CN104158587A - 基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法 - Google Patents

Abstract

一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，其所述方法是将周期开关键控混沌光信号发射装置发射的周期开关键控混沌光信号经光纤耦合器分为探测光和参考光，再经光环形器、待测光纤线路、光电探测器和A/D转换器，后输入信号采样存储装置对两路信号进行多次单周期采样，并进行偏移相关处理和平均处理，输入显示装置。本方法利用周期开关键控混沌光信号，以及采用偏移相关处理计算，实现了光纤故障点高精度定位，同时解决了无法测量光纤衰减及损耗的问题。

Description

基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法

技术领域

本发明涉及一种光时域反射测量方法，更详而言，是一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，属于光纤线路测量技术领域。

技术背景

光纤通信以其通信容量大、中继距离长、抗电磁干扰等特点已成为支撑全世界海量信息交换的最重要的技术支柱之一。包括陆地光网络以及海底光缆在内，目前全世界已敷设光纤数亿千米。光缆几乎包围了整个地球，因而对光纤线路的检测就显得极其重要。

对光纤的检测，除了定位光纤断裂点外，还包括对光纤中诸如弯曲、对接损耗，以及光纤衰减的测量。其中，衰减是光纤的重要特征，对于评价光纤的质量和确定光信号再生的中继距离起着重要的作用。

光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，简称OTDR)通过观测光纤后向瑞利散射或菲涅尔反射信号，探测光纤沿传播方向的衰减特性，进而检测、判断光纤线路中的异常，成为光纤研究、生产、铺设以及维护过程中应用最广的测量方法。传统的OTDR采用单个光脉冲作为探测光信号，通过检测回波脉冲到达的时间和功率发现光纤链路中的故障点及光纤的衰减特性。该方法技术成熟、结构简单，且能同时完成对光纤衰减的测量和对光纤故障的定位。但存在原理上的缺陷：其测量距离与空间分辨率是一对无法调和的矛盾。要提高空间分辨率就需要采用超短光脉冲减小脉冲宽度，但这样会降低脉冲能量，进而减少可测量距离；要提高测量距离，就要增加光脉冲的峰值功率或脉冲宽度，但前者会引起非线性效应甚至引起光纤损伤，后者又必将降低分辨率。若不采用昂贵复杂的超短光脉冲激光器，仅依靠现有调制技术其分辨率多在数米至数十米，盲区则更大。而若采用超短光脉冲，则还需要结合复杂的探测技术来提高信噪比，如光频上转换结合光子计数技术和非线性晶体的光学倍频效应等，这样又大大增加了系统复杂性、操作难度和成本，难以小型化和便捷化。

在先技术EP0269448、JP9026376提出的伪随机码相关法是单脉冲OTDR的重大改进，可以调和空间分辨率与测量距离的矛盾：它利用一定码长的伪随机光脉冲序列作为探测光，将后向反射信号与随机码进行相关运算，得到光纤各点异常情况；因此，增加码长可增大测量距离，且不会影响空间分辨率。特别是诸如Gray码、正交码等特殊码型提高了信噪比。然而，随机光脉冲序列的产生需要通过电随机码调制激光器，迄今为止，受电子器件带宽瓶颈的限制，随机码相关法的空间分辨率、盲区与传统单脉冲法相比，并未明显改善。此外，随机码相关法有限的码长也限制了测量距离的进一步增加，较高的制作成本也制约了其适用范围。

在先技术ZL200810054534.7“混沌光时域反射仪及其测量方法”，提出了一种基于混沌激光信号的互相关法实现光纤故障点检测的方法，克服了传统脉冲光时域反射仪和伪随机码调制光时域反射仪测量盲区大的缺点，提高了故障点检测的分辨率，实现了与距离无关的高精度测量，对于检测点与故障点的光纤长度测量已经非常精确。这种方法是将混沌光发射装置发射的混沌光信号分为参考光与探测光，将光纤回射的探测光与参考光进行互相关比较，实现光纤故障定位。光纤回射的探测光中包含瑞利后向散射以及光纤故障点的菲涅耳反射，且菲涅耳反射比瑞利散射强上千倍。其装置中混沌光发射装置发出的是连续不断的混沌光，其信号处理装置对参考信号和回射的探测信号进行互相关处理，会在产生菲涅耳反射的故障点处出现峰值，从而得到故障点的位置。混沌时序的自相关曲线具有理想的类δ函数图形。因进入光纤的连续混沌光信号的散射信号相互叠加，且后向散射很微弱以及噪声的影响，连续的混沌信号与回波信号经过相关处理后无法得出瑞利散射的变化，而瑞利散射的变化直接反映出光纤的衰减。所以此技术虽然能够获得高空间分辨率，却无法像传统OTDR那样在定位光纤故障点的同时得到光纤衰减的信息。

发明内容

本发明基于上述现有技术，提供一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，在得到与距离无关的高分辨率的前提下，解决混沌光时域反射仪及其测量方法无法测量光纤衰减信息及损耗事件的问题。

上述问题是通过以下技术方案得以实现。

一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，其所述方法是将周期开关键控混沌光信号发射装置发射的周期开关键控混沌光信号经过光纤耦合器Ⅰ分为两路，一路为探测光，另一路为参考光；所述周期开关键控混沌光信号的周期范围为1μs~2ms，信号中混沌序列长度范围为20ns~50μs；所述探测光经光环形器发射到待测光纤线路，回射的探测光经光环行器进入光电探测器Ⅰ转换为电信号，电信号经A/D转换器Ⅰ转换成数字信号输入信号采样存储装置；参考光由光电探测器Ⅱ接收，将光信号转化为电信号，再经A/D转换器Ⅱ转换成数字信号输入到信号采样存储装置；信号采样存储装置以参考信号作为触发信号对输入的两路信号进行多次单周期采样，并存储采样数据；信号处理装置对多组采样数据进行偏移相关处理，计算出采样所得的单周期参考信号脉冲部分数据的均值，并将这一均值乘一个偏移系数，然后将参考信号脉冲部分数据加这个乘一偏移系数后的均值，非脉冲部分的数据归零，最后对这一处理过的单周期参考信号与单周期回波信号数据做互相关运算，并对运算结果进行平均处理，输入到显示装置显示。

在上述技术方案的基础上，进一步的附加技术方案如下。

周期开关键控混沌光信号发射装置是混沌光信号发射装置Ⅰ发出的混沌光信号经偏振控制器Ⅰ后进入电光调制模块Ⅰ；周期开关键控电路Ⅰ产生的周期性开关信号通过电光调制模块Ⅰ对输入的混沌光信号进行调制；电光调制模块Ⅰ的输出端输出周期开关键控混沌光信号；或者

周期开关键控电路Ⅱ产生的周期性开关电信号进入混沌光发射装置Ⅱ的电压输入端，直接调制混沌光发射装置Ⅱ产生周期开关键控混沌光信号；或者

非线性混沌电路产生的混沌电信号进入激光器Ⅰ的电压输入端对其进行直接调制，激光器Ⅰ输出的混沌光信号经偏振控制器Ⅱ进入电光调制模块Ⅱ；周期开关键控电路Ⅲ产生的周期性开关信号通过电光调制模块Ⅱ对输入的混沌光信号进行调制；电光调制模块Ⅱ的输出端输出周期开关键控混沌光信号；或者

周期开关键控混沌电路产生的周期开关键控混沌电信号进入激光器Ⅱ的电压输入端，直接调制激光器Ⅱ产生周期开关键控混沌光信号。

混沌光发射装置Ⅰ与混沌光发射装置Ⅱ是半导体激光器外加反馈装置构成，或者是一个半导体激光器连接到另一个半导体激光器构成。

反馈装置是数字反射计、光纤端面镀反射膜光纤、或者是光纤光栅与可调衰减器构成。

光环行器还可以是光纤耦合器或者是分束器。

本发明基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，该方法可以通过改变信号周期长度以及脉冲的宽度来适应光纤线路的测量，由周期长度的不同来设置不同的档位，适应不同的测量范围。

实现本发明上述所提供的一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，与现有技术相比，本方法利用周期开关键控混沌信号带宽高、相关性好，且具有脉冲特性的特点，作为光纤信息测量精度高、动态范围大、测量全面，是理想的测量信号。周期开关键控混沌光信号作为探测信号，带宽可达数十GHz，距离分辨率可达到毫米级。在使用较高精度的光电探测器下，经过本发明所述信号处理后，探测距离可达一百公里以上。本发明既克服了传统OTDR测量距离与空间分辨率相矛盾的原理缺陷，实现了光纤故障点定位的高精度，同时也解决了混沌光时域反射仪及其测量方法无法测量光纤衰减及损耗事件的问题。本发明所述采用对参考信号及探测信号进行多次单周期采样，并在进行偏移相关处理后平均，消除了部分噪声对结果的影响。本发明所述方法采用偏移相关处理方法，解决了两路信号直接进行互相关运算无法得到故障点信息的问题，同时消除了部分噪声的影响。

附图说明

图1是实现本发明方法的装置整体结构示意图。

图2是本发明的第一实施例周期开关键控混沌光信号发射装置结构示意图。

图3是本发明的第一实施例与第二实施例中半导体激光器构成的混沌光发射装置结构示意图。

图4是本发明的第二实施例周期开关键控混沌光信号发射装置结构示意图。

图5是本发明的第三实施例周期开关键控混沌光信号发射装置结构示意图。

图6是本发明的第四实施例周期开关键控混沌光信号发射装置结构示意图。

图7是本发明的数据处理流程图。

图8是本发明的测量实验结果图。

图中：1：周期开关键控混沌光信号发射装置；2：光纤耦合器Ⅰ；3：光环行器；4：待测光纤线路；5：光电探测器Ⅰ；6：A/D转换器Ⅰ；，7：光电探测器Ⅱ；8：A/D转换器Ⅱ；9：信号采样存储装置；10：信号处理装置；11：显示装置；12：混沌光发射装置Ⅰ；13：偏振控制器Ⅰ；14：电光调制模块Ⅰ；15：周期开关键控电路Ⅰ；16：半导体激光器；17：光纤耦合器Ⅱ：18：反馈装置；19：周期开关键控电路Ⅱ；20：混沌光发射装置Ⅱ；21：非线性混沌电路；22：激光器Ⅰ；23：偏振控制器Ⅱ；24：电光调制模块Ⅱ；25：周期开关键控电路Ⅲ；26周期开关键控混沌电路；27：激光器Ⅱ。

具体实施方式

为使本发明的方案以及技术效果更加清晰，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

第一实施例

一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法如下。周期开关键控混沌光信号被分为两路，一路为探测光，另一路为参考光；探测光被发射到待测光纤线路4中，线路中的散射或者反射的回波信号被转换成数字信号后输入到信号采样存储装置9；转换成数字信号的参考信号同样输入到信号采样存储装置9中；经过单周期采样的两路信号输入到信号处理装置10中。信号处理装置10对两路信号处理，设信号采集装置接收的单周期参考信号满足的函数关系为                                                ，单周期回波信号满足的函数关系为；对两路信号进行偏移相关处理：首先将单周期参考信号分为脉冲部分及非脉冲部分，即；对脉冲部分求均值，并将脉冲部分加上一个乘偏移系数β后的均值得，即=；信号非脉冲部分归零，即；将经过处理后的脉冲部分与非脉冲部分合并成信号，并对与进行相关运算，其相关函数为，运算所得结果与光在待测光纤中的传播时间有关，进而可由公式计算对应到光在待测光纤中的传播距离得到单组结果。在得到多组偏移相关处理结果之和后对它们进行平均处理，消除部分噪声对结果的影响后通过显示装置11显示出测量结果，获得故障点及光纤衰减的信息。数据处理流程如附图7所示。

本发明所使用的探测信号及参考信号为周期开关键控混沌光信号，该信号既具有混沌信号带宽高、相关性好的特点，同时又具有脉冲的特性，对两路信号进行上述处理后能够得到理想的预期测量结果。如附图8为实验中从所测单模光纤中回射的探测信号与参考信号经过数据处理后显示出的结果图，图中曲线的斜率为-0.2dB/km，即光纤的衰减系数为0.2dB/km，且测量值与单模光纤衰减系数相符。曲线末端尖锐的相关峰位置即为光纤末端断点位置，相关峰的测量分辨率由相关曲线的半高全宽决定，而相关曲线半高全宽又由信号带宽决定，实验中所用光电探测器Ⅰ5和光电探测器Ⅱ7带宽都为200MHz，图中相关峰半高全宽对应距离为0.6m，周期开关键控混沌光信号作为探测信号，带宽可达数十GHz，距离分辨率可达到毫米级。

在先技术中，其所用数据处理方法是直接对两路信号进行互相关运算。通过实验发现，对本发明中两路信号直接进行互相关处理，无法得到尖锐的相关峰，即无法得到高分辨率的故障点位置信息，即使将非脉冲部分归零所得结果也相同。如果运用本发明所述偏移相关处理，将偏移系数β取值-1，即脉冲部分减去全部脉冲部分的均值，因均值中携带光纤散射信息，所得结果无法得到光纤衰减的信息。经过大量实验，我们发现，当所述偏移相关处理中偏移系数在-1<β<-0.5范围内时，所得结果既可以高精度定位光纤故障点，也可以得到准确的光纤衰减及损耗事件信息。

在对光纤进行测量时，所使用的周期开关键控混沌光信号周期长度要保证大于光信号在待测光纤传输所需的时间的两倍，这样使得在一个信号周期内光纤中只有一个开关键控产生的混沌脉冲，当其在光纤中传输时，单周期回波信号不受其他信号干扰。经实验验证，本发明所述周期开关键控混沌光信号的信号周期范围为1μs~2ms，信号中混沌序列长度，即脉冲宽度范围为20ns~50μs。因信号在光纤中会发生衰减使得信号相关性变差，且混沌序列长度越长信号的相关性越好，实验发现，当信号周期长度为信号中混沌序列长度的50~80倍时，测量效果较好。测量时，可以根据不同混沌序列长度在被测光纤前端增设与混沌序列长度对应的哑光纤，进而消除信号最初进入光纤时形成的测量盲区。根据不同的测量范围，设定不同的信号周期档位，可以保证测量准确，并且节省测量时间，提高测量效率。

 

如附图1所示，实现本发明一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法的装置，主要包括周期开关键控混沌光信号发射装置、光纤耦合器、光环行器、光电探测器、A/D转换器、信号采样存储装置、信号处理装置及显示装置。

如图2所示，本发明所述周期开关键控混沌光信号发射装置1包括混沌光发射装置Ⅰ12和顺次位于混沌光发射装置Ⅰ12出射光路上的偏振控制器Ⅰ13和电光调制模块Ⅰ14；还包括周期开关键控电路Ⅰ15；所述周期开关键控电路Ⅰ15的电压输出端与电光调制模块Ⅰ14的电压信号输入端连接；电光调制模块Ⅰ14的输出端通过光纤与光纤耦合器Ⅰ2输入端连接。其中混沌光发射装置1是由半导体激光器16、光纤耦合器Ⅱ17和反馈装置18构成，如附图3所示，其中反馈装置18是数字反射计或者是光纤端面镀反射膜的光纤或者是光纤光栅与可调衰减器构成。半导体激光器16输出的一部分光经反馈装置18回射到半导体激光器16中，使半导体激光器16输出混沌光信号，若将反馈装置14换成另一个半导体激光器，则半导体激光器16在另一个半导体激光器输出的光注入下也会输出混沌激光信号。

产生的周期开关键控混沌光信号经过光纤耦合器Ⅰ2分为两路，一路为探测光，另一路为参考光；探测光经过光环形器3发射到待测光纤线路4中，回射的探测光经过光环行器3进入光电探测器Ⅰ5转换为电信号，电信号经A/D转换器Ⅰ6转换成数字信号输入信号采样存储装置9；参考光由光电探测器Ⅱ7接收，由光信号转化为电信号，再经A/D转换器Ⅱ8转换成数字信号输入到信号采样存储装置9中；信号采样存储装置9以参考信号作为触发信号对输入的两路信号进行连续多次单周期采样，并存储采样数据；信号处理装置10对多组采样数据进行偏移相关处理后，对运算结果进行平均处理，输入到显示装置11中显示出来。

 

第二实施例

在第一实施例的基础上，第二实施例如图4所示，其所述周期开关键控混沌光信号发射装置1包括周期开关键控电路Ⅱ19和与混沌光发射装置Ⅱ20；所述周期开关键控电路Ⅱ19的电压输出端与混沌光发射装置Ⅱ20的电压输入端连接。其中混沌光发射装置Ⅱ20是由半导体激光器16、光纤耦合器Ⅱ17和反馈装置构成18，如图2所示，其中反馈装置18是数字反射计或者是光纤端面镀反射膜的光纤或者是光纤光栅与可调衰减器构成。半导体激光器16输出的一部分光经反馈装置18回射到半导体激光器16中，使半导体激光器16输出混沌光信号，若将反馈装置18换成另一个半导体激光器，则半导体激光器16在另一个半导体激光器输出的光注入下也会输出混沌激光信号。其他相同于第一实施例。该实施例将周期开关键控电路Ⅰ15通过电光调制模块Ⅰ外调制混沌光发射装置Ⅰ12变换为周期开关键控电路Ⅱ19直接调制混沌光发射装置Ⅱ20，较第一实施例可使周期开关键控混沌光信号发射装置1结构更简单。

 

第三实施例

在第一实施例的基础上，第三实施例如图5所示，其所述周期开关键控混沌光信号发射装置1包括非线性混沌电路21和激光器Ⅰ22以及顺次位于激光器Ⅰ22出射光路上的偏振控制器Ⅱ23和电光调制模块Ⅱ24；还包括周期开关键控电路Ⅲ25；所述非线性混沌电路21的电压输出端与激光器Ⅰ22的电压输入端连接；所述周期开关键控电路Ⅲ25的电压输出端与电光调制模块Ⅱ24的电压信号输入端连接；电光调制模块Ⅱ24的输出端通过光纤与光纤耦合器Ⅰ2输入端连接。其他相同于第一实施例。该实施例在不改变周期开关键控电路外调制混沌光这种调制方式的情况下，通过使用非线性混沌电路21直接调制激光器Ⅰ22产生混沌光，使结构简单化。

 

第四实施例

在第一实施例的基础上，第三实施例如图6所示，其所述周期开关键控混沌光信号发射装置1包括周期开关键控混沌电路26和激光器Ⅱ27；所述周期开关键控混沌电路26的电压输出端与激光器Ⅱ27的电压输入端连接。其他相同于第一实施例。该实施例使用周期开关键控混沌电路26直接调制激光器Ⅱ27产生周期开关键控混沌光信号，使结构进一步简化。

Claims (5)

1.一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，其所述方法是将周期开关键控混沌光信号发射装置（1）发射的周期开关键控混沌光信号经过光纤耦合器Ⅰ（2）分为两路，一路为探测光，另一路为参考光；所述周期开关键控混沌光信号的周期范围为1μs~2ms，信号中混沌序列长度范围为20ns~50μs；探测光经光环形器（3）发射到待测光纤线路（4），回射的探测光经光环行器（3）进入光电探测器Ⅰ（5）转换为电信号，电信号经A/D转换器Ⅰ（6）转换成数字信号输入信号采样存储装置（9）；参考光由光电探测器Ⅱ（7）接收，将光信号转化为电信号，再经A/D转换器Ⅱ（8）转换成数字信号输入到信号采样存储装置（9）；信号采样存储装置（9）以参考信号作为触发信号对输入的两路信号进行多次单周期采样，并存储采样数据；信号处理装置（10）对多组采样数据进行偏移相关处理，计算出采样所得的单周期参考信号脉冲部分数据的均值，并将这一均值乘一个偏移系数，然后将参考信号脉冲部分数据加这个乘一偏移系数后的均值，非脉冲部分的数据归零，最后对这一处理过的单周期参考信号与单周期回波信号数据做互相关运算，并对运算结果进行平均处理，输入到显示装置（11）显示。

2.如权利要求1所述的方法，其所述周期开关键控混沌光信号发射装置（1）是混沌光信号发射装置Ⅰ（12）发出的混沌光信号经偏振控制器Ⅰ（13）后进入电光调制模块Ⅰ（14）；周期开关键控电路Ⅰ（15）产生的周期性开关信号通过电光调制模块Ⅰ（14）对输入的混沌光信号进行调制；电光调制模块Ⅰ（14）的输出端输出周期开关键控混沌光信号；或者

周期开关键控电路Ⅱ（19）产生的周期性开关电信号进入混沌光发射装置Ⅱ（20）的电压输入端，直接调制混沌光发射装置Ⅱ（20）产生周期开关键控混沌光信号；或者

非线性混沌电路（21）产生的混沌电信号进入激光器Ⅰ（22）的电压输入端对其进行直接调制，激光器Ⅰ（22）输出的混沌光信号经偏振控制器Ⅱ（23）进入电光调制模块Ⅱ（24）；周期开关键控电路Ⅲ（25）产生的周期性开关信号通过电光调制模块Ⅱ（24）对输入的混沌光信号进行调制；电光调制模块Ⅱ（24）的输出端输出周期开关键控混沌光信号；或者

周期开关键控混沌电路（26）产生的周期开关键控混沌电信号进入激光器Ⅱ（27）的电压输入端，直接调制激光器Ⅱ（27）产生周期开关键控混沌光信号。

3.如权利要求1所述的方法，其所述混沌光发射装置Ⅰ（12）与混沌光发射装置Ⅱ（20）是半导体激光器（16）外加反馈装置（18）构成，或者是一个半导体激光器（16）连接到另一个半导体激光器构成。

4.如权利要求1所述的方法，其所述反馈装置（18）是数字反射计、光纤端面镀反射膜光纤、或者是光纤光栅与可调衰减器构成。

5.如权利要求1所述的方法，其所述光环行器（3）还可以是光纤耦合器或者是分束器。