CN102571200A - 多频探测光相干光时域反射仪方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种多频探测光相干光时域反射仪的方法，所述方法包括：将连续形式的多频光调制成同步的多频探测光脉冲，并注入到被测光纤；将所述的同步多频探测光脉冲在被测光纤中产生的多频背向散射信号与本振光进行相干，产生多个中频信号；对所述的多个中频信号进行处理，得到测试结果。所述的连续形式多频光是单频激光经相位调制而产生的多频光、多波长激光输出的多频光或多个独立的激光组合而成的多频光。

Description

多频探测光相干光时域反射仪方法和装置

技术领域：

本发明涉及一种用于光通信线路故障定位的相干光时域反射仪，尤其是用于长距离、多中继放大的海底通信光缆健康监测的相干光时域反射仪。

背景技术：

近年来，随着全球信息量的增加，海底光缆通信系统已经成为越洋通信的最重要方式，承担着绝大部分的数据量传输。由于海缆系统地处深海，易受海底地质变化及人为因素的破坏，维护相当费时和昂贵，因而必须有一种监测手段实时监测海缆的健康状态，能识别潜在的或已发生的事件位置和事件类型，这样为海缆系统维护提供准确的信息。相干光时域反射仪是目前成熟的海缆系统监测技术，它的基本原理是将探测光脉冲发射到海缆光纤对中的下行光纤，利用光纤对之间的回路，探测脉冲在下行光纤中产生背向瑞利散射信号被部分耦合到上行光纤，并最终传输回反射仪的测试输入端，然后利用相干检测技术，测量出背向瑞利散射的功率分布，从而判断出整条海缆的健康状况，有效识别出线路放大器的增益，光纤损耗，光反射或光纤断点等事件大小及位置。

目前，商用的相干光时域反射仪（COTDR）使用单频窄线宽探测脉冲，相干探测只是产生单个中频信号，通过检测该中频信号的功率变化，可获得整条光纤线路的健康分布。由于相干探测技术必须使用窄线宽的光源，容易产生相干瑞利噪声，该噪声会引起测试结果的波动，从而降低事件识别的分辨率。消除相干瑞利噪声的有效办法就是进行多次独立的测试，并对这些测量结果进行平均，这样就可以降低噪声大小。另外，由于线路会积累很强大的放大自发辐射噪声，测量信噪比很小，所以为了提高测量的动态范围，也需要多次平均测试结果。但是，由于海缆线路很长，例如8000km的线路，单次测量时间就达80毫秒，测试一般需要2¹⁶平均次数，那么总测量时间高达1.5小时甚至更长时间，测量时间很长，实时性差。尤其在高精度测量时，平均次数更多，测量时间会更长。 

如何有效提升COTDR的动态范围、降低衰落噪声、提高测量速度都是COTDR研究的重要内容。增加入射脉冲的峰值功率可以提升动态范围，但是功率大小会受到光纤受激布里渊散射非线性效应的限制，同时考虑到线路正常运行对脉冲功率的限制，该方法动态范围提升有限。通过脉冲编码的方式，也可以增加测试的动态范围，但这会急剧地增加系统信号处理的时间，该方法几乎不适用于长距离海底光缆监测。 

此外，增加测量样本数及平均次数也能有效提升动态范围、降低噪声和提高测量速度。国外已经进行了利用不同频率探测光脉冲序列作为探测光脉冲的相干光时域反射仪的研究，他们使用不同大小的注入电流脉冲序列来调谐半导体激光器的输出光频率，就可以产生不同频率探测光脉冲序列。这些不同频率脉冲序列在测试光纤内产生的背向瑞利散射信号与单一频率本振相干后，会产生多个中频信号，但是中频信号之间会有与脉冲序列相对应的时延，时间上并不同步。随后对每个中频进行处理，最终合成测量结果。相对传统的单频COTDR，这里的每一个中频信号就对应一个单频COTDR，多路中频信号对应多个单频COTDR，所以多频脉冲序列COTDR能有效提升测量的动态范围，降低衰落噪声，并提高测量速度。但是，由于不同的中频信号会出现时延，所以该方案会带来额外盲区这个缺点。而且，由于必须在超长的测量时间内保持探测光频率的稳定性，利用注入电流精确控制光源频率也是非常困难的，需要对激光器及其控制电路进行精密的设计。 

发明内容：       

本发明目的是，为了提升相干光时域反射仪的性能和测量效率，本发明提出多频探测光相干光时域反射仪方法和装置。

发明的技术方案如下： 

多频探测光相干光时域反射仪的方法，所述方法包括：

将连续形式的多频光调制成同步的多频探测光脉冲，并注入到被测光纤；

将所述的同步多频探测光脉冲在被测光纤中产生的多频背向散射信号与本振光进行相干，产生多个中频信号；

对所述的多个中频信号进行处理，得到测试结果。

所述的方法还包括：同时输入与多频探测光脉冲互补的互补光脉冲，以消除光路放大器的浪涌。 

所述的连续形式多频光是单频激光经相位调制而产生的多频光、多波长激光输出的多频光或多个独立的激光组合而成的多频光。 

对所述的多个中频信号进行处理，得到测试结果，具体包括： 

对多个中频信号进行放大，然后对多个中频信号进行采样，通过数字信号处理获得每个中频信号，最后合成所有的中频信号，得到测试光路的损耗分布；

或对多个中频信号进行放大后分成多路，每路用滤波器滤出不同频率的中频信号，并对每路滤出中频信号并行地采样和数字信号处理，获得不同频率的中频信号，最后合成所有的中频信号，得到测试光路的损耗分布。

所述的用于经相位调制而产生多频光的单频激光，用作本振光。 

所述的同时用于多频光产生和本振光的单频激光，其频率随测试周期同步改变，以降低相干噪声。 

多频探测光相干光时域反射仪的装置，所述装置包括： 

多频光源模块，用于为产生同步多频探测光脉冲提供多频光源； 

本振光模块，用于提供相干探测所需的本振光；

多频探测光脉冲调制模块，用于对所述的连续多频光源进行脉冲调制，产生同步的多频探测光脉冲； 

相干探测模块，用于对所述的多频探测光脉冲在被测光纤中产生的多频背向散射信号进行相干检测，产生多个中频信号； 

中频信号处理模块，用于对相干检测模块产生的多个中频进行处理，并最终获得测试结果。

所述装置中的多频光源模块是单频激光光源经相位调制器而产生的多频激光、多波长激光器输出的多频光源或多个独立的激光器组合而成的多频光源。 

所述的用于经相位调制而产生多频光源的单频激光用作本振光。 

所述的同时用做多频光源产生和本振光的单频激光光源，其频率随测试周期同步改变，以降低相干噪声。 

所述的多频探测光脉冲调制模块是声光调制器或电光调制器。 

所述的装置还包括与探测光脉冲互补的互补光脉冲，以消除线路中光放大器的浪涌。 

所述装置还包括扰偏模块，用于对探测光脉冲的偏振进行扰动；随机改变连续多频光的偏振，或者多频脉冲光的偏振。 

所述装置还包括互补光脉冲模块，用于消除光纤线路放大器的浪涌。 

本发明的有益效果是：与异步探测光脉冲相比，使用同步多频探测光脉冲（将多频光源进行脉冲调制形成多频探测光脉冲），产生多个同步的中频信号，通过同步处理多频信号就可以获得测试结果。这样不仅消除了因脉冲非同步而产生的额外盲区，并且节省了数据处理单元的数据存储空间和计算时间；还可以有效地增加测量次数和测量样本数，提升动态范围，降低衰落噪声和提升测量速度，而且实验方案和数据处理会相对更简单。 

附图说明：

图1是本发明涉及的多频探测光相干光时域反射仪方法的基本示意图。

图2是本发明涉及的多频探测光相干光时域反射仪方法的一种实施示意图。 

图3是本发明涉及的多频探测光相干光时域反射仪方法的另一种实施示意图。 

图4是本发明所涉及的多频探测光相干光时域反射仪装置的基本示意图。 

图5是本发明涉及的多频探测光相干光时域反射仪的一种实施装置图，其中多频光源由单频光源经相位调制产生，本振也由同一单频光源提供。 

图6是单频激光光源在相位调制器调制深度为1.435时产生的多频光功率谱示意图。 

图7是图6所示的多频探测光产生的多频瑞利散射信号，及其与单频本振光相干产生多个中频信号的示意图。 

图8是图6所示的多频探测光产生的典型探测曲线。 

图9是单频激光光源在相位调制器调制深度为2.405时产生的多频光功率谱示意图。 

图10是图9所示的多频探测光产生的多频瑞利散射信号，及其与单频本振光相干产生多个中频信号的示意图。 

图11是图9所示的多频探测光产生的典型探测曲线。 

图12是带有互补光脉冲的多频探测光相干光时域反射仪的一种实施装置图。其中多频光源由单频光源经相位调制产生，本振也由同一单频光源提供；互补光由不同波长的互补光源调制产生。 

图13是探测光脉冲和互补光脉冲的时序结构图。 

图中1.单频激光光源；2.分束器； 3.相位调制器；4.掺铒光纤放大器；5.光脉冲调制器；6.扰偏器；7.环形器；8.光接口；9. X型3dB耦合器；10.平衡光电探测器；11.电放大器；12.带通滤波单元；13.模数转换单元；14.数字下变频单元；15.数字滤波单元；16.数据叠加及平均单元；17.互补光光源；18.密集波分复用器；19.数字信号处理单元；100.多频探测光脉冲单元；101.相干探测单元；102.信号处理单元；103.单频激光光源；104.相位调制；105.光脉冲调制；106.多频激光光源；107.本振光光源；200.多频光源模块；201.本振光模块；202.多频探测光脉冲调制模块；203.相干探测模块；204.多频信号处理模块；205.光放大模块；206.扰偏模块；207.互补光脉冲模块。 

具体实施方式：

为使本发明的目的，技术方案和优点的说明更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式做进一步地详细描述。

实施例1 

参见图1，本发明实施例提供了一种多频探测光相干光时域反射仪的方法。该方法使用多频探测光脉冲作为探测光脉冲，然后通过相干技术测量多频探测光产生的背向瑞利散射，产生多个中频，最后对多频信号进行处理，得到探测结果。该方法包括：

多频探测光脉冲100：连续形式的多频激光经过光脉冲调制器产生多频探测光脉冲，并将该多频探测光脉冲作为探测脉冲，注入到被测光纤。

其中，连续形式的多频激光可以有多种形式，如单频激光经过相位调制产生多频光，由多个单频激光组成的多频激光，或由多波长激光器直接输出的多频光等。而且，所述的单频激光光源可以用作本振光，其频率可以随测量周期同步改变，以降低相干噪声。 

相干探测101：对多频探测光脉冲产生的多频背向瑞利散射信号进行相干探测，产生多个不同频率的中频。 

其中，由于瑞利散射信号的频率与入射脉冲的频率相同，功率与入射脉冲的功率成正比，所以多频探测光脉冲产生的瑞利散射是个多频的散射信号，而且其频谱与入射脉冲的频谱成正比。所以经过相干探测，多频散射信号就转化为多个中频信号。 

多频信号处理102：对多个中频进行同步信号处理，从而获得最终的探测结果。 

其中，多频信号处理方法包括：对多个中频信号进行放大，然后对多个中频信号进行采样，通过数字信号处理获得每个中频的信号，最后合成所有的中频信号，得到测试光路的损耗分布；或对多个中频信号进行放大后分成多路，每路用滤波器滤出不同频率的中频，并对每路滤出中频信号并行地采样和数字信号处理，获得不同频率的中频信号，最后合成所有的中频信号，得到测试光路的损耗分布。而且，根据光路的损耗分布，我们可以进一步推断出光路的事件类型和大小。 

实施例2 

参见图2，本发明实施例提供了一种多频探测光相干光时域反射仪的实施方法。该方法采用同一单频光源，一路经相位调制和脉冲调制的作用后产生多频探测光脉冲，另一路用作本振光。多频探测光脉冲产生的多频瑞利散射信号与本振相干产生多个不同频率的中频信号，通过处理这些中频信号就可获得监测结果。该方法详细内容如下：

单频激光光源103发出的激光经分路器分成两路，一路经相位调制104产生连续形式的多频激光，然后经光脉冲调制105产生多频的探测光脉冲，最终注入到被测光纤，另一路用做相干探测所需的本振光；

利用相干探测101，多频探测光脉冲在被测光纤中产生的背向瑞利散射产生多个频率的中频信号；

对多频信号进行数据处理102，将各个中频信号合并成总信号，得到探测曲线。

实施例3 

参见图3，本发明实施例提供的另一种多频探测光相干光时域反射仪的实施方法。该方法利用光脉冲调制器将多频激光调制成多频探测光脉冲，其产生的多频背向散射与一个独立的单频本振光源进行相干，得到多频信号，经过信号处理后得到监测结果。该方法详细内容如下：

连续的多频激光光源106经光脉冲调制105产生多频的探测光脉冲，然后被注入到被测光纤，而本振光由另一单频激光光源107提供；

利用相干探测101，多频探测光脉冲在被测光纤中产生的背向瑞利散射与本振光混合，产生多个频率的中频信号；

对多频信号进行数据处理102，将各个中频信号合并成总信号，得到探测曲线。

实施例4 

参见图4，本发明实施例提供了一种多频探测光相干光时域反射仪的装置，该装置详细内容如下：

多频光源模块200：提供产生多频探测光脉冲的多频激光。

其中，连续形式的多频激光可以有多种形式，如单频激光经过相位调制产生的多频光，由多个单频激光组成的多频激光，或由多波长激光器直接输出的多频光。 

本振光模块201：提供相干探测所需的本振光。 

多频探测光脉冲调制模块202：对连续多频光进行脉冲调制，从而产生多频探测光脉冲。 

其中，可以使用声光调制器或电光调制器等实现光脉冲调制。 

相干探测模块203：对多频背向瑞利散射进行相干探测，产生多频信号。 

中频信号处理模块204：对多个中频信号进行处理处理，从而获得测试结果。 

此外，该装置还包括用于降低偏振噪声的扰偏模块206，包括放大光功率的光放大模块205，包括与探测脉冲互补的互补光模块207。 

实施例5 

参见图5，本发明实施例提供了一种多频探测光相干光时域反射仪的装置，该装置详细内容如下：

单频激光光源1的输出光经90:10的分束器2分成两路光，90%端口输出的光作为探测光源，10%端口输出的光作为本振光。探测光源进入相位调制器3，被相位调制产生多个频谱。相位调制器的驱动是正弦射频信号，当相位调制器3的调制深度调节至1.435，相位调制器3输出的0阶和±1阶频率的光功率相等，其输出光的功率谱如图6所示。

相位调制器3输出的多频连续光经掺铒光纤放大器4放大后，功率会得到提升，然后经声光调制器5调制成高消光比的多频探测光脉冲。多频探测光脉冲经扰偏器6扰偏后，经光环形器7和光接口8被注入被测光纤。 

多频探测光脉冲在探测光纤会产生背向的瑞利散射，由于瑞利散射信号的频率与入射脉冲的频率相同，功率与入射脉冲的功率成正比，所以多频探测光脉冲产生的瑞利散射是个多频的散射信号，而且其频谱与入射脉冲的频谱成正比。多频的背向瑞利散射光与单频本振光在3dB的X型耦合器9混合，并输入到光电平衡探测器10进行外差探测，产生多个中频信号。相干外差探测过程如图7所示，其中 

是本振

与瑞利信号

之间的差频，

和

是本振

与瑞利信号和

之间的差频…… 

相比于传统的单频COTDR，多频探测光COTDR必须同时处理多路中频信号，所以信号处理相对更复杂。在本实施例中，光电探测器10输出的多个中频信号经低噪声电放大器11放大后分为三路，并由带通滤波单元12滤出探测光的0阶和±1阶产生的中频信号，即图7中所示的，和

三个中频信号，做并行信号处理。此三个中频信号分别经模数转换单元13完成模数转换后，然后经数字下变频单元14完成数字下变频，再由数字滤波单元15提取出中频信号功率，最后利用数据叠加及平均单元16对多路数据进行叠加，并对多次测量进行平均后，得到最终的测试结果。

图8是脉宽1us的多频探测脉冲产生的典型测试结果，相比传统单频探测光方案，不仅具有较小的衰落噪声，而且动态范围也有提升；与异步探测光脉冲相比，不仅消除了测试盲区，而且降低了中频数据处理单元所需的存储空间和计算时间。 

实施例6 

参见图5，若优化声光调制器4的移频与相位调制器3的调制频率的关系，可以使相位调制器3输出的0阶和-1阶光信号产生的瑞利散射信号与单频本振光相干得到频率相同的两个中频。

假设单频激光光源1的频率为

，声光调制器频移量为

，相位调制器3的驱动频率为

，则经相位调制后的0和±1阶频率为

，

；再经声光调制器4移频

后，这三个频率变为，，

。通过优化和

的关系，当时，它们对应的背向瑞利散射信号与单频本振光外差得到的中频信号为

，

，，这样探测光0阶和-1阶光脉冲产生的外差中频相同。这意味着两路中频信号在相干探测过程中被自动地合成了，这样不仅能有效降低多个中频处理的复杂度，同时也能提升测试的动态范围和降低衰落噪声。 

实施例7 

参见图5，相位调制器3的驱动信号是正弦信号，调节相位调制器3的驱动电压使其调制深度为2.405，使相位调制器3输出光的功率集中在±1和±2阶频率上，其输出光的功率谱如图9所示。脉冲调制器5可以使用电光调制器或者声光调制器，若使用声光调制器，本振光应同时使用具有相等频移的声光调制器，这样确保多频探测光脉冲的功率谱相对于本振光频率对称。

由于多频探测光脉冲的功率谱相对于本振光频率对称，所以相干探测产生的中频两两频率相等，从而只会产生两个不同频率

和

的中频，其相干过程如图10所示。多个中频经过信号处理后，就可以得到测试结果，图11就是脉宽1us的探测脉冲产生的测试结果。由于该特殊情况下±1或±2阶光谱产生的拍频相等，不仅能有效降低中频数据处理的复杂度，同时也能提升动态范围和降低衰落噪声。 

实施例8 

参见图12，本发明实施例提供了包含互补光脉冲的多频探测光相干光时域反射仪的一种实施装置图，该装置详细内容如下：

与图5相比，本实施例装置中包含了与多频探测光相互补的互补光脉冲。互补光源经脉冲调制器5作用后，与多频探测光通过波分复用器组合成功率连续的探测/互补光，其结构见图13。这样波长不同、但功率相同的探测/互补光能避免光路中放大器的浪涌，避免探测光的变形，从而保证COTDR的正常运转。

实施例9 

本发明实施例提供了多频探测光相干光时域反射仪的另一种实施装置，该装置详细内容如下： 

多频激光是通过相位调制单频激光光源1获得，然后通过光放大器4，光脉冲调制器5和扰偏器6后产生高功率、偏振随机的多频光脉冲，并被注入到测试光纤。该多频光脉冲产生的多频瑞利散射信号与本振光源17进行相干203，产生出多中频信号，最后利用多频信号处理204就得到测试结果。 

与图5相比，本实施例使用单独的激光光源作为相干探测的本振光源17。利用光学相位锁定环路，本振光源17的频率与单频激光光源1的频率可以被锁定，这样本振光源17与激光光源1所产生的多频光脉冲的瑞利信号相干就能产生稳定的中频，从而可以用于实际测量。 

另外，本实施例使用了另一种多频信号处理方法204。该多频信号处理还可以采用以下的方法：将多频信号进行放大11和抗混滤波12后，直接对它进行数字采样13，然后对采样后的多频数据进行数字信号处理19，例如数字下变频或傅立叶变换，可获得各个中频的信号，最后合并所有中频信号16，就可以获得测试结果。 

Claims (14)

1.一种多频探测光相干光时域反射仪的方法，其特征在于，所述方法包括：

将连续形式的多频光调制成同步的多频探测光脉冲，并注入到被测光纤；

将所述的同步多频探测光脉冲在被测光纤中产生的多频背向散射信号与本振光进行相干，产生多个中频信号；

对所述的多个中频信号进行处理，得到测试结果。

2.根据权利要求1所述的多频探测光相干光时域反射仪的方法，其特征在于，所述的连续形式多频光是单频激光经相位调制而产生的多频光、多波长激光输出的多频光或多个独立的激光组合而成的多频光。

3.根据权利要求1所述的多频探测光相干光时域反射仪的方法，其特征在于，对所述的多个中频信号进行处理，得到测试结果：

对所述的多个中频信号进行放大，然后进行数字采样，并通过数字信号处理手段获得每个中频信号，最后合成所有的中频信号，得到测试光路的损耗分布；

或对多个中频信号进行放大后分成多路，然后每路用滤波器滤出不同频率的中频信号，并对每路滤出中频信号并行地采样和数字信号处理，获得不同频率的中频信号，最后合成所有的中频信号，得到测试光路的损耗分布。

4.根据权利要求2所述的单频激光经相位调制而产生的多频光，其特征在于，所述的单频激光同时用作本振光。

5.根据权利要求4所述的同时用于多频光产生和本振光的单频激光，其特征在于，其输出频率随测量周期同步改变，以降低相干噪声。

6.根据权利要求1所述的多频探测光相干光时域反射仪的方法，其特征在于，所述的方法还包括：同时输入与多频探测光脉冲互补的互补光脉冲，以消除光路放大器的浪涌。

7.一种多频探测光相干光时域反射仪的装置，其特征在于，所述装置包括：

多频光源模块，用于提供产生多频探测光脉冲所需的连续多频光源；

本振光模块，用于提供相干探测所需的本振光；

多频探测光脉冲调制模块，用于对所述的连续多频光源进行脉冲调制，产生同步的多频探测光脉冲；

相干探测模块，用于对所述的多频探测光脉冲在被测光纤中产生的多频背向散射信号进行相干检测，产生多个中频信号；

中频信号处理模块，用于对所述的相干探测模块产生的多个中频进行处理，并最终获得测试结果。

8.根据权利要求7所述的多频探测光相干光时域反射仪的装置，其特征在于，所述的多频光源模块是单频激光光源经相位调制而产生的多频光源与多波长激光器输出的多频光源或多个独立的激光器组合而成的多频光源。

9.根据权利要求8所述的单频激光光源经相位调制而产生的多频光源，其特征在于，所述的单频激光光源同时为本振光光源。

10.根据权利要求9所述的同时用作多频光源产生和本振光的单频激光光源，其特征在于，其输出频率随测量周期同步改变，以降低相干噪声。

11.根据权利要求7所述的多频探测光相干光时域反射仪的装置，其特征在于，所述的多频探测光脉冲调制模块是声光调制器或电光调制器。

12.根据权利要求7所述的多频探测光相干光时域反射仪的装置，其特征在于，所述的装置还包括光放大模块，用于放大连续多频光的功率，或放大探测光脉冲的功率。

13.根据权利要求7所述的多频探测光相干光时域反射仪的装置，其特征在于，所述的装置还包括扰偏模块，用于随机改变连续多频光的偏振，或者多频脉冲光的偏振。

14.根据权利要求7所述的多频探测光相干光时域反射仪的装置，其特征在于，所述的装置还设有与探测光脉冲互补的互补光脉冲模块，以消除线路中光放大器的浪涌。

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