TWI482954B - 光反射測量術監測設備 - Google Patents

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TWI482954B
TWI482954B TW100110109A TW100110109A TWI482954B TW I482954 B TWI482954 B TW I482954B TW 100110109 A TW100110109 A TW 100110109A TW 100110109 A TW100110109 A TW 100110109A TW I482954 B TWI482954 B TW I482954B
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Description

光反射測量術監測設備
本發明係有關於光反射測量術量測之領域，尤其有關於量測，在此等量測之內，載帶有數字序列之光激勵信號係發送於待監測系統內，以便藉由使該等激勵信號與該等反向散射信號隨著時間而相互關聯來偵測該系統之奇異點。
於光學系統中，尤其是電信系統，諸如不均勻性、不連續性、斷裂、界面、及其他折射率變動的奇異點可藉由光反射測量術來予以定位，因為它們影響光學信號之反向散射。在這些現象上發現到已知為光學時域反射測量術(OTDR)之測量技術。OTDR技術之目的為藉由將激勵信號送入該系統及測量反向散射的回應信號中來評估待監測系統之脈衝回應。該脈衝回應可使用趨近狄拉克(Dirac)分佈之脈衝激勵信號而被直接測量。然而，此種方式會受到功率及信號雜訊比的主要限制。另一選擇係，此測量可藉由送出以良好之自相關特性為特徵的展時(time-spread)激勵信號s(t)來予以評估，即s(t)s(t)δ(t)，其中，表示相關積。在此文中，藉由WO-A-9720196來說明戈萊序列的使用。
根據一個實施例，本發明提供一種用以藉由光反射測量術來監測系統之方法，該方法包括以下步驟：回應於第一光激勵信號而接收來自該系統之第一光回應信號，該第一激勵信號載帶有第一數字序列；回應於第二光激勵信號而接收來自該系統之第二光回應信號，該第二激勵信號載帶有第二數字序列；及決定該等光回應信號及該等數字序列間之相互關係，以便偵測該系統之奇異點，其中，該第一及第二激勵信號在該光學系統內藉由波長分割多工(或WDM)而被同時發送於分開的載波波長上，且該第一及第二回應信號被同時接收於該等分開的載波波長上。
此種方法係可應用有多個類別之數字序列，用於以變化的準確度來評估光回應系統之脈衝回應，尤其是偽隨機二進位序列、雙正交序列、小波、正交鏡像濾波器、及雙極與單極戈萊碼。在呈現給與實際上完美的自相關函數之優點的序列之中，戈萊碼最常被使用於以光學反射測量術為基礎的監測技術，其使得非常精確地測量該系統之脈衝回應成為可能。
根據一個有利的實施例，該第一數字序列及第二數字序列屬於自一對雙極戈萊序列中所擷取出的一組四個單極序列。根據另一實施例，該第一數字序列及第二數字序列構成一對雙極戈萊序列。
根據一個實施例，該第一激勵信號連續地載帶有第一複數個數字序列，且該第二激勵信號連續地載帶有對應於該第一複數個數字序列之第二複數個數字序列的一個排列。此種相關於該等載波波長之資料的排列使得該等物理效應視該等波長而達到均衡成為可能，而該等物理效應可發生於該待監測系統中。
根據一個實施例，該第一數字序列、或該第一複數個數字序列個別地、及該第二數字序列、該第二複數個數字序列個別地為互相互補的。此一性質尤其使得調整或等化該等光激勵信號之總功率成為可能。在包括光學放大器之系統中，此一調整係特別有利的，因為其使得限制暫時之擾動成為可能。
此一方法可具有監測不同型式之系統的作用。根據一個實施例，該系統包括長程光學傳輸線，該光學傳輸線包括EDFA放大器，譬如海底傳輸線。
此一方法可被實行以任何數目之光激勵信號。根據一個實施例，用於載帶有代表一對雙極戈萊序列的四個單極序列之激勵信號在該光學系統內藉由波長分割多工而被同時發送，且四個對應的回應信號被同時接收於分開的載波波長上。
根據一個實施例，本發明亦提供光反射測量術監測設備，包括：發送裝置，能夠被耦接至待監測系統，以便在該待監測系統內發送載帶有第一數字序列之第一激勵信號及載帶有第二數字序列的第二激勵信號，接收裝置，能夠被耦接至該待監測系統，以便接收回應於該第一光激勵信號而來自該待監測系統的第一光回應信號、與回應於該第二光激勵信號而來自該待監測系統的第二光回應信號，及數位處理模組，能夠決定該等光回應信號與該等數字序列間之相互關係，以偵測該待監測系統之奇異點，在該光反射測量術監測設備內，該發送裝置能夠在該光學系統內沿著分開的載波波長藉由波長分割多工而同時發送該第一及第二激勵信號，且該接收裝置能夠在該等分開的載波波長上同時接收該第一及第二回應信號。
於其他有利之實施例中，此一裝置可呈現以下特徵的其中一個或多個：
-　該發送裝置包括能夠分別產生該第一數字序列及該第二數字序列之信號產生器、與用以分別在該等分開的載波波長上造成該第一激勵信號及該第二激勵信號之光源。
-　該發送裝置包括可重新組構地連接該等信號產生器至該等光源以便修改數字序列對載波波長之指定的開關。
-　該發送裝置包括波長分割多工器，用以在傳播介質內結合該第一光激勵信號及該第二光激勵信號。
-　該接收裝置包括波長解多工器，用以使該第一回應信號與該第二回應信號分離。
-　該接收裝置包括用以在該等分開的載波波長上接收該第一及第二回應信號之第一及第二同調光學接收器。
-　該接收裝置包括用以在該等分開的載波波長上接收該第一及第二回應信號之第一及第二同調二次接收器。
-　該接收裝置包括差分光學接收器，以在該等分開的載波波長上偵測該第一及第二回應信號間之差異。
-　該接收裝置包括第一及第二儲存模組，用以儲存藉由分別解調該第一及第二回應信號所獲得之數字回應序列。
-　該接收裝置包括可重新組構地連接該等光學接收器至該等儲存模組以便修改數字序列對載波波長之指定的開關。
-　命令模組被提供，以命令該接收裝置之開關及該發送裝置之開關彼此匹配，以使該第一儲存裝置專門接收對應於該第一數字序列之回應信號，且該第二儲存裝置專門接收對應於該第二數字序列之回應信號。
本發明之一些態樣源自於有各種情況之觀察，而在該等情況之下，需要在盡可能短的時間內獲得反射測量術量測，譬如，當OTDR技術被使用於找出光學通訊系統中之光纖斷裂的位置，以使其可被修理時。本發明的一些態樣源自於藉由光反射測量術以決定長系統之回應的觀察可能需要獲取及處理很多及/或長的數位序列。藉由在該光譜的多個間隔中，譬如在WDM柵格之多個通道上，較佳在彼此接近的間隔中或在通道上同時獲取多個反向散射量測，本發明的一些態樣被發現在加速處理系統的反射測量術量測之獲取的概念上。本發明的一些態樣源自於發射進入系統以獲取反射測量術量測之光功率在所偵測信號的信號雜訊比上具有決定性之影響的觀察。本發明的一些態樣被發現於在該光譜之多個間隔內分配此光功率的概念上，以便升高該功率位準，該等非線性效應可自該功率位準中斷該等信號。本發明之其他態樣源自於可為存在於光學系統、尤其是長程通訊系統內之光學放大器在約略恆定的負載之存在中最佳作用的觀察。
參考圖1，光反射測量術測量設備10被耦接至系統15，在該系統內必須獲取各種測量。該設備10包括耦接至該系統15之激勵模組11，以便如同由該箭頭13所指示地在多個波長通道上發射光激勵信號進入該系統；及耦接至該系統15之測量模組12，以便在該波長通道上接收對應於該等激勵信號之反向散射光學信號，如同由該箭頭14所指示者。該等模組11及12之耦接至該系統15可藉由功率耦合器或任何其他適當的機構，(譬如，光學循環器)來予以建構。
該系統15可包括任何光學系統，尤其是光學通訊系統，諸如被動式光學網路或此系統的一部份。於該文件的其餘部份中，一個實施例被更詳細地敘述，其中，該系統15係由局部地描述於圖6中之雙向放大WDM傳輸線20所組成。該雙向線20可被使用於非常長範圍的傳輸，諸如，用於1000至10,000公里或更長之海底連結。
該雙向線20包括二條在相反方向上之單向傳輸線28及29。該等傳輸線28及29之每一者概要地係藉由光學放大器22所連接之光纖分段21的連續部份，以便再放大所傳輸之信號，譬如，EDFA信號。二個連續放大器間之距離為譬如介於50及100公里之間。為了建立用於該等反向散射信號之返回路徑，光學橋接器26使用習知技術而被配置於該二個傳輸線28及29之間。於所描述之範例中，光學橋接器26包括用以自該傳輸線28而取得該反向散射之信號的功率耦合器23、及在該傳輸線29之內再發射該信號20的功率耦合器25、以及配置於這些功率耦合器間之光學衰減器24。類似的橋接器亦可被提供於該反向方向上。該傳輸線20可包括許多其他未被描述之元件，諸如色散補償器，其使用WDM光學傳輸之習知技術。
於一個實施例中，該激勵模組11包括圖2中所描述之激勵裝置30。裝置30包括用以產生適用於時域反射測量術量測的數字序列之信號產生器31、用以產生在分開的載波波長λ0至λ3之上調變的光學信號之光源32、及數位類比轉換器33，該等轉換器33每一次供給光源32以自產生器31的數字序列中所產生之基帶信號34。電子開關35被配置於該信號產生器31與該等轉換器33之間，以便能夠修改該等數字序列至該等載波波長之指定。命令模組39被使用來命令該開關35，譬如基於載入未被描述之記憶體的控制程式、或基於由未被描述的人機界面所提供之指令。該光源32被連接至多工器36，以便在波導管38內結合該等經調變之光學信號，該波導管係藉由光學放大器37而被連接至該傳輸線28。
於一個實施例中，該等信號產生器31之每一個分別產生四個單極分量A、|A、B、及|B，使其可能重建一對雙極戈萊序列(GA,GB)，亦即：A=1/2(1+GA)；|A=1/2(1-GA)；B=1/2(1+GB)；|B=1/2(1-GB)。
在其總和為恆定值信號之意義上，該等序列A及|A、或B及|B分別被認為是互補的。譬如，該等序列之長度可為約22 至215 個位元。
當操作時，該裝置30因此使其可能在該四個載波波長λ0至λ3之上同時發送該四個單極序列。這些光激勵信號係譬如以約100kHz之速率藉由NRZ碼來予以振幅調變。如此之同時發送的一些優點為該傳輸線20之放大器22產生約略為恆定之光功率，並使得同時自該傳輸線20中獲取對應於該等各種單極序列之回應成為可能。這一點現在將參考圖4來做說明。
於一個實施例中，該測量模組12包括圖4所描述之測量裝置40。該裝置40包括譬如藉由光學放大器42而被連接至該傳輸線29之波長解多工器41，以便回應於由該激勵裝置30所發送之激勵信號而接收由該傳輸線20所反向散射之回應信號。該等回應信號通常係在與該等激勵信號相同之波長處。該波長多工器41之輸出分別被連接至光學偵測器43，譬如，光電二極體。該解多工器41使得分開該等載波波長λ0至λ3的每一個上之回應信號與通過個別偵測器而分開地偵測它們成為可能。每一個偵測器43被連接至類比數位轉換器44，諸如，藉由電子放大器45。每一個類比數位轉換器44使得供給緩衝記憶體46(諸如，FIFO記憶體)成為可能，具有源自於取樣該對應波長上之回應信號的信號。電子開關47被配置於該等轉換器44及該等緩衝記憶體46之間，以便能夠修改回應信號至該等緩衝記憶體46之指定。命令模組50被使用來命令該開關47，譬如基於載入未被描述之記憶體的控制程式、或基於由未被描述的人機界面所提供之指令。
計算器48做成該等經取樣的回應信號與該等最初發送的數字序列間之時間計算相互關係，以便決定所研究之系統15的脈衝回應及/或找出奇異點位置，譬如，該傳輸線20之斷裂區域。為了如此做，該計算器48被連接至該等信號產生器31，以便接收數字序列，如同由該箭頭49所指示者；以及緩衝記憶體46，以便存取該等回應信號rA 、r|A 、rB 、及r|B 。於圖4中，rA 被認為是對應於載帶有序列A之激勵信號的回應信號。這些計算之數學基礎被敘述於M. Nazarathy等人的1989年1月之光波科技期刊第七冊第一號之“即時遠程互補的相互關聯光學時域反射計(Real-time Long Range Complementary Correlation Optical Time Domain Reflectometer)”中。
這些計算最好在回應信號之獲取期間進行，尤其是當該等信號之獲取期間為長的之時。譬如，可能需要持續數天之獲取期間，以評估具有令人滿意之信號雜訊比的海底傳輸線之脈衝回應。然而，於該相同時期間相關於在單一激勵信號上所發現之測量，多個波長通道之同時使用以獲取多個回應信號使得改善因數N之信號雜訊比成為可能，其中，N表示同時獲取的信號之數目。於圖4中，其中，N=4，因此在信號雜訊比中獲得3dB之增益。因此，光反射測量術中之波長分割多工的使用在偵測的收斂期間與其準確度間之比率上產生改進。
該計算器48可包括各種週邊17，諸如監視器、印表機、及/或通訊模組，以便用諸如數字、以文字為基礎、或圖形之適當的形式而對使用者顯示計算結果。儲存裝置18亦可被提供來記錄這些結果。
於一個實施例中，其中，裝置30及40兩者被包含在該設備10中，該等命令模組39及50可被合併在一起。特別是，於反射測量術測量之獲取期間，該等開關35及47可被切換至彼此相匹配，以便在不同的載波波長組織不同數字序列之排列。此一排列被描述在圖3中。
圖3代表在各種載波波長上所發送之各種數字序列，在對應於監測該傳輸線20之活動的時標(timescale)上，加上該設備10的一個實施例之輔助。該等數字序列在該反射測量術量測之獲取期間譬如被周期性地排列於時刻t1 、t2 、t3 、t4 等。視該被測試系統中之信號的衰減位準及所使用之數字序列的長度而定，可能需要依據此方案而週期性地重複大量之連續量測，以便獲得可用之信號雜訊比。於此排列方案中，所有該等序列與該互補序列被同時發送，這使得獲得約略無變動之放大器22負載成為可能。其他的排列方案使得達成類似結果成為可能。
除了該等開關35及47以外的其他機構可被提供，以便在不同的載波波長上實施本案之數字序列的排列。此一排列使得視遍及該等各種數字序列之波長而分佈該物理畸變成為可能，以便使其效果變平滑。然而，此排列並非必不可缺的。於一個實施例中，整個測量活動可被施行以在時間0與t1 之間所代表的序列之指定。
此外，圖2至4上所表示之波長頻道的使用係供舉例說明之目的用。於其他實施例中，更低或更大數目之頻道可被用來發射激勵信號及獲取回應信號。再者，僅在圖3中之傳輸線λ0及λ1說明以二個頻道來進行之方式。
同時使用在該光譜內的該等波長頻道之位置可為任何位置。然而，以此方式所獲得之系統的脈衝回應測量代表相對於藉由該等激勵信號所涵蓋之光譜間隔的平均值。此測量可因此被部份該等系統之性質，諸如色散對波長的靈敏度所破壞。因此，最好選擇相對接近在一起之波長頻道，諸如在以50或100 GHz隔開為基礎之標準柵格上的相鄰通道，以便在光譜帶內限制這些斷裂及獲得更重要的量測，其中，該光纖之物理行為以具有極少變動做為特徵。然而，如果該激勵信號之調變率維持適度的，譬如約100kb/s，則有效之色散被限制。
圖5描述可被使用作為測量模組12的測量裝置140之另一實施例。完全相同或類似於那些在圖4中者之元件被標以相同之參考數字再加上100。在此，於該等波長λ0及λ1、與分別λ2及λ3中所偵測到之回應信號進入產生偏差信號的差動放大器145內。因此，如果序列A被發送於λ0且序列|A被發送於λ1上，或者分別為B被發送於λ2且|B被發送於λ3上，此偏差信號直接代表該系統之對該雙極序列GA、或分別對GB的回應，並且在該信號處理之剩餘部份中可被如此地處理。結果為在轉換器144及記憶體146內之硬體節省。
於一個變型中，同調光學接收器可被使用於該測量模組12中。
雖然上面之實施例參考戈萊序列，其他的數字序列，譬如正交鏡像濾波器(QMF)或正交小波提供使得實際上完美地重建該系統之脈衝回應且可使用相同之方式來產生激勵信號成為可能的類似性質。
所描述之部份的該等元件，特別是該等命令模組及該等數位處理模組可被以各種形式，以獨立或分散方式，使用硬體及/或軟體組件來予以建構。可被使用之硬體組件為特定應用積體電路、現場可程式化邏輯閘陣列、或微處理器。軟體組件可被寫成各種程式語言、諸如C、C++、Java、或VHDL。此清單並非詳盡無缺的。
雖然本發明已相關於多個特定實施例來作敘述，但其本質上絕未以任何方式來限制它們，且包括所敘述之機構的所有技術同等項、以及其組合，如果該等組合落在本發明之範圍內。
動詞“包括”或“包含”及其動詞變化形式之使用不排除不同於那些在申請專利範圍中所提出之元件或步驟的存在。除非以別的方式陳述之，用於元件或步驟的不定冠詞“a”或“an”之使用不排除複數個此等元件或步驟之存在。多個機構或模組可藉由單一硬體元件來予以描述。
於該等申請專利範圍中，在括弧內之任何參考符號不應被解釋為限制該申請專利範圍。
10．．．測量設備
11．．．激勵模組
12．．．測量模組
13．．．箭頭
14．．．箭頭
15．．．系統
17．．．週邊
18．．．儲存裝置
20．．．傳輸線
21．．．光纖分段
22．．．放大器
23．．．功率耦合器
24．．．衰減器
25．．．功率耦合器
26．．．光學橋接器
28．．．傳輸線
29．．．傳輸線
30．．．激勵裝置
31．．．產生器
32．．．光源
33．．．轉換器
34．．．基帶信號
35．．．開關
36．．．多工器
37．．．放大器
38．．．波導管
39．．．命令模組
40．．．測量裝置
41．．．解多工器
42．．．放大器
43．．．偵測器
44．．．轉換器
45．．．放大器
46．．．緩衝記憶體
47．．．開關
48．．．計算器
49．．．箭頭
50．．．命令模組
140．．．測量裝置
144．．．轉換器
145．．．放大器
146．．．記憶體
本發明將會被較佳地了解，且本發明之其他目的、細節、特徵、及優點將在檢查本發明之多個特別實施例的下面敘述時變得更清楚明顯，參考所附圖面，該等實施例僅只被給與作為說明性及非限制性範例。於這些圖面中：
圖1係根據一個實施例之測量裝置被連接至放大光學傳輸線的概要功能圖。
圖2係可被使用在圖1的裝置內之激勵裝置的一個實施例之概要功能圖。
圖3係描述複數個數字序列至能夠以圖2之裝置所獲得的複數個載波波長之指定的時間-頻率圖。
圖4係可被使用在圖1的設備內之測量裝置的一個實施例之概要功能圖。
圖5係可被使用在圖1的設備內之測量裝置的另一實施例之概要功能圖。
圖6局部地描述雙向放大WDM傳輸線。

Claims (5)

  1. 一種光反射測量術監測設備(10)，包括：發送裝置(11、30)，係可操作性地耦接至待監測系統(15、20)，以便在該待監測系統內發送載帶有第一數字序列之第一激勵信號及載帶有第二數字序列的第二激勵信號；接收裝置(12、40、140)，係可操作性地耦接至該待監測系統，以便接收回應於該第一光激勵信號而來自該待監測系統的第一光回應信號、與回應於該第二光激勵信號而來自該待監測系統的第二光回應信號；及數位處理模組(48、148)，用以決定該等光回應信號與該等數字序列間之相互關係，以偵測該待監測系統之奇異點；信號產生器(31)，用以產生該第一數字序列及該第二數字序列；光源(32)，用以分別在該等分開的載波波長上造成該第一激勵信號及該第二激勵信號；及開關(35)，其將該等信號產生器可重新組構地連接至該等光源以便修改數字序列對載波波長之指定；在該光反射測量術監測設備內，該發送裝置在該光學系統內沿著分開的載波波長(λ0 、λ1 )藉由波長分割多工而同時發送該第一及第二激勵信號；以及該接收裝置在該等分開的載波波長上同時接收該第一及第二回應信號。
  2. 如申請專利範圍第1項之光反射測量術監測設備(10)，其中，該發送裝置另包括波長分割多工器(36)，用以在傳播介質內結合該第一光激勵信號及該第二光激勵信號。
  3. 如申請專利範圍第1項之光反射測量術監測設備(10)，其中，該接收裝置(40、140)另包括波長解多工器(41、141)，用以使該第一回應信號與該第二回應信號分離。
  4. 如申請專利範圍第1項之光反射測量術監測設備(10)，其中，該接收裝置另包括：第一及第二同調二次接收器(43、143)，用以在該等分開的載波波長上接收該第一及第二回應信號；第一及第二儲存模組(46、146)，用以儲存該第一及第二回應信號；以及開關(47、147)，其將該等光學接收器可重新組構地連接至該等儲存模組以便修改回應信號對儲存模組之指定。
  5. 如申請專利範圍第4項之光反射測量術監測設備(10)，另包括：命令模組(50、39)，用以命令該接收裝置之開關及該發送裝置之開關彼此匹配，以使該第一儲存裝置專門接收對應於該第一數字序列之回應信號，且該第二儲存裝置專門接收對應於該第二數字序列之回應信號。
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