CN1938575A - 估计扰动的位置 - Google Patents

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Abstract

本发明估计扰动的位置。本发明涉及用于估计光学链路上的扰动(尤其在扰动是时变扰动的情况下)的位置的方法和设备。使用了光时域反射法技术，在该技术中，通过光脉冲源(18)将一系列低相干测试脉冲发射到光学链路(16)中，并且监测后向散射的返回信号。所述测试脉冲通过非平衡的Mach Zehnder干涉计(20)，其结果是：对于每个测试脉冲，一对时间位移的脉冲副本被发射到链路(16)上。反向散射的返回信号通过同一干涉计(20)，这使每一对脉冲副本被重新配向并且相互干涉。时变扰动(x)可能不同地影响了一对脉冲副本中的各脉冲副本。结果，在后向散射的信号中可能出现诸如阶跃的异常。根据异常的时间位置，来估计与引起该异常的扰动相关的距离。

Description

估计扰动的位置
技术领域
本发明涉及一种估计传输链路上的扰动的位置的方法和设备，具体地，涉及一种在所述扰动是时变扰动的情况下估计传输链路上的扰动的位置的方法和设备。
背景技术
已知可以通过在波导管中发射测试脉冲并监测该测试脉冲的分布的后向散射(distributed backscattering)以检测返回的、时间相关的信号中的异常(如果有的话)，来估计不规则性(irregularity)在波导管中的位置。异常的示例可以是返回信号的时间相关的振幅的阶跃变化(stepchange)。然而，这种已知的光时域反射测量(OTDR)技术不能很好地适用于检测时变的扰动。
发明内容
根据本发明，提供了一种估计传输链路上的时变扰动的位置的方法，所述方法包括以下步骤：至少部分地复制来自源的输出信号，以使得存在信号副本对；将所述信号副本发送到所述传输链路上；接收从所述传输链路返回的、先前发送到所述传输链路上的信号副本中的至少部分信号副本；对所接收到的发送的信号副本对的信号副本进行组合，以产生组合信号；以及使用所述组合信号中的时间特性来估计所述通信链路上的扰动的位置。
因为将输出信号的副本组合以产生组合信号，所以这些副本中至少一个的任何改动可能产生所述组合信号的变化，从而便于估计时变扰动。
优选地，所述传输链路是光波导管，如光纤。所述链路的动态或其他时变扰动通常是物理扰动，如声学振动或其他振动。物理扰动可能在所述传输链路的光学介质中产生应变或弹性波，从而改变沿所述链路传播的信号副本中的至少一个的相位。动态扰动可以是固定的，即，位于固定点。另选地，所述动态扰动可沿着光波导管运动。
优选地，信号将由分布的后向散射(例如雷利(Rayleigh)后向散射)的作用而被返回，从而信号随着所述信号沿波导管传播而逐渐地返回。这通常引起在时间上分布的组合信号。优选地，监测所述组合信号以检测其中的扰动特征，根据所述扰动特征可推断出扰动的存在。
扰动特征的一个示例可以是组合信号的振幅的变化，例如，关于时间的阶跃变化。组合信号可以以轨迹的方式作为时间的函数被显示在显示装置上，使得根据所述轨迹在视觉上推断出扰动的出现。然而，可以分析组合信号以检测扰动特征的更细小的特性。
组合信号中的时间特性可以是与扰动特征相关联的返回时间，具体地是导致该扰动特征的返回的信号副本(曾经被组合)的到达时间，该时间是光传播到物理扰动的位置并从该物理扰动的位置传播回来的往返时间。在一个实施例中，来自源的脉冲会引起时间分布的组合信号，并且所述组合信号将作为从基准时间经过的时间的函数来进行监测，所述基准时间与产生脉冲的时间相关。
来自源的输出信号优选地具有不规则的分量，在这种情况下，至少部分地复制来自源的输出信号的步骤将优选地导致所述不规则分量为信号副本对中的每一个信号副本所共有。在每个信号副本中，信号的其他特性不需要相同：例如，信号副本可具有不同的振幅。不规则分量优选地是随机的或伪随机的(对于伪随机，这意味着，尽管理论上可以预测分量，但是进行预测所需的时间和处理能力将使得实际上不可能进行预测)。如果所述输出信号具有一波形，若该波形具有随机发生的相位变化则可由该波形的相位来提供不规则分量。可方便地通过具有短的相干时间的光源来提供所述波形，优选地，所述相干时间小于10皮秒或者甚至小于1皮秒。组合信号优选地是由两个波形的干涉或混合而产生的干涉信号。
优选地，所述信号副本将沿着传输链路以具有相对于彼此的时间延迟的方式进行传输，从而存在一领先副本和一尾随副本。返回的领先副本随后可相对于先前的尾随副本被延迟，从而两个副本可以彼此基本步调一致地进行组合。
在一优选实施例中，这是使用干涉计(如，非平衡马赫-曾德(MachZehnder)干涉计)级来实现地。在该优选实施例中，将来自光源的输出提供给干涉计，在该干涉计中复制信号，将一个副本引入干涉计的一条路径，与各路径相关联的通过时间不同，从而在信号副本从干涉计级发送的时间之间导致相对或差分延迟。随后可使用同一干涉计级以特别方便的方式重新配向返回的信号副本，这是因为沿向外方向施加的相对延迟与沿返回方向施加的相对延迟相同，这存在于由两条路径的通过时间的差所确定的每个情况中。
优选地，至少部分地根据源的平均相干时间来选择差分延迟。差分延迟优选地大于相干时间。优选地，差分延迟与相干时间的比率大于或等于103(而更优选地为105或者甚至更优选地为107)。
优选地，在第一位置执行复制输出信号和传输所述信号的步骤，距第一位置至少1km或者甚至至少10km的距离，扰动是可检测的。
传输链路可包括沿导轨延伸的光通道，所述导轨被布置为引导运动车辆的运动。以这种方式，传输链路可用于监测被引导沿着所述传输链路运动的车辆的运动。
优选地，所述光通道与轨道是机械耦合的关系，从而车辆的运动引起沿着光通道的扰动。光通道不需要与轨道直接耦合，并且可例如通过地面间接地耦合。例如，光通道可简单地布置在接近于轨道的地面上或布置在管道中，而不需要被保护。然而，因为机械耦合，所以由沿着轨道的车辆的运动所产生的振动或者其他扰动(诸如声学扰动)可在传输链路中引起相应(虽然被衰减或变动)的扰动，所述扰动可以以与车辆相同的速度以连续的方式沿着链路运动。
因为与光通道耦合的声音不需要(但是可以)在特定的耦合点进行增强，并且因为代之的由轨道和通道之间的介质提供的连续耦合通常是足够的，所以可方便地使用由现有的轨道旁的光纤线缆提供的光通道。另选地，可使用在现有的轨道旁的管道中安装的新线缆。
导轨优选地具有一条或更多条轨道的形式，所述轨道通常引导火车的运动。因为火车产生的振动可能是显著的，从而使得更易于检测这种车辆的位置，所以这样布置特别方便。
附图说明
在所附权利要求中提供了本发明的另外的方面。以下将参照下面的附图仅以示例的方式，更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的具有传输链路的光学检测系统；
图2示出了供图1的系统使用的信号处理电路；
图3示出了如何将数据复用到图1的链路上；
图4示出了光接收器电路；
图5a示出了光源电路；
图5b示出了次优选的另一光源电路；
图6a到图6c示出了采样的返回信号的测量轨迹；
图7a和图7b示出了理论曲线；
图8a示出了测量的返回信号；
图8b示出了多条理论曲线；
图9示出了在第一实施例中如何检测火车的位置；
图10示出了在第二实施例中如何检测火车的位置；以及
图11示出了在第三实施例中如何检测火车的位置。
具体实施方式
估计扰动的位置
图1示出了检测系统10，其中，监测站12连接到光纤16。动态扰动在光纤上标记为X的点处引入，要确定所述动态扰动沿该光纤的位置。概括地说，监测站12被构成为将检测信号发送到光纤16上，所述检测信号由于动态扰动而经历相位变化。由于沿着光纤的Rayleigh(雷利)后向散射作用，返回了检测信号的分量。随后对返回到监测站12的后向散射分量进行处理，以辨别由动态扰动引入的相位变化。因为从光纤的不同区域返回的后向散射分量在不同的时间到达监测站12，所以根据经调制的后向散射分量的返回时间来确定扰动的位置。
监测站12包括具有短的相干时间(输出中的向信号提供不规则分量的随机相位变化)的光脉冲源18，所述脉冲源由驱动器单元118驱动。来自光源18的脉冲被提供给干涉计级20，这里干涉计级20为具有第一路径24和第二路径26的Mach Zehnder干涉计，其中，第一路径24和第二路径26在各端部分别通过第一耦合级28与第二耦合级30相耦合。对于沿向外方向传播的光，第一耦合级28用作定向功率(强度)分配器，将来自光源18的光引入各个路径24和26，以预定方式分享到达每个路径的功率(这里，第一耦合级用作50∶50的功率分配器，但可使用不同的比率)。
因此，对于光源18提供的每个脉冲，所述脉冲被复制，从而存在第一副本和第二副本，在该示例中所述第一副本和第二副本互为副本。一个副本沿第一路径24传播，而另一个副本沿第二路径26传播。第二耦合级30耦合到干涉计的输出端35，该输出端连接到光纤16。第二耦合级30用作沿向外方向传播的光的组合器，将来自第一路径和第二路径的光引入干涉计输出端35。干涉计的第一路径具有用于增大光在第一耦合级28和第二耦合级30之间传播的通过时间的延迟级34，对于在耦合级28和30之间传播的光，沿第一路径24的通过时间大于沿第二路径26的通过时间。因此，对于由光源产生的每个脉冲，干涉计20用于将一个脉冲副本相对于另一个脉冲副本延迟了延迟时间D，所述脉冲副本在相互不同的时间被传输到光纤网络16上。
对于沿返回方向传播的信号，第二耦合级30用作功率分配器，其方式与第一耦合级28对沿前向方向(来自光源18)的光的作用的方式相同。这样，返回信号的强度在第二耦合级30被分割，一部分沿第一路径24引导，而另一部分沿第二路径26引导。第一耦合级28随后用于组合来自第一和第二路径的沿着返回方向的光，将经组合的光作为干涉(组合)信号引入与第一耦合级28的输出端相耦合的信号处理系统29。
该信号处理系统包括：光接收器51，耦合到第一耦合级28，用于将光信号转换为电信号；滤波器52，用于接收来自光接收器51的电信号，并对该电信号进行滤波；第一信号处理单元54，用于处理经滤波的电信号；和可选的附加处理单元540，用于对电信号执行更详细的处理。滤波器52的带宽(约1MHz)与期望的信号带宽相匹配以最小化外部噪声。
图4中更详细地示出了光接收器51。来自耦合器28的光入射到光电晶体管702(这里是PIN-FET)，光电晶体管702产生电输出，在提供给可变增益电流反馈放大器706之前将该电输出提供给用作缓冲器的双极晶体管704。光源18可以是发光二极管、放大的自发发射源(诸如掺铒光纤放大器)、半导体光放大器、或者超辐射发光二极管，这是因为它们具有宽且平滑的功率谱以及短的相干时间(约0.5ps或更小)。然而，如稍后参照图5所述，法布里-珀罗(Fabry-Perot)激光二极管是优选的。
光源产生的辐射可以是非偏振的，或者另选地可以在光源和干涉计之间设置去偏振单元43，用于在光被注入干涉计之前对光去偏振(去偏振单元例如可以是光纤立奥(Lyot)型去偏振器)。可以在干涉计的一条路径(这里是第一路径)上设置偏振控制器或去偏振器49，从而在第一耦合器28处组合的来自第一路径的沿返回方向的光的偏振至少部分地与来自另一路径的光的偏振相配向(align)。去偏振器还具有这样的优点，即，可有效地杂混(scramble)返回的后向散射信号中的任何偏振结构，使得更容易检测到缺损(loss defect)。
通常，所述源以1微米和2微米之间(优选地约1.3或1.55微米)的波长工作，以有效地利用标准电信光纤，这种光纤被构造为支持所述波长的单模式传输。通常，所述光纤会具有直径约9或10微米的单芯。
通过考虑从光纤上的特定点返回的向外脉冲副本的返回分量，可最好地理解监测站12的操作。对于由源18产生的每个脉冲，将会得到四个信号：非迟滞信号S0，其在前向方向和反向方向上都沿干涉计20的第二路径26传播；第一迟滞信号S1，在前向方向上延迟了延迟D(而在反向方向上并不延迟)；第二迟滞信号S2，在反向方向上延迟了延迟D(而在前向方向上并不延迟)；和二次迟滞信号S3，其延迟了延迟2D，信号S3在前向方向和反向方向的每一个方向上都被延迟。
仅在一个方向上延迟的第一迟滞信号S1和第二迟滞信号S2将同时返回第一耦合级28。在光纤16中没有任何扰动的情况下，这些信号互为副本(即，具有相同的相位或相位变化)并且所述信号在第一耦合级28处会建设性干涉，或者换句话说建设性组合。然而，如果一对信号S1和S2中的一个信号相对于该对信号中的另一个信号被改变(可能由于动态扰动而发生)，则信号S1、S2将不再建设性干涉。这将导致来自第一耦合级的干涉信号的变化。具体地，信号S1、S2的相对的相位变化将导致第一耦合级的输出端的干涉信号的振幅变化。
通过光纤传播的光的相位变化通常受到物理扰动的影响。这是因为，物理扰动(例如由移动、声波、超声波或其他振动所引起的)可能导致光纤或其他光学链路的传输属性的变化。具体地，物理扰动(诸如由振动引起的物理扰动)可能导致时变应变，其将通过改变折射率、偏振或者改变物理长度或通过其组合来改变光纤的光导介质(通常是光纤的硅质玻璃芯)的应变区域的光路径长度。
对于由源产生的每个脉冲，干涉信号将分布在与脉冲副本沿着光纤的通过时间相对应的时间上。图8a的轨迹A示出了由从源发送的脉冲引起的干涉信号(I)是如何随着发送该脉冲开始所经过的时间而变化的(轨迹B用于更强的扰动)。这里，轨迹上的各点对应于沿光纤的返回了相关信号处的位置。
最初，脉冲副本将经受很少的因后向散射的衰减或损失。因此，与脉冲强度相关的后向散射分量的强度较高且干涉信号也较高。当脉冲副本沿光纤传播时，脉冲及后向散射分量衰减，其结果是干涉信号随时间减小。
在时间t1之后，返回的后向散射分量将从已传播越过了位置X的脉冲引发。当脉冲副本或后向散射分量通过位置X时，由脉冲副本引起的后向散射分量的相位将受到扰动的影响。因为扰动随时间变化，所以给定的一对脉冲的后向散射分量的相对相位将被改变，导致在时间t1干涉信号急剧变化。相同地，来自己传播越过了X的脉冲的返回分量也受到影响。因此，轨迹在时间t1之后以阶梯状的方式保持变化。因为时间t1对应于到第一检测位置并返回的往返时间，所以到X点的沿光纤路径的距离可以根据t1的值(或者相对于基准时间的值t1，其包括偏移量，例如由于干涉计的延迟线34而引起的偏移量)进行推断。
为了观看图8a的轨迹，处理单元54包括有处理器/存储器电路55。处理器/存储器电路连接到光源18的驱动器118，用于存取驱动源18的电脉冲信号。处理器/存储器电路包括定时器单元57，该定时器单元57指示了在传输了来自源的各脉冲之后经过的时间，该定时器单元配置为当发出新的光脉冲时使用脉冲信号来复位。处理器/存储器电路55连接到带通放大器51以接收电领域的干涉信号并按照从产生脉冲开始所经过的时间的函数来存储来自各脉冲的信号。为了按照时间的函数来存储干涉信号，处理器/存储器电路55配置为按间隔地采样干涉信号，并与相关联的返回时间一起存储每个采样。随后在观看装置101上可观看所存储的干涉信号。然而，干涉信号可以例如通过阴极显示器的残迹(remnance)被临时存储。
来自源的脉冲将以重复的方式(优选地为每隔1ms)发送，每个脉冲的持续时间为1μs。另选地，为了得到更高的分辨率，所述脉冲可以为0.5μs长。
延迟线优选为至少20km，由于对于更短的长度并且当扰动较小时(即，使光纤相位的改变线性地响应)，干涉计系统在扰动频率较低时变得较不灵敏。使用约20km(其对应于约100μs的延迟)的延迟线，因为每隔1ms发送的脉冲通常持续时间为1μs，所以当脉冲(信号)副本沿光纤传播时，它们在空间上是独立的。然而，对于更长的脉冲或更短的延迟，信号副本可能彼此叠加。对于连续信号，因为连续信号会无缝地连接为连续的波形，所以信号各自不会是离散的实体。
在一个实施例中，首先使用从位于分站(outstation)14的光纤的镜化端表面(mirrored end surface)32反射的连续的光信号来检测扰动的出现。实质上，可以使用图1的设备，但是其要具有产生连续信号而不是脉冲的源。信号从分站返回，并且以与脉冲相似的方式在干涉计中重新组合。然而，对于连续信号，可以使用带通放大器52，其具有比用于反向散射脉冲所需的带宽小的带宽(约100KHz)，其结果是干涉信号具有更少的噪声，从而允许更灵敏地检测扰动。此外，对于连续信号，因为检测扰动不需要定位分辨率，所以可以在一时间段上积分返回的信号。一旦检测到扰动，则可以如上所述地来确定其位置。然而，如图8a清楚显示，可使用脉冲而不是连续信号来确定扰动的出现自身。
图2示出了附加信号处理单元540。以与第一信号处理单元54相似的方式，附加信号处理单元540适于以光时域反射测量(OTDR)为基础来估计沿着链路16的一个或更多个扰动的距离。尽管在图1中附加信号处理单元540显示为第一处理单元54的附加单元，但是实际上正是该附加信号处理单元540可以被实现监测站。
概括地说，附加信号处理单元540被配置为使用源自第二位置的干涉来处理源自第一位置的干涉信号，所述第二位置位于所述第一位置的上游(即，比第一位置更靠近监测站)。实际上，这是通过以下步骤完成的：在第一时间和第二时间对返回信号进行采样，并且估计这两个采样的信号之间的差。因为脉冲(及其返回的分量)将通过第一位置到达第二位置，所以该方法考虑了来自第一位置的干涉信号可能包括来自第二位置的影响。为了避免不必要的处理，每个位置与(由脉冲时间宽度确定的)分辨单元相关联，所述第一和第二位置对应于相邻的分辨单元。可以以这种方式来估计来自沿着光纤的长度的相邻的分辨单元的干涉信号之间的差。
信号处理单元540包括采样单元542，这里是模拟差分采样和保持电路，该电路在输入端543连接到滤波器52。采样单元542被配置为采样来自MZ耦合器28的输入信号，具体地是来自滤波器52(其进而从光接收器51接收信号)的输入信号。采样单元542包括：采样级544，配置为在间隔开的时间位置对输入信号采样；配向级(alignment stage)546，用于配向先前在间隔开的位置所采样的信号；和比较级548，用于比较重新配向的信号，具体地用于估计信号之间的差。具体地，如果来自比较级548的输出信号离开了中心值超过阈值那么大，则将来自比较级548的信号传送到窗口检测器电路550，窗口检测器电路550配置为在信号输出端552产生输出。
包括定时控制电路560以提供触发信号561，该触发信号561用于触发光源18的驱动器单元以使该光源响应于各触发信号而发射脉冲。定时控制电路560还产生时钟脉冲562，该时钟脉冲控制采样单元的操作，具体地是采样级544和546的操作。触发信号561和时钟脉冲562由共同定时源546(例如可以是时钟电路)产生。触发信号561可在触发输出端566输出并且提供给示波器568的触发器。然后信号输出552可以提供给示波器568(优选为存储示波器)的信号输入端并且在显示器570上观看。可设置光栅电路572a来产生可提供给示波器以产生二维显示的光栅信号。此外，门575和577包括在如图2所示的定时控制电路中。
本示例中的时钟脉冲的频率为0.5MHz，并且属于交变相位型，即，产生具有一个相位562a的波列，并以180度的相移产生另一列。将定时控制电路配置为：针对用于光源18的每个触发脉冲，时钟相位发生交变，并且还同步用于产生二维显示的光栅产生器。二维表现将允许在存储示波器568的显示器570上观察来自光纤的每个位置的后向散射信号的时间演化。数字电路和模拟电路使用分立的、经调整的且解耦合的电源(在图3中，向上指的箭头指示到正供电轨的连接，而向下指的箭头显示到地或负供电轨的连接)。
更详细地，采样单元542包括复制级572，复制级572可以是简单的“T”连接器，用于产生输入信号(即，OTDR信号或者与电领域的干涉信号等同的信号)的副本。采样级544具有两个采样放大器A、B，每一个放大器由各自的脉冲单元574、576触发来进行采样，脉冲单元输入有来自定时控制电路560的时钟脉冲。副本A和B的各分别进入放大器A、B，在放大器A、B中，产生各个离散时间脉冲振幅副本。将脉冲单元574、576安排为，两个副本(A和B)的采样事件偏移了一距离分辨间隔(range resolution interval)，这里是1微秒。来自采样放大器A、B的信号随后分别传递给配向级546的附加采样放大器A’和B’，在采样放大器A’和B’中，这些样本随后被重新采样。
附加采样放大器A’、B’或等同的采样门电路由各脉冲单元578、579(脉冲单元578、579由来自定时控制单元560的时钟脉冲驱动)触发。附加放大器A’、B’以这样的方式来操作，即，(通过脉冲单元578、579的定时)A副本的重新采样信号在B副本的采样信号之前：这意味着A样本源自这样的距离分辨单元，该距离分辨单元直接位于B信号的距离分辨单元之前。这种重新采样策略的结果是：多个采样点沿着光纤链路16“行进(walk)”(以对应于1微秒的距离分开)，但是具有2微秒的步长(假设光源最初传输到光纤链路16上的脉冲的持续时间为1微秒)。
比较级548包括用于估计两次采样的信号A和B之间的差的差分放大器549，即，差分放大器的输出端给出了与A-B相关的输出。因为A和B的轨迹在比较之前被重新配向，所以可以认为获得了与时间相关的信号的坡度或梯度相关的值。有效地，对时间相关的采样信号进行了差分，即，估计相邻样本之间的差(尽管这些样本不必是直接相邻的样本)。
图4中更详细地示出了光接收器51。来自耦合器28的光入射到光电晶体管702(这里是PIN-FET)，其产生电输出，该电输出在提供给可变增益电流反馈放大器706之前要提供给双极晶体管704(用作缓冲器)。在图5a中，更详细地示出了优选的光源18。(通过干涉计级)传输到链路16上的光是由Fabry-Perot激光器710产生的。在单稳态脉冲产生单元712处接收到来自定时控制电路560的触发信号561，单稳态脉冲产生单元712针对每个接收到的触发信号产生一脉冲，所述脉冲由升压放大器714放大以驱动激光器710。图5b示出了使用DFB激光器的另选例。然而，已经发现DFB激光器可引起相干噪声以及不稳定性。
图6a、图6b和图6c示出了在信号处理单元540中不同点处的采样波形。图6a示出了规则的采样(重新采样)脉冲相对于脉冲振幅调制了的采样波形A和B的位置。在图6a中，显示了重复的采样脉冲720(最深的线)。A采样信号(来自放大器A的输出)以灰线722来显示，而B采样信号(即，来自放大器B的输出)由较浅的线724来显示。从“A”轨迹可以看出，与通常在OTDR中所预料的一样，反向散射信号的振幅随经过的时间(从光源发射了测试脉冲开始)的增加而减小。“B”轨迹724的振幅同样随着经过的时间而减小，但是“B”轨迹相对于A轨迹移动了。
在图6b中示出了重新采样的信号A和B(即，来自采样放大器A’和B’的输出)，A样本是较深的轨迹726，而B样本是较浅的轨迹728。如上所述，因为这两个信号已经被重新采样，所以它们现在已经配向。由更浅的轨迹730示出了A和B重新采样的信号的差(即，来自比较级548的输出(A-B))。尽管在该轨迹中没有指示扰动的明显特征，但是图6c的(A-B)轨迹清楚地显示了在大约165微秒(与曲线A和B的阶跃变化相对应的时间)处的特征。图6b和图6c的轨迹之间的差异在于：驱动采样放大器的时钟信号在图6b中相移为零，而在图6c中具有180度的相移。这示出了如何通过使用一个相位的时钟信号产生第一(A-B)轨迹并且使用相位偏移了180度的时钟产生另一个(A-B)轨迹，从而一条轨迹中的采样单元之间的间隙可通过在移动了一个单元长度的单元中采样来有效地消除。以这种方式，本实施例的分辨率是1微秒，其对应于100米的量级的长度。因此，分辨长度等于来自光源18的测试信号的脉冲长度。
检测数据承载光链路
图3示出了图1的光纤或者其他传输链路16如何以波分复用的方式承载数据。传输链路16通过通向传输链路的检测部161的耦合光纤160在连接器162处耦合到监测站12。来自耦合光纤160的辐射通过第一波长耦合器164在链路16的输入端(即，监控侧)被引入链路16，而在链路16的输出端(远离监控侧)设置有第二波长耦合器166，从而来自链路16的光可耦合到位于终端光纤170的末端的端反射器168，终端光纤170将第二波长耦合器166连接到反射器168。发射站172和接收站174分别连接到第一波长耦合器164和第二波长耦合器166。
将波长耦合器164和166中的每一个配置为，使用波分复用技术，数据可以以一个波长在发射站172和接收站174之间的链路16上传输，而来自监测站12的辐射可以以另一波长在光纤链路16上传送，来自发射站172和监测站12的辐射在链路16内的共用光纤或介质上传输。
在第二波长耦合器166，具有源18的波长的光从链路16导向终端光纤170，在终端光纤170处，当在反射器168反射时，辐射被反射并返回到链路16中，从而向回传输到监测站。以这种方式，可沿着链路16进行通信，同时监控该链路，而不会过度地影响该通信(尽管可以检测到沿着由耦合光纤160、光纤链路16和终端光纤170形成的光纤路径的扰动)。在一另选实施例中，尽管信号流从干涉计20被发射到其上的耦合光纤优选地是单芯光纤，但是，通信链路16是具有多条光纤的线缆。在这样的情形下，耦合光纤160将简单地耦合到链路16的多条传输光纤中的一条光纤，所述光纤的相对端耦合到反射器168。因此，发送站172和接收站174之间的信号仍可在其他传输光纤上传送，被监测的光纤中的扰动指示线缆中的扰动。
如从以上描述可以看到的那样，可监测正用于通信的光纤，同时由该光纤传送通信量。试图在光纤上窃听的人可能通过操作光纤而引起物理扰动。如果出现扰动，则可以估计扰动的沿着光纤的位置，使得窃听者被定位。因此可提供用于数据传输的安全传输路径。
理论细节
以下至少部分地基于标量干涉计OTDR理论来解释以上实施例的至少某些方面幕后的理论。还涉及到使用脉冲探测信号来激励分布的Rayleigh后向散射信号以给出扰动位置信息的干涉计OTDR的理论操作。通过首先考虑离散反射器和连续波激励信号从而最好地理解该问题。
对于m(t)≈exp(-jφm(t))形式的“点”扰动。在cW激励下，可显示出由下式给出的在传感器的输出中的“ac”项：
zac(t)∝2.Cos[φm(t-τ)+φm(t-2T+τ)-φm(t-τ-D)-φm(t-2T+τ-D)](1)
其中，T是从被测试的光纤的起始点到反射点的行程时间，τ是到达扰动点的行程时间。D是干涉计中的不平衡延迟。
如果我们考虑形式为φm(t)＝a.Sin(ωm(t))的正弦调制扰动，则等式(1)变为：
Figure A20058000990500201
其可写成该形式：
这是角变化的典型结果并且可使用第一类贝塞尔(Bessel)函数来估计。角变化深度R2是扰动的振幅a，位置τ和频率ωm的函数，并且由下式给出：
从(2c)得出，变化深度在以下时间和频率的点处得到最小值和最大值：
当 f m = n D 时，最小值为
Figure A20058000990500205
；当 f m = 2 n - 1 2 D 时，最大值为
Figure A20058000990500207
其中，n是[-∞，+∞]范围内的整数。
图7a和图7b示出了对于调制频率、干涉计延迟D、相对的扰动位置(T-τ)/D的各个值(具体地是对于4a＝1、D＝25km(延迟线优选为至少20km)、T-τ＝2D以及fm＝0.8kHz)，等式(2c)的示例曲线图。图7a清楚地示出了作为函数扰动频率的传感器的响应(即，其灵敏度)如何示出了扰动对光纤的非线性响应的影响。轨迹A是针对低振幅扰动的，轨迹B是针对高振幅扰动的。
脉冲探测信号：目前，检查OTDR方法的简单方式是将光纤视为包括n个分散的反射，其中，每个反射位于一OTDR距离分辨单元中。该单元的大小由OTDR探测脉冲(τw)的持续时间限定，并且通常为1μs(对应于100米的分辨率)。从每个单元反射的信号的振幅和相位是光纤衰减(到/从所述单元)的函数并且散射的分量的总体均值集中在其中。现在每个单元起到上述离散反射的作用并且因此限定了T。实际上，T现在采用一组点Ti的形式，其中i=1到n。
现在，如果我们引入由OTDR脉冲探测信号p(t)＝Po.rect[t/τw]描述的激励信号，则可从等式(1)推导出所得到的信号的公式。
ziac(t)＝Ki(t-D-2Ti).Cos[φm(t-τ)+φm(t-2Ti+τ)-φm(t-τ-D)-φm(t-2Ti+τ-D)](3)
其中，Ziac(t)是来自单元i的信号的ac分量，并且
Ki(t)＝|p(t)hi(t)|2    (4)
是OTDR探测脉冲和第i个距离分辨单元之间的卷积。
应注意的要点在于：来自第i个单元中的散射信号的随机相位分量在检测过程中丢失(等式4中的|.|2运算符)，所以它不会损害结果。
因此，等式(4)表明用OTDR得到的信号可使用更简单的公式(即等式(1)和等式(2))来说明。然而，通过将Ti的适当的值代入这些等式中来找到在OTDR轨迹上的每个可分辨点处的信号。非相干OTDR标记图(signature)的特有的指数衰减还改变了该信号的振幅。
这个简单的模型解释了在实际试验中看到的OTDR轨迹的形状。图8a示出了在扰动的频率为1.25kHz且位于位置X处的情况下单次测量的OTDR轨迹(横轴是时间，纵轴是来自干涉计级的(组合)信号的电平)。曲线A示出了当扰动幅度较小时的典型的单脉冲响应。在不同的脉冲之间，随着扰动的变化，电平沿着轨迹的整个长度向上/向下移动。然而，随着扰动振幅的增大，轨迹开始显示沿着其长度的结构(曲线B)。这种结构在不同的脉冲之间也上下摆动。图8a示出了根据长度为～D/2(D＝25km)的测试光纤测量的OTDR轨迹。图8b示出了对于扰动音调的基本的和前两个奇次谐波的扰动长度分布(等式2c)的理论幅度。
因此，在本示例中，在时间位置(对应于空间位置)X处的扰动特征是干涉信号的急剧变化，这里是增大，但如图6a到图6c的示例中所示，该变化也可以是减小。
通过建模来预测这种依赖长度的结构。图8b示出了作为通过增大扰动的幅度而产生的奇次谐波频率的函数的所得到的变化深度的幅度(等式2c)。(T-τ)/D对应于扰动点“X”和第i个散射区域之间的距离。很明显在沿着光纤刚过一半的点处第5谐波为零。OTDR轨迹显示了通过所述理论预测的特征长度分布变化。
提取位置信息的信号处理：图8a中的OTDR轨迹表明即使点扰动也能导致沿后向散射标记图的分布特征。然而，关键点在于：在出现扰动的点，标记图中总是出现突然的变化。图6b和图6c显示了这一点。这些实时的模拟后向散射信号显示了可以以OTDR距离分辨率(在这种情况下为约1μs)所确定的精度来定位扰动的起始点。因此，信号处理系统被设计为通过比较来自两个相邻的距离分辨单元A和B的信号来寻找这些特征。通过执行它们之间的差，图8a中显示的较慢的结构将消失(除非相邻的单元之间存在扰动，否则它们相互关联)。因此，原则上，通过这种技术，可以定位任何数量的同时扰动。
窗口检测器(图2)可用于选择高于特定幅度的(A-B)特征，以在OTDR轨迹上产生距离标记(或加亮点)。相似地，可形成扰动的二维的“像电视一样的图像”。在这种情况下，x方向对应于沿着光纤的距离，y方向对应于每一个距离分辨单元的扰动时间历史，z变化(z-variation)由窗口检测器的输出驱动。
检测运动车辆的位置
图9示出了用于检测车辆的位置的检测系统300(与先前的图相同的组件具有相同的标号)。这里，光纤线缆16(传输链路)沿铁路轨道302延伸以检测沿轨道行驶的火车304的位置。光纤线缆16沿与轨道302大致平行的方向延伸，优选地，光纤线缆16埋在地下或靠近轨道的管道中。
在一端，光纤线缆16与监测设备耦合，所述监测设备是用于监测光纤线缆16的物理扰动(特别是动态扰动)的监测站12(诸如图1所示的检测站)的形式。光纤线缆将与铁路轨道302足够接近地铺设，以便火车304的运动能够引起光纤线缆16中的动态扰动，该动态扰动可在监测站12被检测到。火车引起的扰动通常是火车304所在之处，其结果是火车的运动扰动将引起以与火车的速度相对应的速度沿线缆16运动的动态扰动。因此，光纤可作为连续地监测车辆在空间中的运动的检测器。
光纤线缆16将沿轨道302的侧面铺设，并且可埋在地下或现有的管道中，光纤线缆16足够接近于轨道，以便火车产生的扰动通过地面传播到达光纤线缆16。光纤线缆可铺设在轨道之下，但是优选地紧邻轨道铺设，例如，离轨道1m的距离。另选地，可设置沿铁轨延伸的孔或槽来容纳光纤线缆16，光纤线缆16沿这样的孔或槽延伸。在一个实施例中，在轨道旁边的现有的管道可方便地用来容纳线缆。
很明显，光纤线缆16对运动的火车的灵敏度将依赖于局部环境，诸如光纤(或管道)与轨道之间的距离、地面和土壤条件、线缆特性等。因此，系统的灵敏度不可能沿光纤16的长度保持恒定。
另外的光纤线缆116可以按与第一线缆16相似的方式沿轨道布置，但是相对于第一光纤，光纤线缆116的相对端与监测站112耦合。因此，当火车远离一个监测站时，它将更接近另一监测站。因为通常沿任何一条光纤的灵敏度随着该光纤与监测站的距离增大而减小，所以这样将改善整个系统的灵敏度。
为了增大光纤16与轨道之间的机械耦合，光纤可在一点或更多点横向铺设在轨道之下。优选地，如图10所示，光纤路径将具有铺设在轨道之下的一个或更多个U形部分，从而在彼此接近的两点处横向地越过轨道(如果多于一个的U形部分在轨道之下延伸，则将监测站的空间分辨率选择为可将来自相邻的U形部分的扰动彼此区分)。
例如在车站306附近可将多个U形部分布置为从一侧到另一侧的排列，在U形部分之间，光纤通常与轨道平行地延伸。在远离车站区域处，光纤通常与轨道平行地延伸，即，与轨道并排地布置。
另选地，如图11所示，可将第一光纤16布置为在车站区域使用的多个U形部分，而与轨道平行延伸的第二光纤116可用于检测火车在车站之间的位置。
通常，光纤线缆在车站之间(通常是1km或更长的距离，优选为10km)沿与轨道大致平行的方向延伸，这种光纤能够测量在至少1km、甚至10km的大致连续的距离上的运动。很明显，所述检测器系统能够以小于所述大致连续的距离的分辨率来确定位置，分辨率由光脉冲的持续时间以及可从火车或其他车辆检测到的扰动的传播范围来控制。即使在光纤的大致平行的部分之间设置了横向部分，优选地，应设置至少一个延伸至少1km(优选为10km)的大致平行的部分。
因此可以看到，本实施例可允许在一对要组合的信号副本中出现相位差，以形成干涉信号，从而由扰动引起的光纤中的时变的相位变化导致所述信号对(其中之一尾随另一个)之间的相位差，所述相位差可转换为干涉信号的振幅变化。
总而言之，在以上实施例中，使用了光时域反射法技术，在该技术中，将一系列低相干测试脉冲发射到光学链路中，并且监测后向散射的返回信号。所述测试脉冲通过非平衡的Mach Zehnder干涉计，其结果是：对于每个测试脉冲，一对时间经位移的脉冲副本被发射到链路上。反向散射的返回信号通过同一干涉计，这使每一对脉冲副本被重新配向并且相互干涉。时变扰动可能不同地影响了一对脉冲副本中的各脉冲副本。结果，在后向散射的信号中可能出现了诸如阶跃的异常。根据异常的时间位置，来估计与引起该异常的扰动相关的距离。

Claims (32)

1、一种估计传输链路上的时变扰动的位置的方法，所述方法包括以下步骤：
至少部分地复制来自源的输出信号，以使得存在信号副本对；
将所述信号副本发送到所述传输链路上；
接收从所述传输链路返回的、先前发送到所述传输链路上的信号副本中的至少部分信号副本；
对所接收到的发送的信号副本对的信号副本进行组合，以产生组合信号；以及
使用所述组合信号中的时间特性来估计所述传输链路上的扰动的位置。
2、如权利要求1所述的方法，其中，所述时间特性包括所述组合信号中出现扰动特征时的时间。
3、如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，当信号副本沿所述传输链路传播时，因分布的后向散射作用使所述信号副本返回。
4、如权利要求3所述的方法，其中，所述源被配置为产生具有光脉冲形式的输出信号，随着各光脉冲沿所述传输链路传播，所述光脉冲引起在时间上分布的组合信号。
5、如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在第一组间隔开的时间位置和第二组间隔开的时间位置处对所述组合信号进行采样，并且其中，在比较步骤中比较所述第一采样组和第二采样组。
6、如权利要求5所述的方法，其中，所述第一组时间位置和第二组时间位置是交错的。
7、如权利要求5或权利要求6所述的方法，其中，所述比较步骤包括：产生至少部分地依赖于所述第一组和第二组之间的差的一组数据。
8、如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述信号副本沿光学传输链路的公用的传输介质传送。
9、如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，信号副本对的信号副本以具有相对于彼此的差分延迟的方式沿所述传输链路传播。
10、如权利要求9所述的方法，其中，在耦合到光源的非平衡干涉计处引起所述差分延迟，所述干涉计具有第一路径和第二路径，第一路径的通过时间大于第二路径的通过时间，使信号副本对的信号副本沿相互不同的各自的路径传播。
11、如权利要求10所述的方法，其中，所述干涉计具有耦合到所述源的第一耦合级，所述耦合级布置为将来自所述源的进入辐射强度的一部分沿一条路径引导，并将该进入辐射强度的另一部分沿另一路径引导，从而形成第一信号副本和第二信号副本。
12、如权利要求11所述的方法，其中，所述干涉计具有第二耦合级，用于组合来自所述第一和第二路径的辐射，并用于将所组合的辐射耦合到所述公用通信链路。
13、如权利要求12所述的方法，其中，第二耦合级将从所述第二位置返回的每个信号沿所述第一和第二路径引导，并且其中，随后在所述第一耦合级处对这样引导的信号进行组合。
14、如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述信号副本对的信号副本在第一位置处相对于彼此被延迟，并且其中，在远离第一位置的第二位置处扰动是可检测的。
15、如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述信号副本对中的每一个信号副本都被检测到的扰动所干扰。
16、如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述信号副本对的信号副本以相同的方向沿所述传输链路传播。
17、如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述输出信号具有与其相关联的平均相位相干时间，所述时间小于1皮秒。
18、如权利要求17所述的方法，其中，所述信号副本对的信号副本具有与其相关联的差分延迟时间，所述延迟时间比所述平均相位相干时间至少大1000倍。
19、如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述传输链路包括沿导轨延伸的光通道，所述导轨布置为引导车辆的运动，所述通道布置为使车辆的运动能引起沿着所述光通道的拢动。
20、如权利要求19所述的方法，其中，所述光通道的路径以一定间隔跨越导轨。
21、如权利要求19或20所述的方法，其中，所述导轨具有用于引导火车的运动的一条或更多条轨道的形式。
22、一种用于估计传输链路上的时变扰动的位置的设备，所述设备包括：
复制装置，用于至少部分地复制来自源的输出信号，以使得存在信号副本对；
发送装置，用于将所述信号副本发送到所述传输链路上；
接收装置，接收从所述传输链路返回的、先前发送到所述传输链路上的信号副本中的至少部分信号副本；
组合装置，对所接收到的发送的信号副本对的信号副本进行组合，以产生组合信号；以及
监测装置，用于监测作为时间的函数的所述组合信号。
23、如权利要求22所述的设备，其中，所述监测装置包括显示装置，该显示装置用于显示作为时间的函数的所述组合信号。
24、如权利要求22或23所述的设备，其中，设置有延迟装置用于使信号副本对的信号副本相对于彼此延迟。
25、如权利要求24所述的设备，其中，通过干涉计级来提供所述延迟装置，所述干涉计级具有第一和第二传输支路以及用于耦合到所述第一和第二支路或者从所述第一和第二支路耦合的耦合装置，并且其中，通过所述耦合装置来共同地形成用于复制输出信号的装置和用于组合接收到的信号副本的装置。
26、一种用于监测传输链路的监测站，所述监测站具有：
源，用于产生输出信号；
干涉计级，用于至少部分地复制来自所述源的输出信号，以使得对于每个输出信号，存在信号副本对；
输出端，用于将所述信号副本发射到所述传输链路上；和
处理器电路；
其中，所述干涉计级布置为从所述链路接收由分布的后向散射的作用而返回的信号副本，并且对所述信号副本进行组合以产生干涉信号，并且其中，所述处理器电路布置为与所述返回信号的时间特性的指示相关联地存储所述干涉信号。
27、如权利要求26所述的监测站，其中，所述干涉信号是随时间变化的时间分布的信号，并且其中，时间特性是所述返回信号的时间变化。
28、如权利要求26或27所述的监测站，其中，所述干涉信号是时间分布的信号，并且所述处理器电路布置为以一定间隔对所述干涉信号进行采样并与各样本的各自的返回时间相关联地存储所述样本。
29、如权利要求26至28中任一项所述的监测站，其中，所述源是光脉冲源。
30、一种用于检测运动车辆的位置的检测系统，所述检测系统具有：
导轨，用于引导车辆的运动；
光通道，其沿所述导轨延伸；和
监测设备，其耦合到所述光通道，
其中，所述光通道机械地耦合到所述导轨，以使车辆的运动引起沿着所述光通道的运动扰动，
将所述监测设备配置为：
(i)检测来自所述光通道的指示运动扰动的光信号；
(ii)估计所述光信号的至少一个时间特性；以及
(iii)根据所估计的时间特性，确定沿着所述通道的运动扰动的位置指示，从而能够检测到车辆的沿着所述导轨的位置。
31、一种用于检测沿导轨运动的车辆的位置的方法，其中，设置有沿所述导轨延伸的光通道以及耦合到所述光通道的监测设备，所述光通道机械地耦合到导轨，以使车辆的运动引起沿所述光通道的运动扰动，所述方法包括以下步骤：
(i)检测来自所述光通道的指示运动扰动的光信号；
(ii)估计所述光信号的至少一个时间特性；
(iii)根据所估计的时间特性，确定沿着所述通道的运动扰动的位置指示，和
(iv)根据沿所述光通道的扰动的位置推断出车辆的位置。
32、一种监测传输链路以检测所述链路的物理扰动的方法，所述方法包括以下步骤：
至少部分地复制来自源的输出信号，以使得存在信号副本对；
将所述信号副本发送到公用的通信链路上；
接收从所述传输链路返回的、先前发送到所述传输链路上的信号副本中的至少部分信号副本；
对所接收到的信号副本对的信号副本进行组合以产生组合信号；
监测所述组合信号以检测所述组合信号中的扰动特征，根据所述扰动特征可推断出扰动的存在；和根据所述组合信号中的时间特性，估计所述通信链路上的所述扰动的位置。
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