技术领域
[0001] 本
发明属于光时域反射（OTDR）技术领域，具体涉及一种基于多波长脉冲
光信号的OTDR装置及方法。
背景技术
[0002] 光时域反射仪（Optical Time-Domain Reflectometry，OTDR）的原理为：脉冲光在光纤传输时，由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲或其它事件而产生背向散射和反射，该散射和反射光返回到初始端，并被光电器件所接收。散射光主要包括由光纤折射率变化引起的瑞利散射、光学声子引起的
拉曼散射、声学声子引起的布里渊散射，散射信号中包含了光纤沿途的损耗、
温度、应
力等信息。利用OTDR可以方便地从一端对光纤进行非破坏性测量，对整个光纤线路距离上的各种事件都可以显示出来。随着光纤通信、光纤传感等技术的发展，该技术得到了极大的应用和推进，然而随着对空间
分辨率和测量距离要求的提高，OTDR系统越来越复杂，测量时间越来越长，传统方法已经难以进一步提高OTDR的性能。
[0003] 为了提高OTDR的动态范围，传统上使用两种方法：增加脉冲宽度、增加累加时间。由于累加时间不能无限制增加，增加脉冲宽度就成了主要的选择，但脉冲宽度的增加导致空间分辨率降低，使得测试性能难以符合要求。如[CN 1330265A]，该
专利仅仅解决了大动态范围问题，没有解决分辨率过低问题，且测量过程需要耗费更多倍时间。在Tektronix 公司的专利[US 5155439A]中提出的连续采集方案提出了解决上述问题的新方法，在连续采集方案中，第一次采集使用最小的脉冲，其后每次采集使用的脉冲宽度逐渐加大，直到测量的信号中出现了光纤末端才停止测量。从不同采集中获得的事件信息被组合到同一个结果中，生成单一的OTDR曲线图或事件列表。这样对于光纤的每一段，都可以得到合适的空间分辨率，而测量距离也得到了保证，而且还避免了大动态范围导致的饱和问题。尽管空间分辨率和动态范围的矛盾在上面所描述的方案中可以部分得到解决，但代价是测量时间大大增加，甚至无法保障在特定的时间内完成测量。对于大动态范围的测量，为了保证末端的
信噪比，一次采集所要耗费的时间达到一分钟甚至更长，如果进行多次采集，且采集的次数没有限制，其测量时间将难以满足用户需求，限制其应用和发展。
发明内容
[0004] 为了克服
现有技术中存在的
缺陷，本发明提供一种测试时间短、测试效果好的基于多波长脉冲光信号的OTDR装置及方法，具体的技术方案如下：
[0005] 基于多波长脉冲光信号的OTDR装置，用于对一待测光纤上发生的事件进行检测，该OTDR装置包括
数据处理单元、光发射单元以及光接收单元，数据处理单元与光接收单元连接；
[0006] 光发射单元用于向待测光纤同时发送一组多波长脉冲光信号，光发射单元包括光合成模
块和至少两个不同中心波长的
光源；
[0007] 光接收单元用于同时采集由待测光纤返回的多组背向散射信号，获取检测数据；光接收单元包括分光模块和至少两个对应于不同中心波长光源的光检测模块；
[0008] 数据处理单元用于对光接收单元采集到的检测数据进行分析处理。
[0009] 作为优化方案，光发射单元还包括光源驱动模块，光源驱动模块用于驱动不同中心波长的光源。
[0010] 作为优化方案，数据处理单元还与光发射单元连接，数据处理单元用于设置调制参数，并根据调制参数发送驱动信号对光源驱动模块进行控制。
[0011] 作为优化方案，调制参数包括驱动信号的脉冲强度、脉冲宽度、编码类型和编码长度。
[0012] 作为优化方案，光接收单元还包括放大滤波模块和
模数转换模块，光检测模块
输出信号至放大滤波模块，放大滤波模块输出信号至模数转换模块。
[0013] 作为优化方案，放大滤波模块包括若干放大滤波通道，每个放大滤波通道与一个光检测模块对应连接；模数转换模块包括若干模数转换通道，每个模数转换通道与一个放大滤波通道对应连接。
[0014] 作为优化方案，数据处理单元用于设置通道参数，对光检测模块、放大滤波模块以及模数转换模块进行控制。
[0015] 作为优化方案，通道参数包括光检测
电压、放大增益参数、带宽参数和偏置参数。
[0016] 作为优化方案，还包括耦合单元，耦合单元的一端分别与光发射单元和光接收单元连接，耦合单元的另一端与待测光纤连接。
[0017] 作为优化方案，多波长脉冲光信号的波长范围为1210nm~1650nm。
[0018] 作为优化方案，光合成模块为定向
耦合器、波分复用器或平面光
波导。
[0019] 作为优化方案，光检测模块为APD光电
二极管。
[0020] 作为优化方案，驱动信号为伪随机序列的脉冲编码或单脉冲信号。
[0021] 作为优化方案，脉冲编码采用格雷码、S码或双
正交编码。
[0022] 作为优化方案，耦合单元为双向耦合器或环形器。
[0023] 基于多波长脉冲光信号的OTDR方法，用于对一待测光纤上发生的事件进行检测，包括如下步骤：
[0024] 步骤a，向待测光纤同时发送一组多波长脉冲光信号；其中，多波长脉冲光信号是指包括至少两个不同中心波长的脉冲光信号；
[0025] 步骤b，同时采集由待测光纤返回的多组背向散射信号，获取多组检测数据；
[0026] 步骤c，对采集到的检测数据进行分析处理，获得最优的OTDR曲线图和事件列表。
[0027] 作为优化方案，多波长脉冲光信号经驱动信号调制。
[0028] 作为优化方案，驱动信号为伪随机序列的脉冲编码。
[0029] 作为优化方案，步骤b中对背向散射信号的采集具体为：
[0030] 对背向散射信号进行分光，获得若干不同波段的散射分信号，再对每一路散射分信号分别进行光电转换、放大滤波以及模数转换，获得若干检测数据。
[0031] 作为优化方案，步骤c中对多组检测数据的分析处理具体为：
[0032] 步骤c1，事件搜索，对检测数据进行分析，搜索光纤链路中存在的所有事件，计算事件参数，获得事件列表；
[0033] 步骤c2，对待测光纤不同距离处的信号数据进行组合，根据组合后的数据生成最优的OTDR曲线图。
[0034] 作为优化方案，步骤c1中的事件搜索方法具体为：
[0035] 参照不同的事件类型将检测数据根据对应的波长设置优先级，所有事件的所有参数，都相应的优先级最高的检测数据中提取。
[0036] 作为优化方案，步骤c2中的数据组合方法具体为：
[0037] 在无事件处，若信噪比不低于一预设的
阈值，则选择最小脉冲波长信号；
[0038] 在有事件处，选择对事件类型识别最佳的波长信号。
[0039] 作为优化方案，若驱动信号为脉冲编码，步骤c之前还包括数据解码步骤，具体为：
[0040] 采用与脉冲编码对应的逆阵对采集到的各组检测数据分别进行数据解码，并存储。
[0041] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0042] （1）相对于传统的OTDR，本发明基于多波长的脉冲光信号，可以简单实现大动态范围测试，通过不同波长测量光纤的不同距离，可避免单波长脉冲饱和或者信噪比过低的状态；
[0043] （2）相对于多采集OTDR或连续采集OTDR，本发明拥有更高的测试性能（分辨率、动态范围），而且节约了测量时间，例如，使用双波长OTDR可节约大约1/2时间，三波长可节约大约2/3时间；
[0044] （3）在本发明中，由于每个波长间的测量都是独立进行，测试装置可以在不同状态下运行，实现多功能测试；例如，某些波段处于在线测试，某些波段处于普通测试；或者在测试过程中分出某一波段进行其它光纤参量（如光纤长度、振动、温度等）的测试或分析；将会极大地丰富OTDR功能。
附图说明
[0046] 图2为光发射模块的结构框图；
[0047] 图3为光接收模块的结构框图。
[0048] 上图中序号为：1-数据处理单元、2-光发射单元、21-光源驱动模块、22-光源、23-光合成模块、3-光接收单元、31-分光模块、32-光检测模块、33-放大滤波模块、34-模数转换模块、4-耦合单元、5-待测光纤。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图以
实施例的方式详细描述本发明。
[0050] 实施例1：
[0051] 如图1所示，基于多波长脉冲光信号的OTDR装置，用于对一待测光纤5进行检测，该OTDR装置包括数据处理单元1、光发射单元2、光接收单元3以及耦合单元4。
[0052] 如图2所示，光发射单元2用于向待测光纤同时发送一组多波长脉冲光信号，光发射单元2包括光合成模块23和至少两个不同中心波长的光源22。光合成模块23用于对多个光源22发射的不同波长的脉冲光进行耦合。在本实施例中，光合成模块23为定向耦合器，即单向通信的光纤耦合器，但不限于此，还可以采用波分复用器（WDM）或平面光波导（PLC），本发明不对光合成模块23的具体类型进行限定，以上仅为举例。
[0053] 在本实施例中，光发射单元2还包括光源驱动模块21，光源驱动模块21用于驱动不同中心波长的光源22。本发明并不限定于必须采用此光源驱动模块21，仅采用多波长脉冲光信号已能实现节约测量时间、提高测试效果的技术效果。在本实施例中，光源驱动模块21包括若干光源驱动，每个光源驱动对应一个光源22，见图2，但不限于此，也可以一个光源驱动对应多个光源22，只要光源驱
动能够满足所有光源22所需的波段即可。
[0054] 相应的，数据处理单元1可用于设置调制参数，对光源驱动模块21进行控制，即根据设置的调制参数发送相应的驱动信号控制光源驱动模块21，对多波长脉冲光信号进行调制。在本实施例中，驱动信号为伪随机序列的脉冲编码或单脉冲信号；其中，脉冲编码可以采用格雷码、S码或双正交编码。该脉冲编码可以提高多波长脉冲光信号的信噪比，增加动态范围，节约测量时间，在多波长脉冲光信号的
基础上再次提高了OTDR的性能。其中，调制参数包括驱动信号的脉冲强度、脉冲宽度、编码类型和编码长度。
[0055] 如图3所示，光接收单元3用于同时采集由待测光纤返回的多组背向散射信号，获取检测数据；包括分光模块31和至少两个对应于不同中心波长光源的光检测模块32；在本实施例中，光检测模块32为APD
光电二极管。
[0056] 在本实施例中，光接收单元3还包括放大滤波模块33和模数转换模块34，光检测模块32输出信号至放大滤波模块33，放大滤波模块33输出信号至模数转换模块34。其中，放大滤波模块33包括若干放大滤波通道，每个放大滤波通道与一个光检测模块对应连接；模数转换模块34包括若干模数转换通道，每个模数转换通道与一个放大滤波通道对应连接。在本实施例中，一个光检测模块与对应的放大滤波通道以及对应的模数转换通道组成了一个光接收通道，可以认为在光接收单元3中包含了若干个光接收通道，通过对这些光接收通道进行控制即可对每一路背向散射信号进行相应的处理，从而获得所需的检测数据。可通过设置通道参数实现对这些光接收通道进行控制。
[0057] 相应的，数据处理单元1可用于设置通道参数，对光检测模块32、放大滤波模块33以及模数转换模块34进行控制，即通过设置通道参数控制光电转换、放大滤波以及模数转换的过程以获取所需的检测数据。其中，通道参数包括光检测电压、放大增益参数、带宽参数和偏置参数。其中，光检测电压对应于光检测模块32，放大增益参数和带宽参数对应于放大滤波模块33，偏置参数对应于光检测模块32中的偏置
电流，以及放大滤波模块33中的偏置电压。需要说明的是，通道参数远不止于这些，本发明对通道参数的种类不作限制。
[0058] 数据处理单元1用于对光接收单元3采集到的检测数据进行分析处理。
[0059] 耦合单元4的一端分别与光发射单元2和光接收单元3连接，耦合单元4的另一端与待测光纤5连接。在本实施例中，耦合单元4为双向耦合器，即双向通信的光纤耦合器，但不限于此，也可以是环形器，本发明不对耦合单元4的具体类型进行限定，以上仅为举例。
[0060] 基于多波长脉冲光信号的OTDR装置的工作流程如下：
[0061] 数据处理单元1用于设置调制参数以及通道参数，并根据调制参数发送驱动信号给光发射单元2；光发射单元2根据驱动信号进行调制并发射相应的多波长脉冲光信号，多波长脉冲光信号经耦合单元4进行耦合后进入待测光纤5；多波长脉冲光信号在待测光纤5内产生背向散射信号，背向散射信号经耦合单元4进行耦合后进入光接收单元3；光接收单元3根据通道参数对背向散射信号依次进行光电转换、放大滤波以及模数转换，获得检测数据；光接收单元3将检测数据发送给数据处理单元1进行分析、处理。
[0062] 在本实施例中，多波长脉冲光信号采用的是1550nm、1310nm和1625nm三种波长的脉冲光信号，这三种波长均为传统OTDR所采用，不会带来额外的成本和复杂度，但不限于此，本发明对多波长脉冲光信号的波长范围不作限制，优选的波长范围为1210nm~1650nm，这个波段为光纤通信中常用波段，损耗系数小，传输距离远，易于实现。该波长范围仅供参考，并不限制多波长脉冲光信号的波长范围。
[0063] 在本实施例中，调制参数如表1所示：
[0064] 表1调制参数
[0065]波长（nm） 脉冲宽度（ns） 脉冲强度(dBm) 编码类型 编码长度
1310 1 20 双正交编码 64
1625 10 20 双正交编码 256
1550 100 20 双正交编码 1024
[0066] 设光源1、光源2和光源3分别对应波长为1310nm、1550nm和1625nm的光源。光源1~光源3脉冲宽度分别为1ns、10ns、100ns，其距离分辨率分别为0.1m、1m、10m，脉冲强度均为20dBm。
[0067] 光源1~光源3中心波长分别为1310nm、1615nm、1550nm。三个波长损耗率分别为0.35dB/km、0.25dB/km、0.2dB/km。1310nm损耗率最大，同时它的瑞利散射系数最高（瑞利散射系数与波长的三次方成反比），因此最适合用于探测短距离散射信号。而1550nm损耗率最小，适合用于探测长距离信号。传统OTDR中用于在线测量的1625nm光源，此处用于测量中间距离的信号。
[0068] 本实施例的驱动信号采用双正交编码（Biorthogonal codes），该种编码实现方便、性能优越，备受关注。编码长度与增益的关系为： ，编码长度越长增加的动态范围越大，但会带来过多的运算，另外由于信号的非理想性，编码长度增加也会导致解调之后的分辨率降低，因此对于窄脉冲高分辨率信号，不应选择过长的编码长度。表1中对不同脉冲宽度的光源，选择的编码长度分别为64、256、1024。该编码带来的增益值分别为6dB、9dB、12dB。除了双正交编码外，其它常用的编码如S码、格雷码（Golay codes）等也适用于该OTDR装置。
[0069] 基于多波长脉冲光信号的OTDR方法，用于对一待测光纤上发生的事件进行检测，包括如下步骤：
[0070] 步骤a，向待测光纤同时发送一组多波长脉冲光信号；其中，多波长脉冲光信号是指包括至少两个不同中心波长的脉冲光信号，且该多波长脉冲光信号经驱动信号调制。在本实施例中，多波长脉冲光信号采用的是1550nm、1310nm和1625nm三种波长的脉冲光信号。在本实施例中，该驱动信号具体为不同长度的双正交编码。多波长脉冲光也可以不经驱动信号调制，原因已在对OTDR装置的描述中阐述，在此不再赘述。
[0071] 步骤b，同时采集由待测光纤返回的多组背向散射信号，获取多组检测数据。对背向散射信号的采集具体为：
[0072] 对背向散射信号进行分光，获得若干不同波段的散射分信号，再对每一路散射分信号分别进行光电转换、放大滤波以及模数转换，获得若干检测数据。对每一路散射分信号的采集都会获得一组对应的检测数据。
[0073] 步骤c，对采集到的检测数据进行分析处理，获得最优的OTDR曲线图和事件列表。对多组检测数据的分析处理具体为：
[0074] 步骤c1，事件搜索，对检测数据进行分析，搜索光纤链路中存在的所有事件，计算事件参数，获得所述事件列表。事件参数的获取方法具体为：
[0075] 参照不同的事件类型将检测数据根据对应的波长设置优先级，所有事件的所有参数，都由相应的优先级最高的检测数据中提取。
[0076] 不同距离采用不同波长进行测量，可得到最佳分辨率和最大测量长度，但是事件参数中不只包含分辨率一项，获得最佳分辨率的波长在其它参数的测量中不一定同样最佳，如事件的反射率和损耗率、类型识别等。同一波长的测量结果，在有些距离段可以得到最佳分辨率和类型识别，而在另外的距离段，则有可能获得最佳的反射率或损耗率。因此，采用上述事件参数的获取方法。例如，对近距离处的事件，其分辨率由脉冲宽度决定，因此
定位其距离将使用最小脉冲宽度的波长信号，而对于其损耗率，则测试
精度跟该点的动态范围有关，因此应选用该处动态范围最大的波长信号，该波长信号的脉冲宽度一般选择为未饱和的最大脉冲宽度。
[0077] 对于不同事件类型各波长对应的数据的优先级如表2所示，其中，1表示优先级最高。考虑到数据中比较容易出现饱和现象，若优先级高的数据在事件
位置处发生了饱和，则依次选用优先级次之的数据，一直到没有饱和为止。另外还要考虑事件处的信噪比，处理方式与饱和现象相同。
[0078] 表2对于不同事件类型各波长对应的数据的优先级
[0079] 1310nm 1625nm 1550nm
反射率 1 2 3
损耗率 3 2 1
分辨率 1 2 3
类型识别 1 2 3
[0080] 步骤c2，对待测光纤不同距离处的信号数据进行组合，根据组合后的数据生成最优的OTDR曲线图。数据组合方法具体为：
[0081] 在无事件处，若信噪比不低于一预设的阈值，则选择最小脉冲波长信号；
[0082] 在有事件处，选择对事件类型识别最佳的波长信号。
[0083] 对于OTDR曲线图，由于最终呈现给用户的只有一条曲线，因此需要对不同距离处的数据进行组合。显示出来的信号应该拥有最佳分辨率和最佳信噪比，而这两者是互相矛盾的，分辨率高则脉冲宽度较小以至于信噪比相应较低。因此，采用上述数据组合方法，这是由于有些波长信号对事件类型不敏感，例如对于宽度5m的复合事件，若信号显示时使用的是100ns脉冲波长信号（脉宽10m），曲线上将无法分辨是否是复合事件，对用户的使用造成误导。经过上述的优化选择后，可以生成最优的OTDR曲线图。
[0084] 在本实施例中，驱动信号为脉冲编码，步骤c之前还包括数据解码步骤，具体为：
[0085] 采用与脉冲编码对应的逆阵对采集到的各组检测数据分别进行数据解码，并存储。
[0086] 在本实施例中，由于驱动信号采用双正交编码，因此需要采用双正交码对应的逆阵进行解码。驱动信号采用不同的编码将使用不同的解码
算法。若不采用驱动信号或驱动信号不采用脉冲编码则无须进行解码步骤。
[0087] 本发明的工作原理如下：
[0088] 本发明通过同时发送多组波长不同、调制参数不同的脉冲光信号，接收其背向散射信号，得到整条光纤链路的事件信息。调制参数包括脉冲宽度、脉冲强度、编码类型、编码长度等参数，对于较短距离光纤使用窄脉冲宽度和短编码长度，可获得极高的距离分辨率，对于较长距离光纤使用宽脉冲宽度和长脉冲编码，可以获得极大的动态范围，不同参数配合下，可以获得不同光纤区段的最优测量结果。另外，多波长同时测量只需要单次采集就可以获得多组参数下的数据，极大地节约了测量时间。由于每次测量包含多个波长的数据，事件参数可在测量结果中进行比较并选取最优值，信号曲线也可从测量结果中选取最优值进行组合和显示，提高了测量效果。
[0089] 以上公开的仅为本
申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。
