CN108344558B - 一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光时域反射仪检测技术领域，提供了一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统及方法。其中方法包括生成线性调频信号和时钟同步脉冲，并分别发送给调制器和光开关；调制器根据所述线性调频信号，调制光源发出的连续光信号，生成连续线性调频光信号；光开关将所述连续线性调频光信号截成指定时间长度的线性调频光信号，并通过环形器输入到传输光纤中；对接收到的数字信号进行分数阶傅里叶变换并得到探测结果。本发明通过利用线性调频信号经过分数阶傅里叶变换后有较好的聚集性，而噪声和非线性调频信号经过分数阶傅里叶变换后不会发生聚集这个特点，提取出线性调频信号，从而提升OTDR的探测灵敏度和动态范围。

Description

一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统及方法

【技术领域】

本发明涉及光时域反射仪检测技术领域，特别是涉及一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统及方法。

【背景技术】

光时域反射仪是根据光的背向散射与反射原理制作，利用光在光纤中传输时产生的后向散射光来获取衰减信息，可用于测量光纤衰减、接头损耗、光纤故障点定位，以及了解光纤沿长度的损耗分布情况等。由于光纤材料密度不均匀、掺杂成分不均匀以及光纤本身的缺陷，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射。其中一部分的散射和反射光就会返回到光时域反射仪中，返回的有用信息由光时域反射仪的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。通过测量发射信号到返回信号所用的时间，以及确定光在光纤的速度，就可以计算出对应的距离。

随着光纤放大器的引入及光纤损耗的降低，光纤传输距离不断增加，探测器探测的信号非常微弱，要求探测器具有更高的灵敏度和更大的动态范围。为了解决探测器信号微弱的问题，传统方法一是重复采样取平均来提高探测灵敏度，二是增加发射信号的能量。前者，重复采样可以提高测量的动态范围，但要耗费更多的时间。后者由于激光器的功率有限，要提高入射信号的能量，只能增加发射信号的脉宽，但这又会降低距离分辨率。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是为了解决探测器信号微弱的问题，传统方法一是重复采样取平均来提高探测灵敏度，二是增加发射信号的能量。前者，重复采样可以提高测量的动态范围，但要耗费更多的时间。后者由于激光器的功率有限，要提高入射信号的能量，只能增加发射信号的脉宽，但这又会降低距离分辨率。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统，包括OTDR光源1，用于发出连续光信号；环形器5，用于将用于检测的光信号输入到传输光纤中，并将后向散射信号输入到反射信号接收单元6中；反射信号接收单元6，用于接收来自传输光纤的后向散射信号，并转化为数字信号，还包括调制信号发生器4、调制器2、光开关3和数字信号处理单元7，其中，调制信号发生器4分别连接所述调制器2的第二输入口和光开关3的第二输入口，所述OTDR光源1连接所述调制器2的第一输入口，所述调制器2的第一输出口连接光开关3的第一输入口，所述光开关3的第一输出口连接所述环形器5的第一输入口，所述环形器5的第二输出口连接被测的传输光纤，所述环形器5的第三输出口串联所述反射信号接收单元6后与数字信号处理单元7 相连，具体的：

所述调制信号发生器4，用于产生线性调频信号以及时钟同步脉冲；

所述调制器2，用于将线性调频信号调制到连续光信号上，生成连续线性调频光信号；

所述光开关3，用于将连续的线性调频光信号截成指定时间长度的线性调频光信号；

所述数字信号处理单元7，用于对接收到的数字信号进行分数阶傅里叶变换，提取出线性调频信号得到探测结果。

优选的，调制信号发生器4的线性调频信号根据以下公式生成：

s(t)＝A*rect(t/τ)cos(2π(f₀t+μt²/2))

其中，A为脉冲幅度,τ线性调频信号的长度，f₀为中心频率，μ为调频斜率。

优选的，所述数字信号处理单元7中分数阶傅里叶变换根据以下公式实现：

其中，x(t)为反射信号接收单元6接收到的信号，X_p(u)为经过分数阶傅里叶变换后的信号，p为分数阶傅里叶变换的阶数，并且有α＝pπ/2。

优选的，所述调制器2为强度调制器2或者线性调制器2。

优选的，所述光开关3具体为强度调制器2。

第二方面，本发明还提供了一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测方法，方法包括：

调制信号发生器4生成线性调频信号和时钟同步脉冲，并分别发送给调制器2和光开关3；

调制器2根据所述线性调频信号，调制光源发出的连续光信号，生成连续线性调频光信号；

光开关3将所述连续线性调频光信号截成指定时间长度的线性调频光信号，并通过环形器5输入到传输光纤中；

通过环形器5接收来自传输光纤的后向散射光，将所述后向散射光转化为数字信号；对接收到的数字信号进行分数阶傅里叶变换并得到探测结果。

优选的，调制信号发生器4的线性调频信号根据以下公式生成：

s(t)＝A*rect(t/τ)cos(2π(f₀t+μt²/2))

其中，A为脉冲幅度,τ线性调频信号的长度，f₀为中心频率，μ为调频斜率。

优选的，所述数字信号处理单元7中分数阶傅里叶变换根据以下公式实现：

其中，x(t)为接收到的输光纤的后向散射光信号，X_p(u)为经过分数阶傅里叶变换后的信号，p为分数阶傅里叶变换的阶数，并且有α＝pπ/2。

优选的，其特征在于，所述对接收到的数字信号进行分数阶傅里叶变换并得到探测结果，具体包括：

在数字信号处理单元中通过分数阶傅里叶变换从背散信号中提取出线性调频信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过利用线性调频信号经过分数阶傅里叶变换后有较好的聚集性，而噪声和非线性调频信号经过分数阶傅里叶变换后不会发生聚集这个特点，因此可以在背散信号中通过分数阶傅里叶变换将线性调频信号和噪声分开，提取出线性调频信号，从而提升OTDR的探测灵敏度和动态范围。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统架构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种经过调制信号发生器调制的线性调频信号波形示意图；

图3是本发明实施例提供的不同信号经 过分数阶傅里叶变换后的分布示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于线性调频信号的高动态范围OTDR的检测装置示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，例如“第二进/出光口”表明该端口既可以进光也可以出光。而对于符号“A和/或B”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“A”、“B”、“A和B”三种情况，例如“后向散射光和/或反射光”，则表明其可以表达单独的“后向散射光”，单独的“反射光”，以及“后向散射光和反射光”三种含义中的任意之一。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例提供了一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统，如图1所示，包括OTDR光源1，用于发出连续光信号；环形器5，用于将用于检测的光信号输入到传输光纤中，并将后向散射信号输入到反射信号接收单元6 中；反射信号接收单元6，用于接收来自传输光纤的后向散射信号，并转化为数字信号。

在所述检测系统中还包括调制信号发生器4、调制器2、光开关3和数字信号处理单元7，其中，调制信号发生器4分别连接所述调制器2的第二输入口和光开关3的第二输入口，所述OTDR光源1连接所述调制器2的第一输入口，所述调制器2的第一输出口连接光开关3的第一输入口，所述光开关3的第一输出口连接所述环形器5的第一输入口，所述环形器5的第二输出口连接被测的传输光纤，所述环形器5的第三输出口串联所述反射信号接收单元6后与数字信号处理单元7相连，具体的：

所述调制信号发生器4，用于产生线性调频信号以及时钟同步脉冲；所述调制器2，用于将线性调频信号调制到连续光信号上，生成连续线性调频光信号；所述光开关3，用于将连续的线性调频光信号截成指定时间长度的线性调频光信号；所述数字信号处理单元7，用于对接收到的数字信号进行分数阶傅里叶变换，提取出线性调频信号得到探测结果。

本发明实施例通过利用线性调频信号经过分数阶傅里叶变换后有较好的聚集性，而噪声和非线性调频信号经过分数阶傅里叶变换后不会发生聚集这个特点，因此可以在背散信号中通过分数阶傅里叶变换将线性调频信号和噪声分开，提取出线性调频信号，从而提升OTDR的探测灵敏度和动态范围。如图3所示，为本发明中不同信号经过分数阶傅里叶变换后的分布示意图。

结合本发明实施例，存在一种优选的实现方案，其中，调制信号发生器4 的线性调频信号根据以下公式生成：

s(t)＝A*rect(t/τ)cos(2π(f₀t+μt²/2)) (1)

其中，A为脉冲幅度,τ线性调频信号的长度，f₀为中心频率，μ为调频斜率， t为时间，其中rect(t/τ)在t/τ的绝对值值大于0.5时为0，rect(t/τ)在 t/τ的绝对值值小于0.5时为1。通过公式(1)得到的线性调频信号如图2所示。

结合本发明实施例，存在一种优选的实现方案，其中，所述数字信号处理单元7中分数阶傅里叶变换根据以下公式实现：

其中，x(t)为反射信号接收单元6接收到的信号，X_p(u)为经过分数阶傅里叶变换后的信号，p为分数阶傅里叶变换的阶数,t为时间，u是分数阶变换后其变换域的自变量，α是u轴和t轴的夹角，并且有α＝pπ/2。

在本发明实施例中，所述调制器2为强度调制器2或者线性调制器2。

结合本发明实施例，存在一种优选的实现方案，其中，所述光开关3具体为强度调制器2。

实施例2:

本发明实施例除了提供了如实施例1所述的一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统外，还提供了一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测方法，所述检测方法可以运行于如实施例1所述的检测系统中，如图所示，方法包括：

在步骤201中，调制信号发生器4生成线性调频信号和时钟同步脉冲，并分别发送给调制器2和光开关3；

在步骤202中，调制器2根据所述线性调频信号，调制光源发出的连续光信号，生成连续线性调频光信号；

在步骤203中，光开关3将所述连续线性调频光信号截成指定时间长度的线性调频光信号，并通过环形器5输入到传输光纤中；

在步骤204中，通过环形器5接收来自传输光纤的后向散射光，将所述后向散射光转化为数字信号；对接收到的数字信号进行分数阶傅里叶变换并得到探测结果。

本发明实施例通过利用线性调频信号经过分数阶傅里叶变换后有较好的聚集性，而噪声和非线性调频信号经过分数阶傅里叶变换后不会发生聚集这个特点，因此可以在背散信号中通过分数阶傅里叶变换将线性调频信号和噪声分开，提取出线性调频信号，从而提升OTDR的探测灵敏度和动态范围。

结合本发明实施例，存在一种优选的实现方案，其中，调制信号发生器4 的线性调频信号根据以下公式生成：

s(t)＝A*rect(t/τ)cos(2π(f₀t+μt²/2))

其中，A为脉冲幅度,τ线性调频信号的长度，f₀为中心频率，μ为调频斜率， t为时间，其中rect(t/τ)在t/τ的绝对值值大于0.5时为0，rect(t/τ)在 t/τ的绝对值值小于0.5时为1。

结合本发明实施例，存在一种优选的实现方案，其中，所述数字信号处理单元7中分数阶傅里叶变换根据以下公式实现：

其中，x(t)为反射信号接收单元6接收到的信号，X_p(u)为经过分数阶傅里叶变换后的信号，p为分数阶傅里叶变换的阶数,t为时间，u是分数阶变换后其变换域的自变量，α是u轴和t轴的夹角，并且有α＝pπ/2。

实施例3：

本发明实施例还通过列举各模块具体可采用的产品型号，提供了一种基于实施例1系统架构理论上的可行的实现方案，如图1所示，本发明提出一种基于线性调频信号的高动态范围OTDR的检测装置10，该检测装置包括OTDR光源 1、调制器2、光开关3、调制信号发生器4、环形器5、反射信号接收单元6、数字信号处理单元7。

所述OTDR光源1用于发出连续光信号。

所述调制信号发生器4用于生成线性调频信号和同步脉冲信号，线性调频信号的数学表达式为公式(1)。具体的，该调制信号发生器4可以为任意波形发生器(AWG)，如泰克的AWG70000等。

所述调制器2用于将所述的线性调频信号调制到连续光信号上，生成连续线性调频光信号，具体的，该调制器可以为强度调制器(Mach-Zehnder Modulator，简写为MZM)，如Photline的铌酸锂强度调制器MX-LN-10等。

所述光开关3由于将连续的线性调频光信号截断成一段线性调频光信号，之后将这一段线性调频光信号送入环形器5，具体的，该光开关可以为强度调制器MZM，如EOSPACE的铌酸锂强度调制器等；

所述环形器5用于将所述的一段线性调频光信号输入到传输光纤中以及将背向散射和反射信号耦合到反射信号接收单元中,具体的，该环形器可以为C+L 波段的光环形器，如光迅科技生产的环形器CIR-3-1550-A-025-1-APC。

所述反射信号接收单元6用于接收来自环形器的后向散射信号，并将所得信号转化为数字信号，然后将数字信号送入数字信号处理单元7。具体的，反射信号接收单元可以采用雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，简写为：APD) 来实现，如Thorlabs公司生产的雪崩光电二极管APD110C。

所述数字信号处理单元7用于将接收到的数字信号进行分数阶傅里叶变换，得到并输出探测信号的曲线轨迹。具体的，数字信号处理单元可以采用数字信号处理(DigitalSignal Processing，简写为：DSP)芯片实现，如TI公司生产的DSP芯片C6652。

值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统，包括OTDR光源，用于发出连续光信号；环形器，用于将用于检测的光信号输入到传输光纤中，并将后向散射信号输入到反射信号接收单元中；反射信号接收单元，用于接收来自传输光纤的后向散射信号，并转化为数字信号，其特征在于，还包括调制信号发生器、调制器、光开关和数字信号处理单元，其中，调制信号发生器分别连接所述调制器的第二输入口和光开关的第二输入口，所述OTDR光源连接所述调制器的第一输入口，所述调制器的第一输出口连接光开关的第一输入口，所述光开关的第一输出口连接所述环形器的第一输入口，所述环形器的第二输出口连接被测的传输光纤，所述环形器的第三输出口串联所述反射信号接收单元后与数字信号处理单元相连，具体的：

所述调制信号发生器，用于产生线性调频信号以及时钟同步脉冲；

所述调制器，用于将线性调频信号调制到连续光信号上，生成连续线性调频光信号；

所述光开关，用于将连续的线性调频光信号截成指定时间长度的线性调频光信号；

所述数字信号处理单元，用于对接收到的数字信号进行分数阶傅里叶变换，提取出线性调频信号得到探测结果。

2.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统，其特征在于，调制信号发生器的线性调频信号根据以下公式生成：

s(t)＝A*rect(t/τ)cos(2π(f₀t+μt²/2))

其中，A为脉冲幅度,τ线性调频信号的长度，f₀为中心频率，μ为调频斜率。

3.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统，其特征在于，所述数字信号处理单元中分数阶傅里叶变换根据以下公式实现：

其中，x(t)为反射信号接收单元接收到的信号，X_p(u)为经过分数阶傅里叶变换后的信号，p为分数阶傅里叶变换的阶数，t为时间，u是分数阶变换后其变换域的自变量，α是u轴和t轴的夹角，并且有α＝pπ/2。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统，其特征在于，所述调制器为强度调制器或者线性调制器。

5.根据权利要求1-3任一所述的基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测系统，其特征在于，所述光开关具体为强度调制器。

6.一种基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测方法，其特征在于，OTDR光源连接调制器的第一输入口，用于发出连续光信号，方法包括：

调制信号发生器生成线性调频信号和时钟同步脉冲，并分别发送给调制器和光开关；

调制器根据所述线性调频信号，调制光源发出的连续光信号，生成连续线性调频光信号；

光开关将所述连续线性调频光信号截成指定时间长度的线性调频光信号，并通过环形器输入到传输光纤中；

通过环形器接收来自传输光纤的后向散射光，将所述后向散射光转化为数字信号；对接收到的数字信号进行分数阶傅里叶变换并得到探测结果；

所述对接收到的数字信号进行分数阶傅里叶变换并得到探测结果，具体包括：

在数字信号处理单元中通过分数阶傅里叶变换从背散信号中提取出线性调频信号。

7.根据权利要求6所述的基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测方法，其特征在于，调制信号发生器的线性调频信号根据以下公式生成：

s(t)＝A*rect(t/τ)cos(2π(f₀t+μt²/2))

其中，A为脉冲幅度,τ线性调频信号的长度，f₀为中心频率，μ为调频斜率。

8.根据权利要求6所述的基于线性调频信号的光纤光时域反射仪检测方法，其特征在于，所述数字信号处理单元中分数阶傅里叶变换根据以下公式实现：

其中，x(t)为接收到的输光纤的后向散射光信号，X_p(u)为经过分数阶傅里叶变换后的信号，p为分数阶傅里叶变换的阶数，t为时间，u是分数阶变换后其变换域的自变量，α是u轴和t轴的夹角，并且有α＝pπ/2。

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