一种基于高阶边带扫频调制的高空间分辨率光频域反射计系统

摘要

本发明公开了一种基于高阶边带扫频调制的高空间分辨率光频域反射计系统。该系统包括扫频光源部分、测试光路部分、接收机及信号处理部分，所述的扫频光源部分使用窄线宽激光器作为原始光源，出射光经过外部调制产生扫频的边带光信号。所述的外部调制过程中，扫频射频信号通过高功率射频放大器放大，以高电压加载到半波电压较低的电光调制器，产生多阶的边带，通过窄带光学滤波器滤波得到高阶的宽带扫频的光边带将高阶边带作为扫频载波光源导入光路系统，采集背向散射和反射的光信号，通过本地的相干检测和信号处理，实现光频域反射分析。利用高阶边带扫频可以扩大扫频范围从而使光频域反射计达到更高的空间分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及电光调制、分布式光纤传感、光学反射计等技术领域，特别是涉及一种基于高阶边带扫频调制的高空间分辨率光频域反射计系统。

背景技术

光纤通信由于其具有的传输频带宽、损耗小等特性，自20世纪70年代以来发展迅猛，我国于90年代初期进行的大规模商用光纤通信系统建设。光纤传感技术是伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。光波不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。光纤尺寸小、重量轻，便于铺设和运输，材料来源丰富，无辐射，难于窃听。通信容量大、传输距离远；一根光纤的潜在带宽可达20THz。

目前光纤通信系统已成为承载巨大信息容量的光缆传输网。为保证安全通畅，需要有能够准确测量光纤传输特性的仪器。光学反射计是光纤链路状态监测和维护的非常重要的手段。目前使用较多的是光时域反射计(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)。OTDR是利用背向散射光来测量光纤的传播特性。光源发出一束光脉冲射入光纤，会在光纤中发生后向散射。待测光纤中的某些参数会在散射过程中调制到脉冲光上，因此利用OTDR技术，系统就可以通过测定后向散射光强随时间的变化关系来检测光纤参数的分布情况，从而确定光纤的长度和每一处的参数分布信息。OTDR是通过分析后向散射光的时间差和光程差进行检测。它的空间分辨率的提高需要缩短光源脉冲宽度和增大接收机带宽，而缩短光源的脉冲宽度意味着信号能量的减小，并且系统噪声正比于接收机带宽，因此增大接收机带宽意味着系统动态范围和信噪比的减小，所以OTDR系统的分辨率与信噪比、动态范围、测量时间之间存在着矛盾，它的空间分辨率往往只能达到米的量级。为了解决这个问题，其他的时域反射方法也在不断地研究中。如伪随机探测信号的相关检测、互补格雷码检测等。

为了提高空间分辨率和测量敏感度等性能，背向散射法被应用于光频域，研制出了光频域反射计OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometer)。OFDR系统的高空间分辨率将使其更加广泛地应用于众多对测量精度有高要求的领域 [Opt. Express 19, 19790-19796 (2011)]。通过扫频RF信号对窄线宽激光进行单边带调制，得到线性扫频的光信号，用于相应的OFDR系统，已经实现了长距离和高空间分辨率的线路检测 [J. Lightwave Technol. 6, 3287-3294 (2008)]。然而，单边带调制复杂的调制过程和较差的稳定性限制了相应性能。另一方面，射频扫频信号的扫频范围受限于电子元件，一般只有GHz量级 [J. Lightwave Technol. 30, 1015-1024 (2012)]。而要得到高空间分辨率的OFDR，提高扫频范围成为必然的途径。因此，有必要开发新型的宽带扫频光源技术，用于实现高空间分辨率OFDR。

发明内容

本发明目的在于在OFDR系统中，为了克服使用光源内部调制可能产生的非线性扫频等问题，可以使用光源外部调制实现扫频，目前使用较多的是利用单边带调制得到的第一阶边带进行扫频。受电子元件的电子瓶颈限制，射频信号扫描频率范围有限，为了扩大扫频范围从而提高空间分辨率，本发明利用高电压调制低半波电压的电光调制器产生多阶边带的原理，提供了一种基于高阶边带扫频调制的高空间分辨率光频域反射计系统。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于高阶边带扫频调制的高空间分辨率光频域反射计系统，包括扫频光源部分、测试光路部分、接收机及信号处理部分；其特征在于：所述扫频光源部分包括激光器、低半波电压电光调制器、射频信号发生器、环行器、光纤布拉格光栅、掺铒光纤放大器和光滤波器；所述激光器发出的窄线宽激光根据射频信号发生器发出的射频信号并加载偏置电压后连接到所述电光调制器进行调制，形成一个宽带光梳；将得到的光梳导入连接了光纤布拉格光栅的环行器，反射回来的光波经过掺铒光纤放大器放大后射入可调光滤波器；将滤出的高阶扫频边带导入测试光路部分，与本地光发生干涉并最终由接收机接收，和信号处理部分处理。

其进一步特征在于：所述低半波电压电光调制器为马赫增德尔型电光调制器或相位型电光调制器，电光调制器的半波电压不大于4伏，射频信号发生器的射频信号的驱动功率不低于27dBm。

所述光滤波器为基于光纤布拉格光栅的窄带滤波器或衍射光栅的光滤波器。

所述光纤布拉格光栅反射率大于99%，其形状为Flat-top型，其消光比不小于40dB。

上述用的扫频光源等效扫描范围为ΔF，采用的射频信号发生器产生的射频信号的最小调制频率为f_low，采用的射频信号扫描频率速率为γ，采用的射频信号扫频时间为τ，采用的光滤波器的中心波长和带宽可调；空间分辨率理论极限值由Δl=c/2nΔF决定，射频信号扫频范围Δf_RF=γτ，调制出的第N阶边带的扫频范围为Δf_N=Nγτ，Δf_N< f_low。

本发明的技术效果：

1.        采用低半波电压的电光调制器，可以在使用高电压调制时产生多边带的光频率梳，对于高阶的光边带，可以得到倍幅放大的光扫频范围。

2.        采用光纤布拉格光栅和可调光滤波器，可以从调制出的光频率梳中滤出某高阶边带并同时压制其他边带和噪声。

3.        采用高阶边带扫频光代替一般的第一阶边带扫频光作为扫频光源的光频域反射计系统可以获得倍幅提高的空间分辨率。

附图说明

图 1 为本发明系统的基本结构示意图；

图中包含：Optical frequency：光纤频率；Time：时间；FL：光纤激光器；PC：偏振控制器；MZ-modulator：马赫曾德调制器；RF synthesizer：射频信号发生器；Trigger source：触发信号；CIR：环行器；FBG：光纤布拉格光栅；Bias：偏置电压；EDFA：掺铒光纤放大器；BPF：光滤波器；FUT：待测光纤；BPD：平衡光电探测器；Polarization diversity：偏振分集；OC：3dB光耦合器；ADC：模数转换模块；Computer：计算机。

图 2 为本发明利用半波电压较低的马赫曾德尔调制器调制得到的具有多阶边带的光频率梳示意图；

图中Power：信号强度；Optical Comb：光梳；Wavelength：波长。

图 3 为本发明使用光纤布拉格光栅和可调光滤波器从调制出的光频率梳中滤出的第十阶边带光谱示意图；

图中Power：信号强度；Carrier：载波；+10th order sideband：第十阶边带；Wavelength：波长。

图 4 为本发明空间分辨率实验值测量方法示意图；

图中Reflectivity：反射系数；Distance：距离；FWHM：菲涅尔反射峰宽度。

具体实施方式

实施例一：

图 1 显示了本实施例所述的系统结构的基本示意图。激光器FL经过偏振控制器PC连接到半波电压较低的马赫曾德尔调制器MZ-modulator，根据射频信号发生器RF synthesizer的射频信号进行调制，当所加偏置电压Bias较高时就可以产生多阶边带，形成一个宽带光梳。将得到的光梳导入连接了光纤布拉格光栅FBG的环行器CIR，反射回来的光波经过掺铒光纤放大器EDFA放大后射入可调光滤波器BPF。通过所设计和匹配的布拉格光纤光栅FBG和可调滤波器BPF，可以在较高的抑制比下滤出所需的边带。将滤出的高阶扫频边带导入光路系统，使用单模光纤作为待测光纤，从待测光纤FUT中反射的光与本地光发生干涉并最终由8位模数转换模块8-bit ADC配合计算机Computer进行检测。

图 2 显示了本实施例利用半波电压较低的马赫曾德尔调制器调制得到的具有多阶边带的光频率梳示意图。图中最高的为载波，该光频率梳可见有超过20个子载波，表示可以滤出至少第十阶边带。

图 3 显示了本实施例使用光纤布拉格光栅和可调光滤波器从调制出的光频率梳中滤出的第十阶边带光谱示意图。第十阶边带高出其他阶边带20dB以上。

图 4 显示了本实施例的空间分辨率实验值测量方法示意图。所示方法是测量待测光纤末端反射菲涅尔峰值的半高全宽，越大的宽度代表越低的空间分辨率。图示为在射频信号等效扫频范围800MHz时使用第十阶边带进行扫频得到的菲涅尔反射峰，峰值的半高全宽作为本次空间分辨率实验值，为1.5cm。