[发明专利]多频探测光时分复用相干光时域反射仪方法和装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用于光通信线路中对光纤进行表征和故障定位，尤其是用于长距离、多中继放大海底通信光缆健康监测的相干光时域反射仪。

背景技术：

目前，商用的相干光时域反射(COTDR)仪都使用单频窄线宽探测光脉冲，相干探测产生的电信号只是单中频信号，通过检测该中频信号的功率随时间的变化，可获得光纤线路的健康状况。在特定脉宽条件下，其动态范围可以通过增加脉冲峰值功率或者增加数据的平均次数来提升，但是峰值功率受到光纤非线性效应的限制。由于商用系统的光电信号处理模块，仅仅是对一个中频信号进行处理，这样，对于长距离的光缆通信线路的监测，比如12000公里的越洋海缆线，系统测量时间则会长达数小时。由于COTDR系统探测光使用线宽小于10kHz的激光光源，这就导致了探测光在被测光纤中的瑞利散射单元之间的信号光具有极强的相干性，从而引起相干瑞利噪声。相干瑞利噪声会导致探测曲线的剧烈波动，从而影响对光通信线路事件点的识别。对于消除相干瑞利噪声和增加测量的动态范围，最常用的办法就是增加测量和平均的次数，COTDR的探测曲线一般是2¹⁶次测量结果的平均，有时会达2¹⁸次或更高。

COTDR的性能评价有三个重要的参数：动态范围、空间分辨率和测量时间。动态范围的提升主要通过提升探测光功率和增加测量及平均的次数来实现。但是由于光纤中的非线性效应特别是受激布里渊散射的限制，入射到被测光纤中的探测光功率应低于受激布里渊阈值，故系统动态范围的提升受到制约。测量的空间分辨率主要受探测光脉冲宽度的限制，缩短探测光脉冲宽度以提升空间分辨率，但会降低测量的动态范围。通过脉冲编码的方式，可以使测量同时具有大的动态范围和高的空间分辨率，但这会急剧地增加系统信号处理的时间。鉴于上述的诸多限制，我们把提升COTDR系统性能的关键放在增加测量及平均的次数上。很显然，目前商用的COTDR系统增加测量及平均次数只能靠增加测量的时间来实现。要想不以牺牲测量时间为代价来获得好的测量效果，唯一的办法是提升系统的测量速度。

关于提升COTDR系统测量速度的研究日本NTT公司Masatoyo Sumida在1996年有实验报道。它是利用控制分布布拉格反射式(DBR)激光器的注入电流来改变探测光的频率，通过时序控制得到不同频率的探测光脉冲序列。探测光实质上为频率脉冲，也就是探测光功率是恒定且时间连续的，但其频率则是时间离散的。探测光频率脉冲在被测光纤中的背向散射和/或反射信号与单频的本振光相干产生多个不同的中频信号，一个中频信号对应一路测量，多路中频信号对应的曲线最终合成为一路，这样就可以使测量速度成倍增加。所以，该方案的光电信号处理模块，通过多个带通滤波后，并行处理数据，然后再通过累加器合成为一路信号输出。实验结果表明，该方法能快速地降低探测曲线的衰落噪声，提升信噪比。但是，该方法探测光每个时刻只能存在一个频率，对激光器的控制需要额外的电路设计，控制的精度受控制电路硬件和激光器本身性能的影响很大。另外，该方案的本振光出现在一个脉冲序列周期的最后，因此，必然产生因设计方案缺陷带来的盲区。

发明内容：

本发明目的是提出多频探测光时分复用相干光时域反射仪方法和装置，尤其是提出能更快地降低探测曲线的衰落噪声和提升测量的动态范围，而且测量速度大大提高的多频探测光时分复用相干光时域反射仪的方法和装置。所述技术方案如下：

多频探测光时分复用相干光时域反射仪的方法，注入到被测光纤中的探测光脉冲为时分复用的多频探测光脉冲，可以利用时序电信号同步控制相位调制器和光脉冲调制器调制产生时分复用的多频探测光脉冲；本振光为单频激光，多频探测光脉冲的功率谱相对于本振光的频率两边对称；利用时序电信号同步控制相位调制器和光脉冲调制器产生的时分复用的多频探测光脉冲的0阶频率与本振光频率相同；相位调制器的调制深度大于1；时分复用的多频光脉冲在的背向散射和/或反射信号与本振光在相干探测模块中混合，二者相干并由光电探测器输出时分复用的中频信号；中频信号处理模块放大相干探测得到的时分复用的中频信号，根据中频信号的特征，选择所需的带通滤波器，滤出中频信号，后续电路对多路中频信号进行实时处理，显示被测光纤信息；或直接使用数字信号处理的方法提取中频信号的功率并做时序对齐，显示显示被测光纤探测曲线。

对时分复用的中频信号的处理，可以通过硬件电路来实现；处理步骤包括放大中频信号，再送至各个滤波单元滤出各个中频信号，然后在分别对各个中频进行模数转换、数字下变频以及提取中频信号功率，接着对各个中频信号的功率进行时序对齐，再叠加、求平均，最后显示探测曲线。