CN110808775A - 一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，其特征在于：设置窄带宽光纤激光器(1)、光脉冲调制器(2)、光纤波分复用器(3)、环形器(4)、脉冲光编码器(5)、控制模块(6)、信号采集处理器(7)、信号放大器(8)、光电转换器(9)和通信单元(10)，所述脉冲光编码器(5)在光源编码中采用基于Simplex脉冲编码的编码方式，在提高发射光子数的同时通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率；窄带宽光纤激光器(1)连续运行产生的强激光增加进入被测光纤的光子数，实现提高信噪比，增加光时域反射仪的动态响应，增加测量精度与长度。本发明能够实现长距离的光纤测试，具有对断点、熔接、连接器、弯曲等进行定位的功能，同时具有高空间分辨率、测量精度高，测量距离长，信噪比高。

Description

一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪
技术领域
本发明涉及高信噪比光时域反射仪技术领域，特别涉及一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪。
背景技术
传统的OTDR(光时域反射仪)系统一般采用直接探测方式，由于光纤非线性效应的存在，探测光和光纤激光所允许的最大光功率一直受到限制，因此OTDR的动态响应性能受到限制。采用直接探测方法的传统OTDR的有效传感长度一般小于35km。这极大的限制了OTDR的应用场合。
发明内容
本发明针对如何实现具有高的空间分辨率、测量精度高，测量距离长，信噪比高的问题。一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪的发明，可以实现长距离的对光纤进行测量，当光纤出现断点、熔接、连接器、弯曲等时，基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪能对断点、熔接、连接器、弯曲等进行定位。基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪的有很高的信噪比、空间分辨率和测量精度。
本发明提供的技术方案为一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，设置窄带宽光纤激光器1、光脉冲调制器2、光纤波分复用器3、环形器4、脉冲光编码器5、控制模块6、信号采集处理器7、信号放大器8、光电转换器9和通信单元10，
窄带宽光纤激光器1连接光脉冲调制器2，光脉冲调制器2分别与光纤波分复用器3和脉冲光编码器5相连，光纤波分复用器3连接环形器4，环形器4连接光电转换器9，光电转换器9连接信号放大器8，信号放大器8连接信号采集处理器7，信号采集处理器7连接控制模块6；控制模块6分别与窄带宽光纤激光器1、脉冲光编码器5和通信单元10相连；
所述脉冲光编码器5在光源编码中采用基于Simplex脉冲编码的编码方式，在提高发射光子数的同时通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率；窄带宽光纤激光器1连续运行产生的强激光增加进入被测光纤的光子数，实现提高信噪比，增加光时域反射仪的动态响应，增加测量精度与长度。
而且，Simplex脉冲编码的阶数为256。
而且，通过脉冲光编码器5调制之后的脉冲光上升时间和下降时间小于0.1ns，进入被测光纤的脉冲质量高。
而且，窄带宽光纤激光器1是中心波长为1550±0.2nm的连续运行光纤激光器。
而且，光纤波分复用器3用于对光纤同时进行多个波长测试。
而且，信号采集处理器7用于实现数据采集、模数转换及信号处理，所述信号处理采用算术平均滤波法。
而且，光电转换器9的暗电流小于1nA。
而且，信号放大器8根据光电转换器9输出信号的幅值，自适应改变信号的放大倍数。
本发明所采用的Simplex脉冲编码，可提高OTDR系统的信噪比、改善温度和应变的测量精度和增加测量距离；采用的Simplex脉冲编码的编码脉冲光，在提高系统信噪比同时又可通过减小编码脉冲的码元宽度来提高系统的空间分辨率，码元宽度可以小到与光纤声子寿命10ns相当，对应空间分辨率可达到0.8m；采用相干探测使得系统具有断点、熔接、连接器、弯曲等监测功能，能有效克服传统OTDR需要双端接入带来出现断点不能工作的缺点，增强传感系统的适应能力和实用性。本发明能够实现长距离的光纤测试，当光纤出现断点时，系统具有对断点、熔接、连接器、弯曲等进行定位的功能，同时具有高的空间分辨率、测量精度高，测量距离长，信噪比高。
附图说明
图1是本发明实施例的一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪的结构框图。
其中，附图标记为：1-窄带宽光纤激光器、2-光脉冲调制器、3-光纤波分复用器、4-环形器、5-脉冲光编码器、6-控制模块、7-信号采集处理器、8-信号放大器、9-光电转换器、10-通信单元。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
本发明提出一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，Simplex脉冲编码是由0和1组成的单极性数列矩阵，该矩阵是由hadamard矩阵(哈达玛积矩阵)转化得到的。hadamard矩阵的阶数必须是1、2或4的整数倍，假设K是一个n阶的hadamard矩阵，那么得到的矩阵就是一个2n阶的hadamard矩阵，如下面矩阵：
Figure BDA0002257321060000021
当去除hadamard矩阵的第一行与第一列之后，同时把矩阵里的元素“1”改为“0”，把“-1”改为“1”，得到的新矩阵便是Simplex脉冲编码矩阵。同时该矩阵是一个单极性的矩阵。在光源编码中采用Simplex脉冲编码与现有的格雷码编码、CCPONS编码相比，当编码的阶数较低时，Simplex编码的编码增益明显要高于格雷码编码、CCPONS编码的编码增益。
本发明提出的一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，采用Simplex脉冲编码激光脉冲，在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率；连续运行的高功率光纤激光器作为光时域分析仪的光源，取代了相干泵浦窄带激光器，克服了光纤光时域分析仪中要求严格地锁定探测激光器频率的困难，连续运行的高功率光纤激光器产生的强激光在单模光纤中实现了受激散射光放大取代了窄带放大，增加了背向相干放大的受激散射光的增益，基于Simplex脉冲编码的调制光的总增益达50dB，提高了系统的信噪比，增加了测量长度，提高了测量的精度。
本发明的一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，包括窄带宽光纤激光器、光脉冲调制器、光纤波分复用器、环形器、脉冲光编码器、控制模块、信号采集处理器、信号放大器、光电转换器、通信单元。
参见图1，实施例提供的一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪中，窄带宽光纤激光器1连接光脉冲调制器2，光脉冲调制器2分别与光纤波分复用器3和脉冲光编码器5相连，光纤波分复用器3连接环形器4，环形器4连接光电转换器9，光电转换器9连接信号放大器8，信号放大器8连接信号采集处理器7，信号采集处理器7连接控制模块6；控制模块6分别与窄带宽光纤激光器1、脉冲光编码器5和通信单元10相连。通过通信单元10可与上位机连接。具体地，窄带宽光纤激光器1输出端与光脉冲调制器2的第一输入端相连，输入端与控制模块6的第一输出端相连。光脉冲调制器2的输出端与光纤波分复用器3的输入端相连，第二输入端与脉冲光编码器5的输出端相连，光纤波分复用器3的输入端与光脉冲调制器2的输出端相连，输出端与环形器4的第一输入端相连，控制模块6的第一输出端与窄带宽光纤激光器1的输入端相连，第二输出端与脉冲光编码器5的输入端相连，第三输出端与通信单元10的输入端相连。信号采集处理器7的输出端与控制模块6的输入端相连，输入端与信号放大器8的输出端相连。具体实施时，信号采集处理器7与控制模块6之间可以建立双向连接，这样控制模块6可以控制窄带宽光纤激光器1和信号采集处理器7的工作与否，并可控制脉冲光编码器5的编码模式。信号放大器8的输出端与信号采集处理器7的输入端相连，输入端与光电转换器9的输出端相连。光电转换器9的输入端与环形器4的输出端相连，和信号放大器8的输入端相连。
与现有技术相比，本发明中关键的不同结构在于，采用基于Simplex脉冲编码的脉冲光编码器、窄带宽光纤激光器(1550±0.2nm)，以及采用可变增益的信号放大器。与现有的光时域反射仪结构相比，本发明中的结构提高了信噪比，增加了光时域反射仪的动态响应，增加测量精度与长度。
本发明实施例中，所述的窄带宽光纤激光器1优选采用是中心波长为1550±0.2nm，光谱带宽为200kHz的120mW连续运行光纤激光器。
优选地，Simplex脉冲编码的阶数为256。脉冲光编码器5在控制模块6的控制下有着高速、高精度的编码方式。通过脉冲调制器5调制之后的脉冲光上升时间和下降时间短，小于0.1ns，进入被测光纤的脉冲质量高。
本发明中，所述控制模块6控制着脉冲信号源(即：窄带宽光纤激光器1)产生信号，通过Simplex脉冲编码对电脉冲进行编码，并对信号采集处理单元7作同步控制。
光纤波分复用器3可以对光纤同时进行多个波长测试，提高测试效率。
信号采集处理器7实现包括数据采集、模数转换及信号处理，其中信号采集频率为200MHz。信号处理采用的是算术平均滤波法，当光进入到被测光纤之后对同一位置的反射光连续采10个值，然后取其平均值。这种方法能够滤除一般的随机干扰信号，使信号变的平滑。
优选地，光电转换器9的暗电流小，小于1nA。同时信号放大器的放大倍数为自适应放大。本发明实施例中的信号放大器8根据光电转换器9输出信号的幅值，可以自适应的改变信号的放大倍数。使光电转换器9输出信号的幅值在一个合适的范围内，以便信号采集处理器7对信号进行处理。本发明中的信号放大器8主要是由多个比较器实现的硬件电路。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，其特征在于：设置窄带宽光纤激光器(1)、光脉冲调制器(2)、光纤波分复用器(3)、环形器(4)、脉冲光编码器(5)、控制模块(6)、信号采集处理器(7)、信号放大器(8)、光电转换器(9)和通信单元(10)，
窄带宽光纤激光器(1)连接光脉冲调制器(2)，光脉冲调制器(2)分别与光纤波分复用器(3)和脉冲光编码器(5)相连，光纤波分复用器(3)连接环形器(4)，环形器(4)连接光电转换器(9)，光电转换器(9)连接信号放大器(8)，信号放大器(8)连接信号采集处理器(7)，信号采集处理器(7)连接控制模块(6)；控制模块(6)分别与窄带宽光纤激光器(1)、脉冲光编码器(5)和通信单元(10)相连；
所述脉冲光编码器(5)在光源编码中采用基于Simplex脉冲编码的编码方式，在提高发射光子数的同时通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率；窄带宽光纤激光器(1)连续运行产生的强激光增加进入被测光纤的光子数，实现提高信噪比，增加光时域反射仪的动态响应，增加测量精度与长度。
2.根据权利要求书1中所述的一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，其特征在于：Simplex脉冲编码的阶数为256。
3.根据权利要求书2中所述的一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，其特征在于：通过脉冲光编码器(5)调制之后的脉冲光上升时间和下降时间小于0.1ns，进入被测光纤的脉冲质量高。
4.根据权利要求书1或2或3中所述的一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，其特征在于：窄带宽光纤激光器(1)是中心波长为1550±0.2nm的连续运行光纤激光器。
5.根据权利要求书1或2或3中所述的一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，其特征在于：光纤波分复用器(3)用于对光纤同时进行多个波长测试。
6.根据权利要求书1或2或3中所述的一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，其特征在于：信号采集处理器(7)用于实现数据采集、模数转换及信号处理，所述信号处理采用算术平均滤波法。
7.根据权利要求书1或2或3中所述的一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，其特征在于：光电转换器(9)的暗电流小于1nA。
8.根据权利要求书1或2或3中所述的一种基于Simplex脉冲编码的高信噪比光时域反射仪，其特征在于：信号放大器(8)根据光电转换器(9)输出信号的幅值，自适应改变信号的放大倍数。
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