CN110120835B - 一种外门控单光子探测光时域反射测量方法 - Google Patents

Abstract

一种外门控单光子探测光时域反射测量方法，首先产生周期性脉冲光并注入到被测光路系统中，被测光路系统中产生后向光信号并传送至光开关，由光开关给输入其中的光信号加载强度调制信号进行门控控制，光开关处于导通状态时为门开启状态，光开关处于阻塞状态时为门关闭状态，光开关将门开启时间段内的光信号送出，抑制门关闭时间段内的光信号；随后将光开关输出的光信号转换为电脉冲信号，并对电脉冲信号进行计数，计数的时钟与周期性脉冲光的产生时钟同步，通过外部控制计数时钟与周期性脉冲光的产生时钟同步实现对光开关的外部门控；最后根据得到的各个时钟周期的光子数信息绘制被测光路系统的损耗曲线和反射曲线。

Description

一种外门控单光子探测光时域反射测量方法

技术领域

本发明涉及光量子探测技术领域、光纤传感、激光雷达等技术领域，特别涉及一种使用光开关器件进行外门控的单光子探测光时域反射测量方法。

背景技术

光时域反射系统是一种典型的全分布式光学传感系统，目前已在许多领域得到了广泛应用，如：光缆检测、油气管道监测、高压线路监测、激光雷达等。它的基本工作原理是先向被测光路系统中注入探测脉冲，并通过监测随时间变化的瑞利散射或者反射信号实现对被测光路系统中事件的监测。传统的光时域反射系统采用工作于线性区的光电探测器，受限于探测器的带宽，无法实现远距离、高空间分辨率的探测。

单光子探测型光时域反射系统在20世纪80年代首次被提出，它采用单光子探测器作为光电探测器，在空间分辨率、动态范围和事件灵敏度的性能上更为优异。然而由于单光子探测器具有死时间，即探测到一个光子后需要一段时间恢复才能继续探测下一个光子，因此单位时间内识别的光子数是有限的，即存在饱和计数率。这就意味着对一个给定的单光子探测光时域反射系统，它能统计到的描述被测光路系统信息的光子数是有限的，测试光路越长，单位长度统计到的光子数就越少，而单光子探测器的暗计数噪声不发生变化，使得系统的动态范围也就越小；所以急需一种手段，解决常规单光子探测光时域反射系统中动态范围受单光子探测器饱和计数影响的问题，而目前该问题的解决方案还未见报道。

发明内容

针对上述常规单光子探测光时域反射系统中动态范围受单光子探测器饱和计数影响的问题，本发明提出一种单光子探测光时域反射测量方法，基于光开关器件提出一种外门控控制方法，通过外部控制计数时钟与周期性脉冲光的产生时钟同步实现对光开关的外部门控，把光子计数从整段测量光纤范围集中到外门控范围内，利用增加注入探测光的强度提升门控范围内计数信号的强度，结合门控信号的同步扫描，实现对整段测量光纤的大动态范围测量，突破了常规方案中动态范围受限的瓶颈。

本发明的技术方案为：

一种外门控单光子探测光时域反射测量方法，包括如下步骤：

步骤1、将周期性脉冲光注入到被测光路系统中，在所述被测光路系统中产生后向光信号；

步骤2、将所述被测光路系统产生的后向光信号传送至光开关，由所述光开关给输入其中的光信号加载强度调制信号进行门控控制，所述光开关处于导通状态时为门开启状态，所述光开关处于阻塞状态时为门关闭状态，所述光开关将门开启时间段内的光信号送出，抑制门关闭时间段内的光信号；

步骤3、将所述光开关输出的光信号转换为电脉冲信号，并对电脉冲信号进行计数，计数的时钟与步骤1中的所述周期性脉冲光的产生时钟同步，通过外部控制计数时钟与周期性脉冲光的产生时钟同步实现对光开关的外部门控；

步骤4、根据步骤3得到的各个时钟周期的光子数信息绘制所述被测光路系统的损耗曲线和反射曲线。

具体的，步骤1中利用脉冲激光器产生周期性脉冲光，所述脉冲激光器为固体激光器、气体激光器、半导体激光器或染料激光器中的任何一种，用于产生具有一定脉冲宽度的周期性的探测光。

具体的，利用耦合器或环形器在步骤1中将所述周期性脉冲光注入到所述被测光路系统中，并在步骤2中将所述被测光路系统上产生的后向光信号送入到所述光开关。

具体的，所述耦合器为N×M端口的耦合器，其中N为输入端口数目，M为输出端口数目，N和M均为正整数，且N和M的数量之和不少于三个，同类型端口间具有高隔离度。

具体的，利用信号发生器同步步骤1中所述周期性脉冲光的产生时钟和步骤3中的计数时钟；同时利用信号发生器控制所述光开关的门控控制中的门开启时刻和门开启时间段。

具体的，所述被测光路系统为任意类型的光纤或自由空间光路；所述被测光路系统为光纤时，周期性脉冲光在光纤中产生后向散射光信号和后向反射光信号；所述被测光路系统为自由空间光路时，周期性脉冲光在自由空间光路中产生后向反射光信号。

具体的，所述光开关为各种强度调制器或磁光开关、电光开关、声光开关中的任何一种。

具体的，步骤3中利用单光子探测器将光开关输出的光信号转换为电脉冲信号，所述单光子探测器为半导体雪崩探测器、超导纳米线单光子探测器、基于频率上转换技术的单光子探测器中的任何一种，每探测到一个光子对应输出一个电脉冲。

具体的，步骤4中利用上位机提取计数的时钟周期信息和每个时钟周期对应的光子数信息并绘制被测光路系统损耗曲线和反射曲线；所述上位机具有图形显示窗口，用于显示被测光路系统损耗曲线和反射曲线；所述上位机为单片机、电脑、嵌入式处理平台中的任何一种。

本发明的工作原理为：

周期性脉冲光在被测光路系统中产生后向光信号，利用光开关对被测光路系统产生的后向光信号进行强度调制，实现对后向光信号的门控操作，即只有门内的信号能够被探测到并转换为电脉冲信号，通过控制计数电脉冲信号的计数时钟与周期性脉冲光的产生时钟同步实现对光开关的外部门控，实现同步扫描门信号开启时间，从而完成对被测光路系统地检测，大大提高了系统的动态范围。

本发明的有益效果是：本发明提出外门控结合单光子探测光时域反射测量，通过光开关对被测光路系统中产生的后向光信号进行强度调制，实现对后向信号的门控操作，从而大大的提高系统的动态范围；本发明的方法使用的所有器件，均可来自成熟的光电子器件，有利于系统组装制备和实用化发展；通过本发明提出的方法设计出的外门控单光子探测光时域反射测量系统具有空间分辨率高、灵敏度高、动态范围大、实现简单、成本低、可集成的特点，适用于所有类型的单光子探测器，可在光纤链路性能动态监测、激光雷达等领域得到广泛应用。

附图说明

图1是种能够实现本发明提出的一种外门控单光子探测光时域反射测量方法的测量系统结构图。

图2是硅基半导体单光子雪崩探测器工作在自由模式下的数据结果(灰色曲线)和门宽为40ns时工作在内部门控模式下时输出的结果(黑色曲线)。

图3使用本发明提出的本发明提出的一种外门控单光子探测光时域反射测量方法在门宽为50ns时单个门控的测试结果(黑色曲线)和没有使用门控时的测试结果(灰色曲线)。

图4使用本发明提出的本发明提出的一种外门控单光子探测光时域反射测量方法在门宽为50ns时14个门控扫描的测试结果(黑色曲线)和没有使用门控时的测试结果(灰色曲线)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明提出一种外门控单光子探测光时域反射测量方法，如图1所示是一种能够实现本发明的测量方法的测量系统，图1中虚线表示电信号，实线表示光信号，本实施例中使用的器件可以全部来自成熟的光电子器件。被测光路系统可以为任意类型的光纤或自由空间光路，包括单模光纤、多模光纤、卫星光通信链路等。通常被测光路系统为光纤时，周期性脉冲光在光纤中会产生后向散射光信号和后向反射光信号；被测光路系统为自由空间光路时，周期性脉冲光在自由空间光路中主要产生后向反射光信号。以被测光路系统为光纤链路的具体实施方案为例，测量系统包括脉冲激光器1、定向耦合器2、被测光纤3、高速光开关4、单光子探测器5、计数器6、上位机7和信号发生器8。

脉冲激光器1用于在步骤1中提供持续稳定、周期性的窄脉冲输出作为探测光，包括固体激光器、气体激光器、半导体激光器以及染料激光器中的任何一种商用脉冲激光器，能产生具有一定脉冲宽度的周期性的探测光。本实施例中提供中心波长为850nm、脉冲宽度为675ps、重复频率为1MHz、峰值功率小于1mW的周期性脉冲光。

定向耦合器2用于将脉冲激光器1输出的周期性脉冲光注入到被测光纤3中，同时将被测光纤3上产生的后向散射光信号和后向反射光信号送入到光开关4。本实施例中定向耦合器2采用分光比为50：50的2×2耦合器，工作波长850nm，插损小于0.3dB，回波损耗大于50dB，具有两个输入端口1和2，两个输出口3和4。可将端口1与脉冲激光器1相连，端口3与被测光纤相连，端口2与光开关4相连。优选地，本实施例中定向耦合器2的选取要具有高隔离度，保证脉冲激光器1输出的探测脉冲不会进入到光开关4中。定向耦合器2还可以替换为三端口环形器或者N×M端口的耦合器，其中N为输入端口数目，M为输出端口数目，要求N和M的数量之和不少于三个，且同类型端口间具有高隔离度，用于将脉冲激光器1产生的周期性脉冲光输出到被测光路系统并接收被测光路系统产生的后向光信号。

被测光路系统可以为任意类型的光纤或自由空间光路，本实施例以光纤链路为被测光路系统为例，根据脉冲激光器1的工作波长和重复频率，被测光纤3应选择多模光纤，且光纤长度不大于70m。

光开关包括磁光开关、电光开关、声光开关中的任何一种，也可以是各种强度调制器，如本实施例中用工作波长为850nm、消光比为29dB的铌酸锂强度调制器作为高速光开关4使用，高速光开关4用于对从定向耦合器2传递来的后向散射光信号和后向反射光信号进行强度调制，向输入到高速光开关4中的后向单光子信号加载强度调制信号实现对信号的门控控制，使得只有门开启时间段(即高速光开关4处于导通状态)内的后向单光子信号才被送入到单光子探测器5，而门关闭时间段(即光开关4处于阻塞状态)内的后向单光子信号则被抑制。高速光开关4的消光比越大，对门外信号的抑制作用就越强，本实施例中采用高消光比的光开关。高速光开关4可以根据信号发生器8产生的射频信号控制门控的开启和关闭，根据信号发生器8产生的偏置电压使得高速光开关4工作在最小输出工作点，通过控制门开启时间，可以完成对整个被测光路系统3的扫描。

单光子探测器5用于接收经光开关4门控后的后向光信号，对输入其中的光信号进行检测，将光子转成电脉冲的形式输出，实现单光子水平的探测。单光子探测器5的工作波长应覆盖脉冲激光器1的中心波长。单光子探测器5可以为包括半导体雪崩探测器、超导纳米线单光子探测器、基于频率上转换技术的单光子探测器中的任何一种，每探测到一个光子对应输出一个电脉冲。本实施例中单光子探测器5选择工作在自由模式的硅基半导体单光子雪崩探测器，对830nm的光的探测效率可以达到50％，探测到一个光子后的死时间为20ns，输出TTL类型的电脉冲表征探测到的光子。

同时，该探测器也支持在输入射频信号的控制下工作在内部门控模式，即直接对单光子探测器进行关断和开启的操作。在理想情况下，内部模式也可以用于门控单光子探测光时域反射测量系统。但是，由于单光子探测器电子学电路，会在门控开启时刻产生大量的电脉冲输出，采用计数器6和上位机7接收并处理门模式时的硅基半导体单光子雪崩探测器输出，当门宽为40ns时可得如图2所示的测试结果，其中，上升沿处有很尖锐的尖峰，使得无法使用内门控方法来提升单光子探测光时域反射测量的动态范围。

而本申请中提出外门控的控制方式，不是直接用光开关的射频信号直接对单光子探测器进行关断和开启的操作，而是通过外部控制同步周期性脉冲光的产生时钟和对单光子探测器产生的电脉冲信号的技术时钟实现对光开关的外部门控，不会出现图2所示的内门控中出现的异常计数峰值。值得指出，门控方式在信号处理技术中用来降低噪声，提升信噪比和动态范围。而本发明涉及光时域反射测量领域，由于探测系统需要一直开启，门控方案降低噪声的方案无法直接使用。本发明通过使用外门控方案结合探测信号增强，来提升信号的强度，进而突破了传统方案的动态范围瓶颈，最终实现一种具有空间分辨率高、灵敏度高、动态范围大、实现简单、成本低、可集成等特点的外门控单光子探测光时域反射测量方法。

计数器6用于统计不同时刻单光子探测器5输出的电脉冲的个数，并保存在内存中。计数器6拥有一个时钟同步端口与信号发生器8的时钟同步，同时接收单光子探测器5输出的电脉冲信号，按时间顺序统计不同时刻的脉冲个数，统计结果可以保存并输出。比如采用时间分辨率为25ps的时间相关单光子计数器，通过信号发生器8与脉冲激光器1进行时钟同步，则一个时钟周期被分割成40000个25ps的时间块，通过累积不同时间块内接收到的电脉冲数，存储在内存中最后传递给上位机7进行数据处理和结果显示。

上位机7用于提取计数器6中的时间信息和光子数信息，完成被测光路系统3损耗和反射曲线的绘制，可以为包括单片机、电脑、嵌入式处理平台中任何一种，具有图形显示窗口。比如台式计算机通过PCIE数据总线获取计数器6中存储的光子数信息，并通过软件设计进行数据处理和分析，包括滤波、去噪、事件定位，将结果在显示器中输出显示。

信号发生器8可以同步外部时钟，或者直接输出内部时钟，用于保证系统中各模块间具有相同的时钟，同时控制光开关4的开启时刻和时长。信号发生器8至少具有4个输出通道，通道一用于输出时钟同步信息到脉冲激光器1、通道二用于输出时钟同步信息到计数器6、通道三用于控制高速光开关4的开启时刻、通道四用于控制高速光开关4的开启时间。脉冲激光器1输出时钟控制信号发生器8产生信号，信号发生器8输出信号到高速光开关4来实现门控，同时信号发生器8再输出一路信号同步计数器6与脉冲激光器1的时钟。比如本实施例中信号发生器8输出1MHz的时钟频率到脉冲激光器1和计数器6使得二者具有相同的时钟频率和周期；输出偏置电压控制高速光开关4使用的铌酸锂调制器使其工作在最小输出工作点；输出射频信号控制高速光开关4使用的铌酸锂调制器使其完成对输入信号的门控。

下面结合附图的实验结果说明本发明的效果，选取一段40米长的测试光纤，由两段各20米长的多模光纤通过连接器连接而成。先设置铌酸锂强度调制器的偏置电压和射频信号，在30s的测试时间后，测试结果如图3中的灰色曲线所示；然后设置铌酸锂调制器使其工作在最小输出工作点，并加入一个门宽为50ns的射频信号，经过30s的测试时间后，测试结果如图3中的黑色曲线所示。对比两条曲线可发现，没有出现图2中所示的异常计数峰值。

选区一段70米长的测试光纤，由一段20米长的多模光纤和一段50米长的多模光纤通过连接器连接而成。先设置铌酸锂强度调制器的偏置电压和射频信号，在7min的测试时间后，测试结果如图4中的灰色曲线所示；然后设置铌酸锂调制器使其工作在最小输出工作点，并加入一个门宽为50ns的射频信号；通过调整门信号的延时，扫描整段光纤。当折射率为1.5时，50ns对应光纤长度为5米，所以需要移动门信号14次才可以完成对全部光纤的检测。为了使测试时间相同，单个门控测试时间为30s，测试结果如图4中的黑色曲线所示。对比两条曲线可以发现，外门控的方式使得动态范围得到了提升约11dB。

综上所述，本发明提出了一种外门控单光子探测光时域反射测量方法，利用高速光开关对待测光路系统产生的后向光信号进行强度调制，实现对后向信号的门控操作，即只有门控信号开启时间内的信号能被单光子探测器探测到，大大的提高了系统的动态范围，最终通过扫描门信号开启时间从而完成对被测光路系统地检测，具有空间分辨率高、灵敏度高、动态范围大、实现简单、成本低、可集成的特点，适用于所有类型的单光子探测器，可在光纤链路性能动态监测、激光雷达等领域得到广泛应用；本发明使用的单光子探测器工作在雪崩区，不会受限与受限于探测器的带宽，可以实现远距离、高空间分辨率的探测。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此而限制本专利的范围，凡是利用本发明书和附图内容所做的等效结构和方法，均同理包含在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种外门控单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将周期性脉冲光注入到被测光路系统中，在所述被测光路系统中产生后向光信号；

步骤2、将所述被测光路系统产生的后向光信号传送至光开关，由所述光开关给输入其中的光信号加载强度调制信号进行门控控制，所述光开关处于导通状态时为门开启状态，所述光开关处于阻塞状态时为门关闭状态，所述光开关将门开启时间段内的光信号送出，抑制门关闭时间段内的光信号；

步骤3、利用单光子探测器将所述光开关输出的光信号转换为电脉冲信号，并对电脉冲信号进行计数，计数的时钟与步骤1中的所述周期性脉冲光的产生时钟同步，通过外部控制计数时钟与周期性脉冲光的产生时钟同步实现对光开关的外部门控；

步骤4、根据步骤3得到的各个时钟周期的光子数信息绘制所述被测光路系统的损耗曲线和反射曲线。

2.根据权利要求1所述的外门控单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，步骤1中利用脉冲激光器产生周期性脉冲光，所述脉冲激光器为固体激光器、气体激光器、半导体激光器或染料激光器中的任何一种，用于产生具有一定脉冲宽度的周期性的探测光。

3.根据权利要求1或2所述的外门控单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，利用耦合器或环形器在步骤1中将所述周期性脉冲光注入到所述被测光路系统中，并在步骤2中将所述被测光路系统上产生的后向光信号送入到所述光开关。

4.根据权利要求3所述的外门控单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，所述耦合器为N×M端口的耦合器，其中N为输入端口数目，M为输出端口数目，N和M均为2，同类型端口间具有高隔离度。

5.根据权利要求1、2或4所述的外门控单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，利用信号发生器同步步骤1中所述周期性脉冲光的产生时钟和步骤3中的计数时钟；同时利用信号发生器控制所述光开关的门控控制中的门开启时刻和门开启时间段。

6.根据权利要求1所述的外门控单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，所述被测光路系统为任意类型的光纤或自由空间光路；所述被测光路系统为光纤时，周期性脉冲光在光纤中产生后向散射光信号和后向反射光信号；所述被测光路系统为自由空间光路时，周期性脉冲光在自由空间光路中产生后向反射光信号。

7.根据权利要求1所述的外门控单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，所述光开关为各种强度调制器或磁光开关、电光开关、声光开关中的任何一种。

8.根据权利要求1所述的外门控单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，所述单光子探测器为半导体雪崩探测器、超导纳米线单光子探测器、基于频率上转换技术的单光子探测器中的任何一种，每探测到一个光子对应输出一个电脉冲。

9.根据权利要求1所述的外门控单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，步骤4中利用上位机提取计数的时钟周期信息和每个时钟周期对应的光子数信息并绘制被测光路系统损耗曲线和反射曲线；所述上位机具有图形显示窗口，用于显示被测光路系统损耗曲线和反射曲线；所述上位机为单片机、电脑、嵌入式处理平台中的任何一种。

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