CN110702239A - 一种无限散射单光子探测光时域反射测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种无限散射单光子探测光时域反射测量方法，首先将周期性宽脉冲光注入到被测光路系统中并在被测光路系统中产生后向光信号；再将被测光路系统产生的后向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宽脉冲光的产生时钟同步；最后根据每相邻两次计数得到的计数值的差值即可绘制出被测光路系统的损耗和反射曲线。本发明利用无限散射原理实现单光子探测光时域反射测量系统的测量，提出利用相邻两次计数得到的计数值的差值绘制被测光路系统的损耗和反射曲线的方法，测量结果与色散无关且解决了系统分辨率受光源脉冲宽度限制的问题，以宽脉冲光作为探测光源，在实现高空间分辨率时减少了对窄脉冲激光器的需求。

Description

一种无限散射单光子探测光时域反射测量方法
技术领域
本发明属于光量子探测技术领域、光纤传感技术领域，特别涉及一种无限散射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无损的光纤检测系统，目前已在光纤链路检测中得到了广泛应用。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，现有的光子计数光时域反射系统为了获得高空间分辨率，都是以窄脉冲激光器作为光源，系统的分辨率受限于脉冲的宽度，因此在长距离光纤测试过程中，由于色散的影响，使得脉冲光在传输一定距离后展宽，从而无法保持对远距离位置处光纤的高空间分辨率。所以急需一种手段，解决传统单光子探测光时域反射系统中空间分辨率受脉冲展宽影响的问题。
发明内容
针对上述传统单光子探测光时域反射系统在长距离光纤测试过程中，由于色散的影响导致脉冲展宽从而造成空间分辨率受限的问题，本发明提出一种无限散射单光子探测光时域反射测量方法，该方法向待测光路系统中周期性地注入宽脉冲光，再对待测光路系统产生的后向光信号进行处理，通过对相邻时间通道内的光子数做差分运算即可得到对应点的后向信号，进而分析出待测光路的传播情况，具有与色散无关、实现简单、成本低、可集成的特点。
本发明的技术方案为：
一种无限散射单光子探测光时域反射测量方法，包括如下步骤：
步骤一、将周期性宽脉冲光注入到被测光路系统中并在所述被测光路系统中产生后向光信号；
步骤二、将所述被测光路系统产生的后向光信号转换为电脉冲信号，并对电脉冲信号进行计数，计数的时钟与步骤一中的所述周期性宽脉冲光的产生时钟同步；
步骤三、根据步骤二中每相邻两次计数得到的计数值的差值绘制所述被测光路系统的损耗和反射曲线。
具体的，所述步骤三绘制所述被测光路系统的损耗和反射曲线的方法为：建立横坐标为计数序号、纵坐标为相邻两次计数获得计数值的差值的坐标系，每次计数后在所述坐标系上标记对应的点，将各点连接形成所述被测光路系统的损耗和反射曲线；
当处于所述周期性宽脉冲光进入所述被测光路系统的阶段时，在所述坐标系上标记第i次计数对应点的方式为：以第i次计数的序号作为所述第i次计数对应点的横坐标，以为第i次计数获得的计数值减去第i-1次计数获得的计数值的差值作为所述第i次计数对应点的纵坐标；
当处于所述周期性宽脉冲光离开所述被测光路系统的阶段时，在所述坐标系上标记第i次计数对应点的方式为：以第i次计数的序号作为所述第i次计数对应点的横坐标，以为第i-1次计数获得的计数值减去第i次计数获得的计数值的差值作为所述第i次计数对应点的纵坐标；
其中i为大于1的正整数。
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，所述周期性宽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，所述周期性宽脉冲光在自由空间光路中产生后向反射光信号。
具体的，所述步骤一中利用脉冲激光器产生所述周期性宽脉冲光，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。
具体的，所述步骤二中利用单光子探测器将所述被测光路系统产生的后向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，所述步骤一中利用耦合器或环形器将所述周期性宽脉冲光注入到所述被测光路系统中，所述步骤二中利用耦合器或环形器将所述被测光路系统产生的后向光信号送入到所述单光子探测器中；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，所述步骤二中利用计数器接收所述单光子探测器输出的电脉冲信号，按时间顺序统计不同时刻的电脉冲个数并保存。
具体的，所述步骤三中利用上位机根据所述步骤二获得的计数信息绘制所述被测光路系统的损耗和反射曲线，所述上位机为具有图形显示窗口的单片机、电脑、嵌入式处理平台中任何一种。
具体的，所述步骤二中利用信号发生器同步所述步骤一中周期性宽脉冲光的产生时钟和所述步骤二中计数的时钟。
本发明的有益效果为：本发明利用无限散射原理实现单光子探测光时域反射测量系统的测量，提出利用差分运算获取相邻两次计数得到的计数值的差值绘制被测光路系统的损耗和反射曲线的方法，测量结果与色散无关且解决了系统分辨率受光源脉冲宽度限制的问题，以宽脉冲光作为探测光源，在实现高空间分辨率时减少了对窄脉冲激光器的需求；具有实现简单、成本低、可集成的特点，覆盖当前主要的通信波段，可在光路系统性能动态监测、激光雷达等技术领域得到广泛应用。
附图说明
图1为利用本发明提出的一种无限散射单光子探测光时域反射测量方法进行测量的一种实现结构示意图。
图2为本发明提出的一种无限散射单光子探测光时域反射测量方法中使用的无限散射的原理示意图，图2中(a)为探测光注入光纤的过程；图2中(b)为后向散射光功率测量结果。
图3为利用本发明提出的一种无限散射单光子探测光时域反射测量方法对50km光纤进行测试的结果图，图3中(a)为采用不同分辨率因子数据处理得到的损耗曲线；图3中(b)为分辨率因子为1时光纤起始端连接器产生的菲涅尔反射示意图；图3中(c)为分辨率因子为1时光纤末端连接器产生的菲涅尔反射示意图。
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。
本发明提出一种无限散射单光子探测光时域反射测量方法，首先向待测光路系统中周期性地注入宽脉冲光，从而在被测光路系统中产生后向光信号；然后探测被测光路系统中的后向光信号，可以利用单光子探测器将被测光路系统中的后向光信号转换为电脉冲信号进行探测；再对转换的电脉冲信号进行计数获得后向光信号的光子数信息，计数的时钟需要与周期性宽脉冲光的产生时钟保持同步；最后对计数信息进行处理，根据每相邻两次计数的电脉冲信号(即相邻时间通道内的光子数)做差分运算即可得到对应点的后向信号，以计数序号为横坐标、相邻两次计数获得计数值的差值为纵坐标进行绘制即可得到被测光路系统的损耗和反射曲线，进而分析出待测光路的传播情况。
本发明提出的一种无限散射单光子探测光时域反射测量方法在周期性宽脉冲光进入待测光路系统、充满待测光路系统和离开待测光路系统时中都适用，区别在于周期性宽脉冲光进入待测光路系统的过程中，差分运算的结果是将当前次的计数值减去前一次的计数值作为当前次计数对应点的后向信号，而周期性宽脉冲光离开待测光路系统的过程中，差分运算的结果是将前一次的计数值减去当前次的计数值作为当前次计数对应点的后向信号。
本发明适用的被测光路系统，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。当被测光路系统为光纤时，周期性宽脉冲光在光纤中产生后向散射光信号和后向反射光信号；当被测光路系统为自由空间光路时，周期性宽脉冲光在自由空间光路中产生后向反射光信号。
如图1所示给出了利用本发明提出的一种无限散射单光子探测光时域反射测量方法进行测量的一种具体实现结构，所使用的器件可以全部来自成熟的光电子器件，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、被测光路系统3、单光子探测器4、计数器5、上位机6、信号发生器7，各组件依次连接。
脉冲激光器1用于提供稳定、周期性的宽脉冲输出作为探测光。脉冲激光器可以为光纤耦合的脉冲激光器，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。比如提供中心波长为1540nm、脉冲宽度为550μs、周期为1.2ms的宽脉冲光。
定向耦合器2用于将脉冲激光器1输出的脉冲光注入到被测光路系统3本实施例为被测光纤中，同时将被测光纤上产生的后向散射信号或者反射光信号送入单光子探测器4中。定向耦合器包括环形器或者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，且输入或输出端口间具有高隔离度，保证脉冲激光器1输出的探测脉冲不会进入到单光子探测器4中。比如定向耦合器2采用环形器，工作波长1520～1580nm，插损小于0.6dB，回波损耗大于50dB，最高隔离度50dB，具有一个输入端口1，两个输出口2和3。可将端口1与脉冲激光器1相连，端口2与被测光纤相连，端口3与单光子探测器4相连。
被测光路系统3将产生后向光信号。本实施例中被测光纤用于产生后向散射光信号和后向反射光信号。比如，根据脉冲激光器1的工作波长和重复频率，被测光纤应选择标准单模光纤，且光纤长度不大于50km。
单光子探测器4用于接收被测光路系统3的后向光信号，并对输入的光信号进行检测，将检测到的光子以电脉冲的形式输出，单光子探测器4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。比如工作在自由模式的超导纳米线单光子探测器，对1540nm的光的探测器效率可以达到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。
计数器5用于统计不同时刻单光子探测器4输出的电脉冲的个数即频率，并保存在内存中。计数器5的计数时钟和脉冲激光器1产生周期性宽脉冲光的产生时钟需要保持一致，可以通过信号发生器7来保证计数器5和脉冲激光器1具有相同的时钟，使得散射回的信号可以正常的落在计数器5的计数窗口中。计数器5可以拥有一个时钟同步端口与信号发生器7的时钟同步，同时接收单光子探测器4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。计数器5每次计数对应一个时间通道内获得的光子数，相邻时间通道表示计数器5连续两次采样获得计数值。
信号发生器7可以同步外部时钟，或者直接输出内部时钟，至少具有2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5。比如信号发生器输出1.2ms的时钟周期到脉冲激光器1和计数器5使得二者具有相同的时钟频率和周期。
系统的分辨率取决于计数器5的时间分辨率。比如计数器5的工作直方图模式时，相邻通道间的时间间隔是Δt，则系统的空间分辨率可以表示为：ΔL＝Δt×Vg，其中Vg是光在光纤中传输的速度。比如计数器5采用时间分辨率为73.3ns的时间数字转换器，通过信号发生器7与脉冲激光器1进行时钟同步，则一个时钟周期被分割成16384个时间通道，通过累积不同时间通道内接收到的电脉冲数，存储在内存中最后传递给上位机6进行数据处理和结果显示。
上位机6用于提取计数器5中的时间信息和光子数信息，根据无限散射原理通过算法解析出不同位置的损耗，完成被测光纤损耗曲线的绘制。上位机包括单片机、电脑、嵌入式处理平台中任何一种，且具有图形显示窗口，比如台式计算机通过以太网数据总线获取计数器5中存储的光子数信息，并通过软件设计进行数据处理，将结果在显示器中输出显示。
采用本实施例结构实现测量的无限散射原理示意图如图2所示，这里以宽脉冲光注入光纤的过程为例进行说明，宽脉冲光离开光纤的过程同理。将宽脉冲光注入到被测光纤中时，不断地有后向散射信号从光纤中返回，被单光子探测器4接收，并通过计数器5和上位机6进行散射曲线的绘制。随着探测光不断地注入到光纤中，反射回地散射信号也越来越大，直到光充满整个光纤后，检测到的散射信号则不再变化。因此通过对散射曲线变化过程中地相邻两点(即相邻时间通道中所包含的光子数)做差分运算，即可求出对应散射点地散射功率。以此类推从而根据散射功率变化曲线还原出整个被测光纤地衰减曲线即被测光路系统损耗和反射曲线。
选一段50km左右的标准单模光纤进行测试，采集到的数据进行差分运算时采用不同的分辨率因子，即用于做差计算的两个时间通道间的间隔，测试结果如图3中所示。分辨率因子为1、16、32时的结果分别对应图3(a)中的三条曲线，通过分析可以发现，分辨率因子越大，导致动态范围越大，但空间分辨率越小。进一步分析分辨率因子为1时被测光纤两端产生的菲涅尔反射，结果如图3(b)和3(c)所示，两个反射峰的1/e2全宽分别为19.38和19.39m，即系统的空间分辨率没有收到色散明显影响。
综上，本发明提出一种利用无限散射技术实现单光子探测光时域反射测量的方法并给出具体实现结构，以宽脉冲光作为探测光源解决了传统测量系统中分辨率受光源脉冲宽度限制的问题，测量结果与色散无关，使得被测光路系统远距离也能保持高空间分辨率。与现有的单光子探测光时域反射测量技术相比，本发明提出的测量方法使得系统分辨率不再与光源的脉冲宽度有关，实现高空间分辨率时减少了对窄脉冲激光器的需求，且空间分辨率不受脉冲展宽影响；与已有的无限散射技术相比，本发明采用计数器代替了模数转换器，可以实现更高的采样带宽，获得高系统空间分辨率。
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)

1.一种无限散射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：
步骤一、将周期性宽脉冲光注入到被测光路系统中并在所述被测光路系统中产生后向光信号；
步骤二、将所述被测光路系统产生的后向光信号转换为电脉冲信号，并对电脉冲信号进行计数，计数的时钟与步骤一中的所述周期性宽脉冲光的产生时钟同步；
步骤三、根据步骤二中每相邻两次计数得到的计数值的差值绘制所述被测光路系统的损耗和反射曲线。
2.根据权利要求1所述的无限散射单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，所述步骤三绘制所述被测光路系统的损耗和反射曲线的方法为：建立横坐标为计数序号、纵坐标为相邻两次计数获得计数值的差值的坐标系，每次计数后在所述坐标系上标记对应的点，将各点连接形成所述被测光路系统的损耗和反射曲线；
当处于所述周期性宽脉冲光进入所述被测光路系统的阶段时，在所述坐标系上标记第i次计数对应点的方式为：以第i次计数的序号作为所述第i次计数对应点的横坐标，以为第i次计数获得的计数值减去第i-1次计数获得的计数值的差值作为所述第i次计数对应点的纵坐标；
当处于所述周期性宽脉冲光离开所述被测光路系统的阶段时，在所述坐标系上标记第i次计数对应点的方式为：以第i次计数的序号作为所述第i次计数对应点的横坐标，以为第i-1次计数获得的计数值减去第i次计数获得的计数值的差值作为所述第i次计数对应点的纵坐标；
其中i为大于1的正整数。
3.根据权利要求1或2所述的无限散射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，所述周期性宽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，所述周期性宽脉冲光在自由空间光路中产生后向反射光信号。
4.根据权利要求1或2所述的无限散射单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，所述步骤一中利用脉冲激光器产生所述周期性宽脉冲光，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。
5.根据权利要求1或2所述的无限散射单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，所述步骤二中利用单光子探测器将所述被测光路系统产生的后向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。
6.根据权利要求5所述的无限散射单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，所述步骤一中利用耦合器或环形器将所述周期性宽脉冲光注入到所述被测光路系统中，所述步骤二中利用耦合器或环形器将所述被测光路系统产生的后向光信号送入到所述单光子探测器中；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。
7.根据权利要求5所述的无限散射单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，所述步骤二中利用计数器接收所述单光子探测器输出的电脉冲信号，按时间顺序统计不同时刻的电脉冲个数并保存。
8.根据权利要求1或2所述的无限散射单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，所述步骤三中利用上位机根据所述步骤二获得的计数信息绘制所述被测光路系统的损耗和反射曲线，所述上位机为具有图形显示窗口的单片机、电脑、嵌入式处理平台中任何一种。
9.根据权利要求1或2所述的无限散射单光子探测光时域反射测量方法，其特征在于，所述步骤二中利用信号发生器同步所述步骤一中周期性宽脉冲光的产生时钟和所述步骤二中计数的时钟。
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