CN114812633A - 宽谱接收的布里渊光时域反射计 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种宽谱接收的布里渊光时域反射计，其中，第一耦合器将激光器输出的连续光分为第一频率的第一连续光和第二连续光；第一调制装置将第一连续光调制为光脉冲；环行器将光脉冲注入待测光纤，并将从待测光纤接收到的后向布里渊散射光传入第二耦合器；第二调制装置将第二连续光频移第二频率，得到第三连续光传入第二耦合器；第二耦合器将第三连续光与后向布里渊散射光合束得到第四连续光，并传入光电探测器；在光电探测器中，第四连续光的两个光分量发生拍频，转换为电信号；信号测量装置基于电信号测量得到待测光纤的参数值。该宽谱接收的布里渊光时域反射计采用宽谱的光电探测器，在无需扫频的前提下，使测量对温度和应变不敏感。
Description
技术领域
本申请涉及光纤测量技术，尤其涉及一种宽谱接收的布里渊光时域反射计。
背景技术
传统的光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)通过测量注入光纤中的脉冲信号与后向瑞利散射、菲涅尔反射信号之间的传输时间差、信号强度变化，实现对光纤链路长度、光纤线路损耗的分布等的分析。由于OTDR中后向瑞利散射信号光太弱且采用直接探测方式，无法采用相干探测方法来放大光信号，导致接收到的信噪比较小，综合性能受限，如所测的光纤链路长度有限或测量精度较差等。
传统的布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR)需要对本振光扫频以及通过窄带带通滤波器(BPF)采样而得到光纤的布里渊频移(BFS)，进而恢复出洛伦兹型布里渊谱，再取顶点强度来监测光纤链路性能(如光纤长度、衰减等)。因此，传统的BOTDR结构较复杂，且需要扫频，测量耗时较长。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提出一种宽谱接收的布里渊光时域反射计。
基于上述目的，本申请提供了一种宽谱接收的布里渊光时域反射计，包括激光器、第一耦合器、第一调制装置、环行器、第二调制装置、第二耦合器、光电探测器、信号测量装置，
其中，所述第一耦合器用于将所述激光器输出的连续光分为第一频率的第一连续光和第二连续光；
所述第一调制装置用于将所述第一连续光调制为所述第一频率的光脉冲；
所述环行器用于将所述光脉冲注入待测光纤，并将从所述待测光纤接收到的后向布里渊散射光传入所述第二耦合器；
所述第二调制装置用于将所述第二连续光频移第二频率，以得到第三频率的第三连续光传入所述第二耦合器；
所述第二耦合器用于将所述第三连续光与所述后向布里渊散射光合束得到第四连续光，并将所述第四连续光传入所述光电探测器；
在所述光电探测器中，所述第四连续光的两个光分量发生拍频，转换为电信号；
所述信号测量装置用于基于所述电信号而测量得到所述待测光纤的参数值。
在一种可能的实现方式中，所述第一调制装置包括脉冲调制装置和电脉冲发生装置；
所述脉冲调制装置连接在所述第一耦合器与所述环行器之间；
所述电脉冲发生装置用于向所述脉冲调制装置提供脉冲信号。
在一种可能的实现方式中，所述第二调制装置包括电光调制器和射频信号源；
所述电光调制器连接在所述第一耦合器与所述第二耦合器之间；
所述射频信号源用于向所述电光调制器提供射频信号。
在一种可能的实现方式中，所述信号测量装置包括包络检波器和信号采集单元；
所述包络检波器用于从所述电信号检测出包络信号；
所述信号采集单元用于基于所述包络信号而测量得到所述参数值。
在一种可能的实现方式中，所述参数值包括光纤链路长度和光纤损耗值中的至少一个。
在一种可能的实现方式中，所述后向布里渊散射光的第一频域为具有预设谱宽的第一洛伦兹形状；
所述后向布里渊散射光的频率等于所述第一频率与布里渊频移之和。
在一种可能的实现方式中，所述电信号为具有所述预设谱宽的第二洛伦兹形状；
所述第二频域的中心频率等于所述布里渊频移与所述第二频率之差；
所述第四连续光的谱频率能够在由所述中心频率、所述预设谱宽和所述光电探测器的带宽限定的范围内漂移。
在一种可能的实现方式中，所述光电探测器的带宽由所述电信号的谱宽和中心频率决定。
在一种可能的实现方式中，所述预设谱宽由所述光脉冲的宽度决定。
在一种可能的实现方式中，所述布里渊频移在10.5GHz至11GHz的范围内。
从上面所述可以看出，本申请提供的宽谱接收的布里渊光时域反射计采用宽谱的光电探测器，无需扫频，并且允许谱频率在一定范围内漂移，使该反射计对一定范围内由于环境等引起的温度改变或应变变化不敏感，从而实现了更优的测量性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的宽谱接收的布里渊光时域反射计的结构示意图；
图2为该宽谱接收的布里渊光时域反射计中的光电探测器接收第四连续光的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如背景技术部分所述，相关技术中通过OTDR来测量光纤长度以及分析光纤的损耗分布，但由于OTDR中后向瑞利散射信号光太弱且采用直接探测方式，无法采用相干探测方法来放大光信号，导致接收到的信噪比较小，综合性能受限，如所测的光纤链路长度有限或测量精度较差等。
另外相关技术中BOTDR用于测量光纤链路长度和分析光纤损耗分布时，相对于OTDR功率较高，信噪比较高，综合性能更好，然而需要扫频及后处理分析，系统较为复杂，测量时间较长。若能充分利用BOTDR信噪比较高的优势，而规避扫频的复杂过程，来测量光纤链路长度和分析光纤损耗分布，其测量性能将会大幅提升。
综合上述考虑，本申请提出一种宽谱接收的布里渊光时域反射计，来测量光纤长度以及分析光纤的损耗分布。在实现装置上，与传统BOTDR区别为：1)射频信号源无需具备扫频功能；2)接收端移除了窄带BPF，使得本申请可通过单次测量获取自发布里渊谱功率沿光纤的分布。由于自发布里渊谱功率和光脉冲功率成正比，可通过所测信号简单地解算光纤损耗分布。本申请相比于OTDR，信噪比大幅提升；相比于传统BOTDR，硬件成本更低，且测量时间大幅缩短。
在本申请中具体体现为，激光器输出连续光，第一耦合器将其分为第一连续光和第二连续光，将第一连续光调制为光脉冲，将调制后的光脉冲输入待测光纤，得到后向布里渊散射光，同时对第二连续光进行移频得到第三连续光，再将第三连续光与后向布里渊散射光合束得到第四连续光，将其传入光电探测器，在宽谱的光电探测器中，第四连续光的两个光分量发生拍频，转换为电信号，提取该电信号的包络信号，基于该包络信号，最终计算出待测光纤的参数值。从而能够使得测量性能相较于传统的OTDR而言，大幅提升。
以下参照附图来详细说明本申请的实施例。
参考图1，为本申请实施例的宽谱接收的布里渊光时域反射计的结构示意图。
如图1所示，该宽谱接收的布里渊光时域反射计包括激光器10、第一耦合器20、第一调制装置30、环行器40、第二调制装置60、第二耦合器70、光电探测器(PD)80和信号测量装置90。第一调制装置30可以包括半导体光放大器(SOA)302和脉冲发生器(PG)301。第二调制装置60可以包括电光调制器(EOM)601和射频(RF)信号源602。信号测量装置90可以包括包络检波器(ED)901和信号采集单元902。
需要注意的是，本申请实施例中的脉冲调制装置为半导体光放大器，电脉冲发生装置为脉冲发生器，在其他具体的实施例中，还可采用其他调制器将第一连续光调制为脉冲光，调制脉冲光的器件并不限于半导体光放大器和脉冲发生器。
激光器10输出连续光至第一耦合器20，第一耦合器20将连续光分为第一频率的第一连续光和第二连续光。第一连续光可以进入SOA 302，PG 301可以向SOA 302提供脉冲信号，使得SOA 302将第一连续光调制为第一频率的光脉冲。光脉冲进入环行器40，环行器40将光脉冲注入待测光纤(FUT)50中，接收经待测光纤50散射回的后向布里渊散射光，并将其传入第二耦合器70中。
第二连续光可以进入EOM 601，射频信号源可以向EOM 601提供射频信号，使得EOM601将第二连续光频移第二频率，得到第三频率的第三连续光，并将第三连续光传入第二耦合器70中。
后向布里渊散射光和第三连续光在第二耦合器70中合束得到第四连续光，第二耦合器70将第四连续光传入PD 80中，在PD 80中，第四连续光的两个光分量发生拍频，转换为电信号，并可以将电信号传入ED 901中进行包络检波以检出包络信号。包络信号可以被输入信号采集单元902，信号采集单元902可以基于包络信号而测量得到待测光纤50的参数值。
在一种可能的实现方式中，所述后向布里渊散射光的第一频域为具有预设谱宽的第一洛伦兹形状。
在本实施例中，所述后向布里渊散射光的频率是通过下式计算的：
fB＝f0+fBFS
其中，fB表示所述后向布里渊散射光的频率，f0表示所述光脉冲的第一频率，fBFS表示布里渊频移。
在一种可能的实现方式中，所述布里渊频移在10.5GHz至11GHz的范围内。
在一种可能的实现方式中，所述第三频率是通过下式计算的：
fLo＝f0+fFS
其中，fLo表示所述第三频率，f0表示所述第二连续光的第一频率，fFS表示所述第二频率。
在一种可能的实现方式中，在第二耦合器70中拍频后得到的光信号在时域上表现为强度随光纤衰减，该光信号的第二频域为具有所述预设谱宽的第二洛伦兹形状。
在一种可能的实现方式中，所述第二频域的中心频率fS是通过下式计算的：
fS＝fB-fLo＝fBFS-fFS。
在一种可能的实现方式中，所述预设谱宽由所述脉冲宽度决定。
在一种可能的实现方式中，所述光电探测器的带宽由所述电信号的谱宽和中心频率决定。
通过合理设计光电探测器的带宽，可以在保证光电探测器接收到大部分信号能量的前提下，允许所述光信号的谱频率在由所述中心频率、所述预设谱宽和所述光电探测器的带宽限定的范围内漂移，使该系统对一定范围内由于环境等引起的温度改变或应变变化不敏感。
图2为本申请实施例的光电探测器接收光信号示意图，其中，所述预设谱宽为30MHz，fs表示所述中心频率，Be表示光电探测器的带宽。如图2所示，在正常环境的室温和应变情况下，所述光信号的谱频率最多可以向左漂移fs-15MHz，最多可以向右漂移Be-(fs+15MHz)，上述仅是对图片进行说明，并不代表本申请中光信号的谱频率的漂移范围仅如上述所述。
以Be＝350MHz，fBFS＝10.8GHz，fFS＝10.6GHz为例，则fs＝200MHz，允许所述光信号的谱频率最多可以向左漂移185MHz，最多可以向右漂移135MHz，对应的可允许温度漂移范围为-185K～+135K，可允许应变变化范围为-3700με～+2700με，其中1K的温度漂移对应频移1MHz，1με的应变变化对应频移0.05MHz。由上可知，上述可允许温漂范围和应变变化范围覆盖了装置所处环境的典型温漂范围和应变变化范围，因此在正常温度和应变变化范围内是不会对系统造成影响的。
在一种可能的实现方式中，所述待测光纤50的参数值包括光纤链路长度和光纤损耗值中的至少一个。
相比于传统的OTDR，在相同测量时间、相同测量精度、相同空间分辨率以及相同的信噪比的情况下，根据本申请实施例的BOTDR具有更高的信噪比。
对于传统的OTDR，以一个脉宽为100ns、峰值功率为15dBm的光脉冲为例进行分析，设所测的光纤链路长度为50km，已知后向瑞利散射光的散射率为-73dB/m，探测端接收的瑞利散射光以0.4dB/km衰减，则光纤起始端的瑞利散射光功率为-48dBm，整个光纤链路的总衰减功率为20dB，光纤尾端的瑞利散射光功率为-68dBm。若要求接收到的尾端瑞利散射光信噪比为6dB，即瑞利散射信号比噪声大4倍，则要求噪声小于-74dBm，这低于一般探测器的噪声功率，难以实现。
而在本申请的实施例中，同样以脉宽为100ns、峰值功率为15dBm的光脉冲为例进行分析，设所测的光纤链路长度为50km，已知后向布里渊散射光的散射率为-93dB/m，后向布里渊散射光以0.4dB/km衰减，则光纤起始端的布里渊散射光功率为-68dBm，整个光纤链路的总衰减功率为20dB，后向布里渊散射光功率为-88dBm。由于BOTDR有一路第二连续光，设其光功率至少为5dBm，第二连续光和功率为-88dBm的后向布里渊散射光拍频后的强度为
其中ILo表示第二连续光的光强，Is表示后向布里渊散射光的光强。等效于接收到功率为-41.5dBm的信号光，与上述OTDR接收到功率为-68dBm的瑞利散射光相比，提高了26.5dB，远远降低了对探测器性能的要求。
因此，即使在实际应用中BOTDR所用探测器引入的噪声会比OTDR所用探测器引入的噪声稍大，但远小于26.5dB的量级，所以本申请的实施例带来了更高的信噪比和更长的测量距离，即实现了更优的测量性能。
相比于传统BOTDR，根据本申请实施例的BOTDR无需扫频，测量速度快。更重要的是，由于本申请实施例采用了带宽Be＝350MHz的宽谱PD 80，使得一定范围内的温度漂移或应变变化对测量无影响。所测得的时域信号仅反映光纤的衰减，因此可有效用于光纤链路长度、光纤损耗等参数的测量。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
在阐述了具体细节以描述本申请的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种宽谱接收的布里渊光时域反射计，包括激光器、第一耦合器、第一调制装置、环行器、第二调制装置、第二耦合器、光电探测器、信号测量装置，
其中，所述第一耦合器用于将所述激光器输出的连续光分为第一频率的第一连续光和第二连续光；
所述第一调制装置用于将所述第一连续光调制为所述第一频率的光脉冲；
所述环行器用于将所述光脉冲注入待测光纤，并将从所述待测光纤接收到的后向布里渊散射光传入所述第二耦合器；
所述第二调制装置用于将所述第二连续光频移第二频率，以得到第三频率的第三连续光传入所述第二耦合器；
所述第二耦合器用于将所述第三连续光与所述后向布里渊散射光合束得到第四连续光，并将所述第四连续光传入所述光电探测器；
在所述光电探测器中，所述第四连续光的两个光分量发生拍频，转换为电信号；
所述信号测量装置用于基于所述电信号而测量得到所述待测光纤的参数值。
2.根据权利要求1所述的宽谱接收的布里渊光时域反射计，其中，
所述第一调制装置包括脉冲调制装置和电脉冲发生装置；
所述脉冲调制装置连接在所述第一耦合器与所述环行器之间；
所述电脉冲发生装置用于向所述脉冲调制装置提供脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的宽谱接收的布里渊光时域反射计，其中，
所述第二调制装置包括电光调制器和射频信号源；
所述电光调制器连接在所述第一耦合器与所述第二耦合器之间；
所述射频信号源用于向所述电光调制器提供射频信号。
4.根据权利要求1所述的宽谱接收的布里渊光时域反射计，其中，
所述信号测量装置包括包络检波器和信号采集单元；
所述包络检波器用于从所述电信号检测出包络信号；
所述信号采集单元用于基于所述包络信号而测量得到所述参数值。
5.根据权利要求1至4任一所述的宽谱接收的布里渊光时域反射计，其中，所述参数值包括光纤链路长度和光纤损耗值中的至少一个。
6.根据权利要求1至4任一所述的宽谱接收的布里渊光时域反射计，其中，
所述后向布里渊散射光的第一频域为具有预设谱宽的第一洛伦兹形状；
所述后向布里渊散射光的频率等于所述第一频率与布里渊频移之和。
7.根据权利要求6所述的宽谱接收的布里渊光时域反射计，其中，
所述电信号为具有所述预设谱宽的第二洛伦兹形状；
所述第二频域的中心频率等于所述布里渊频移与所述第二频率之差；
所述第四连续光的谱频率能够在由所述中心频率、所述预设谱宽和所述光电探测器的带宽限定的范围内漂移。
8.根据权利要求7所述的宽谱接收的布里渊光时域反射计，其中，所述光电探测器的带宽由所述电信号的谱宽和中心频率决定。
9.根据权利要求8所述的宽谱接收的布里渊光时域反射计，其中，所述预设谱宽由所述光脉冲的宽度决定。
10.根据权利要求6所述的宽谱接收的布里渊光时域反射计，其中，所述布里渊频移在10.5GHz至11GHz的范围内。
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