一种基于扩频技术的光纤背向散射测量的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于扩频技术的光纤背向散射测量的方法和装置。该方法包括：发送序列利用DPSK调制方式对光源信号进行相位调制；相位调制后的DPSK光信号进入待测光路；从待测光路反射或背向散射的DPSK光信号经第一光定向耦合器或光环行器进入延迟干涉仪，从而实现DPSK光信号的解调；对解调后的DPSK光信号进行光电转换；利用本地序列对光电转换后的信号进行相关解扩，以进行光背向散射测量。本发明将光DPSK调制技术和扩频技术尤相结合，实现了光域扩频码的双极性，使光纤背向散射测量的精度、动态范围得到提高；通过调制延迟干涉仪的相位实现了相关解扩中的码元乘法运算，克服了在电域相关解扩时的电子瓶颈。
【专利说明】一种基于扩频技术的光纤背向散射测量的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电检测技术，特别涉及一种基于扩频技术光纤背向散射测量的方法和装置。
【背景技术】
[0002]光纤中的散射信号主要有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。光纤背向散射测量是通过一定的定位技术，对光线在光纤中传输时的各种散射和菲涅尔反射在光发射端进行测量的方法。
[0003]光纤背向散射测量在目前市场上有两大应用领域。其一是测量光纤的链路损耗、插入点损耗以及故障点位置，主要是通过测量光纤各点的背向瑞利散射和菲涅耳反射来实现；其二主要通过测量光纤中各点的背向拉曼散射或背向布里渊散射，利用它们的幅值或频率与温度和应变的关系来实现传感信号测量。
[0004]目前常见的能实现光纤背向散射测量的装置主要分光时域反射计(OTDR)和光频域反射计(OFDR)，他们的定位技术不同。OFDR系统需要的光源应该为线性扫频窄线宽单纵模激光器，所以对光源的要求很高；0TDR是通过分析后向散射光的时间差和光程差进行检测。探测分辨率的提高依赖于探测脉冲宽度的减小，但是，在激光功率一定的条件下，会造成探测脉冲能量的降低和噪声电平的增加，从而引起动态范围的减小。
[0005]在无线通信和检测领域里广泛被采用的扩频技术属于相关检测技术。如在《军事通信技术》中2003年发表的《基于扩频技术的光时域反射仪》中提到的那样，扩频技术可以有效地减少噪声的影响，能在不牺牲分辨率的前提下提高信噪比。理论上将扩频技术应用在光背向散射检测领域有很好的前景。但是正如在光通信领域里利用扩频技术一样，在光纤检测和传感领域应用扩频技术同样面临如何实现双极性编码、以及为了克服电子瓶颈如何实现光域解扩的技术问题。这些技术问题至今没有很好的解决方案。在文献《使用互补码提高OTDR测量动态范围的方法》提到的将格雷互补码技术有利于提高OTDR测量动态范围，但在处理双极性的方式上也很繁琐，并且要扩大一倍的序列发送量，影响系统检测的时间。
[0006]解扩是发送序列和本地序列的相关运算，涉及乘法运算和积分运算两种运算。工程实践中积分运算通常由低通滤波器来完成。在电域中完成解扩运算有成熟的办法，但对宽带高速信号要遇到电子瓶颈的问题。因为低通滤波器或积分器不涉及电子瓶颈问题，如果能在光域中完成相关运算中乘法运算，将是个非常有意义的结果。
[0007]现有的光背向散射测量不能很好的兼顾测量精度、动态范围。扩频技术应用在这些领域理论上有很好的前景但面临如何实现在光域实现双极性码以及光域解扩的技术难题。
[0008]因此，提供一种能够有效解决上述难题的光背向散射测量方法和装置成为业内急需解决的问题。
【发明内容】
[0009]为了解决上述的技术问题，提供了一种基于扩频技术的光纤背向散射测量的方法和装置。
[0010]本发明提供了一种基于扩频技术的光纤背向散射测量的方法，该方法包括:发送序列利用DPSK调制方式对光源信号进行相位调制；相位调制后的DPSK光信号进入待测光路；从待测光路反射或背向散射的DPSK光信号经第一光定向耦合器或光环行器进入延迟干涉仪，从而实现DPSK光信号的解调；对解调后的DPSK光信号进行光电转换；利用本地序列对光电转换后的信号进行相关解扩，以进行光背向散射测量。
[0011]优选地，该方法还包括:利用本地序列调制延迟干涉仪的相位或本地序列利用DPSK调制方式调制相位调制后的DPSK光信号，以提前完成相关解扩光电转换后的信号所需的乘法运算。
[0012]优选地,该方法还包括:滤波从第一光定向I禹合器或光环行器输出的反射或背向散射的DPSK光信号，并对滤波后的光DPSK信号进行解调和相关解扩。
[0013]优选地,该方法还包括:对从第一光定向I禹合器或光环行器输出的反射或背向散射的DPSK光信号进行分光,并对分光后的DPSK光信号进行滤波。
[0014]本发明提供了一种基于扩频技术的光纤背向散射测量的装置，该装置包括:光发送单元、发送序列发生器、第一差分预编码器、第一相位调制器、第一光定向耦合器或光环行器、延迟干涉仪、光电平衡检测器、第一本地序列发生器、相关解扩器、以及光背向散射测量处理单元；光发送单元，用于产生光源信号；发送序列发生器，用于产生发送序列信号；差分预编码器，用于对发送序列进行差分预编码；第一相位调制器，用于利用DPSK调制方式对光源信号进行相位调制；第一光定向耦合器或光环行器，用于将反射或背向散射的DPSK光信号输入延迟干涉仪；延迟干涉仪，用于解调反射的DPSK光信号；光电平衡检测器，用于对解调后的DPSK光信号进行光电转换；相关解扩器，用于利用本地序列对光电转换后的信号进行相关解扩；光背向散射测量处理单元，用于进一步处理相关解扩结果来实现光背向散射测量。
[0015]优选地，延迟干涉仪包括相位调制器，所述相位调制器利用本地序列来调制延迟干涉仪的相位，以提前完成光电转换后的信号所需的乘法运算。
[0016]优选地，该装置还包括第二相位调制器、第二本地序列发送器、以及第二差分预编码器；第二本地序列发送器，用于产生本地序列；第二差分预编码器，用于对发送序列进行差分预编码；第二相位调制器，用于利用DPSK调制方式对相位调制后的DPSK光信号进行相位调制，以提前完成相关解扩光电转换后的信号所需的乘法运算。
[0017]优选地，该装置包括滤波器，用于滤波从第一光定向耦合器或光环行器输出的反射或背向散射的DPSK光信号。
[0018]优选地,该装置还包括第二光定向I禹合器或分光器，用于对从第一光定向I禹合器或光环行器输出的反射的DPSK光信号进行分光。
[0019]优选地，滤波器为可调滤波器，用于分时滤波不同波段的第一光定向耦合器或光环行器输出的反射或背向散射的DPSK光信号。
[0020]本发明将光DPSK调制技术和扩频技术相结合，实现了光域扩频码的双极性，使光纤背向散射测量的精度、动态范围得到提高；通过调制延迟干涉仪的相位或调制延迟干涉仪入射光信号的相位实现了相关解扩中的码元乘法运算，克服了在电域相关解扩时的电子瓶颈，使系统的性能提高，造价降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明所涉及的发送序列光DPSK调制解调示意图；
[0022]图2是本发明所涉及的一种光域乘法器的示意图；
[0023]图3是本发明所涉及的另一种光域乘法器的示意图；
[0024]图4为本发明提供的全电域解扩的背向散射测量实施例装置的示意图；
[0025]图5本发明提供的在光域完成解扩中乘法运算的背向散射测量实施例装置的示意图
[0026]图6是针对拉曼散射测量的背向散射测量或分布式光纤测温的一种实施例装置；
[0027]图7是针对分布式光纤拉曼测温的另一种实施例装置。
[0028]附图标记说明
[0029]1-光发送单元；2、7_相位调制器；3_发送序列发生器；4_差分预编码器；5_延迟干涉仪；6_光电平衡检测器；8_本地序列发生器；9_积分器；10-光定向耦合器或光环行器；11_待测光路；12_A/D转换器；13_光背向散射测量处理单元；14_光学滤波器；15_光定向I禹合器或分光器。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。
[0031]针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于扩频技术的光背向散射测量，且实现成本低。
[0032]本发明的目的是通过如下技术措施来达到:
[0033]首先，采用光差分移相健控调制格式(DPSK)将发送序列调制成光相位信息，发送到待测光路。
[0034]光差分移相键控调制格式是光通信中的一种新型的传输技术。光DPSK的调制原理是采用相邻比特的光载波相位差来传递信息。发送序列先进行差分预编码，再进行相位调制，其中预编码电路一般采用延迟异或的方式来产生，通过相邻基带信号变化与否携带数字信息。经过预编码后的基带信号作为调制器的驱动信号对光载波进行相位调制。光DPSK的相位调制通常采用马赫-曾德(MZ)调制器或直波导相位调制器，用直波导相位调制器产生的相位调制信号，光载波功率恒定不变，但在上升和下降沿的地方会出现啁啾。基于MZ调制器来实现相位调制时，其光功率并不是恒定的，而且有小的波动，但其相位非常的工整，几乎没有啁啾产生，可以实现精确的η相位跳变。当MZ调制器偏置点的稳定性不能满足需要时，MZ调制器应包含自动偏置控制模块，以补偿器件由于老化或温度变化带来的影响。
[0035]发送序列的选择要满足的条件是:发送序列的各时延序列能很容易区分开。目前已尽设计许多符合条件的序列，有:m-序列、walsh序列、M序列、Gold序列、GMW序列、Kasami序列、Bent序列、Golomb序列、互补序列等。
[0036]上述这些码解扩时使用自相关函数准则，自相关准则针对不同的序列分为循环自相关准则和非循环自相关准则，循环自相关和非循环自相关也分别被称作周期自相关和非周期自相关。使用这些序列时，一般要求发送序列与解扩时所用的本地序列为同一序列。本地序列也可以和发送序列是不同的序列，文献《序列偶设计研究综述》中提到的“失配序列”和“序列偶”就是这样的序列。
[0037]对于光背向散射测量系统来说，信号的发送端和接收端在一起。接收端收到的信号是发送序列被光纤中不同点散射或反射回来的不同时延序列，这些序列常常叠加在一起。只要通过与待解扩时延序列作相关运算，能使它与其他时延序列区分开就符合本地序列的选择要求。
[0038]其次，利用延时干涉仪和光电平衡检测器来实现光DPSK信号解调。
[0039]与光通信技术中光DPSK信号的解调方式一样。本发明选用延时干涉仪和光电平衡检测器来实现背向散射发送序列时延信号的解调。延时干涉仪采用延时干涉的方式将加载在相邻相位上的信息转化为光载波的强度信息，然后在通过光电平衡检测器将光强度信息转化为双极性电信号。当延迟干涉仪的偏置状态的稳定性不能满足要求时，延迟干涉仪应包含自动偏置控制模块，对延迟干涉仪进行实时控制，使入射信号的中心频率定位在延迟干涉仪干涉相长传输曲线的峰值频率，这样，延迟干涉仪两输出口(干涉相长口和干涉相消口)输出光功率相差最大，利于平衡检测器的接受。目前常用的技术手段如:峰值检测控制、微扰抖动控制等都能用来对延迟干涉仪进行偏置控制。类似于通信中的前导码和同步头，可以用时分的方式在发送序列前加一些用于控制延迟干涉仪偏置状态的码字。利用光DPSK技术实现了扩频码的双极性，在电域利用本地序列就可以实现对发送序列时延续列的相关运算完成解扩，实现背向散射信号的测量。
[0040]优选地，还包括如下步骤:
[0041]首先，采用光域乘法器。其基本原理是:本地序列调制延迟干涉仪的相位，使待解扩序列的光强度信号按照相关解扩两序列码元乘法运算的极性要求，在指定的延迟干涉仪的端口输出；或者本地序列经过差分预编码后在延时干涉仪前调制光信号相位，使待解扩序列的光强度信号按照相关解扩两序列码元乘法运算的极性要求，在指定的延迟干涉仪的端口输出；
[0042]为了说明光域乘法器的原理，首先分析一下不采用光域乘法器时的情况。不考虑解扩时，按照前面基带扩频信号调制解调的方案，信号的处理过程由图1所示。假设用于光纤背向散射测量的扩频码为010110(第一位O为参考位)，经差分预编码器预编码为011011，利用预编码调制相位调制器其法则为:相位分别为O和π的光信号分别代表O码和I码，利用延迟干涉仪和平衡接收机解差编码为010110，对应的双极性码为-1 1-1 I1-1 (与平衡接受机相连的延迟干涉仪的两个输出臂分别对应两个极性)。对于双极性码-11-1 I 1-1来说，只要将-1码转为I码(或I码转为-1码)其余的保持不变就完成了解扩的主要步骤乘法运算，此操作相当于-1 1-1 I 1-1和-1 1-1 I 1-1相乘，实际上只要调制延迟干涉仪的相位为H，就能使平衡接收机输出码的极性发生反转。图2所示为光域乘法器的示意图。按照图2方案，本地码发生器发出的本地解扩码调制延迟干涉仪上的用于光域乘法运算的相位调制器，按照前述的调制法则，原本应输出为-1 1-111 -1的序列变成了以I 1111 I方式输出。如果按“解扩码的O码和I码分别调制的相位分别为O和”的方式调制的话，则输出序列为-1 -1 -1 -1 -1 -1。实现了乘法运算。前面提到过，当延迟干涉仪的偏置状态的稳定性不能满足要求时，延迟干涉仪应包含自动偏置控制模块，对延迟干涉仪进行实时控制。此偏置控制模块的关键部件也是一个相位调制器。用于光域乘法运算的相位调制器可以与用于自动偏置控制的相位调制器是一同一个相位调制器也可以不是。
[0043]还有一种光乘法器的实现方式:只要将进入延迟干涉仪前的相位调制信号再进行一次调制，使其各位全为η或全为0，这样也能达到乘法器的作用。图3为这种情况的示意图:发送序列的相位调制器的调制输出O π πΟπ π，再经本地序列的相位调制器以Oji Ji O Ji Ji调制后变成了 000000的相位，此时延时干涉仪的输出变为:111111，完成乘法运算。对已调相信号再次调相相当于两次的相位相加，如果原来相位是η再调一次相位η等于总相位为2 31相当于回到了 O相位，其他情况是:相位O加相位O为相位0，相位O加相位η为相位η。利用这种法则也能很容易将两次调相后的各位相位变成全η，从而使延时干涉仪变成全-1输出。如同发送序列先进行差分预编码在进行相位调制一样，本地序列也通过差分预编码器控制本地序列相位调制器。
[0044]其次，发送序列选用格雷互补序列，接收端按其自相关函数定义的要求对其时延序列进行相关解扩；相关解扩可以在数字域或模拟域进行；
[0045]适合光背向散射测量的伪随机序列应没有旁瓣或者旁瓣很低。比较适合的有格雷互补序列和周期性的m序列等。格雷互补序列只需要发单周期就可以消除旁瓣，运算量较小，本发明优选格雷互补序列为发送序列。
[0046]格雷互补序列的定义如下:
[0047]长度为L的一对序列Ak，Bk,如果他们的自相关函数的和除了零位移外，处处为零，那么说这个两个序列为格雷互补序列。实际上，格雷互补序列中的一对序列都存在旁瓣，只不过想加后对消掉了。下式是格雷互补序列自相关函数的定义
[0048]Ak*Ak+Bk*Bk = 2L δ k
I, A: = O
[0049]Sr = <
k \0,k^0
V
[0050]式中，*为相关运算。
[0051]将第一码序列Ak和第二码序列Bk分别作为发送序列注入待测光纤，然后在接收端分别将他们与本地序列相关的结果相加。
[0052]再次，对平衡接收机光电转换后信号，利用积分器完成相关解扩，解扩后A/D转换，由计算机完成后续数字信号处理完成光背向散射测量。
[0053]最后，可以在延迟干涉仪前加光学滤波器，实现只针对指定散射的测量。
[0054]光纤中的散射信号主要有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。其中布里渊散射与瑞利散射谱线靠的很近，光学滤波器很难将它与瑞利散射的分来。拉曼散射谱线可以通过光学滤波器与瑞利散射分来。
[0055]拉曼散射包括两种:斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射。他们在频谱上的分布大致是对称的。这两者对温度都敏感。只不过反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯拉曼散射要大的多。因此通常都将反斯托克斯拉曼散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。而斯托克斯拉曼散射通常被用作参考通道，用来消除应力等其他因素的影响。瑞利散射对温度不敏感，因此也有将瑞利散射作为参照通道的。
[0056]综合利用上述的技术措施，本发明由图4、图5和图7所示的实施例装置来实现。
[0057]图4所示装置为一种完全在电域解扩的光纤背向散射测量装置，其基本工作过程为:格雷互补序列的两个互补序列作为发送序列分别经过光DPSK调制后注入待测光路，待测光路的反射或背向散射信号经过光定向耦合器或光环行器注入延迟干涉仪和平衡检测器进行DPSK解调，解调后的信号进行A/D转换，A/D转换信号利用本地序列进行相关解扩，对相关解扩的结果进一步处理，完成光散射信号的测量。
[0058]图5所示装置为一种在光域完成解扩中的乘法运算的光纤背向散射测量装置，其基本工作过程为:格雷互补序列的两个互补序列作为发送序列分别经过光DPSK调制后注入待测光路，待测光路的反射或背向散射信号经过光定向耦合器或光环行器注入延迟干涉仪和平衡检测器进行DPSK解调，格雷互补序列的两个本地序列分别调制延迟干涉仪上的相位调制器实现光域乘法运算，利用光电平衡检测器进行光电转换，对完成乘法运算的两序列分别进行积分运算，在积分器中累加两次积分运算的结果完成相关解扩，解扩后进行A/D转换，由光背向散射测量处理单元完成后续数字信号处理完，成光后向散射测量。前述另一种在光域完成解扩中乘法运算的光纤背向散射测量的装置与图5所示的类似，不再详细描述。
[0059]图6所示装置为在图5装置上基础上增加一个光学滤波器，光学滤波器的位置在延迟干涉仪的入口前，此滤波可以针对光纤中三中散射光之一进行滤波，尤其时能滤出拉曼散射中的反斯托克斯光或斯托克斯光.如果所添加的滤波器是可调滤波器，这样就能分时测量待测光纤莫处的反斯托克斯光或斯托克斯光或瑞利散射光的散射量，这样借助背向散射测量处理单元就能实现单纯的散射量测量或温度的测量。
[0060]图7所示装置为在图5所示装置的基础上实现拉曼分布式光纤测温的装置，与图5装置不同处是:散射光通过分光器分成两路，在各路中通过光学滤波器分别滤出信号通道(反斯托克斯拉曼散射)和参考通道(斯托克斯拉曼散射或瑞利散射)，然后继续利用图5装置的后续处理方式处理，最后利用背向散射测量处理单元按拉曼温度传感的原理解调。
[0061]图7和图4所示装置都能实现光纤拉曼测温，其区别是:图7所示装置测量速度更快，单装置的成本会高些。
[0062]本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。
【权利要求】
1.一种基于扩频技术的光纤背向散射测量的方法，其特征在于，该方法包括: 发送序列利用DPSK调制方式对光源信号进行相位调制； 相位调制后的DPSK光信号进入待测光路； 从待测光路反射或背向散射的DPSK光信号经第一光定向耦合器或光环行器进入延迟干涉仪，从而实现DPSK光信号的解调； 对解调后的DPSK光信号进行光电转换； 利用本地序列对光电转换后的信号进行相关解扩，以进行光背向散射测量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括:利用本地序列调制延迟干涉仪的相位或本地序列利用DPSK调制方式调制相位调制后的DPSK光信号，以提前完成相关解扩光电转换后的信号所需的乘法运算。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法还包括:滤波从第一光定向耦合器或光环行器输出的反射或背向散射的DPSK光信号，并对滤波后的光DPSK信号进行解调和相关解扩。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法还包括:对从第一光定向耦合器或光环行器输出的反射或背向散射的DPSK光信号进行分光，并对分光后的DPSK光信号进行滤波。
5.一种基于扩频技术的光纤背向散射测量的装置，其特征在于，该装置包括:光发送单元、发送序列发生器、第一差分预编码器、第一相位调制器、第一光定向耦合器或光环行器、延迟干涉仪、光电平衡检测器、第一本地序列发生器、相关解扩器、以及光背向散射测量处理单元； 光发送单元，用于产生光源信号； 发送序列发生器，用于产生发送序列信号； 差分预编码器，用于对发送序列进行差分预编码； 第一相位调制器，用于利用DPSK调制方式对光源信号进行相位调制； 第一光定向I禹合器或光环行器，用于将反射或背向散射的DPSK光信号输入延迟干涉仪； 延迟干涉仪，用于解调反射的DPSK光信号； 光电平衡检测器，用于对解调后的DPSK光信号进行光电转换； 相关解扩器，用于利用本地序列对光电转换后的信号进行相关解扩； 光背向散射测量处理单元，用于进一步处理相关解扩结果来实现光背向散射测量。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，延迟干涉仪包括相位调制器，所述相位调制器利用本地序列来调制延迟干涉仪的相位，以提前完成光电转换后的信号所需的乘法运笪
ο
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该装置还包括第二相位调制器、第二本地序列发送器、以及第二差分预编码器； 第二本地序列发送器，用于产生本地序列； 第二差分预编码器，用于对发送序列进行差分预编码； 第二相位调制器，用于利用DPSK调制方式对相位调制后的DPSK光信号进行相位调制，以提前完成相关解扩光电转换后的信号所需的乘法运算。
8.根据权利要求5、6或7所述的装置，其特征在于，该装置包括滤波器，用于滤波从第一光定向I禹合器或光环行器输出的反射或背向散射的DPSK光信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，该装置还包括第二光定向耦合器或分光器，用于对从第一光定向I禹合器或光环行器输出的反射的DPSK光信号进行分光。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，滤波器为可调滤波器，用于分时滤波不同波段的第一光定向I禹合器或光环行器输出的反射或背向散射的DPSK光信号。
【文档编号】H04B10/556GK104266752SQ201410491605
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】李卫 申请人:李卫