CN102834705A - 使用光学反射计监视系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于使用光学反射计监视系统的方法包括：响应于第一光学激励信号，接收来自所述系统的第一光学响应信号，所述第一激励信号携带第一数值序列(A)，响应于第二光学激励信号，接收来自所述系统的第二光学响应信号，所述第二激励信号携带第二数值序列(|A，B)，并且确定在所述光学响应信号与所述数值序列之间的相关性，以便检测所述系统的异常点。通过波分复用在分离载波波长(λ0，λ1)上，在光学系统内同时传送第一和第二激励信号，并且在所述分离载波波长上同时接收第一和第二响应信号。

Description

使用光学反射计监视系统
技术领域
本发明涉及光学反射计(reflectometry)测量领域，尤其涉及这样的测量，即在所述测量中，在待监视的系统内传送携带数值序列的光学激励信号，以便通过随着时间对激励信号和反向散射信号进行相关来监视系统的异常点。
背景技术
在光学系统，尤其是在电信系统中，光学反射计可以对比如异质性、不连续、破裂、接口和其它折射率变化的异常点定位，因为它们影响光学信号的反向散射。对于这些现象，建立了被称为光学时域反射计(OTDR)的测量技术。OTDR技术的目的在于通过向待监视的系统中发送激励信号，并且测量反向散射响应信号来估计所述系统的冲激响应。可以使用逼近Dirac分布
Figure BPA00001623734500011
的冲激激励信号，直接测量冲激响应。然而，这样的方式受到功率和信噪比的主要限制。或者，可以通过发送以良好自相关性质为特征的时间扩展激励信号s(t)来估计这一测量，也就是说，
Figure BPA00001623734500012
其中表示相关积。WO-A-9720196描述了格雷序列在这一背景中的使用。
发明内容
根据一个实施例，本发明提供了一种用于通过光学反射计来监视系统的方法，所述方法包括以下步骤：
响应于第一光学激励信号，接收来自所述系统的第一光学响应信号，所述第一激励信号携带第一数值序列，
响应于第二光学激励信号，接收来自所述系统的第二光学响应信号，所述第二激励信号携带第二数值序列，并且
确定在所述光学响应信号与所述数值序列之间的相关性，以便检测所述系统的异常点，其中通过波分复用(或者WDM)在分离载波波长上，在所述光学系统内同时传送第一和第二激励信号，并且在所述分离载波波长上同时接收所述第一和第二响应信号。
这样的方法可以与多种类别的数值序列一起应用，以便以可变程度的准确度来估计光学响应系统的冲激响应，尤其是伪随机二进制序列、双正交序列、小波、正交镜像滤波器、以及双极和单极格雷代码。格雷代码在呈现如下优点的序列之中是在基于光学反射计的监视中最为常用的，该优点是赋予实际上理想的自相关函数，从而使得有可能非常准确地测量系统的冲激响应。
根据一个有利实施例，第一数值序列和第二数值序列属于从一对双极格雷序列提取的一组四个单极序列。根据另一实施例，第一数值序列和第二数值序列构成一对双极格雷序列。
根据一个实施例，第一激励信号相继地携带第一多个数值序列，并且第二激励信号相继地携带与所述第一多个数值序列的一个排列对应的第二多个数值序列。相对于载波波长的这种数据排列使得有可能平均掉可能在待监视的系统中出现的依赖于波长的物理影响。
根据一个实施例，第一数值序列或者第一多个数值序列与第二数值序列或者第二多个数值序列分别相互互补。这样的性质尤其使得有可能规则化或者均衡光学激励信号的总功率。这样的规则化在包括光学放大器的系统中尤其有益，因为它使得有可能限制暂时扰动。
这样的方法可以服务于监视不同类型的系统。根据一个实施例，该系统包括诸如海下传输线路的、包括EFA放大器的远程光学传输线路。
这样的方法可以与任何数量的光学激励信号一起实施。根据一个实施例，在波分复用光学系统内同时传送携带四个单极序列的激励信号，其中所述四个单极序列代表一对双极格雷序列，并且在分离载波波长上同时接收四个对应的响应信号。
根据一个实施例，本发明也提供一种光学反射计监视设备，该设备包括：
传输设备，能够耦合到待监视的系统，以便在所述待监视的系统内传送携带第一数值序列的第一激励信号和携带第二数值序列的第二激励信号，
接收设备，能够耦合到所述待监视的系统，以便响应于第一光学激励信号，接收来自所述待监视的系统的第一光学响应信号，以及响应于第二光学激励信号，接收来自所述待监视的系统的第二光学响应信号，以及
数字处理模块，能够确定在所述光学响应信号与所述数值序列之间的相关性，以检测所述待监视的系统的异常点，
其中所述传输设备能够通过波分复用，沿着分离载波波长在所述光学系统内同时传送所述第一和第二激励信号，并且
所述接收设备能够在所述分离载波波长上同时接收所述第一和第二响应信号。
在其它有利实施例中，这样的设备可以呈现以下特征中的一个或者多个：
-所述传输设备包括：信号生成器，能够分别生成所述第一数值序列和第二数值序列；以及光源，用于分别在所述分离载波波长上产生所述第一激励信号和第二激励信号。
-所述传输设备包括：开关，可重配置地将所述信号生成器连接到所述光源，以便修改数字序列到载波波长的分配。
-所述传输设备包括用于在传播介质内组合所述第一光学激励信号与所述第二光学激励信号的波分复用器。
-所述接收设备包括用于将所述第一响应信号从所述第二响应信号分离的波长去复用器。
-所述接收设备包括：第一和第二相干光学接收器，用于在所述分离载波波长上接收所述第一和第二响应信号。
-所述接收设备包括：第一和第二相干二次接收器，用于在所述分离载波波长上接收所述第一和第二响应信号。
-所述接收设备包括：差分光学接收器，用于检测在所述分离载波波长上的所述第一与第二响应信号之差。
-所述接收设备包括：第一和第二存储模块，用于存储通过分别解调制所述第一和第二响应信号而获得的数值响应序列。
-所述接收设备包括：开关，可重配置地将所述光学接收器连接到所述存储模块，以便修改数值序列到载波波长的分配。
-提供命令模块，用于命令接收设备的开关和传输设备的开关相互匹配，从而第一存储设备仅仅接收与第一数值序列对应的响应信号，并且第二存储设备仅仅接收与第二数值序列对应的响应信号。
本发明的一些方面源于以下观察：存在着如下的情况，即在这些情况之下有必要在尽可能短的时间跨度内获得反射计测量，例如当OTDR技术用于对光学通信系统中的光纤破裂定位，从而可以修复它时。本发明的一些方面源于以下观察：通过光学反射计确定长系统的响应可能需要获取和处理多个和/或长数字序列。根据以下构思建立本发明的一些方面：通过在光谱的多个区间中，例如在WDM网格上的多个信道上，优选地在相互接近的区间中或者信道上，同时获取多个反向散射测量，加速获取涉及系统的反射计测量。本发明的一些方面源于以下观察：为了获取反射计测量而向系统中注入的光学功率对检测信号的信噪比具有决定性的影响。根据以下构思建立本发明的一些方面：在光谱的多个区间内分布这一光学功率以便提升非线性效应可能破坏信号时的功率电平。本发明的其它方面源于以下观察：可以存在于光学系统，尤其是远程通信系统内的光学放大器在存在大致恒定负载时最优地工作。
附图说明
通过参照附图并考察仅通过示例性而非限制例子给出的本发明多个特定实施例的以下描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其它目的、细节、特征和优点将变得更清楚可见。在这些附图中：
图1是连接到放大光学传输线路的根据一个实施例的测量设备的功能示意图。
图2是可以在图1的设备内使用的激励设备的一个实施例的功能示意图。
图3是描述可以用图2的设备获得的向多个载波波长分配多个数值序列的时间-频率图。
图4是描述可以在图1的设备内使用的测量设备的一个实施例的功能示意图。
图5是描述可以在图1的设备内使用的测量设备的另一实施例的功能示意图。
具体实施方式
参照图1，光学反射计测量装置10耦合到必须在其中获得测量的系统15。设备10包括：激励模块11，耦合到系统15以便如箭头13所示在多个波长信道上向系统中注入光学激励信号；以及测量模块12，耦合到系统15以便如箭头14所示在波长信道上接收与激励信号对应的反向散射光学信号。模块11和12到系统15的耦合可以由功率耦合器或者任何其它适当装置，如光学循环器来构建。
系统15可以包括任何光学系统，尤其是光学通信系统，诸如无源光学网络或者这样的系统的一部分。在本文的其余部分中，更具体描述了如下实施例，在该实施例中，系统15由部分在图6中描绘的双向放大WDM传输线路20组成。双向线路20可以用于更远程传输，比如用于1000至10,000km或者更多的海下链路。
双向线路20在相反方向上包括两个单向传输线路28和29。线路28和29中的每个线路示意地是一连串的光纤段21，这些光纤段由光学放大器22连接以便再放大传送的信号(例如EDFA信号)。在两个相继放大器之间的距离例如在50与100km之间。为了创建用于反向散射信号的返回路径，光学桥接器26使用已知技术布置于两条线路28与29之间。在描绘的例子中，光学桥接器26包括用于从线路28取得反向散射信号的功率耦合器23，用于在线路29内再注入该信号的功率耦合器25，以及布置于这些功率耦合器之间的光学衰减器24。也可以在反方向上提供相似桥接器。传输线路20可以包括使用已知WCDM光学传输技术的未描绘的其它单元，诸如色散补偿器。
在一个实施例中，激励模块11包括图2中描绘的激励设备30。设备30包括用于生成适合于时域反射计测量的数值序列的信号生成器31，用于生成通过分离载波波长λ0至λ3调制的光学信号的光源32，以及各自按时间向光源32供应根据生成器31的数值序列产生的基带信号34的数模转换器33。电子开关35布置于信号生成器31与转换器33之间，以便能够修改数字序列到载波波长的分配。命令模块39用于例如基于向未描绘的存储器中加载的控制程序，或者基于从未描绘的人机接口提供的指令来命令开关35。光源32连接到复用器36，以便在借助光学放大器37连接到传输线路28的波导38内组合调制的光学信号。
在一个实施例中，信号生成器31分别各自产生四个单极分量A、|A、B和|B，从而使得有可能重建一对双极格雷序列(GA，GB)、即：A＝1/2(1+GA)；|A＝1/2(1-GA)；B＝1/2(1+GB)；|B＝1/2(1-GB)。
序列A和|A或者B和|B分别在它们的求和是恒值信号的意义上视为互补。例如序列的长度可以约为22至215位。
当操作时，设备30因此使得有可能通过四个载波波长λ0至λ3同时传送四个单极序列。这些光学激励信号例如以约100kHz的速率由NRZ代码进行调幅。这种同时传输的一些优点是为线路20的放大器22生成大致恒定光学功率，并且使得有可能从线路20同时获取与各种单极序列对应的响应。现在将参照图4说明这一点。
在一个实施例中，测量模块12包括图4中描绘的测量设备40。设备40包括波长去复用器41，该波长去复用器例如借助光学放大器42连接到传输线路29，以便响应于激励设备30传送的激励信号，接收由线路20反向散射的响应信号。响应信号通常具有与激励信号相同的波长。波长复用器41的输出分别连接到光学检测器43(例如光电二极管)。去复用器41使得有可能分离载波波长λ0至λ3中的每个载波波长上的响应信号，并且穿过相应的检测器以分别检测它们。每个检测器43比如借助电子放大器45连接到模数转换器44。每个模数转换器44使得有可能向诸如FIFO存储器的缓冲存储器46供应由于采样对应波长上的响应信号而产生的信号。电子开关47布置于转换器44与缓冲存储器46之间，以便能够修改响应信号到缓冲储存器46的分配。命令模块50用于例如基于向未描绘的存储器中加载的控制程序，或者基于从未描绘的人机接口提供的指令，来命令开关47。
计算器48产生在采样的响应信号与初始传送的数值序列之间的时间计算相关性，以便确定研究的系统15的冲激响应，和/或对传输线路20的异常点，如破裂区段进行定位。为了这样做，计算器48连接到信号生成器31，以便如箭头49所示的接收数值序列，以及连接到缓冲存储器46，以便访问响应信号rA、r|A、rB、r|B。在图4中，rA视为与携带序列A的激励信号对应的响应信号。在M.Nazarathy等人在Journal of Lightwave Technology的1989年第7卷第1期发表的“Real-time Long Range Complementary Correlation optical TimeDomain Reflectometer”中描述这些计算的数学基础。
优选地，在获取响应信号期间，尤其是在信号的获取持续时间长时，执行这些计算。例如持续数天的获取持续时间可能是为了估计海下传输线路的具有令人满意的信噪比的冲激响应而必需的。然而，同时使用多个波长信道获取多个响应信号使得有可能相对于在该相同持续时间期间关于单个激励信号建立的测量而言，改进因数为√N的信噪比，其中N表示同时获取的信号的数量。在N＝4的图4中，由此在该信噪比上获得3dB的增益。波分复用在光学反射计中的这一使用从而产生在检测的收敛持续时间与它的准确度之比上的改进。
计算器48可以包括各种外设17，诸如监视器、打印机和/或通信模块，以便以适当形式，诸如数值、基于文本或者图形，向用户示出计算结果。也可以提供存储设备18用于记录这些结果。
在一个实施例中，其中在设备10中包括设备30和40二者，命令模块38和50可以合并在一起。具体而言，开关35和47可以在获取反射计测量期间切换成相互匹配，以便组织不同数值序列在不同载波波长的排列。在图3中描绘了这样的排列。
图3在与借助设备10的一个实施例监视线路20的计划(campaign)对应的时标上，代表在各种载波波长上传送的各种数值序列。在获取反射计测量期间，在时刻t1、t2、t3、t4等，例如定期地排列数值序列。根据测试的系统中的信号的衰减电平和所用数值序列的长度，可能有必要循环重复大量相继的根据这一方案的测量，以便获得可用信噪比。在这一排列方案中，所有序列与互补序列同时传送，这使得有可能获得放大器22的大致不变的负载。其它排列方案使得有可能实现相似结果。
除了开关35和47之外还可以提供其它装置，以执行数值序列在不同载波波长上的排列。这样的排列使得有可能将依赖于波长的物理失真分布于各种数值序列，以便平滑掉它们的影响。然而这一排列并非必需。在一个实施例中，可以用在时间0与t1之间代表的序列分配，执行整个测量计划。
另外，使用图2至图4中指示的波长信道是为了举例说明。在其它实施例中，更低或者更大数量的信道可以用来注入激励信号并且获取响应信号。另外，仅图3中的线路λ0和λ1就说明了一种利用两个信道实施的方式。
在光谱内同时使用的波长信道的位置可以是任何位置。然而，以这一方式获得的系统的冲击响应测量代表相对于激励信号覆盖的光谱区间而言的平均。诸如色散的系统性质中的一些性质对波长灵敏从而可能破坏这一测量。因此，可以优选地选择在一起相对近的波长信道，比如基于50或者100GHz间隔的在标准网格上的相邻信道，以便限制这些破坏，并且在光纤的物理性能以很少变化为特征的光谱频道内获得更显著的测量。然而，如果激励信号的调制速率保持适度、例如约100kb/s，则限制有效色散。
图5描绘了可以用作测量模块12的测量设备140的另一实施例。与图4中的单元相同或者相似的单元由加上100的相同标号表示。这里，分别在波长λ0和λ1以及λ2和λ3中检测的响应信号进入差分放大器145，该放大器产生偏差信号。因此，如果分别在λ0上传送序列A并且在λ1上传送序列|A，或者在λ2上传送B或者在λ3上传送|B，则这一偏差信号直接代表系统分别对双极序列GA或者GB的响应，并且可以如在信号处理的其余部分中那样加以处理。结果是在转换器144和存储器146内的硬件节省。
在一个变型中，可以在测量模块12内使用相干光学接收器。
虽然上述实施例参照格雷序列，但是其它数值序列，诸如正交镜像滤波器(QMF)，或者正交小波，赋予使得有可能实际上理想重建系统的冲击脉冲这样的相似性质，并且可以相同方式用来产生激励信号。
可以使用硬件和/或软件部件以独立或者分布方式，以各种形式构造所描绘的单元中的一些单元，尤其是命令模块和数字处理模块。可以使用的硬件部件是专用集成电路、线程可编程门阵列或者微处理器。可以用各种编程语言，诸如C、C++、Java或者VHDL，编写软件部件。这一列举并非穷举。
虽然已经结合多个具体实施例描述本发明，但是它自然地不以任何方式限于它们，并且包括描述的装置的所有技术等效物及其组合(如果所述组合落入本发明的范围内)。
使用动词“包括”或者“包含”及其变体形式未排除存在除了在权利要求中阐述的单元或者步骤之外的单元或者步骤。将不定冠词“一个/一种”用于单元或者步骤除非另有明示，则未排除存在多个/多种这样的单元或者步骤。多个装置或者模块可以由单个硬件单元描绘。
在权利要求中，在括号内的任何标号不应解释为限制权利要求。

Claims (12)

1.一种用于使用光学反射计监视系统(15，20)的方法，所述方法包括：
响应于第一光学激励信号，接收来自所述系统的第一光学响应信号，所述第一激励信号携带第一数值序列(A)；
响应于第二光学激励信号，接收来自所述系统的第二光学响应信号，所述第二激励信号携带第二数值序列(|A，B)；以及
确定在所述光学响应信号与所述数值序列之间的相关性，以便检测所述系统的异常点，其中通过波分复用在分离载波波长(λ0，λ1)上，在所述光学系统内同时传送所述第一和第二激励信号，并且在所述分离载波波长上同时接收所述第一和第二响应信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一数值序列(A)和所述第二数值序列(|A，B)属于从一对双极格雷序列提取的一组四个单极序列。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述激励信号相继地携带第一多个数值序列(A，B，|A，|B)，并且所述第二激励信号相继地携带与所述第一多个数值序列的一个排列对应的第二多个数值序列。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述第一数值序列或者所述第一多个数值序列与所述第二数值序列或者所述第二多个数值序列分别相互互补。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述系统包括光学传输线路(20)，所述光学传输线路(20)包括EDFA放大器(22)。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，通过波分复用在所述光学系统内同时传送携带四个单极序列的激励信号，其中所述四个单极序列代表一对双极格雷序列，并且在分离载波波长(λ0，λ1，λ2，λ3)上同时接收四个对应的响应信号。
7.一种光学反射计监视设备(10)，包括：
传输设备(11，30)，能够耦合到待监视的系统(15，20)，以便在所述待监视的系统内传送携带第一数值序列的第一激励信号和携带第二数值序列的第二激励信号；
接收设备(12，40，140)，能够耦合到所述待监视的系统，以便响应于所述第一光学激励信号，接收来自所述待监视的系统的第一光学响应信号，以及响应于所述第二光学激励信号，接收来自所述待监视的系统的第二光学响应信号；以及
数字处理模块(48，148)，能够确定在所述光学响应信号与所述数值序列之间的相关性，以检测所述待监视的系统的异常点；
其中所述传输设备能够通过波分复用，沿着分离载波波长(λ0，λ1)在所述光学系统内同时传送所述第一和第二激励信号，并且
所述接收设备能够在所述分离载波波长上同时接收所述第一和第二响应信号。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述传输设备包括：
信号生成器(31)，能够分别生成所述第一数值序列和所述第二数值序列；
光源(32)，用于分别在所述分离载波波长上产生所述第一激励信号和所述第二激励信号；以及
开关(35)，可重配置地将所述信号生成器连接到所述光源，以便修改数字序列到载波波长的分配。
9.根据权利要求7或者8所述的设备，其中所述传输设备包括波分复用器(36)，用于在传播介质内组合所述第一光学激励信号和所述第二光学激励信号。
10.根据权利要求7至9之一所述的设备，其中所述接收设备(40，140)包括波长去复用器(41，141)，用于将所述第一响应信号从所述第二响应信号分离。
11.根据权利要求7至10之一所述的设备，其中所述接收设备包括：
第一和第二相干二次接收器(43，143)，用于在所述分离载波波长上接收所述第一和第二响应信号；
第一和第二存储模块(46，146)，用于存储所述第一和第二响应信号；以及
开关(47，147)，可重配置地将所述光学接收器连接到所述存储模块，以便修改响应信号到存储模块的分配。
12.根据组合的权利要求11和8所述的设备，还包括：
命令模块(50，39)，用于命令接收设备的开关和传输设备的开关相互匹配，从而所述第一存储设备仅仅接收与所述第一数值序列对应的响应信号，并且所述第二存储设备仅仅接收与所述第二数值序列对应的响应信号。
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