CN109357842B

CN109357842B - 沿传播的光时域反射仪和使用该光时域反射仪的方法

Info

Publication number: CN109357842B
Application number: CN201811299523.5A
Authority: CN
Inventors: 阿拉瓦南·古鲁萨米; 蒂莫西·赞恩利; 斯科特·达尔; 迪帕克·德维查兰; 伊恩·彼得·麦克林
Original assignee: Erlu Jsc
Current assignee: Erlu Jsc
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2035-07-28
Also published as: US10564068B2; EP2980555B1; CN105323000A; US9752955B2; CN109357842A; US20160033359A1; CN105323000B; JP2016035452A; EP2980555A1; JP6822756B2; US20170307472A1

Abstract

本申请涉及沿传播的光时域反射仪和使用该光时域反射仪的方法，具体地涉及一种OTDR***使用“打开的”并保持被供电的激光源，直到它的光到达正被测量的光纤段的末端(即，直到光纤段被完全照亮)。在完全照亮该光纤段之后的任何时间点，可以“关闭”该激光源。返回(反射和后向散射的)信号被引导进入该OTDR的光电探测器中，并且从光纤段开始被照亮时的时间点开始对其进行测量。测量是通过在预先确定的时间间隔对返回信号采样而进行的，这些时间间隔被定义为采样速率。然后，所产生的功率样本经过以微分运算为形式的后处理，从而从所采集的数据产生常规OTDR迹线。

Description

沿传播的光时域反射仪和使用该光时域反射仪的方法

本申请是申请日为2015年7月28日，申请号为201510450893.4，发明名称为“沿传播的光时域反射仪和使用该光时域反射仪的方法”的申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年7月31日提交的并且通过引用结合在此的美国临时申请序列号62/031,288的权益。

技术领域

本发明涉及一种光时域反射仪(OTDR)，并且更具体地涉及一种将低功率激光信号的沿传播用作探测源的OTDR(“沿”是指从亮到暗或从暗到亮的光信号跃迁)。

发明背景

光纤安装过程中光纤的测试和表征在部署光通信***的过程中是重要的步骤。如光纤长度、损耗和色散等测量通常由安装新光纤的人员手动执行，从而记录此信息以便为给定的光纤段创建“使用期限之初的(start of life)”特性简况。在某些情况下，这种特性简况用于为沿光纤段部署的光学器件参数选择适当的操作值。鉴于越发期望更集中地控制光通信***(通过网络管理技术，如软件定义网络(SDN)概念)，使特性简况测量过程自动进行的能力正变得重要。实际上，期望是能够持续不断地更新关于***中的每一个光纤段的简况信息，这样使得可以做出智能路由决策，从而在网络内提供动态控制。随着成本和尺寸约束两者受到关注，将这种类型的计量分析嵌入到现有功能中的能力是必不可少的。

在光纤通信网络内部署分布式拉曼放大以允许更高的数据速率传输从而保持无差错也出现了增长。由于与拉曼光源相关联的参数根据光纤特性而变化，所以测量给定光纤段以及沿光纤段安置的组件的损耗特性的能力对于获得最佳拉曼放大器性能变得关键。损耗和反射事件的标识(如高损耗弯曲、连接器质量不良、或接合)可以在服务中断之前指出可能的故障模式。“现场的”(即，实时的)损耗测量可以在灾难性损坏发生之前就能够标识故障网络。另外，当可以快速且精确地标识故障位置时，可以使受影响的光纤段的故障时间最小化。通过提供到直接数据信道的最佳且最高效的路径的信息，可以确定(并控制)光预算。

多年以来，常规OTDR仪器一直用于表征光纤段。基本的OTDR技术是沿着正被测量的光纤段传输高功率、短的激光脉冲(又称为“探测脉冲”)。那么沿着光纤的相反方向上后向散射(瑞利散射)或反射(菲涅尔反射)的任何光被OTDR的光电探测器组件捕获，并且对返回信号的时间和幅度分析提供了光纤段的表征简况。窄脉冲宽度为损耗和反射事件提供高空间分辨率。然而，由于返回的信号与脉冲中所包含的能量成比例，窄脉冲宽度的使用还导致所接收的信号的强度降低。例如，10ns的脉冲宽度提供一米的空间分辨率，并且只返回传输功率的0.0000001作为瑞利后向散射。由光纤引起的双向损耗进一步降低此低功率。因此，光纤段测量距离精度主要由探测脉冲的宽度限定，其中较短的脉冲宽度在返回信号中提供较少的数据，但提供更精确的段长度结果。

另外，由于OTDR***本身具有有限的带宽，探测脉冲的下降时间并非无限快。因此，如果沿着一个光纤段一起有两个间隔很近的反射事件，如果与第一事件相关联的信号在第二事件发生时未明显地下降，则***可能“错过”第二事件是有可能的。也就是说，当两次反射一起间隔比这种极限更近时，它们基本上变得不可辨别了。这种情况被定义为事件盲区。另一个相关参数被定义为衰减盲区，其中来自一个事件的返回信号临时地使光检测器饱和，从而产生该检测器不能精确地感知第二事件的一个时段。OTDR***中的这些“盲区”的问题已经为人所知多年，并且提出了各种类型的变通方法。

解决常规OTDR***的这些局限性的一种现有技术涉及在探测脉冲序列中使用特定的编码方案。编码脉冲流的使用允许每个单独脉冲的脉冲宽度保持相对短，但能够精确地表征较长的光纤段。然而，这些益处的代价是需要高度复杂的软件来产生并且然后处理经编码的OTDR波形，从而影响了测量时间(并且需要专用激光源提供精确的输入探测脉冲数据代码)。

发明概述

通过本发明可以解决现有技术中存在的需求，本发明涉及一种光时域反射仪(OTDR)，并且更具体地涉及一种将低功率激光信号的沿传播用作探测源的OTDR(“沿”是指从亮到暗或从暗到亮的光信号跃迁)。

根据本发明的一个实施例，新颖OTDR***的激光源被“打开”并保持被供电，直到光到达正被测量的光纤段的末端(即，直到光纤段被完全照亮)。在完全照亮光纤段之后的任何时间点，可以“关闭”激光源。返回(反射和后向散射的)信号被引导进入OTDR的光电探测器中，并且从开始照亮该光纤段的时间点开始对其进行测量。测量是通过在预先确定的时间间隔对返回信号采样而进行的，该时间间隔被定义为采样速率。输入信号可以处于相对低功率，因为并不关心在沿着光纤的远处点上“脉冲”衰减为零(常规OTDR的“动态范围”问题的一个方面)。由于使用低功率探测信号，具有平均灵敏度特性的简单光电探测器就足以恢复和处理返回信号。然后所产生的功率样本经过以微分为形式的后处理，以便从所采集的数据产生常规OTDR迹线。

本实施例可以被定义为“上升沿”配置，在该配置中，暗光纤连续地充满光，直到被完全照亮。因此返回信号指示反射和散射光功率增加。在一个替代实施例中，可以使用“下降沿”配置，在该配置中，被完全照亮的光纤逐渐变得更暗。类似地通过OTDR的光电探测器对此下降沿实施例中的返回信号进行测量，其中展现出返回光信号功率随着时间持续下降。又另一个实施例可以使用“上升沿”测量和“下降沿”测量两者。在这种情况下，对上升沿和下降沿测量的结果进行平均将会减少噪声对测量的影响并提高精确测量长光纤段(例如，超过100km的段)的能力。

在任何实施例中，根据时间变化对返回信号进行采样并且记录与每个样本相关的功率等级。在接收器处进行采样的每个实例中，从光纤段的输入端口到光亮(或暗)传播到的当前点(即，上升沿或下降沿，视具体情况而定)的所有反射和后向散射光的总和(或积分)。通过及时地减去在两个不同实例处测量的返回功率的值(求微分)，可以获得沿着光纤传播的光的两个相应位置之间的***损耗差。对在限定的时段测量的反射功率进行的这些差值计算引起产生光纤段的损耗简况(“损耗简况”是众所周知的OTDR迹线)。使用连续的探测信号的照亮可以被认为是“集成”常规的基于脉冲的OTDR方案，并且对返回信号使用差值计算可以等同于对返回信号覆盖求微分以恢复典型的OTDR迹线。

已经发现低功率信号的使用可以最小化现有技术的OTDR***的盲区问题。例如，已经发现以本发明的沿传播信号替代现有技术的脉冲探测信号可以将示例性衰减盲区从5.3m减少到大约0.8m。

本发明的优点是只需要采集所采样的返回功率测量的单个数据集来完全表征光纤段。这与现有技术的脉冲OTDR***形成对比，在现有技术***中需要大量脉冲(几千个脉冲)来执行相同的表征，并且对这些脉冲进行多次测量。因此，由于最初创建了完整的返回信号功率数据集，简单地通过选择样本的数量来调整后处理(差值产生)的分辨率，在该样本数量上确定平均数。每次差值计算中的样本数量越少，分辨率就越高(但OTDR迹线中存在的噪声级就更高)。在差值计算时使用更大的时基(更大的样本数量)，通过最小化明显的噪声，可以产生更平滑的迹线，其中噪声的减少允许更容易看到出现在光纤段“深处”的事件。

因此结果的精度根据采样速率变化，采样速率用于采集所测量的返回功率的初始数据集。此后，在OTDR迹线的后处理计算过程中，所产生的迹线的分辨率根据“窗口大小”变化，在该窗口大小内计算差值。实际上，结果是距离相对于精度不变；即，针对与沿光纤段的任何点相关联的测量，实现相同等级的精度。还可以的是配置该***以便对返回功率信号进行过采样(即，以高于必需的分辨率采集数据)，这样使得可以沿着距离轴线计算移动平均值并且该移动平均值最小化噪声对结果的影响。还可以沿着同一段使用多次沿传播，以减少OTDR结果中噪声的存在，其中如果进行一组N个单独的沿传播扫描，可以对沿光纤段的每个位置的一组N个数据点进行平均以最小化噪声的影响、光电探测器缺陷等。

有利地，由于不需要产生光脉冲，可以使用任何可用的光源为本发明的OTDR***产生CW信号。这种技术提供了将OTDR功能嵌入到非常紧凑且简单的设计中并因此位于给定网络内的许多不同点内的能力。而且，在使用光业务信道(OSC)的配置中，用于这种监控功能的激光源有时还可以用于执行本发明的无限后向散射OTDR测量。实际上，使用低功率沿传播技术的优点在于可以在光纤段上传输数据的同时使用该技术。因此，与许多类型的现有技术OTDR测量***形成对照，在测量过程中光纤段不必停用。

本发明的示例性实施例可以被描述为一种OTDR***，该***包括：一个激光源，该激光源用于将光注入一个正被测量的光纤段的一个第一输入端面；以及一个控制元件，该控制元件用于“打开”和“关闭”该激光源，从而在“打开”该激光源时产生一个传播探测信号的一个上升沿并在“关闭”该激光源时产生该探测信号的一个下降沿。该测量***还包括：一个光接收器，该光接收器偶联至该光纤段的该第一输入端面上以接收该传播探测信号的一个返回部分并提供返回光功率的一个测量结果作为一个电输出功率信号；以及一个数据分析单元，该数据分析单元用于对该光接收器的电输出进行采样，存储多个采样测量结果并处理该多个采样测量结果以产生一条OTDR迹线作为该OTDR测量***的输出。

在另一个实施例中，本发明可以被定义为一种沿着光纤段执行OTDR测量的方法，该方法包括以下步骤有：a)初始化一个光纤段；b)将一个光信号注入一个光纤段的一个输入端口中，并且识别该光信号的一个沿作为一个初始测量点；c)在该输入端口处测量返回的反射光功率，其中，在一个延长时段内以一个预先确定的采样速率执行该测量，从而产生多个测量功率样本；d)将该多个测量功率样本存储在一个数据库中；e)确定一个适当的分辨率因数以产生一条展现出所需细节等级的OTDR迹线；f)将该适当的分辨率因数用作差值计算端点之间的间距来对该多个测量功率样本执行差值计算，以及g)将在步骤f)中执行的差值计算的结果进行绘图以产生该OTDR迹线。

本发明提供了以下内容：

1)一种OTDR测量***，包括：

一个激光源，该激光源用于将光注入一个正被测量的光纤段的一个第一输入端面中；

一个控制元件，该控制元件用于“打开”和“关闭”该激光源，从而在“打开”该激光源时产生一个传播探测信号的一个上升沿并在“关闭”该激光源时产生该探测信号的一个下降沿；

一个光接收器，该光接收器偶联至该光纤段的该第一输入端面上以接收该传播探测信号的一个返回部分并提供返回光功率的一个测量结果作为一个电输出功率信号；

一个数据分析单元，该数据分析单元用于对该光接收器的电输出进行采样，存储多个采样测量结果并处理该多个采样测量结果以产生一条OTDR迹线作为该OTDR测量***的输出。

2)如项1)所述的OTDR测量***，其中，该数据分析单元进一步包括一个用于存储该多个采样测量结果的数据库和一个用于使用一个所选择的分辨率因数处理该多个采样测量结果以产生该OTDR迹线的差值计算器。

3)如项2)所述的OTDR测量***，其中，该差值计算器被配置成用于接收一个定义的分辨率因数作为一项输入以用于产生该OTDR迹线，该差值计算器进一步被配置成用于产生一组不同的OTDR迹线，在处理该多个采样测量结果时每条迹线使用一个不同的分辨率因数。

4)如项1)所述的OTDR测量***，其中，该控制元件包括一个偶联至该激光源上的信号发生器，从而产生一个探测信号，当所产生的信号函数值上升时展现出一个上升沿并且当所产生的信号函数值降低时展现出一个下降沿。

5)如项4)所述的OTDR测量***，其中，该信号发生器是一个方波信号发生器。

6)如项5)所述的OTDR测量***，其中，该方波信号发生器被配置成用于产生一个方波信号，该方波信号的脉冲宽度范围为大约1ns到至少100ms。

7)如项6)所述的OTDR测量***，其中，该方波信号发生器被配置成用于产生一个方波信号，该方波信号的脉冲宽度范围为大约10ns到20ms。

8)如项1)所述的OTDR测量***，其中，该控制元件包括一个开关，该开关用于在用户控制的时间间隔打开和关闭该激光源。

9)如项1)所述的OTDR测量***，其中，该激光源包括一个低功率激光源。

10)如项9)所述的OTDR测量***，其中，该激光源展现出在大约-20dBm至大约+20dBm范围内的输出功率。

11)如项10)所述的OTDR测量***，其中，该激光源展现出在大约-3dBm至大约+10dBm范围内的输出功率。

12)如项9)所述的OTDR测量***，其中，该OTDR测量***展现出一个小于1m的衰减盲区。

13)一种沿着光纤段执行OTDR测量的方法，该方法包括以下步骤：

a)初始化一个光纤段；

b)将一个光信号注入一个光纤段的一个输入端口，该光信号被限定为展现出一个跃迁沿；

c)在该输入端口处测量返回的、反射光功率，其中，在一个延长时段内以一个预先确定的采样速率执行该测量，从而产生多个测量功率样本；

d)将该多个测量功率样本存储在一个数据库中；

e)确定一个适当的分辨率因数用于产生一条展现出所期望的细节等级的OTDR迹线；

f)使用该适当的分辨率因数作为差值计算端点之间的间距来对该多个测量功率样本执行差值计算；以及

g)提供在步骤f)中执行的该差值计算的结果作为OTDR测量数据。

14)如项13)所述的方法，其中，在执行步骤b)时，该输入信号的一个上升沿用于发起步骤c)的测量过程。

15)如项13)所述的方法，其中，在执行步骤b)时，该输入信号的一个下降沿用于发起步骤c)的测量过程。

16)如项13)所述的方法，其中，在执行步骤e)时，根据将有待在该OTDR数据中呈现的细节等级来确定该分辨率因数，低分辨率因数产生具有高细节等级的OTDR数据，而高分辨率因数产生指示该光纤段内深处的事件的OTDR数据。

17)如项13)所述的方法，其中，通过重复步骤e)-g)并为每次重复选择一个不同的分辨率因数从该多个测量功率样本中产生多条不同的OTDR迹线。

18)如项13)所述的方法，其中，在执行步骤g)时，该OTDR数据显示为一条OTDR迹线。

19)如项13)所述的方法，其中，在执行步骤g)时，该OTDR数据显示在一个OTDR事件表中。

20)如项13)所述的方法，其中，在执行步骤g)时，该OTDR数据显示为大约一条OTDR迹线和一个OTDR事件表。

21)如项11)所述的方法，其中，在执行步骤b)时，将一个低功率光信号注入该光纤段中，从而提供一个小于1m的OTDR测量衰减盲区。

本发明的其他和进一步的方面和概念在以下讨论过程中并参考附图将变得明显。

附图简要说明

现在参考附图，其中在若干视图中，相同的数字表示相同的部分：

图1展示了用于表征光纤段的示例性现有技术OTDR***；

图2描绘了典型的OTDR迹线，示出了以沿着光纤段根据距离(km)变化的衰减(以dB为单位)为形式的结果；

图3是根据本发明形成的示例性OTDR***的简图；

图4是一组图解，这些图解展示了用来自图3的***的CW源的照明连续“填充”待测光纤；

图5是与本发明的替代实施例相关联的一组图解，在此情况下，展示了待测光纤的连续“清空”；

图6是信号迹线，该信号迹线示出了使用图5的“下降沿”(负向沿)信号的示例性输入探测信号；

图7是光电探测器测量的返回光信号功率的曲线图；

图8是通过对图7的曲线进行求微分而产生的曲线图，该曲线图采用常规OTDR迹线的形式；

图9包含与本发明的一个具体实施例相关联的一组曲线图，该实施例使用沿着示例性方波激光输入探测信号的上升沿和下降沿两者采集的信息；

图10展示了使用本发明的OTDR测量***来表征相对长的光纤段的示例性安排；

图11是根据时间测量的图10的安排中的光电探测器接收的返回功率的曲线图；

图12包含根据本发明通过对图11中绘制的数据执行微分函数而形成的OTDR迹线，并且还包括针对同一光纤段通过常规(脉冲)OTDR***产生的OTDR迹线，目的是进行比较；

图13包含针对图11的曲线图中所示的数据产生的一组三条不同OTDR迹线，通过在处理同一数据集时利用不同的分辨率因数来产生每个简况；

图14描绘了本发明的***的精度的距离不变特征，其中图14的(a)包括与沿着一个光纤段的1km处点相关联的一组曲线(具有不同分辨率因数)，而图14的(b)示出了与沿着同一光纤段43km处点相关联的迹线；

图15是综合分析示例，该示例示出了使用不同分辨率等级的益处；

图16包括一组曲线图，这些曲线图展示了动态地修改OTDR迹线细节的能力，图16的(a)展示了展现出极少细节的迹线，而图16的(b)至图16的(e)是更高细节等级的迹线，这些迹线是通过放大沿图16的(a)迹线的特定的、已标识的位置而产生的。

图17是流程图，示出了一组示例性步骤，这些步骤执行之后可以根据与本发明的新颖的基于沿的OTDR方法产生OTDR迹线；并且

图18展示了当使用本发明的沿传播OTDR测量***时衰减盲区的改进。

详细说明

在描述本发明的细节之前，将提供常规脉冲OTDR***的简要描述。随着对常规脉冲OTDR***的理解，本发明的沿传播OTDR***的细节和优点将是非常明显的。

图1展示了用于表征光纤段2的示例性现有技术OTDR***1。脉冲驱动器3用于从OTDR发射器激光源4产生高功率的、相对短的脉冲。在图1中还示出了所产生的OTDR探测脉冲的图表。所产生的脉冲通过光耦合器5被注入光纤段2中。来自这些探测脉冲(包括与光纤成分相关联的瑞利后向散射和由突发损耗事件(如接合)引起的菲涅尔反射两者)的回光随后由耦合器5引导进入OTDR接收器组件6。在图1中还示出了示例性返回信号的图表。

接收器组件6包括用于将光返回信号转换成等效的电形式的光电探测装置(光电二极管)。数据分析单元7执行电信号的频谱和幅度处理(类似于处理无线电***的回波信息的雷达***)，从而产生如图2中以简化形式所示的OTDR迹线。

图2描绘了典型的OTDR迹线，该迹线示出了沿光纤段根据距离(km)变化的衰减(以dB为单位)为形式的结果。迹线的总斜率表示沿着光纤段上的瑞利散射，众所周知该斜率根据光纤本身的成分变化并且通常是线性响应。沿着该迹线的各个尖峰可以与特定的菲涅尔损耗相关联，如耦合损耗、光纤损坏、接合等，按照它们沿着光纤长度出现。超出预先确定的距离D，OTDR接收器存在噪声导致OTDR迹线变得不堪重负，这个距离D因此限定了用具体OTDR***(包括多个因素，如脉冲宽度、脉冲幅度、接收器灵敏度、处理能力等等)能够评估的典型段长。

通过使用沿传播OTDR探测信号输入并对返回信号执行附加处理，本发明解决了现有技术OTDR***的距离局限性约束，从而提供了一种用于执行光纤段的连续OTDR分析的简单且直接的方法和***，包括使用“嵌入式”OTDR***的能力，该***可以在光纤段的使用期内对该段执行不断更新的测量。

图3是根据本发明形成的示例性OTDR***10的简图。图4是一组图解，这些图解展示了用OTDR***10的光源的照明连续“填充”待测光纤；为了解释的目的，在以下讨论过程中参考图3和图4两者是有用的。

如图3中所示，沿传播OTDR***10用于提供相关联的光纤段12的表征。在本发明的此具体实施例中，***10使用驱动器电路14产生波形，该波形施加在来自激光源16的光输出信号上。在图3中对示例性信号迹线进行了描绘并且该示例性信号迹线示出了来自激光源16的输出波形，该激光源包括在时间t₁打开，从而形成连续的探测输入信号。根据本发明，激光源16在延长时段T中保持“开着”(大约至少几百μs或ms)，该时段足以完全“填充”最初是暗的光纤。如所示，光信号的“上升沿”将沿着光纤段12传播。例如，20km的光纤将需要持续时间大约100μs的探测信号以完全照亮整个20km的光纤段。之后，在时间t₂“关闭”激光源16，并且然后探测信号的下降沿将沿着光纤段12传播。

与现有技术OTDR***相比较，本发明的沿传播OTDR***能够用相对低功率的输入信号极其良好地运作。在现有技术中，脉冲需要具有足够的能量以沿着光纤段传播相对长的距离并在足够能量内产生有待测量的返回信号。不那么依赖本发明的使用沿传播的累积过程。例如，可以设想产生大约-20dBm至20dBm范围的探测信号的激光源16能够用于表征光纤，在大多数情况下在大约-3dBm至10Bm的较窄极限内的功率范围是优选的。

代替使用单独的驱动器电路提供此波形，应理解的是，可以使用开关安排或任何其他适合的电路配置来控制激光源16的打开/关闭，这样使得可获得能够完全照亮光纤段的连续光源用于OTDR测量目的。实际上，本发明的安排的优点是有时可以将沿着光纤段已经安置就位的激光源(如泵浦源)用作此OTDR过程的光源，因为不需要产生脉冲来产生OTDR迹线。

之后离开光源16的激光信号穿过光耦合器18(和/或光隔离器)并注入光纤段12中。参考图4，示出了光纤段12的图示序列，从光纤是“暗的”(即，没有光注入光纤)的初始时间点开始。然后，在时间t₁，“打开”激光源16，并且开始照亮光纤12。在第一时段之后，如图4中的t_P1所示，已经照亮光纤段12的第一区段12-1。在第二时段之后，由于激光源保持“开着”，照亮继续填充光纤段12，现在正在延伸以填充区段12-1和12-2(如图4中的点t_P2所示)。照亮继续进行，直到至少照亮整个光纤段的时间点(定义为时间t_P2)。

返回参考图3，来自光纤段12的回光(后向散射光和反射光)将穿过光耦合器18，并且之后被引导进入光接收器20，该光接收器包括将所接收的光信号转换成电形式的光电探测装置(未示出)。图3中还展示了光接收器20所捕获的返回信号的简化版本。根据本发明，所接收的信号以预先确定的时间间隔(用t_SAMP表示)被采样，选通输入至光接收器20，其中还在图3的返回信号R的曲线图上对间隔t_SAMP进行了描绘。然后将所采样的测量值作为输入应用于数据分析单元22以供存储和进一步处理。

在光接收器20处采样的每一个实例中，所测量的信号表示光纤内存在的所有(无限)后向散射光和反射光的总和(或积分)。因此，如以上所提及和以下详细讨论的，通过及时地减去在两个实例处测量的返回功率的值(求微分)，可以获得光纤中传播的光的两个相应位置之间的***损耗差。此***损耗差对应于常规OTDR迹线。所述另一种方式，沿传播(方波)OTDR输入探测信号可以被认为是在OTDR***中使用的常规探测脉冲的集成版本(脉冲函数的集成产生方波函数)。因此，为了恢复从这种“集成”输入信号中获得的所期望的OTDR数据，根据本发明建议对所采集的数据求微分，从而产生常规OTDR迹线。数据分析单元22被示出为包括用于存储所采集的样本作为初始数据集的数据库24和产生OTDR数据输出的差值计算器26。OTDR数据输出通常采用OTDR迹线的形式(如上所示)，OTDR迹线绘出了根据沿着光纤段的距离变化的返回信号(以dB为刻度)。替代地，可以用表格形式(称为“事件表”)显示OTDR数据。

如以下将要讨论的，本发明的***和方法的优点是产生具有各种分辨率的OTDR迹线所需的所有数据是在单个测量过程中获得的(与现有技术需要执行多次测量序列以采集数据形成对照)。一旦采集到此初始数据集并将其存储在数据库24中，就可以通过差值计算器26产生各种不同的OTDR迹线，每一条迹线根据分析OTDR迹线的人员所选择的步长而变化。用于执行差值计算的步长(下文有时称为“分辨率因数”)将控制OTDR迹线中存在的细节量。例如，低分辨率因数(例如，分辨率因数＝4)意味着为4个样本的步长(即，4个时间间隔的微分窗)用于计算OTDR迹线上的每个点。32量级的分辨率因数被认为是“高”分辨率因数，在每次差值计算中包含32个时间间隔的长度。根据本发明，分辨率因数是变量，作为输入应用于差值计算器26。

因此，对用于对所采集的数据求微分(差值)计算的步长(分辨率)进行调整以帮助分析OTDR迹线中的不同等级的细节。计算中包括的样本数量越少，OTDR迹线的粒度就越精细(代价是展现出更高的噪声级)。步长中包括大量样本将使OTDR迹线平滑，从而降低噪声级并能够标识沿着光纤段更远处的事件。

应当理解的是，可以很容易地将至此描述的本发明的沿传播OTDR***配置成使用方波的“下降”沿作为输入激光源16的波形。图5包含与使用“下降”沿测量配置相关联的光纤段的图示序列。如所示，在此实例中以完全照亮的光纤段开始OTDR测量。然后，随着“下降”沿沿着光纤段传播，光纤将清空并变暗。图5的序列中的其余图示描绘了这个过程，在此过程中在***采样速率限定的预先确定时段(t_SAMP)再次测量返回信号。然后，将这些功率测量结果存储在数据分析单元22的数据库24中以供进一步处理。在使用方波信号控制沿的产生的任何配置中，可以使用例如展现出1ns至100ms量级的脉冲宽度的示例性方波(优选范围是10ns至20ms量级)。

图6是信号迹线，示出了示例性输入探测信号，该信号使用这种“下降沿”(负向沿)信号，如所示，“关闭”出现在在测量间隔开始时，时间t₁。图7是如光电探测器测量的返回光信号功率的曲线图，该曲线图在与“关闭”激光源时相同的时间点t₁开始。关闭之后图表上的每个点是从此下降沿的当前位置到光纤段的远端终止处所有后向散射光和反射光的积分值的测量。图8是通过对图7的曲线求微分而产生的曲线图。根据本发明的教导，此返回的功率曲线的微分揭示了经典的OTDR迹线。针对用来产生图8中所示曲线图的特定分辨率因数，该OTDR迹线清晰地揭示了具有多个区段的光纤段，其中***损耗出现在区段之间的每个接口处。

如参考图6至图8的曲线图所看到的，根据本发明执行OTDR测量的方法能够产生标准OTDR迹线，而无需使用复杂的、昂贵的脉冲输入源在逐迹线基础上采集数据。而是，本发明的方法和***仅依赖于沿光纤段长度上连续光信号(上升沿和/或下降沿)的沿传播以及对返回信号进行采样以采集一系列随着时间变化的测量值。

图9包含与本发明的一个具体实施例相关联的一组曲线图，该实施例使用沿着示例性方波激光输入探测信号的上升沿和下降沿两者采集的信息。在这种情况中，执行测量持续延长的时段，从而记录返回信号功率，该返回信号功率与用光“填充”光纤并且然后“清空”光纤相关联。图9中绘出了示例性沿传播(例如，方波)OTDR输入信号I，还示出了相关联的光电探测器捕获的返回信号R的曲线图。该曲线图的第一半与上升沿配置相关联，如以上结合图4所描述的，其中输入信号I被“打开”并且开始填充光纤。因此返回信号R从零值开始，然后随着累积的返回功率对应于越来越多的光填充的光纤段而继续增加。应当理解的是，在填充相关联的光纤段之后，输入信号I有可能保持“开着”持续一段时间，其中这不会影响对反射信号执行的处理。在图9中对这种情况进行了描绘，其中示出了填充光纤之后输入信号I在延长时段τ内保持“开着”。在这种情况下，所接收的信号值R在此时段内基本上保持不变，因此在时段τ期间的采样时间测量的功率将基本保持不变。

一旦在时间t₂“关闭”输入信号I，返回信号功率R的测量值开始下降，最终基本上降为零。继续对信号进行采样，降低的功率测量结果继续存储在分析单元22中。通过结合使用上升沿和下降沿测量结果两者，可以将获得必要数据所必需的总累积时间减少因数2。而且，通过对上升沿和下降沿返回信号值两者进行采样，由于对两个互补数据点集进行平均，测量结果中存在的相对噪声显著减少。如以上所提及，还可以使用过采样和/或多次扫描来最小化结果中噪声的存在。

不论是上升沿配置、下降沿配置、还是使用上升沿和下降沿两者的配置，本发明的一个重要方面是只需要执行单一系列的测量就允许在不同等级的细节产生多条OTDR迹线。在某些实例中，期望研究与光纤段的特定区段相关联的非常详细的迹线版本。在其他情况下，精确定位位于沿着光纤段深处的事件可能是有必要的。实际上，日益重要的目标是能够精确地测量超过100km的相对长的光纤段。有利地，所有这些不同类型的OTDR迹线可以通过对由本发明的新颖***采集的功率样本值的单一数据集进行后处理来提供。

图10展示了示例性安排，该安排对理解本发明的这种“单数据采集”是有用的。在这种情况中，根据本发明形成的沿传播OTDR***50用于对具有大约120km长度的光纤段40执行OTDR测量。OTDR***50被示出为包括激光源52，其中由激光源52所产生的光穿过循环器54并由光多路复用器56引导进入光纤段40。返回(反射的和后向散射的)光穿过光多路复用器56并由循环器54重新引导进入光电二极管58。如前文，以预先确定的采样速率对所接收的光功率信号进行采样，并且样本值存储在数据分析单元60中以供进一步处理。图11是根据时间测量的光电二极管58所接收的返回功率的曲线图。

如以上讨论的，输入信号I是连续的光输入并且在一个时段内保持“开着”，该时段至少足够确保照亮光纤段40的整个120km长度，并且所采样的功率值确保已经测量了整个光纤。在图10的实施例的一个具体配置中，采样速率被选择成12.5MHz，从而产生大约500,000个样本的数据集，这些样本有待作为数据集存储在数据分析单元60的数据库62中。之后，可以“关闭”光源52。如以上所提及的，在某些实施例中，在输入信号I的下降沿沿着光纤40传播时，可以继续采集数据。

如以上所述，与光纤段40相关联的OTDR迹线是通过对图11中所示的数据求微分而获得的。图12展示了针对所选择的分辨率因数进行这种求微分的结果。为了进行比较，还示出了由常规(脉冲)OTDR***产生的OTDR迹线，其中对于现有技术迹线，需要使用脉冲宽度为10μs的脉冲。显然，本发明的沿传播配置(有时又称为“无限后向散射”技术)提供与使用更复杂的脉冲技术产生的信息基本上相同的信息。

本发明的***的优点是可以使用后处理技术从采样功率测量结果的单数据集中确定不同等级的细节。即，通过使用不同的微分分辨率因数，可以从相同的数据集中产生各种不同的OTDR迹线。图13包含针对图11的光纤段40产生的一组三条不同OTDR迹线，在处理同一500,000个样本数据集时使用不同的分辨率因数产生每个简况。第一曲线图(标记为“A”)是通过使用低分辨率因数(4)产生的，意味着每次微分是在4个样本的距离上产生的。在这种情况中，结果是在相对细的粒度等级并且在精确定位菲尼尔反射相关联的特征时是有用的，因为在用较高分辨率因数进行计算时这些尖峰趋于在长距离内展开。然而，如所示，由于在光纤段的外极限处存在噪声，曲线图A的迹线变得混乱。第二曲线图(标记为“B”)是通过使用较高分辨率因数(即，32)产生的，使用相同的数据集作为输入。如所清晰示出的，使用较高分辨率因数降低了迹线中存在的噪声级，从而允许精确确定沿着光纤段40深处的事件位置。

第三曲线图(标记为“C”)是通过使用又另一个分辨率因数(在这种情况下是16)产生的，从而指示本发明的***可以从同一输入数据集中产生各种不同的OTDR迹线的灵活性。在现有技术中产生具有不同分辨率因数的OTDR曲线图的能力只能针对探测脉冲使用各种不同的脉冲宽度通过执行若干不同的测量序列来获得。然而，根据本发明，在单个测量过程中可以检索到所有此信息，并且无需反复重新扫描光纤和在功率测量中收集不同等级的细节。

由于图13中的所有三个曲线图是从同一初始数据集中产生的，本发明的显而易见的优点是可以使用各种不同的分辨率处理数据，以便捕获“本地化的”信息以及距离相关的信息两者。

而且，已经发现本发明的处理过程是距离不变的，意味着沿着光纤段的第一位置处的给定OTDR迹线的精度与沿着该光纤段的不同位置处的迹线相同。图14展示了本发明的这个方面，曲线图(a)示出了与沿着光纤段40的1km处点相关联的迹线，而曲线图(b)示出了沿着光纤段40的43km处点相关联的迹线。每个曲线图包括一组5条不同的OTDR迹线，所有迹线都是从同一单数据集中计算的。如所示，每条迹线是使用范围从因数“1”到“32”的不同分辨率因数产生的。尽管在沿着光纤段的更远测量点处有噪声(比较曲线图(a)和(b)中的分辨率因数为32迹线)，但使用本发明的技术的较高分辨率的益处可以在观察曲线图(a)和(b)两者中的数据采集时看出。在本数据中，通过降低相关联的分辨率因数而提高距离分辨率是清楚的。从图14的曲线图中还清楚的是，对于每一个分辨率因数，沿着光纤在距离分辨率精度上没有降低；即，在1km和43km两者处实现相同的分辨率。

图15是综合分析示例，该示例展示了使用不同等级分辨率的益处。第一曲线图具有两个微分不同的数据集。第一数据集与小步长(即，小分辨率因数)相关联，清楚的是，相对大的噪声级保留在该曲线图中，但“事件”是清晰可见的。第二数据集与较大步长(较高分辨率)相关联，较大步长降低了曲线图中噪声的可见度。更长、更高平均步长的使用允许清楚地看到沿着光纤段在一定距离处的衰减步降。通过结合两种计算(基于同一数据集)，因此可以收集两种类型的数据—噪声内的事件以及沿光纤段更远处的衰减。

对单数据集进行多次分析的能力是重要的。实际上，相对直接的是，使用软件控制的***将一组给定的“可视化要求”应用于数据并且然后产生所期望的类型的迹线以供审查。图16展示了这一点。图16的(a)是完整光纤段的示例性迹线，该迹线是使用本发明的沿传播技术产生的。在这种情况下，在迹线上有四处明显的单独间断(即，曲线图中的尖峰)。当观察此数据时，用户于是可以请求重新绘制数据集以便在这些区域中的每一个区域上进行“放大”，从而允许用户进一步研究和标识这些位置中的每一个位置处的潜在问题。图16的(b)-(e)是同一数据集的曲线图，在每种情况下，被指示在不同区段上进行放大之后，可以标识特定的事件。图16的(b)示出了光纤段的起点附近(即，沿光纤2km处的点)的详细曲线图，图16的(c)示出了100m标志处的详细曲线图，图16的(d)示出了5.5km点处的详细曲线图，并且图16的(e)包含在沿光纤段11.5km点处的事件的详细曲线图。

图17是根据本发明的执行OTDR测量时涉及到的步骤的流程图。如所示，处理过程在步骤100开始：将沿传播激光探测信号注入正被研究的光纤中。还确定在捕获返回信号测量结果过程中使用的采样速率(如步骤110所示)。然后，开始实际的测量过程，其中在光接收器处对返回光功率进行采样并将样本存储在数据库中(步骤120)。样本可以存储持续一段不确定的时段，在已经采集所有样本之后，人员可以在任何时间点发起OTDR迹线的实际产生。

为了开始产生OTDR迹线的实际过程，首先选择分辨率因数(步骤130)，其中所选择的分辨率因数将确定OTDR迹线中所示的细节等级。然后，使用所选择的分辨率因数对所存储的功率测量样本数据集执行微分运算，如步骤140所指示的。然后，在步骤150，将曲线图(或结果的其他图示)呈现为OTDR测量结果信息。然后，关于是否需要产生另一条OTDR迹线，在步骤160作出决定，从而展现已呈现的信息中的不同细节等级。如果不需要另一条OTDR迹线，则该过程完成。替代地，如果期望产生另一条具有不同细节等级的OTDR迹线，则选择另一个分辨率因数(步骤170)，并且该过程返回到步骤140以执行另一个微分，这一次用新的的分辨率因数。

总之，根据本发明通过照亮整个光纤段而不是沿着光纤传输一系列窄脉冲，OTDR测量的距离分辨能力就仅仅是***的所选择的采样速率和后处理能力的特性。在现有技术中，这种距离分辨率受到用作探测源的脉冲方案的限制。由于本发明的教导，可以产生沿着整个光纤段范围的不变的距离分辨率曲线图。更精确地定位光纤深处的故障的能力较现有技术脉冲OTDR***是显著的改进，其中需要更大的脉冲长度来测量深入光纤的较长距离，对距离分辨率有重要影响。

有利地，针对探测信号使用连续的源激光较需要使用脉冲生成器的现有技术配置允许简化的设计。实际上，可以使用针对特定用途(即，拉曼放大)设计的激光源(还用于OTDR激光源)。简化的OTDR源配置允许OTDR***嵌入在光网络内的不同点处。

与在脉冲OTDR***中所使用的现有技术接收器相比较，在本发明的沿传播OTDR***中使用的光电二极管装置不需要对极低功率的反射高度灵敏，因为测量的是在较长时段内的累积信号。因此使用更为常规的光电二极管显著减少了与现有技术OTDR***相关联的众所周知的事件盲区和衰减盲区问题，在现有技术***中，需要在开始第二次测量之前允许冲洗光电探测器并且消除所有光子。

图18展示了与本发明的沿传播OTDR***相关联的盲区问题的减少(在这种情况中，与沿着如以上和图16的(e)相关联讨论的光纤段的11km点处发现的事件相关联)。图18中的曲线图A包括本发明的OTDR***中的光检测器采集的“原始”数据和与使用脉冲源的现有技术配置相关联的假设数据两者。与现有技术配置相关联的曲线图B示出了在沿光纤段的11km距离处的大约5.3m的衰减盲区。使用本发明的沿传播***，此衰减盲区减少到大约0.8m的值，如图18的曲线图C所示。

将认识到的是，以上描述旨在仅用作示例，并且在所附权利要求书限定的本发明范围内许多其他实施例是可能的。

Claims

1.一种OTDR测量***，包括：

一个激光源，该激光源用于将CW探测信号注入一个正被测量的光纤段的一个第一输入端面中，使得沿所述光纤段传播到所述光纤段的第二输出终端；

一个控制元件，该控制元件用于“打开”和“关闭”该激光源，在“打开”该激光源时产生一个传播探测信号的一个上升沿，并在当所述上升沿到达所述光纤段的所述第二输出终端而“关闭”该激光源时产生该传播探测信号的一个下降沿；

一个数据分析单元，该数据分析单元用于对该光接收器的输出功率信号测量结果进行采样，存储多个采样测量结果并处理该多个采样测量结果以产生一条OTDR迹线作为该OTDR测量***的输出。

2.如权利要求1所述的OTDR测量***，其中，该数据分析单元进一步包括一个用于存储该多个采样测量结果的数据库和一个用于使用一个所选择的分辨率因数处理该多个采样测量结果以产生该OTDR迹线的差值计算器。

3.如权利要求2所述的OTDR测量***，其中，该差值计算器被配置成用于接收一个定义的分辨率因数作为一项输入以用于产生该OTDR迹线，该差值计算器进一步被配置成用于产生一组不同的OTDR迹线，在处理该多个采样测量结果时每条迹线使用一个不同的分辨率因数。

4.如权利要求1所述的OTDR测量***，其中，该控制元件包括一个偶联至该激光源上的信号发生器，从而产生一个探测信号，当所产生的信号函数值上升时展现出一个上升沿并且当所产生的信号函数值降低时展现出一个下降沿。

5.如权利要求4所述的OTDR测量***，其中，该信号发生器是一个方波信号发生器。

6.如权利要求5所述的OTDR测量***，其中，该方波信号发生器被配置成用于产生一个脉冲宽度范围为大约1ns到100ms的方波信号。

7.如权利要求6所述的OTDR测量***，其中，该方波信号发生器被配置成用于产生一个脉冲宽度范围为大约10ns到20ms的方波信号。

8.如权利要求1所述的OTDR测量***，其中，该控制元件包括一个开关，该开关用于在用户控制的时间间隔打开和关闭该激光源。

9.如权利要求1所述的OTDR测量***，其中，该激光源包括一个低功率激光源。

10.如权利要求9所述的OTDR测量***，其中，该激光源展现出在大约-20dBm至大约+20dBm范围内的输出功率。

11.如权利要求10所述的OTDR测量***，其中，该激光源展现出在大约-3dBm至大约+10dBm范围内的输出功率。

12.如权利要求9所述的OTDR测量***，其中，该OTDR测量***展现出一个小于1m的衰减盲区。