一种基于移频外差的波长编码光时域反射测试装置及方法

本发明涉及光纤链路测试技术领域，具体涉及一种基于移频外差的波长编码光时域反射测试装置及方法。

背景技术：

光时域反射仪(opticaltime-domainreflectometer)简称otdr。otdr利用激光雷达原理，通过向光纤注入探测光脉冲，通过测试反射光功率及传输时间得到损耗特性于反射位置等参数。otdr能够对光纤通信系统进行验证、维护、修复和监测，在光纤产业中被广泛应用。

为了提升传统otdr的性能，祝宁华等人提出了波长编码光时域反射方案，并申请了中国专利，专利号为：cn101764646，专利名称为“利用波长编码的光时域反射测试装置对光纤链路进行的测量方法”。其采用分布布拉格反射型激光器作为光源，通过改变施加在相区的偏置电流实现光波长的调谐，产生对光信号进行波长编码来提升otdr的性能。但是，由于otdr的空间分辨率由脉冲宽度决定，为实现高空间分辨率要求激光器在两个波长间的调谐时间达到200纳秒甚至更短，同时在不同波长间快速调谐时引起的波长不稳定也会影响拍频信号的线宽，调谐速度越快拍频信号的线宽越宽，而较宽的线宽会影响系统动态范围。以上两个问题限制了波长编码otdr的应用。

技术实现要素：

为解决上述的技术问题，本发明提出了一种基于移频外差的波长编码光时域反射测试装置及方法，实现快速稳定的光波长调谐，可以产生更窄的光脉冲和更窄的拍频信号线宽。

本发明为了实现上述目的，具体采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于移频外差的波长编码光时域反射测试装置，包括激光源(1)、波长编码模块(4)、分束器(5)、环形器(6)、偏振控制器(8)、合束器(9)、光电探测器(10)和时频分析模块(11)组成，其中波长编码模块(4)由声光移频器(2)和编码信号发生器(3)组成。

本发明的一种基于移频外差的波长编码光时域反射测试方法的原理如下：

编码信号发生器(3)产生周期为td共n个周期的频率编码信号，一个周期内编码两个不同频率的脉冲，脉冲宽度为τ，频率分别为f1和f2，两脉冲时间间隔为t1，其余时刻填充频率为f3的信号。频率f1，f2，f3位于声光移频器(2)的中心频率附近，f1＜f3＜f2或f2＜f3＜f1。声光移频器(2)在三个频率处的移频效率分别为η1，η2，η3。

激光源(1)处于正常激射状态，发出功率为p0、频率为ν的光载波，经过声光移频器(2)移频，移频后的光场e表示为：

rect为矩形函数：

移频后的光场从端口a输入分束器(5)，分为探测光信号和参考光信号分别从分束器(5)的端口b和端口c输出；探测光信号从端口d输入环形器(6)再从端口e输入被测光纤(7)中，遇到被测光纤(7)中的断点后产生反射光信号返回环形器(6)并从端口f输出；反射光经过偏振控制器(8)后于参考光信号通过合束器(9)，进入光电探测器(10)进行拍频，拍频信号进入时频分析模块(11)进行分析。改变两脉冲时间间隔为t1，同时分析拍频信号的时域和频域，当频率分量f1-f2的信号持续时间达到最大，或拍频信号功率达到最大时，提取当前时刻的脉冲时间间隔t1，即得到反射光信号在光纤中的飞行时间，从而实现光纤的断点定位。

本发明具有以下的有益效果：利用声光移频器对光信号进行波长编码，波长调谐速率快(调谐时间小于声光移频器的上升/下降时间35ns)；使用窄线宽激光器和声光移频，编码的光信号波长稳定，因此产生的拍频信号线宽窄，小于1mhz。

附图说明

图1为本发明的基于移频外差的薄产编码光时域反射测试装置图；

图2为本发明的编码信号发生器产生射频信号短时傅里叶变换图；

图3为本发明实际测得的拍频信号时域波形图；

图4为本发明实际测得的拍频信号频谱图；

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明专利，下面结合附图和以下实例对本发明专利做进一步详细描述：

实施例1

请参阅图1，本发明基于移频外差的波长编码光时域反射测试装置，主要由激光源(1)，波长编码模块(4)、偏振控制器(8)、光电探测器(10)、分束器(5)、合束器(9)和时频分析模块(11)组成。

其中激光源(1)是窄线宽激光器，稳定输出载波193414mhz(1550.00nm)，线宽1khz的激光；所述波长编码模块(4)由编码信号发生器(3)和声光移频器(2)组成，编码信号发生器(3)是任意波形发生器，用于编码的信号频率分别为70mhz和90mhz，其余填充信号频率为80mhz，图2为该射频信号的短时傅里叶变换图。

波长编码模块(4)产生的编码光脉冲从分束器(5)的端口a输入，从端口b和端口c输出分别作为探测光信号和参考光信号；探测光信号从环形器(6、端口d输入端口e输出进入被测光纤(7)中，遇到光纤中的断点产生反射光从环形器(6)的端口f输出，通过偏振控制器(8)后于参考光信号进入合束器(9)，进入光电探测器(10)进行拍频，由采样示波器采集拍频信号数据并进行分析。光纤断点距离约为6230m，改变两编码脉冲间的时间间隔t1，当t1为60.98μs时可以从时域和频域观察到频率等于两脉冲频率差20mhz的中频拍频信号，图3为全局信号与局部拍频信号的时域，图4为全局信号的频域。即测得探测光在光纤中飞行时间为60.98μs，取光纤中光速为0.204331km/μs，对应光纤断点距离为6230m。

技术特征：

1.一种基于移频外差的波长编码光时域反射测试装置，其特征在于：

包括激光源(1)、波长编码模块(4)、分束器(5)、环形器(6)、偏振控制器(8)、合束器(9)、光电探测器(10)和频谱分析模块(11)构成；其中，所述波长编码模块(4)由编码信号发生器(3)和声光移频器(2)组成；编码信号发生器(3)产生频率编码的射频信号驱动声光移频器(2)，激光源(1)通过声光移频器(2)产生编码的光脉冲信号从端口a输入分束器(5)，分为探测光信号和参考光信号分别从分束器(5)的端口b和端口c输出；探测光信号从端口d输入环形器(6)再从端口e输入被测光纤(7)中，遇到被测光纤(7)中的断点后产生反射光信号返回环形器(6)并从端口f输出；反射光经过偏振控制器(8)后于参考光信号通过合束器(9)，进入光电探测器(10)进行拍频，拍频信号进入时频分析模块(11)进行分析。

2.根据权利要求书1所述的基于移频外差的波长编码光时域反射测试装置，其特征在于，编码信号发生器(3)为任意波形发生器或频移键控调制器，产生射频信号频率在声光移频器(2)中心频率附近。

3.根据权利要求书1所述的基于移频外差的波长编码光时域反射测试装置，其特征在于，时频分析模块(11)是采样示波器，或是数据采集卡与微处理器。

4.根据权利要求书1所述的基于移频外差的波长编码光时域反射测试装置，其特征在于，激光源(1)是窄线宽激光器。

5.一种基于移频外差的波长编码光时域反射测试方法，其特征在于，该方法是将两个不同波长的光信号组成的编码光信号分为为探测光信号和参考光信号，探测光信号进入被测光纤后遇到光纤断点会产生反射光信号，反射光信号与参考光信号进入光电探测器(10)拍频，拍频信号进入时频分析模块(11)进行分析；通过调节两个光脉冲的时间间隔，并分析对应拍频信号时域信号或频域，当该时域信号的持续时间达到最大时或频域上拍频信号功率达到最大时，反射光信号的时延就等于此时两个光脉冲的时间间隔，从而测出探测光在光纤中的飞行时间，实现光纤断点的定位。

技术总结
本发明公开了一种基于移频外差的波长编码光时域反射测试装置及方法，属于光纤链路测试技术领域。本发明由激光源、声光移频器、编码信号发生器、环形器、偏振控制器、光电探测器、时频分析模块、分束器、合束器组成。本发明方法用编码信号发生器产生频率编码的射频信号驱动声光移频器，通过声光移频器对激光源进行编码产生波长编码的光信号，经过分束器分为探测光信号和参考光信号分别输入环形器和合束器，探测光信号进入被测光纤中遇到断点后产生反射光信号从环形器经过偏振控制器输入合束器，与参考光信号进入光电探测器拍频，拍频信号进入时频分析模块进行分析处理。相比现有技术，本发明提高了波长调谐速率和波长调谐稳定度，能够实现更窄的脉冲和更窄的拍频信号线宽。

技术研发人员：张尚剑;邢贯苏;徐映;刘永
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2021.03.30
技术公布日：2021.07.13