CN112857745B

CN112857745B - 基于高速互补格雷码的高空间分辨率otdr装置及方法

Info

Publication number: CN112857745B
Application number: CN202110194743.7A
Authority: CN
Inventors: 张建国; 王洋; 赵彤; 潘通; 申志儒; 王安帮
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2021-02-21
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2041-02-21
Also published as: CN112857745A

Abstract

本发明属于光纤时域反射测量领域；具体为一种基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR的装置及方法，利用高速互补格雷码作为调制信号，经驱动电路直接调制分布反馈激光器输出宽带、稳定且无明显周期性的混沌激光作为探测光，以实现光纤故障的高精度诊断；利用低速模数转换器降低ADC速率并达到很好的探测效果，利用快速Hadamard变换模块快速计算互相关；所设计的混沌OTDR结构简单、性能稳定且成本低廉，有利于实现集成化和产品化，可满足实际工程应用中的需求。

Description

基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤时域反射测量技术领域，具体为一种基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR的装置及方法。

背景技术

光纤故障检测是光纤传输***的基本要求。通常，商用光纤故障定位***都是基于光时域反射仪（OTDR）。光时域反射仪（OTDR，optical time domain reflectometer）是国际电信联盟推荐的光纤故障检测方法，利用探测光在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅耳反射所产生的背向散射光信号得到被测光纤的衰减、断点等信息。OTDR可用于测量光纤衰减、接头损耗、光纤故障点定位以及了解光纤沿长度的损耗分布情况等，是光缆施工、维护及监测中必不可少的工具。但是，该技术必须在空间分辨率和动态范围之间进行折衷。由于没有昂贵且复杂的超短脉冲激光器，传统的OTDR采用激光单脉冲作为探测光，技术成熟且结构简单，但空间分辨率会随着测量距离的增加而降低，只能达到几米甚至几十米。分辨率决定OTDR所能区分的两个点间最小距离，分辨率越高定位故障点越准确。信噪比决定了OTDR在一定平均次数下所能测量的最大距离。测量的分辨率取决于脉冲宽度。另一方面，激光器的峰值功率有限，为了提高入射光脉冲的能量只能采用增加光脉冲宽度的方法，这又会带来分辨率的下降，因此使用单脉冲的OTDR的分辨率和信噪比是相互制约的。

随着多节点、小型化光纤网络的飞速发展，OTDR需要实现更高的空间分辨率，以满足密集型光纤网络的故障定位。因此，基于超短光脉冲、光子计数和伪随机码的OTDR被相继提出。超短光脉冲技术虽然可以提高OTDR的空间分辨率，但其测量范围短、信噪比（SNR）低，而且装置昂贵、复杂；光子计数OTDR在保证空间分辨率的前提下增加了动态范围，但其测试时间长，且需要对测试数据进行修正，限制了其在实际中的应用；伪随机码调制的OTDR通过增加码长的方式增大测量距离，且不会影响空间分辨率，然而有限的码长限制了其动态范围或测量距离的进一步增加。

混沌光时域反射仪具有优于上述方法的优势，因为它的测距能力约为几公里，分辨率为厘米。混沌光时域反射仪（COTDR，chaos OTDR）利用连续的宽带混沌激光作为探测信号，通过对参考信号和回波信号进行互相关处理，可实现与探测距离无关的高精度光纤故障定位。然而，光反馈混沌激光产生装置均是由分离的光学器件组成，尺寸大且输出混沌光质量不理想。究其原因：一方面，激光器作为非线性光学器件对反馈光的强度和偏振态非常敏感，导致产生的混沌光易受外部因素干扰，不易持续稳定输出；另一方面，由于延迟反馈腔的存在导致上述结构产生的混沌激光存在弱周期性，即其相关曲线上具有周期性的旁瓣，会给测量带来误判。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提出一种基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR的装置及方法，利用高速互补格雷码作为调制信号，经驱动电路直接调制分布反馈激光器输出宽带、稳定且无明显周期性的混沌激光作为探测光，以实现光纤故障的高精度诊断。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR产生装置，包括外部时钟源、多路复用器（MUX）、高速互补格雷码发生器、驱动电路、分布反馈激光器（DFB）、耦合器、环形器、被测光纤、第一雪崩光电探测器（APD）、第二雪崩光电探测器（APD）、分频器、采样时钟发生器、第一跟踪保持电路模块、第二跟踪保持电路模块、模数转换器（ADC）、快速Hadamard变换模块（FHT）；外部噪声源的输出端口分别与N级分频器、多路复用器（MUX）和高速互补格雷码发生器相连；多路复用器的输出端口分别与高速互补格雷码发生器和分频器相连；采样时钟发生器的输入接口与分频器的输出接口相连，采样时钟发生器的输出接口分别与第一跟踪保持电路模块和第二跟踪保持电路模块相连；驱动电路的输入端口与高速互补格雷码发生器的输出端口相连，驱动电路的输出接口与分布反馈激光器（DFB）的输入接口相连；耦合器的输入接口与分布反馈激光器（DFB）的输出接口相连，耦合器的输出接口分别与环形器和第一雪崩光电探测器（APD）相连；环形器与被测光纤和第二雪崩光电探测器（APD）相连；第一雪崩光电探测器（APD）的输出接口与第一跟踪保持电路模块相连；第二雪崩光电探测器（APD）的输出接口与第二跟踪保持电路模块相连；第一跟踪保持电路模块和第二跟踪保持电路模块的输出接口都与模数转换器的输入接口相连；快速Hadamard变换模块（FHT）的输入接口与模数转换器的输出接口相连，并输出互相关图形。

进一步的，下采样单元包括分频器、采样时钟发生器、第一跟踪保持电路模块、第二跟踪保持电路模块；通过分频器对外部时钟源的时钟信号分频后输入采样时钟发生器，所述采样时钟发生器的输出信号对第一雪崩光电探测器（APD）和第二雪崩光电探测器（APD）转换生成的电信号进行下采样。

采用N级分频器和MUX实现了高速互补格雷码发生器的可调节频率和速率。采用高速互补格雷码，实现了零旁瓣的互相关曲线，相对于传统的单脉冲技术而言，它具有相对更好的性能并实现高空间分辨率。

一种基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR的产生方法，包括以下步骤：

1）外部时钟源的时钟信号通过N级分频器和多路复用器控制高速互补格雷码发生器的频率，实现速率调节，利用高速互补格雷码作为调制信号，经激光器驱动电路的射频调制端口直接调制分布反馈激光器使其输出混沌激光，输出的混沌激光通过光纤耦合器分为参考光和探测光，探测光经光环形器注入到被测光纤中，光纤故障处反射的回波信号和参考光由两个相同的雪崩光电探测器转化为相应的电信号。

2）下采样单元通过分频器对外部时钟源的时钟信号分频后输入采样时钟发生器，采样时钟发生器的输出信号对两个相同的雪崩光电探测器转换生成的电信号进行下采样；下采样后的信号经过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，快速Hadamard变换模块对两路数字电信号进行同步采集和相关处理，根据得到的相关曲线峰值的延迟时间确定故障点的位置。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

通过求和二进制计数序列或序列子集（例如M序列的循环移位或二次剩余码）的自相关和互相关来求零旁瓣的合成。本发明利用高速互补格雷码作为调制信号，经驱动电路直接调制分布反馈（DFB）激光器输出宽带、稳定且无明显周期性的混沌激光作为探测光，以实现光纤故障的高精度诊断。格雷互补序列的其中一个序列的自相关函数的峰值等于包含码的个数，但存在很多旁瓣，旁瓣大约是峰值的10%左右。当两组自相关结果相加后，峰值增加为原来的两倍，旁瓣完全消失。相对于传统的单脉冲技术而言，它具有相对更好的性能并实现高空间分辨率。利用低速模数转换器（ADC）降低ADC速率并达到很好的探测效果，利用快速Hadamard变换（FHT）模块快速计算互相关。采用下采样单元对电信号进行采样，降低了ADC速率并达到很好的探测效果，具有结构简单和低成本的优点。

采用FHT模块实现了快速计算互相关，节约时间并得到很好的计算结果。FHT本质是由Hadamard变换和蝶形快速方法实现的，而Hadamard变换的特点有：

1、实数变换：所用信号一般都是实信号，其Hadamard变换仍然是实数的序列，这就避免了FFT 所必需的复数运算。

2、变换只涉及到加减法：从Hadamard矩阵的结构可以看出来, 该变换只涉及加法和减法, 避免了FFT 所必需的乘法。

3、反变换简单：该变换的正反变换只相差一个系数1/N, 这使得反变换可以借助正变换来计算。

4、存在快速算法：因为Hadamard矩阵可以因式分解，所以该变换存在蝶形快速方法。

因此FHT可以大大减少相关处理的时间。

综上所述，本发明的高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR的产生装置，具有以下有益效果：

1、本发明采用N级分频器和MUX实现了高速互补格雷码发生器的可调节频率和速率。

2、本发明采用高速互补格雷码，实现了零旁瓣的互相关曲线，相对于传统的单脉冲技术而言，它具有相对更好的性能并实现高空间分辨率。

本发明的高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR的产生方法，具有以下有益效果：

1、本发明采用下采样单元对电信号进行采样，降低了ADC速率并达到很好的探测效果，具有结构简单和低成本的优点。

2、本发明采用FHT模块实现了快速计算互相关，节约时间并得到很好的计算结果。

附图说明

图1为本发明的总体原理图；

图2为本发明实施例中下采样单元的工作原理图；

图中：1为外部时钟源、2为多路复用器（MUX）、3为高速互补格雷码发生器、4为驱动电路、5为分布反馈（DFB）激光器、6为耦合器、7为环形器、8为被测光纤、9为第一雪崩光电探测器（APD）、10为第二雪崩光电探测器（APD）、11为分频器、12为采样时钟发生器、13为第一跟踪保持电路模块、14为第二跟踪保持电路模块、15为模数转换器、16为快速Hadamard变换（FHT）模块。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

本发明的第一个目的在于提出一种基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR的产生装置。一种基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR的产生装置，如图1所示，包括外部时钟源1、多路复用器（MUX）2、高速互补格雷码发生器3、驱动电路4、分布反馈（DFB）激光器5、耦合器6、环形器7、被测光纤8、第一雪崩光电探测器（APD）9、第二雪崩光电探测器（APD）10、分频器11、采样时钟发生器12、第一跟踪保持电路模块13、第二跟踪保持电路模块14、模数转换器（ADC）15、快速Hadamard变换（FHT）模块16。

外部噪声源1的输出端口分别与N级分频器、多路复用器（MUX）2和高速互补格雷码发生器3相连；多路复用器2的输出端口分别与高速互补格雷码发生器3和分频器11相连；采样时钟发生器12的输入接口与分频器11的输出接口相连，其输出接口分别与第一跟踪保持电路模块13和第二跟踪保持电路模块14相连；驱动电路4的输入端口与高速互补格雷码发生器3的输出端口相连，其输出接口与分布反馈（DFB）激光器5的输入接口相连；耦合器6的输入接口与分布反馈（DFB）激光器5的输出接口相连，其输出接口分别与环形器7和第一雪崩光电探测器（APD）9相连；环形器7与被测光纤8和第二雪崩光电探测器（APD）10相连；第一雪崩光电探测器（APD）9的输出接口与第一跟踪保持电路模块13相连；第二雪崩光电探测器（APD）10的输出接口与第二跟踪保持电路模块14相连；第一跟踪保持电路模块13和第二跟踪保持电路模块14的输出接口都与模数转换器（ADC）15的输入接口相连；快速Hadamard变换（FHT）模块16的输入接口与模数转换器（ADC）15的输出接口相连，并输出互相关图形。

其中，下采样单元包括分频器11、采样时钟发生器12、第一跟踪保持电路模块13、第二跟踪保持电路模块14。所述下采样单元通过分频器11对外部时钟源1的时钟信号分频后输入采样时钟发生器12，所述采样时钟发生器12的输出信号对第一雪崩光电探测器（APD）9和第二雪崩光电探测器（APD）10转换生成的电信号进行下采样。

一种基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR的产生装置的工作流程如下：外部时钟源的时钟信号通过N级分频器和MUX控制高速互补格雷码发生器的频率，利用高速互补格雷码作为调制信号，经激光器驱动电路的射频调制端口直接调制分布反馈（DFB）激光器输出宽带、稳定且无明显周期性的混沌激光，输出的混沌激光通过99:1的光纤耦合器（OFC）分为两路，1%的光作为参考光，99%的光作为探测光，探测光经光环形器（OC）注入到被测光纤中，光纤故障处反射的回波信号和参考光由两个相同的雪崩光电探测器（APD）转化为相应的电信号。下采样单元通过分频器对外部时钟源的时钟信号分频后输入采样时钟发生器，采样时钟发生器的输出信号对两个相同的雪崩光电探测器（APD）转换生成的电信号进行下采样。下采样后的信号经过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，FHT模块对两路数字电信号进行同步采集和相关处理，根据得到的相关曲线峰值的延迟时间确定故障点的位置。

本发明的第二个目的在于提出一种基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR的产生方法，包括以下步骤：

外部时钟源的时钟信号通过N级分频器和MUX控制高速互补格雷码发生器的频率，实现速率可调节，利用高速互补格雷码作为调制信号，经激光器驱动电路的射频调制端口直接调制分布反馈（DFB）激光器5输出宽带、稳定且无明显周期性的混沌激光，输出的混沌激光通过光纤耦合器（OFC）分为参考光和探测光，探测光经光环形器（OC）注入到被测光纤中，光纤故障处反射的回波信号和参考光由两个相同的雪崩光电探测器（APD）转化为相应的电信号。

下采样单元通过分频器对外部时钟源的时钟信号分频后输入采样时钟发生器，采样时钟发生器的输出信号对两个相同的雪崩光电探测器（APD）转换生成的电信号进行下采样。下采样后的信号经过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，FHT模块对两路数字电信号进行同步采集和相关处理，根据得到的相关曲线峰值的延迟时间确定故障点的位置。格雷互补序列的其中一个序列的自相关函数的峰值等于包含码的个数，但存在很多旁瓣，旁瓣大约是峰值的10%左右。当两组自相关结果相加后，峰值增加为原来的两倍，旁瓣完全消失。相对于传统的单脉冲技术而言，它具有相对更好的性能并实现高空间分辨率。利用低速模数转换器（ADC）降低ADC速率并达到很好的探测效果，利用快速Hadamard变换（FHT）模块快速计算互相关。

其中，下采样单元包括分频器11、采样时钟发生器12、第一跟踪保持电路模块13、第二跟踪保持电路模块14。图2是下采样单元的工作原理图，本发明的实施例以外部时钟源为1GHZ进行详细的描述：经过1GHZ的外部信号源1以及N个2分频器后的时钟信号传给高速互补格雷码发生器，后经过10个2分频器的时钟信号用于下采样单元进行采样。

FHT本质是由Hadamard变换和蝶形快速方法实现的，而Hadamard变换的特点有：

1、实数变换。所用信号一般都是实信号, 其Hadamard变换仍然是实数的序列，这就避免了FFT 所必需的复数运算。

2、变换只涉及到加减法。从Hadamard矩阵的结构可以看出来，该变换只涉及加法和减法，避免了FFT 所必需的乘法。

3、反变换简单。该变换的正反变换只相差一个系数1/N，这使得反变换可以借助正变换来计算。

4、存在快速算法。因为Hadamard矩阵可以因式分解，所以该变换存在蝶形快速方法。

因此FHT可以大大减少相关处理的时间。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR产生装置，其特征在于：包括外部时钟源（1）、多路复用器（2）、高速互补格雷码发生器（3）、驱动电路（4）、分布反馈激光器（5）、耦合器（6）、环形器（7）、被测光纤（8）、第一雪崩光电探测器（9）、第二雪崩光电探测器（10）、下采样单元、模数转换器（15）、快速Hadamard变换模块（16）；所述下采样单元包括分频器（11）、采样时钟发生器（12）、第一跟踪保持电路模块（13）、第二跟踪保持电路模块（14）；外部时钟源（1）的输出端口分别与N级分频器、多路复用器（2）和高速互补格雷码发生器（3）相连；所述N级分频器与多路复用器（2）的输入端口相连；多路复用器（2）的输出端口分别与高速互补格雷码发生器（3）和分频器（11）相连；采样时钟发生器（12）的输入接口与分频器（11）的输出接口相连，采样时钟发生器（12）的输出接口分别与第一跟踪保持电路模块（13）和第二跟踪保持电路模块（14）相连；驱动电路（4）的输入端口与高速互补格雷码发生器（3）的输出端口相连，驱动电路（4）的输出接口与分布反馈激光器（5）的输入接口相连；耦合器（6）的输入接口与分布反馈激光器（5）的输出接口相连，耦合器（6）的输出接口分别与环形器（7）和第一雪崩光电探测器（9）相连；环形器（7）与被测光纤（8）和第二雪崩光电探测器（10）相连；第一雪崩光电探测器（9）的输出接口与第一跟踪保持电路模块（13）相连；第二雪崩光电探测器（10）的输出接口与第二跟踪保持电路模块（14）相连；第一跟踪保持电路模块（13）和第二跟踪保持电路模块（14）的输出接口都与模数转换器（15）的输入接口相连；快速Hadamard变换模块（16）的输入接口与模数转换器（15）的输出接口相连，并输出互相关图形。

2.根据权利要求1所述基于高速互补格雷码的高空间分辨率OTDR产生装置的OTDR产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）外部时钟源（1）的时钟信号通过N级分频器和多路复用器（2）控制高速互补格雷码发生器的频率，实现速率调节，利用高速互补格雷码作为调制信号，经激光器驱动电路的射频调制端口直接调制分布反馈激光器（5）使其输出混沌激光，输出的混沌激光通过光纤耦合器分为参考光和探测光，探测光经光环形器注入到被测光纤中，光纤故障处反射的回波信号和参考光由两个相同的雪崩光电探测器转化为相应的电信号；

2）下采样单元通过分频器（11）对外部时钟源的时钟信号分频后输入采样时钟发生器（12），采样时钟发生器（12）的输出信号对两个相同的雪崩光电探测器转换生成的电信号进行下采样；下采样后的信号经过模数转换器（15）将模拟信号转换成数字信号，快速Hadamard变换模块（16）对两路数字电信号进行同步采集和相关处理，根据得到的相关曲线峰值的延迟时间确定故障点的位置。