CN104344945B - 一种频率编码光纤时域反射仪的工作方法 - Google Patents

一种频率编码光纤时域反射仪的工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种频率编码光纤时域反射仪的工作方法,其中,频率编码光纤时域反射仪,包括光源、第一光纤耦合器、声光调制器、射频信号发生器、光纤放大器、光回旋器、第二光纤耦合器、平衡探测器和数据采集卡。通过对光脉冲进行频率调制,使得空间分辨率不受光脉冲持续时间的限制,空间分辨率不再取决于脉冲的宽度,而取决于探测脉冲的频率调制范围。以达到同时实现高空间分辨率和长探测距离的目的。

Description

一种频率编码光纤时域反射仪的工作方法
技术领域
本发明涉及光纤传输测量领域,具体地,涉及一一种频率编码光纤时域反射仪的工作方法。
背景技术
光时域反应仪OTDR(Coherent Optic Time Domain Reflectometry)是测量光纤传输特性的测量仪器,现已经广泛应用在光纤通信系统中,利用光纤的背向瑞利散射光等信号,以测量光纤的衰减、损耗和反射等特性。作为一种非破坏性的光纤测量技术,OTDR可测量整个光纤链路的衰减并提供与长度有关的衰减细节,具体表现为探测、定位和测量光纤链路上任何位置的事件。
现有的OTDR技术中,探测距离和空间分辨率是一对相互制约的矛盾,为了实现高空间分辨率,需要减小脉冲的持续时间,这就降低了光脉冲的能量,导致测量距离的缩短。现有的OTDR技术已经分别实现了上千公里的探测距离和1米的空间分辨率,但是这两个参数不能够同时实现。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述问题,提出一种频率编码光纤时域反射仪的工作方法,以实现兼备高空间分辨率和长探测距离的优点。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种频率编码光纤时域反射仪,包括光源、第一光纤耦合器、声光调制器、射频信号发生器、光纤放大器、光回旋器、第二光纤耦合器、平衡探测器和数据采集卡,从所述光源发出的光经过第一耦合器后分为两束,一束光经过声光调制器,变为带有频率编码的脉冲信号,然后该脉冲信号经过光纤放大器后作为探测脉冲信号,该探测脉冲信号经光回旋器进入待测光纤,从待测光纤散射回的光经过光回旋器进入第二光纤耦合器,并在第二光纤耦合器与光源发出的另一束光发生干涉,从第二光纤耦合器输出的光进入平衡探测器转换为电信号,该电信号经过数据采集卡变成数字信号,所述数据采集卡内置A/D转换电路,所述声光调制器由射频信号发生器驱动。
同时本发明技术方案相应公开一种频率编码光纤时域反射仪的工作方法,所述射频信号发生器发出的射频信号在时间上是脉冲信号,并且其频率在脉冲持续时间内线性变化,因此,光信号经过声光调制器后强度受到调制,变成脉冲信号,脉冲持续时间为τp;与此同时,光信号的频率也发生线性变化,其改变量等于射频信号发生器的频率,光脉冲的表达式为:
其中ω0是光频率,γ是光频率扫频的速度,φ(t)是t时刻的光随机相位噪声;
探测脉冲信号进入待测光纤后,在光纤中发生反射和瑞利散射,每一点反射回来的光脉冲都具有相同的持续时间和同样的频率啁啾,但不同的点反射回的信号具有不同的时间延迟τ,τ=2nL/c,其中L是从待测光纤入射端到散射点的距离,n是光纤的等效折射率,c是光纤中的光速,系数2是由于光需要往返传输,散射光与本地光相干后,在平衡探测器上产生外差信号,其差频信号也具有频率啁啾:
其中R是FUT上该点的散射系数,是一个相位常数,
由公式(2)可知平衡探测器探测到的信号也是具有线性的频率啁啾;待测光纤上不同位置处产生的散射信号虽然具有不同的时间延迟τ,但是都具有相同的频率啁啾形状,其表达式如下:
从平衡探测器接收到的拍频信号需要经过解调,得到待测光纤上每个位置的散射强度。
优选的,所述对平衡探测器接收到的拍频信号解调过程具体为:首先产生一个具有相同频率啁啾速率、但持续时间充满整个待测光纤往返时间的参考信号,待测光纤上不同位置散射回的信号与该参考信号的差频是一个定值,其值正比于散射信号在待测光纤上的位置,据此解调出待测光纤上每个点的散射信号的强度。
优选的,该解调具体为所述参考信号与平衡探测器上接收的信号在计算机内进行相乘,然后对相乘后的结果做傅立叶变换,以得到不同差频处信号的强度。
优选的,所述对平衡探测器接收到的拍频信号解调过程具体为:平衡探测器接收到的频率范围为f1到f2且f1<f2的拍频信号直接被数据采集卡转换为数字信号,在数字处理设备中进行拍频信号的检测,数据采集卡的采样速率需要大于f2的两倍,以满足奈奎斯特采样定律。
优选的,所述对平衡探测器接收到的拍频信号解调过程具体为:平衡探测器接收到的频率范围为f1到f2且f1<f2的拍频信号,首先与一个固定的中频信号f0进行混频,产生差频信号f1-f0到f2-f0,用带通滤波器取出其差频信号,然后进入数据采集卡,在数字设备中进行拍频信号的检测。
优选的,所述采样的频率大于差频信号f2-f0的两倍。
本发明的技术方案具有以下有益效果:
本发明技术方案通过对光脉冲进行频率调制,使得空间分辨率不受光脉冲持续时间的限制,而取决于探测脉冲的频率调制范围,因此能够采用长持续时间的脉冲信号提高探测光脉冲信号的能量,实现长距离探测,同时保持高空间分辨率。与现有的光纤频域反射仪(OFDR)相比较,本技术方案中的光脉冲频率调制持续时间短,小于光在待测光纤的往返时间,降低了测量过程中相位噪声的积累,因此其测量范围可以超过光源的相干长度,而保持空间分辨率不变。达到同时实现高空间分辨率和长探测距离的目的。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例所述的频率编码光纤时域反射仪原理框图;
图2为经过调制的信号示意图;
图3为光纤上不同位置反射的探测光与本地振荡光的频差曲线示意图;
图4a至图4d为本发明实施例所述的频率编码光纤时域反射仪验证实验数据的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,一种频率编码光纤时域反射仪,包括光源、第一光纤耦合器(CP1)、声光调制器(AOM)、射频信号发生器(RFSG)、光纤放大器(EDFA)、光回旋器(CIR)、第二光纤耦合器、平衡探测器(BPD)和数据采集卡,从光源发出的光经过第一耦合器后分为两束,一束光经过声光调制器,变为带有频率编码的脉冲信号,然后该脉冲信号经过光纤放大器后作为探测脉冲信号,该探测脉冲信号经光回旋器进入待测光纤(FUT),从待测光纤散射回的光经过光回旋器进入第二光纤耦合器(CP2),并在第二光纤耦合器与光源发出的另一束光发生干涉,从第二光纤耦合器输出的光进入平衡探测器转换为电信号,该电信号经过数据采集卡变成数字信号,数据采集卡内置A/D转换电路,声光调制器由射频信号发生器驱动。转换后的数字信号在PC内经过数据处理,得到FUT的散射曲线。
同时本发明技术方案相应公开一种频率编码光纤时域反射仪的工作方法,射频信号发生器发出的射频信号在时间上是脉冲信号,并且其频率在脉冲持续时间内线性变化,因此,光信号经过声光调制器后强度受到调制,变成脉冲信号,脉冲持续时间为τp;与此同时,光信号的频率也发生线性变化,其改变量等于射频信号发生器的频率,光脉冲的表达式为:
其中ω0是光频率,γ是光频率扫频的速度,φ(t)是t时刻的光随机相位噪声;
如图2所示,是一例经过调制的信号,其中,τp是光脉冲的持续时间,在此期间内,光脉冲的频率线性变化,其频率变化范围为Δf,
探测脉冲信号进入待测光纤后,在光纤中发生反射和瑞利散射,每一点反射回来的光脉冲都具有相同的持续时间和同样的频率啁啾,但不同的点反射回的信号具有不同的时间延迟τ,τ=2nL/c,其中L是从待测光纤入射端到散射点的距离,n是光纤的等效折射率,c是光纤中的光速,系数2是由于光需要往返传输,散射光与本地光相干后,在平衡探测器上产生外差信号,其差频信号也具有频率啁啾:
其中R是FUT上该点的散射系数,是一个相位常数,
由公式(2)可知平衡探测器探测到的信号也是具有线性的频率啁啾;如图3所示,FUT上不同位置处产生的散射信号虽然具有不同的时间延迟τ,但是都具有相同的频率啁啾形状,其表达式如下:
从平衡探测器接收到的拍频信号需要经过解调,得到待测光纤上每个位置的散射强度。
一种解调方式是在数据处理时,首先产生一个具有相同频率啁啾速率、但是持续时间充满整个FUT的往返时间的参考信号,如图3所示。FUT上不同位置散射回的信号与该参考信号的差频是一个定值,其值正比于散射信号在FUT上的位置,据此可以解调出FUT上每个点的散射信号的强度。一种具体的实施方案是:该参考信号与BPD上接收的信号在计算机内进行相乘,然后对相乘后的结果做傅立叶变换,以得到不同差频处信号的强度。具体的实施方式为,参考信号与平衡探测器上接收的信号在计算机内进行相乘,然后对相乘后的结果做傅立叶变换,以得到不同差频处信号的强度。
对于解调的另一种实现方式是:BPD接收到的频率范围为f1到f2(f1<f2)的拍频信号直接被数据采集卡转换为数字信号,在数字处理设备中进行拍频信号的检测。数据采集卡的采样速率需要大于f2的两倍,以满足奈奎斯特采样定律。
解调的第三种实现方式是:BPD接收到的频率范围为f1到f2(f1<f2)的拍频信号,首先与一个固定的中频信号f0进行混频,产生差频信号f1-f0到f2-f0,用带通滤波器取出其差频信号,然后进入数据采集卡,在数字设备中进行拍频信号的检测。在这一实现方案中,采样的频率只需要大于f2-f0的两倍就可以满足奈奎斯特采样定律,降低了对数据采样卡速率的要求。
在验证实验中,采用线宽为1.19MHz的分布反馈式(DFB)半导体激光器作为光源,AOM的驱动频率调制范围是60.3MHz,脉冲持续时间为2us,待测光纤由两端长度分别为24.6km和31.0km的两卷光纤组成,测试结果如图4a至图4d所示。图4a是总测试曲线,peak1,peak 2和peak3分别是FUT的开始端、两卷光纤处的接头和FUT的末端。从图中可以看出,在整个测试范围内,实测的空间分辨率保持在2.0米左右,与根据光脉冲调制范围60.3MHz对应的理论空间分辨率1.66米非常接近,即使FUT的长度已经远远超过光源的相干长度(约80米)。通过增加信号的频率调制范围,可以在保持空间分辨率不变的情况下进一步提高反射仪的空间分辨率。
综上所述,现有OTDR技术中,空间分辨率Δz=Δt*c/(2n),决于时域脉冲的脉宽,而在本技术方案中,系统的空间分辨率不再取决于脉冲的宽度,而是类似于光频域反射仪(OFDR)技术,其空间分辨率取决于探测脉冲的频率调制范围。与现在的OFDR相比较,本技术方案中的光脉冲频率调制持续时间短,小于光在FUT的往返时间,降低了测量过程中相位噪声的积累,因此其测量范围可以超过光源的相干长度,而保持空间分辨率不变。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种频率编码光纤时域反射仪的工作方法,其特征在于,包括光源、第一光纤耦合器、声光调制器、射频信号发生器、光纤放大器、光回旋器、第二光纤耦合器、平衡探测器和数据采集卡,从所述光源发出的光经过第一耦合器后分为两束,一束光经过声光调制器,变为带有频率编码的脉冲信号,然后该脉冲信号经过光纤放大器后作为探测脉冲信号,该探测脉冲信号经光回旋器进入待测光纤,从待测光纤散射回的光经过光回旋器进入第二光纤耦合器,并在第二光纤耦合器与光源发出的另一束光发生干涉,从第二光纤耦合器输出的光进入平衡探测器转换为电信号,该电信号经过数据采集卡变成数字信号,所述数据采集卡内置A/D转换电路,所述声光调制器由射频信号发生器驱动;所述射频信号发生器发出的射频信号在时间上是脉冲信号,并且其频率在脉冲持续时间内线性变化,因此,光信号经过声光调制器后强度受到调制,变成脉冲信号,脉冲持续时间为τp;与此同时,光信号的频率也发生线性变化,其改变量等于射频信号发生器的频率,光脉冲的表达式为:
其中ω0是光频率,γ是光频率扫频的速度,φ(t)是t时刻的光随机相位噪声;
探测脉冲信号进入待测光纤后,在光纤中发生反射和瑞利散射,每一点反射回来的光脉冲都具有相同的持续时间和同样的频率啁啾,但不同的点反射回的信号具有不同的时间延迟τ,τ=2nL/c,其中L是从待测光纤入射端到散射点的距离,n是光纤的等效折射率,c是光纤中的光速,系数2是由于光需要往返传输,散射光与本地光相干后,在平衡探测器上产生外差信号,其差频信号也具有频率啁啾:
其中R是FUT上该点的散射系数,是一个相位常数,
由公式(2)可知平衡探测器探测到的信号也是具有线性的频率啁啾;待测光纤上不同位置处产生的散射信号虽然具有不同的时间延迟τ,但是都具有相同的频率啁啾形状,其表达式如下:
从平衡探测器接收到的拍频信号需要经过解调,得到待测光纤上每个位置的散射强度。
2.根据权利要求1所述的工作方法,其特征在于,所述对平衡探测器接收到的拍频信号解调过程具体为:首先产生一个具有相同频率啁啾速率、但持续时间充满整个待测光纤往返时间的参考信号,待测光纤上不同位置散射回的信号与该参考信号的差频是一个定值,其值正比于散射信号在待测光纤上的位置,据此解调出待测光纤上每个点的散射信号的强度。
3.根据权利要求2所述的工作方法,其特征在于,该解调具体为所述参考信号与平衡探测器上接收的信号在计算机内进行相乘,然后对相乘后的结果做傅立叶变换,以得到不同差频处信号的强度。
4.根据权利要求3所述的工作方法,其特征在于,所述对平衡探测器接收到的拍频信号解调过程具体为:平衡探测器接收到的频率范围为f1到f2且f1<f2的拍频信号直接被数据采集卡转换为数字信号,在数字处理设备中进行拍频信号的检测,数据采集卡的采样速率大于f2的两倍,以满足奈奎斯特采样定律。
5.根据权利要求4所述的工作方法,其特征在于,所述对平衡探测器接收到的拍频信号解调过程具体为:平衡探测器接收到的频率范围为f1到f2且f1<f2的拍频信号,首先与一个固定的中频信号f0进行混频,产生差频信号f1-f0到f2-f0,用带通滤波器取出其差频信号,然后进入数据采集卡,在数字设备中进行拍频信号的检测。
6.根据权利要求5所述的工作方法,其特征在于,所述数据采集卡的采样频率大于差频信号f2-f0的两倍。
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