一种提高混沌光时域反射仪回波信号的方法及装置

1.一种提高混沌光时域反射仪回波信号的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基于一光纤耦合器将反馈式激光器发出的光源信号分为两路，一路连接反射镜，并经反射镜反射回反馈式激光器内，使得反馈式激光器输出混沌信号，另一路直接输出，形成混沌激光源信号；基于另一光纤耦合器将混沌激光源信号分为两路，一路输出形成相干耦合光源信号，另一路输出形成混沌探测光源信号；
S2、基于另一光纤耦合器将混沌探测光源信号分为两路，一路输出形成参考光信号，另一路输出形成探测光信号；其中参考光信号经一光电探测器转换形成电信号，并经示波器或采集卡完成信号采集；
S3、探测光信号经光纤环形器进入待测光纤进行探测，探测到光纤故障点后反射回光纤环形器内，并形成回波信号，回波信号与相干耦合光源信号相干耦合，以得到信号增强的耦合回波信号；
S4、耦合回波信号经另一光电探测器转换形成电信号，并经示波器或采集卡完成信号采集；
S5、示波器或采集卡与计算机配合，利用计算机对采集的耦合回波信号和参考光信号进行相关计算和处理，得到光纤故障点的检测结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤S6：将步骤S5中获得的检测结果显示于显示装置中，以形成故障点检测图。
3.实现权利要求2所述的一种提高混沌光时域反射仪回波信号的方法的装置，其特征在于：包括混沌光源发射部件和光纤故障检测部件。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述混沌光源发射部件包括依次连接的反馈式激光器、第一光纤耦合器和第二光纤耦合器。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均包括两个输出端口，其中所述第一光纤耦合器的两个输出端口分别连接有第二光纤耦合器和反射镜；所述第二光纤耦合器的两个输出端口则分别连接有光纤故障检测部件和光纤放大器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述光纤放大器的输出端口连接有可调光纤衰减器，且可调光纤衰减器的输出端口与光纤故障检测部件连接。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述光纤故障检测部件包括依次连接的第三光纤耦合器、光纤环形器和待测光纤，其中所述第三光纤耦合器的输入端口直接与混沌光源发射部件连接。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述第三光纤耦合器和光纤环形器均包括两个输出端口，其中所述第三光纤耦合器的两个输出端口分别连接有光纤环形器和第一光电探测器；所述光纤环形器的两个输出端口分别连接有待测光纤和第四光纤耦合器，所述第四光纤耦合器的输入端口还与混沌光源发射部件形成连接，且第四光纤耦合器的输出端口连接有第二光电探测器。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：还包括依次连接的示波器、计算机和显示装置，且第一光电探测器和第二光电探测器均与示波器的输入端口连接。
10.根据权利要求3‑9任一所述的装置，其特征在于：所述混沌光源发射部件和光纤故障检测部件之间的连接，以及其内部各部件之间的连接均采用单模光纤跳线进行连接。

一种提高混沌光时域反射仪回波信号的方法及装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于光时域反射仪技术领域，具体涉及一种提高混沌光时域反射仪回波信号的方法及装置。\n背景技术\n[0002] 光时域反射仪是目前诊断光纤链路故障点的主要测量仪器，该设备利用的是脉冲飞行法测量技术，它的结构简单，方法成熟，但是无法在提高测量的精确度的同时也增大测量距离。这是因为它在原理上存在不可调和的矛盾，想要增大测量的最远距离，要么提高脉冲功率，要么增加脉冲宽度，过高的脉冲光功率不但会增加测量成本，还会导致光纤的不可逆损伤，而增加脉宽则会降低测量的精确度；想要提高精确度就需要减小脉冲宽度，这样就会降低脉冲能量，从而降低测量距离。\n[0003] 为了解决光时域反射仪的问题，国内外的研究者尝试各种方法，提出了不同的解决方案。其中，有研究者利用混沌信号具有类噪声、宽频谱的特性，研制出了混沌光时域反射仪测量装置，它主要采用的是相关法探测技术，该方法克服了传统光时域反射仪中测量精度和测量距离不可同时提高的矛盾。其中公开号为CN101226100A的“混沌光时域反射仪及其测量方法”，详细描述了该仪器了测量原理及实施方案；公开号为CN102739311B的“基于混沌可见激光的光纤故障定位装置及其定位方法”，也提出了混沌激光的另一种检测方案。\n[0004] 但是，随着混沌光时域反射仪的应用，实践中发现，探测信号在光纤中传播会发生衰减，测量的回波信号很小，若回波信号太小，测量结果会严重受到干扰。目前提高回波信号的方法主要有两种：一种是增大发射信号的功率，过高的功率就需要大功率的激光器，另一种是提高光电探测器的灵敏度，但是这两种方法都会增加测量成本。为了解决这个问题，本发明提出利用光的相干增强技术来增大回波信号功率，从而提高混沌光时域反射仪的测量精度。\n发明内容\n[0005] 鉴于此，本发明有必要提供一种提高混沌光时域反射仪回波信号的方法；还有必要提供一种实现提高混沌光时域反射仪回波信号的方法的装置。\n[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：\n[0007] 1、一种提高混沌光时域反射仪回波信号的方法，包括如下步骤：\n[0008] S1、基于一光纤耦合器将反馈式激光器发出的光源信号分为两路，一路连接反射镜，并经反射镜反射回反馈式激光器内，使得反馈式激光器输出混沌信号，另一路直接输出，形成混沌激光源信号；基于另一光纤耦合器将混沌激光源信号分为两路，一路输出形成相干耦合光源信号，另一路输出形成混沌探测光源信号；\n[0009] S2、基于另一光纤耦合器将混沌探测光源信号分为两路，一路输出形成参考光信号，另一路输出形成探测光信号；其中参考光信号经一光电探测器转换形成电信号，并经示波器或采集卡完成信号采集；\n[0010] S3、探测光信号经光纤环形器进入待测光纤进行探测，探测到光纤故障点后反射回光纤环形器内，并形成回波信号，回波信号与相干耦合光源信号相干耦合，以得到信号增强的耦合回波信号；\n[0011] S4、耦合回波信号经另一光电探测器转换形成电信号，并经示波器或采集卡完成信号采集；\n[0012] S5、示波器或采集卡与计算机配合，利用计算机对采集的耦合回波信号和参考光信号进行相关计算和处理，得到光纤故障点的检测结果；\n[0013] S6、将光纤故障点的检测结果显示于显示装置中，形成故障点检测图。\n[0014] 2、实现上述提出的方法的装置，共包括两个部分，其中一个部分为混沌光源发射部件，另一个部分为光纤故障检测部件；\n[0015] 其中所述混沌光源发射部件主要包括依次连接的反馈式激光器、第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，所述第一光纤耦合器上不同于与第二光纤耦合器连接的输出端口连接有一反射镜，所述反射镜实现光源反射以保证混沌光的形成，所述第二光纤耦合器包括两个输出端口，其中一个与光纤故障检测部件连接，另一个则依次连接有光纤放大器和可调光纤衰减器，所述可调光纤衰减器的输出端口与光纤故障检测部件连接；\n[0016] 所述光纤故障检测部件主要包括依次连接的第三光纤耦合器、光纤环形器和待测光纤；其中所述第三光纤耦合器的输入端口直接与第二光纤耦合器连接，且第三光纤耦合器上不同于与光纤环形器连接的输出端口连接有第一光电探测器；所述光纤环形器上不同于与待测光纤连接的输出端口依次连接有第四光纤耦合器和第二光电探测器，且第四光纤耦合器的输入端口还与可调光纤衰减器形成连接；\n[0017] 所述光纤故障检测部件还包括依次连接的示波器、计算机和显示装置，且第一光电探测器和第二光电探测器均与示波器连接。\n[0018] 优选的，所述混沌光源发射部件和光纤故障检测部件之间的连接，以及其内部各部件之间的连接均采用单模光纤跳线进行连接。\n[0019] 具体在上述装置中：第一光纤耦合器和第二光纤耦合器适配于上述方法的步骤S1中提出的两个光纤耦合器；与第一光纤耦合器连接的反射镜适配于步骤S1中提出的反射镜；\n[0020] 第三光纤耦合器适配于步骤S2中提出的光纤耦合器；第一光电探测器适配于步骤S2中提出的光电探测器；\n[0021] 光纤环形器和待测光纤均适配于步骤S3；示波器适配于步骤S2和步骤S4中所提出的示波器或采集卡；计算机和显示装置分别适配于步骤S5和步骤S6。\n[0022] 本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：\n[0023] 基于相干耦合增强技术能有效提高混沌光时域反射仪的回波功率，从而提升混沌光时域反射仪的测量效果，使得本发明能够更精准的实现光纤故障点的检测；\n[0024] 并且在发明所提供的方法和装置中，无需增加激光器的功率和光电探测器的灵敏度，因而有效避免了测量成本升高的问题；\n[0025] 综上，使得本发明具有检测精度高、成本低的优点。\n附图说明\n[0026] 图1为本发明中一种提高混沌光时域反射仪回波信号的装置的结构框图；\n[0027] 图2为原始参考光信号与回波信号的时域图；\n[0028] 图3为原始状态下的检测结果图；\n[0029] 图4为相干耦合增强后的参考光信号与回波信号的时域图；\n[0030] 图5为相干耦合增强后的检测结果图；\n[0031] 图中：反馈式激光器1、第一光纤耦合器2、反射镜3、第二光纤耦合器4、第三光纤耦合器5、光纤环形器6、待测光纤7、光纤故障点8、第四光纤耦合器9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、示波器12、计算机13、显示装置14、光纤放大器15、可调光纤衰减器16。\n具体实施方式\n[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。\n[0033] 1、请参阅图1所示，本发明提供了一种提高混沌光时域反射仪回波信号的装置，该装置共包括I、II两个部分，其中第I部分为图1中左侧的混沌光源发射部件，第II部分则为图1中右侧的光纤故障检测部件；具体整体装置的结构以及各结构之间的应用方法如下：\n[0034] 第I部分：其中混沌光源发射部件主要包括利用单模光纤跳线依次连接的反馈式(DFB)激光器1、50:50的第一光纤耦合器2和80:20第二光纤耦合器4；第一光纤耦合器2的输出端口连接有第二光纤耦合器4和反射镜3，且第二光纤耦合器4和反射镜3连接于两个不同的输出端口上，第二光纤耦合器4则同样以两个不同的输出端口连接有第II部分部件和光纤放大器15，光纤放大器15的输出端口连接有可调光纤衰减器16，并且通过可调光纤衰减器16的输出端口与第II部分形成连接；\n[0035] 反馈式(DFB)激光器1发出激光光源，经第一光纤耦合器2形成50:50的比例分散导出，其中50％的激光光源直接输出，另外50％的激光光源则流向反射镜3，经反射镜3进行反射回反馈式(DFB)激光器1内，以形成第三方干扰，保证反馈式(DFB)激光器1能有效输出混沌激光源信号；混沌激光源信号流向第二光纤耦合器4，经第二光纤耦合器4形成80:20的比例分散导出，其中80％的输出光作为混沌探测光源信号直接输入第II部分，20％的输出光经光纤放大器15和可调光纤衰减器16进行信号大小的调节，并将该部分输出光作为相干耦合光源信号输入第II部分。\n[0036] 第II部分：光纤故障检测部件主要包括利用单模光纤跳线依次连接的90:10第三光纤耦合器5、光纤环形器6和待测光纤7；第三光纤耦合器5的输入端口直接与第二光纤耦合器4连接，且第三光纤耦合器5以两个不同的输出端口连接有光纤环形器6和第一光电探测器10；光纤环形器6同样以两个不同的输出端口连接有待测光纤7和50:50第四光纤耦合器9，其中第四光纤耦合器9的输出端口连接有第二光电探测器11，且其输入端口还与可调光纤衰减器16形成直接连接；\n[0037] 光纤故障检测部件还包括依次连接的示波器12、计算机13和显示装置14，且第一光电探测器10和第二光电探测器11均与示波器12连接；\n[0038] 混沌探测光源信号进入第II部分后经第三光纤耦合器5形成90:10的比例分散导出，其中10％的输出信号作为参考光信号进入第一光电探测器10中，第一光电探测器10将参考光信号转换为电信号，并经示波器12完成信号采集；90％的输出信号作为探测光信号进入光纤环形器6，然后经光纤环形器6进入待测光纤7内，探测光信号探测待测光纤7中的光纤故障点8，测得光纤故障点8后信号被反射回至光纤环形器6内，反射过程中得到回波信号，并由光纤环形器6向第四光纤耦合器9输出回波信号，第四光纤耦合器9的输入端口还与可调光纤衰减器16连接，并按照50:50的比例进行回波信号与相干耦合光源信号之间的相干耦合以加强信号，耦合后形成的耦合回波信号中带有光纤故障点8的信息，且耦合回波信号直接进入第二光电探测器11中，并转换为电信号，而后经示波器12完成信号采集，示波器\n12与计算机13配合，利用计算机13对耦合回波信号和参考光信号进行相关计算和处理，得到光纤故障点8的检测结果，并显示于显示装置14中，形成故障点检测图。\n[0039] 2、基于上述结构和应用方法，进行如下实验：\n[0040] 实验一\n[0041] 调节光纤放大器15和可调光纤衰减器16，使得相干耦合光源信号为0mw，此时经示波器12采集参考光信号与回波信号，得到未相干耦合增强时的时域信号，具体如图2所示，图2中下图显示回波信号的电压值平均在0.2以下；\n[0042] 然后经计算机13对参考光信号与回波信号进行相关计算和处理，得到检测结果图，具体如图3所示，图中显示故障点的位置为3.376km处。\n[0043] 实验二\n[0044] 调节光纤放大器15和可调光纤衰减器16，使得相干耦合光源信号增大，相干耦合光源信号与回波信号发生相干耦合，得到耦合回波信号，此时经示波器12采集参考光信号与耦合回波信号，得到相干耦合增强后的的时域信号，具体如图4所示，图4中下图显示耦合回波信号的电压值平均在0.4以下，与实验一所得数据相比，明显增大两倍；\n[0045] 然后经计算机13对参考光信号与耦合回波信号进行相关计算和处理，得到相干耦合增强后的检测结果图，具体如图5所示，图中显示故障点的位置为3.376km处。\n[0046] 3、根据上述实验可知，通过相干耦合增强增有效提高回波功率，而相干耦合增强的具体原理如下：\n[0047] (1)设定相干耦合光源信号的光振频率为fl、振幅为Al、初相位为 则光场强度El(t)：\n[0048]\n[0049] 回波信号的光振频率为fs、振幅为As、初相位为 则光场强度Es(t)：\n[0050]\n[0051] 相干耦合光源信号与回波信号相干耦合叠加后的耦合回波信号的光场强度E(t)：\n[0052]\n[0053] 耦合回波信号经第二光电探测器11转换后的混合光电流强度I(t)为：\n[0054]\n[0055] 具体在实际的探测中，上式中仅有最后一项起作用，故I(t)为：\n[0056]\n[0057] 从上式中可以看出，输出的耦合回波信号的混合光电流强度I(t)与相干耦合光源信号的振幅Al成正比；\n[0058] (2)设定耦合回波信号的输出功率为P，相干耦合光源信号的输出功率为Pl，回波信号的输出功率为Ps，则：\n[0059] P∝Al2As2∝RlPs\n[0060] 由上式可知耦合回波信号的输出功率P与相干耦合光源信号和回波信号的振幅平方成正比。\n[0061] 综上，通过增强相干耦合光源信号可有效提升耦合回波信号，从而达到提高混沌光时域反射仪的回波功率的目的。\n[0062] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。