3.时钟漂移:时钟信号的漂移会引起相位噪声的产生。
时钟漂移是指时钟信号的频率不稳定性,例如,由于时基器件的稳定性差,时钟信号可能会因为温度变化、器件老化等原因,导致频率漂移,进而引起相位噪声。
相位噪声对通信系统和雷达系统等有着很大的影响:1.信号质量下降:相位噪声会引起信号频率的随机变化,导致频谱扩展,从而使得信号质量下降。
在通信系统中,相位噪声会导致信号幅度和相位的抖动,从而降低信号的传输性能。
2.谱勾股耦合:相位噪声会引起信号谱的不规则变化,导致信号谱出现峰谷不平等现象,即谱勾股耦合。
这种谱勾股耦合会导致接收机对周围环境中其他信号的干扰增大,降低系统的抗干扰能力。
3.符号定时误差:相位噪声会引起符号定时误差,即接收机判断数据位的时间点出现错误。
这会导致误比特率的增加,从而降低系统的传输可靠性。
4.频率漂移:相位噪声会引起本振频率的随机漂移,导致频率与接收机中本地振荡器不匹配,使得解调和解调过程中的频率合成出错,从而导致错误率的增加。
为了减小相位噪声对系统的影响1.优化器件设计:在器件设计中,应尽量减小器件的非线性和温度漂移,以降低相位噪声的产生。
2.增加反馈环路:通过增加反馈环路,可以在一定程度上抑制相位噪声的增长。
例如,在放大器中引入负反馈,可以降低相位噪声的影响。
3.使用稳定的时基器件:选择稳定性好的时基器件,例如,使用高品质的晶体振荡器(OCXO)作为时钟源,可以降低相位噪声的影响。
激光线宽相位噪声关系
激光是一种高度凝聚的光,它具有狭窄的频率和空间分布,同时具有极高的相干性和单色性。
然而,激光的频率稳定度和相位噪声是评价其性能的关键因素之一。
激光线宽和相位噪声是密切相关的,因为它们都涉及到激光的频率和相位稳定性。
激光线宽是指激光光谱的频率宽度,即蕴含在激光光谱中的所有频率成分的宽度。
线宽越窄,说明激光的频率稳定度越高,相应地,它的相位噪声也会更低。
相位噪声是指激光输出频率在时间上的不稳定性,即相位的涨落。
这种涨落通常表现为随机的相位变化,对于某些应用而言,这种变化可能非常显著,因此需要进行有效的相位噪声控制。
相位噪声的水平可以通过激光的自相关函数和功率谱密度来描述。
相位噪声和激光线宽之间的关系可以通过一些理论模型来解释。
其中最常用的是折叠积分法,它将激光脉冲的相位噪声视为一组随机高斯噪声,然后采用离散傅里叶变换将其转换为频域中的功率谱密度。
根据物理方程,功率谱密度和激光线宽具有负相关性,因此相位噪声水平越高,激光线宽也越宽。
在实际应用中,激光线宽和相位噪声是非常重要的性能指标,对于测量和通信等应用来说,它们都可能对系统的性能产生严重的影响。
因此,需要采取一些有效的措施来降低激光的线宽和相位噪声。
例如,可以采用激光器内调谐腔的方法来实现激光的稳定性,还可以将激光器与稳定的参考信号相位锁定,以进一步减少相位噪声的水平。
总的来说,激光线宽和相位噪声是激光器性能的关键指标,这两个参数的优化对于提高激光的性能和实现更加精确的测量和通信都具有重要的意义。
通过采用适当的技术和方法,我们可以有效地降低激光的线宽和相位噪声,实现更加精确的激光应用。
光通信领域中混合引入相位噪声对系统性能影响分析引言光通信是一种使用光作为信息传输媒介的通信技术,已经成为现代通信系统中最主要的传输方式之一。
在光通信系统中,光信号的传输稳定性和可靠性对整个系统的性能至关重要。
然而,光信号在传输过程中会受到多种噪声的干扰,其中相位噪声是一种常见的干扰源。
本文将深入探讨光通信领域中混合引入相位噪声对系统性能的影响。
一、相位噪声的概念相位噪声是指信号相位在时间上的变动,是噪声对光信号的干扰方式之一。
通常,相位噪声可以通过以下方式产生:频率源噪声、线路噪声、光子噪声以及非线性噪声等。
相位噪声的存在会导致光信号的相干性下降,从而影响整个光通信系统的性能。
二、混合引入相位噪声的影响因素混合引入相位噪声是指光信号在传输过程中与其他信号发生叠加,造成相位噪声的干扰。
混合引入相位噪声对系统性能的影响主要取决于以下几个因素:1. 信号强度:光信号的强度将直接影响混合引入相位噪声的干扰程度。
较强的光信号会降低混合引入相位噪声的影响,而较弱的光信号则容易受到相位噪声的干扰。
2. 频率范围:混合引入相位噪声的影响取决于噪声的频率范围。
在特定频率范围内,混合引入相位噪声可能会导致系统性能下降。
3. 噪声功率谱密度:噪声功率谱密度是描述噪声幅度和频率之间关系的参数。
如果噪声功率谱密度较大,则混合引入相位噪声对系统性能的影响可能更为显著。
三、混合引入相位噪声对系统性能的影响混合引入相位噪声对光通信系统性能的影响主要体现在以下几个方面:1. 位错率增加:光通信系统中的数据传输通常受到误码率限制。
混合引入相位噪声会导致数据传输中的位错率增加,从而降低系统的传输性能。
2. 信号质量下降:相位噪声的存在会导致光信号的相干性降低,进而降低信号的质量。
这将导致接收端的信号品质下降,影响通信的可靠性。
3. 传输距离限制:光信号在传输过程中受到混合引入相位噪声的干扰后,信号质量下降,传输距离也会受到限制。
较远距离的传输可能会受到更多的相位噪声干扰,导致信号无法传输到目标位置。
光电探测系统中的相位噪声分析与抑制技术引言:光电探测系统在许多领域中起着至关重要的作用,如通信、雷达、光学测量等。
然而,其中的相位噪声问题一直以来都是制约系统性能的重要因素之一。
因此,研究相位噪声的分析和抑制技术对于提高光电探测系统的性能具有重要意义。
一、相位噪声的概念与原因分析相位噪声是指光电探测系统中信号相位的不确定性或随机性引起的噪声。
其主要原因包括光源的频率抖动、光电元件本身的噪声、光传输过程中的干扰等。
这些因素导致了信号相位的波动,进而影响了系统的稳定性和精度。
二、相位噪声的分析方法为了准确分析光电探测系统中的相位噪声,可以采用以下几种方法。
1.功率谱密度分析:通过对信号的功率谱密度进行分析,可以得到信号频率与相位之间的关系,从而揭示出相位噪声的特征。
2.自协方差函数分析:利用自协方差函数可以计算信号的相位噪声功率谱密度,进一步分析系统中相位噪声的来源和分布。
3.相关函数分析:通过计算信号的相关函数,可以得到信号的互相关函数,从而分析相位噪声的自相关和互相关特性。
4.相位噪声测量仪器:使用专门的相位噪声测量仪器可以直接测量系统中的相位噪声水平和频谱分布,提供更直观的相位噪声信息。
三、相位噪声抑制技术为了有效地抑制光电探测系统中的相位噪声,可以采用以下几种技术手段。
1.信号处理技术:采取合适的信号处理算法可以减小相位噪声的影响。
例如,时频分析算法可以对信号进行精确分析和重构,进而减小相位噪声引起的误差。
2.改善光源稳定性:通过优化光源的稳定性和一致性,可以减小由光源频率抖动引起的相位噪声。
例如,使用温度稳定性较高的激光器或采用温度控制技术。
3.选择合适的光电元件:选择具有较低噪声指标的光电元件,如低噪声放大器、低噪声光电二极管等,可以减小系统中的噪声。
4.光学隔离技术:通过引入光学隔离器,可以隔离外界的干扰信号,减小传输过程中的干扰噪声,从而提高系统的稳定性和抗干扰能力。
5.优化系统参数:通过优化系统的参数,如增益、频率响应等,可以最大程度地减小相位噪声的影响,提高系统的性能。
激光器对光电振荡器相位噪声的影响石英亮;张羽;孙力军【摘要】In order to optimize the phase noise characteristics and improve the performance of an optoelectronic oscillator ( OEO) , the relation among the phase noise of an OEO , the spectra line-width and optical power was studied by theoretical analysis and experimentalverification .The spectral performance and phase noise of microwave signals generated by the OEO were measured respectively , under the conditions of equal optical power and different spectra line-widths.And then, phase noise of microwave signals was measured under the conditions of fixed spectral line -width and different laser power .The results indicate that the narrower spectral line-width and the higher laser power , the better phase noise and spectral characteristics of microwave signals.Furthermore, compared with the spectral line-width, the laser power has greater effect on phase noise beyond 1kHz frequencyoffset .The result is helpful for improving phase noise of photoelectric oscillator .%为了改善光电振荡器相位噪声特性、提高光电振荡器性能,采用理论分析和实验验证的方法,研究了激光器线宽、光功率与光电振荡器相位噪声之间的关系。
相位敏感型光时域反射传感系统光学背景噪声的产生机理及其抑制方法张旭苹;张益听;王峰;单媛媛;孙振敛;胡燕祝【摘要】Phase-sensitive optical time domain reflectometry (Φ-OTDR) has the advantages of fast response and high sensitivity.Therefore,it can realize fully distributed monitoring of weak vibrations along an optical fiber,which is of great value in many applications such as perimeter security and structural health monitoring.However,the optical background noise in the Φ-OTDR will disturb the extraction of effective signals and limit the performance of this system.The optical background noise mainly includes the laser center frequency drift,the polarization-relevance noise and the distortion measurement due to the nonlinear relationship between optical fiber strain and interference intensity.In this paper,the generating mechanism of these optical background noise was analyzed and the corresponding noise suppression methods were proposed.The experiment results showed that the proposed methods could suppress the optical background noise effectively and improve the sensing performance significantly.%相位敏感型光时域反射(Φ-OTDR)传感系统具有响应速度快、灵敏度高等优点,能够实现对微弱扰动的分布式检测,在重大设施的入侵警戒、大型工程结构的健康监测等领域具有广阔应用前景.然而,与传统的OTDR传感系统不同,Φ-OTDR系统中存在着激光器中心频率漂移、偏振相关的噪声、光纤应变与干涉强度非线性对应关系引起的测量失真等光学背景噪声,对有效信号的提取形成了不可忽视的干扰,从而限制了Φ-OTDR传感系统在实际应用环境下的传感性能.本文对这些光学背景噪声的产生机理进行了深入分析,并提出了相应的噪声抑制方法.实验结果表明,本文提出的方法可以有效抑制Φ-OTDR传感系统中的光学背景噪声,并显著提高传感系统性能.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)007【总页数】14页(P73-86)【关键词】相位敏感型光时域反射;光学背景噪声;光源频漂;偏振相关噪声【作者】张旭苹;张益听;王峰;单媛媛;孙振敛;胡燕祝【作者单位】南京大学光通信工程研究中心,南京210093;南京大学近代声学教育部重点实验室,南京 210093;南京大学光通信工程研究中心,南京210093;南京大学近代声学教育部重点实验室,南京 210093;南京大学光通信工程研究中心,南京210093;南京大学近代声学教育部重点实验室,南京 210093;南京大学光通信工程研究中心,南京210093;南京大学光通信工程研究中心,南京210093;北京邮电大学自动化学院,北京100876【正文语种】中文1 引言1993年,相位敏感型光时域反射计(phasesensitive optical time domain re flectometer,ΦOT DR)由Taylor和Lee[1]首次提出.该传感系统通常采用kHz级别的窄线宽激光器作为光源,通过检测传感光纤中瑞利背向散射(RBS)信号干涉引起的光功率波动来感知光纤所受到的外部扰动.Φ-OTDR灵敏度极高[2−4]、测量响应速度快[5−7]且能够实现长距离全分布式传感[8,9],非常适合对微扰动事件的监测,在大型建筑结构健康监测[2]、重要场所的周界安防[10]等领域有着广泛的应用.然而Φ-OTDR传感系统中存在着有别于传统OTDR传感系统的光学背景噪声,主要包括由激光器中心频率漂移引起的曲线畸变,由光纤局部双折射变化引起的偏振相关噪声(PRN)以及由于光纤应变与干涉强度非线性对应关系引起的测量失真.这些光学背景噪声会显著降低系统的灵敏度和精确度,从而限制Φ-OTDR传感系统的整体传感性能.本文基于Φ-OTDR传感系统的经典理论模型,对上述光学背景噪声的产生机理进行研究,通过对经典模型的修正和实验的验证,揭示产生这些光学背景噪声的物理本质.并根据噪声的成因,提出相应的噪声抑制方法,以期实现对该类传感系统的性能提升,克服其在工程应用中的技术瓶颈.2 相位敏感型光时域反射计传感原理传统的光时域反射计(OTDR)一般采用线宽较宽的激光器作为光源,通过向待测试光纤注入探测光脉冲并检测光纤中由光脉冲产生的RBS信号的强度,实现对光纤衰减量的分布式测量[11−14].在应用中人们发现,若采用窄线宽激光器作为光源,本应平滑的OTDR曲线会产生随机的幅度波动,这一波动现象被称为相干衰落效应[15,16],其产生与否与光源的相干长度有关.通常激光器产生的探测光的相干长度Lc可以由(1)式进行估算:其中λ为激光器的中心波长,Δλ为激光的光谱宽度(以波长为单位),相干长度Lc表示光源能够发生干涉的最大光程差.同一光源发出的激光,若光程差在相干长度以内,那么就必须考虑两者的干涉效应;反之,若光程差远远大于相干长度(一般取值为相干长度的10倍以上),那么就不会产生干涉效应.当OTDR系统采用窄线宽激光器作为光源时,光源的相干长度远大于探测光脉冲长度,此时必须考虑脉冲产生的RBS信号间的干涉效应.在最初的OTDR应用中,这种强度随机的起伏被认为是一种干扰正常测量的噪声[15,16].但是进一步的研究发现:当光源稳定且光纤不受扰动时,光纤中返回的RBS 信号将呈现稳定的干涉起伏模式,每条光功率曲线上的起伏波动形状相同,不会随着时间而变化.反之,当光纤上某局部区域受到外部事件扰动时,该处返回的RBS信号的干涉起伏模式将发生改变,即光功率曲线上对应位置的起伏波动形状将产生变化.Φ-OTDR就是基于RBS信号干涉起伏模式对外界扰动敏感这一特性实现传感测量的一种新型传感系统,该系统通常采用kHz级别的窄线宽激光器作为光源,实现对沿光纤分布的微弱扰动事件的连续分布式感测.光纤中的瑞利散射来源于纤芯折射率的微观折射率波动.从尺寸上来说,这些折射率波动的大小远远小于入射光的波长,所以可以近似地把这种折射率波动的位置看作是一个个空间上离散的“散射点”[15].探测光脉冲在光纤中传播的同时,脉冲覆盖的大量散射点将独立地产生瑞利散射信号.其中一部分散射光被光纤俘获,能够沿光纤反向传输,即如图1所示的RBS信号光.由于这种散射点是由纤芯材料本身的特性引起的,所以具有以下性质[15]:1)散射点的位置在光纤中是随机分布的,因此各个散射点产生的RBS信号的相位随机分布在[0,2π]区间之内,且其概率密度函数符合均匀分布;2)各散射点的散射率是随机的,因此各个散射点产生的RBS信号的强度也是随机分布的,且其概率密度函数符合高斯分布.图1 光纤中的散射点模型示意图Fig.1.The model of the scattering points in the fiber.对于在某一时刻回到接收端的RBS信号,可以认为其是光纤中某一局部区域内散射点被探测光脉冲覆盖时产生的RBS信号的叠加.在用数学模型对其进行描述时,普遍做如下假设:1)光纤中的探测光脉冲被认为是理想的单频光,且不存在频率漂移问题;2)忽略偏振不匹配问题,认为输入光在脉冲宽度以内偏振态近似保持一致[17];3)忽略光纤损耗.设注入传感光纤中的探测光脉冲在光纤中的空间长度为W,探测脉冲前端进入待测光纤的时刻为0时刻.假设光纤长度足够长时,时刻t回到起始端的瑞利散射信号电场强度可以表示为[18]其中,E0为探测脉冲的电场强度;ω0为探测脉冲的角频率;φ0为探测光的初始相位;vg为探测脉冲在待测光纤中的传播速度,vg=c/n,其中,c表示真空中的光速,n为光纤的折射率;k是探测光在待测光纤中的波数,有k=2πn/λ;N表示待测光纤中的散射点总数,散射点随机分布在整条光纤中,并按与入射端的距离从近到远依次编号为1,2,3,···,N;xi和ρi分别表示光纤中第i个散射点的位置和散射系数.rect(x)表示矩形函数,其取值为从(2)式中可以看出,Φ-OTDR信号实际上是由W/2长度以内的散射点产生的RBS 信号叠加形成.当激光器的线宽足够窄使得光源相干长度远大于W/2时,这个叠加过程必然发生强烈的干涉效应.由于散射点位置和反射率的随机性,将导致光纤的不同位置处背向散射光的干涉强度产生随机波动,形成特定的干涉起伏模式.现假设在某一确定时间点t=t′,接收端接收到的RBS信号的电场强度为E(t′).它是光纤某位置处一系列散射点RBS信号的叠加.假设这一系列散射点编号为[xa,xa+1,xa+2,···,xb](a<b).[xa,xa+1,xa+2,···,xb]代表了光纤中在时刻t=t′能够产生RBS信号的散射点,其是光纤中全部散射点集合[x1,x2,x3,···,xN]的一个子集. 则E(t′)可以表示为光电探测器输出的光电流可以写为将其展开并忽略2倍光频项,得到(6)式中包含两项,其中前一项为光电流的直流分量,表示光纤上每一个独立散射点的RBS功率之和;后一项是交流分量,表示同一脉冲中不同散射点之间的RBS干涉产生的波动信号.交流分量是Φ-OTDR传感系统用于感测外部扰动事件的信号分量,这一项所占的比重可以用相干可视度表示,可视度越高,通常认为系统的原始信噪比越好.显然,在时刻t′时交流分量的幅度主要取决于以下两项因素:1)探测光脉冲的参数,包括光频k和脉冲宽度W,传统上通常认为这两个参数在传感系统工作时近似为常量;2)光纤内散射点的特性,包括相对分布位置|xj−xi|和各自的散射率ρi,ρj.当外界环境的变化对光纤产生扰动时,该扰动处所对应的散射点及其之后的散射点所产生的散射光都将被叠加上一个额外的相移φv.若扰动处的散射点为第q个散射点,q属于[1,b],则扰动前与扰动后的电流强度变化ΔI为其中,φij= φi− φj=2k(xi−xj).由(7)式可以看出,即使是众多散射点中的一个受到了扰动,也会造成输出电流信号的剧烈变化,实际上,这正是绝大多数现有的Φ-OTDR 传感系统探测微弱扰动事件的原理.3 Φ-OTDR传感系统中光学背景噪声的来源在Φ-OTDR传感系统中,由于激光器中心频率漂移、光纤局部双折射变化以及光纤应变与干涉强度的非线性对应关系,都会给系统引入相应的噪声,影响Φ-OTDR传感系统的传感灵敏度以及探测精确度.下面将对上述光学背景噪声的成因进行分析.3.1 激光器中心频率漂移引起的曲线畸变传统Φ-OTDR的理论模型假设光纤中的探测光脉冲是理想的单频光,且不存在频率漂移问题.但是实际上,普通商用窄线宽激光器的长期稳定性并不理想,光源频漂始终无法避免.当激光器中心频率变化Δf时,在t′时刻接收到的Φ-OTDR曲线功率可表示为从(8)式可以很明显地看出,Φ-OTDR系统所探测的RBS信号的强度对光源的频率漂移是极为敏感的.为了验证这种敏感性的存在,我们使用约6 km的传感光纤搭建了Φ-OTDR传感系统进行试验.光纤被放置于隔离箱内,隔绝外部环境对光纤的扰动.探测光脉冲宽度250 ns,每次探测的时间间隔为50 ms.实验中激光器的频率漂移速率约为1.5 MHz/s.图2所示的是测得的Φ-OTDR曲线中5 km附近的局部放大图.不同时刻获取的Φ-OTDR曲线被记录下来,用于比较这些曲线之间的幅度差异.图2 一定时间内得到的Φ-OTDR曲线形状畸变 (a)记录时间长度为1 s时,获取的20条Φ-OTDR曲线;(b)记录时间长度为5 s时,获取的100条Φ-OTDR曲线Fig.2.The curve distortion of Φ-OTDR:(a)20 t races of Φ-OTDR within 1s;(b)100 traces of Φ-OTDR within 5 s.如图2所示,即使在没有外部扰动的情况下,由于光源频漂的影响,Φ-OTDR曲线形状还是会发生畸变.且随着时间的增长,曲线畸变会越来越严重.由光源频漂带来的这种曲线畸变是缓慢变化的,在较短的测量时间内,曲线的畸变并不严重,可以通过添加数字高通滤波器加以抑制,因此对高频扰动信号探测的影响较小.但是当光纤上的扰动事件也是低频的、缓变的振动信号时,就需要比较长的监测时间才能俘获整个振动周期.在这种情况下,由光源频漂带来的Φ-OTDR曲线畸变问题将严重恶化系统的原始信噪比,最终会导致低频扰动事件检测失败.为了更好地考察激光频率漂移量和曲线幅度畸变程度之间的关系,假定除激光频率外的其他所有参量均保持不变.当激光源频率为f和f+fd时,RBS信号的光电流分别为I(f)和I(f+fd).在实际系统中,最终都会通过模数转换器(ADC)对ΦOTDR曲线进行数字化,因此不妨假设Φ-OTDR曲线I(f)和I(f+fd)均由离散的M个采样点组成.由于光源频率f改变了+fd,那么这两条曲线的形状将产生一定差异.根据概率论和统计学中互相关计算的定义,这两条Φ-OTDR曲线的互相关值可以由下式计算[19]:其中〈I(f)〉为I(f)的平均值进一步简化后得到[20]:通常脉冲宽度W可以近似认为是常数,则由(11)可知:当光频保持一致时,得到的两条ΦOTDR曲线互相关值为1,表示曲线形状完全相同无畸变;当光频差值变化时,得到的两条Φ-OTDR曲线的互相关值逐渐变小,说明曲线畸变越来越严重.3.2 光纤局部双折射变化引起的偏振相关噪声传统的Φ-OTDR理论模型中,光电探测器在t时刻接收的瑞利散射信号是传感光纤z=vgt/2(考虑往返过程)处及之后W/2=L长度范围内所有散射点产生的RBS光的叠加.传统模型中假设输入光在上述光纤长度范围内的偏振态一致.而在实际情况中,由于光纤的双折射,探测光脉冲在快轴和慢轴的传输模式稍有不同,因而以固定偏振态进入光纤的光将以随机方式改变其偏振态,如图3所示.在普通单模光纤中,两个模式在光纤中传输时其功率是周期性交换的,此周期的典型长度约为数十米[21].当外界扰动事件通过挤压、弯曲或者扭转作用于传感光纤时,光纤局部双折射特性将发生变化,探测光脉冲在传感光纤中经过该区域时偏振态会受到调制,其之后的偏振态演化规律也会改变,导致RBS信号的偏振态演化规律被扰乱,这将产生PRN.PRN将会叠加在该局部区域之后的RBS信号中,最终可能导致Φ-OTDR难以同时探测多个扰动事件.图3 探测光脉冲偏振态沿光纤的演化过程Fig.3.The transformation of the polarization state of probe pulse.上述L范围内的探测光偏振态的不同可认为由以下两种因素导致:1)光纤线性双折射使探测光脉冲在光纤快轴和慢轴的分量之间有一个附加的相位延迟[22];2)光纤圆双折射将会使探测光脉冲的偏振态旋转一定的角度[23].由于RBS信号有往返的过程,圆双折射引起的偏振态旋转将会在往返过程中相互抵消,即光纤圆双折射不会影响RBS信号的最终偏振态,所以我们仅需考虑光纤中线性双折射的影响.为了分析光纤双折射对Φ-OTDR的影响,将上述L范围起始端的探测光脉冲Ein根据琼斯矢量形式在光纤快轴和慢轴(分别用x轴和y轴表示)上分解为相互垂直的两个分量[22,24]:其中E0表示探测光脉冲Ein的电场幅度,cosθ和sinθ分别表示x轴和y轴上分量的比例系数,δ为两个分量之间的相位差,ω0是探测光脉冲的角频率,φ0是探测光脉冲的初始相位.探测光脉冲在x轴和y轴上的分量是正交的,这两个正交的分量在L范围内独自产生的RBS信号可以用传统的Φ-OTDR模型分别加以描述:其中,M表示L范围内光纤散射点总数,βx和βy分别为x轴和y轴的传输常数.光电探测器接收到的x轴和y轴的RBS信号功率Ix(t)和Iy(t)可分别表示为Kx(t)和Ky(t)分别表示x轴和y轴上RBS干涉结果的幅度系数,这两个系数反映了瑞利散射光的相干衰落程度,同时也显示了Φ-OTDR相位敏感性.最后光电探测器接收到的x轴和y轴上的RBS功率可以表示为从(16)式可以看出,RBS信号的功率I(t)与Kx(t),Ky(t),cosθ和sinθ有关,且功率的强度由θ的取值决定,因此Φ-OTDR对偏振态敏感.为了更加直观地说明和验证Φ-OTDR系统中PRN的产生机理,我们进行了以下实验.两个拉伸扰动事件分别作用在光纤的A点(0.36 km)和B点(1.38 km)处,振动频率分别为3 Hz和5 Hz.首先令这两个扰动事件都不改变光纤的双折射特性,而仅仅产生对光纤的拉伸,实验结果如图4(a)所示.从图4(a)中可以看出,Φ-OTDR能够同时探测到扰动事件A和B.然而,当施加在A处的扰动事件是微弯扰动时,将改变该处光纤的双折射特性,探测光脉冲的偏振态就会被A处的微弯扰动所调制,得到如图4(b)所示的结果.可以看到A 点之后的RBS信号被叠加上了PRN,而且PRN幅度较强,以至淹没了B处的振动信号.上述实验结果验证了当扰动事件改变光纤双折射特性时会产生PRN,并导致Φ-OTDR多点扰动事件俘获能力的退化.图4 A和B处的Φ-OTDR曲线 (a)A和B处振动事件均未改变光纤双折射;(b)A处振动事件改变光纤双折射Fig.4.The Φ-OTDR traces of A and B:(a)The fiber birefringence of A and B are not changing;(b)the fiber birefringence of A is changing.Juarze等[25]曾提出使用偏振分集的方法收集RBS信号,可以减少由于相干探测时偏振态失配引起的事件误判概率.但是根据本文对PRN噪声成因的分析可知,这种方法不能抑制PRN噪声的产生.我们搭建了偏振分集探测型的Φ-OTDR系统进行实验验证.在光纤A点(0.6 km)施加光纤微弯扰动,在B点(1.6 km)拉伸扰动,扰动频率仍为3 Hz和5 Hz,实验结果如图5所示.从图5可以看出,偏振分集探测无法抑制PRN,事件B依然完全被PRN所淹没.3.3 光纤应变与干涉强度非线性对应引起的失真传统的Φ-OTDR通常通过检测光纤中光脉冲产生RBS信号的强度来实现传感测量,但这种鉴幅型的Φ-OTDR仅能检测到应变的发生位置及其频域信息,而无法定量测量扰动引起的光纤应变的大小.这主要是因为光纤内散射点的散射率和位置是随机分布的,所以各个散射点产生的瑞利散射信号的强度和相位都是随机分布的.Φ-OTDR系统所测得的光信号与光纤上加载的应变值没有确定的、一一对应的关系,甚至也难以维持单调关系,从而引起测量失真.图6所示即为对待测光纤某一局部区域施加的1 kHz正弦振动信号,所得到的Φ-OTDR曲线中对应区域的时域波形图6(a)和频域能量分布图6(b).可以看出,光纤上的应变与干涉强度是非线性对应的.此时,时域波形失真,难以提取信号特征.频域能量分布向高次谐波移动并形成杂散分量,降低传感系统动态范围.图5 偏振分集探测条件下的PRN噪声 (a)滑动差分后Φ-OTDR曲线的线偏振态;(b)滑动差分后Φ-OTDR曲线的正交偏振态;(c)(a)和(b)曲线的累加Fig.5.The PRN of polarization diversity:(a)The linear polarization of the differential signals;(b)the orthogonal polarization of the differential signals;(c)the sum of(a)and(b).图6 应变和干涉强度非线性对应 (a)1 kHz正弦振动信号;(b)频域能量分布Fig.6.The nonlinear relationship between fiber strain and interference intensity:(a)The vibration signal of 1 kHz;(b)the energy distribution of frequency.Φ-OTDR也可以通过检测光脉冲产生的RBS的相位变化来实现传感测量,这种鉴相型的ΦOTDR虽然可以在一定程度上获得线性测量结果,但是由于RBS信号功率比较弱且存在衰落效应,这就很难保证Φ-OTDR传感系统具有较高的信噪比.因此,若能够设计一种测量方案,使得对光纤应变的高灵敏度线性测量成为可能,将大幅提升Φ-OTDR传感系统的性能.4 光学背景噪声的抑制方法及实验结果由上述分析可知,Φ-OTDR传感系统中存在的光学背景噪声严重影响传感系统的检测灵敏度以及精确度.因此,针对上述三种噪声,我们分别提出以下抑制方法.4.1 基于主动光频扫描法补偿激光器频漂相同光频的探测脉冲进行Φ-OTDR探测所得到的Φ-OTDR时域曲线形状相同,而光频不同的探测脉冲得到的Φ-OTDR时域曲线形状不同.根据这一性质,通过光源的主动频率扫描技术和ΦOTDR曲线的互相关运算,可以精确地求解出光源频率漂移的大小和方向,并反馈控制激光器的输出功率,使得Φ-OTDR光频保持稳定,最终实现抑制Φ-OTDR曲线畸变的目的.传统的Φ-OTDR测试需要比较不同时刻获取的两条曲线之间的差别,在时刻T0和T1分别进行了两次测量,获取了对应的两条Φ-OTDR曲线,分别为If0(t)和If1(t)(其中下标表示激光器的实际输出光频).假设外部扰动仅存在于整条传感光纤有限的几个局部区域,则在未发生光源频移时,两条曲线的互相关值将趋近于1.考虑到光源的频率漂移问题,假设T1和T2时刻的激光器的原始输出光频发生了改变,分别为f1和f2.由于光频的不同,根据(8)式可知,两条Φ-OTDR曲线If1(t)和If2(t)的波形将发生畸变.为了补偿这种曲线畸变,本文提出了基于光源频率扫描的频率补偿方案.这种方法与传统的Φ-OTDR测试方法的区别在于,每一次测量中均在原始输出光频附近采用P个光频进行独立的测试,如图7中不同颜色的曲线所示.假设T1和T2的激光原始输出光频改变了Δf,即f1=f2−Δf.在T2扫频结果中可以使用互相关计算来衡量扫频曲线与原始曲线的相似程度,并选取互相关值最大的那条曲线作为原始曲线的同频曲线.由于两者可以认为是由近似相同的光频产生的,If1(t)将与If2−Δf(t)的波形近似保持一致,如图7中绿色曲线表示.从曲线之间的相似关系中可以进一步得知f2=f1+Δf.因此该方案可以通过曲线相似性的偏移来获取时刻T1和T2之间的光源频率漂移的大小和方向.下一次扫频测量时,可以令f3=f1+Δf作为扫频的中心频率.如果If3(t)与If2−Δf(t)的互相关值最大,表示T3时刻的光源频漂补偿成功,T3时刻光源频率未发生偏移,如图7中的T3时刻的If3(t)所示[26].若能够反复进行上述操作,就可以持续地追踪光源频率漂移,连续地进行补偿.同时如果每次都提取最相似的Φ-OTDR曲线作为有效数据,就可以抑制由于光源频率漂移引起的曲线畸变问题.利用这一补偿原理设计实验,实验原理图如图8所示.实验中,选用的脉冲宽度为250 ns,Δf和P的取值分别为400 kHz和20,因此单次频率扫描范围为初始光频的两侧[−8 MHz,+8 MHz].考虑到待测光纤的长度约为6 km,所以实验中不同探测脉冲之间的时间间隔设为65µs.实验中时间记录长度设为10 s,获得100条互相关曲线,我们可以通过互相关峰值的漂移观察光源的漂移情况.在这段时间内光源共漂移了6.4 MHz,平均漂移速度为0.64 MHz/s,如图9所示. 图7 主动光源频漂补偿方案的基本原理Fig.7.Principle of the active compensation method.图8 基于主动扫频法的Φ-OTDR光源频漂补偿方法的原理示意图Fig.8.Experimental setup and principle of the active compensation method based on active laser frequency sweep.利用主动扫频法对光源频漂进行补偿,将记录时间10 s内获得的原始Φ-OTDR曲线分别绘制到图10(a)和图10(b)中进行比较.可以看出,在补偿之前,Φ-OTDR曲线的畸变较为严重,淹没了原本应当存在于红色圆圈内的扰动事件;而补偿后,曲线之间的畸变得到了较好的抑制,使得低频振动引起的曲线幅度变化能够被观察到.以上实验结果表明,基于激光器主动频率扫描以及互相关算法可以对Φ-OTDR系统的光源频漂进行补偿,使得由光源频漂带来的Φ-OTDR曲线畸变得到有效的抑制,从而解决了Φ-OTDR系统难以检测低频扰动的难题.图9 互相关曲线漂移示意图Fig.9.The cross-correlation of the frequency.图10 补偿前后的原始Φ-OTDR曲线 (a)补偿前;(b)补偿后parison of。
光通信系统中的相位噪声补偿方法研究光通信系统是现代通信领域中一种重要的数据传输方式,其具有高速率、大容量和低损耗的优势。
然而,光信号在传输过程中常常受到噪声的干扰,其中相位噪声是最主要的影响因素之一。
为了提高光通信系统的性能,研究者们一直致力于相位噪声补偿方法的研究。
一、相位噪声的产生机制相位噪声是光信号传输过程中产生的随机相位扰动,主要由光源非理想性和光纤传输引起。
光源产生的相位噪声源于其自身的非理想性,如激光器产生的量子噪声、瞬时频率变化等。
光纤传输过程中则会引起相位噪声的聚增和累积,包括色散效应、非线性效应等。
二、常见的相位噪声补偿方法1. 数字相位锁定环(PLL)PLL是一种广泛应用于光通信系统中相位噪声补偿的方法。
其基本原理是通过比较接收到的信号与本地参考信号的相位差,调节本地振荡器的频率和相位,使得相位差减小到很小的范围内。
然而,PLL方法的相位噪声抑制范围有限,对于高频率的相位噪声补偿效果较差。
2. 自适应均衡技术自适应均衡技术是一种利用数字信号处理进行相位噪声补偿的方法。
通过估计和补偿信号传输通道的非理想特性,提高光通信系统的抗噪能力。
自适应均衡技术通常通过最小均方误差算法进行优化,可以有效抑制相位噪声的干扰。
3. 非线性信号处理技术非线性信号处理技术是一种较新的相位噪声补偿方法,其基本原理是利用非线性特性对光信号进行处理。
通过引入非线性元件,将相位噪声转化为幅度噪声,并通过后续的信号处理方法进行补偿。
该方法不仅可以抑制相位噪声,还可以消除其他非线性效应带来的干扰。
三、相位噪声补偿方法的发展趋势随着光通信系统的不断发展,相位噪声补偿方法也在不断改进和完善。
未来的研究重点将集中在以下几个方面:1. 深入研究光信号传输过程中的相位噪声形成机制,寻找更精确的相位噪声模型,提高补偿效果。
2. 开发更高效、低复杂度的数字信号处理算法,实现对高频率相位噪声的补偿。
3. 结合机器学习和人工智能等新技术,进一步提高相位噪声补偿方法的自适应性和实时性。
激光器相位噪声的计算激光器是一种产生高相干光的装置,其输出光通常具有非常低的相位噪声。
相位噪声是指光波的相位随时间变化的波动。
激光器相位噪声的计算是研究和评估激光器性能的重要工作,它涉及到理解激光器的工作原理以及相位噪声的来源和影响因素。
在本文中,我们将介绍激光器相位噪声的计算方法和相关理论。
在激光器的输出光中,相位噪声的主要来源是激光器本身的热噪声和量子噪声。
热噪声是由于激光器的材料存在温度变化引起的,而量子噪声是由于激光器的光子数目的统计涨落引起的。
相位噪声可以通过干涉测量来进行直接测量,但这种方法通常比较复杂且精度较低。
因此,我们通常采用计算的方法来估算激光器的相位噪声。
一种常用的计算方法是通过激光器的频率噪声谱密度来计算相位噪声。
频率噪声谱密度是描述频率随时间变化的波动的指标,它与相位噪声之间存在着一定的关系。
激光器的频率噪声谱密度可以通过激光器的功率谱密度和激光器的启动时间来计算。
激光器的功率谱密度是描述激光器输出光功率随频率变化的分布,它通常可以通过光功率谱仪来测量得到。
在计算相位噪声时,需要考虑激光器的工作状态和参数。
例如,激光器的波长、功率、带宽以及温度等参数都会影响到相位噪声的计算结果。
此外,还需要考虑激光器的腔长和腔的模式。
激光器的腔长决定了激光器输出光的频率,而腔的模式影响了激光器的光线质量。
这些因素都会对激光器的相位噪声产生影响。
在计算相位噪声时,通常采用随机行走模型来描述频率变化的随机性。
通过对时间序列进行数学建模,并利用随机行走的理论,可以计算出激光器的相位噪声。
总结起来,激光器相位噪声的计算是一个复杂而关键的任务,它需要考虑激光器的工作状态、参数以及腔的特性等因素。
通过计算激光器的频率噪声谱密度和采用随机行走模型,我们可以估算激光器的相位噪声水平。
准确计算激光器的相位噪声可以帮助我们更好地理解激光器的性能,并为激光器的应用提供指导。
在光学通信、光学测量以及精密测量等领域,激光器相位噪声的计算是非常重要的工作,它对于保证系统的性能和精度至关重要。
光源相位噪声对高斯玻色采样的影响
覃俭
【期刊名称】《物理学报》
【年(卷),期】2023(72)5
【摘要】高斯玻色采样是实现量子计算优势的主要途径之一,同时也有望应用于加速稠密子图、量子化学等问题.然而,实验中必不可少的噪声却可能阻碍高斯玻色采样的量子优势.此前的研究主要关注于光子损失和光子非全同噪声.本文通过数值模拟研究了另一种噪声——光源相位噪声对高斯玻色采样的影响.采用蒙特卡罗方法近似计算相位噪声下高斯玻色采样的输出概率分布,发现随着探测光子数的增加,相位噪声带来的误差逐渐加大.同时,相位噪声会导致采样出大概率样本的能力,即HOG (heavy output generation)值显著降低.最后发现,在输入平均光子数相同时,有光子损失的高斯玻色采样相比无损失情形对于相位噪声有更大的容忍性.本文的研究有助于大规模高斯玻色采样中更好地抑制相位噪声.
【总页数】7页(P10-16)
【作者】覃俭
【作者单位】中国科学技术大学;中国科学技术大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN9
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激光微多普勒探测系统中降低相位噪音影响的方法研究张海洋;赵长明;杨苏辉【期刊名称】《光子学报》【年(卷),期】2011(40)5【摘要】相干微多普勒激光雷达具有探测灵敏度高、探测信息量大等特点,特别适合于动目标探测、目标特征识别等应用.本文从线宽和探测距离两个方面讨论了模场相位随机起伏(相位噪音)对于测速准确度的影响,实验证实了相位噪音对激光微多普勒探测的影响,并探索出解决上述问题的方法——光纤补偿法.实验中,以输出波长为1.064μm单块非平面环形腔激光器为光源,利用光纤补偿方法,并结合时频变换的算法,用外差探测的方式成功观测到了微多普勒频移,在传输距离为11 km时,系统最低探测速度达到了0.5 mm/s,速度分辨率达到了mm/s量级,频率分辨率达到了kHz量级,为微多普勒激光雷达的实际应用奠定了良好的实验基础.【总页数】5页(P753-757)【关键词】相干激光雷达;微多普勒;相位噪音;距离补偿【作者】张海洋;赵长明;杨苏辉【作者单位】北京理工大学光电学院【正文语种】中文【中图分类】TN958.98【相关文献】1.成像型激光探测系统中光斑精确定位方法研究 [J], 周中亮;周冰;何永强;王斌2.全向激光探测系统中光斑精确定位方法研究 [J], 黄富瑜;李刚;何永强;应家驹3.低速/微振动测量实验中的激光多普勒频移计算机测量方法 [J], 张淼;包一鸣;李华;苗明川;郑明4.摘要建立了激光打孔过程的固/液/气三相三维数值计算模型,采用水平集(1evel[.set)方法处理能量输入边界并追踪气液(L/V)界面发展,从而对激光打孔过程中的孔壁变化进行描述.模型综合考虑了材料气化、熔融液体溅射两种效应,涉及熔化潜热、气化潜热吸收及辐射散热损失等因素.基于有限体积法,编制计算程序,对激光打孔过程中的温度场、孔型演化过程进行了数值模拟,探讨了不同激光参数对打孔过程的影响.该模型对认识和研究激光打孔行为具有参考价值,也可以扩展至其他高能束流在材料表面的打孔描述. [J], 葛志福;虞钢;何秀丽;卢国权;李少霞5.基于微多普勒效应的旋翼弦长激光探测方法研究 [J], 王云鹏;胡以华;郭力仁;徐世龙因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
第31卷第7期光学学报Vol.31,No.72011年7月ACTA OPTICA SINICAJuly ,2011光频域反射技术中激光相位噪声影响分析谢玮霖董毅周潜常乐何浩胡卫生(上海交通大学电子信息与电气工程学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海200240)摘要研究了光频域反射技术(OFDR )中因激光线宽有限而造成的激光相位噪声对系统性能的影响。
理论推导了相位噪声的分布函数,仿真分析和实验测试了激光相位噪声与激光相干长度、反射信号强度之间的内在关联性。
研究结果表明,激光相位噪声是OFDR 中的重要噪声来源,影响着系统的测试精度和可测距离,当测试距离接近相干长度、链路中存在强的反射信号时,激光相位噪声的影响将更加严重、影响范围也将增加。
因此,在OFDR 的设计和应用中必须对激光相位噪声问题予以高度关注和设计考虑。
关键词散射;后向散射;光频域反射测量术;迈克耳孙干涉仪;激光线宽;激光相位噪声中图分类号TN913.33文献标识码Adoi :10.3788/AOS201131.0706003Phase Noise Analysis of Optical Frequency DomainReflectometryXie WeilinDong YiZhou QianChang LeHe HaoHu Weisheng(National Key Laboratory on Fiber-Optic Local Area Communication Networks and Advanced OpticalCommunication Systems ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200240,China )Abstract The analysis of the phase noise effect in the optical frequency domain reflectometry (OFDR )is presented.A model of distribution function of phase noise is built.Simulations and further experiments demonstrate the effect of phase noise on the measurement of reflection signal and Rayleigh backscattering signal due to the finite laser linewidth and the influence of phase noise under different reflectivities.The results show the phase noise is the main issue which limits the resolution and measurement range.Under condition of the measurement range reaching the coherent length or strong reflection in fiber links ,the much more significant phase noise will affect reflection signal of a longer range.According to the analysis ,we should pay much more attention to the phase noise of laser while designing OFDR systems.Key words scattering ;backscattering ;optical frequency domain reflectometry ;Michelson interferometer ;laser linewidth ;laser phase noiseOCIS codes 060.2370;030.1640;120.3688;290.5820收稿日期:2010-11-23;收到修改稿日期:2011-02-27基金项目:国家自然科学基金(61027007)资助课题。
作者简介:谢玮霖(1986—),男,硕士研究生,主要从事光纤通信系统和光纤测量等方面的研究。
E-mail :xilloyuy@hotmail.com导师简介:董毅(1967—),男,教授,主要从事光传输、光接入及光电测量等方面的研究。
E-mail :yidong@sjtu.edu.cn (通信联系人)1引言近年来,以光时域反射技术(OTDR )、光频域反射技术(OFDR )、低相干光反射技术(OLCR )为代表的光纤后向反射散射技术被广泛应用于分布式光纤传感[1]。
OTDR 通过对待测光纤注入光脉冲,测量光纤中的后向散射的时域信号,从而获得光纤链路的信息,其较大的动态范围适用于长距离分布式测量,但其距离分辨率只能到米量级,无法精确测量和定位事故点位置;OLCR 则采用低相干光源的相干检测技术,具有微米量级的超高分辨能力,但其测量范围只能达到米量级,主要用于光学相干层析成像(OCT )等领域;OFDR [2 7]通过相干检测技术对光纤的后向散射信号进行频域分析,兼具毫米量级的距离分辨率、数千米的覆盖范围和可达-100dBm 的光学学报灵敏度,兼顾和弥补了其他光纤分布式测试技术的特性和缺陷,其性能的特殊性使得其在中短距离的光纤接入网的故障维护、大型建筑设施的健康状况监测、地质灾害的监控等方面应用前景非常广泛。
OFDR 采用了调频连续波(FMCW )[8]技术和迈克耳孙光纤干涉仪进行相干检测,从而获得高灵敏度和高距离分辨率[9 13]。
除了相干检测技术,扫频激光源的性能是决定OFDR 距离范围、距离分辨率以及灵敏度的关键因素[14]。
为了在较大的距离范围内获得足够分辨率和灵敏度,需要有一个能够在宽的频率范围内保持连续相位的、线性扫频的窄线宽激光源[7]。
由于激光的相干长度有限,当测试距离接近相干长度时,激光器的相位噪声的影响会变得越加严重[4,10],直接影响到检测灵敏度和分辨率,从而限制了OFDR 所能支持的测量距离、分辨率和精度。
本文对OFDR 系统中激光器相位噪声的影响进行了理论分析和实验验证,从而对OFDR 的研究和设计提供指导。
2理论分析OFDR 的系统结构如图1所示。
OFDR 的光路是迈克耳孙干涉仪结构。
其工作原理是将光频周期图1OFDR 系统结构图Fig.1Structural scheme of OFDR system性、线性扫描的激光,经2ˑ2光耦合器分别送入干涉仪的参考臂和信号臂,信号臂(即待测光纤)中的瑞利后向散射信号和菲涅耳反射信号与参考臂的端面反射信号经光耦合器在光电检测器(PIN )中进行相干混频。
由于两者之间存在光程差,将产生拍频信号,通过检测该拍频信号来获得发射点的信息。
假设激光源在一个扫频周期内的瞬时频率为ν=ν0+γt ,式中ν0为起始光频,γ为扫频斜率,其发出的光信号可表示为E (t )=E 0exp j (2πν0t +πγt 2+φt []),(1)式中φt 为光源在t 时刻的瞬时相位。
参考臂反射信号与相对参考臂距离x 0处的信号臂反射信号之间的光载波的瞬时频率关系分别如图2中的实线和虚线所示,两个光信号间的延时差为τ=2x 0()c /n,式中c 为真空中的光速,n 为待测光纤的折射率,于是得到对应的拍频信号频率为f b =γτ=2n γx 0c.图2OFDR 拍频信号产生原理示意图Fig.2Beat-frequency-signal generation of OFDR设在x 0处的反射系数为R 0,只考虑链路的菲涅耳反射时,反射信号和参考信号在PIN 处检测到的输出电流为I (t )=E (t )+R 槡0E (t -τ0)2=E 201+R 0+2R 槡0cos (2πf b t +2πν0τ-πf b τ+φt -φt -τ[])=E 201+R 0+2R 槡0cos 2πf b t +π(2ν0-f b )τ+φt -φt -[]{}τ,(2)由(2)式可见,拍频信号的频率由反射信号和参考信号的光程差(即待测光纤的相对距离)决定,而其强度则正比于反射信号的强度。
因此,根据拍频信号的频谱特性即可获得被测光纤回波信号的强度和位置信息。
激光器因线宽有限而产生的相位噪声,将直接体现在相干检测信号的功率谱中。
令Δφτ=φt -φt -τ,激光相位噪声导致Δφτ≠0。
考虑到激光器线宽具有洛伦兹函数的特性,相位噪声方差可表示为Δφ2τ=〈(φt -φt -τ)〉2=2πτΔν0,式中Δν0为激光线宽。
对检测到的拍频信号的自相关函数进行傅里叶变换可得信号的功率谱密度谢玮霖等:光频域反射技术中激光相位噪声影响分析S I (f )=∫+ɕ-ɕR I (T )exp (-2πj fT )d T =∫+ɕ-ɕ1E ()20〈I (t )I (t +T [])〉exp (-2πj fT )d T =(1+R 0)2δ(f )+2R 0exp (-2τ/τc )δ(f -f b )+2R 0τc1+π2τ2c (f -f b )21-exp (-2τ/τc)cos [2π(f -f b)τ]+sin [2π(f -f b )τ]π(f -f b)τc{}{}),(3)式中τc =1/(πΔν0)为激光器的相干时间,取决于激光的线宽Δν0。
(3)式功率谱密度函数中的第一项冲击响应为平均光功率,对应混频后的直流信号。
第二项冲击响应是拍频信号,信号峰值由反射系数决定,并且以系数τ/τc 呈指数衰减。
第三项呈现为连续谱特性,表征了激光相位噪声的影响。
由(3)式可知,有限的激光器线宽(即相干长度)的影响体现在两方面:1)影响拍频信号的强度。
随着反射点距离接近相干长度,拍频信号强度以系数τ/τc 呈指数衰减[(3)式中第二项];2)以拍频分量为中心,相位噪声以洛伦兹函数形式叠加在回波信号上,从而对整个测试数据产生影响,而且越接近相干长度、回波信号强度越大,噪声功率越大、影响范围越宽[(3)式第三项]。
为进一步分析相位噪声的影响,对(3)式进行了仿真计算。
选取激光器扫频的范围为100GHz ,扫频速率为100GHz /s ,激光器相干长度分别取2,10和20km ,研究被测光纤链路中距始端1km 处光纤连接点的菲涅耳反射信号,取该连接器的反射率为-40dB (PC 型光纤连接器的典型值),为比较起见,计算结果中加入了归一化的瑞利散射,并取其功率谱密度为-100dB(1mm 分辨率下典型的瑞利散射值)。