CN111756436B - 光纤通信中分布式插损回损测量装置及方法 - Google Patents

光纤通信中分布式插损回损测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种光纤通信中分布式插损回损测量方法，包括以下步骤：采集待测光路及校准模块区域上每一位置产生的拍频信号；对该拍频信号进行非均匀快速傅立叶变换转化为拍频频谱，并将频率映射为具体的物理距离，得到OFDR曲线的横坐标；由各点位置信号经光电探测器转换为电压值，得OFDR曲线的纵坐标，从而形成OFDR距离‑反射率曲线；从OFDR距离‑反射率曲线中获取校准模块的测量反射率与长度，根据其与标准值的偏差对OFDR距离‑反射率曲线进行校准，得到标准距离‑反射率曲线；根据标准距离‑反射率曲线计算待测光路沿线的插损回损值。本发明基于OFDR技术，测量无盲区，测量与校准同时进行，测量精度高。

Description

光纤通信中分布式插损回损测量装置及方法
技术领域
本发明涉及光通信测量领域，尤其涉及一种光纤通信中分布式插损回损测量装置及方法。
背景技术
在光纤通信系统中，除去光纤自身的损耗外，光纤耦合器、光开关、隔离器等各类光无源器件及各功能模块的性能很大程度上决定了信号传输质量及传输距离。插损、回损值是衡量这些器件优劣的基本指标。普通的光功率测量法是最基本的测量方法，以接入被测件后的反射光功率与无被测件接入时发射光功率的比值作为回损值，接入被测件后的透射光功率与无被测件接入时光功率的差值作为插损值。这种测量方法接近基本的插回损定义，灵敏度较高，能适合大部分应用场合，但属于一种整体测试，测量的是整个光器件或一段光路上的插回损总和，无法得到被测光路上各特性点具体位置和信息，且测试步骤多，测量前需要复杂的系统校零，测试结果依赖于人为读数，精度不高且回损测量值不高于55dB。
与传统的光功率测量法相比，目前常用在OTDR法能准确测量光路上某一点的插回损，且测试步骤简单，易于集成到自动化测量系统中，因而在大规模测试中得到了广泛的应用。 但受限于OTDR基本原理，其测试存在着一定的盲区，这样就容易导致某些特性信息的丢失，影响后续的分析评估。另一低相干反射技术OLCR，虽具备超高的测量空间分辨率与灵敏度，但是整个测量系统十分复杂，使用成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中难以准确获取被测光路上特征位置插损、回损信息的缺陷，提供一种高测量精度、高灵敏度的分布式插损回损测量装置及方法。
本发明提供一种光纤通信中分布式插损回损测量方法，包括以下步骤：
采集待测光路及校准模块区域上每一位置产生的拍频信号；
对该拍频信号进行非均匀快速傅立叶变换转化为拍频频谱，并将频率映射为具体的物理距离，得到连续点的位置信息，即OFDR曲线的横坐标；
由各点位置信号经光电探测器转换为电压值，得到各点反射率，即OFDR曲线的纵坐标，从而形成OFDR距离-反射率曲线；
从OFDR距离-反射率曲线中获取校准模块的测量反射率与长度，以
Figure 885194DEST_PATH_IMAGE001
为反射率校准系数对曲线上每点的反射率进行校准，以
Figure 954781DEST_PATH_IMAGE002
为长度校准系数对曲线上每点的长度进行校准，得到标准的OFDR距离-反射率曲线，其中R1为校准模块的标准反射率, L1为校准模块的长度，R0为校准模块反射率的测量值，L0为校准模块长度的测量值，校准后得到标准距离-反射率曲线；
由标准距离-反射率曲线计算待测光路沿线的回损值，具体选取一段覆盖回损待测区域的OFDR曲线，将该曲线上所有点的反射率逐一转化为强度后求和取对数，得到该区域的回损值；
由标准距离-反射率曲线计算待测光路沿线的插损值，具体在插损待测区域左右两侧各截取等长度的OFDR曲线，分别计算这两侧光纤的回损值RL 1、RL 2，根据这两侧的回损值计算待测区域的插损IL，
Figure 418124DEST_PATH_IMAGE003
，其中a为插损校准系数，当两侧光纤瑞利散射系数相同时，a=1；当两侧光纤瑞利散射系数不一致时，
Figure 231359DEST_PATH_IMAGE004
,其中A1为前段光纤的瑞利散射系数，A2为后段光纤的瑞利散射系数。
本发明还提供一种光纤通信中分布式插损回损测量装置，包括线性扫频激光器、光纤分束器、主干涉仪、辅助干涉仪、光电探测器、数据采集卡及计算机，其中：
所述线性扫频激光器用于提供波长周期性变化的光源；
所述光纤分束器将所述激光器输出的扫频激光分为两路，一路进入主干涉仪，另一路进入辅助干涉仪；
所述主干涉仪包括待测光路和校准模块，所述主干涉仪将光分为信号光和参考光，信号光经过待测光路和校准模块产生背向散射光，背向散射光与参考光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；
所述辅助干涉仪产生拍频信号，作为外部时钟触发所述数据采集卡对第一拍频信号进行等频率间隔采样；
所述计算机根据上述技术方案中的光纤通信中分布式插损回损测量方法对采集的第一拍频信号进行处理，计算待测光路沿线的插损回损值。
接上述技术方案，所述计算机与所述线性扫频激光器和所述数据采集卡连接。
接上述技术方案，所述主干涉仪还包括第一光纤耦合器、光纤环形器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的一输出端与所述光纤环形器第一端口连接，所述光纤环形器第二端口与所述第三光纤耦合器连接后分路端分别连接待测光路及校准模块，第三端口与所述第二光纤耦合器输入端连接；所述第一光纤耦合器的另一输出端与所述第二光纤耦合器输入端连接。
接上述技术方案，包括2*2光纤耦合器、第四光纤耦合器、待测光路、校准模块及第一法拉第反射镜，所述2*2光纤耦合器一输出端经第四光纤耦合器分路后分别连接待测光路、校准模块形成信号光路；另一输出端直接连接所述第一法拉第反射镜形成参考光路。
接上述技术方案，所述校准模块为反射率恒定的校准件或装置，且该校准模块与待测光路不存在物理位置上的重合。
接上述技术方案，所述辅助干涉仪包括第五光纤耦合器、光纤线圈、第二法拉第反射镜及第三法拉第反射镜，第五光纤耦合器的一输出端依次连接光纤线圈、第二法拉第反射镜，另一输出端直接连接第三法拉第反射镜。
实施本发明产生的有益效果是：本发明通过同时获取待测光路及校准模块中产生的拍频信号进行变换处理并在此基础上由校准模块测量结果与标准值偏差对解调得到的OFDR距离-反射率曲线进行校准，获取标准曲线。进一步将光路上待测位置对应的多个反射率转化成强度并求和取对数，得到该位置的回损值并由回损差值计算插损，从而实现了光纤链路上分布式插损回损测量。该方法基于OFDR技术，测量无盲区，测量与校准同时进行，测量精度高。同时，通过单次测量就能获取光路上任一位置的精准插损回损信息，实现插损回损的分布式测量，操作简单，无需复杂的校零过程，基本能满足所有测量场合的需求，尤其适用于一些尺寸较小的光器件、光模块分析。
附图说明
图1为本发明光纤通信中分布式插损回损测量装置的一种实施例示意图；
图2为本发明的另一种实施例光纤通信中分布式插损回损测量装置的示意图；
图3为本发明采集到的扫频范围内的波长强度响应；
图4为本发明装置测量得到的某光纤链路标准OFDR距离-反射率曲线；
图5为光纤链路上各个器件的插损回损计算示意图；
图6为本发明光纤通信中分布式插损回损测量方法流程图。
【图号对照说明】
图1中：1为线性扫频激光器、2为光纤分束器、3为第一光纤耦合器、4为光纤环形器、5为第三光纤耦合器、6为待测光纤、7为校准模块、8为第二光纤耦合器、9为第五光纤耦合器(2*2)、10为第三法拉第反射镜、11为光纤线圈、12为第二法拉第反射镜、13为光电探测器、14为数据采集卡、15为计算机；
图2中：1为线性扫频激光器、2为光纤分束器、6为待测光纤、7为校准模块、9为第五光纤耦合器(2*2)、10为第三法拉第反射镜、11为光纤线圈、12为第二法拉第反射镜、13为光电探测器、14为数据采集卡、15为计算机、16为2*2光纤耦合器、17为第一法拉第反射镜、18为第四光纤耦合器。
具体实施方式
为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：
如图1所示，本发明的一个实施例装置包括线性扫频激光器1，光纤分束器2，主干涉仪，辅助干涉仪，光电探测器13，数据采集卡14及计算机15。线性扫频激光器1发出的线性扫频光通过光纤分束器2分为两路，分别进入主干涉仪及辅助干涉仪。进入主干涉仪的激光在第一光纤耦合器3中被分成两路，其中一路作为信号光通过光纤环形器4，并由该器件2端口出射后经由第三光纤耦合器5分别进入待测光纤6及校准模块7。光在待测光纤6及校准模块7中向前传输的过程中不断发生背向散射，反射回来的光由光纤环形器4的3端口出射进入第二光纤耦合器8并与由第一光纤耦合器3分出，直接进入第二光纤耦合器8的参考光在此处发生拍频干涉，产生第一拍频信号。
该主干涉仪中的校准模块7为反射率恒定的校准件，与待测光纤6起始端距离第三光纤耦合器5的距离不同，即待测光纤6与校准模块7不存在物理位置上的重合。两者接收的测量光由50:50第三光纤耦合器5分出，光学参数完全一致；光在其中向前传播时反射回来的光均与进入第二光纤耦合器8的参考光发生拍频干涉且拍频信号送入同一采集处理系统处理，因此以该校准件作为标准对测量得到的OFDR距离-反射率曲线进行实时校准，能有效消除系统光路插损、参考光抖动等误差以获取精准的插损回损测量结果。
辅助干涉仪中，入射的激光通过第五光纤耦合器9分成两束，一束光直接进入第三法拉第反射镜10，另一束光依次经过光纤线圈11、第二法拉第反射镜12。两束反射回来的光均进入第五光纤耦合器9并在此处发生拍频干涉，产生第二拍频信号，该信号由光电探测器13转化为电信号后，作为外部时钟触发数据采集卡14进行等频率间隔采样。
光电探测器13将第一及第二拍频信号均转化为电信号，数据采集卡14在第二拍频信号的触发下对第一拍频信号进行等频率间隔采样并将采样数据送入计算机15进行处理。计算机15还需要对处理数据进行实时校准。
如图2所示为本发明另一个实施例装置。该装置的主干涉仪为迈克尔逊干涉仪。由光纤分束器2分出的一束激光进入主干涉仪。2*2光纤耦合器16将激光分为两路，一路通过第四光纤耦合器18分别进入待测光纤6及校准模块7，反射回来的光返回至2*2光纤耦合器16，与另一路由第一法拉第反射镜17反射回来的光在此处发生拍频干涉，产生第一拍频信号。
需要说明的是上述实施例中，校准模块7除了可以为校准件外，还包括任何形式可实现反射率恒定的装置。
本发明实施例的光纤通信中分布式插损回损测量方法，如图6所示，包括以下步骤：
S1、采集待测光路及校准模块区域上每一位置产生的拍频信号；
S2、对该拍频信号进行非均匀快速傅立叶变换转化为拍频频谱，并将频率映射为具体的物理距离，得到连续点的位置信息，即OFDR曲线的横坐标；
S3、由各点位置信号经光电探测器转换为电压值，得到各点反射率，即OFDR曲线的纵坐标，从而形成OFDR距离-反射率曲线；
S4、从OFDR距离-反射率曲线中获取校准模块的测量反射率与长度，以
Figure 588391DEST_PATH_IMAGE001
为反射率校准系数对曲线上每点的反射率进行校准，以
Figure 94458DEST_PATH_IMAGE002
为长度校准系数对曲线上每点的长度进行校准，得到标准的OFDR距离-反射率曲线，其中R1为校准模块的标准反射率, L1为校准模块的长度，R0为校准模块反射率的测量值，L0为校准模块长度的测量值，校准后得到标准距离-反射率曲线；
S5、由标准距离-反射率曲线计算待测光路沿线的回损值，具体选取一段覆盖回损待测区域的OFDR曲线，将该曲线上所有点的反射率逐一转化为强度后求和取对数，得到该区域的回损值；
S6、由标准距离-反射率曲线计算待测光路沿线的插损值，具体在插损待测区域左右两侧各截取等长度的OFDR曲线，分别计算这两侧光纤的回损值RL 1、RL 2，根据这两侧的回损值计算待测区域的插损IL，
Figure 779518DEST_PATH_IMAGE003
，其中a为插损校准系数，当两侧光纤瑞利散射系数相同时，a=1；当两侧光纤瑞利散射系数不一致时，
Figure 396444DEST_PATH_IMAGE004
,其中A1为前段光纤的瑞利散射系数，A2为后段光纤的瑞利散射系数。
进一步地，在步骤S1之前还包括步骤S0、通过获取系统损耗系数来消除由系统光器件带来的反射率测量误差。S0具体包括以下步骤：
在系统中断开光纤环形器三端口与其他器件的连接，以等频率间隔采样的方式，采集得到扫频范围内的波长强度响P1。
将入射光纤环形器一端口的光连接至由环形器的二端口输入，以相同方式采集得到扫频范围内的波长强度响应P2.
由
Figure 358715DEST_PATH_IMAGE005
计算得到系统损耗校准系数
Figure 35684DEST_PATH_IMAGE006
。
在上述实施装置的基础上，进行光纤上的分布式插损回损测量，本发明一具体实施例中，测量方法包括以下步骤：
首先，获取系统损耗系数，其具体过程如下：
在光纤环形器4的3端口与第二光纤耦合器8连接断开时，利用上述装置，以等频率间隔采样的方式，将扫频范围内的波长强度响应采集下来，得到P1。采集结果示意图如图3所示。
断开光纤环形器4的1端口与第一光纤耦合器3的连接，并将第一光纤耦合器3的输出端与光纤环形器4的2端口连接，以相同方式将扫频范围内的波长响应采集下来，得到P2，采集结果示意图如图3所示。
由
Figure 208039DEST_PATH_IMAGE005
计算得到系统损耗校准系数。
利用OFDR系统进行一次采集，获取待测光路及校准模块每一位置产生的拍频信号，解调得到OFDR距离-反射率曲线，其具体过程如下：
设参考光的光电场为
Figure 363077DEST_PATH_IMAGE007
，信号光的光电场为
Figure 694701DEST_PATH_IMAGE008
，在不考虑系统损耗情况下，两束光发生拍频干涉后产生的信号经光电探测器转换，得到的光电流为：
Figure 542571DEST_PATH_IMAGE009
展开后过滤掉直流项和高频信号，得到的中频信号即为差频项：
Figure 202223DEST_PATH_IMAGE010
其中，f b 为拍频信号频率。
在实际光路中，需要考虑系统损耗（主要为光纤器件的插损）。反射回来的信号光进入环形器2端口，由3端口输出，设系统损耗校准系数为
Figure 829306DEST_PATH_IMAGE012
，光纤上某位置的反射率为R，则此时得到的光电流为：
Figure 848077DEST_PATH_IMAGE013
这里，
Figure 995025DEST_PATH_IMAGE014
指的是进入待测光纤的光电场，R指的是光纤上某一位置的背向反射率。
采集后的信号经过光电探测器转化得到的光电流为i, 结合系统损耗校准系数，由上述公式计算出反射率。
另外，由拍频大小与具体位置之间的关系式
Figure 757445DEST_PATH_IMAGE015
可得到具体的位置信息。其中，c为光速，n为光纤的折射率，f b 为拍频信号频率，γ为激光器的扫频速率，Z为具体位置。
在上述分析的基础上，对采集到的拍频信号进行一次非均匀快速傅立叶变换转化为拍频频谱，按对应关系
Figure 798082DEST_PATH_IMAGE016
将频率映射为具体的物理距离，得到连续点的位置信息，即OFDR曲线的横坐标；
由各点位置信号经光电探测器转换后的电压值结合系统损耗校准系数进行一次校准后得到该点反射率，即OFDR曲线的纵坐标，从而形成OFDR距离-反射率曲线。
从OFDR距离-反射率曲线中获取校准模块的测量反射率与长度，根据其与标准值的偏差对OFDR距离-反射率曲线进行校准，得到标准距离-反射率曲线。图4为校准后得到的某光纤链路标准OFDR距离-反射率曲线。图中，校准件的标准反射率为R1,长度为L1。 若校准前，测量得到的校准件反射率及长度分别为R0、L0,则以
Figure 722175DEST_PATH_IMAGE017
为反射率校准系数对曲线上每点的反射率进行校准，以
Figure 356419DEST_PATH_IMAGE018
为长度校准系数对曲线上每点的长度进行校准，得到标准的OFDR距离-反射率曲线。
由距离-反射率曲线计算待测光路沿线的插损回损值。该光纤链路插损回损计算示意图如图5所示。图中L2位置为一光纤耦合器，L3位置及L4位置为两个反射率不同的光纤器件。光纤器件的回损及光纤耦合器的插损计算过程包括以下步骤：
以L3、L4位置为中心分别截取长度为1cm的区域。以L3附近截取的区域为例,该区域内各点反射率转化为强度后分别为I1、I2……In，则L3位置光纤器件的回损值为：
Figure 656950DEST_PATH_IMAGE019
以相同方法求得L4处光纤器件的回损值为
Figure 37247DEST_PATH_IMAGE020
。
在光纤耦合器两侧分别截取长度为1cm区域，计算得到回损值为
Figure 132242DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 378416DEST_PATH_IMAGE022
。计算得到光纤耦合器的插损值
Figure 482638DEST_PATH_IMAGE023
。
综上所述，本发明在获取系统损耗系数后，通过同时获取待测光路及校准模块中产生的拍频信号进行变换处理并在此基础上由系统损耗系数及校准模块测量结果与标准值偏差对解调得到的OFDR距离-反射率曲线进行了两次校准，获取标准曲线。进一步将光路上特征位置对应的多个反射率转化成强度并求和取对数，得到该位置的回损值并由回损差值求取插损，从而实现了光纤链路上分布式插损回损测量。该方法基于OFDR技术，测量无盲区，测量与校准同时进行，有效消除了温度、系统器件、外界扰动等带来的影响，测量精度高。同时，通过单次测量就能获取光路上任一位置的精准插损回损信息，实现插回损的分布式测量，操作简单，无需复杂的校零过程，基本能满足所有测量场合的需求，尤其适用于一些尺寸较小的光器件、光模块分析。
上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种光纤通信中分布式插损回损测量方法，其特征在于,包括以下步骤：
采集待测光路及校准模块区域上每一位置产生的拍频信号；
对该拍频信号进行非均匀快速傅立叶变换转化为拍频频谱，并将频率映射为具体的物理距离，得到连续点的位置信息，即OFDR曲线的横坐标；
由各点位置信号经光电探测器转换为电压值，得到各点反射率，各点反射率对应OFDR曲线的纵坐标，形成OFDR距离-反射率曲线；
从OFDR距离-反射率曲线中获取校准模块的测量反射率与长度，以R 1 /R 0 为反射率校准系数对曲线上每点的反射率进行校准，以L 1 /L 0 为长度校准系数对曲线上每点的长度进行校准，得到标准的OFDR距离-反射率曲线，其中R 1 为校准模块的标准反射率, L 1 为校准模块的长度，R 0 为校准模块反射率的测量值，L 0 为校准模块长度的测量值，校准后得到标准距离-反射率曲线；
由标准距离-反射率曲线计算待测光路沿线的回损值，具体选取一段覆盖回损待测区域的OFDR曲线，将该曲线上所有点的反射率逐一转化为强度后求和取对数，得到该区域的回损值；
由标准距离-反射率曲线计算待测光路沿线的插损值，具体在插损待测区域左右两侧各截取等长度的OFDR曲线，分别计算这两侧光纤的回损值RL 1 、RL 2 ，根据这两侧的回损值计算待测区域的插损IL，IL= a | RL 1 -RL 2 |，其中a为插损校准系数，当两侧光纤瑞利散射系数相同时，a=1；当两侧光纤瑞利散射系数不一致时，a=A 1 /A 2 ,其中A 1 为前段光纤的瑞利散射系数，A 2 为后段光纤的瑞利散射系数。
2.一种光纤通信中分布式插损回损测量装置，其特征在于，包括线性扫频激光器、光纤分束器、主干涉仪、辅助干涉仪、光电探测器、数据采集卡及计算机，其中：
所述线性扫频激光器用于提供波长周期性变化的光源；
所述光纤分束器将所述激光器输出的扫频激光分为两路，一路进入主干涉仪，另一路进入辅助干涉仪；
所述主干涉仪包括待测光路和校准模块，所述主干涉仪将光分为信号光和参考光，信号光经过待测光路和校准模块产生背向散射光，背向散射光与参考光发生拍频干涉，产生第一拍频信号；
所述辅助干涉仪产生拍频信号，作为外部时钟触发所述数据采集卡对第一拍频信号进行等频率间隔采样；
所述计算机根据权利要求1所述的光纤通信中分布式插损回损测量方法对采集的第一拍频信号进行处理，计算待测光路沿线的插损回损值。
3.根据权利要求2所述的光纤通信中分布式插损回损测量装置，其特征在于，所述计算机分别与所述线性扫频激光器和所述数据采集卡连接。
4.根据权利要求2所述的光纤通信中分布式插损回损测量装置，其特征在于，所述主干涉仪还包括第一光纤耦合器、光纤环形器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的一输出端与所述光纤环形器第一端口连接，所述光纤环形器第二端口与所述第三光纤耦合器连接后分路端分别连接待测光路及校准模块，所述光纤环形器第三端口与所述第二光纤耦合器输入端连接；所述第一光纤耦合器的另一输出端与所述第二光纤耦合器输入端连接。
5.如权利要求2所述的光纤通信中分布式插损回损测量装置，其特征在于，所述主干涉仪为迈克尔逊干涉仪，包括2*2光纤耦合器、第四光纤耦合器、待测光路、校准模块及第一法拉第反射镜，所述2*2光纤耦合器一输出端经第四光纤耦合器分路后分别连接待测光路、校准模块形成信号光路；另一输出端直接连接所述第一法拉第反射镜形成参考光路。
6.如权利要求2-5中任一项所述的光纤通信中分布式插损回损测量装置，其特征在于，所述校准模块为反射率恒定的校准件或装置，且该校准模块与待测光路不存在物理位置上的重合。
7.如权利要求2-5中任一所述光纤通信中分布式插损回损测量装置，其特征在于，所述辅助干涉仪包括第五光纤耦合器、光纤线圈、第二法拉第反射镜及第三法拉第反射镜，第五光纤耦合器的一输出端依次连接光纤线圈、第二法拉第反射镜，另一输出端直接连接第三法拉第反射镜。
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