ES2757811T3 - Spectrally efficient optical reflectometry in the frequency domain using I / Q detection - Google Patents
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Abstract
Un sistema (20) de reflectometría de fibra óptica, comprendiendo el sistema: una fuente óptica (40), que está configurada para generar una señal de interrogación óptica que se transmite por una fibra óptica (24); un módulo de detección de pulsos, que está configurado para recibir de la fibra óptica (24) una señal de retrodispersión óptica en respuesta a la señal de interrogación óptica, y para mezclar la señal de retrodispersión óptica con una réplica de referencia de la señal de interrogación óptica usando mezclado en-fase/cuadratura (I/Q), con el fin de producir una señal de pulso compleja que tiene componentes en-fase (I) y en cuadratura (Q); y un procesador (36), que está configurado para detectar uno o más eventos que afectan la fibra óptica mediante el análisis de los componentes I y Q de la señal de pulso compleja, caracterizado porque: el procesador está configurado para analizar la señal de pulso compleja definiendo en la señal de pulso compleja al menos: un primer intervalo de tiempo, durante el cual se garantiza que una frecuencia instantánea de la señal de retrodispersión óptica sea menor que la frecuencia instantánea de la réplica de referencia; y un segundo intervalo de tiempo, durante el cual se garantiza que la frecuencia instantánea de la señal de retrodispersión óptica sea mayor que la frecuencia instantánea de la réplica de referencia.A fiber optic reflectometry system (20), the system comprising: an optical source (40), which is configured to generate an optical interrogation signal that is transmitted by an optical fiber (24); a pulse detection module, which is configured to receive from the optical fiber (24) an optical backscatter signal in response to the optical interrogation signal, and to mix the optical backscatter signal with a reference replica of the signal optical interrogation using in-phase / quadrature (I / Q) mixing, in order to produce a complex pulse signal having in-phase (I) and quadrature (Q) components; and a processor (36), which is configured to detect one or more events that affect the optical fiber by analyzing the I and Q components of the complex pulse signal, characterized in that: the processor is configured to analyze the pulse signal complex by defining in the complex pulse signal at least: a first time interval, during which an instantaneous frequency of the optical backscatter signal is guaranteed to be less than the instantaneous frequency of the reference replica; and a second time interval, during which the instantaneous frequency of the optical backscatter signal is guaranteed to be greater than the instantaneous frequency of the reference replica.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Reflectometría óptica espectralmente eficiente en el dominio de la frecuencia usando detección I/QSpectrally efficient optical reflectometry in the frequency domain using I / Q detection
Campo de la invenciónField of the Invention
En general, la presente invención se refiere a reflectometría de fibra óptica y, en particular, a procedimientos y sistemas de reflectometría de fibra óptica usando detección en-fase/cuadratura (I/Q).In general, the present invention relates to fiber optic reflectometry and, in particular, to methods and systems of fiber optic reflectometry using in-phase / quadrature (I / Q) detection.
Antecedentes de la invenciónBackground of the Invention
Las técnicas de reflectometría de fibra óptica se usan para detectar y analizar degradaciones y eventos que afectan las propiedades ópticas de una fibra óptica. Diversas técnicas de reflectometría de fibra óptica son conocidas den la técnica. Tales técnicas se describen, por ejemplo, por Takada et al., en “New measurement system for fault location in optical waveguide devices based on an interferometric technique (Nuevo sistema de medición para localización de fallos en dispositivos de guías de ondas ópticas basados en una técnica interferométrica)”, Óptica Aplicada, volumen 26, número 9, 1987, páginas 1603-1606; por Bamoski y Jensen, en “Fiber waveguides: a novel technique for investigating attenuation characteristics (Guías de ondas de fibra: una técnica novedosa para investigar las características de atenuación)”, Óptica Aplicada, volumen 15, número 9, 1976, páginas 2112-2115; y por Bar-Am et al., en “OFDR with double interrogation for dynamic quasidistributed sensing (OFDR con doble interrogación para detección dinámica cuasi distribuida)”, Optics Express, volumen 22, número 3, 2014, páginas 2299-2308.Fiber optic reflectometry techniques are used to detect and analyze degradations and events that affect the optical properties of an optical fiber. Various techniques of fiber optic reflectometry are known in the art. Such techniques are described, for example, by Takada et al., In “New measurement system for fault location in optical waveguide devices based on an interferometric technique (New measurement system for fault location in optical waveguide devices based on an interferometric technique) ”, Applied Optics, volume 26, number 9, 1987, pages 1603-1606; by Bamoski and Jensen, in “Fiber waveguides: a novel technique for investigating attenuation characteristics”, Applied Optics, volume 15, number 9, 1976, pages 2112- 2115; and by Bar-Am et al., in “OFDR with double interrogation for dynamic quasidistributed sensing (OFDR with double interrogation for quasi-distributed dynamic detection)”, Optics Express, volume 22, number 3, 2014, pages 2299-2308.
Ejemplos adicionales de esquemas de reflectometría de fibra óptica se describen por Arbel y Eyal, en “Dynamic optical frequency domain reflectometry (Reflectometría óptica dinámica en el dominio de la frecuencia)”, Optics Express, volumen 22, número 8, 2014, páginas 8823-8830; y por Zhang y Bao, en “Distributed optical fiber vibration sensor based on spectrum analysis of Polarization-OTDR system (Sensor de vibración de fibra óptica distribuida basado en análisis de espectro del sistema Polarization-OTDR)”, Optics Express, volumen 16, número 14, 2008, páginas 10240-10247.Additional examples of fiber optic reflectometry schemes are described by Arbel and Eyal, in “Dynamic optical frequency domain reflectometry”, Optics Express, volume 22, number 8, 2014, pages 8823- 8830; and by Zhang and Bao, in "Distributed optical fiber vibration sensor based on spectrum analysis of Polarization-OTDR system", Optics Express, volume 16, issue 14, 2008, pages 10240-10247.
Algunas técnicas de reflectometría de fibra óptica se basan en la reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR). Los esquemas basados en OTDR se describen, por ejemplo, por Juárez et al., en “Distributed fiber-optic intrusion sensor system (Sistema distribuido de sensores de intrusión de fibra óptica)”, Journal of Lightwave Technology, volumen 23, número 6, 2005, páginas 2081-2087; y por Yuelan et al., en “Distributed vibration sensor based on coherent detection of phase-OTDR (Sensor de vibración distribuida basado en la detección coherente de fase-OTDR)”, Journal of Lightwave Technology, volumen 28, número 22, 2010, páginas 3243-3249. Otras técnicas de reflectometría de fibra óptica se basan en la reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia (OFDR). Los esquemas basados en OFDR se describen, por ejemplo, en los artículos de Bar-Am et al. y de Arbel y Eyal, citados anteriormente, así como por Ito et al., en “Long-range coherent OFDR with light source phase noise compensation (OFDR coherente de largo alcance con compensación de ruido de fase de fuente de luz)”, Journal of Lightwave Technology, volumen 30, número 8, 2012, páginas 1015-1024.Some fiber optic reflectometry techniques rely on time domain optical reflectometry (OTDR). OTDR-based schemes are described, for example, by Juárez et al., In "Distributed fiber-optic intrusion sensor system", Journal of Lightwave Technology, volume 23, number 6, 2005, pages 2081-2087; and by Yuelan et al., in “Distributed vibration sensor based on coherent detection of phase-OTDR,” Journal of Lightwave Technology, volume 28, number 22, 2010, pages 3243-3249. Other fiber optic reflectometry techniques are based on frequency domain optical reflectometry (OFDR). OFDR-based schemes are described, for example, in the articles by Bar-Am et al. and from Arbel and Eyal, cited above, as well as by Ito et al., in “Long-range coherent OFDR with light source phase noise compensation (OFDR coherent long-range with light source phase noise compensation)”, Journal of Lightwave Technology, volume 30, number 8, 2012, pages 1015-1024.
En el artículo titulado “Reflectometría óptica dinámica en el dominio de la frecuencia” de Dror Arbel et al. publicado en Optics Express, volumen 22, no. 8, se divulga un sistema de reflectometría óptica dinámica en el dominio de la frecuencia que permite la detección acústica en tiempo real, de largo alcance, a una alta tasa de muestreo. El sistema se basa en un láser de escaneo rápido y un esquema de detección coherente. La detección distribuida se obtiene al sondear la luz retrodispersada de Rayleigh. El sistema se probó mediante la interrogación de una fibra monomodo del tipo de comunicación de 10 km y detectó con éxito impulsos localizados y excitaciones sinusoidales.In the article entitled "Dynamic Optical Reflectometry in the Frequency Domain" by Dror Arbel et al. published in Optics Express, volume 22, no. 8, a dynamic frequency-reflective optical reflectometry system is disclosed that enables long-range, real-time acoustic detection at a high sampling rate. The system is based on a fast scanning laser and a consistent detection scheme. Distributed detection is obtained by probing backscattered Rayleigh light. The system was tested by interrogating a 10 km single-mode communication type fiber and successfully detected localized impulses and sinusoidal excitations.
Sumario de la invenciónSummary of the invention
Una realización de la presente invención que se describe en la presente memoria descriptiva proporciona un sistema para reflectometría de fibra óptica. El sistema incluye una fuente óptica, un módulo de detección de pulsos y un procesador. La fuente óptica está configurada para generar una señal de interrogación óptica que se transmite por una fibra óptica. El módulo de detección de pulsos está configurado para recibir de la fibra óptica una señal de retrodispersión óptica en respuesta a la señal de interrogación óptica, y para mezclar la señal de retrodispersión óptica con una réplica de referencia de la señal de interrogación óptica usando mezclado enfase/cuadratura (I/Q), para producir una señal de pulso compleja que tiene componentes en-fase (I) y en cuadratura (Q). El procesador está configurado para detectar uno o más eventos que afectan la fibra óptica mediante el análisis de los componentes I y Q de la señal de pulso compleja. El procesador está configurado para analizar la señal de pulso compleja definiendo en la señal de pulso compleja al menos: un primer intervalo de tiempo, durante el cual se garantiza que una frecuencia instantánea de la señal de retrodispersión óptica sea menor que la frecuencia instantánea de la réplica de referencia; y un segundo intervalo de tiempo, durante el cual se garantiza que la frecuencia instantánea de la señal de retrodispersión óptica sea mayor que la frecuencia instantánea de la réplica de referencia.An embodiment of the present invention described in the present specification provides a system for fiber optic reflectometry. The system includes an optical source, a pulse detection module, and a processor. The optical source is configured to generate an optical interrogation signal that is transmitted over an optical fiber. The pulse detection module is configured to receive an optical backscatter signal in response to the optical interrogation signal from the optical fiber, and to mix the optical backscatter signal with a reference replication of the optical interrogation signal using phase mixing / quadrature (I / Q), to produce a complex pulse signal that has in-phase (I) and quadrature (Q) components. The processor is configured to detect one or more events affecting the optical fiber by analyzing the I and Q components of the complex pulse signal. The processor is configured to analyze the complex pulse signal by defining in the complex pulse signal at least: a first time interval, during which an instantaneous frequency of the optical backscatter signal is guaranteed to be less than the instantaneous frequency of the reference replica; and a second time interval, during which The instantaneous frequency of the optical backscatter signal is guaranteed to be greater than the instantaneous frequency of the reference replica.
En una realización, la señal de interrogación óptica incluye una señal de fluctuación de longitud de onda ('chirp') periódica. En una realización divulgada, el módulo de detección de pulsos incluye un híbrido óptico de 90° configurado para realizar el mezclado I/Q. En una realización a modo de ejemplo, el módulo de detección de pulsos incluye un par de detectores ópticos que están configurados para detectar los componentes I y Q de la señal de pulso compleja.In one embodiment, the optical interrogation signal includes a periodic wavelength jitter ("chirp") signal. In a disclosed embodiment, the pulse detection module includes a 90 ° optical hybrid configured to perform I / Q mixing. In an exemplary embodiment, the pulse detection module includes a pair of optical detectors that are configured to detect the I and Q components of the complex pulse signal.
En una realización a modo de ejemplo, el procesador está configurado para calcular un perfil de retrodispersión de la fibra óptica mediante: calcular una primera transformada compleja en el dominio de la frecuencia de la señal de pulso compleja en el primer intervalo de tiempo, y retener solo una parte de frecuencia positiva de la primera transformada compleja en el dominio de la frecuencia; y calcular una segunda transformada compleja en el dominio de la frecuencia de la señal de pulso compleja en el segundo intervalo de tiempo, y retener solo una parte de frecuencia negativa de la segunda transformada compleja en el dominio de la frecuencia. En una realización, el procesador está configurado para detectar los eventos en una primera parte de la fibra óptica en base a la primera transformada compleja en el dominio de la frecuencia, y para detectar los eventos en una segunda parte de la fibra óptica en base a la segunda transformada compleja en el dominio de la frecuencia. En algunas realizaciones, la fuente óptica está configurada para generar la señal de interrogación óptica con una tasa de repetición de escaneo fscan, en la que una longitud de la fibra óptica se denota L, en la que una velocidad de la luz en la fibra óptica se denota v, y en la que el procesador está configurado para detectar el evento mientras fscanL < v/2. En una realización, el procesador está configurado para detectar el evento mientras v/4 < fscanL < v/2. In an exemplary embodiment, the processor is configured to calculate a backscatter profile of the optical fiber by: calculating a complex first transform in the frequency domain of the complex pulse signal in the first time interval, and retaining only a positive frequency part of the first complex transform in the frequency domain; and calculating a second complex transform in the frequency domain of the complex pulse signal in the second time interval, and retaining only a negative frequency portion of the second complex transform in the frequency domain. In one embodiment, the processor is configured to detect events in a first part of the optical fiber based on the first complex transform in the frequency domain, and to detect events in a second part of the optical fiber based on the second complex transform in the frequency domain. In some embodiments, the optical source is configured to generate the optical interrogation signal with a repeat scan rate f scan , where a length of the optical fiber is denoted L, where a speed of light in the fiber Optical is denoted v, and where the processor is configured to detect the event while f scan L < v / 2. In one embodiment, the processor is configured to detect the event while v / 4 < f scan L < v / 2.
En algunas realizaciones, la fibra óptica es parte de un sistema de comunicación óptica, y el uno o más eventos incluyen un fallo en la fibra óptica. En otras realizaciones, la fibra óptica es parte de un sistema de defensa perimetral, y uno o más eventos incluyen una violación del sistema de defensa perimetral. En otras realizaciones adicionales, la fibra óptica se instala en una infraestructura de servicios públicos, y el uno o más eventos incluyen un fallo en la infraestructura de servicios públicos.In some embodiments, the optical fiber is part of an optical communication system, and the one or more events include a failure in the optical fiber. In other embodiments, the fiber optic is part of a perimeter defense system, and one or more events include a violation of the perimeter defense system. In other additional embodiments, the fiber optic is installed in a utility infrastructure, and the one or more events include a failure in the utility infrastructure.
Adicionalmente, de acuerdo con una realización de la presente invención, se proporciona un procedimiento para reflectometría de fibra óptica. El procedimiento incluye transmitir una señal de interrogación óptica por una fibra óptica, recibir de la fibra óptica una señal de retrodispersión óptica en respuesta a la señal de interrogación óptica y mezclar la señal de retrodispersión óptica con una réplica de referencia de la señal de interrogación óptica usando mezclado en-fase/cuadratura (I/Q), para producir una señal de pulso compleja que tiene componentes en-fase (I) y en cuadratura (Q). Uno o más eventos que afectan la fibra óptica se detectan analizando los componentes I y Q de la señal de pulso compleja.Additionally, in accordance with an embodiment of the present invention, a method for fiber optic reflectometry is provided. The method includes transmitting an optical interrogation signal over an optical fiber, receiving an optical backscatter signal from the optical fiber in response to the optical interrogation signal, and mixing the optical backscatter signal with a reference replica of the optical interrogation signal. using in-phase / quadrature (I / Q) mixing, to produce a complex pulse signal that has in-phase (I) and quadrature (Q) components. One or more events that affect the optical fiber are detected by analyzing the I and Q components of the complex pulse signal.
Además, de acuerdo con una realización de la presente invención, se proporciona un sistema para reflectometría de fibra óptica. El sistema incluye una fuente óptica, un módulo de detección de pulsos y un procesador. La fuente óptica está configurada para generar una señal de interrogación óptica que se transmite por una fibra óptica. El módulo de detección de pulsos está configurado para recibir de la fibra óptica una señal de retrodispersión óptica en respuesta a la señal de interrogación óptica, para mezclar la señal de retrodispersión óptica con una réplica de referencia de la señal de interrogación óptica para producir una señal de pulso y para distinguir en la señal de pulso entre (i) un primer componente en el que la frecuencia instantánea de la señal de retrodispersión óptica es menor que la frecuencia instantánea de la réplica de referencia y (ii) un segundo componente en el que la frecuencia instantánea de la señal de retrodispersión óptica es mayor que la frecuencia instantánea de la réplica de referencia. El procesador está configurado para detectar uno o más eventos que afectan la fibra óptica mediante el análisis del primer y segundo componentes de la señal de pulso.Furthermore, in accordance with an embodiment of the present invention, a system for fiber optic reflectometry is provided. The system includes an optical source, a pulse detection module, and a processor. The optical source is configured to generate an optical interrogation signal that is transmitted over an optical fiber. The pulse detection module is configured to receive an optical backscatter signal from the optical fiber in response to the optical interrogation signal, to mix the optical backscatter signal with a reference replica of the optical interrogation signal to produce a signal pulse and to distinguish in the pulse signal between (i) a first component in which the instantaneous frequency of the optical backscatter signal is less than the instantaneous frequency of the reference replica and (ii) a second component in which the instantaneous frequency of the optical backscatter signal is greater than the instantaneous frequency of the reference replica. The processor is configured to detect one or more events that affect the optical fiber by analyzing the first and second components of the pulse signal.
Además, de acuerdo con una realización de la presente invención, también se proporciona un procedimiento para reflectometría de fibra óptica. El procedimiento incluye transmitir una señal de interrogación óptica por una fibra óptica, recibir de la fibra óptica una señal de retrodispersión óptica en respuesta a la señal de interrogación óptica y mezclar la señal de retrodispersión óptica con una réplica de referencia de la señal de interrogación óptica, con el fin de producir una señal de pulso. Se hace una distinción en la señal de pulso entre (i) un primer componente en el que una frecuencia instantánea de la señal de retrodispersión óptica es menor que la frecuencia instantánea de la réplica de referencia y (ii) un segundo componente en el que la frecuencia instantánea de la señal de retrodispersión óptica es mayor que la frecuencia instantánea de la réplica de referencia. Uno o más eventos que afectan a la fibra óptica se detectan analizando el primer y segundo componentes de la señal de pulso.Furthermore, according to an embodiment of the present invention, a method for fiber optic reflectometry is also provided. The method includes transmitting an optical interrogation signal over an optical fiber, receiving an optical backscatter signal from the optical fiber in response to the optical interrogation signal, and mixing the optical backscatter signal with a reference replica of the optical interrogation signal. , in order to produce a pulse signal. A distinction is made in the pulse signal between (i) a first component in which an instantaneous frequency of the optical backscatter signal is less than the instantaneous frequency of the reference replica and (ii) a second component in which the Instantaneous frequency of the optical backscatter signal is greater than the instantaneous frequency of the reference replica. One or more events that affect the optical fiber are detected by analyzing the first and second components of the pulse signal.
La presente invención se entenderá más completamente a partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones de la misma, tomada junto con los dibujos, en los que: The present invention will be more fully understood from the following detailed description of the embodiments thereof, taken in conjunction with the drawings, in which:
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
La Figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra esquemáticamente un sistema de reflectometría de fibra óptica que usa detección I/Q, de acuerdo con una realización de la presente invención;FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a fiber optic reflectometry system using I / Q detection, in accordance with an embodiment of the present invention;
La Figura 2A es un gráfico que muestra frecuencias de señal instantáneas en función del tiempo en un sistema de reflectometría de fibra óptica que usa detección de señal real;Figure 2A is a graph showing instantaneous signal frequencies as a function of time in a fiber optic reflectometry system using real signal detection;
La Figura 2B es un gráfico que muestra frecuencias de señal instantáneas en función del tiempo en un sistema de reflectometría de fibra óptica que usa detección I/Q, de acuerdo con una realización de la presente invención; yFIG. 2B is a graph showing instantaneous signal frequencies as a function of time in a fiber optic reflectometry system using I / Q detection, in accordance with an embodiment of the present invention; and
La Figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra esquemáticamente un procedimiento para reflectometría de fibra óptica que usa detección I/Q, de acuerdo con una realización de la presente invención.Figure 3 is a flow diagram schematically illustrating a method for fiber optic reflectometry using I / Q detection, in accordance with an embodiment of the present invention.
Descripción detallada de realizacionesDetailed description of realizations
Descripción generalGeneral description
Las realizaciones de la presente invención que se describen en la presente memoria descriptiva proporcionan procedimientos y sistemas mejorados para reflectometría de fibra óptica. Las técnicas divulgadas se pueden utilizar para implementar diversos tipos de sensores para su uso en una amplia variedad de aplicaciones. Las aplicaciones de ejemplo incluyen monitoreo de redes ópticas, defensa perimetral, así como monitoreo de infraestructuras tales como tuberías, ferrocarriles y carreteras, por nombrar solo algunas.The embodiments of the present invention described in the present specification provide improved methods and systems for fiber optic reflectometry. The disclosed techniques can be used to implement various types of sensors for use in a wide variety of applications. Sample applications include optical network monitoring, perimeter defense, as well as infrastructure monitoring such as pipelines, railways, and roads, to name but a few.
En las realizaciones divulgadas, un sistema de reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia (OFDR) genera una señal de interrogación óptica en una fibra óptica de longitud L. La señal de interrogación comprende una señal óptica periódica cuya longitud de onda instantánea varía en función del tiempo y tiene una tasa de repetición fscan. Una señal óptica retrodispersada se recibe desde la fibra en respuesta a la señal de interrogación. El sistema mezcla ópticamente la señal de retrodispersión con una réplica de referencia de la señal de interrogación para producir una señal de pulso. El sistema detecta y digitaliza la señal de pulso, y la transforma en el dominio de frecuencia, para producir un perfil de retrodispersión en el dominio de frecuencia de la fibra. Posteriormente, el sistema analiza el perfil de retrodispersión según la aplicación.In the disclosed embodiments, a frequency domain optical reflectometry (OFDR) system generates an optical interrogation signal on an optical fiber of length L. The interrogation signal comprises a periodic optical signal whose instantaneous wavelength varies as a function of time and has a fscan repetition rate. A backscattered optical signal is received from the fiber in response to the interrogation signal. The system optically mixes the backscatter signal with a reference replica of the interrogation signal to produce a pulse signal. The system detects and digitizes the pulse signal, and transforms it into the frequency domain, to produce a backscatter profile in the fiber's frequency domain. Subsequently, the system analyzes the backscatter profile according to the application.
Como se mostrará a continuación, si el mezclado óptico y la posterior detección de la señal de pulso se realizan utilizando un esquema de receptor de señal real, la longitud de la fibra y la tasa de repetición de escaneo deben satisfacer fscanL < v/4, en el que v denota la velocidad de la luz en la fibra. Por lo tanto, la fibra más larga o la tasa de repetición de escaneo más rápida se logran cuando fscanL = v/4. As will be shown below, if optical mixing and subsequent pulse signal detection are performed using a real signal receiver scheme, the fiber length and scan repeat rate must satisfy fscanL < v / 4, where v denotes the speed of light in the fiber. Therefore, the longest fiber or the fastest scan repeat rate is achieved when fscanL = v / 4.
En contraste, en las realizaciones de la presente invención el mezclado óptico y la detección posterior se realizan usando un esquema de receptor de señal compleja en-fase/cuadratura (I/Q). En algunas realizaciones, el sistema mezcla la señal de retrodispersión con la señal de referencia usando un híbrido óptico de 90° y detecta la señal de pulso usando un par de detectores ópticos balanceados en cuadratura.In contrast, in the embodiments of the present invention optical mixing and post detection are performed using a complex in-phase / quadrature (I / Q) signal receiver scheme. In some embodiments, the system mixes the backscatter signal with the reference signal using a 90 ° optical hybrid and detects the pulse signal using a pair of quadrature balanced optical detectors.
Como se explicará en detalle a continuación, el esquema de detección I/Q permite al sistema distinguir entre frecuencias de pulso positivas y negativas. Como resultado, el límite superior del producto fscanL se duplica en relación con la detección de señal real. En otras palabras, cuando se usa el esquema I/Q divulgado, la fibra más larga o la tasa de repetición de escaneo más rápida se logran cuando fscanL = v/2. As will be explained in detail below, the I / Q detection scheme allows the system to distinguish between positive and negative pulse frequencies. As a result, the upper limit of the fscanL product is doubled relative to actual signal detection. In other words, when using the disclosed I / Q scheme, the longest fiber or fastest scan repeat rate is achieved when fscanL = v / 2.
En resumen, los procedimientos y sistemas descritos en la presente memoria descriptiva usan mezclado y detección ópticos I/Q para proporcionar un aumento considerable en la tasa de repetición de escaneo y la longitud de fibra alcanzables, sin degradación en la resolución espacial u otro rendimiento. Las técnicas divulgadas son particularmente beneficiosas en aplicaciones de detección dinámica, es decir, aplicaciones que requieren detección con una alta tasa de actualización.In summary, the procedures and systems described herein use I / Q optical mixing and detection to provide a considerable increase in achievable scan repetition rate and fiber length, without degradation in spatial resolution or other performance. The disclosed techniques are particularly beneficial in dynamic detection applications, that is, applications that require detection with a high refresh rate.
Descripción del sistemaSystem description
La Figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra esquemáticamente un sistema de reflectometría de fibra óptica 20 que usa detección I/Q, de acuerdo con una realización de la presente invención. El sistema 20 transmite una señal óptica a través de una fibra óptica 24, denominada fibra de detección, y analiza la señal óptica reflejada desde la fibra.Figure 1 is a block diagram schematically illustrating a fiber optic reflectometry system 20 using I / Q detection, in accordance with an embodiment of the present invention. System 20 transmits an optical signal through an optical fiber 24, called a detection fiber, and analyzes the reflected optical signal from the fiber.
En particular, el sistema 20 detecta la retrodispersión desde varios reflectores en varios puntos a lo largo de la fibra 24, y estima las ubicaciones a lo largo de la fibra en las que se produce dicha retrodispersión. La retrodispersión puede ser causada por fallos mecánicos permanentes o transitorios o deformaciones en la fibra, o por cualquier otro fenómeno o evento adecuado que afecte las propiedades ópticas de la fibra en ciertos puntos. La detección y el análisis de la retrodispersión pueden servir como base para una amplia variedad de aplicaciones de detección, como se explicará a continuación. In particular, system 20 detects backscatter from various reflectors at various points along fiber 24, and estimates the locations along the fiber where such backscatter occurs. Backscatter can be caused by permanent or transient mechanical failure or deformation of the fiber, or by any other suitable phenomenon or event that affects the optical properties of the fiber at certain points. Backscatter detection and analysis can serve as the basis for a wide variety of detection applications, as will be explained below.
En el presente ejemplo, el sistema 20 comprende un generador de forma de onda 28, una unidad de interrogación óptica 32 y un procesador de análisis 36. La unidad de interrogación óptica comprende un láser de escaneo 40, un divisor óptico 44, un circulador 48, un híbrido óptico de 90° 52 y un par de detectores ópticos balanceados 56A y 56B (también denominados receptores ópticos). El híbrido 52 también se puede denominar como híbrido, mezclador, demodulador o convertidor descendente I/Q o en cuadratura.In the present example, system 20 comprises a waveform generator 28, an optical interrogation unit 32, and an analysis processor 36. The optical interrogation unit comprises a scanning laser 40, an optical splitter 44, a circulator 48 , a 90 ° 52 optical hybrid and a pair of 56A and 56B balanced optical detectors (also called optical receivers). Hybrid 52 can also be referred to as a quadrature or I / Q hybrid, mixer, demodulator, or downconverter.
El generador de forma de onda 28 genera una forma de onda variable en el tiempo que modula la frecuencia óptica (la longitud de onda) del láser 40. Como resultado, el láser 40 genera una señal óptica cuya longitud de onda instantánea varía en función del tiempo. En el presente ejemplo, el generador de forma de onda 28 genera señales que tienen una forma de onda de diente de sierra, lo que hace que el láser 40 produzca una señal de fluctuación de longitud de onda periódica, es decir, una señal óptica periódica cuya longitud de onda instantánea cambia linealmente con el tiempo. En cada período, la frecuencia se barre sobre un intervalo de frecuencia deseado con alguna tasa de barrido predefinida.Waveform generator 28 generates a time-varying waveform that modulates the optical frequency (wavelength) of laser 40. As a result, laser 40 generates an optical signal whose instantaneous wavelength varies as a function of weather. In the present example, waveform generator 28 generates signals having a sawtooth waveform, causing laser 40 to produce a periodic wavelength jitter signal, i.e., a periodic optical signal whose instantaneous wavelength changes linearly with time. In each period, the frequency is swept over a desired frequency range with some predefined sweep rate.
Aunque la siguiente descripción se refiere principalmente a una señal óptica de fluctuación de longitud de onda lineal, en aras de la claridad, las técnicas divulgadas no se limitan en modo alguno a este tipo de señal. En el contexto de la presente patente y en las reivindicaciones, el término “señal de fluctuación de longitud de onda” se refiere a cualquier señal cuya longitud de onda instantánea varía en función del tiempo. La longitud de onda puede variar de acuerdo con cualquier función de tiempo adecuada, por ejemplo, una función lineal, polinómica, logarítmica, escalonada, pseudoaleatoria u otra.Although the following description is primarily concerned with an optical linear wavelength jitter signal, for the sake of clarity, the disclosed techniques are in no way limited to this type of signal. In the context of the present patent and in the claims, the term "wavelength jitter signal" refers to any signal whose instantaneous wavelength varies as a function of time. The wavelength can vary according to any suitable time function, for example, a linear, polynomial, logarithmic, step, pseudo-random or other function.
Como alternativa, el láser 40 bajo el control del generador de forma de onda 28 puede producir formas de onda de cualquier otra señal de escaneo adecuada, por ejemplo, una señal óptica cuya longitud de onda instantánea es una función de tiempo sinusoidal, triangular u otra función adecuada.Alternatively, laser 40 under the control of waveform generator 28 can produce waveforms of any other suitable scanning signal, for example, an optical signal whose instantaneous wavelength is a function of sinusoidal, triangular, or other time. proper function.
La señal óptica producida por el láser 40 se divide usando el divisor 44 en una señal de interrogación y una señal de referencia. La señal de interrogación se lanza en la fibra de detección 24, y se recibe una señal de retrodispersión desde la fibra en respuesta. La señal de retrodispersión recibida se mezcla con la señal de referencia para producir una señal de pulso que a su vez se analiza.The optical signal produced by laser 40 is divided using splitter 44 into an interrogation signal and a reference signal. The interrogation signal is launched on detection fiber 24, and a backscatter signal is received from the fiber in response. The received backscatter signal is mixed with the reference signal to produce a pulse signal which in turn is analyzed.
En el ejemplo de la Figura 1, la señal de interrogación se transmite a través del circulador 48 (a través de los puertos 1^2 del circulador) a la fibra 24. La señal de referencia (una réplica de referencia de la señal de interrogación) se aplica al puerto de Oscilador Local (LO) del híbrido 52. La señal de interrogación se refleja (por ejemplo, se retrodispersa) desde varios puntos a lo largo de la fibra 24. La superposición de estas reflexiones, que regresa de la fibra 24 a la unidad de interrogación 32, es una señal óptica a la que —en la presente memoria— se hace referencia como la señal retrodispersada. La señal retrodispersada pasa a través del circulador 48 (a través de los puertos 2^3 del circulador) y se aplica al puerto de señal del híbrido 52.In the example of Figure 1, the interrogation signal is transmitted through circulator 48 (through circulator ports 1 ^ 2) to fiber 24. The reference signal (a reference replica of the interrogation signal ) is applied to the Local Oscillator (LO) port of hybrid 52. The interrogation signal is reflected (eg backscattered) from various points along the fiber 24. The overlap of these reflections, which returns from the fiber 24 to interrogation unit 32, is an optical signal which is referred to herein as the backscattered signal. The backscattered signal passes through circulator 48 (through circulator ports 2 ^ 3) and is applied to hybrid 52's signal port.
El híbrido 52 tiene dos pares de fibras de salida que están conectadas respectivamente a los detectores ópticos balanceados 56A y 56B. Los detectores 56A y 56B producen señales eléctricas respectivas que representan los componentes en-fase (I) y en cuadratura (Q) de la señal de pulso (la señal retrodispersada después de que ha sufrido una conversión descendente al mezclarla con la señal de referencia). En otras palabras, los detectores 56A y 56B producen una representación de señal compleja de la luz retrodispersada en la fibra 24.Hybrid 52 has two pairs of output fibers that are respectively connected to balanced optical detectors 56A and 56B. Detectors 56A and 56B produce respective electrical signals representing the in-phase (I) and quadrature (Q) components of the pulse signal (the backscattered signal after it has undergone downconversion by mixing it with the reference signal) . In other words, detectors 56A and 56B produce a complex signal representation of the backscattered light on fiber 24.
El par de señales eléctricas (es decir, la señal de pulso compleja) producida por los detectores 56A y 56B se proporciona al procesador de análisis 36. El procesador 36 digitaliza la señal de pulso compleja y la analiza en el dominio de la frecuencia, para detectar y localizar los puntos a lo largo de la fibra 24 en los que se produce la retrodispersión. Usualmente, el procesador 36 transforma la señal de pulso en el dominio de frecuencia, por ejemplo, aplicando una transformada de Fourier, para producir un perfil de retrodispersión en el dominio de frecuencia de la fibra. En términos generales, cada frecuencia de pulso (y, por lo tanto, cada intervalo de frecuencia de la transformada de Fourier) se asigna a una ubicación respectiva a lo largo de la fibra. Las funciones del procesador 36 se abordan con mayor detalle más abajo.The pair of electrical signals (ie, the complex pulse signal) produced by detectors 56A and 56B is provided to the analysis processor 36. Processor 36 digitizes the complex pulse signal and analyzes it in the frequency domain, to detect and locate points along fiber 24 where backscatter occurs. Usually, processor 36 transforms the pulse signal in the frequency domain, for example, applying a Fourier transform, to produce a backscatter profile in the frequency domain of the fiber. Generally speaking, each pulse frequency (and therefore each frequency interval of the Fourier transform) is assigned to a respective location along the fiber. The functions of processor 36 are discussed in greater detail below.
La configuración del sistema 20 que se muestra en la Figura 1 es una configuración de ejemplo, que se elige únicamente por razones de claridad conceptual. En realizaciones alternativas, se puede usar cualquier otra configuración adecuada del sistema. En el presente contexto, el generador de forma de onda 28 y el láser 40 se denominan conjuntamente como fuente óptica. El híbrido 52 y los detectores 56A y 56B se denominan conjuntamente como un módulo de detección de pulsos. En realizaciones alternativas, el sistema 20 puede implementarse usando cualquier otra configuración adecuada de la fuente óptica y/o el módulo de detección de pulsos.The configuration of system 20 shown in Figure 1 is an example configuration, which is chosen only for reasons of conceptual clarity. In alternative embodiments, any other suitable system configuration can be used. In the present context, waveform generator 28 and laser 40 are collectively referred to as an optical source. Hybrid 52 and detectors 56A and 56B are collectively referred to as a pulse detection module. In alternative embodiments, system 20 can be implemented using any other suitable configuration of the optical source and / or the pulse detection module.
Los diferentes elementos del sistema 20 pueden implementarse usando diversos componentes de hardware ópticos y/o electrónicos, integrados o discretos adecuados. En una realización a modo de ejemplo, la fibra 24 comprende una fibra Corning SMF-28, el láser 40 comprende un láser por Koheras Adjustik de NKT Photonics, el divisor 44 comprende un dispositivo TW1550R5A2 proporcionado por Thorlabs, el circulador 48 comprende un dispositivo 6015-3-APC proporcionado por Thorlabs, el híbrido 52 comprende un dispositivo COH24-X proporcionado por Kylia, los detectores 56A y 56B comprenden dispositivos PDB470C-AC proporcionados por Thorlabs. En realizaciones alternativas, sin embargo, se puede usar cualquier otro componente adecuado.The different elements of the system 20 can be implemented using various suitable optical and / or electronic, integrated or discrete hardware components. In an exemplary embodiment, fiber 24 comprises a Corning SMF-28 fiber, laser 40 comprises a Koheras Adjustik laser from NKT Photonics, splitter 44 comprises a TW1550R5A2 device provided by Thorlabs, circulator 48 comprises a device 6015-3-APC provided by Thorlabs, hybrid 52 comprises a COH24-X device provided by Kylia, detectors 56A and 56B comprise PDB470C-AC devices provided by Thorlabs. In alternative embodiments, however, any other suitable component can be used.
Algunos elementos del sistema, por ejemplo, el generador de forma de onda 28, pueden implementarse utilizando equipos de prueba estándar o modificados. Algunos elementos del sistema, por ejemplo, el procesador de análisis 36, pueden implementarse usando hardware, por ejemplo, usando uno o más Circuitos Integrados de Aplicación Específica (ASIC) o Arreglos de Compuertas Programables en Campo (FPGA), usando software o usando una combinación de hardware y elementos de software.Some elements of the system, for example, waveform generator 28, can be implemented using standard or modified test equipment. Some elements of the system, for example, the analysis processor 36, can be implemented using hardware, for example, using one or more Application Specific Integrated Circuits (ASIC) or Field Programmable Gate Arrays (FPGA), using software or using a combination of hardware and software elements.
En algunas realizaciones, el procesador 36 puede implementarse usando uno o más procesadores de propósito general, que están programados en software para llevar a cabo las funciones descritas en la presente memoria. El software puede descargarse a los procesadores en forma electrónica, por ejemplo, a través de una red, o puede, alternativa o adicionalmente, proporcionarse y/o almacenarse en medios tangibles no transitorios, como memorias magnéticas, ópticas o electrónicas.In some embodiments, processor 36 can be implemented using one or more general-purpose processors, which are programmed in software to carry out the functions described herein. The software may be downloaded to processors in electronic form, for example, over a network, or it may, alternatively or additionally, be provided and / or stored on tangible, non-transient media, such as magnetic, optical, or electronic memory.
Detección y análisis OFDR (I/Q) de señal real vs. señal complejaOFDR (I / Q) detection and analysis of real signal vs. complex signal
Considere una aplicación dinámica de reflectometría de fibra óptica, en la que las deformaciones o fallos de la fibra que deberían detectarse varían con el tiempo. En tales aplicaciones, la tasa de actualización, es decir, la tasa con la que se estima el perfil de retrodispersión, a menudo es una consideración importante de diseño. Normalmente existe una compensación entre la tasa a la que se transmiten los ciclos de interrogación (denominada tasa de repetición de escaneo, e indicada como fscan) y la longitud de la fibra de detección (indicada como L). Esta compensación se debe a la restricción de que, después de un ciclo de interrogación, la señal de retrodispersión resultante debe salir completamente de la fibra antes de que comience el siguiente ciclo de interrogación.Consider a dynamic application of fiber optic reflectometry, in which the fiber deformations or failures that should be detected vary over time. In such applications, the refresh rate, that is, the rate at which the backscatter profile is estimated, is often an important design consideration. There is usually a trade-off between the rate at which the interrogation cycles are transmitted (called the repeat scan rate, and indicated as f scan ) and the length of the detection fiber (indicated as L). This compensation is due to the restriction that, after one interrogation cycle, the resulting backscatter signal must completely exit the fiber before the next interrogation cycle begins.
Para cumplir con esta restricción, la tasa de repetición de escaneo y la longitud de la fibra deben satisfacer fscanL < v/2 = 108 m/s, en la que v denota la velocidad de la luz en la fibra. Por lo tanto, con todos los demás parámetros fijos, la fibra más larga y/o la tasa de repetición de escaneo más rápida se logran cuando fscanL = v/2. Como se explicó anteriormente, el sistema 20 detecta la señal de pulso (la señal óptica retrodispersada después de mezclarla con la señal óptica de referencia) usando detección I/Q en lugar de usar detección de señal real. El esquema de detección I/Q proporciona una compensación superior de fscan, L y la resolución espacial alcanzables, en comparación con la detección de señal real. Este beneficio de rendimiento se demuestra en las Figuras 2A y 2B a continuación.To meet this restriction, the repeat scan rate and fiber length must satisfy f scan L < v / 2 = 108 m / s, where v denotes the speed of light in the fiber. Therefore, with all other fixed parameters, the longest fiber and / or the fastest scan repeat rate is achieved when f scan L = v / 2. As explained above, system 20 detects the pulse signal (the backscattered optical signal after mixing it with the reference optical signal) using I / Q detection rather than using actual signal detection. The I / Q detection scheme provides superior compensation for f scan , L, and achievable spatial resolution, compared to actual signal detection. This performance benefit is demonstrated in Figures 2A and 2B below.
Las Figuras 2A y 2B son gráficos que muestran frecuencias de señal instantáneas en función del tiempo para la detección de señal real y para la detección I/Q, respectivamente. La Figura 2B ilustra el principio de operación del sistema 20, de acuerdo con una realización de la presente invención. La Figura 2A sirve como línea de base para la comparación. En ambas figuras, el eje horizontal representa el tiempo (t), que también es proporcional a la coordenada longitudinal z a lo largo de la fibra. El eje vertical representa la frecuencia de señal instantánea (f). Ahora, se hace referencia a la Figura 2A, que ilustra un escenario de detección de señal real. Una línea 60 traza la frecuencia instantánea de la señal de referencia, y las líneas 64 y 68 trazan la frecuencia instantánea de la señal retrodispersada, durante el intervalo de tiempo 0 < t < T, en la que T = 1/fscan. Figures 2A and 2B are graphs showing instantaneous signal frequencies as a function of time for actual signal detection and for I / Q detection, respectively. Figure 2B illustrates the principle of operation of system 20, in accordance with an embodiment of the present invention. Figure 2A serves as the baseline for comparison. In both figures, the horizontal axis represents time ( t), which is also proportional to the longitudinal coordinate z along the length of the fiber. The vertical axis represents the instantaneous signal frequency (f). Now, reference is made to Figure 2A, which illustrates an actual signal detection scenario. Line 60 plots the instantaneous frequency of the reference signal, and lines 64 and 68 plot the instantaneous frequency of the backscattered signal, during the time interval 0 < t <T, where T = 1 / f scan.
Una “ventana de procesamiento” 72 se define como el intervalo de tiempo entre t = 2L/v y t = T. La ventana de procesamiento es el intervalo de tiempo en la señal de pulso detectada, sobre la que el procesador 36 estima el perfil de retrodispersión. Como se señaló anteriormente, el perfil de retrodispersión se estima usualmente calculando una transformada de Fourier de la señal de pulso entre la señal retrodispersada y la señal de referencia.A "processing window" 72 is defined as the time interval between t = 2L / v and t = T. The processing window is the time interval in the detected pulse signal, over which processor 36 estimates the profile backscatter. As noted above, the backscatter profile is usually estimated by calculating a Fourier transform of the pulse signal between the backscattered signal and the reference signal.
En el presente ejemplo, los parámetros se eligieron de modo que fscanL = v/4. Esta elección garantiza que la frecuencia instantánea de la señal retrodispersada (línea 64) sea inferior a la frecuencia instantánea de la señal de referencia (línea 60) en toda la ventana de procesamiento 72.In the present example, the parameters were chosen so that f scan L = v / 4. This choice ensures that the instantaneous frequency of the backscattered signal (line 64) is less than the instantaneous frequency of the reference signal (line 60) throughout the processing window 72.
Sin pérdida de generalidad, una frecuencia de pulso que se genera cuando la frecuencia instantánea de la señal retrodispersada es menor que la frecuencia de la señal de referencia, en la presente memoria se denomina frecuencia de pulso positiva. De manera similar, una frecuencia de pulso que se genera cuando la frecuencia instantánea de la señal retrodispersada es mayor que la frecuencia de la señal de referencia, en la presente memoria se denomina frecuencia de pulso negativa.Without loss of generality, a pulse rate that is generated when the instantaneous frequency of the backscattered signal is less than the frequency of the reference signal, is referred to herein as the positive pulse rate. Similarly, a pulse rate that is generated when the instantaneous frequency of the backscattered signal is greater than the frequency of the reference signal, is referred to herein as the negative pulse rate.
Como se puede apreciar en la Figura 2A, fscanL = v/4 es el rendimiento más alto (fibra más larga, escaneo más rápido) que se puede lograr con el esquema de detección de señal real. Si todos los demás parámetros son fijos, cualquier aumento en la longitud de la fibra L causaría la presencia de frecuencias de pulso negativas en al menos parte de la ventana de procesamiento 72. Dado que la detección de señal real no puede distinguir entre las frecuencias de pulso positivas y negativas, las frecuencias de pulso negativas en la ventana de procesamiento de la Figura 2A se consideran como solapamiento y distorsionan el cálculo del perfil de retrodispersión.As can be seen in Figure 2A, f scan L = v / 4 is the highest throughput (longest fiber, fastest scan) that can be achieved with the actual signal detection scheme. If all the other parameters are fixed, any increase in the length of the fiber L would cause the presence of negative pulse frequencies in at least part of the processing window 72. Since the actual signal detection cannot distinguish between the positive and negative pulse frequencies, the frequencies of Negative pulse rates in the processing window of Figure 2A are considered as overlap and distort the backscatter profile calculation.
Por lo tanto, en el esquema de detección de señal real de la Figura 2A, para aumentar la longitud de la fibra L es necesario reducir la tasa de repetición de escaneo fscan o disminuir el tamaño de la ventana de procesamiento 72. Sin embargo, ambas soluciones degradarían el rendimiento. La reducción de fscan degrada el rendimiento dinámico del sistema, por ejemplo, la capacidad de detectar cambios temporales en el perfil de retrodispersión. La reducción del tamaño de la ventana de procesamiento degrada la resolución espacial alcanzable.Therefore, in the actual signal detection scheme of Figure 2A, to increase the length of the fiber L it is necessary to reduce the repeat repetition rate f scan or decrease the size of the processing window 72. However, both solutions would degrade performance. Reducing f scan degrades the dynamic performance of the system, for example the ability to detect temporary changes in the backscatter profile. Reducing the size of the processing window degrades the achievable spatial resolution.
Como se demostrará usando la Figura 2B, el esquema de detección I/Q del sistema 20 permite que fscanL alcance el límite teórico fscanL = v/2, sin introducir solapamiento ni degradar la resolución espacial. En particular, a diferencia de los esquemas basados en señales reales, el sistema 20 puede generar y analizar el perfil de retrodispersión mientras v/4 < fscanL < v/2. As will be demonstrated using Figure 2B, the I / Q detection scheme of system 20 allows f scan L to reach the theoretical limit f scan L = v / 2, without introducing overlap or degrading spatial resolution. In particular, unlike real signal based schemes, system 20 can generate and analyze the backscatter profile while v / 4 < f scan L < v / 2.
En el esquema de detección del sistema 20, la fibra de detección 24 puede modelarse como un reflector distribuido cuya reflectividad se denota R(z), en la que z denota la coordenada longitudinal a lo largo de la fibra. Las señales eléctricas en-fase y en cuadratura a la salida de los detectores 56A y 56D se pueden escribir como:In the detection scheme of system 20, detection fiber 24 can be modeled as a distributed reflector whose reflectivity is denoted R ( z), where z denotes the longitudinal coordinate along the fiber. The in-phase and quadrature electrical signals at the output of detectors 56A and 56D can be written as:
LL
Q(t) = a Q (t) = a j R(z)sen\2nfpu/so(z,t)t <p(z)]dz j R (z) sin \ 2nfpu / so (z, t) t <p (z)] dz
z - 0 z - 0
en las que $(z) denota la fase acumulada por la señal de interrogación en el viaje de ida y vuelta a z y de regreso, fpuiso(z, t) denota la frecuencia de pulso que resulta de mezclar la señal retrodispersada de z con la señal de referencia, y factor de escala que depende de la capacidad de respuesta de los detectores 56A y 56B.where $ ( z) denotes the phase accumulated by the interrogation signal on the round trip to z and back, fpuiso ( z, t) denotes the pulse frequency that results from mixing the backscattered signal from z with the reference signal, and scale factor depending on the responsiveness of detectors 56A and 56B.
La frecuencia de pulso durante un período de escaneo puede escribirse como:The pulse rate during a scan period can be written as:
en la que y denota la frecuencia de barrido de frecuencia de la señal de interrogación en [Hz/seg] y v es la velocidad de la luz en la fibra. La señal de retrodispersión compleja se obtiene tomando la suma:where y denotes the frequency sweep frequency of the interrogation signal in [Hz / sec] and v is the speed of light in the fiber. The complex backscatter signal is obtained by taking the sum:
en la que R(z) = R(z)g*(t) denota el coeficiente de reflexión complejo de la fibra 24 como una función de z.where R ( z) = R ( z) g * ( t) denotes the complex reflection coefficient of fiber 24 as a function of z.
Ahora se hace referencia a la Figura 2B, que ilustra las señales en el sistema 20 cuando fscanL se establece en el valor teórico óptimo fscanL = v/2. Una línea 80 muestra la frecuencia instantánea de la señal de referencia. Las líneas 84 y 88 muestran la frecuencia instantánea de la señal de retrodispersión.Reference is now made to Figure 2B, which illustrates the signals in system 20 when fscanL is set to the optimal theoretical value fscanL = v / 2. A line 80 shows the instantaneous frequency of the reference signal. Lines 84 and 88 show the instantaneous frequency of the backscatter signal.
En el caso de la detección I/Q, se definen dos ventanas de procesamiento 92 y 96 en la señal de pulso detectada, cada una de tamaño T/2. La primera ventana de procesamiento (ventana 92, T/2 < t < T) corresponde a la mitad de la fibra 24 más cercana al sistema 20 (0 < z < L/2). A través de esta ventana, se garantiza que las frecuencias de pulso serán positivas. La segunda ventana de procesamiento (ventana 96, 0 < t < T/2) corresponde a la mitad de la fibra 24 que está más lejos del sistema 20 (L/2 < z < L). A través de esta ventana, se garantiza que las frecuencias de pulso serán negativas.In the case of I / Q detection, two processing windows 92 and 96 are defined in the detected pulse signal, each of size T / 2. The first processing window (window 92, T / 2 < t < T) corresponds to the half of the fiber 24 closest to system 20 (0 < z < L / 2). Through this window, it is guaranteed that the pulse frequencies will be positive. The second processing window (window 96, 0 < t < T / 2) corresponds to the half of fiber 24 that is furthest from system 20 ( L / 2 < z <L). Through this window, pulse frequencies are guaranteed to be negative.
En algunas realizaciones, el procesador 36 calcula el perfil de retrodispersión para la mitad cercana de la fibra 24 calculando una transformada de Fourier de la señal compleja de retrodispersión V(t) sobre la primera ventana de procesamiento (ventana 92, T/2 < t < T), y reteniendo solo los componentes de frecuencia positiva de la transformada resultante.In some embodiments, processor 36 calculates the backscatter profile for the near half of fiber 24 by calculating a Fourier transform of the complex backscatter signal V (t) over the first processing window (window 92, T / 2 < t < T), and retaining only the positive frequency components of the resulting transform.
De manera similar, el procesador 36 puede calcular el perfil de retrodispersión para la mitad distante de la fibra 24 calculando una transformada de Fourier de la señal compleja de retrodispersión V(t) sobre la segunda ventana de procesamiento (ventana 96, 0 < t < T/2), y reteniendo solo los componentes de frecuencia negativa de la transformada resultante.Similarly, processor 36 can calculate the backscatter profile for the distant half of fiber 24 by calculating a Fourier transform of the complex backscatter signal V (t) on the second processing window (window 96, 0 < t < T / 2), and retaining only the negative frequency components of the resulting transform.
La descripción de la Figura 2B anterior se refiere al caso óptimo en el que fscanL = v/2. Sin embargo, las técnicas divulgadas también se pueden usar en otros escenarios y otras opciones de parámetros que cumplen la condición fscanL < v/2. Mientras se cumpla esta condición, el procesador 36 puede dividir la señal de pulso de valor complejo detectada en una o más primeras ventanas de procesamiento (en las cuales las frecuencias de pulso son positivas) y una o más ventanas de procesamiento (en las cuales el pulso se garantiza que las frecuencias serán negativas).The description in Figure 2B above refers to the optimal case where fscanL = v / 2. However, the disclosed techniques can also be used in other scenarios and other parameter options that meet the fscanL < v / 2 condition. As long as this condition is met, processor 36 can divide the detected complex value pulse signal into one or more first processing windows (in which the pulse frequencies are positive) and one or more processing windows (in which the pulse is guaranteed to be negative frequencies).
En resumen, la comparación anterior entre la detección de señal real (Figura 2A) y la detección I/Q (Figura 2B) muestra que la detección I/Q es capaz de realizar reflectometría de fibra óptica basada en OFDR mientras aumenta el producto fscanL por hasta un factor de dos. Por ejemplo, en relación con un sistema comparable que utiliza detección de señal real, el sistema 20 puede soportar el doble de la longitud de fibra para la misma tasa de repetición de escaneo, o el doble de la tasa de repetición de escaneo para la misma longitud de fibra, sin degradar la resolución espacial.In summary, the above comparison between actual signal detection (Figure 2A) and I / Q detection (Figure 2B) shows that I / Q detection is capable of OFDR-based fiber optic reflectometry while increasing the fscanL product by up to a factor of two. For example, relative to a comparable system using actual signal detection, system 20 can support twice the fiber length for the same repeat scan rate, or twice the repeat scan rate for the same fiber length, without degrading spatial resolution.
Los inventores han verificado el rendimiento de la técnica divulgada usando una simulación por ordenador. La descripción de la configuración de la simulación y los resultados de la simulación de ejemplo se proporcionan en la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos 62/080,329, citada anteriormente.The inventors have verified the performance of the disclosed technique using a computer simulation. The description of the simulation configuration and the example simulation results are provided in US Provisional Patent Application 62 / 080,329, cited above.
La Figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra esquemáticamente un procedimiento para reflectometría de fibra óptica usando detección I/Q, de acuerdo con una realización de la presente invención. El procedimiento comienza con el generador de forma de onda 28 modulando el láser 40 con una forma de onda de fluctuación de longitud de onda, en una etapa de modulación 100. Como resultado, el láser 40 genera una señal óptica de interrogación: un tren de ciclos de interrogación cuya longitud de onda instantánea varía linealmente en función del tiempo. En una etapa de transmisión 104, el sistema 20 transmite la señal óptica de interrogación por la fibra de detección 24.Figure 3 is a flow diagram schematically illustrating a procedure for fiber optic reflectometry using I / Q detection, in accordance with an embodiment of the present invention. The procedure begins with waveform generator 28 modulating laser 40 with a wavelength jitter waveform, in a modulation step 100. As a result, laser 40 generates an optical interrogation signal: a train of interrogation cycles whose instantaneous wavelength varies linearly as a function of time. In a transmission stage 104, the system 20 transmits the optical interrogation signal through the detection fiber 24.
La señal óptica de referencia se aplica al puerto LO del híbrido 52, en una etapa de entrada de referencia 108. La señal óptica retrodispersada se aplica al puerto de señal del híbrido 52, en una etapa de entrada de retrodispersión 112. Los detectores 56A y 56B detectan las salidas I y Q del híbrido 52, respectivamente, en una etapa de detección I/Q 116. En otras palabras, los detectores 56a y 56B emiten los componentes I y Q respectivos de la señal de pulso compleja entre la señal de interrogación y la señal de referencia.The reference optical signal is applied to the LO port of hybrid 52, in a reference input stage 108. The backscattered optical signal is applied to the signal port of hybrid 52, in a backscatter input stage 112. Detectors 56A and 56B detect the I and Q outputs of hybrid 52, respectively, in an I / Q detection step 116. In other words, detectors 56a and 56B output the respective I and Q components of the complex pulse signal between the interrogation signal. and the reference signal.
En una etapa de análisis 120, el procesador 36 analiza la señal de pulso compleja en el dominio de frecuencia, como se explicó anteriormente, para identificar los reflejos que ocurren en la fibra 24. El análisis puede implicar, por ejemplo, determinar la presencia, intensidad y las coordenadas z de los reflejos en fibra 24.In an analysis step 120, the processor 36 analyzes the complex pulse signal in the frequency domain, as explained above, to identify the reflections occurring in the fiber 24. The analysis may involve, for example, determining the presence, intensity and z coordinates of fiber reflections 24.
Ejemplos de aplicacionesExamples of applications
En diversas realizaciones, los sistemas tales como el sistema 20 de la Figura 1 pueden usarse en una amplia variedad de aplicaciones que implican detectar diversos tipos de eventos que afectan a una fibra óptica. Usualmente, aunque no necesariamente, el sistema 20 se usa en aplicaciones de detección dinámica que se benefician de una rápida tasa de actualización.In various embodiments, systems such as system 20 in Figure 1 can be used in a wide variety of applications that involve detecting various types of events affecting an optical fiber. Usually, though not necessarily, system 20 is used in dynamic detection applications that benefit from a fast update rate.
En algunas realizaciones, el sistema 20 se usa para monitorear fibras ópticas en una red de comunicación óptica, por ejemplo, para detectar y localizar fallos en las fibras. En esta aplicación, los eventos detectados son usualmente fallos en la fibra óptica que afectan el rendimiento de la comunicación de la red.In some embodiments, system 20 is used to monitor optical fibers in an optical communication network, for example, to detect and locate fiber faults. In this application, the detected events are usually fiber optic failures that affect the performance of network communication.
En otras realizaciones, la fibra de detección 24 se instala como parte de un sistema de defensa perimetral para proteger un área o estructura determinada. En tales aplicaciones, los eventos detectados generalmente se relacionan con la entrada ilegítima, es decir, la violación ilegítima del sistema de defensa perimetral.In other embodiments, detection fiber 24 is installed as part of a perimeter defense system to protect a certain area or structure. In such applications, the detected events are generally related to illegitimate entry, that is, the illegitimate violation of the perimeter defense system.
En otras realizaciones, la fibra de detección 24 está instalada en algún elemento de infraestructura de servicios públicos, con el fin de detectar fallos relacionados con la fatiga u otro tipo de fallos en la infraestructura. La fibra se puede instalar, por ejemplo, en una tubería de petróleo o agua, en una línea de ferrocarril o en una carretera o puente. En este tipo de aplicación, los eventos detectados generalmente están relacionados con fallos en el elemento de infraestructura.In other embodiments, the detection fiber 24 is installed in some element of the public services infrastructure, in order to detect fatigue related failures or other types of infrastructure failures. The fiber can be installed, for example, in an oil or water pipeline, on a railway line, or on a road or bridge. In this type of application, the detected events are generally related to failures in the infrastructure element.
Las aplicaciones enumeradas anteriormente se representan únicamente a modo de ejemplo. En realizaciones alternativas, las técnicas divulgadas pueden usarse como parte de cualquier otro sistema adecuado y para cualquier otra aplicación adecuada.The applications listed above are represented by way of example only. In realizations Alternatively, the disclosed techniques can be used as part of any other suitable system and for any other suitable application.
Por lo tanto, se apreciará que las realizaciones descritas anteriormente se citan a modo de ejemplo, y que la presente invención no se limita a lo que se ha mostrado y descrito particularmente anteriormente. Por el contrario, el ámbito de la presente invención incluye tanto combinaciones como subcombinaciones de las diversas características descritas anteriormente, así como variaciones y modificaciones de las mismas que podrían ocurrírseles a los expertos en la técnica al leer la descripción anterior y que no se divulgan en el estado de la técnica. Los documentos incorporados por referencia en la presente patente deben considerarse una parte integral de la misma, excepto en la medida en que los términos se definan en dichos documentos incorporados de una manera que entre en conflicto con las definiciones hechas explícita o implícitamente en la presente memoria descriptiva, únicamente se deben considerar las definiciones en la presente memoria descriptiva. Therefore, it will be appreciated that the embodiments described above are cited by way of example, and that the present invention is not limited to what has been particularly shown and described above. Rather, the scope of the present invention includes both combinations and sub-combinations of the various features described above, as well as variations and modifications thereof which might occur to those skilled in the art upon reading the foregoing description and which are not disclosed in the state of the art. The documents incorporated by reference in this patent should be considered an integral part thereof, except to the extent that the terms are defined in such incorporated documents in a way that conflicts with the definitions made explicitly or implicitly herein. descriptive, only the definitions in this specification should be considered.
Claims (13)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201462080329P | 2014-11-16 | 2014-11-16 | |
| IL24229815 | 2015-10-27 | ||
| PCT/IB2015/058819 WO2016075672A1 (en) | 2014-11-16 | 2015-11-15 | Spectrally efficient optical frequency-domain reflectometry using i/q detection |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2757811T3 true ES2757811T3 (en) | 2020-04-30 |
Family
ID=70417285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES15859673T Active ES2757811T3 (en) | 2014-11-16 | 2015-11-15 | Spectrally efficient optical reflectometry in the frequency domain using I / Q detection |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2757811T3 (en) |
-
2015
- 2015-11-15 ES ES15859673T patent/ES2757811T3/en active Active
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