基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法
【专利摘要】一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，其所述方法是将周期开关键控混沌光信号发射装置发射的周期开关键控混沌光信号经光纤耦合器分为探测光和参考光，再经光环形器、待测光纤线路、光电探测器和A/D转换器，后输入信号采样存储装置对两路信号进行多次单周期采样，并进行偏移相关处理和平均处理，输入显示装置。本方法利用周期开关键控混沌光信号，以及采用偏移相关处理计算，实现了光纤故障点高精度定位，同时解决了无法测量光纤衰减及损耗的问题。
【专利说明】基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光时域反射测量方法，更详而言，是一种基于周期开关键控混沌 信号的光时域反射方法，属于光纤线路测量【技术领域】。 技术背景
[0002] 光纤通信以其通信容量大、中继距离长、抗电磁干扰等特点已成为支撑全世界海 量信息交换的最重要的技术支柱之一。包括陆地光网络以及海底光缆在内，目前全世界已 敷设光纤数亿千米。光缆几乎包围了整个地球，因而对光纤线路的检测就显得极其重要。
[0003] 对光纤的检测，除了定位光纤断裂点外，还包括对光纤中诸如弯曲、对接损耗，以 及光纤衰减的测量。其中，衰减是光纤的重要特征，对于评价光纤的质量和确定光信号再生 的中继距离起着重要的作用。
[0004] 光时域反射仪（Optical Time Domain Ref lectometer，简称 0TDR)通过观测光纤 后向瑞利散射或菲涅尔反射信号，探测光纤沿传播方向的衰减特性，进而检测、判断光纤线 路中的异常，成为光纤研究、生产、铺设以及维护过程中应用最广的测量方法。传统的0TDR 采用单个光脉冲作为探测光信号，通过检测回波脉冲到达的时间和功率发现光纤链路中的 故障点及光纤的衰减特性。该方法技术成熟、结构简单，且能同时完成对光纤衰减的测量和 对光纤故障的定位。但存在原理上的缺陷：其测量距离与空间分辨率是一对无法调和的矛 盾。要提高空间分辨率就需要采用超短光脉冲减小脉冲宽度，但这样会降低脉冲能量，进而 减少可测量距离；要提高测量距离，就要增加光脉冲的峰值功率或脉冲宽度，但前者会引起 非线性效应甚至引起光纤损伤，后者又必将降低分辨率。若不采用昂贵复杂的超短光脉冲 激光器，仅依靠现有调制技术其分辨率多在数米至数十米，盲区则更大。而若采用超短光脉 冲，则还需要结合复杂的探测技术来提高信噪比，如光频上转换结合光子计数技术和非线 性晶体的光学倍频效应等，这样又大大增加了系统复杂性、操作难度和成本，难以小型化和 便捷化。
[0005] 在先技术EP0269448、JP9026376提出的伪随机码相关法是单脉冲0TDR的重大改 进，可以调和空间分辨率与测量距离的矛盾：它利用一定码长的伪随机光脉冲序列作为探 测光，将后向反射信号与随机码进行相关运算，得到光纤各点异常情况；因此，增加码长可 增大测量距离，且不会影响空间分辨率。特别是诸如Gray码、正交码等特殊码型提高了信 噪比。然而，随机光脉冲序列的产生需要通过电随机码调制激光器，迄今为止，受电子器件 带宽瓶颈的限制，随机码相关法的空间分辨率、盲区与传统单脉冲法相比，并未明显改善。 此外，随机码相关法有限的码长也限制了测量距离的进一步增加，较高的制作成本也制约 了其适用范围。
[0006] 在先技术ZL200810054534. 7"混沌光时域反射仪及其测量方法"，提出了一种基于 混沌激光信号的互相关法实现光纤故障点检测的方法，克服了传统脉冲光时域反射仪和伪 随机码调制光时域反射仪测量盲区大的缺点，提高了故障点检测的分辨率，实现了与距离 无关的高精度测量，对于检测点与故障点的光纤长度测量已经非常精确。这种方法是将混 沌光发射装置发射的混沌光信号分为参考光与探测光，将光纤回射的探测光与参考光进行 互相关比较，实现光纤故障定位。光纤回射的探测光中包含瑞利后向散射以及光纤故障点 的菲涅耳反射，且菲涅耳反射比瑞利散射强上千倍。其装置中混沌光发射装置发出的是连 续不断的混沌光，其信号处理装置对参考信号和回射的探测信号进行互相关处理，会在产 生菲涅耳反射的故障点处出现峰值，从而得到故障点的位置。混沌时序的自相关曲线具有 理想的类δ函数图形。因进入光纤的连续混沌光信号的散射信号相互叠加，且后向散射很 微弱以及噪声的影响，连续的混沌信号与回波信号经过相关处理后无法得出瑞利散射的变 化，而瑞利散射的变化直接反映出光纤的衰减。所以此技术虽然能够获得高空间分辨率，却 无法像传统OTDR那样在定位光纤故障点的同时得到光纤衰减的信息。
【发明内容】
[0007] 本发明基于上述现有技术，提供一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方 法，在得到与距离无关的高分辨率的前提下，解决混沌光时域反射仪及其测量方法无法测 量光纤衰减信息及损耗事件的问题。
[0008] 上述问题是通过以下技术方案得以实现。
[0009] -种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，其所述方法是将周期开关键 控混沌光信号发射装置发射的周期开关键控混沌光信号经过光纤耦合器I分为两路，一路 为探测光，另一路为参考光；所述周期开关键控混沌光信号的周期范围为信号 中混沌序列长度范围为20/^~50//s ;所述探测光经光环形器发射到待测光纤线路，回射的 探测光经光环行器进入光电探测器I转换为电信号，电信号经A/D转换器I转换成数字信 号输入信号采样存储装置；参考光由光电探测器II接收，将光信号转化为电信号，再经A/D 转换器II转换成数字信号输入到信号采样存储装置；信号采样存储装置以参考信号作为触 发信号对输入的两路信号进行多次单周期采样，并存储采样数据；信号处理装置对多组采 样数据进行偏移相关处理，计算出采样所得的单周期参考信号脉冲部分数据的均值，并将 这一均值乘一个偏移系数，然后将参考信号脉冲部分数据加这个乘一偏移系数后的均值， 非脉冲部分的数据归零，最后对这一处理过的单周期参考信号与单周期回波信号数据做互 相关运算，并对运算结果进行平均处理，输入到显示装置显示。
[0010] 在上述技术方案的基础上，进一步的附加技术方案如下。
[0011] 周期开关键控混沌光信号发射装置是混沌光信号发射装置I发出的混沌光信号 经偏振控制器I后进入电光调制模块I ;周期开关键控电路I产生的周期性开关信号通过 电光调制模块I对输入的混沌光信号进行调制；电光调制模块I的输出端输出周期开关键 控混沌光信号；或者 周期开关键控电路II产生的周期性开关电信号进入混沌光发射装置II的电压输入端， 直接调制混沌光发射装置II产生周期开关键控混沌光信号；或者 非线性混沌电路产生的混沌电信号进入激光器I的电压输入端对其进行直接调制，激 光器I输出的混沌光信号经偏振控制器II进入电光调制模块II ;周期开关键控电路III产生 的周期性开关信号通过电光调制模块II对输入的混沌光信号进行调制；电光调制模块II的 输出端输出周期开关键控混沌光信号；或者 周期开关键控混沌电路产生的周期开关键控混沌电信号进入激光器II的电压输入端， 直接调制激光器II产生周期开关键控混沌光信号。
[0012] 混沌光发射装置I与混沌光发射装置II是半导体激光器外加反馈装置构成，或者 是一个半导体激光器连接到另一个半导体激光器构成。
[0013] 反馈装置是数字反射计、光纤端面镀反射膜光纤、或者是光纤光栅与可调衰减器 构成。
[0014] 光环行器还可以是光纤耦合器或者是分束器。
[0015] 本发明基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，该方法可以通过改变信号 周期长度以及脉冲的宽度来适应光纤线路的测量，由周期长度的不同来设置不同的档位， 适应不同的测量范围。
[0016] 实现本发明上述所提供的一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，与 现有技术相比，本方法利用周期开关键控混沌信号带宽高、相关性好，且具有脉冲特性的特 点，作为光纤信息测量精度高、动态范围大、测量全面，是理想的测量信号。周期开关键控混 沌光信号作为探测信号，带宽可达数十GHz，距离分辨率可达到毫米级。在使用较高精度的 光电探测器下，经过本发明所述信号处理后，探测距离可达一百公里以上。本发明既克服了 传统0TDR测量距离与空间分辨率相矛盾的原理缺陷，实现了光纤故障点定位的高精度，同 时也解决了混沌光时域反射仪及其测量方法无法测量光纤衰减及损耗事件的问题。本发明 所述采用对参考信号及探测信号进行多次单周期采样，并在进行偏移相关处理后平均，消 除了部分噪声对结果的影响。本发明所述方法采用偏移相关处理方法，解决了两路信号直 接进行互相关运算无法得到故障点信息的问题，同时消除了部分噪声的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是实现本发明方法的装置整体结构示意图。
[0018] 图2是本发明的第一实施例周期开关键控混沌光信号发射装置结构示意图。
[0019] 图3是本发明的第一实施例与第二实施例中半导体激光器构成的混沌光发射装 置结构示意图。
[0020] 图4是本发明的第二实施例周期开关键控混沌光信号发射装置结构示意图。
[0021] 图5是本发明的第三实施例周期开关键控混沌光信号发射装置结构示意图。
[0022] 图6是本发明的第四实施例周期开关键控混沌光信号发射装置结构示意图。
[0023] 图7是本发明的数据处理流程图。
[0024] 图8是本发明的测量实验结果图。
[0025] 图中：1 :周期开关键控混沌光信号发射装置；2 :光纤耦合器I ;3 :光环行器；4 : 待测光纤线路；5:光电探测器I ;6:A/D转换器I ;，7:光电探测器II ;8:A/D转换器II ; 9 :信号采样存储装置；10 :信号处理装置；11 :显示装置；12 :混沌光发射装置I ;13 :偏振 控制器I ;14:电光调制模块I ;15:周期开关键控电路I ;16:半导体激光器；17:光纤奉禹 合器II :18 :反馈装置；19 :周期开关键控电路II ;20 :混沌光发射装置II ;21 :非线性混沌 电路；22 :激光器I ;23 :偏振控制器II ;24 :电光调制模块II ;25 :周期开关键控电路III ;26 周期开关键控混沌电路；27 :激光器II。
【具体实施方式】
[0026] 为使本发明的方案以及技术效果更加清晰，下面将结合附图对本发明的具体实施 方式作进一步说明。
[0027] 第一实施例 一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法如下。周期开关键控混沌光信号 被分为两路，一路为探测光，另一路为参考光；探测光被发射到待测光纤线路4中，线路 中的散射或者反射的回波信号被转换成数字信号后输入到信号采样存储装置9 ;转换成 数字信号的参考信号同样输入到信号采样存储装置9中；经过单周期采样的两路信号输 入到信号处理装置10中。信号处理装置10对两路信号处理，设信号采集装置接收的单 周期参考信号满足的函数关系为/ω，单周期回波信号满足的函数关系为s(o ;对两路信 号进行偏移相关处理：首先将单周期参考信号分为脉冲部分/ft)及非脉冲部分/CQ，即
【权利要求】
1. 一种基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法，其所述方法是将周期开关 键控混沌光信号发射装置（1)发射的周期开关键控混沌光信号经过光纤耦合器I (2)分 为两路，一路为探测光，另一路为参考光；所述周期开关键控混沌光信号的周期范围为 信号中混沌序列长度范围为;探测光经光环形器（3)发射到待测光 纤线路（4)，回射的探测光经光环行器（3)进入光电探测器I (5)转换为电信号，电信号经 A/D转换器I (6)转换成数字信号输入信号采样存储装置（9);参考光由光电探测器II (7) 接收，将光信号转化为电信号，再经A/D转换器II (8)转换成数字信号输入到信号采样存储 装置（9);信号采样存储装置（9)以参考信号作为触发信号对输入的两路信号进行多次单周 期采样，并存储采样数据；信号处理装置（10)对多组采样数据进行偏移相关处理，计算出 采样所得的单周期参考信号脉冲部分数据的均值，并将这一均值乘一个偏移系数，然后将 参考信号脉冲部分数据加这个乘一偏移系数后的均值，非脉冲部分的数据归零，最后对这 一处理过的单周期参考信号与单周期回波信号数据做互相关运算，并对运算结果进行平均 处理，输入到显示装置（11)显示。
2. 如权利要求1所述的方法，其所述周期开关键控混沌光信号发射装置（1)是混沌光 信号发射装置I (12)发出的混沌光信号经偏振控制器I (13)后进入电光调制模块I (14); 周期开关键控电路I (15)产生的周期性开关信号通过电光调制模块I (14)对输入的混沌 光信号进行调制；电光调制模块I (14)的输出端输出周期开关键控混沌光信号；或者 周期开关键控电路II (19)产生的周期性开关电信号进入混沌光发射装置II (20)的电 压输入端，直接调制混沌光发射装置II (20)产生周期开关键控混沌光信号；或者 非线性混沌电路（21)产生的混沌电信号进入激光器I (22)的电压输入端对其进行直 接调制，激光器I (22)输出的混沌光信号经偏振控制器II (23)进入电光调制模块II (24); 周期开关键控电路111(25)产生的周期性开关信号通过电光调制模块II (24)对输入的混沌 光信号进行调制；电光调制模块II (24)的输出端输出周期开关键控混沌光信号；或者 周期开关键控混沌电路（26)产生的周期开关键控混沌电信号进入激光器II (27)的电 压输入端，直接调制激光器II (27)产生周期开关键控混沌光信号。
3. 如权利要求1所述的方法，其所述混沌光发射装置I (12)与混沌光发射装置II (20) 是半导体激光器（16)外加反馈装置（18)构成，或者是一个半导体激光器（16)连接到另一 个半导体激光器构成。
4. 如权利要求1所述的方法，其所述反馈装置（18)是数字反射计、光纤端面镀反射膜 光纤、或者是光纤光栅与可调衰减器构成。
5. 如权利要求1所述的方法，其所述光环行器（3)还可以是光纤耦合器或者是分束器。
【文档编号】H04B10/071GK104158587SQ201410317897
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】王云才, 王安帮, 王冰洁, 张明江, 董翔宇, 赵彤, 徐航 申请人:太原理工大学