CN108512594B

CN108512594B - 一种提高混沌光时域反射仪分辨率的后续处理方法

Info

Publication number: CN108512594B
Application number: CN201810366054.8A
Authority: CN
Inventors: 王安帮; 胡志宏; 赵彤; 郭圆圆; 王龙生; 贾志伟; 王云才
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2038-04-23
Also published as: CN108512594A

Abstract

本发明公开了一种提高混沌光时域反射仪分辨率的后续处理方法，其原理是以混沌光时域反射仪为基础，其中混沌光发射装置发射的混沌光信号通过光纤耦合器Ⅰ分为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ；探测光Ⅰ经过光环形器发射到待测光纤线路中，利用光电探测器Ⅰ接收从待测光纤线路中回射的探测光，经n位ADCⅠ量化，每个采样数据被量化为n位二进制比特。参考光Ⅱ由光电探测器Ⅱ接收，由光信号转化为电信号，再经n位ADCⅡ量化为n位二进制比特。在有效位信息处理***中将两路量化信号同时作低N（N＜n）位有效位提取，并转化为十进制输入至互相关装置中进行互相关运算，将结果输出到显示装置。本发明克服当前COTDR中混沌光源和PD带宽限制的问题，来提高COTDR的分辨率。

Description

一种提高混沌光时域反射仪分辨率的后续处理方法

技术领域

本发明涉及光纤线路测量技术领域，具体为一种提高混沌光时域反射仪分辨率的后续处理方法，可以实现光纤故障的高精度检测。

背景技术

光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer , 简称OTDR）是基于背向散射或反射信号的测量仪器，该仪器可以方便的对光纤进行非破坏性测量，并能够连续的显示整个光纤线路的相对位置和故障点位置，成为光纤研究、生产、铺设以及维护整个产业中应用最广泛的测量仪器，在光纤产业中占有重要的地位。

传统的OTDR采用脉冲激光器作为光源，脉冲激光器向待测光纤链路发射光脉冲，通过测量回射光的功率及飞行时间得到损耗与距离的关系。对于使用脉冲激光器作为光源的传统OTDR来说，存在的问题是分辨率低，其分辨率受限于光脉冲的宽度，且OTDR发射机的峰值功率受限于激光器，动态范围的提高主要通过提高光脉冲能量实现，提高动态范围就会降低OTDR的分辨率，而提高分辨率就会降低动态范围，这就是传统脉冲式OTDR无法解决的矛盾。

为了解决传统脉冲式OTDR的矛盾，研究人员提出了相关法OTDR，其采用了伪随机码调制的光脉冲，利用相关技术进行信号处理，能较好的解决分辨率与动态范围无法同时提高的矛盾，可大大提高光时域反射的动态范围及分辨率（EP0269448、JP9026376）。然而由于受限于伪随机码信号的频谱带宽，其分辨率的提高非常有限，没有完全发挥出相关法OTDR测量优势，并且这种OTDR装置需要昂贵的伪随机码发生装置及复杂的编码、译码器。

随后，混沌光时域反射仪（Chaos Optical Time Domain Reflectometer，简称COTDR）被提出，其基本结构、原理与相关法OTDR类似，专利号为CN200810054534，发明名称为混沌光时域反射仪及其测量方法的专利对其作出了详细的阐述，主要改变在于：利用混沌光信号代替相关法OTDR中的伪随机码调制的光脉冲作为探测信号。混沌激光信号为真正的随机信号，较伪随机码信号具有更高的带宽，可以大大提高OTDR的分辨率和动态范围（IEEE Photonics Technology Letters, 2008, 20(19): 1636-1638，CN101226100B）。然而，目前COTDR中混沌光源主要由半导体激光器和外腔反馈装置构成，其结构简单，但所产生的混沌光弛豫振荡明显，限制了其带宽。要想进一步提高混沌光源带宽，就必须采用更加复杂的结构，例如光注入法发产生混沌（Optics Letters，2009，34（8）：1144-1146）、光纤振荡环产生混沌（Applied Physics Letters，2013，102（3）：031112），这样就会造成结构复杂、成本增加。同时考虑到COTDR中光电探测器（PD）的成本，商用中COTDR探测器的带宽远小于混沌光源带宽，导致混沌光源带宽利用率较低。受限于PD成本，目前报道过的COTDR最高分辨率为2cm@1GHz PD。（JLT30(21) :3420 , 2012）。

发明内容

本发明为了解决COTDR中混沌光源和PD带宽限制的问题，从而显著提高COTDR的分辨率，同时大幅度降低COTDR的成本，提供了一种提高混沌光时域反射仪分辨率的后续处理方法。

本发明对背景技术中专利号为CN200810054534的专利进行改进，本发明中用n位ADC代替原有的A/D转换器，并在原有的COTDR中加入有效位信息处理***，其测量原理是将混沌光分为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ，设参考光满足的函数关系式为f(t)，探测光Ⅰ经过待测光纤线路回射后满足的函数关系式g(t)=k*f(t-τ₀)。参考光Ⅱ和回射后的探测光Ⅰ经后续处理***（即为有效位信息处理***）满足的函数关系式分别为：f′(t)和g′(t)=k*f′(t-τ ₀)；则其互相关函数

。当τ=τ ₀时，互相关函数存在峰值，互相关函数的峰值与返射光强度有关（US8502964B2）。基于此原理，通过互相关仪或计算机进行处理就可以获得探测光返射的强度与往返时间τ ₀，从而实现光纤线路的故障定位与传输特性的检测。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种提高混沌光时域反射仪分辨率的后续处理方法，包括如下步骤：

（1）混沌光发射装置发射的混沌光信号通过光纤耦合器分为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ；

（2）探测光Ⅰ经光环形器传输到待测光纤线路中，并利用光电探测器Ⅰ接收从待测光纤线路中回射的探测光Ⅰ，由光信号转化为电信号；

（3）参考光Ⅱ由光电探测器Ⅱ接收，由光信号转化为电信号；

（4）光电探测器Ⅰ将探测光Ⅰ反射回的信号转换后的电信号输入至n位ADCⅠ中进行量化；光电探测器Ⅱ将参考光Ⅱ转换后的电信号输入至n位ADCⅡ进行量化，每个采样点均被量化为n个二进制比特；

（5）在有效位信息处理***中，对两路均量化为n个二进制比特的信号进行N位最低有效位提取，舍弃其它最高有效位，其中N＜n；

（6）将提取后的有效位结果转化为十进制；

（7）将十进制的结果输入互相关处理装置中进行互相关运算；

（8）计算后的结果输出到显示装置中。

本发明所提及的通过有效位信息处理提高COTDR分辨率的基本原理：对回射的探测信号和参考信号（即探测光Ⅰ和参考光Ⅱ）转化为电信号后，再作n位二进制量化，提取低N（N＜n）位转化为十进制，将十进制的结果输入互相关处理装置中进行互相关运算。通过其频谱可以发现，两路信号带宽都会大于混沌光源带宽，且带宽会随着N的减小而增大，这主要是因为抽取最低有效位过程中会发生非线性混频（IEEE Transactions On Circuitsand Systems I: Regular Papers, 2014,61(3):888-901）。正是受益于这种带宽增强效应，基于这种有效位信息处理的COTDR才可以克服混沌源和PD带宽的限制，显著提高COTDR的分辨率，大幅度降低COTDR的成本。然而，需要指出的是：这种带宽增强效应可以实现的最大带宽受限于ADC的采样速率（奈奎斯特定律）。

本发明中有效位信息处理***可以由硬件设备构成也可以由计算机软件实现，其主要功能是：将n位ADC量化的结果进行低N（N＜n）位有效位抽取，然后转化为十进制，输入至互相关装置中。所述硬件设备由N位抽取器和十进制转换器构成。在商用可以由软件实现，大幅度降低了COTDR的成本。

本发明提供的一种提高混沌光时域反射仪分辨率的后续处理方法具有以下的优点与积极效果：本发明所提供的方法相较于原有的COTDR的处理方法，克服了混沌光源和PD带宽的限制，分辨率显著提高，在现有的COTDR装置下分辨率可达1.2mm@1GHz，且动态范围保持不变。

附图说明

图1是本发明中混沌光时域反射仪的结构示意图。

图2是本发明中有效位信息处理***的信号流动示意图。

图3是不同有效位信息处理的互相关图对比图。

图中：1-混沌光发射装置，2-微型光纤环，3-光纤耦合器，4-光放大器，5-光环形器，6-待测光纤线路，7-光电探测器Ⅱ，8-n位ADCⅡ，9-光电探测器Ⅰ，10-n位ADCⅠ，11-有效位信息处理处理***，12-互相关处理装置，13-显示装置，14-N位抽取器，15-十进制转换器，16-采样点。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种提高混沌光时域反射仪分辨率的后续处理方法，包括如下步骤：

（1）混沌光发射装置1发射的混沌光信号通过光纤耦合器3分为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ；

（2）探测光Ⅰ经光环形器5传输到待测光纤线路6中，并利用光电探测器Ⅰ9接收从待测光纤线路6中回射的探测光Ⅰ，由光信号转化为电信号；

（3）参考光Ⅱ由光电探测器Ⅱ7接收，由光信号转化为电信号；

（4）光电探测器Ⅰ9将探测光Ⅰ反射回的信号转换后的电信号输入至n位ADCⅠ10中进行量化；光电探测器Ⅱ7将参考光Ⅱ转换后的电信号输入至n位ADCⅡ8进行量化，每个采样点均被量化为n个二进制比特；

（5）在有效位信息处理***11中，对两路均量化为n个二进制比特的信号进行N位最低有效位提取，舍弃其它最高有效位，其中N＜n；

（6）将提取后的有效位结果转化为十进制；

（7）将十进制的结果输入互相关处理装置12中进行互相关运算；

（8）计算后的结果输出到显示装置13中。

本实施例中的混沌光时域反射仪，包括混沌光发射装置1、光纤耦合器3、光电探测器、互相关处理装置12、显示装置13、两个n位ADC和有效位信息处理***11；混沌光发射装置1发射的混沌光信号通过光纤耦合器3分为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ；探测光Ⅰ经光环形器5传输到待测光纤线路6中，利用光电探测器Ⅰ9接收从待测光纤线路6中回射的探测光Ⅰ，经n位ADCⅠ10量化，每个采样点被量化为n个二进制比特输入有效位信息处理***11中；参考光Ⅱ由光电探测器Ⅱ7接收，由光信号转化为电信号，再经n位ADCⅡ8量化，同样每个采样点也被量化为n个二进制比特输入有效位信息处理***11中；两路量化信号同时在有效位信息处理***11中进行处理，然后输入至互相关处理装置12中进行互相关运算，最后结果输出到显示装置13中。其中混沌光发射装置1为混沌半导体激光器，具体为光反馈混沌半导体激光器，由半导体激光器、光纤耦合器及反馈装置组成，其中反馈装置是数字反射计或者是端面镀反射膜的光纤或者是由光栅与可调光衰减器构成；探测光Ⅰ经光放大器4放大后再经光环形器5发射到待测光纤线路6中；光环形器5是光纤耦合器或者是分束器，本实施例中采用分束器；所述互相关处理装置12是数字相关仪或者是计算机，本实施例中采用数字相关仪。本实施例中，所述混沌光发射装置1后加入提高低频部分混沌光能量的微型光纤环2，所述微型光纤环2的频率1/T大于PD带宽；本实施例中的有效位信息处理***11为硬件设备，所述硬件设备由N位抽取器14和十进制转换器15构成。

本实施例具体操作为：由混沌半导体激光器产生的混沌激光信号通过微型光纤环2提高低频部分混沌光源能量后，通过光纤耦合器3分成两路：探测光Ⅰ和参考光Ⅱ；探测光Ⅰ经由光放大器4并通过光环形器5发射到待测光纤线路6上，线路中散射或反射的回波信号由光电探测器Ⅰ9转化为电信号，如图2所示，经n位ADCⅠ10量化，每个采样点16被量化为n个二进制比特；参考光Ⅱ直接照射到光电探测器Ⅱ7，再经n位ADCⅡ8量化，同样每个采样点16也被量化为n个二进制比特；同时将两路量化信号输入至有效位信息处理***11（即N位抽取器14和十进制转换器15）中作低N(N＜n)位有效位提取并转化为十进制（例如，图2中，n=8，进行低N位抽取，N=6，即为框内的低6位抽取，舍弃高二位的抽取），然后在数字相关仪中对两路信号进行互相关运算，从而获得光纤线路损耗与距离的关系，通过显示装置13显示出测量结果，实现高精度的故障定位与光纤传输特性的检测。图3为相同条件下，提取不同有效位信息处理的互相关图对比图，低8位处理比低7位处理的FWHM（半高全宽）较宽，证明低7位抽取处理比低8位抽取处理的分辨率明显要高。

在实际应用中，n位ADCⅠ10和n位ADCⅡ8可以依据实际需要、成本而确定；同样，在有效位信息处理***中作低N（N＜n）有效位抽取时，N的大小也是根据实际需要、信号质量而确定，这样就可以实现不同情况下高精度分辨率测量。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种提高混沌光时域反射仪分辨率的后续处理方法，包括如下步骤：

（1）混沌光发射装置（1）发射的混沌光信号通过光纤耦合器（3）分为探测光Ⅰ和参考光Ⅱ；

（2）探测光Ⅰ经光环形器（5）传输到待测光纤线路（6）中，并利用光电探测器Ⅰ（9）接收从待测光纤线路（6）中回射的探测光Ⅰ，由光信号转化为电信号；

（3）参考光Ⅱ由光电探测器Ⅱ（7）接收，由光信号转化为电信号；

其特征在于：

（4）光电探测器Ⅰ（9）将探测光Ⅰ反射回的信号转换后的电信号输入至n位ADCⅠ（10）中进行量化；光电探测器Ⅱ（7）将参考光Ⅱ转换后的电信号输入至n位ADCⅡ（8）进行量化，每个采样点均被量化为n个二进制比特；

（5）在有效位信息处理***（11）中，对两路均量化为n个二进制比特的信号进行N位最低有效位提取，舍弃其它最高有效位，其中N＜n；

（6）将提取后的有效位结果转化为十进制；

（7）将十进制的结果输入互相关处理装置（12）中进行互相关运算；

（8）计算后的结果输出到显示装置（13）中。