CN110375960A - 一种基于超连续谱光源otdr的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于超连续谱光源OTDR的装置及方法。本发明主要用于解决传统OTDR空间分辨率与动态范围无法同时提高的问题。本发明采用超连续谱光源，光谱范围宽至几百nm，比传统激光器拥有更宽的光谱范围；经过可协调光滤波器产生波长可调激光信号，使得其空间分辨率达到毫米量级。超连续谱光源输出稳定，输出功率大，动态范围大，且不影响***空间分辨率，其能量能够持续性输出，且具有高的信噪比。所述装置，包括锁模激光器、两个偏振控制器、高速电光调制器、微波信号源、脉冲光放大器、高非线性光纤、两个可调谐光滤波器、光隔离器、1×2光纤耦合器、光环行器、待测光纤、可变光延迟线、两个光电探测器、光放大器、示波器、计算机。

Description

一种基于超连续谱光源OTDR的装置及方法

技术领域

本发明应用于分布式光纤传感检测领域，具体为一种基于超连续谱光源OTDR的装置及方法，能够实现对光纤故障长距离高分辨率的实时测量。

背景技术

基于OTDR的瑞利散射***的分布式光纤传感的***中OTDR测试一般是通过发射光脉冲到光纤内,然后在OTDR端口接收返回的信息来进行分析。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲或其它类似的事件而产生散射和反射。其中一部分的散射和反射就会返回到OTDR中，装置通过测量和处理散射和反射信号就可判断出光纤状态。

OTDR是目前用于光缆线路检测的主要仪表，它利用光纤中的后向瑞利散射和菲涅尔反射来检测光纤特性；OTDR与其集成日益显示出其在测量精度、测量范围和测量速度方面的优越性。随着分布式光纤的迅猛发展，基于OTDR的分布式光纤传感器仍将是研究的热点，尤其是基于OTDR的新型分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。

OTDR技术一般是对***段处的光纤链路处的测量，因而需要更大的动态范围，而传统的OTDR技术由于输入功率有限，检测距离有限，空间分辨率低的问题，亟待发明一种新型OTDR装置及技术。为了在OTDR 中得到高空间分辨率，需要将激光的脉冲宽度变窄。此外，如果将激光的脉冲宽度变窄，则为了弥补因为激光的能量降低所导致的测定的信噪比的降低，而需要提高激光的功率。但是这样可能因为在光线路中出现受激布里渊散射等非线性光学现象而产生测定性能的降低或对通信信号造成干扰。因此，在OTDR 中，空间分辨率被限制在几米左右。

中科院半导体研究所的申请《波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法》（申请号CN200810240937）提供一种光时域反射测试装置，该方法是将两个不同波长的光脉冲组成的编码光脉冲信号分为探测光信号和参考光信号，探测光信号进入待测光纤链路后遇到光纤断点或损伤点时会产生反射光信号，反射光信号与参考光信号一起进入光电探测器进行拍频，拍频信号进入拍频信号检测装置进行观测和记录；经过调整，让两个光脉冲的时间相隔T1，并观测记录对应拍频信号的频谱。虽然该装置使用两个脉冲信号大大提高光纤的动态范围，但也增加装置的成本，而且空间分辨率增大是有限的只能是两个脉冲宽度之差。

中国电子科技集团公司第四十一研究所的《一种光时域反射测量装置及方法》（申请号CN201310187847）。光时域反射测量装置中脉冲信号发生器产生激励脉冲信号，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。该发明解决OTDR存在大动态光电信号接收盲区，但由于光源使用的脉冲光源，其空间分辨率还是被限制。

为了克服脉冲型的OTDR分辨率与动态范围无法同时提高的缺点，科研人员利用

伪随机码发生器对脉冲激光信号进行调制，在一定程度上提高了***的动态范围及其空间分辨率(EP0269448)；但伪随机码的缺陷是只能产生有限的码长，这样就会使得相邻的码会重叠，使得测量的空间分辨率一般都是米量级的，而且其测量精度主要取决于编码速率和调制速率。

由于伪随机码的局限性，我们提出混沌光时域反射技术（CN200810054534），主要是利用混沌光作为***的探测光，混沌激光具有初值敏感性、遍历性、相干长度短、宽带宽、强抗干扰性等特点。由于混沌激光的宽带宽，所以OTDR 的分辨率和动态范围会有很明显的提高(IEEE Photonics Technology Letters , 2008 , 20 (19): 1636-1638 ，CN101226100B) 。但是现在混沌OTDR技术中混沌激光是由半导体激光器利用光反馈构成，其激光弛豫振荡明显，带宽被限制，目前混沌激光能达到的空间分辨率为2cm（ Journal ofLightwave Technology, 2012, 30(21):3420-3426.）。

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；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。而本发明基于超连续谱光源OTDR的装置及方法使用超连续谱光源，其具有超宽光谱，相干长度短，输出功率比传统激光器大两到三个数量级，有效解决目前传统的OTDR技术由于输入功率有限，检测距离有限，空间分辨率低的问题及解决传统光时域反射仪分辨率与动态分辨范围无法同时提高的问题。此装置可将空间分辨率精确到毫米量级而不受探测带宽的限制，提高信噪比。

发明内容

本发明提出一种基于超连续谱光源OTDR的装置及方法，利用超连续谱代替光脉冲信号实现监测。实现分辨率与动态分辨范围同时提高，达到***稳定工作。

一种基于超连续谱光源OTDR的装置，其特征在于：包括锁模激光器、第一偏振控制器、高速电光调制器、微波信号源、第二偏振控制器、脉冲光放大器、高非线性光纤、第一可调谐光滤波器、光隔离器、1×2光纤耦合器、光环行器、待测光纤、可变光延迟线、第一光电探测器、光放大器、第二可调谐光滤波器、第二光电探测器、示波器、计算机；

其中，锁模激光器的出射端与第一偏振控制器的入射端连接；第一偏振控制器的出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器的入射端连接；高速电光调制器的出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器的入射端连接；微波信号源的信号输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器的射频输入端连接；第二偏振控制器通过单模光纤跳线与脉冲光放大器入射端连接；脉冲光放大器的出射端通过单模光纤跳线与高非线性光纤的入射端连接；高非线性光纤的出射端通过单模光纤跳线与第一可调谐光滤波器的入射端连接；第一可调谐光滤波器的出射端通过单模光纤跳线与光隔离器的入射端连接；光隔离器的出射端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器的入射端连接；

1×2光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与光环行器的入射端连接；光环行器的反射端与待测光纤的入射端连接；光环行器出射端通过单模光纤跳线与光放大器的入射端连接；光放大器出射端与第二可调谐光滤波器的入射端连接；第二可调谐光滤波器出射端通过单模光纤跳线与第二光电探测器的入射端连接；第二光电探测器的出射端通过单模光纤跳线与示波器第一信号输入端连接；

1×2光纤耦合器的第二个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线的入射端连接；可变光延迟线的出射端通过单模光纤跳线与第一光电探测器的入射端连接；第一光电探测器的出射端与示波器的第二信号入射端连接；示波器的出射端与计算机信号入射端连接。

一种基于超连续谱光源OTDR的方法，该方法在一种基于超连续谱光源的OTDR装置中实现，该方法采用如下步骤实现：

锁模激光器输出的锁模光脉冲信号，首先经过第一偏振控制器调整偏振状态，然后微波信号源通过输出的正弦波信号作为调制信号输入高速电光调制器中；锁模光脉冲和正弦波信号分别经高速电光调制器的入射端和射频端口输入高速电光调制器，通过控制微波信号源的偏置电压即可实现正弦射频信号对脉冲信号的高质量调制；信号继续经过第二偏振控制器调整偏振态和将输出脉冲经脉冲光放大器功率放大后注入到高非线性光纤中传输，其输出信号不仅受自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散射等诸多非线性效应的影响，还受到光纤色散性质的影响；非线性和色散之间的相互作用而引起的调制不稳定性效应会导致光脉冲频谱展宽产生超连续谱；第一可调谐光滤波器选择合适的滤波中心与滤波带宽对产生的超连续谱进行滤波；滤波信号经光隔离器隔离后进入1×2光纤耦合器分成两路；一路经光环行器环行后进入待测光纤发生后向散射；光环行器的输出端接光放大器放大反射信号、通过第二可调谐光滤波器滤出后向瑞利散射光和菲涅尔反射光，经过第二光电探测器将光信号转换为电信号输入示波器采集时序；

另一路光信号作为参考光信号，经过可变光延迟线调节参考光光程，标定零点；再输入第一光电探测器接到示波器采集时序；最后用计算机处理数据，通过计算参考光与后向瑞利散射信号之间的相关函数，即可确定光纤连接点，光纤终端或断点。

与现有分布式光纤OTDR***相比，本发明所述的一种基于超连续谱光源OTDR的装置及方法具有如下优点：

一、本发明使用的超连续谱光源具有超高的光谱功率密度、更平滑的光谱、超低的强度噪声和更短的相干长度，使得定位测量动态范围和空间分辨率有了质的提升；基于超连续谱光源OTDR的装置相比传统光源更加稳定；基于光纤的超连续谱光源设计简单，能够获得宽带、变换极限以及空间相干的光束，使其非常适合现有分布式光纤定位***应用。

二、虽然《波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法》（申请号CN200810240937）的光时域反射测试装置、动态范围大、分辨率高，解决传统OTDR(光时域反射仪)分辨率与动态分辨范围无法同时提高的问题。但是其空间分辨率还是受光脉冲宽度影响，而且需要两种波长的光脉冲，实验成本太高；本发明使用的超连续谱光源易于实现，结构简单，方便操作，输出功率足够稳定和充足，测量范围可达三百公里以上，可有效用于实际工程当中。

三、普通OTDR在动态范围和空间分辨率方面受限，存在无法克服的大动态光电信号接收盲区的瓶颈问题，而本发明采用超连续谱作为光源，***的空间分辨率完全由光源的相干长度决定，超连续谱的相干长度很短，空间分辨率可达毫米量级；有效解决信号接收盲区问题。

四、利用伪随机码发生器对脉冲激光信号进行调制，在一定程度上提高了***的动态范围及其空间分辨率(EP0269448)；但伪随机码的缺陷是只能产生有限的码长，这样就会使得相邻的码会重叠，使得测量的空间分辨率一般都是米量级的，而且其测量精度主要取决于编码速率和调制速率。而基于超连续谱光源的OTDR的空间分辨率可达毫米量级，更有利于高精度监测。

五、虽然混沌OTDR在一定程度上解决了动态范围和空间分辨率的问题，但由于混动激光是由半导体激光器利用光反馈构成，其激光弛豫振荡明显，带宽被限制，目前混沌激光能达到的空间分辨率为2cm。无法对长距离的细微裂缝进行精密检测，使得应用方面受到一定的限制。而本发明的超连续谱光源使得***的动态范围和空间分辨率大大提升，完全能够对上述问题进行监测。

附图说明

图1是本发明的一种基于超连续谱光源OTDR的装置及方法结构示意图。

图中：1-锁模激光器、2-第一偏振控制器、3-高速电光调制器、4-微波信号源、5-第二偏振控制器、6-脉冲光放大器、7-高非线性光纤、8-第一可调谐光滤波器、9-光隔离器、10-1×2光纤耦合器、11-光环行器、12-待测光纤、13-可变光延迟线、14-第一光电探测器、15-光放大器、16-第二可调谐光滤波器、17-第二光电探测器、18-示波器、19-计算机。

具体实施方式

一种基于超连续谱光源OTDR的装置，包括锁模激光器1、第一偏振控制器2、高速电光调制器3、微波信号源4、第二偏振控制器5、脉冲光放大器6、高非线性光纤7、第一可调谐光滤波器8、光隔离器9、1×2光纤耦合器10、光环行器11、待测光纤12、可变光延迟线13、第一光电探测器14、光放大器15、第二可调谐光滤波器16、第二光电探测器17、示波器18、计算机19；

其中，锁模激光器1的出射端与第一偏振控制器2的入射端连接；第一偏振控制器2的出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器3的入射端连接；高速电光调制器3的出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器5的入射端连接；微波信号源4的信号输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器3的射频输入端连接；第二偏振控制器5通过单模光纤跳线与脉冲光放大器6入射端连接；脉冲光放大器6的出射端通过单模光纤跳线与高非线性光纤7的入射端连接；高非线性光纤7的出射端通过单模光纤跳线与第一可调谐光滤波器8的入射端连接；第一可调谐光滤波器8的出射端通过单模光纤跳线与光隔离器9的入射端连接；光隔离器9的出射端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器10的入射端连接；

1×2光纤耦合器10的第一个出射端通过单模光纤跳线与光环行器11的入射端连接；光环行器11的反射端与待测光纤12的入射端连接；光环行器11出射端通过单模光纤跳线与光放大器15的入射端连接；光放大器15出射端与第二可调谐光滤波器16的入射端连接；第二可调谐光滤波器16出射端通过单模光纤跳线与第二光电探测器17的入射端连接；第二光电探测器17的出射端通过单模光纤跳线与示波器18第一信号输入端连接；

1×2光纤耦合器10的第二个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线13的入射端连接；可变光延迟线13的出射端通过单模光纤跳线与第一光电探测器14的入射端连接；第一光电探测器14的出射端与示波器18的第二信号入射端连接；示波器18的出射端与计算机19信号入射端连接。

一种基于超连续谱光源OTDR的方法，该方法在一种基于超连续谱光源的OTDR装置中实现，该方法采用如下步骤实现：

锁模激光器1输出的锁模光脉冲信号，首先经过第一偏振控制器2调整偏振状态，然后微波信号源4通过输出的正弦波信号作为调制信号输入高速电光调制器3中；锁模光脉冲和正弦波信号分别经高速电光调制器3的入射端和射频端口输入高速电光调制器3，通过控制微波信号源4的偏置电压即可实现正弦射频信号对脉冲信号的高质量调制；信号继续经过第二偏振控制器5调整偏振态和将输出脉冲经脉冲光放大器6功率放大后注入到高非线性光纤7中传输，其输出信号不仅受自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散射等诸多非线性效应的影响，还受到光纤色散性质的影响；非线性和色散之间的相互作用而引起的调制不稳定性效应会导致光脉冲频谱展宽产生超连续谱；第一可调谐光滤波器8选择合适的滤波中心与滤波带宽对产生的超连续谱进行滤波；滤波信号经光隔离器9隔离后进入1×2光纤耦合器10分成两路；一路经光环行器11环行后进入待测光纤12发生后向散射；光环行器11的输出端接光放大器15放大反射信号、通过第二可调谐光滤波器16滤出后向瑞利散射光和菲涅尔反射光，经过第二光电探测器17将光信号转换为电信号输入示波器18采集时序；

另一路光信号作为参考光信号，经过可变光延迟线13调节参考光光程，标定零点；再输入第一光电探测器14接到示波器18采集时序；最后用计算机19处理数据，通过计算参考光与后向瑞利散射信号之间的相关函数，即可确定光纤连接点，光纤终端或断点。

具体实施时，超连续谱由锁模脉冲激光器1（MLL，Pritel，UOC-05-14 G-E）、第一偏振控制器2、微波信号源4（Model-SNP1012-520-01）、高速电光调制器3（EOM，Photline，MXAN-LN-10）、第二偏振控制器5、脉冲光放大器6、高非线性光纤7构成；超连续谱产生1400nm到1680nm宽的光谱，经第一可调谐光滤波器8产生波长和带宽可调谐光信号，第一可调谐光滤波器8的型号为XTM-50型；1×2光纤耦合器10耦合比为99:1；可变光延迟线13采用MDL-002型电控可调光延迟线。光放大器15采用掺饵光纤放大器或者半导体光放大器。第一光电探测器14和第二光电探测器17采用Newport 1544-B型光电探测器。待测光纤12采用G655或G652系列单模光纤，其长度为300km。

Claims (2)

1.一种基于超连续谱光源OTDR的装置，其特征在于：包括锁模激光器（1）、第一偏振控制器（2）、高速电光调制器（3）、微波信号源（4）、第二偏振控制器（5）、脉冲光放大器（6）、高非线性光纤（7）、第一可调谐光滤波器（8）、光隔离器（9）、1×2光纤耦合器（10）、光环行器（11）、待测光纤（12）、可变光延迟线（13）、第一光电探测器（14）、光放大器（15）、第二可调谐光滤波器（16）、第二光电探测器（17）、示波器（18）、计算机（19）；

其中，锁模激光器（1）的出射端与第一偏振控制器（2）的入射端连接；第一偏振控制器（2）的出射端通过单模光纤跳线与高速电光调制器（3）的入射端连接；高速电光调制器（3）的出射端通过单模光纤跳线与第二偏振控制器（5）的入射端连接；微波信号源（4）的信号输出端通过高频同轴电缆与高速电光调制器（3）的射频输入端连接；第二偏振控制器（5）通过单模光纤跳线与脉冲光放大器（6）入射端连接；脉冲光放大器（6）的出射端通过单模光纤跳线与高非线性光纤（7）的入射端连接；高非线性光纤（7）的出射端通过单模光纤跳线与第一可调谐光滤波器（8）的入射端连接；第一可调谐光滤波器（8）的出射端通过单模光纤跳线与光隔离器（9）的入射端连接；光隔离器（9）的出射端通过单模光纤跳线与1×2光纤耦合器（10）的入射端连接；

1×2光纤耦合器（10）的第一个出射端通过单模光纤跳线与光环行器（11）的入射端连接；光环行器（11）的反射端与待测光纤（12）的入射端连接；光环行器（11）出射端通过单模光纤跳线与光放大器（15）的入射端连接；光放大器（15）出射端与第二可调谐光滤波器（16）的入射端连接；第二可调谐光滤波器（16）出射端通过单模光纤跳线与第二光电探测器（17）的入射端连接；第二光电探测器（17）的出射端通过单模光纤跳线与示波器（18）第一信号输入端连接；

1×2光纤耦合器（10）的第二个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线（13）的入射端连接；可变光延迟线（13）的出射端通过单模光纤跳线与第一光电探测器（14）的入射端连接；第一光电探测器（14）的出射端与示波器（18）的第二信号入射端连接；示波器（18）的出射端与计算机（19）信号入射端连接。

2.一种基于超连续谱光源OTDR的方法，该方法在一种基于超连续谱光源的OTDR装置中实现，其特征在于，该方法采用如下步骤实现：

锁模激光器（1）输出的锁模光脉冲信号，首先经过第一偏振控制器（2）调整偏振状态，然后微波信号源（4）通过输出的正弦波信号作为调制信号输入高速电光调制器（3）中；锁模光脉冲和正弦波信号分别经高速电光调制器（3）的入射端和射频端口输入高速电光调制器（3），通过控制微波信号源（4）的偏置电压即可实现正弦射频信号对脉冲信号的高质量调制；信号继续经过第二偏振控制器（5）调整偏振态和将输出脉冲经脉冲光放大器（6）功率放大后注入到高非线性光纤（7）中传输，其输出信号不仅受自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散射等诸多非线性效应的影响，还受到光纤色散性质的影响；非线性和色散之间的相互作用而引起的调制不稳定性效应会导致光脉冲频谱展宽产生超连续谱；第一可调谐光滤波器（8）选择合适的滤波中心与滤波带宽对产生的超连续谱进行滤波；滤波信号经光隔离器（9）隔离后进入1×2光纤耦合器（10）分成两路；一路经光环行器（11）环行后进入待测光纤（12）发生后向散射；光环行器（11）的输出端接光放大器（15）放大反射信号、通过第二可调谐光滤波器（16）滤出后向瑞利散射光和菲涅尔反射光，经过第二光电探测器（17）将光信号转换为电信号输入示波器（18）采集时序；

另一路光信号作为参考光信号，经过可变光延迟线（13）调节参考光光程，标定零点；再输入第一光电探测器（14）接到示波器（18）采集时序；最后用计算机（19）处理数据，通过计算参考光与后向瑞利散射信号之间的相关函数，即可确定光纤连接点，光纤终端或断点。