CN103323215A - 一种光时域反射测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光时域反射测量装置及方法，解决大动态光电信号接收盲区和微弱光信号检测的技术问题。一种光时域反射测量装置包括：脉冲光源、衰减器、光定向耦合器、时序控制模块、嵌入式计算机、脉冲信号发生器、高速光采样器、单光子探测器和信号读出模块。本发明的光时域反射信号测量装置及方法，突破常规测量的大动态范围与微弱光信号检测的技术障碍，提高光学时域反射测量的信噪比，将空间分辨率精确到厘米量级而又不受探测带宽的限制。

Description

一种光时域反射测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种光时域反射测量装置，还涉及一种光时域反射测量方法。

背景技术

光时域反射测量技术通过探测光纤内返回的反射光脉冲信息获得相关的时间与空间光物理特性，用于测试整个光纤链路的衰减并提供与长度有关的衰减细节，探测、定位和测量光纤链路上任何位置的事件，被广泛应用于光缆线路的施工、维护中，可进行光纤的长度、传输衰减、接头衰减和故障定位等一系列的测量工作中。

传统的光时域反射计(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)采用光电器件直接探测光脉冲，由于是模拟检测，有其自身无法克服的瓶颈问题。探测器的温度漂移、增益变化以及其它环境因素会影响OTDR的稳定性；探测器的热噪声会影响OTDR测量结果的信噪比；光电器件响应的迟豫特性导致OTDR存在测试盲区。因此，传统的OTDR在动态范围和空间分辨率方面受到限制，尤其是存在无法克服的大动态光电信号接收盲区的瓶颈问题。随着通信网络光纤化的不断发展，无论通信局域网、武器平台中光缆网络维护还是科研生产单位都对高分辨率和大动态范围的量子OTDR提出了强烈的需求。

目前常用的方法主要有：普通OTDR，采用光电探测器直接接收瑞利背向散射和菲涅尔反射信号进行探测和数据处理；相干OTDR(CO-OTDR)，其基本原理是将中心频率ω₀的光脉冲通过声光调制器将中心频率搬移到ω₀+ω，该频率的回波信号与ω₀的本地光信号进行相干接收，再经过与本振信号的混频、低通滤波、AD转换后得到测量数据；光频域反射计(OFDR)，其基本原理是以中心频率ω₀为中心进行线性扫频的连续光，经耦合器进入迈克尔逊干涉仪结构分成两束，一束是经反射镜返回的固定光程的参考光，另一束进入待测光纤的回波信号，最后两束光进行光外差探测。

普通OTDR在动态范围和空间分辨率方面受限，尤其存在无法克服的大动态光电信号接收盲区的瓶颈问题，目前OTDR的事件盲区1m，衰减盲区10m；相干OTDR采用光脉冲的相干接收，能在不提高脉冲功率的情况下提高接收机的灵敏度，从而提高OTDR的动态范围和信噪比，但是相干探测对光源频率的稳定性要求很高，而且距离分辨率较低；OFDR***需要的光源为线性扫频窄线宽激光器，同时该光源必须满足光外差探测的条件，对光源要求非常苛刻。

发明内容

本发明提出一种光时域反射测量装置，采用达到量子探测极限的超高灵敏度光时域信号探测技术，解决大动态光电信号接收盲区和微弱光信号检测的技术问题，可以将空间分辨率精确到厘米量级而又不受探测带宽的限制。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种光时域反射测量装置，包括：脉冲光源、衰减器、光定向耦合器、时序控制模块、嵌入式计算机、脉冲信号发生器、高速光采样器、单光子探测器和信号读出模块；嵌入式计算机根据程序控制时序控制模块发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器产生激励脉冲信号，驱动脉冲光源发出脉冲光作为信号光；脉冲光源输出的信号光经过衰减器得到合适的光功率；衰减器的输出光经过光定向耦合器注入被测光纤；被测光纤中返回的菲涅尔反射和后向散射光经过光定向耦合器进入高速光采样器；嵌入式计算机根据程序控制时序控制模块发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器产生采样脉冲源激励信号到高速光采样器，对光时域反射信号进行全光取样；高速光采样器输出的采样信号经单光子探测器进行光电转换后形成光电子脉冲信号并传输到信号读出模块；信号读出模块计算出单位时间间隔内单光子探测器传送来的光电子脉冲信号的数目并传送给嵌入式计算机，通过使用计算机软件和相关的数字信号处理算法对所采集到的数据进行分析和处理，获得被测脉冲光的波形。

可选地，所述脉冲光源和衰减器之间还设置有隔离器。

可选地，所述光定向耦合器和高速光采样器之间还设置有第一掺饵光纤放大器。

可选地，所述脉冲信号发生器和高速光采样器之间还设置有被动锁模飞秒激光器和第二掺饵光纤放大器。

可选地，所述脉冲光源为中心波长1550nm的尾纤型脉冲半导体激光器。

可选地，所述高速光采样器包括2×1光耦合器和光带通滤波器。

可选地，所述信号读出模块包括光电子脉冲处理模块和光子计数器。

可选地，所述衰减器为可调衰减器。

可选地，本发明的光时域反射测量装置还包括与所述嵌入式计算机相连的键盘和显示器。

本发明还提供了一种使用上述测量装置的光时域反射测量方法，包括以下步骤：

步骤(a)，嵌入式计算机根据程序控制时序控制模块发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器产生脉冲光源的激励脉冲信号，驱动脉冲光源发出脉冲光作为信号光；

步骤(b)，根据被测光纤的长度调节衰减器得到合适的光功率，输出光经过光定向耦合器注入被测光纤，被测光纤中返回的菲涅尔反射和后向散射光再经过光定向耦合器进入高速光采样器；

步骤(c)，嵌入式计算机根据程序来控制时序控制模块发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器产生采样脉冲源激励信号并传送到高速光采样器，对光时域反射信号进行全光取样，经单光子探测器进行光电转换后形成光电子脉冲信号；

步骤(d)，光电子脉冲信号传输到信号读出模块，信号读出模块计算出单位时间间隔内单光子探测器送来的光电子脉冲信号的数目并传给嵌入式计算机，通过使用计算机软件和相关的数字信号处理算法对所采集到的数据进行分析和处理，获得被测脉冲光的波形。

本发明的有益效果是：突破常规测量的大动态范围与微弱光信号检测的技术障碍，提高光学时域反射测量的信噪比，将空间分辨率精确到厘米量级而又不受探测带宽的限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明光时域反射测量装置的控制框图；

图2为本发明光时域反射测量装置一个实施例的控制框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明光时域反射测量装置的控制框图。

如图1所示，本发明的光时域反射测量装置包括：脉冲光源10、衰减器11、光定向耦合器20、时序控制模块30、嵌入式计算机40、脉冲信号发生器50、高速光采样器60、单光子探测器70和信号读出模块80。

嵌入式计算机40根据程序来控制时序控制模块30发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器50产生激励脉冲信号，驱动脉冲光源10发出脉冲光作为信号光；脉冲光源10输出的信号光经过衰减器11得到合适的光功率，衰减器11可以根据被测光纤的长度进行调节；衰减器11的输出光经过光定向耦合器20注入被测光纤100；被测光纤100中返回的菲涅尔反射和后向散射光再经过光定向耦合器20进入高速光采样器60；嵌入式计算机40根据程序来控制时序控制模块30发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器50产生采样脉冲源激励信号到高速光采样器60，对光时域反射信号进行全光取样，高速光采样器60输出的采样信号经单光子探测器70进行光电转换后形成光电子脉冲信号；光电子脉冲信号传输到信号读出模块80，信号读出模块80计算出单位时间间隔内单光子探测器70送来的光电子脉冲信号的数目并传送给嵌入式计算机40，通过使用计算机软件和相关的数字信号处理算法对所采集到的数据进行分析和处理，获得被测脉冲光的波形。

图2为本发明光时域反射测量装置一个实施例的控制框图。

图2所示实施例包括图1中的所有部件，其中，脉冲光源为中心波长1550nm的尾纤型脉冲半导体激光器，脉冲信号发生器50产生激励脉冲信号，由驱动器(图1中未示出)形成电流脉冲去驱动脉冲半导体激光器10发出脉冲光作为信号光；脉冲半导体激光器10和衰减器11之间还设置有隔离器12；被测光纤100中返回的菲涅尔反射和后向散射光经过光定向耦合器20后，先通过第一掺饵光纤放大器51(Erbium Doped Fibre Amplifier，EDFA)对信号光进行放大，然后进入高速光采样器60；嵌入式计算机40根据程序来控制时序控制模块30发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器50产生的采样脉冲源激励信号先经过被动锁模飞秒激光器53，再经过第二掺饵光纤放大器52的信号放大后输入到高速光采样器60；高速光采样器60包括2×1光耦合器61和光带通滤波器62，2×1光耦合器61的输入端分别接收第一掺饵光纤放大器51和第二掺饵光纤放大器52的输出信号，2×1光耦合器61的输出端连接到光带通滤波器62，对光时域反射信号进行全光取样；信号读出模块80包括光电子脉冲处理模块81和光子计数器82，光电子脉冲处理模块81接收单光子探测器70送来的光电子脉冲信号并将其转换为光子计数器82可用形式的信号，光子计数器82的计数操作由时序控制模块30控制；嵌入式计算机40还连接到键盘91和显示器92，用于实现人机之间的交互。

本发明还提供了一种光时域反射测量方法，使用图1的光时域反射测量装置，包括以下步骤：

步骤(a)，嵌入式计算机根据程序控制时序控制模块发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器产生脉冲光源的激励脉冲信号，驱动脉冲光源发出脉冲光作为信号光；

步骤(b)，根据被测光纤的长度调节衰减器得到合适的光功率，输出光经过光定向耦合器注入被测光纤，被测光纤中返回的菲涅尔反射和后向散射光再经过光定向耦合器进入高速光采样器；

步骤(c)，嵌入式计算机根据程序来控制时序控制模块发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器产生采样脉冲源激励信号并传送到高速光采样器，对光时域反射信号进行全光取样，经单光子探测器进行光电转换后形成光电子脉冲信号；

步骤(d)，光电子脉冲信号传输到信号读出模块，信号读出模块计算出单位时间间隔内单光子探测器送来的光电子脉冲信号的数目并传给嵌入式计算机，通过使用计算机软件和相关的数字信号处理算法对所采集到的数据进行分析和处理，获得被测脉冲光的波形。

本发明的光时域反射信号测量装置及方法，突破常规测量的大动态范围与微弱光信号检测的技术障碍，提高光学时域反射测量的信噪比，将空间分辨率精确到厘米量级而又不受探测带宽的限制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (10)

1.一种光时域反射测量装置，其特征在于，包括：脉冲光源、衰减器、光定向耦合器、时序控制模块、嵌入式计算机、脉冲信号发生器、高速光采样器、单光子探测器和信号读出模块；

嵌入式计算机根据程序控制时序控制模块发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器产生激励脉冲信号，驱动脉冲光源发出脉冲光作为信号光；脉冲光源输出的信号光经过衰减器得到合适的光功率；衰减器的输出光经过光定向耦合器注入被测光纤；被测光纤中返回的菲涅尔反射和后向散射光经过光定向耦合器进入高速光采样器；嵌入式计算机根据程序控制时序控制模块发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器产生采样脉冲源激励信号到高速光采样器，对光时域反射信号进行全光取样；高速光采样器输出的采样信号经单光子探测器进行光电转换后形成光电子脉冲信号并传输到信号读出模块；信号读出模块计算出单位时间间隔内单光子探测器传送来的光电子脉冲信号的数目并传送给嵌入式计算机，通过使用计算机软件和相关的数字信号处理算法对所采集到的数据进行分析和处理，获得被测脉冲光的波形。

2.如权利要求1所述的光时域反射测量装置，其特征在于，所述脉冲光源和衰减器之间还设置有隔离器。

3.如权利要求1所述的光时域反射测量装置，其特征在于，所述光定向耦合器和高速光采样器之间还设置有第一掺饵光纤放大器。

4.如权利要求1所述的光时域反射测量装置，其特征在于，所述脉冲信号发生器和高速光采样器之间还设置有被动锁模飞秒激光器和第二掺饵光纤放大器。

5.如权利要求1所述的光时域反射测量装置，其特征在于，所述脉冲光源为中心波长1550nm的尾纤型脉冲半导体激光器。

6.如权利要求1所述的光时域反射测量装置，其特征在于，所述高速光采样器包括2×1光耦合器和光带通滤波器。

7.如权利要求1所述的光时域反射测量装置，其特征在于，所述信号读出模块包括光电子脉冲处理模块和光子计数器。

8.如权利要求1所述的光时域反射测量装置，其特征在于，所述衰减器为可调衰减器。

9.如权利要求1所述的光时域反射测量装置，其特征在于，还包括与所述嵌入式计算机相连的键盘和显示器。

10.一种使用权利要求1中所述测量装置进行光时域反射测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)，嵌入式计算机根据程序控制时序控制模块发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器产生脉冲光源的激励脉冲信号，驱动脉冲光源发出脉冲光作为信号光；

步骤(b)，根据被测光纤的长度调节衰减器得到合适的光功率，输出光经过光定向耦合器注入被测光纤，被测光纤中返回的菲涅尔反射和后向散射光再经过光定向耦合器进入高速光采样器；

步骤(c)，嵌入式计算机根据程序来控制时序控制模块发出同步脉冲，触发脉冲信号发生器产生采样脉冲源激励信号并传送到高速光采样器，对光时域反射信号进行全光取样，经单光子探测器进行光电转换后形成光电子脉冲信号；

步骤(d)，光电子脉冲信号传输到信号读出模块，信号读出模块计算出单位时间间隔内单光子探测器送来的光电子脉冲信号的数目并传给嵌入式计算机，通过使用计算机软件和相关的数字信号处理算法对所采集到的数据进行分析和处理，获得被测脉冲光的波形。

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