一種基於擴頻技術的光纖背向散射測量的方法和裝置製造方法
2023-07-16 05:42:51 1
一種基於擴頻技術的光纖背向散射測量的方法和裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於擴頻技術的光纖背向散射測量的方法和裝置。該方法包括：發送序列利用DPSK調製方式對光源信號進行相位調製；相位調製後的DPSK光信號進入待測光路；從待測光路反射或背向散射的DPSK光信號經第一光定向耦合器或光環行器進入延遲幹涉儀，從而實現DPSK光信號的解調；對解調後的DPSK光信號進行光電轉換；利用本地序列對光電轉換後的信號進行相關解擴，以進行光背向散射測量。本發明將光DPSK調製技術和擴頻技術尤相結合，實現了光域擴頻碼的雙極性，使光纖背向散射測量的精度、動態範圍得到提高；通過調製延遲幹涉儀的相位實現了相關解擴中的碼元乘法運算，克服了在電域相關解擴時的電子瓶頸。
【專利說明】一種基於擴頻技術的光纖背向散射測量的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及光電檢測技術，特別涉及一種基於擴頻技術光纖背向散射測量的方法和裝置。
【背景技術】
[0002]光纖中的散射信號主要有瑞利散射、拉曼散射和布裡淵散射。光纖背向散射測量是通過一定的定位技術，對光線在光纖中傳輸時的各種散射和菲涅爾反射在光發射端進行測量的方法。
[0003]光纖背向散射測量在目前市場上有兩大應用領域。其一是測量光纖的鏈路損耗、插入點損耗以及故障點位置，主要是通過測量光纖各點的背向瑞利散射和菲涅耳反射來實現；其二主要通過測量光纖中各點的背向拉曼散射或背向布裡淵散射，利用它們的幅值或頻率與溫度和應變的關係來實現傳感信號測量。
[0004]目前常見的能實現光纖背向散射測量的裝置主要分光時域反射計(OTDR)和光頻域反射計(OFDR)，他們的定位技術不同。OFDR系統需要的光源應該為線性掃頻窄線寬單縱模雷射器，所以對光源的要求很高；0TDR是通過分析後向散射光的時間差和光程差進行檢測。探測解析度的提高依賴於探測脈衝寬度的減小，但是，在雷射功率一定的條件下，會造成探測脈衝能量的降低和噪聲電平的增加，從而引起動態範圍的減小。
[0005]在無線通信和檢測領域裡廣泛被採用的擴頻技術屬於相關檢測技術。如在《軍事通信技術》中2003年發表的《基於擴頻技術的光時域反射儀》中提到的那樣，擴頻技術可以有效地減少噪聲的影響，能在不犧牲解析度的前提下提高信噪比。理論上將擴頻技術應用在光背向散射檢測領域有很好的前景。但是正如在光通信領域裡利用擴頻技術一樣，在光纖檢測和傳感領域應用擴頻技術同樣面臨如何實現雙極性編碼、以及為了克服電子瓶頸如何實現光域解擴的技術問題。這些技術問題至今沒有很好的解決方案。在文獻《使用互補碼提高OTDR測量動態範圍的方法》提到的將格雷互補碼技術有利於提高OTDR測量動態範圍，但在處理雙極性的方式上也很繁瑣，並且要擴大一倍的序列發送量，影響系統檢測的時間。
[0006]解擴是發送序列和本地序列的相關運算，涉及乘法運算和積分運算兩種運算。工程實踐中積分運算通常由低通濾波器來完成。在電域中完成解擴運算有成熟的辦法，但對寬帶高速信號要遇到電子瓶頸的問題。因為低通濾波器或積分器不涉及電子瓶頸問題，如果能在光域中完成相關運算中乘法運算，將是個非常有意義的結果。
[0007]現有的光背向散射測量不能很好的兼顧測量精度、動態範圍。擴頻技術應用在這些領域理論上有很好的前景但面臨如何實現在光域實現雙極性碼以及光域解擴的技術難題。
[0008]因此，提供一種能夠有效解決上述難題的光背向散射測量方法和裝置成為業內急需解決的問題。
【發明內容】
[0009]為了解決上述的技術問題，提供了一種基於擴頻技術的光纖背向散射測量的方法和裝置。
[0010]本發明提供了一種基於擴頻技術的光纖背向散射測量的方法，該方法包括:發送序列利用DPSK調製方式對光源信號進行相位調製；相位調製後的DPSK光信號進入待測光路；從待測光路反射或背向散射的DPSK光信號經第一光定向耦合器或光環行器進入延遲幹涉儀，從而實現DPSK光信號的解調；對解調後的DPSK光信號進行光電轉換；利用本地序列對光電轉換後的信號進行相關解擴，以進行光背向散射測量。
[0011]優選地，該方法還包括:利用本地序列調製延遲幹涉儀的相位或本地序列利用DPSK調製方式調製相位調製後的DPSK光信號，以提前完成相關解擴光電轉換後的信號所需的乘法運算。
[0012]優選地,該方法還包括:濾波從第一光定向I禹合器或光環行器輸出的反射或背向散射的DPSK光信號，並對濾波後的光DPSK信號進行解調和相關解擴。
[0013]優選地,該方法還包括:對從第一光定向I禹合器或光環行器輸出的反射或背向散射的DPSK光信號進行分光,並對分光後的DPSK光信號進行濾波。
[0014]本發明提供了一種基於擴頻技術的光纖背向散射測量的裝置，該裝置包括:光發送單元、發送序列發生器、第一差分預編碼器、第一相位調製器、第一光定向耦合器或光環行器、延遲幹涉儀、光電平衡檢測器、第一本地序列發生器、相關解擴器、以及光背向散射測量處理單元；光發送單元，用於產生光源信號；發送序列發生器，用於產生發送序列信號；差分預編碼器，用於對發送序列進行差分預編碼；第一相位調製器，用於利用DPSK調製方式對光源信號進行相位調製；第一光定向耦合器或光環行器，用於將反射或背向散射的DPSK光信號輸入延遲幹涉儀；延遲幹涉儀，用於解調反射的DPSK光信號；光電平衡檢測器，用於對解調後的DPSK光信號進行光電轉換；相關解擴器，用於利用本地序列對光電轉換後的信號進行相關解擴；光背向散射測量處理單元，用於進一步處理相關解擴結果來實現光背向散射測量。
[0015]優選地，延遲幹涉儀包括相位調製器，所述相位調製器利用本地序列來調製延遲幹涉儀的相位，以提前完成光電轉換後的信號所需的乘法運算。
[0016]優選地，該裝置還包括第二相位調製器、第二本地序列發送器、以及第二差分預編碼器；第二本地序列發送器，用於產生本地序列；第二差分預編碼器，用於對發送序列進行差分預編碼；第二相位調製器，用於利用DPSK調製方式對相位調製後的DPSK光信號進行相位調製，以提前完成相關解擴光電轉換後的信號所需的乘法運算。
[0017]優選地，該裝置包括濾波器，用於濾波從第一光定向耦合器或光環行器輸出的反射或背向散射的DPSK光信號。
[0018]優選地,該裝置還包括第二光定向I禹合器或分光器，用於對從第一光定向I禹合器或光環行器輸出的反射的DPSK光信號進行分光。
[0019]優選地，濾波器為可調濾波器，用於分時濾波不同波段的第一光定向耦合器或光環行器輸出的反射或背向散射的DPSK光信號。
[0020]本發明將光DPSK調製技術和擴頻技術相結合，實現了光域擴頻碼的雙極性，使光纖背向散射測量的精度、動態範圍得到提高；通過調製延遲幹涉儀的相位或調製延遲幹涉儀入射光信號的相位實現了相關解擴中的碼元乘法運算，克服了在電域相關解擴時的電子瓶頸，使系統的性能提高，造價降低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明所涉及的發送序列光DPSK調製解調示意圖；
[0022]圖2是本發明所涉及的一種光域乘法器的示意圖；
[0023]圖3是本發明所涉及的另一種光域乘法器的示意圖；
[0024]圖4為本發明提供的全電域解擴的背向散射測量實施例裝置的示意圖；
[0025]圖5本發明提供的在光域完成解擴中乘法運算的背向散射測量實施例裝置的示意圖
[0026]圖6是針對拉曼散射測量的背向散射測量或分布式光纖測溫的一種實施例裝置；
[0027]圖7是針對分布式光纖拉曼測溫的另一種實施例裝置。
[0028]附圖標記說明
[0029]1-光發送單元；2、7_相位調製器；3_發送序列發生器；4_差分預編碼器；5_延遲幹涉儀；6_光電平衡檢測器；8_本地序列發生器；9_積分器；10-光定向耦合器或光環行器；11_待測光路；12_A/D轉換器；13_光背向散射測量處理單元；14_光學濾波器；15_光定向I禹合器或分光器。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖，對本發明做進一步的詳細描述。
[0031]針對現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種基於擴頻技術的光背向散射測量，且實現成本低。
[0032]本發明的目的是通過如下技術措施來達到:
[0033]首先，採用光差分移相健控調製格式(DPSK)將發送序列調製成光相位信息，發送到待測光路。
[0034]光差分移相鍵控調製格式是光通信中的一種新型的傳輸技術。光DPSK的調製原理是採用相鄰比特的光載波相位差來傳遞信息。發送序列先進行差分預編碼，再進行相位調製，其中預編碼電路一般採用延遲異或的方式來產生，通過相鄰基帶信號變化與否攜帶數字信息。經過預編碼後的基帶信號作為調製器的驅動信號對光載波進行相位調製。光DPSK的相位調製通常採用馬赫-曾德(MZ)調製器或直波導相位調製器，用直波導相位調製器產生的相位調製信號，光載波功率恆定不變，但在上升和下降沿的地方會出現啁啾。基於MZ調製器來實現相位調製時，其光功率並不是恆定的，而且有小的波動，但其相位非常的工整，幾乎沒有啁啾產生，可以實現精確的η相位跳變。當MZ調製器偏置點的穩定性不能滿足需要時，MZ調製器應包含自動偏置控制模塊，以補償器件由於老化或溫度變化帶來的影響。
[0035]發送序列的選擇要滿足的條件是:發送序列的各時延序列能很容易區分開。目前已盡設計許多符合條件的序列，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、互補序列等。
[0036]上述這些碼解擴時使用自相關函數準則，自相關準則針對不同的序列分為循環自相關準則和非循環自相關準則，循環自相關和非循環自相關也分別被稱作周期自相關和非周期自相關。使用這些序列時，一般要求發送序列與解擴時所用的本地序列為同一序列。本地序列也可以和發送序列是不同的序列，文獻《序列偶設計研究綜述》中提到的「失配序列」和「序列偶」就是這樣的序列。
[0037]對於光背向散射測量系統來說，信號的發送端和接收端在一起。接收端收到的信號是發送序列被光纖中不同點散射或反射回來的不同時延序列，這些序列常常疊加在一起。只要通過與待解擴時延序列作相關運算，能使它與其他時延序列區分開就符合本地序列的選擇要求。
[0038]其次，利用延時幹涉儀和光電平衡檢測器來實現光DPSK信號解調。
[0039]與光通信技術中光DPSK信號的解調方式一樣。本發明選用延時幹涉儀和光電平衡檢測器來實現背向散射發送序列時延信號的解調。延時幹涉儀採用延時幹涉的方式將加載在相鄰相位上的信息轉化為光載波的強度信息，然後在通過光電平衡檢測器將光強度信息轉化為雙極性電信號。當延遲幹涉儀的偏置狀態的穩定性不能滿足要求時，延遲幹涉儀應包含自動偏置控制模塊，對延遲幹涉儀進行實時控制，使入射信號的中心頻率定位在延遲幹涉儀幹涉相長傳輸曲線的峰值頻率，這樣，延遲幹涉儀兩輸出口(幹涉相長口和幹涉相消口)輸出光功率相差最大，利於平衡檢測器的接受。目前常用的技術手段如:峰值檢測控制、微擾抖動控制等都能用來對延遲幹涉儀進行偏置控制。類似於通信中的前導碼和同步頭，可以用時分的方式在發送序列前加一些用於控制延遲幹涉儀偏置狀態的碼字。利用光DPSK技術實現了擴頻碼的雙極性，在電域利用本地序列就可以實現對發送序列時延續列的相關運算完成解擴，實現背向散射信號的測量。
[0040]優選地，還包括如下步驟:
[0041]首先，採用光域乘法器。其基本原理是:本地序列調製延遲幹涉儀的相位，使待解擴序列的光強度信號按照相關解擴兩序列碼元乘法運算的極性要求，在指定的延遲幹涉儀的埠輸出；或者本地序列經過差分預編碼後在延時幹涉儀前調製光信號相位，使待解擴序列的光強度信號按照相關解擴兩序列碼元乘法運算的極性要求，在指定的延遲幹涉儀的埠輸出；
[0042]為了說明光域乘法器的原理，首先分析一下不採用光域乘法器時的情況。不考慮解擴時，按照前面基帶擴頻信號調製解調的方案，信號的處理過程由圖1所示。假設用於光纖背向散射測量的擴頻碼為010110(第一位O為參考位)，經差分預編碼器預編碼為011011，利用預編碼調製相位調製器其法則為:相位分別為O和π的光信號分別代表O碼和I碼，利用延遲幹涉儀和平衡接收機解差編碼為010110，對應的雙極性碼為-1 1-1 I1-1 (與平衡接受機相連的延遲幹涉儀的兩個輸出臂分別對應兩個極性)。對於雙極性碼-11-1 I 1-1來說，只要將-1碼轉為I碼(或I碼轉為-1碼)其餘的保持不變就完成了解擴的主要步驟乘法運算，此操作相當於-1 1-1 I 1-1和-1 1-1 I 1-1相乘，實際上只要調製延遲幹涉儀的相位為H，就能使平衡接收機輸出碼的極性發生反轉。圖2所示為光域乘法器的示意圖。按照圖2方案，本地碼發生器發出的本地解擴碼調製延遲幹涉儀上的用於光域乘法運算的相位調製器，按照前述的調製法則，原本應輸出為-1 1-111 -1的序列變成了以I 1111 I方式輸出。如果按「解擴碼的O碼和I碼分別調製的相位分別為O和」的方式調製的話，則輸出序列為-1 -1 -1 -1 -1 -1。實現了乘法運算。前面提到過，當延遲幹涉儀的偏置狀態的穩定性不能滿足要求時，延遲幹涉儀應包含自動偏置控制模塊，對延遲幹涉儀進行實時控制。此偏置控制模塊的關鍵部件也是一個相位調製器。用於光域乘法運算的相位調製器可以與用於自動偏置控制的相位調製器是一同一個相位調製器也可以不是。
[0043]還有一種光乘法器的實現方式:只要將進入延遲幹涉儀前的相位調製信號再進行一次調製，使其各位全為η或全為0，這樣也能達到乘法器的作用。圖3為這種情況的示意圖:發送序列的相位調製器的調製輸出O π πΟπ π，再經本地序列的相位調製器以Oji Ji O Ji Ji調製後變成了 000000的相位，此時延時幹涉儀的輸出變為:111111，完成乘法運算。對已調相信號再次調相相當於兩次的相位相加，如果原來相位是η再調一次相位η等於總相位為2 31相當於回到了 O相位，其他情況是:相位O加相位O為相位0，相位O加相位η為相位η。利用這種法則也能很容易將兩次調相後的各位相位變成全η，從而使延時幹涉儀變成全-1輸出。如同發送序列先進行差分預編碼在進行相位調製一樣，本地序列也通過差分預編碼器控制本地序列相位調製器。
[0044]其次，發送序列選用格雷互補序列，接收端按其自相關函數定義的要求對其時延序列進行相關解擴；相關解擴可以在數字域或模擬域進行；
[0045]適合光背向散射測量的偽隨機序列應沒有旁瓣或者旁瓣很低。比較適合的有格雷互補序列和周期性的m序列等。格雷互補序列只需要發單周期就可以消除旁瓣，運算量較小，本發明優選格雷互補序列為發送序列。
[0046]格雷互補序列的定義如下:
[0047]長度為L的一對序列Ak，Bk,如果他們的自相關函數的和除了零位移外，處處為零，那麼說這個兩個序列為格雷互補序列。實際上，格雷互補序列中的一對序列都存在旁瓣，只不過想加後對消掉了。下式是格雷互補序列自相關函數的定義
[0048]Ak*Ak+Bk*Bk = 2L δ k
I, A: = O
[0049]Sr = <
k \0,k^0
V
[0050]式中，*為相關運算。
[0051]將第一碼序列Ak和第二碼序列Bk分別作為發送序列注入待測光纖，然後在接收端分別將他們與本地序列相關的結果相加。
[0052]再次，對平衡接收機光電轉換後信號，利用積分器完成相關解擴，解擴後A/D轉換，由計算機完成後續數位訊號處理完成光背向散射測量。
[0053]最後，可以在延遲幹涉儀前加光學濾波器，實現只針對指定散射的測量。
[0054]光纖中的散射信號主要有瑞利散射、拉曼散射和布裡淵散射。其中布裡淵散射與瑞利散射譜線靠的很近，光學濾波器很難將它與瑞利散射的分來。拉曼散射譜線可以通過光學濾波器與瑞利散射分來。
[0055]拉曼散射包括兩種:斯託克斯拉曼散射和反斯託克斯拉曼散射。他們在頻譜上的分布大致是對稱的。這兩者對溫度都敏感。只不過反斯託克斯拉曼散射對溫度的敏感係數比斯託克斯拉曼散射要大的多。因此通常都將反斯託克斯拉曼散射用作信號通道，作為計算溫度的主要依據。而斯託克斯拉曼散射通常被用作參考通道，用來消除應力等其他因素的影響。瑞利散射對溫度不敏感，因此也有將瑞利散射作為參照通道的。
[0056]綜合利用上述的技術措施，本發明由圖4、圖5和圖7所示的實施例裝置來實現。
[0057]圖4所示裝置為一種完全在電域解擴的光纖背向散射測量裝置，其基本工作過程為:格雷互補序列的兩個互補序列作為發送序列分別經過光DPSK調製後注入待測光路，待測光路的反射或背向散射信號經過光定向耦合器或光環行器注入延遲幹涉儀和平衡檢測器進行DPSK解調，解調後的信號進行A/D轉換，A/D轉換信號利用本地序列進行相關解擴，對相關解擴的結果進一步處理，完成光散射信號的測量。
[0058]圖5所示裝置為一種在光域完成解擴中的乘法運算的光纖背向散射測量裝置，其基本工作過程為:格雷互補序列的兩個互補序列作為發送序列分別經過光DPSK調製後注入待測光路，待測光路的反射或背向散射信號經過光定向耦合器或光環行器注入延遲幹涉儀和平衡檢測器進行DPSK解調，格雷互補序列的兩個本地序列分別調製延遲幹涉儀上的相位調製器實現光域乘法運算，利用光電平衡檢測器進行光電轉換，對完成乘法運算的兩序列分別進行積分運算，在積分器中累加兩次積分運算的結果完成相關解擴，解擴後進行A/D轉換，由光背向散射測量處理單元完成後續數位訊號處理完，成光後向散射測量。前述另一種在光域完成解擴中乘法運算的光纖背向散射測量的裝置與圖5所示的類似，不再詳細描述。
[0059]圖6所示裝置為在圖5裝置上基礎上增加一個光學濾波器，光學濾波器的位置在延遲幹涉儀的入口前，此濾波可以針對光纖中三中散射光之一進行濾波，尤其時能濾出拉曼散射中的反斯託克斯光或斯託克斯光.如果所添加的濾波器是可調濾波器，這樣就能分時測量待測光纖莫處的反斯託克斯光或斯託克斯光或瑞利散射光的散射量，這樣藉助背向散射測量處理單元就能實現單純的散射量測量或溫度的測量。
[0060]圖7所示裝置為在圖5所示裝置的基礎上實現拉曼分布式光纖測溫的裝置，與圖5裝置不同處是:散射光通過分光器分成兩路，在各路中通過光學濾波器分別濾出信號通道(反斯託克斯拉曼散射)和參考通道(斯託克斯拉曼散射或瑞利散射)，然後繼續利用圖5裝置的後續處理方式處理，最後利用背向散射測量處理單元按拉曼溫度傳感的原理解調。
[0061]圖7和圖4所示裝置都能實現光纖拉曼測溫，其區別是:圖7所示裝置測量速度更快，單裝置的成本會高些。
[0062]本領域的技術人員在不脫離權利要求書確定的本發明的精神和範圍的條件下，還可以對以上內容進行各種各樣的修改。因此本發明的範圍並不僅限於以上的說明，而是由權利要求書的範圍來確定的。
【權利要求】
1.一種基於擴頻技術的光纖背向散射測量的方法，其特徵在於，該方法包括: 發送序列利用DPSK調製方式對光源信號進行相位調製； 相位調製後的DPSK光信號進入待測光路； 從待測光路反射或背向散射的DPSK光信號經第一光定向耦合器或光環行器進入延遲幹涉儀，從而實現DPSK光信號的解調； 對解調後的DPSK光信號進行光電轉換； 利用本地序列對光電轉換後的信號進行相關解擴，以進行光背向散射測量。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，該方法還包括:利用本地序列調製延遲幹涉儀的相位或本地序列利用DPSK調製方式調製相位調製後的DPSK光信號，以提前完成相關解擴光電轉換後的信號所需的乘法運算。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，該方法還包括:濾波從第一光定向耦合器或光環行器輸出的反射或背向散射的DPSK光信號，並對濾波後的光DPSK信號進行解調和相關解擴。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，該方法還包括:對從第一光定向耦合器或光環行器輸出的反射或背向散射的DPSK光信號進行分光，並對分光後的DPSK光信號進行濾波。
5.一種基於擴頻技術的光纖背向散射測量的裝置，其特徵在於，該裝置包括:光發送單元、發送序列發生器、第一差分預編碼器、第一相位調製器、第一光定向耦合器或光環行器、延遲幹涉儀、光電平衡檢測器、第一本地序列發生器、相關解擴器、以及光背向散射測量處理單元； 光發送單元，用於產生光源信號； 發送序列發生器，用於產生發送序列信號； 差分預編碼器，用於對發送序列進行差分預編碼； 第一相位調製器，用於利用DPSK調製方式對光源信號進行相位調製； 第一光定向I禹合器或光環行器，用於將反射或背向散射的DPSK光信號輸入延遲幹涉儀； 延遲幹涉儀，用於解調反射的DPSK光信號； 光電平衡檢測器，用於對解調後的DPSK光信號進行光電轉換； 相關解擴器，用於利用本地序列對光電轉換後的信號進行相關解擴； 光背向散射測量處理單元，用於進一步處理相關解擴結果來實現光背向散射測量。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，延遲幹涉儀包括相位調製器，所述相位調製器利用本地序列來調製延遲幹涉儀的相位，以提前完成光電轉換後的信號所需的乘法運笪
ο
7.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，該裝置還包括第二相位調製器、第二本地序列發送器、以及第二差分預編碼器； 第二本地序列發送器，用於產生本地序列； 第二差分預編碼器，用於對發送序列進行差分預編碼； 第二相位調製器，用於利用DPSK調製方式對相位調製後的DPSK光信號進行相位調製，以提前完成相關解擴光電轉換後的信號所需的乘法運算。
8.根據權利要求5、6或7所述的裝置，其特徵在於，該裝置包括濾波器，用於濾波從第一光定向I禹合器或光環行器輸出的反射或背向散射的DPSK光信號。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，該裝置還包括第二光定向耦合器或分光器，用於對從第一光定向I禹合器或光環行器輸出的反射的DPSK光信號進行分光。
10.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，濾波器為可調濾波器，用於分時濾波不同波段的第一光定向I禹合器或光環行器輸出的反射或背向散射的DPSK光信號。
【文檔編號】H04B10/556GK104266752SQ201410491605
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月23日 優先權日:2014年9月23日
【發明者】李衛 申請人:李衛