CN1183833A - 测量光纤的方法 - Google Patents

Abstract

在一种测量光纤(2)的方法中,把脉冲射入光纤并测量此脉冲回波的时间进程(8,9)。然后,在对回波信号进行信号处理时减去代表光纤中所存在的背景噪声的信号电平。根据假定在回波信号处理期间背景噪声的瞬时值(20)来计算代表所存在的背景噪声的信号电平。在第一实施例中,在与发出的脉冲波长不同的波长处处理背景噪声。在把几个连续脉冲(25,26)射入光纤的第二实施例中,在所述脉冲间的时间间隔中把与脉冲波长不同的一个波长的光功率(27)射入光纤。

Description

测量光纤的方法

本发明涉及测量光纤的方法，其中把脉冲射入光纤。测量来自此脉冲的回波的时间进程，然后，在随后对回波信号进行信号处理时减去代表光纤中存在的背景噪声的信号电平。

此种测量方法用于找出光缆断裂处和测量沿光纤或光纤连接的传输损耗，它可使用例如光时域反射计(OTDR)，它能测量沿光纤的衰减变化。这通过测量回波的时间进程来进行精确测量，该回波来自射入光纤的脉冲。由仪器的动态范围来确定OTDR仪器的范围，即可在其上进行测量的光纤长度，当然，回波在光缆中传播的距离越长，则它的信号变得越弱。目前的OTDR仪器一般可具有100-200km数量级的范围。

然而，掺铒光纤放大器(EDFA)的发展使得使用光纤长度比上述长得多的光纤连线成为可能。相应地，需要增加测量来自射入光纤的脉冲的回波的OTDR仪器或其它相应仪器的动态范围。增加仪器动态范围(从而其范围)的一个方法是增加射入光纤的脉冲的功率。已提出通过使用置于仪器和光纤之间的光纤放大器(诸如掺铒的光纤放大器)来实现此目的。一般，此光放大器能沿双向对信号进行放大，从而实现既对射入光纤的脉冲进行放大，也对从光纤返回仪器的回波信号进行放大。当然，也可利用光纤连接中业已存在的光放大器。

然而，已发现，即使如此放大反射的信号，仪器所产生的描述衰减与仪器距离之间函数关系的曲线在特定距离(它一般是大约50km)处急剧下降。于是，实际上，仪器的范围没有增加，相反因光纤耦合而减小。

把光学测量仪器与光放大器组合在一起所引入的问题是，光放大器本身所产生的噪声将影响测量。由放大器中的放大自发发射(ASE)而产生放大器噪声。虽然OTDR仪器适用于校正信号脉冲间的时间间隔中的背景辐射即噪声(通过测量无脉冲辐照的背景辐射来确定所述背景噪声)，但这需要噪声的性能是理想的而且与脉冲辐照无关。来自光放大器的ASE噪声就不是这样的情况，因为它依赖于通过放大器的信号。这意味着，当发出脉冲时，放大器发出的噪声急剧下降，然后它在脉冲间的时间间隔中慢慢增加到驻留(dwell)低电平。由于在OTDR仪器中对电平噪声进行校准，于是，所使用的噪声电平大于进行测量时实际存在的噪声，这将在发出脉冲后立即发生。由于如此从测得的信号电平中减去一个太大的值来补偿噪声，所以从光纤最远端部分产生的反射(换句话说即最弱的信号)将为负。由于在ODR仪器中计算反射信号的对数值，所以对于负信号没有结果。于是，该仪器只能示出仪器中反射信号变负之外的点的光纤衰减曲线。

本发明提供了一种方法，它容许这样的情况，即来自光纤连接中光放大器的噪声由于从测量仪器发出的脉冲而变化的情况。

这是如此实现的，即根据在回波信号测量期间假定的背景噪声的瞬时值来计算代表存在背景噪声的信号电平。当用减去相应于测量时刻实际存在的噪声的噪声电平而不是利用平均噪声电平的方式补偿噪声时，保证了在测量仪器计算中所使用的回波信号为正值的假设，已发现这样可明显增加这样一种测量仪器的范围。

在如权利要求2所述的本发明一个实施例中，通过测量某波长处的背景噪声来实现此目的，该波长与发出的脉冲的波长不同。这是可行的，因为相对于发出脉冲的频谱宽度，噪声频谱非常宽，因此发出脉冲波长处的噪声电平将与邻近波长处的噪声电平相同。当在另一个波长处测量噪声电平时，则如权利要求3所述，可在进行反射回波信号测量的同时进行背景噪声测量，从而测出在相关时刻的噪声。

如权利要求4所述，通过把回波信号分成第一部分和第二部分可获得进行此测量的合适方法，第一部分只包括发出脉冲波长周围窄范围内的波长，而第二部分包括其它波长。然后根据第一部分只确定信号处理中所使用的回波信号部分，而根据第二部分只确定背景噪声。可在不同的电路中如此进行这两个测量方法，从而它们互不干扰。如权利要求5所述，还可利用波长耦合器来合适地分离回波信号。

如权利要求6所述，在尽可能接近于发出的脉冲波长的波长处测量背景噪声时，提供了相关噪声电平的最佳近似。即使噪声电平随频率变化，这也可把此变化减到最小。

在分别对回波信号和背景噪声进行测量后，既可如权利要求7所述分别对两个信号进行随后的信号处理，也可如权利要求8所述分别把与检测回波信号和背景噪声有关的电信号加以组合，从而背景电噪声信号抵消了回波信号上的实际噪声。

在如权利要求9所述的本发明另一个实施例中，从测量设备把几个连续脉冲射入光纤中，并在所述脉冲间的时间间隔内在脉冲波长以外的一个波长下把光功率射入光纤。当光放大器在这些间隔中也受到辐照时，可保证明显减小放大器噪声电平中的瞬时变化，从而允许使用在测量反射脉冲时不必进行的噪声测量来补偿测量仪器中的噪声。如权利要求10所述，当把功率近似相等的两个波长射入光纤中，从而放大器暴露于近似相等的电平时，可以获得最小的瞬时噪声信号变化。

如权利要求11所述，可通过光放大器把脉冲射入光纤，以选择光放大器增益最大值附近的两个波长。如权利要求12所述，如果选出的波长分别位于所述增益最大值的两侧，从而对于两个波长来说，使光放大器的增益相同，则可保证两个波长的噪声电平值基本上相同的假设。

如权利要求13所述，还可通过使完整的回波信号通过滤光器来对所述脉冲回波进行合适的测量，所述滤光器用于阻挡脉冲间隔期间所使用的波长。这保证了可分别进行两个测量。

以下将参考附图对本发明进行更全面的描述，其中

图1示出已知的OTDR仪器，

图2示出利用图1的仪器接收到的回波信号的时间进程，

图3相应地示出由图1的仪器测得的光纤的衰减曲线，

图4示出与光纤放大器相组合的OTDR仪器，

图5示出利用图4的阵列接收到的回波信号的时间进程，

图6示出图4中光放大器和光纤组合的时间进程，

图7示出来自光放大器的噪声的时间进程之一例，

图8示出依据本发明使用波长耦合器的阵列，

图9示出如何以光功率填充两个脉冲之间的间隔，以及

图10示出一阵列，该阵列具有能阻挡具有偏离波长的光功率的滤光器。

图1示出连到光纤2的光时域反射计(OTDR)。光纤2包括在传输线内，OTDR仪器1用于沿光纤2找出断裂处或测量传输损耗。OTDR仪器包含产生光脉冲的脉冲发生器3。这通常是利用激光器发生的。光脉冲从脉冲发生器3经光耦合器4传送到光纤2，并沿后者传播。从光纤2反射的回波经光耦合器4传送到接收机5，接收机5测量回波的时间进程并根据所述进程计算沿光纤2的衰减变化。例如，可以把衰减作为示波器上的曲线显示。

图2示出此回波可能具有的时间进程的一个例子。在把脉冲射入光纤2以前，接收机5只测量背景噪声6。在7处射入脉冲，回波8的第一部分具有相应于脉冲本身的进程。由于从光纤的反射，回波信号的后侧如9处所示继续进行.在这里信号逐步减小，当然信号衰减得越多，则它在光纤2中传播的时间越长。于是进程9中的给定时间相应于光纤2中的特定距离。因此，在进行信号处理后可获得图3中所示的曲线，该曲线示出沿光缆的衰减与离OTDR仪器1的距离的函数关系。由于如上所述，较佳的光缆可给出平坦倾斜的曲线，所以信号衰减随脉冲在光纤2中传播的距离而增加。可看出，在某个距离11处，曲线消失在噪声12中，于是距离11表示仪器的范围.对于当今的仪器，相应于点11的距离一般是100-200km。由曲线10中的不规则性来反映光缆中的故障，于是该曲线可示出要搜寻的故障的距离。

图4示出把光放大器13插在OTDR仪器1和光纤2之间的位置。例如，该放大器可以是掺铒光纤放大器(EDFA)。放大器13用作有关OTDR仪器1发出的脉冲以及从光纤反射的回波信号的放大器。除了用作放大器以外，光放大器13也具有把一定的放大噪声加到信号的性质，该噪声是由放大器中放大的自发发射(ASE)而产生的。

图5和6除了添加了光放大器13以外，相应于图2和3。于是，图5示出从光纤2接收到的回波信号的时间进程，而图6示出光纤中的衰减与离开仪器的距离的函数关系。可看出，背景噪声14明显为负，相应地，假定回波信号在点15以后为负。这将在以下说明。除了因放大器13而使电平较高以外，总的来说，图5的曲线完全相应于图2所示的曲线。

于是，较高的信号电平的结果是图6中的曲线16从较高的电平起始。于是，可期望该曲线类似于图3中的11处消失在噪声中以前，可覆盖更大的范围。然而，看到的不是这样的情况，该曲线在17处急剧下降，然后只留下噪声信号18。相应于点17的距离一般是大约50km。衰减曲线急剧下降的点17相应于图5中时间轴上的点15，在该处开始假定回波信号的时间进程为负值。其原因在于图6的衰减曲线示出反射信号的对数值，因此，该曲线将在假定信号为负值时消失。于是，增加光放大器13实际上获得的是范围减小，而不是范围增加。这是由放大器13发出的ASE噪声引起的。

OTDR仪器适用于补偿某种背景噪声。这是如此实现的，即在把光脉冲射入光纤2以前的时间间隔内，对测得的(例如图2中6处所看到的)噪声取平均值。然后，在该仪器中对反射的回波信号进行信号处理时，可除去此背景噪声的电平。然而，这需要测量期间的噪声电平与测量前的噪声电平相同，仪器在那里确定随后要减去的值。然而，对于放大器13所产生的ASE噪声就不是这样的情况，因为来自OTDR仪器的强脉冲将暂时干扰放大器的噪声发射。图7示出在把脉冲射入光纤时ASE噪声如何变化的一个例子。图7中的时间轴相应于图5中所使用的时间轴。

ASE噪声暂时变化的解释如下，掺铒光纤放大器是靠那些铒离子工作的，用泵光(pump light)把它们激发到半稳定较高的激光能级，再由与信号的受激相互作用，下降至基态。对于每次受激下降，把一个光子加到信号。如果一个信号脉冲具有N个光子，则信号脉冲在放大器的输出端将具有(G-1)N个光子的光子增长。由于此光子增长以相应个数的铒离子从较高能态到基态的退激发为代价，所以受激铒离子数目将以脉冲通过放大器的通过时间所给定的时间常数减少。在此退激发后，由于受激离子变少，泵光将开始再次把退激发离子泵送到较高能态，所以放大器噪声也将下降。向上激发(up-exitation)遵循一曲线，该曲线以在毫秒范围内的时间常数指数地趋近于驻留状态值。于是，受激离子数量将暂时具有锯齿状进程，在OTDR脉冲通过放大器处急剧下降并在OTDR脉冲间的时间间隔内缓慢上升。从放大器发出的噪声将表现出定性地相似的进程。

这意味着，在射入脉冲前，假定噪声电平是一个比测量回波信号时的实际噪声电平20更高的电平19。然而，如上所述，把OTDR仪器用作噪声电平的脉冲前的电平19在产生衰减曲线前从测得的回波信号中减去。由于噪声电平20小于噪声电平19，于是从回波信号中减去一太大的电平，从而如图5所示造成该信号为负值的假设，从而如图6所示衰减信号消失。

图8示出能改善此问题的一个阵列。类似于仪器1，这里所示的OTDR仪器21包含脉冲发生器3、光耦合器4和接收机5。类似于以上所述，经光放大器13把脉冲射入光纤2。在OTDR仪器21和光放大器13之间插入波长耦合器22，如此对它选择，从而把包含预定波长光的脉冲只传送到导入光纤长度的臂.当碰到波长耦合器22时，返回的光将被分离，从而具有与发出的脉冲相同波长的回波信号本身仍然将通过光耦合器4，再从那里传送到接收机5。而其它波长将从波长耦合器22传送到噪声测量电路23。相对于所使用的脉冲信号源的频谱宽度，掺铒光纤光放大器13的噪声频谱非常宽，这意味着要作非常大的近似，才能假设发出的脉冲波长处的放大器ASE噪声具有与周围波长相同的噪声电平。由于通过波长耦合器22的周围波长到达噪声测量电路23，所以可在所述电路中测量相应于某噪声的噪声电平，该噪声包含在通过波长耦合器22后而提供给接收机5的回波信号中。现在可在图7中20处所示的正确时间对噪声电平进行测量，从而保证它是从接收到的回波信号中减去的更准确的噪声信号。在信号处理电路24中进行实际的相减操作。这里，可决定分别对两个测量进行处理，然后纯数字地在衰减曲线的表示中减去噪声信号，或把这两个信号相混合，然后作类似于传统的OTDR仪器1进行的信号处理。在后一种情况下，来自噪声测量的电信号抵消了在接收到的信号中的实际ASE噪声。当然，在噪声测量电路23中在尽可能靠近脉冲波长的波长处进行噪声测量是有利的，因为这最能使噪声作为波长的函数而变化。

图9示出本发明另一个实施例的基本原理。在把几个连续脉冲射入光纤2时可应用本实施例。如上所述，问题在于光纤放大器13发出的ASE噪声依赖于通过放大器的光量。在本实施例中，OTDR仪器适用于在发出脉冲之间的时间间隔内也把光功率加到光纤，只在用于脉冲的波长以外的一个波长处进行发射。图9示出两个脉冲25、26，可看出在脉冲之间发射与脉冲25、26中的信号具有相同功率的光信号27。

图10示出如何实现本实施例。此阵列相应于图4所示的阵列，滤光器28只插在OTDR仪器1和光纤放大器13之间。此滤光器28适用于允许所有的波长沿一个方向从OTDR仪器到达光纤2，并沿相反的方向阻挡在间隔27中所使用的波长。由于现在一直由相同的光功率通过光放大器13，所以放大器中产生的ASE噪声将为常数而不再假定图7所示的形状。这意味着可不用改变地使用传统的OTDR仪器，因为在发射每个脉冲前，仪器所进行的噪声测量将给出在测量时刻所呈现的噪声的准确图象。

利用以下考虑可找到两频率的另一种合适的选择。被激发到较高能级的铒离子的百分率叫做反转(inversion)，它是由以下变化率方程来控制的： $\frac{\∂}{\∂t}x=\∫[(1-x{)}_{{\mathrm{\γ}}_e}+x_{{\mathrm{\γ}}_a}]P\left(v\right)\mathrm{dv}-\frac{x}{t}$ 这里γ_e和γ_a是光谱发射率和吸收强度，τ是自发寿命，ρ(v)是频谱功率密度。在驻留状态，反转变化率为0。如果光谱功率密度例如因为OTDR脉冲的通过而突然改变，则反转将脱离稳定状态。如果把对此稳定状态的偏差叫做Δx，则它将以以下的变化率变化 $\frac{\∂}{\∂t}\mathrm{\Δx}=[{(1-x)}_{{\mathrm{\γ}}_e}+x_{{\mathrm{\γ}}_a}]\mathrm{\ΔP}$ 中括号内的量相应于光纤放大器13的增益，于是在光纤放大器具有最大增益时反转的变化最快。另一方面，在此最大增益周围，反转变化对信号的准确频率/波长位置不敏感。因此，如果使OTDR仪器在此峰值增益附近工作，则通过在OTDR脉冲间隔中填入峰值增益附近另一个波长处的光功率，可消除反转涨落。这里，最佳的波长将是增益与信号增益相同的在峰值增益另一侧的波长。

上述包括如何依据本发明进行测量的例子，但应理解可改变本发明一些方面的细节。于是，除了上述OTDR仪器以外，例如本发明可以其它形式来实现，就象可用其它光学元件来替代所述的滤光器和波长耦合器那样。

Claims (13)

1.一种测量光纤(2)的方法，其中把脉冲射入所述光纤并测量来自所述脉冲的回波的时间进程(8，9)，其后在随后对回波信号进行的信号处理中减去代表所述光纤中存在的背景噪声的信号电平，其特征在于根据假定的在所述回波信号测量期间的所述背景噪声的瞬时值(20)来计算代表所存在的所述背景噪声的信号电平。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在与发出的脉冲波长不同的波长处测量所述背景噪声。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于同时进行对所述回波信号和所述背景噪声的测量。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于把所述回波信号分成第一部分和第二部分，所述第一部分只包括发出的脉冲波长周围窄范围内的波长，所述第二部分包括其它的波长，根据所述第一部分只确定信号处理中所使用的所述回波信号，并根据第二部分只确定所述背景噪声。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于利用波长耦合器(22)来分离回波信号。

6.如权利要求2-5所述的方法，其特征在于在尽可能靠近所述发出的脉冲波长的波长处测量所述背景噪声。

7.如权利要求2-6所述的方法，其特征在于分别对所述回波信号和所述背景噪声进行测量，随后对它们进行信号处理。

8.如权利要求2-6所述的方法，其特征在于把分别与所述回波信号和所述背景噪声的检测有关的电信号相混合，从而来自所述背景噪声的电信号抵消了所述回波信号上的实际噪声。

9.如权利要求1所述的方法，其中把几个连续脉冲(25，26)射入光纤，其特征在于在所述脉冲间的时间间隔内把与脉冲波长不同的一个波长的光功率(27)射入所述光纤。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于以基本上相同的功率把两个波长射入所述光纤。

11.如权利要求9或10所述的方法，其中通过光放大器(13)把脉冲射入所述光纤，其特征在于在所述光放大器的增益最大值附近选择波长。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于在所述增益最大值的两侧各选择一个波长，从而所述光放大器的增益在两个波长处相同。

13.如权利要求9-12所述的方法，其特征在于通过使完整的回波信号经过阻挡所述另一个波长的滤光器(28)测量来自所述脉冲的回波。

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