CN111162839A

CN111162839A - 一种远距离高精度光纤断点位置检测方法及系统

Info

Publication number: CN111162839A
Application number: CN201911426355.6A
Authority: CN
Inventors: 曾和平; 梁焰; 刘志鹤
Original assignee: East China Normal University; Chongqing Institute of East China Normal University; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: East China Normal University; Chongqing Institute of East China Normal University; Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-05-15

Abstract

本发明涉及一种远距离高精度光纤断点位置检测方法及系统，属于光纤通信领域。其将啁啾信号分成两路相同的信号，一路作用于电光调制器调制出射激光，另一路作为参考信号送入混频器中。由激光器产生激光信号送入电光调制器调制成啁啾脉冲信号后通过环行器进入待测光纤。待测光纤中，断点处菲涅尔反射回来的光信号经过环行器后送入光纤衰减器，单光子探测器检测到衰减后的菲涅尔反射信号，输出电信号与参考啁啾信号混频，除去高频成份，傅里叶变换可获得信号的频率偏移，从而获得断点的位置信息。本发明采用啁啾脉冲调制结合光子计数，同时满足远距离和高精度的需求，最终通过检测断点菲涅尔反射回来的光信号对远距离的光纤断点进行精确的定位。

Description

一种远距离高精度光纤断点位置检测方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，特别是涉及光纤断点位置的检测技术。

背景技术

光纤通信以光波信号作为信息载体，因其传输频带宽、抗干扰性高及信号衰减小，远优于电缆、微波通信，已成为世界通信中的主要传输方式。其中，光纤作为光纤通信中的传输媒介，面临着老化、机械损坏等问题，一旦出现断点，须立即定位并进行修复，否则会导致信息丢失，给客户和运营商造成巨大的经济损失。然而，目前在光纤通信系统中，光纤的长度过长、安装环境复杂，迅速的对光纤断点精确定位是一个难题。

通常，采用光时域反射仪(OTDR)，利用光纤断点处的菲涅尔反射特性，将脉冲激光入射到光纤内，然后在接收端接收背向反射信号，通过比较发射和接收脉冲光的时间差得到光纤断点的位置。该方法，原理通俗装置简单，被广泛的使用，并已经开发出了多款成熟的商售产品，其测量距离大约为几十公里，且大部分分辨率较低。若要延长测量距离，提高激光能量，采用增大激光脉冲宽度的方案，会导致分辨率的进一步降低。引入更高灵敏度的光接收器，例如单光子探测器，能一定程度上延长测量距离，然而在长距离的测量上对分辨率的改善并不大。光频域反射仪(OFDR)，主要利用光纤中的瑞利散射，通过测量被调制的探测光产生的瑞利散射信号的频率来对散射信号进行定位的。相对于OTDR技术，OFDR具有空间分辨率高、对探测光功率要求低等优点。然而，OFDR对光源频率扫描的线性度有非常高的要求，若光源调谐存在非线性，会导致同一位置的散射信号与参考光在不同时刻产生不同的拍频，进而严重影响OFDR的空间分辨率。

发明内容

本发明针对远距离光纤断点难以精确定位、系统复杂等问题，提出一种远距离高精度光纤断点位置检测方法及系统。该方法采用啁啾脉冲调制结合光子计数的技术手段，可以同时满足远距离和高精度的需求，最终通过检测断点菲涅尔反射回来的光信号对远距离的光纤断点进行精确的定位。

本发明的技术方案如下：

一种远距离高精度光纤断点位置检测方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将啁啾信号经过功分器分成两路相同的信号，一路作用于电光调制器调制出射激光产生啁啾光脉冲信号，另外一路作为本地参考啁啾信号送入混频器中。

(2)用激光器产生连续激光信号，送入电光调制器，通过啁啾信号对其强度进行调制，调制成啁啾脉冲信号后通过环行器进入待测光纤。

(3)将待测光纤中断点菲涅尔反射回来的光信号经过环行器后送入光纤衰减器；此处的光纤衰减器衰减连续可调，主要是为了保障不同距离下单光子探测器的安全使用。

(4)由单光子探测器检测到衰减后的菲涅尔反射信号，并将输出电信号与参考啁啾信号混频，通过低通滤波器除去混频信号中的高频成份，通过傅里叶变换获得信号的频率偏移，从而获得断点的位置信息。

所述激光器为窄线宽激光器，为保障其线宽，出射为连续光信号，经过电光调制器调制成啁啾脉冲信号。

所述光纤衰减器，衰减连续可调节，并受单光子探测器的输出反馈控制。当单光子探测器饱和输出时，增大衰减系数；当单光子探测器输出过小或者无输出，减小衰减系数。该方案，可以保障单光子探测器适用于不同距离的断点位置测量。

所述单光子探测器为GHz门控盖革模式的雪崩光电二极管(APD)单光子探测器。APD结构紧凑功耗低，且性能优越性价比高，采用APD作为回波信号光的检测器件是该方案实用化的最佳选择之一。GHz APD单光子探测器工作在“准连续”模式下，可以响应微弱的回返光信号，将断点的检测距离拓展到百公里级别。

所述断点位置信息，主要通过如下计算过程及公式获得：

啁啾信号表达式为：

其中k为啁啾脉冲幅度调制信号的转化率，t是时间，f₀为初始频率，

为初始相位，k＝B/T，其中B是啁啾信号的调制带宽，T是调制时间。

回返光信号表达式为：S_R(t)＝I₀MS(t-τ)，其中I_o激光器功率，M为损耗系数，τ为激光信号飞行时间。我们可以根据公式R＝τc₀/2计算光纤断点的位置，其中c₀为光在光纤中的传输速度。

回返光信号与本地参考光信号的混频信号为：

S_IF＝S(t)×S_R(t)＝S(t)×l₀MS(t-τ)

经过低通滤波之后，和频信号被滤除，差频信号经过傅立叶变换为∝sinc(ω)*δ(ω-kτ)∝sinc(ω-kτ)，可得τ＝f_IF/k，代入光纤断点位置计算公式可得R＝f_IFc₀T/2B。

所述断点位置信息的计算中，单光子探测器输出信号为数字信号，其计数的多少反映了回返光信号的强度，即其输出是啁啾调制的数字信号，与本地参考信号混频后可以获得断点的位置信息。

本发明进一步还提供一种远距离高精度光纤断点位置检测系统，其，包括功分器、窄线宽激光器、电光调制器、混频器、环行器、光纤衰减器、单光子探测器、低通滤波器、傅里叶变换处理器。

在系统中，所述功分器的两路输出分别连接电光调制器和混频器，所述窄线宽激光器的输出连接电光调制器，电光调制器连接环行器，环行器的输出端连接待测光纤，返回端连接光纤衰减器后再连接单光子探测器，单光子探测器的输出接混频器，再通过低通滤波器后接入傅里叶变换处理器。

本发明采用啁啾脉冲调制结合光子计数的技术手段，可以同时满足远距离和高精度的需求，最终通过检测断点菲涅尔反射回来的光信号对远距离的光纤断点进行精确的定位。

附图说明

图1为本发明光纤断点测量系统的示意图；

图2为本发明实施例中混频滤波后的傅立叶变换频谱图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步说明本发明。

如图1所示，远距离高精度光纤断点位置检测系统包括功分器、窄线宽激光器、电光调制器、混频器、环行器、光纤衰减器、单光子探测器、低通滤波器和傅里叶变换处理器。功分器的两路输出分别连接电光调制器和混频器，所述窄线宽激光器的输出连接电光调制器，电光调制器连接环行器，环行器的输出端连接待测光纤，返回端连接光纤衰减器后再连接单光子探测器，单光子探测器的输出接混频器，再通过低通滤波器后接入傅里叶变换处理器。

利用图1所示的系统进行光纤断点测量，先将啁啾信号经过功分器分成两路相同的信号，一路作用于电光调制器调制出射激光产生啁啾光脉冲信号，另外一路作为参考信号送入混频器中。由窄线宽激光器产生连续激光信号，送入电光调制器被调制成啁啾脉冲信号后通过环行器进入待测光纤。待测光纤中，断点处菲涅尔反射回来的光信号经过环行器后送入光纤衰减器。此处的光纤衰减器衰减连续可调。光纤衰减器的衰减系数单光子探测器的输出反馈控制：当单光子探测器饱和输出时，增大衰减系数；当单光子探测器输出过小或者无输出，减小衰减系数。最终，单光子探测器检测到衰减后的菲涅尔反射信号，输出电信号与参考啁啾信号混频。通过低通滤波器除去混频信号中的高频成份，傅里叶变换可获得信号的频率偏移，从而获得断点的位置信息。

本实施例中，采用的单光子探测器为GHz门控盖革模式的APD单光子探测器。APD结构紧凑功耗低，且性能优越性价比高，采用APD作为回波信号光的检测器件是该方案实用化的最佳选择之一。GHz APD单光子探测器工作在“准连续”模式下，可以响应微弱的回返光信号，将断点的检测距离拓展到百公里级别。APD单光子探测器的饱和计数率最高可达百MHz，当其输出达到饱和，或者输出连续的直流电平时，应该增大衰减器的衰减系数。一方面保障APD探测器的安全使用，另一方面保障探测器有效输出实现断点检测的准确检测。APD单光子探测器的误计数，主要是暗计数，一般在kHz级别，当探测器输出为暗计数水平或者略高于暗计数时，应该减小逐渐减小光纤衰减器衰减系数，保障探测器输出的信噪比。

本实施例的光纤断点测量方法需要用到以下的表达式和计算：

啁啾信号表达式：

其中k为啁啾脉冲幅度调制信号的转化率，k＝B/T，其中B是啁啾信号的调制带宽，T是调制时间。

回返光信号表达式：S_R(t)＝I₀MS(t-τ)，其中I_o激光器功率，M为损耗系数，τ为激光信号飞行时间。我们可以根据公式R＝τc₀/2计算光纤断点的位置，其中c₀为光在光纤中的传输速度。

回返光信号与本地参考光信号的混频信号为：

S_IF＝S(t)×S_R(t)＝S(t)×l₀MS(t-τ)

进一步的实施例中，我们采用起始频率为20 MHz，截止频率为50 MHz，即扫频带宽为30 MHz，扫频时间设置为0.001s的啁啾信号对出射激光进行调制，测试了一处长约为34km的光纤断点。光在光纤中的传播速度为2.04×10⁸m/s。最终，我们根据傅立叶变化获得了单光子探测器输出信号与本地参考信号混频后的滤波信号，其中心频率为10012647 Hz，如图2所示。代入光纤断点位置计算公式可得，R＝34043m，实现了这一断点位置的准确测量，验证了该方法与系统的优越性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种远距离高精度光纤断点位置检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)将啁啾信号经过功分器分成两路相同的信号，一路作用于电光调制器调制出射激光产生啁啾光脉冲信号，另外一路作为本地参考啁啾信号送入混频器中；

(2)用激光器产生连续激光信号，送入电光调制器，通过啁啾信号对其强度进行调制，随后通过环行器进入待测光纤；

(3)将待测光纤中断点菲涅尔反射回来的光信号经过环行器后送入光纤衰减器；所述光纤衰减器的衰减系数由单光子探测器的输出反馈控制：当单光子探测器饱和输出时，增大衰减系数；当单光子探测器输出过小或者无输出，减小衰减系数；

2.根据权利要求1所述的远距离高精度光纤断点位置检测方法，其特征在于，啁啾信号表达式为：

3.根据权利要求2所述的远距离高精度光纤断点位置检测方法，其特征在于，所述断点菲涅尔反射回来的光信号的表达式为：S_R(t)＝I₀MS(t-τ)，其中I_o激光器功率，M为损耗系数，τ为激光信号飞行时间。

4.根据权利要求3所述的远距离高精度光纤断点位置检测方法，其特征在于，所述探测器输出信号与本地参考啁啾信号的混频信号为：

S_IF＝S(t)×S_R(t)＝S(t)×I₀MS(t-τ)

5.根据权利要求4所述的远距离高精度光纤断点位置检测方法，其特征在于，所述通过傅里叶变换获得信号的频率偏移，从而获得断点的位置信息是，将经过低通滤波之后得到的差频信号经过傅立叶变换为∝sinc(ω)*δ(ω-kτ)∝sinc(ω-kτ)，可得τ＝f_IF/k，代入光纤断点位置计算公式R＝τc₀/2，可得光纤断点位置R＝f_IFc₀T/2B，其中c₀为光在光纤中的传输速度。

6.实现权利要求1-5所述远距离高精度光纤断点位置检测方法的系统，其特征在于，包括功分器、窄线宽激光器、电光调制器、混频器、环行器、光纤衰减器、单光子探测器、低通滤波器、傅里叶变换处理器；

所述功分器的两路输出分别连接电光调制器和混频器，所述窄线宽激光器的输出连接电光调制器，电光调制器连接环行器，环行器的输出端连接待测光纤，返回端连接光纤衰减器后再连接单光子探测器，单光子探测器的输出接混频器，再通过低通滤波器后接入处理器；

啁啾信号经过功分器分成两路相同的信号，一路作用于电光调制器调制出射激光产生啁啾光脉冲信号，另外一路作为参考信号送入混频器中；窄线宽激光器产生连续激光信号，送入电光调制器被调制成啁啾脉冲信号后通过环行器进入待测光纤；待测光纤中，断点处菲涅尔反射回来的光信号经过环行器后送入光纤衰减器，光纤衰减器的衰减系数由单光子探测器的输出反馈控制：单光子探测器检测到衰减后的菲涅尔反射信号，输出电信号与参考啁啾信号通过混频器混频，通过低通滤波器除去混频信号中的高频成份，在处理器中通过傅里叶变换获得信号的频率偏移，通过计算获得断点的位置信息。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述激光器为窄线宽激光器，为保障其线宽，出射为连续光信号，经过电光调制器调制成啁啾脉冲信号。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光纤衰减器的衰减连续可调节，并受单光子探测器的输出反馈控制，当单光子探测器饱和输出时，增大衰减系数；当单光子探测器输出过小或者无输出，减小衰减系数。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述单光子探测器为GHz门控盖革模式的雪崩光电二极管(APD)单光子探测器。