CN109802721B - 基于物理随机码相关探测的otdr装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式光纤定位系统，具体是一种基于物理随机码相关探测的OTDR装置及测量方法，解决了传统OTDR系统动态范围和空间分辨率无法同时提高的矛盾。本发明装置包括物理随机码发生器、微波放大器、DFB激光器、电光相位调制器、光隔离器、第一光放大器、1×2光纤耦合器、可变光延迟线、第一光电探测器、示波器、待测光纤、光环形器、第二光放大器、第二光电探测器、计算机。本发明系统结构简单，操作方便，成本低，空间分辨率由物理随机码的码宽决定，不仅避免了混沌激光信号弱周期的存在而导致空间分辨率恶化的问题，对高空间分辨率获取的调节也非常方便。

Description

基于物理随机码相关探测的OTDR装置及测量方法

技术领域

本发明应用于光纤检测领域，涉及分布式光纤定位系统，具体为一种基于物理随机码相关探测的OTDR装置及测量方法，能够实现长距离、高空间分辨率的断点或损耗测量。

背景技术

目前，光纤主要被用在通信领域，而作为物理层传输媒介，光纤的传输特性对通信距离、信息容量及传输速度起着决定性作用。随着现代社会对光纤通信技术越来越依赖，因光纤光缆故障而造成大量损失的事件也频频发生。所以，如何快速准确地找到光纤光缆中故障的具体位置及衰减信息，在光通信网络的生产、施工、测试、维护及抢修过程中具有极其重要意义。光时域反射仪（OTDR）是目前最重要也是应用最广的一种测量光纤的仪器。OTDR能够提供光纤的衰减和事件分布，包括光纤断裂、弯曲、熔接点、连接头等引起的损耗。在光纤通信应用中，光时域反射仪主要应用于光纤光缆的生产、光纤通信网的铺设以及光通信网运行状态的监测和维护。

传统的 OTDR 利用了脉冲激光作为光源，虽然结构简单，方法成熟，但其无法在提高测量的空间分辨率的同时增大动态范围。提高系统空间分辨率，需要减小脉宽，但会降低脉冲能量，降低了测量距离；增大系统动态范围，可以提高脉冲功率或增加脉冲宽度，而过高的脉冲光功率会导致光纤结构的不可逆损伤，增加脉宽又会降低测量的空间分辨率。为了解决此问题，研究人员提出了不同的解决方案。

一、光子计数光时域反射测量技术：该技术的关键在于光子计数，它是单脉冲光时域反射测量技术的数字形式。这一技术中，单光子雪崩二极管是最重要的部件。光子计数光时域反射技术，具有动态范围宽、响应速度快和分辨率高等优点。但对系统中雪崩光电二极管的冷却会增加光时域反射仪的成本以及体积，同时该技术测量时间过长，且测量数据需要进行修正，这也使得它不适用于实时测量。

二、相干光时域反射测量技术：基于光频外差检测原理，利用了光外差探测方法，具有的微弱信号探测能力。作为探测信号的光被分为两束，一束经声光调制器（AOM）后其频率被改变。这一光信号进入光纤后向散射光信号回到输入端并与另一束光通过耦合器混合，合成之后的光信号被光电探测器探测。该方法一定程度上提高了光时域反射仪的测量动态范围，但其没有能够获得实用化主要原因有两个：一个是器件成本高，另一个是光纤引起的相干瑞利噪声会给测量带来较大误差。

三、编码光时域反射测量技术：光接收机接收到的回波信号与延迟后的参考信号做互相关运算便获得了断点位置和衰减信息。这种方法用编码光脉冲序列代替了传统OTDR 中的周期性单脉冲，这样不仅有效提高了回波的光强，同时也增大了动态范围，并且在可测量范围内保持了不变的测量精度。采用伪随机码调制的光脉冲以及基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪及其实现方法（中国发明专利：CN201710295503X），能较好的解决分辨率与动态范围无法同时提高的矛盾，可大大提高光时域反射的动态范围及分辨率（EP0269448、JP9026376）。然而，无论是伪随机码还是格雷码，均由于码长限制存在模糊周期性，限制了系统的动态范围。用于使用多分辨率码序列的光时域反射计的系统和方法（中国发明专利，CN2008801007284），采用预定义的互补码序列集合的一个或多个子集可以作为OTDR信号被传送，以提供多分辨率能力，这种OTDR的装置大大增加了系统结构的复杂性，增加了成本。

四、混沌光时域反射测量技术：基于连续混沌激光的光时域反射测量方法实现了与距离无关的高测量精度，但是，仅能够测量得到光纤链路中故障点（断点、裂缝、接头等）信息，无法实现光纤衰减的测量（中国发明专利：CN2008100447378，CN2011102291826）。最近，一种高精度混沌光时域反射仪被提出（中国发明专利，CN2018103665630，CN2018103660548），其主要对探测光反射回来的信号进行了有效位信息处理，以提高空间分辨率，但这种装置可实现的最大带宽受模数转换器采样速率限制。

上述四种方法在一定程度上均对传统OTDR进行了改进，但这些方法都在一定程度上加大了测量系统的复杂性，限制和制约了该项技术的广泛应用。

因此，发明一种空间分辨率高，动态范围大，结构简单的光时域反射技术具有非常重要的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种基于物理随机码相关探测的OTDR装置及测量方法，用于解决传统OTDR空间分辨率及测量距离无法同时提高的缺陷，以及改进后的几种方法系统复杂的缺陷，设计出一种空间分辨率高、动态范围大，并且结构简单的物理随机码相关探测的OTDR装置及测量方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于物理随机码相关探测的OTDR装置，包括：物理随机码发生器、微波放大器、DFB激光器、电光相位调制器、光隔离器、第一光放大器、1×2光纤耦合器、可变光延迟线、第一光电探测器、示波器、待测光纤、光环形器、第二光放大器、第二光电探测器、计算机。

其中，所述物理随机码发生器的出射端与微波放大器的入射端连接；所述微波放大器的出射端通过高频同轴电缆与电光相位调制器的射频输入端连接；所述DFB激光器的出射端与电光相位调制器的光纤输入端连接；所述电光相位调制器的光纤出射端与光隔离器的入射端连接；所述光隔离器的出射端与第一光放大器的入射端连接；所述第一光放大器的出射端与1×2光纤耦合器的入射端连接。

所述1×2光纤耦合器的第一个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线的入射端连接；所述可变光延迟线的出射端与第一光电探测器的入射端连接；所述第一光电探测器的出射端通过单模光纤跳线与示波器第一信号输入端连接。

所述1×2光纤耦合器的第二个出射端通过单模光纤跳线与光环行器的入射端连接；所述光环行器的反射端通过单模光纤跳线与待测光纤的入射端连接；所述光环行器的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器的入射端连接；所述第二光放大器的出射端与第二光电探测器的入射端连接；所述第二光电探测器的出射端通过单模光纤跳线与示波器第二信号输入端连接。

所述示波器的出射端与计算机信号入射端连接。

一种基于物理随机码相关探测的测量方法，在上述OTDR装置中实现，是采用如下步骤实现的：

DFB激光器输出窄线宽单频连续激光，并入射到电光相位调制器；物理随机码发生器通过自治布尔网络结构产生高、低二进制电平的真随机码信号，并将此信号输入到微波放大器的RF输入端，微波放大器对物理随机码进行电放大，达到所需电压；通过微波放大器放大的物理随机码从微波放大器的RF输出端入射到电光相位调制器射频输入端，对输入激光进行相位调制；经物理随机码相位调制后的激光从电光相位调制器的输出口入射到光隔离器；光隔离器用于对电光相位调制器的输出光信号单向准直输出给第一光放大器的入射端；第一光放大器对所接收的光信号进行功率放大，然后入射到1×2光纤耦合器。

1×2光纤耦合器将入射光信号分成两路，一路作为参考光，入射到可变光延迟线；可变光延迟线用于补偿参考信号与探测信号的相对延迟，定标零点；可变光延迟线的输出端连接第一光电探测器，经过第一光电探测器将光信号转换为电信号入射到示波器采集时序；另一路作为探测光入射到光环行器的入射端，光环行器将光信号从入射端口单向输出给反射端口，与待测光纤的入射端连接，待测光纤断点反射光信号通过光环行器的反射端单向输入给光环行器的出射端；反射光从光环行器出射端入射到第二光放大器进行光功率放大；通过第二光放大器的光信号由第二光电探测器将光信号转换为电信号入射到示波器采集时序；示波器对第一光电探测器和第二光电探测器输入的时序同时进行采集；将采集到的数据输入到计算机中，通过对参考光和反射光进行互相关，就可以得到光纤断点或损耗信息。

上述物理随机码发生器产生的是一种基于自治布尔网络的宽带混沌振荡器，利用该装置可产生速率高达10Gbit/s的高、低二进制电平的真随机码信号，NIST测试结果表明所产生的物理随机数具有良好的随机统计特性；所述待测光纤是G652单模光纤或G655单模光纤。

与现有的光时域反射技术相比，本发明所述的基于物理随机码相关探测的OTDR装置及测量方法具有如下优点：

1、与光子计数光时域反射技术相比，由于光子计数光时域反射技术系统中雪崩光电二极管是其重要部件，对雪崩光电二极管的冷却会增加光时域反射仪的成本以及体积，同时该技术测量时间过长，且测量数据需要进行修正，这也使得它不适用于实时测量。本发明使用第二光放大器，将反射回来的信号进行放大，利用普通光电探测器即可检测信号。不仅降低了成本，测量速度更快，且空间分辨率不受雪崩光电二极管带宽限制。

2、与相干光时域反射技术相比，器件成本低，不会因为光纤引起的相干瑞利噪声而给测量带来较大误差。

3、与现有的编码光时域反射测量技术相比，目前用来调制激光器的编码技术通常使用伪随机码或格雷码，与传统单脉冲 OTDR 相比，能较好的解决分辨率与动态范围无法同时提高的矛盾。然而，无论是伪随机码还是格雷码，均由于码长限制存在模糊周期性，限制了系统的动态范围。用于使用多分辨率码序列的光时域反射计的系统和方法，这种OTDR的装置大大增加了系统结构的复杂性，增加了成本，且动态范围受限。本发明采用的物理随机码无码长，无周期性，测量范围不受码长限制，可大大提高系统的动态范围；基于自治布尔网络的物理随机码发生器码率可达10Gbit/s，对应OTDR分辨率可达1cm；且本系统结构简单，成本低。

4、与混沌光时域反射测量技术相比，混沌激光通常是由光注入、光反馈扰动半导体激光器产生，这样产生的混沌信号中会含有光注入、光反馈引入的周期信号，破坏了混沌信号的低相干态，使其空间分辨率恶化。而且，光注入、光反馈联合扰动半导体激光器构成的混沌激光源，产生光谱可调、相干长度可控的混沌激光信号，需配合调节多个参数，光源结构和实现过程复杂、费时，成本较高。

本发明设计合理，系统结构简单，操作方便，成本低，空间分辨率由物理随机码的码宽决定，不仅避免了混沌激光信号弱周期的存在而导致空间分辨率恶化的问题，对高空间分辨率获取的调节也非常方便，具有很好的实际应用及推广价值。

附图说明

图1表示本发明所述的基于物理随机码相关探测的OTDR装置的结构示意图。

图中：1-物理随机码发生器，2-微波放大器，3-DFB激光器，4-电光相位调制器，5-光隔离器，6-第一光放大器，7-1×2光纤耦合器、8-可变光延迟线，9-第一光电探测器，10-示波器，11-待测光纤，12-光环形器，13-第二光放大器，14-第二光电探测器，15-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

如图1所示，一种基于物理随机码相关探测的OTDR装置，包括物理随机码发生器1、微波放大器2、DFB激光器3、电光相位调制器4、光隔离器5、第一光放大器6、1×2光纤耦合器7、可变光延迟线8、第一光电探测器9、示波器10、待测光纤11、光环形器12、第二光放大器13、第二光电探测器14、计算机15。

其中，物理随机码发生器1的出射端与微波放大器2的入射端连接；微波放大器2的出射端通过高频同轴电缆与电光相位调制器4的射频输入端连接；DFB激光器3的出射端与电光相位调制器4的光纤输入端连接；电光相位调制器4的光纤出射端与光隔离器5的入射端连接；光隔离器5的出射端与第一光放大器6的入射端连接；第一光放大器6的出射端与1×2光纤耦合器7的入射端连接。

1×2光纤耦合器7的第一个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线8的入射端连接；可变光延迟线8的出射端与第一光电探测器9的入射端连接；第一光电探测器9的出射端通过单模光纤跳线与示波器10第一信号输入端连接。

1×2光纤耦合器7的第二个出射端通过单模光纤跳线与光环行器12的入射端连接；光环行器12的反射端通过单模光纤跳线与待测光纤11的入射端连接；光环行器12的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器13的入射端连接；第二光放大器13的出射端与第二光电探测器14的入射端连接；第二光电探测器14的出射端通过单模光纤跳线与示波器10第二信号输入端连接。

示波器10的出射端与计算机15信号入射端连接。

一种基于物理随机码相关探测的测量方法，解决了传统OTDR系统动态范围和空间分辨率无法同时提高的矛盾，该方法在上述OTDR装置中实现，具体是采用如下步骤实现的：

DFB激光器3输出窄线宽单频连续激光，并入射到电光相位调制器4；物理随机码发生器1通过自治布尔网络结构产生高、低二进制电平的真随机码信号，并将此信号输入到微波放大器2的RF输入端，微波放大器2对物理随机码进行电放大，达到所需电压；通过微波放大器2放大的物理随机码从微波放大器2的RF输出端入射到电光相位调制器4射频输入端，对输入激光进行相位调制；经物理随机码相位调制后的激光从电光相位调制器4的输出口入射到光隔离器5；光隔离器5用于对电光相位调制器4的输出光信号单向准直输出给第一光放大器6的入射端；第一光放大器6对所接收的光信号进行功率放大，然后入射到1x2光纤耦合器7。

1×2光纤耦合器7将入射光信号分成两路，一路作为参考光，入射到可变光延迟线8；可变光延迟线8用于补偿参考信号与探测信号的相对延迟，定标零点；可变光延迟线8的输出端连接第一光电探测器9，经过第一光电探测器9将光信号转换为电信号入射到示波器10采集时序；另一路作为探测光入射到光环行器12的入射端，光环行器12将光信号从入射端口单向输出给反射端口，与待测光纤11的入射端连接，待测光纤断点反射光信号通过光环行器12的反射端单向输入给光环行器12的出射端；反射光从光环行器12出射端入射到第二光放大器13进行光功率放大；通过第二光放大器13的光信号由第二光电探测器14将光信号转换为电信号入射到示波器10采集时序；示波器10对第一光电探测器9和第二光电探测器14输入的时序同时进行采集；将采集到的数据输入到计算机15中，通过对参考光和反射光进行互相关，就可以得到光纤断点或损耗信息。

上述物理随机码发生器产生的是基于自治布尔网络的宽带混沌振荡器，利用该装置可产生速率高达10Gbit/s的高、低二进制电平的真随机码信号，NIST测试结果表明所产生的物理随机数具有良好的随机统计特性，无周期性。

具体实施时，物理随机码发生器1码率为10Gbit/s；微波放大器2可采用20G微波放大器；DFB激光器3的中心波长为1550nm；第一光放大器6和第二光放大器13均采用普通掺铒光纤放大器；1×2光纤耦合器7的耦合比为90:10；第一光电探测器9和第二光电探测器14均采用Newport 1544-B型光电探测器；待测光纤11采用G652单模光纤或G655单模光纤。

以上所述仅是对本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施实例所做的任何简单修改、等同变化，均属本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于物理随机码相关探测的OTDR装置，其特征在于：包括物理随机码发生器（1）、微波放大器（2）、DFB激光器（3）、电光相位调制器（4）、光隔离器（5）、第一光放大器（6）、1×2光纤耦合器（7）、可变光延迟线（8）、第一光电探测器（9）、示波器（10）、待测光纤（11）、光环行 器（12）、第二光放大器（13）、第二光电探测器（14）、计算机（15）；

其中，所述物理随机码发生器（1）的出射端与微波放大器（2）的入射端连接；所述微波放大器（2）的出射端通过高频同轴电缆与电光相位调制器（4）的射频输入端连接；所述DFB激光器（3）的出射端与电光相位调制器（4）的光纤输入端连接；所述电光相位调制器（4）的光纤出射端与光隔离器（5）的入射端连接；所述光隔离器（5）的出射端与第一光放大器（6）的入射端连接；所述第一光放大器（6）的出射端与1x2光纤耦合器（7）的入射端连接；

所述1×2光纤耦合器（7）的第一个出射端通过单模光纤跳线与可变光延迟线（8）的入射端连接；所述可变光延迟线（8）的出射端与第一光电探测器（9）的入射端连接；所述第一光电探测器（9）的出射端通过单模光纤跳线与示波器（10）第一信号输入端连接；

所述1×2光纤耦合器（7）的第二个出射端通过单模光纤跳线与光环行器（12）的入射端连接；所述光环行器（12）的反射端通过单模光纤跳线与待测光纤（11）的入射端连接；所述光环行器（12）的出射端通过单模光纤跳线与第二光放大器（13）的入射端连接；所述第二光放大器（13）的出射端与第二光电探测器（14）的入射端连接；所述第二光电探测器（14）的出射端通过单模光纤跳线与示波器（10）第二信号输入端连接；

所述示波器（10）的出射端与计算机（15）信号入射端连接；

所述物理随机码发生器（1）产生速率高达10Gbit/s的高、低二进制电平的真随机码信号；所述微波放大器（2）采用20G微波放大器；所述DFB激光器（3）的中心波长为1550nm；所述第一光放大器（6）和第二光放大器（13）均采用普通掺铒光纤放大器；所述1×2光纤耦合器（7）的耦合比为90:10；所述第一光电探测器（9）和第二光电探测器（14）均采用Newport1544-B型光电探测器；所述待测光纤（11）采用G652单模光纤或G655单模光纤；

上述装置实现如下方法：

DFB激光器（3）输出窄线宽单频连续激光，并入射到电光相位调制器（4）；物理随机码发生器（1）通过自治布尔网络结构产生高、低二进制电平的真随机码信号，并将此信号输入到微波放大器（2）的RF输入端，微波放大器（2）对物理随机码进行电放大，达到所需电压；通过微波放大器（2）放大的物理随机码从微波放大器（2）的RF输出端入射到电光相位调制器（4）射频输入端，对输入激光进行相位调制；经物理随机码相位调制后的激光从电光相位调制器（4）的输出口入射到光隔离器（5）；光隔离器（5）用于对电光相位调制器（4）的输出光信号单向准直输出给第一光放大器（6）的入射端；第一光放大器（6）对所接收的光信号进行功率放大，然后入射到1×2光纤耦合器（7）；

1×2光纤耦合器（7）将入射光信号分成两路，一路作为参考光，入射到可变光延迟线（8）；可变光延迟线（8）用于补偿参考信号与探测信号的相对延迟，定标零点；可变光延迟线（8）的输出端连接第一光电探测器（9），经过第一光电探测器（9）将光信号转换为电信号入射到示波器（10）采集时序；另一路作为探测光入射到光环行器（12）的入射端，光环行器（12）将光信号从入射端口单向输出给反射端口，与待测光纤（11）的入射端连接，待测光纤断点反射光信号通过光环行器（12）的反射端单向输入给光环行器（12）的出射端；反射光从光环行器（12）出射端入射到第二光放大器（13）进行光功率放大；通过第二光放大器（13）的光信号由第二光电探测器（14）将光信号转换为电信号入射到示波器（10）采集时序；示波器（10）对第一光电探测器（9）和第二光电探测器（14）输入的时序同时进行采集；将采集到的数据输入到计算机（15）中，通过对参考光和反射光进行互相关，得到光纤断点或损耗信息。

Images