[发明专利]基于物理随机码相关探测的OTDR装置及测量方法

说明书

本发明涉及分布式光纤定位系统，具体是一种基于物理随机码相关探测的OTDR装置及测量方法，解决了传统OTDR系统动态范围和空间分辨率无法同时提高的矛盾。本发明装置包括物理随机码发生器、微波放大器、DFB激光器、电光相位调制器、光隔离器、第一光放大器、1×2光纤耦合器、可变光延迟线、第一光电探测器、示波器、待测光纤、光环形器、第二光放大器、第二光电探测器、计算机。本发明系统结构简单，操作方便，成本低，空间分辨率由物理随机码的码宽决定，不仅避免了混沌激光信号弱周期的存在而导致空间分辨率恶化的问题，对高空间分辨率获取的调节也非常方便。

技术领域

本发明应用于光纤检测领域，涉及分布式光纤定位系统，具体为一种基于物理随机码相关探测的OTDR装置及测量方法，能够实现长距离、高空间分辨率的断点或损耗测量。

背景技术

目前，光纤主要被用在通信领域，而作为物理层传输媒介，光纤的传输特性对通信距离、信息容量及传输速度起着决定性作用。随着现代社会对光纤通信技术越来越依赖，因光纤光缆故障而造成大量损失的事件也频频发生。所以，如何快速准确地找到光纤光缆中故障的具体位置及衰减信息，在光通信网络的生产、施工、测试、维护及抢修过程中具有极其重要意义。光时域反射仪（OTDR）是目前最重要也是应用最广的一种测量光纤的仪器。OTDR能够提供光纤的衰减和事件分布，包括光纤断裂、弯曲、熔接点、连接头等引起的损耗。在光纤通信应用中，光时域反射仪主要应用于光纤光缆的生产、光纤通信网的铺设以及光通信网运行状态的监测和维护。

传统的 OTDR 利用了脉冲激光作为光源，虽然结构简单，方法成熟，但其无法在提高测量的空间分辨率的同时增大动态范围。提高系统空间分辨率，需要减小脉宽，但会降低脉冲能量，降低了测量距离；增大系统动态范围，可以提高脉冲功率或增加脉冲宽度，而过高的脉冲光功率会导致光纤结构的不可逆损伤，增加脉宽又会降低测量的空间分辨率。为了解决此问题，研究人员提出了不同的解决方案。

一、光子计数光时域反射测量技术：该技术的关键在于光子计数，它是单脉冲光时域反射测量技术的数字形式。这一技术中，单光子雪崩二极管是最重要的部件。光子计数光时域反射技术，具有动态范围宽、响应速度快和分辨率高等优点。但对系统中雪崩光电二极管的冷却会增加光时域反射仪的成本以及体积，同时该技术测量时间过长，且测量数据需要进行修正，这也使得它不适用于实时测量。

二、相干光时域反射测量技术：基于光频外差检测原理，利用了光外差探测方法，具有的微弱信号探测能力。作为探测信号的光被分为两束，一束经声光调制器（AOM）后其频率被改变。这一光信号进入光纤后向散射光信号回到输入端并与另一束光通过耦合器混合，合成之后的光信号被光电探测器探测。该方法一定程度上提高了光时域反射仪的测量动态范围，但其没有能够获得实用化主要原因有两个：一个是器件成本高，另一个是光纤引起的相干瑞利噪声会给测量带来较大误差。

三、编码光时域反射测量技术：光接收机接收到的回波信号与延迟后的参考信号做互相关运算便获得了断点位置和衰减信息。这种方法用编码光脉冲序列代替了传统OTDR 中的周期性单脉冲，这样不仅有效提高了回波的光强，同时也增大了动态范围，并且在可测量范围内保持了不变的测量精度。采用伪随机码调制的光脉冲以及基于Golay互补序列的相位敏感型光时域反射仪及其实现方法（中国发明专利：CN201710295503X），能较好的解决分辨率与动态范围无法同时提高的矛盾，可大大提高光时域反射的动态范围及分辨率（EP0269448、JP9026376）。然而，无论是伪随机码还是格雷码，均由于码长限制存在模糊周期性，限制了系统的动态范围。用于使用多分辨率码序列的光时域反射计的系统和方法（中国发明专利，CN2008801007284），采用预定义的互补码序列集合的一个或多个子集可以作为OTDR信号被传送，以提供多分辨率能力，这种OTDR的装置大大增加了系统结构的复杂性，增加了成本。