激光器相位噪声消除装置、系统及方法技术领域
本发明涉及光纤检测领域，具体而言，涉及一种激光器相位噪声消除装置、系统及
方法。
背景技术
近年来，光反射仪技术由于其能够实现分布式测量，吸引了越来越多的关注。主要
包括光时域反射仪技术(Optical Time Domain Reflectometer，简称为OTDR)和光频域
反射仪技术(Optical Frequency Domain Reflectometer，简称为OFDR)。其中OTDR技
术由于实现比较简单并且能够实现长距离分布式测量而得到广泛应用。然而，OTDR技
术的空间分辨率只能达到米量级，从而限制了它在某些具有高空间分辨率需求领域的应
用，例如航天航空领域和建筑物健康监测。相比之下，OFDR技术空间分辨率能够达到
厘米量级，但是其探测距离受限于激光器的相干长度。当测量距离超过相干长度时，由
于激光器相位噪声的影响，空间分辨率和信噪比会急剧下降。
为了消除激光器相位噪声的影响，实现更长的测量范围，国内外学者提出了几种
OFDR改进方法。
例如，非均匀快速傅里叶变换，能够解决由于激光器相位噪声带来的频域非均匀采
样问题，能够实现理论的空间分辨率，但是其测量距离不能超过激光器的相干长度。
又例如，相位噪声补偿OFDR技术和基于去斜滤波器的OFDR相位噪声补偿技术，
能够实现数十公里上厘米量级空间分辨率分布式测量。
但是上述两种方法都是通过软件数据处理实现相位噪声补偿的，需要大量的计算才
能获得测量结果，实现复杂。
针对相关技术中光频域反射仪技术对长距离测量的空间分辨率低的问题，目前尚未
提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种激光器相位噪声消除装置、系统及方法，以至少解决相关技术中
光频域反射仪技术对长距离测量的空间分辨率低的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种激光器相位噪声消除装置，包括马赫-曾德尔
干涉仪，所述相位噪声消除装置还包括：光纤延迟环，其中，所述光纤延迟环通过第一
光耦合器耦合在所述马赫-曾德尔干涉仪的参考臂上，所述光纤延迟环包括串接的声光
调制器和预定长度的延迟光纤，其中，所述预定长度不大于激光器的相干长度。
可选地，所述光纤延迟环还包括：掺铒光纤放大器和光带通滤波器，其中，所述掺
铒光纤放大器、所述光带通滤波器、所述声光调制器和所述延迟光纤沿所述参考臂上的
参考光束传播方向依次串接；或者所述掺铒光纤放大器、所述光带通滤波器、所述延迟
光纤和所述声光调制器沿所述参考臂上的参考光束传播方向依次串接。
可选地，所述光纤延迟环还包括：用于隔离反向光束的隔离器，其中，所述声光调
制器、所述延迟光纤和所述隔离器沿所述参考臂上的参考光束传播方向依次串接；或者
所述延迟光纤、所述声光调制器和所述隔离器沿所述参考臂上的参考光束传播方向依次
串接。
可选地，所述马赫-曾德尔干涉仪包括：所述参考臂、探测臂和第二光耦合器，其
中，所述第二光耦合器与所述参考臂的输入端和所述探测臂的输入端连接，用于将外部
调制扫频光源装置生成的扫频信号分成参考光束和探测光束，并将所述参考光束送入所
述参考臂，将所述探测光束送入所述探测臂；所述探测臂包括环形器，所述环形器包括
第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，其中，所述第一端口用于接收所述探测光
束并将所述探测光束从所述第二端口送出，所述第二端口用于与待测光纤连接，所述第
三端口用于接收由所述待测光纤反射回来的背向散射光束，所述第四端口用于将所述背
向散射光束送入第三光耦合器；所述参考臂的输出端与所述第三光耦合器连接，用于将
所述参考臂的输出端上的参考光束送入所述第三光耦合器，以使所述参考臂的输出端上
的参考光束与所述背向散射光束相干涉。
可选地，所述延迟光纤放置在隔音介质中。
可选地，所述延迟光纤为长度为10千米的单模光纤。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种激光器相位噪声消除系统，包括上述的激
光器相位噪声消除装置、外部调制扫频光源装置和光电探测和数据采集模块，其中，所
述外部调制扫频光源装置、所述激光器相位噪声消除装置和所述光电探测和数据采集模
块依次连接；所述外部调制扫频光源装置用于生成扫频光束；所述光电探测和数据采集
模块用于对所述激光器相位噪声消除装置输出的干涉光束进行处理。
可选地，所述光电探测和数据采集模块包括：平衡光电探测器和与所述平衡光电探
测器连接的数据采集卡，其中，所述平衡光电探测器用于对所述干涉光束进行光电转换；
所述数据采集卡用于将光电转换得到的模拟信号转换为数字信号。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种激光器相位噪声消除方法，包括：将从马
赫-曾德尔干涉仪的参考臂上第一光耦合器耦合出的参考光束循环送入光纤延迟环，使
得所述参考光束在所述光纤延迟环中的每次传输都经过预定长度的延迟光纤并进行预
定频率的频移；将所述参考臂的输出端上的参考光束送入所述第三光耦合器，以使所述
参考臂的输出端上的参考光束与所述马赫-曾德尔干涉仪的探测臂输出的背向散射光束
相干涉，得到干涉光束；通过光电探测和数据采集模块对所述干涉光束进行处理。
通过本发明，采用包括马赫-曾德尔干涉仪和光纤延迟环的相位噪声消除装置，其
中，光纤延迟环通过第一光耦合器耦合在马赫-曾德尔干涉仪的参考臂上，光纤延迟环
包括串接的声光调制器和预定长度的延迟光纤，其中，预定长度不大于激光器的相干长
度，解决了相关技术中光频域反射仪技术对长距离测量的空间分辨率低的问题，提高了
光频域反射仪技术对长距离测量的空间分辨率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明
的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的激光器相位噪声消除装置的结构框图；
图2是根据本发明实施例的激光器相位噪声消除原理的示意图一；
图3是根据本发明实施例的激光器相位噪声消除原理的示意图二；
图4是根据本发明实施例的激光器相位噪声消除系统的结构框图；
图5是根据本发明实施例的激光器相位噪声消除方法的流程图；
图6是根据本发明优选实施例的OFDR系统的结构框图；
图7是根据本发明优选实施例的补偿前后背向散射信息的测量结果对比图一；
图8是根据本发明优选实施例的补偿前后背向散射信息的测量结果对比图二；
图9是根据本发明优选实施例的补偿前后空间分辨率的测量结果对比图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情
况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”
等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本实施例提供了一种激光器相位噪声消除装置，图1是根据本发明实施例的激光器
相位噪声消除装置的结构框图，如图1所示，该装置包括马赫-曾德尔干涉仪，此外，
该装置还包括：光纤延迟环(OFDL)，其中，光纤延迟环通过第一光耦合器(OC2)耦
合在马赫-曾德尔干涉仪的参考臂上，光纤延迟环包括串接的声光调制器(AOM)和预
定长度的延迟光纤，其中，预定长度不大于激光器的相干长度。
图2是根据本发明实施例的激光器相位噪声消除原理的示意图一，如图2所示，基
于本发明实施例提供的激光器相位噪声消除装置，可以解决针对传统OFDR技术存在的
光源相位噪声的问题。
设声光调制器(即移频器)的工作频率为fFS，表示声光调制器每次将通过的光束的
频率偏移fFS；OFDL中延迟光纤的长度为l。
那么，频域上出现的N×fFS信号，代表参考光束在OFDL中经过了N次，对应的
参考光纤的长度为N×l。若将待测光纤(FUT)等效分成很多小段，长度如图3所示，
l为OFDL中延迟光纤的长度，L为待测光纤的长度。此时第一段(Seg1)的信息可以
在频域0HZ附近获得，第二段(Seg2)的信息可以在频域2×fFS附近获得，以此类推，
第N段(SegN)的信息可以在N×fFS附近获得。
可见，待测光纤上每一个散射点的光程差(OPD)均小于激光器的相干长度，因此，
可以准确的获得待测光纤上每个点的散射信息，消除相位噪声的影响，延长OFDR技术
的测量范围。
因此，通过本发明实施例提供的激光器相位噪声消除装置，可以消除相位噪声的影
响，解决了相关技术中光频域反射仪技术对长距离测量的空间分辨率低的问题，提高了
光频域反射仪技术对长距离测量的空间分辨率。
可选地，为了补偿在光纤延迟环中参考光束的功率损耗，在光纤延迟环的参考光束
入口出可以增加掺铒光纤放大器和光带通滤波器，其中，光带通滤波器用于滤除掺铒光
纤放大器带来的放大自发辐射(ASE)噪声。在光纤延迟环中，掺铒光纤放大器、光带
通滤波器、声光调制器和延迟光纤沿参考臂上的参考光束传播方向依次串接；或者掺铒
光纤放大器、光带通滤波器、延迟光纤和声光调制器沿参考臂上的参考光束传播方向依
次串接。即，声光调制器和延迟光纤的串接次序可以对调。
可选地，为了消除参考臂上的反射光对光线延迟环的影响，在光纤延迟环的末端，
即参考光束重新进入参考臂之前的光线延迟环上串接隔离反向光束的隔离器(Isolator)；
例如，声光调制器、延迟光纤和隔离器沿参考臂上的参考光束传播方向依次串接；或者
延迟光纤、声光调制器和隔离器沿参考臂上的参考光束传播方向依次串接。通过隔离器，
避免了反射光对延迟光纤的影响。
可选地，马赫-曾德尔干涉仪包括：参考臂、探测臂和第二光耦合器(OC1)，其中，
第二光耦合器与参考臂的输入端和探测臂的输入端连接，用于将外部调制扫频光源装置
生成的扫频信号分成参考光束和探测光束，并将参考光束送入参考臂，将探测光束送入
探测臂；探测臂包括环形器(CIR)，环形器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四
端口，其中，第一端口用于接收探测光束并将探测光束从第二端口送出，第二端口用于
与待测光纤连接，第三端口用于接收由待测光纤反射回来的背向散射光束，第四端口用
于将背向散射光束送入第三光耦合器(OC3)；参考臂的输出端与第三光耦合器连接，
用于将参考臂的输出端上的参考光束送入第三光耦合器，以使参考臂的输出端上的参考
光束与背向散射光束相干涉。在第三光耦合器耦合出的干涉光束中，可以在不同的频域
上获得预定长度的整数倍长度的参考光纤的参考光束，从而通过分段的形式将待测光纤
的各个分段进行精确测量；最后将各个分段的测量结果进行合并，即得到对待测光纤的
测量结果。
可选地，待测光纤FUT尾纤采用PC/APC接口。
可选地，为了消除外界环境对延迟光纤的干扰，延迟光纤放置在隔音介质中，例如
延迟光纤被放置在隔音箱中。
可选地，根据激光器相干长度的不同，延迟光纤的预定长度可以选择不长于该相干
长度的长度值，例如，对于相干长度大于或者等于10千米的激光器而言，延迟光纤为
长度为10千米的单模光纤。
本实施例还提供了一种激光器相位噪声消除系统，图4是根据本发明实施例的激光
器相位噪声消除系统的结构框图，如图4所示，该系统包括上述的激光器相位噪声消除
装置42、外部调制扫频光源装置44和光电探测和数据采集模块46，其中，外部调制扫
频光源装置42、激光器相位噪声消除装置44和光电探测和数据采集模块46依次连接；
外部调制扫频光源装置42用于生成扫频光束；光电探测和数据采集模块46用于对激光
器相位噪声消除装置输出的干涉光束进行处理。
可选地，光电探测和数据采集模块46包括：平衡光电探测器和与平衡光电探测器
连接的数据采集卡，其中，平衡光电探测器用于对干涉光束进行光电转换；数据采集卡
用于将光电转换得到的模拟信号转换为数字信号。
本实施例还提供了一种激光器相位噪声消除方法，图5是根据本发明实施例的激光
器相位噪声消除方法的流程图，如图5所示，该流程包括如下步骤：
步骤S502，将从马赫-曾德尔干涉仪的参考臂上第一光耦合器耦合出的参考光束循
环送入光纤延迟环，使得参考光束在光纤延迟环中的每次传输都经过预定长度的延迟光
纤并进行预定频率的频移；
步骤S504，将参考臂的输出端上的参考光束送入第三光耦合器，以使参考臂的输
出端上的参考光束与马赫-曾德尔干涉仪的探测臂输出的背向散射光束相干涉，得到干
涉光束；
步骤S506，通过光电探测和数据采集模块对干涉光束进行处理。
为了使本发明实施例的描述更加清楚，下面结合优选实施例进行描述和说明。
本发明优选实施例提供了一种长距离光频域反射仪技术方法及装置，涉及分布式光
纤传感领域中的光频域反射仪技术，目的是补偿光频域反射仪技术中光源相位噪声，实
现长距离光纤分布式传感。
在本发明优选实施例中，在OFDR系统中的马赫-曾德尔干涉仪参考臂上加入一个
光纤延迟环(OFDL)，OFDL包括一卷10km的光纤和一个工作频率为fFS的声光调制器
(即移频器)。因此，在OFDL中环绕了N圈的参考光对应的干涉信号会出现在频率
N×fFS附近，从而探测光纤上不同位置的信号可以在不同的频率上准确的获得。通过这
种方法，前期验证实验实现了20km测量范围内，11cm的空间分辨率，不需要复杂的
后期数据处理过程，空间分辨率相对于相位噪声补偿前提高了接近40倍。
图6是根据本发明优选实施例的OFDR系统的结构框图，图6中个符号含义如下：
FL：窄线宽光纤激光器；SSB-modulator：单边带调制器；RF-Synthesizer：射频合
成器；EDFA：掺铒光纤放大器；BPF：光带通滤波器；OC：光耦合器；Isolator：光隔
离器；AOM：声光调制器；CIR：光环形器；PC：偏振控制器；BPD：平衡光电探测器；
ADC：数模转换器；Delay fiber：延迟光纤；Box：隔音箱；Trigger source：触发源。
如图6所示，该OFDR系统包括：外部调制扫频光源，马赫-曾德尔干涉仪
(Mach-Zehnder interferometer)，光纤延迟环(OFDL)，光电探测和数据采集模块；其
中：
外部调制扫频光源装置可以包括：窄线宽光纤激光器、射频合成器，单边带调制器，
掺铒光纤放大器(EDFA)和光带通滤波器。
可选地，所述窄线宽光纤激光器工作波长为1550nm，射频合成器产生扫频电信号，
通过单边带调制器将射频信号调制到光信号上去，产生扫频光信号。EDFA最大增益为
22dB，用于补偿调制器带来的插入损耗，光带通滤波器最小带宽为0.08nm，插入损耗
为5dB，光带通滤波器用于滤除EDFA带来的放大自发辐射(ASE)噪声。
可选地，单边带调制器调制带宽超过35GHz，单频信号边带抑制比达到25dB以上，
扫频信号边带抑制比达到20dB以上。
马赫-曾德尔干涉仪可以包括：两个光耦合器(规格为50/50)，环形器，待测光纤
(FUT)，偏振控制器。
所述50/50光耦合器将光信号分成参考光束和探测光束，参考光经过OFDL到达第
二个光耦合器，探测光通过环形器进入待测光纤，背向散射光从环形器2端口进入第二
个光耦合器和参考光进行干涉，偏振控制器用来调节参考光的偏振态。
光纤延迟环(OFDL)可以包括：10km延迟光纤，声光调制器(AOM)，掺铒光纤
放大器(EDFA)，光带通滤波器。
所述10km延迟光纤用于补偿光源的相位噪声，为了消除外界环境干扰，将其放入
隔音箱中。AOM产生固定频率偏移，通过频率偏移量可以知道光在OFDL中环绕的圈
数。EDFA用于补偿环路中的功率损耗，光滤波器用于滤除EDFA带来的ASE噪声。
可选地，延迟光纤插入损耗为3dB；AOM工作频率为40MHz，插入损耗为4dB。
光电探测和数据采集模块包括：平衡光电探测器和8-bit数据采集卡。
所述平衡光电探测器用于光电转换，数据采集卡将模拟信号进行数字转换用于后期
数据处理。可选地，平衡光电探测器带宽为1.6GHz，数据采集卡采样率设为1GHz。
下面基于图6所示的OFDR系统，采用一个实例对激光器相位噪声消除方法进行描
述和说明。
激光器产生波长为1550nm的种子光。射频合成器产生扫频范围为1GHz的射频信
号，扫频速度为100GHz/s，通过单边带调制器，将扫频信号调制到种子光上。单边带
调制器输出为1GHz频率范围的扫频光，在OFDR中对应10cm的理论空间分辨率。扫
频光经过EDFA放大后，用光滤波器滤除ASE噪声，经过50/50耦合器分成两路。一路
为探测光，通过环形器进入待测光纤，另一路为参考光，经过OFDL后和背向散射信号
在第二个耦合器相干。光电探测器将光信号转换为电信号，模拟信号通过模数转换器进
行数字化，用外部信号源对射频合成器和数据采集卡进行同步。对采集的时域信号进行
傅里叶变换即可得到沿测量光纤的分布式背向散射信号，而不需要复杂的相位补偿过程。
OFDL包含一卷10km的延迟光纤和一个起移频作用的声光调制器(AOM)，AOM
工作频率为40MHz，隔离器用于消除反向光。为了消除外界环境干扰，将延迟光纤放
在隔音箱中。延迟光纤插入损耗为3dB，AOM插入损耗为4dB，整个环路包括连接器
在内插入损耗为9dB左右。为了提高光功率，在环路中使用了一个EDFA，光滤波器用
来滤除EDFA的ASE噪声。
待测光纤为两卷10km的单模光纤(SMF)，通过光纤连接器连接。图7给出了第
一个光纤连接器附近的背向散射信息。图7左上角的图形为菲涅尔反射峰的放大示意图，
图中35cm的空间分辨率为补偿前的菲涅尔反射峰空间分辨率，10cm的空间分辨率为补
偿后的菲涅尔反射峰空间分辨率。在补偿前由于相位噪声的影响，测得的光纤接头菲涅
尔反射峰空间分辨率为35cm，通过采用本发明提出的光源相位噪声补偿方法，在频域
80MHz(AOM工作频率的两倍)附近得到了第一个光纤连接器产生的菲涅尔反射峰，
参考光在OFDL中环绕了两圈后和信号光相干。空间分辨率为10cm，与理论空间分辨
率相符合。同样，我们在160MHZ附近获得了待测光纤末端接头的菲涅尔反射峰，参考
光在OFDL中环绕了四圈后和信号光相干。如图8所示，图8中380cm的空间分辨率
为补偿前的菲涅尔反射峰的空间分辨率，11cm的空间分辨率为补偿后的菲涅尔反射峰
的空间分辨率。从图8中可知，补偿后得到的反射峰空间分辨率为11cm，与理论空间
分辨率基本符合。相比于补偿前的380cm空间分辨率，本发明优选实施例提出的光源相
位噪声补偿方法提高了空间分辨率40倍。
应用本发明优选实施例提出的光源相位噪声补偿方法，在Ml/4(其中M为奇数，l为
延迟光纤长度)处有最差的补偿效果。在最差补偿点处马赫-曾德尔干涉仪两臂光程差
为1/2，为了检测这些点的补偿效果，分别测量了相位噪声补偿前和补偿后，长度为5km，
8.1km(由于实验室没有7.5km长度光纤，采用8.1km光纤代替)，10km，12.5km，15km，
17.5km，20km的光纤，并记录其末端菲涅尔反射峰空间分辨率。测量结果如图9所示，
在这些补偿效果最差的点也获得了和理论相符的空间分辨率。其中，图9中的所有测量
结果均进行了10次并取平均值。
综上所述，采用本发明实施例提供的激光器相位噪声消除方案，能够补偿OFDR技
术中的光源相位噪声，实现数十公里甚至上百公里测量范围内厘米量级空间分辨率的分
布式测量。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的
计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成
的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们
存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执
行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多
个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件
和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术
人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。