CN101764646A - 波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法。装置包括光波长编码发生器、光纤分路装置、偏振控制器、光纤耦合器、光电探测器和拍频信号检测装置。光波长编码发生器产生的编码光脉冲信号从光纤分路装置的第一端口输入，分为探测光信号和参考光信号分别从光纤分路装置的第二端口和第三端口输出；探测光信号进入待测光纤链路中，遇到待测光纤链路的断点或损伤点后产生的反射光信号从第二端口返回光纤分路装置并从第四端口输出；反射光信号经过偏振控制器后与参考光信号一起通过光纤耦合器，进入光电探测器进行拍频，拍频低频信号进入拍频信号检测装置进行观测和记录。本发明解决了传统OTDR分辨率与动态范围无法同时提高的问题。

Description

波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及光纤链路测试技术领域，尤其涉及一种波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法。

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光信号的测试仪器，是一种典型的光时域反射测试装置。OTDR一般包括光源、光纤耦合器或光环行器、光探测器、信号处理和显示器等部分，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，通过测试反射光的功率及传输时间得到损耗特性、反射距离等参数。该仪器可以方便地对光纤链路或系统进行非破坏性检测，并能够连续显示整个光纤线路损耗的相对位置变化和故障点位置，成为光纤研究、生产、铺设以及维护整个产业中应用最广的测试仪器，同时在整个光纤产业中占有重要的地位。

对于使用脉冲激光器作为光源的传统OTDR来说，分辨率和动态范围两个指标难以同时提高，即提高动态范围时就会降低OTDR分辨率，而提高分辨率时又会降低动态范围，这是传统脉冲式OTDR无法解决的问题。随着光学测试技术的发展，OTDR的结构和性能得到了不断的改进，出现了多种测试装置及其方法，如偏振OTDR、相干法OTDR、光子计数OTDR、布里渊和瑞利散射OTDR等，对这一问题进行了一定的改善。比如在EP0269448、JP9026376中提出改进的相关法OTDR，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，在一定程度上提高了光时域反射仪的分辨率和动态范围。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测试的优势，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、调制电路。另外，人们还采取了低温探测器、门限探测和数据平均等技术手段加以改进，但都一定程度加大了测试系统和数据处理的复杂程度，限制或制约了该项技术的广泛应用。因此，发明一种分辨率高、动态范围大、结构简单的光时域反射测试装置及其测量方法，对于其实用化具有非常重要的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明的主要目的在于提供一种分辨率高、动态范围大、结构简单的光时域反射测试装置及其测量方法，以解决传统OTDR分辨率与动态范围无法同时提高的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种波长编码的光时域反射测试装置，该装置由光波长编码发生器1、光纤分路装置2、偏振控制器4、光纤耦合器5、光电探测器6和拍频信号检测装置7构成；其中，光波长编码发生器1产生的编码光脉冲信号从光纤分路装置2的第一端口输入，分为探测光信号和参考光信号分别从光纤分路装置2的第二端口和第三端口输出；探测光信号进入待测光纤链路3中，遇到待测光纤链路3的断点或损伤点后产生的反射光信号从第二端口返回光纤分路装置2并从第四端口输出；反射光信号经过偏振控制器4后与参考光信号一起通过光纤耦合器5，进入光电探测器6进行拍频，拍频低频信号进入拍频信号检测装置7进行观测和记录。

上述方案中，所述光波长编码发生器1由编码信号发生器与可调谐光源构成。

上述方案中，所述编码信号发生器是波形发生器或可编程脉冲源，通过手工或计算机设置能够任意控制输出编码信号的周期、脉冲宽度、脉冲幅度和脉冲时序参数。

上述方案中，所述可调谐光源是分布布拉格反射型激光器，该可调谐光源能够实现快速的波长调谐，在编码信号发生器输出的编码信号控制下产生对应的编码光脉冲信号。

上述方案中，所述分布布拉格反射型激光器，通过改变施加在相区的偏置电流能够实现输出光波长的快速调谐，而不会改变输出光功率。

上述方案中，所述光纤分路装置2由2×2光纤耦合器9构成，或者是由1×2光纤耦合器10与光环形器11构成。

上述方案中，该装置在光波长编码发生器1与光纤分路装置2之间进一步包括一光放大器8，所述光波长编码发生器1产生的编码光脉冲信号经过该光放大器8放大后再进入光纤分路装置2。

上述方案中，所述拍频信号检测装置7是频谱分析仪，或是具有带通电滤波器的检波器与电流检测装置。

一种利用波长编码光时域反射测试装置对光纤链路进行的测量方法，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；通过调节两个光脉冲的时间间隔T₁，并观测记录对应拍频信号的频谱，当差频频率点的频谱幅度达到最大时，提取当前时刻的T₁，即得到反射光信号延时时间T_D的精确数值，从而实现光纤断点或损伤点的精确定位。

上述方案中，该方法在调节两个光脉冲的时间间隔T₁的过程中，进一步包括：在调节两个光脉冲的时间间隔T₁的过程中采取逐次减小ΔT的方法，先取较大的ΔT进行大范围扫描测试，使T₁比较快地逼近T_D，然后逐次减小ΔT，在T_D附近进行局部扫描测试。

上述方案中，该方法进一步将三个不同波长(λ₁、λ₂、λ₃)的光脉冲组成的编码光脉冲信号作为探测光信号，其中λ₁、λ₂、λ₃满足以下条件：|λ₃-λ₁|≠|λ₂-λ₁|，同时|λ₃-λ₂|≠|λ₂-λ₁|。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1)本发明提供的波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法，无需像传统方法必须测量反射光信号与参考光信号传输的绝对时间差，本发明提取的是编码光脉冲信号中两个不同波长光脉冲的时间间隔，由此时间间隔和光纤折射率直接得到反射点的位置。

2)本发明提供的波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法，当没有光信号输入时，如果采用光放大器会放大自发辐射的噪声。传统方法采用两个同步光开关或调制器来降低自发辐射噪声，本发明中由于设置了闲置波长(λ₃)，无需增加任何附加元件就达到了降低噪声的目的。

3)本发明提供的波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法，由于反射光信号与参考光信号的拍频信号是个低频信号，而且其拍频频率可以通过光波长编码发生器的参数设置进行任意调节。因此结合微波放大器和带通电滤波器，可以大大提高测试系统的动态范围。

4)本发明提供的波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法，由于采用了光外差探测技术，使得散粒噪声得到有效抑制，大大提高了测试的灵敏度。在相同发射光功率的条件下，可以大大提高测试系统的动态范围。

5)本发明提供的波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法，对于提取到的反射光信号较弱的情况，传统方法普遍采用重复测量多次，再将多次测试数据进行平均的方法去除噪声的影响。然而本方法提取的是反射光信号与参考光信号的拍频信号，其频谱强度比较大，很容易分辨得到，因此本方法可用于实时在线测量。

6)利用本发明提供的波长编码的光时域反射测试装置及其测量方法，已研制出样机，并用于1550nm(G652)光纤链路进行了初步实验，图6为T₁＝T_D时的拍频信号频谱示意图。目前可用于光纤长度为60km的范围内，反射系数为-26dB的光纤接头的微弱反射光信号的检测，光纤长度分辨率达到3m，实现了本发明提出的目的。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，其中：

图1是本发明波长编码光时域反射测试装置的结构示意图；

图2是本发明2×2光纤耦合器构成的光纤分路装置示意图；

图3是本发明1×2光纤耦合器外加光环形器构成的光纤分路装置示意图；

图4(a)是两个不同波长(λ₁、λ₂)的光组成的探测和参考光信号示意图；

图4(b)是两个不同波长(λ₁、λ₂)的光组成的反射光信号示意图；

图5(a)是三个不同波长(λ₁、λ₂、λ₃)的光组成的探测和参考光信号示意图；

图5(b)是三个不同波长(λ₁、λ₂、λ₃)的光组成的反射光信号示意图；

图6是T₁＝T_D时的拍频信号频谱示意图；

图中：1：光波长编码发生器，2：光纤分路装置，3：待测光纤链路，4：偏振控制器，5：2×1光纤耦合器，6：光电探测器，7：拍频信号检测装置，8：光放大器，9：2×2光纤耦合器，10：1×2光纤耦合器，11：光环形器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明利用不同波长的光组成的编码光脉冲代替传统方法中同一波长的光脉冲作为探测光信号，并采用光外差技术提取反射光信号和参考光信号中不同波长光脉冲之间的拍频信号，使得散粒噪声得到有效抑制，大大提高了测试的分辨率和动态范围。其测试原理是首先利用光波长编码发生器产生由两个不同波长(λ₁、λ₂)的光组成的编码光脉冲信号，且该信号每个周期内波长为λ₁和λ₂的两个光脉冲的时间间隔设置为T₁。然后将这一光信号分为探测光信号和参考光信号两个之路，探测光信号光进入待测光纤链路后遇到光纤断点或损伤点时产生反射光信号，假设反射光信号比参考光信号延时为T_D。由于反射光信号和参考光信号中波长为λ₁和λ₂的光脉冲仍有一定宽度，当T₁在T_D附近取值时，反射光信号中的λ₁与参考光信号中的λ₂在时间上存在一定交叠，如果将两者同时输入光电探测器进行拍频，根据光外差技术的原理，拍频信号将在差频频率点f＝|(λ₂-λ₁)c/λ₂λ₁|(c为光速)处出现明显高于噪声(大于20dB)的频谱。T₁越接近T_D时，频谱的幅度越大；当T₁＝T_D时，反射光信号中的λ₁正好与参考光信号中的λ₂处于同一时刻，此时拍频信号功率达到最大，对应的频谱幅度达到最大。基于此原理，可以通过调节T₁并观测记录对应拍频信号的频谱，当差频频率点的频谱幅度达到最大时，提取当前时刻的T₁，即得到了反射光信号延时时间T_D的精确数值，从而实现光纤断点或损伤点的精确定位。该测试装置及其波长编码的外差技术除了可以广泛应用于光纤链路和光纤系统特性分析外，还可以应用于激光雷达等空间探测系统，只是探测光信号不再通过光纤传输，而是通过光准直透镜等装置进行光束整形后，直接在空间传输，遇到反射物体后产生的反射光信号通过光准直透镜接收，利用本发明也可以精确的提取出反射光信号的延时时间。

实施例1

请参阅图1，本发明波长编码的光时域反射测试装置，主要由光波长编码发生器、光纤分路装置、偏振控制器、光电探测器和拍频信号检测装置组成。

其中光波长编码发生器是1编码信号发生器外加可调谐光源构成；所述的编码信号发生器是波形发生器或可编程脉冲源，通过手工或计算机设置可以任意控制输出编码信号的周期、脉冲宽度、脉冲幅度和脉冲时序等参数；所述的可调谐光源是分布布拉格反射型(DBR)激光器或其他类型的可调谐激光器，该可调谐光源可以实现快速的波长调谐，即在编码信号发生器输出的编码信号控制下能够产生对应的编码光脉冲信号。所述的分布布拉格反射型(DBR)可调谐激光器，改变施加在相区的偏置电流就可以实现输出光波长的快速调谐，而不会改变输出光功率。

光波长编码发生器1产生的编码光脉冲信号从光纤分路装置2的①端口输入，分为探测光信号和参考光信号分别从光纤分路装置2的②、③端口输出；探测光信号进入待测光纤链路3中，遇到待测光纤链路3的断点或损伤点后产生的反射光信号从②端口返回光纤分路装置2并从④端口输出；反射光信号经过偏振控制器4后与参考光信号一起通过2×1光纤耦合器5，进入光电探测器6进行拍频，拍频信号进入拍频信号检测装置7进行观测和记录。光纤分路装置2是2×2光纤耦合器9或1×2光纤耦合器10外加光环形器构成11；在光路中加入光放大器8，如掺铒光纤放大器或半导体光放大器，可提高光功率。拍频信号检测装置7是频谱分析仪或带带通电滤波器的检波器和电流检测装置。

实施例2

图1也显示用于波长编码光时域反射测试装置的测量方法。该方法是将两个不同波长(λ₁、λ₂)的光组成的编码光脉冲信号分为探测光信号和参考光信号，如图4(a)所示，探测光信号进入待测光纤链路3后遇到光纤断点或损伤点时会产生反射光信号，如图4(b)所示，反射光信号与参考光信号一起进入光电探测器6进行拍频，拍频信号进入拍频信号检测装置7进行观测和记录。通过调节编码光脉冲信号中波长为λ₁和λ₂的两个光脉冲的时间间隔T₁，并观测记录对应拍频信号的频谱，当差频频率点的频谱幅度达到最大时，提取当前时刻的T₁，即得到了反射光信号延时时间T_D的精确数值，从而实现光纤断点或损伤点的精确定位。图6即为T₁＝T_D时的拍频信号频谱示意图。该测试装置及其波长编码的外差技术除了可以广泛应用于光纤链路和光纤系统特性分析外，还可以应用于激光雷达等空间探测系统，只是探测光信号不再通过光纤传输，而是通过光准直透镜等装置进行光束整形后，直接在空间传输，遇到反射物体后产生的反射光信号通过光准直透镜接收，利用本发明也可以精确的提取出反射光信号的延时时间。

上面所述的编码光脉冲信号的周期为T₀，T₀可在一定范围内选取，只要满足以下条件：T₀＞2nL/c，其中n是待测光纤链路3的光纤折射率，L是待测光纤链路3的总长度概数，c是光在真空中的速度。该编码光脉冲信号每个周期是由λ₁、λ₂两个光脉冲组成，两个光脉冲的彼此间隔时间为T₁。光脉冲宽度τ的大小取决于编码信号发生器的编码精度和可调谐光源的调谐速度，编码信号发生器的编码精度越高，可调谐光源的调谐速度越快，光脉冲宽度τ就越小，分辨率就越高。测试时保持信号周期T₀不变，利用编码信号发生器可以调节T₁，使得T₁＝nΔT，n＝1，2，...，N(N为小于T₀/2ΔT的最大整数)，其中ΔT为扫描步进时间，N为扫描点数。ΔT的大小取决于编码信号发生器的编码精度，ΔT越小，N越大，即扫描点数越多，则分辨率越高，但同时也使测试时间变长。为了减短测试时间，可以采取逐次减小ΔT的方法，即先取较大的ΔT进行大范围扫描测试，使T₁比较快地逼近T_D，然后逐次减小ΔT，在T_D附近进行局部扫描测试，这样可以减少测试时间，提高效率。

本发明用于波长编码光时域反射测试装置的测量方法，也可以将三个不同波长(λ₁、λ₂、λ₃)的光组成的编码光脉冲信号作为探测光信号按照上述步骤进行测量。探测光信号和参考光信号如图5(a)所示，反射光信号如5(b)所示。其中λ₁、λ₂、λ₃满足以下条件：|λ₃-λ₁|≠|λ₂-λ₁|，同时|λ₃-λ₂|≠|λ₂-λ₁|。引入λ₃的益处在于：当编码光脉冲信号每个周期只有λ₁、λ₂两个光脉冲时，其余大部分时刻是没有光信号的。光放大器8在没有输入光信号时，会产生很强的自发辐射噪声。如果引入闲置波长λ₃，将抑制光放大器8的自发辐射噪声，而大大降低测试系统的噪声。由于λ₃与λ₁或λ₂的拍频信号频率与λ₁和λ₂的拍频信号频率不同，闲置波长λ₃的引入并不会对测试产生任何影响。对于分布布拉格反射型(DBR)可调谐激光器，波长调谐时不会改变输出光功率，因此在产生波长为λ₁和λ₂两个光脉冲时，必然出现波长为λ₃的闲置光信号，而自然达到抑制光放大器产生的自发辐射噪声的目的。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种波长编码的光时域反射测试装置，其特征在于，该装置由光波长编码发生器(1)、光纤分路装置(2)、偏振控制器(4)、光纤耦合器(5)、光电探测器(6)和拍频信号检测装置(7)构成；其中，光波长编码发生器(1)产生的编码光脉冲信号从光纤分路装置(2)的第一端口输入，分为探测光信号和参考光信号分别从光纤分路装置(2)的第二端口和第三端口输出；探测光信号进入待测光纤链路(3)中，遇到待测光纤链路(3)的断点或损伤点后产生的反射光信号从第二端口返回光纤分路装置(2)并从第四端口输出；反射光信号经过偏振控制器(4)后与参考光信号一起通过光纤耦合器(5)，进入光电探测器(6)进行拍频，拍频低频信号进入拍频信号检测装置(7)进行观测和记录。

2.根据权利要求1所述的波长编码的光时域反射测试装置，其特征在于，所述光波长编码发生器(1)由编码信号发生器与可调谐光源构成。

3.根据权利要求2所述的波长编码的光时域反射测试装置，其特征在于，所述编码信号发生器是波形发生器或可编程脉冲源，通过手工或计算机设置能够任意控制输出编码信号的周期、脉冲宽度、脉冲幅度和脉冲时序参数。

4.根据权利要求2所述的波长编码的光时域反射测试装置，其特征在于，所述可调谐光源是分布布拉格反射型激光器，该可调谐光源能够实现快速的波长调谐，在编码信号发生器输出的编码信号控制下产生对应的编码光脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的波长编码的光时域反射测试装置，其特征在于，所述分布布拉格反射型激光器，通过改变施加在相区的偏置电流能够实现输出光波长的快速调谐，而不会改变输出光功率。

6.根据权利要求1所述的波长编码的光时域反射测试装置，其特征在于，所述光纤分路装置(2)由2×2光纤耦合器(9)构成，或者是由1×2光纤耦合器(10)与光环形器(11)构成。

7.根据权利要求1所述的波长编码的光时域反射测试装置，其特征在于，该装置在光波长编码发生器(1)与光纤分路装置(2)之间进一步包括一光放大器(8)，所述光波长编码发生器(1)产生的编码光脉冲信号经过该光放大器(8)放大后再进入光纤分路装置(2)。

8.根据权利要求1所述的波长编码的光时域反射测试装置，其特征在于，所述拍频信号检测装置(7)是频谱分析仪，或是具有带通电滤波器的检波器与电流检测装置。

9.一种利用权利要求1所述波长编码光时域反射测试装置对光纤链路进行的测量方法，其特征在于，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；通过调节两个光脉冲的时间间隔T₁，并观测记录对应拍频信号的频谱，当差频频率点的频谱幅度达到最大时，提取当前时刻的T₁，即得到反射光信号延时时间T_D的精确数值，从而实现光纤断点或损伤点的精确定位。

10.根据权利要求9所述的对光纤链路进行的测量方法，其特征在于，该方法在调节两个光脉冲的时间间隔T₁的过程中，进一步包括：

在调节两个光脉冲的时间间隔T₁的过程中采取逐次减小ΔT的方法，先取较大的ΔT进行大范围扫描测试，使T₁比较快地逼近T_D，然后逐次减小ΔT，在T_D附近进行局部扫描测试。

11.根据权利要求9所述的对光纤链路进行的测量方法，其特征在于，该方法进一步将三个不同波长(λ₁、λ₂、λ₃)的光脉冲组成的编码光脉冲信号作为探测光信号，其中λ₁、λ₂、λ₃满足以下条件：|λ₃-λ₁|≠|λ₂-λ₁|，同时|λ₃-λ₂|≠|λ₂-λ₁|。

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