CN102412894A - 多频探测光时分复用相干光时域反射仪方法和装置 - Google Patents
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Abstract
多频探测光时分复用相干光时域反射仪的方法，注入到被测光纤中的探测光脉冲为利用时序电信号同步控制相位调制器和光脉冲调制器调制产生时分复用的多频探测光脉冲；本振光为单频激光，多频探测光脉冲的功率谱相对于本振光的频率两边对称；多频探测光脉冲的0阶频率与本振光频率相同；相位调制器的调制深度大于1；时分复用的多频光脉冲在的背向散射和/或反射信号与本振光在相干探测模块中混合，二者相干并由光电探测器输出时分复用的中频信号；中频信号处理模块放大相干探测得到的时分复用的中频信号，根据中频信号的特征，选择所需的带通滤波器，滤出中频信号，后续电路对多路中频信号进行实时处理，显示被测光纤信息。
Description
技术领域：
本发明涉及一种用于光通信线路中对光纤进行表征和故障定位，尤其是用于长距离、多中继放大海底通信光缆健康监测的相干光时域反射仪。
背景技术：
目前，商用的相干光时域反射(COTDR)仪都使用单频窄线宽探测光脉冲，相干探测产生的电信号只是单中频信号，通过检测该中频信号的功率随时间的变化，可获得光纤线路的健康状况。在特定脉宽条件下，其动态范围可以通过增加脉冲峰值功率或者增加数据的平均次数来提升，但是峰值功率受到光纤非线性效应的限制。由于商用***的光电信号处理模块，仅仅是对一个中频信号进行处理，这样，对于长距离的光缆通信线路的监测，比如12000公里的越洋海缆线，***测量时间则会长达数小时。由于COTDR***探测光使用线宽小于10kHz的激光光源，这就导致了探测光在被测光纤中的瑞利散射单元之间的信号光具有极强的相干性，从而引起相干瑞利噪声。相干瑞利噪声会导致探测曲线的剧烈波动，从而影响对光通信线路事件点的识别。对于消除相干瑞利噪声和增加测量的动态范围，最常用的办法就是增加测量和平均的次数，COTDR的探测曲线一般是216次测量结果的平均，有时会达218次或更高。
COTDR的性能评价有三个重要的参数：动态范围、空间分辨率和测量时间。动态范围的提升主要通过提升探测光功率和增加测量及平均的次数来实现。但是由于光纤中的非线性效应特别是受激布里渊散射的限制，入射到被测光纤中的探测光功率应低于受激布里渊阈值，故***动态范围的提升受到制约。测量的空间分辨率主要受探测光脉冲宽度的限制，缩短探测光脉冲宽度以提升空间分辨率，但会降低测量的动态范围。通过脉冲编码的方式，可以使测量同时具有大的动态范围和高的空间分辨率，但这会急剧地增加***信号处理的时间。鉴于上述的诸多限制，我们把提升COTDR***性能的关键放在增加测量及平均的次数上。很显然，目前商用的COTDR***增加测量及平均次数只能靠增加测量的时间来实现。要想不以牺牲测量时间为代价来获得好的测量效果，唯一的办法是提升***的测量速度。
关于提升COTDR***测量速度的研究日本NTT公司Masatoyo Sumida在1996年有实验报道。它是利用控制分布布拉格反射式(DBR)激光器的注入电流来改变探测光的频率，通过时序控制得到不同频率的探测光脉冲序列。探测光实质上为频率脉冲，也就是探测光功率是恒定且时间连续的，但其频率则是时间离散的。探测光频率脉冲在被测光纤中的背向散射和/或反射信号与单频的本振光相干产生多个不同的中频信号，一个中频信号对应一路测量，多路中频信号对应的曲线最终合成为一路，这样就可以使测量速度成倍增加。所以，该方案的光电信号处理模块，通过多个带通滤波后，并行处理数据，然后再通过累加器合成为一路信号输出。实验结果表明，该方法能快速地降低探测曲线的衰落噪声，提升信噪比。但是，该方法探测光每个时刻只能存在一个频率，对激光器的控制需要额外的电路设计，控制的精度受控制电路硬件和激光器本身性能的影响很大。另外，该方案的本振光出现在一个脉冲序列周期的最后，因此，必然产生因设计方案缺陷带来的盲区。
发明内容：
本发明目的是提出多频探测光时分复用相干光时域反射仪方法和装置，尤其是提出能更快地降低探测曲线的衰落噪声和提升测量的动态范围，而且测量速度大大提高的多频探测光时分复用相干光时域反射仪的方法和装置。所述技术方案如下：
多频探测光时分复用相干光时域反射仪的方法，注入到被测光纤中的探测光脉冲为时分复用的多频探测光脉冲，可以利用时序电信号同步控制相位调制器和光脉冲调制器调制产生时分复用的多频探测光脉冲；本振光为单频激光，多频探测光脉冲的功率谱相对于本振光的频率两边对称；利用时序电信号同步控制相位调制器和光脉冲调制器产生的时分复用的多频探测光脉冲的0阶频率与本振光频率相同；相位调制器的调制深度大于1；时分复用的多频光脉冲在的背向散射和/或反射信号与本振光在相干探测模块中混合，二者相干并由光电探测器输出时分复用的中频信号；中频信号处理模块放大相干探测得到的时分复用的中频信号，根据中频信号的特征，选择所需的带通滤波器，滤出中频信号，后续电路对多路中频信号进行实时处理，显示被测光纤信息；或直接使用数字信号处理的方法提取中频信号的功率并做时序对齐，显示显示被测光纤探测曲线。
对时分复用的中频信号的处理，可以通过硬件电路来实现；处理步骤包括放大中频信号，再送至各个滤波单元滤出各个中频信号，然后在分别对各个中频进行模数转换、数字下变频以及提取中频信号功率，接着对各个中频信号的功率进行时序对齐，再叠加、求平均，最后显示探测曲线。
对时分复用的中频信号的处理，可以通过软件方法来实现；处理步骤包括利用数据采集卡采集中频信号，再对采集的数据做数字带通滤波滤出各个中频信号，然后在分别对各个中频进行数字下变频和低通滤波以提取各个中频信号功率，接着对各个中频信号的功率进行时序对齐，再叠加、求平均，最后显示探测曲线。相位调制器的驱动电压使其调制深度为2.405
一种多频探测光时分复用相干光时域反射仪的装置，所述装置包括：
光源模块，光源设有两路输出，一路至多频探测光模块，一路为单频本振光；
多频探测光模块，连接光源模块，利用具有时序结构的电信号同时控制相位调制器和光脉冲调制器，从而产生时分复用多频探测光脉冲；
相干探测模块，多频探测光模块输出到被测光纤的背向散射和/或反射信号与单频本振光在相干探测模块中混合，实现对多频探测光脉冲在被测光纤中与本振光的相干探测，从而得到时分复用的多个中频信号输出；
中频信号处理模块，连接并放大相干探测模块中频信号，再根据相干探测得到的中频信号的特点，滤出所需的中频信号，处理中频信号并显示与被测光纤有关的信息。
多频探测光模块中，具有时序结构的电信号按时序改变相位调制器的调制频率，并同步控制光脉冲调制器脉冲的产生，使光脉冲调制器在同一脉冲周期内输出的时分复用探测光脉冲序列是在不同相位调制器调制频率下产生的；
光源模块中，单频激光经耦合器分成两路，一路进入相位调制器，经相位调制器调制产生多频探测光，一路用做单频本振光；
多频探测光模块中，光脉冲调制器选用电光调制器，且由具有时序结构的脉冲电信号控制；
光源模块中，单频激光经耦合器分成两路，一路进入相位调制器，经相位调制器调制产生多频探测光，一路用做单频本振光；
多频探测光模块中，光脉冲调制器选用声光调制器，且由具有时序结构的脉冲电信号控制；
相干探测模块中，本振光光路中选用具有相同移频作用的声光调制器，且使其工作在连续模式；
中频信号处理模块中，中频信号处理可以使用软件方法实现，具体过程依次包括：数据采集、数字带通滤波、数字下变频和低通滤波，以及信号时序调整、信号功率求和及平均，最后显示探测曲线；
中频信号处理模块中，中频信号处理可以使用模拟滤波器组和硬件电路实现中频信号功率的提取及时序对应，最后显示探测曲线。
本发明的有益效果是：与商用的基于单频探测光的相干光时域反射仪相比，本发明能更快地降低探测曲线的衰落噪声和提升测量的动态范围，而且测量速度大大提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明涉及的多频探测光时分复用相干光时域反射仪的一种方法示意图。
图2是本发明涉及的多频探测光时分复用相干光时域反射仪时分复用多频探测光脉冲产生的方法示意图。
图3是本发明涉及的多频探测光时分复用相干光时域反射仪一个脉冲周期内的时分复用多频探测光脉冲示意图。
图4是本发明涉及的多频探测光时分复用相干光时域反射仪相位调制器某一时刻输出的多频探测光功率谱示意图。
图5是本发明涉及的多频探测光时分复用相干光时域反射仪装置一种结构图。
图6是时分复用探测光脉冲在被测光纤中的背向散射和/或反射信号与单频本振光相干产生中频信号的示意图。
图7是本发明涉及的多频探测光时分复用相干光时域反射仪中频信号处理模块的基于软件技术的一种结构图。
图8是本发明所涉及的多频探测光时分复用相干光时域反射仪中频信号处理模块的基于硬件技术一种结构图。
图9是本发明涉及的时分复用的各个中频信号对应的探测曲线及最终所得的探测曲线示意图。
图10是本发明的填充光与时分复用的探测光脉冲序列形成准连续光的示意图。
图11是本发明图5所示结构使用填充光与探测光脉冲互补形成准连续光的示意图。
图12是本发明图5所示结构中采用声光调制器产生探测光脉冲的一种示意图。
图中1.单频激光光源；2.分束器；3.相位调制器；4.光放大器；5.光脉冲调制器；6.环形器；7.扰偏器；8.光接口；9.X型3dB耦合器；10.光电探测器；11.电放大器；12.多通道带通滤波器组；13.数据采集单元；14.数字下变频单元；15.低通滤波单元；16.中频信号合成与现实单元；17.填充光光源；18.声光调制器；19.波分复用器；101.光源模块；102.时分复用探测光模块；103.相干探测模块；104.中频信号处理模块；200.单频光源；201.时分复用多频探测光脉冲；202.背向散射和/或反射信号；203.相干探测；204.中频信号处理.
具体实施方式
实施例1
见图1，本发明实施例提供的一种多频探测光时分复用相干光时域反射仪的方法，该方法详细内容如下：
200：单频激光光源发出的激光经分束器分成两路，一路经相位调制器调制产生多频光，另一路用做单频本振光；
201：相位调制器的调制深度大于1，利用时序电信号同步控制相位调制器和光脉冲调制器，产生时分复用探测光脉冲；时序电信号的控制过程如图2所示，相位调制器的射频驱动在时序电信号的触发下产生时序结构的频率脉冲，如图3所示，该频率脉冲驱动相位调制去输出具有时序结构的多频探测光，同时，时序电信号驱动光脉冲发生器产生多频探测光脉冲。多频探测光脉冲在某个频率脉冲fi驱动下产生的多频探测光脉冲的功率谱如图4所示。
202：收集时分复用的多频探测光脉冲在被测光纤中的背向散射和/或反射信号；
203：时分复用的多频探测光脉冲在被测光纤中的背向散射和/或反射信号与本振光经混合，产生多个相干中频信号，并由光电探测器接收；
204：放大相干中频信号，再滤出各个中频信号，中频信号的特征如图6所示；实时处理这些中频信号并合成为一路，最后显示探测曲线，该过程如图9所示。
实施例2
见图5，本发明实施例提供了一种多频探测光相干光时域反射仪的方法和装置，该方法及装置详细内容如下：
单频激光光源1发出的光经90∶10的分束器2分成两束，高功率输出的一端接入探测光光路，设置相位调制器3的驱动电压使其调制深度为2.405，这样从相位调制器3输出多频光的功率谱中的0阶频率的功率最低，且大部分的功率集中在±1阶和±2阶频率上，其功率谱结构如图4所示；
相位调制器3输出的多频探测光再经光放大器4，如掺铒光纤放大器放大以提升探测光的功率，再经电光调制器5变成探测光脉冲；
相位调制器3和电光调制器5由时序电信号控制。如用脉冲信号发生器产生时序电信号，脉冲信号发生器的触发接任意波形发生器，使任意波形发生器产生如图3所示的具有时分复用结构频率脉冲，以驱动相位调制器输出时分复用的多频探测光。相位调制器在驱动频率fi下输出的多频探测光的功率谱如图4所示。另外，脉冲信号发生器输出的电脉冲信号驱动电光调制器5，以产生时分复用的多频探测光脉冲；
本振光的频率与多频探测光脉冲的0阶频率相同，这样某一个多频探测光脉冲在被测光纤中的背向散射和/或反射信号的±1阶和±2阶频率与本振光相干仅产生两个中频信号，如图6所示。由于探测光脉冲是时分复用的，则它将产生时分复用的多个中频信号。
探测光脉冲经扰偏器扰6偏后，再经环形器7和经光接口8注入被测光纤；
探测光脉冲在被测光纤中的背向瑞利散射光与单频本振光在3dB的X型耦合器9混合，二者相干产生具有时序结构的多个中频信号，并从光电探测器10输出；
对中频信号的实时处理可使用软件方法，如图7所示，中频信号经电放大器11放大后，由多通道的带通滤波器滤出大部分带外噪声，滤波器的带宽不低于探测光脉冲宽度的倒数，接着由数据采集卡采集电信号用做数字信号处理；
数字信号处理过程包括利用多通道的数字带通滤波器组滤出与时分复用的各路中频信号，接着进行数字下变频和低通滤波以提取中频信号的功率，最后通过时序调整，求和及平均运算得到最终的探测曲线，该过程如图9所示。
对中频信号的实时处理可使用硬件方法实现，如图8所示，光电探测器10输出的中频信号，经电放大器11放大后输送到各个硬件处理单元，通过硬件电路实现滤波、模数转换、数字下变频、低通滤波以及时序调制及数据求和与平均，最后显示探测曲线。
本发明光源模块，为探测光提供初始的光源，也为相干探测模块提供本振光，光源模块选用单频激光器；
时分复用探测光模块，连接光源模块，利用时序电信号同步控制相位调制器和光脉冲调制器以产生具有时序结构的多频探测光脉冲，即时分复用的多频探测光脉冲；
相干探测模块，连接光源模块和时分复用探测光模块，使时分复用的探测光脉冲在被测光纤中的背向散射和/或反射信号与本振光混合，二者相干产生时分复用的中频信号；
中频信号处理模块，连接相干探测模块，放大从相干探测模块中输出的时分复用的中频信号，利用多个滤波器实现对多个中频信号的分离，然后在并行处理各个中频信号，最后得到探测曲线并显示，也可以利用数字信号处理即软件方法实现该过程。
其中，所述的装置还包括：时分复用探测光模块，在时分复用探测光脉冲发送完以后，发送填充光脉冲，使二者占满整个脉冲周期，即形成准连续光。
实施例3
见图12，本发明实施例提供的另一种多频探测光相干光时域反射仪的装置，该装置与实施例2结构基本相同，只是，***中光脉冲调制器使用声光调制器18。由于声光调制器18具有移频作用，因此，在相干探测模块本振光光路中也使用一个具有相同频移特性的声光调制器18，但它工作再连续光模式仅起移频作用，于是多频探测光脉冲中的0阶频率与本振光的频率相同。这样就可以保证相干中频信号出现如图6所示的结果。
实施例4
外腔式半导体激光器1发出的单频激光经90∶10的分束器2分成两束，高功率的一束连接相位调制器3用于产生多频探测光，低功率的一束用作本振光，接X型的3dB耦合器9的一端。利用脉冲信号发生器产生时序电信号。脉冲信号发生器的触发端接任意波形发生器，设置任意波形发生器输出的射频信号的时序，使其在触发电平作用下产生具有时序结构的频率脉冲，从而驱动相位调制器3。频率脉冲的脉冲宽度为1微秒，频率依次为15MHZ、16MHz、17MHz、18MHz、19MHz，共5个.同时，利用脉冲信号发生器产生脉宽为1微秒的周期为1.2毫秒的电脉冲，以驱动电光调制器5产生脉宽为1微秒周期为1.2毫秒的光脉冲。相位调制器3输出的时分复用的多频探测光由掺铒光纤放大器4放大。
探测光脉冲经扰偏器6扰偏后，再经环形器7和经光接口8注入到100公里长的被测光纤中；
探测光脉冲在被测光纤中的背向瑞利散射光与单频本振光在3dB的X型耦合器9混合，二者相干产生具有时序结构的多个中频信号，并由光电探测器10接收；相干过程产生10个中频信号，它们的频率分别为15MHz、30MHz、16MHz、32MHz、17MHz、34MHz、18MHz、36MHz、19MHz、38MHz。
从光电探测器10输出的这10路中频信号，经电放大器11放大后，再分别送到各个信号处理单元，分别对这10路中频信号进行带通滤波、数字下变频和低通滤波以完成多各路中频信号功率的提取，从而得到探测曲线，如图9所示。其中，带通滤波器12的带宽应不低于探测光脉冲宽度的倒数，对于1微秒的探测光脉冲宽度，带通滤波器的带宽可取为1MHz。由于中频信号也是时分复用的，因此需要对各路中频信号对应的探测曲线的数据进行时序对齐后再求和及平均，从而得到最终的探测曲线。
Claims (10)
1.多频探测光时分复用相干光时域反射仪的方法，其特征是注入到被测光纤中的探测光脉冲为时分复用的多频探测光脉冲，利用时序电信号同步控制相位调制器和光脉冲调制器调制产生时分复用的多频探测光脉冲；本振光为单频激光，多频探测光脉冲的功率谱相对于本振光的频率两边对称；利用时序电信号同步控制相位调制器和光脉冲调制器产生的时分复用的多频探测光脉冲的0阶频率与本振光频率相同；相位调制器的调制深度大于1；时分复用的多频光脉冲在的背向散射和/或反射信号与本振光在相干探测模块中混合，二者相干并由光电探测器输出时分复用的中频信号；中频信号处理模块放大相干探测得到的时分复用的中频信号，根据中频信号的特征，选择所需的带通滤波器，滤出中频信号，后续电路对多路中频信号进行实时处理，显示被测光纤信息；或直接使用数字信号处理的方法提取中频信号的功率并做时序对齐，显示显示被测光纤探测曲线。
2.根据权利要求1所述的多频探测光时分复用相干光时域反射仪的方法，其特征是对时分复用的中频信号的处理，可以通过硬件电路来实现；处理步骤包括放大中频信号，再送至各个滤波单元滤出各个中频信号，然后在分别对各个中频进行模数转换、数字下变频以及提取中频信号功率，接着对各个中频信号的功率进行时序对齐，再叠加、求平均，最后显示探测曲线。
3.根据权利要求1或2所述的多频探测光时分复用相干光时域反射仪的方法，其特征是对时分复用的中频信号的处理，通过软件方法来实现；处理步骤包括利用数据采集卡采集中频信号，再对采集的数据做数字带通滤波滤出各个中频信号，然后在分别对各个中频进行数字下变频和低通滤波以提取各个中频信号功率，接着对各个中频信号的功率进行时序对齐，再叠加、求平均，最后显示探测曲线。
4.根据权利要求1或2所述的多频探测光时分复用相干光时域反射仪的方法，其特征是相位调制器的驱动电压使其调制深度为2.405。
5.一种多频探测光时分复用相干光时域反射仪的装置，所述装置包括：
光源模块，光源设有两路输出，一路至多频探测光模块，一路为单频本振光；
多频探测光模块，连接光源模块，利用具有时序结构的电信号同时控制相位调制器和光脉冲调制器，从而产生时分复用多频探测光脉冲；
相干探测模块，多频探测光模块输出到被测光纤的背向散射和/或反射信号与单频本振光在相干探测模块中混合，实现对多频探测光脉冲在被测光纤中与本振光的相干探测，从而得到时分复用的多个中频信号输出；
中频信号处理模块，连接并放大相干探测模块中频信号，再根据相干探测得到的中频信号的特点，滤出所需的中频信号，处理中频信号并显示与被 测光纤有关的信息。
多频探测光模块中，具有时序结构的电信号按时序改变相位调制器的调制频率，并同步控制光脉冲调制器脉冲的产生，使光脉冲调制器在同一脉冲周期内输出的时分复用探测光脉冲序列是在不同相位调制器调制频率下产生的；
光源模块中，单频激光经耦合器分成两路，一路进入相位调制器，经相位调制器调制产生多频探测光，一路用做单频本振光；
多频探测光模块中，光脉冲调制器选用电光调制器，且由具有时序结构的脉冲电信号控制；
光源模块中，单频激光经耦合器分成两路，一路进入相位调制器，经相位调制器调制产生多频探测光，一路用做单频本振光；
多频探测光模块中，光脉冲调制器选用声光调制器，且由具有时序结构的脉冲电信号控制；
相干探测模块中，本振光光路中选用具有相同移频作用的声光调制器，且使其工作在连续模式；
中频信号处理模块中，中频信号处理可以使用软件方法实现，具体过程依次包括：数据采集、数字带通滤波、数字下变频和低通滤波，以及信号时序调整、信号功率求和及平均，最后显示探测曲线；中频信号处理模块或使用模拟滤波器组和硬件电路实现中频信号功率的提取及时序对应，最后显示探测曲线。
6.根据权利要求5所述的多频探测光时分复用相干光时域反射仪的装置，其特征在于，所述多频探测光模块中，具有时序结构的电信号按时序改变相位调制器的调制频率，并同步控制光脉冲调制器脉冲的产生，使光脉冲调制器在同一脉冲周期内输出的时分复用探测光脉冲序列是在不同相位调制器调制频率下产生的。
7.根据权利要求5或6所述的多频探测光时分复用相干光时域反射仪的装置，其特征在于，
多频探测光模块中，光脉冲调制器选用电光调制器，且由具有时序结构的脉冲电信号控制。
8.根据权利要求5所述的多频探测光时分复用相干光时域反射仪的装置，其特征在于，所述光源模块中，单频激光经耦合器分成两路，一路进入相位调制器，经相位调制器调制产生多频探测光，一路用做单频本振光；多频探测光模块中，光脉冲调制器选用声光调制器，且由具有时序结构的脉冲电信号控制；相干探测模块中，本振光光路中选用具有相同移频作用的声光调制器，且使其工作在连续模式。
9.根据权利要求5所述的多频探测光时分复用相干光时域反射仪的装置，其特征在于，所述中频信号处理模块中，中频信号处理使用软件方法实现，具体过程依次包括：数据采集、数字带通滤波、数字下变频和低通滤波，以及信号时序调整、信号功率求和及平均，最后显示探测曲线。
10.根据权利要求5所述的多频探测光时分复用相干光时域反射仪的装置，其特征在于，所述中频信号处理模块中，中频信号处理可以使用模拟滤波器组和硬件电路实现中频信号功率的提取及时序对应，最后显示探测曲线。
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