專利名稱：測量光纖的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量光纖的方法，其中把脈沖射入光纖。測量來自此脈沖的回波的時(shí)間進(jìn)程，然后，在隨后對回波信號進(jìn)行信號處理時(shí)減去代表光纖中存在的背景噪聲的信號電平。
此種測量方法用于找出光纜斷裂處和測量沿光纖或光纖連接的傳輸損耗，它可使用例如光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)，它能測量沿光纖的衰減變化。這通過測量回波的時(shí)間進(jìn)程來進(jìn)行精確測量，該回波來自射入光纖的脈沖。由儀器的動(dòng)態(tài)范圍來確定OTDR儀器的范圍，即可在其上進(jìn)行測量的光纖長度，當(dāng)然，回波在光纜中傳播的距離越長，則它的信號變得越弱。目前的OTDR儀器一般可具有100-200km數(shù)量級的范圍。
然而，摻鉺光纖放大器(EDFA)的發(fā)展使得使用光纖長度比上述長得多的光纖連線成為可能。相應(yīng)地，需要增加測量來自射入光纖的脈沖的回波的OTDR儀器或其它相應(yīng)儀器的動(dòng)態(tài)范圍。增加儀器動(dòng)態(tài)范圍(從而其范圍)的一個(gè)方法是增加射入光纖的脈沖的功率。已提出通過使用置于儀器和光纖之間的光纖放大器(諸如摻鉺的光纖放大器)來實(shí)現(xiàn)此目的。一般，此光放大器能沿雙向?qū)π盘栠M(jìn)行放大，從而實(shí)現(xiàn)既對射入光纖的脈沖進(jìn)行放大，也對從光纖返回儀器的回波信號進(jìn)行放大。當(dāng)然，也可利用光纖連接中業(yè)已存在的光放大器。
然而，已發(fā)現(xiàn)，即使如此放大反射的信號，儀器所產(chǎn)生的描述衰減與儀器距離之間函數(shù)關(guān)系的曲線在特定距離(它一般是大約50km)處急劇下降。于是，實(shí)際上，儀器的范圍沒有增加，相反因光纖耦合而減小。
把光學(xué)測量儀器與光放大器組合在一起所引入的問題是，光放大器本身所產(chǎn)生的噪聲將影響測量。由放大器中的放大自發(fā)發(fā)射(ASE)而產(chǎn)生放大器噪聲。雖然OTDR儀器適用于校正信號脈沖間的時(shí)間間隔中的背景輻射即噪聲(通過測量無脈沖輻照的背景輻射來確定所述背景噪聲)，但這需要噪聲的性能是理想的而且與脈沖輻照無關(guān)。來自光放大器的ASE噪聲就不是這樣的情況，因?yàn)樗蕾囉谕ㄟ^放大器的信號。這意味著，當(dāng)發(fā)出脈沖時(shí)，放大器發(fā)出的噪聲急劇下降，然后它在脈沖間的時(shí)間間隔中慢慢增加到駐留(dwell)低電平。由于在OTDR儀器中對電平噪聲進(jìn)行校準(zhǔn)，于是，所使用的噪聲電平大于進(jìn)行測量時(shí)實(shí)際存在的噪聲，這將在發(fā)出脈沖后立即發(fā)生。由于如此從測得的信號電平中減去一個(gè)太大的值來補(bǔ)償噪聲，所以從光纖最遠(yuǎn)端部分產(chǎn)生的反射(換句話說即最弱的信號)將為負(fù)。由于在ODR儀器中計(jì)算反射信號的對數(shù)值，所以對于負(fù)信號沒有結(jié)果。于是，該儀器只能示出儀器中反射信號變負(fù)之外的點(diǎn)的光纖衰減曲線。
本發(fā)明提供了一種方法，它容許這樣的情況，即來自光纖連接中光放大器的噪聲由于從測量儀器發(fā)出的脈沖而變化的情況。
這是如此實(shí)現(xiàn)的，即根據(jù)在回波信號測量期間假定的背景噪聲的瞬時(shí)值來計(jì)算代表存在背景噪聲的信號電平。當(dāng)用減去相應(yīng)于測量時(shí)刻實(shí)際存在的噪聲的噪聲電平而不是利用平均噪聲電平的方式補(bǔ)償噪聲時(shí)，保證了在測量儀器計(jì)算中所使用的回波信號為正值的假設(shè)，已發(fā)現(xiàn)這樣可明顯增加這樣一種測量儀器的范圍。
在如權(quán)利要求2所述的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，通過測量某波長處的背景噪聲來實(shí)現(xiàn)此目的，該波長與發(fā)出的脈沖的波長不同。這是可行的，因?yàn)橄鄬τ诎l(fā)出脈沖的頻譜寬度，噪聲頻譜非常寬，因此發(fā)出脈沖波長處的噪聲電平將與鄰近波長處的噪聲電平相同。當(dāng)在另一個(gè)波長處測量噪聲電平時(shí)，則如權(quán)利要求3所述，可在進(jìn)行反射回波信號測量的同時(shí)進(jìn)行背景噪聲測量，從而測出在相關(guān)時(shí)刻的噪聲。
如權(quán)利要求4所述，通過把回波信號分成第一部分和第二部分可獲得進(jìn)行此測量的合適方法，第一部分只包括發(fā)出脈沖波長周圍窄范圍內(nèi)的波長，而第二部分包括其它波長。然后根據(jù)第一部分只確定信號處理中所使用的回波信號部分，而根據(jù)第二部分只確定背景噪聲?？稍诓煌碾娐分腥绱诉M(jìn)行這兩個(gè)測量方法，從而它們互不干擾。如權(quán)利要求5所述，還可利用波長耦合器來合適地分離回波信號。
如權(quán)利要求6所述，在盡可能接近于發(fā)出的脈沖波長的波長處測量背景噪聲時(shí)，提供了相關(guān)噪聲電平的最佳近似。即使噪聲電平隨頻率變化，這也可把此變化減到最小。
在分別對回波信號和背景噪聲進(jìn)行測量后，既可如權(quán)利要求7所述分別對兩個(gè)信號進(jìn)行隨后的信號處理，也可如權(quán)利要求8所述分別把與檢測回波信號和背景噪聲有關(guān)的電信號加以組合，從而背景電噪聲信號抵消了回波信號上的實(shí)際噪聲。
在如權(quán)利要求9所述的本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中，從測量設(shè)備把幾個(gè)連續(xù)脈沖射入光纖中，并在所述脈沖間的時(shí)間間隔內(nèi)在脈沖波長以外的一個(gè)波長下把光功率射入光纖。當(dāng)光放大器在這些間隔中也受到輻照時(shí)，可保證明顯減小放大器噪聲電平中的瞬時(shí)變化，從而允許使用在測量反射脈沖時(shí)不必進(jìn)行的噪聲測量來補(bǔ)償測量儀器中的噪聲。如權(quán)利要求10所述，當(dāng)把功率近似相等的兩個(gè)波長射入光纖中，從而放大器暴露于近似相等的電平時(shí)，可以獲得最小的瞬時(shí)噪聲信號變化。
如權(quán)利要求11所述，可通過光放大器把脈沖射入光纖，以選擇光放大器增益最大值附近的兩個(gè)波長。如權(quán)利要求12所述，如果選出的波長分別位于所述增益最大值的兩側(cè)，從而對于兩個(gè)波長來說，使光放大器的增益相同，則可保證兩個(gè)波長的噪聲電平值基本上相同的假設(shè)。
如權(quán)利要求13所述，還可通過使完整的回波信號通過濾光器來對所述脈沖回波進(jìn)行合適的測量，所述濾光器用于阻擋脈沖間隔期間所使用的波長。這保證了可分別進(jìn)行兩個(gè)測量。
以下將參考附圖對本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述，其中

圖1示出已知的OTDR儀器，圖2示出利用圖1的儀器接收到的回波信號的時(shí)間進(jìn)程，圖3相應(yīng)地示出由圖1的儀器測得的光纖的衰減曲線，圖4示出與光纖放大器相組合的OTDR儀器，圖5示出利用圖4的陣列接收到的回波信號的時(shí)間進(jìn)程，圖6示出圖4中光放大器和光纖組合的時(shí)間進(jìn)程，圖7示出來自光放大器的噪聲的時(shí)間進(jìn)程之一例，圖8示出依據(jù)本發(fā)明使用波長耦合器的陣列，圖9示出如何以光功率填充兩個(gè)脈沖之間的間隔，以及圖10示出一陣列，該陣列具有能阻擋具有偏離波長的光功率的濾光器。
圖1示出連到光纖2的光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)。光纖2包括在傳輸線內(nèi)，OTDR儀器1用于沿光纖2找出斷裂處或測量傳輸損耗。OTDR儀器包含產(chǎn)生光脈沖的脈沖發(fā)生器3。這通常是利用激光器發(fā)生的。光脈沖從脈沖發(fā)生器3經(jīng)光耦合器4傳送到光纖2，并沿后者傳播。從光纖2反射的回波經(jīng)光耦合器4傳送到接收機(jī)5，接收機(jī)5測量回波的時(shí)間進(jìn)程并根據(jù)所述進(jìn)程計(jì)算沿光纖2的衰減變化。例如，可以把衰減作為示波器上的曲線顯示。
圖2示出此回波可能具有的時(shí)間進(jìn)程的一個(gè)例子。在把脈沖射入光纖2以前，接收機(jī)5只測量背景噪聲6。在7處射入脈沖，回波8的第一部分具有相應(yīng)于脈沖本身的進(jìn)程。由于從光纖的反射，回波信號的后側(cè)如9處所示繼續(xù)進(jìn)行.在這里信號逐步減小，當(dāng)然信號衰減得越多，則它在光纖2中傳播的時(shí)間越長。于是進(jìn)程9中的給定時(shí)間相應(yīng)于光纖2中的特定距離。因此，在進(jìn)行信號處理后可獲得圖3中所示的曲線，該曲線示出沿光纜的衰減與離OTDR儀器1的距離的函數(shù)關(guān)系。由于如上所述，較佳的光纜可給出平坦傾斜的曲線，所以信號衰減隨脈沖在光纖2中傳播的距離而增加?？煽闯?，在某個(gè)距離11處，曲線消失在噪聲12中，于是距離11表示儀器的范圍.對于當(dāng)今的儀器，相應(yīng)于點(diǎn)11的距離一般是100-200km。由曲線10中的不規(guī)則性來反映光纜中的故障，于是該曲線可示出要搜尋的故障的距離。
圖4示出把光放大器13插在OTDR儀器1和光纖2之間的位置。例如，該放大器可以是摻鉺光纖放大器(EDFA)。放大器13用作有關(guān)OTDR儀器1發(fā)出的脈沖以及從光纖反射的回波信號的放大器。除了用作放大器以外，光放大器13也具有把一定的放大噪聲加到信號的性質(zhì)，該噪聲是由放大器中放大的自發(fā)發(fā)射(ASE)而產(chǎn)生的。
圖5和6除了添加了光放大器13以外，相應(yīng)于圖2和3。于是，圖5示出從光纖2接收到的回波信號的時(shí)間進(jìn)程，而圖6示出光纖中的衰減與離開儀器的距離的函數(shù)關(guān)系?？煽闯?，背景噪聲14明顯為負(fù)，相應(yīng)地，假定回波信號在點(diǎn)15以后為負(fù)。這將在以下說明。除了因放大器13而使電平較高以外，總的來說，圖5的曲線完全相應(yīng)于圖2所示的曲線。
于是，較高的信號電平的結(jié)果是圖6中的曲線16從較高的電平起始。于是，可期望該曲線類似于圖3中的11處消失在噪聲中以前，可覆蓋更大的范圍。然而，看到的不是這樣的情況，該曲線在17處急劇下降，然后只留下噪聲信號18。相應(yīng)于點(diǎn)17的距離一般是大約50km。衰減曲線急劇下降的點(diǎn)17相應(yīng)于圖5中時(shí)間軸上的點(diǎn)15，在該處開始假定回波信號的時(shí)間進(jìn)程為負(fù)值。其原因在于圖6的衰減曲線示出反射信號的對數(shù)值，因此，該曲線將在假定信號為負(fù)值時(shí)消失。于是，增加光放大器13實(shí)際上獲得的是范圍減小，而不是范圍增加。這是由放大器13發(fā)出的ASE噪聲引起的。
OTDR儀器適用于補(bǔ)償某種背景噪聲。這是如此實(shí)現(xiàn)的，即在把光脈沖射入光纖2以前的時(shí)間間隔內(nèi)，對測得的(例如圖2中6處所看到的)噪聲取平均值。然后，在該儀器中對反射的回波信號進(jìn)行信號處理時(shí)，可除去此背景噪聲的電平。然而，這需要測量期間的噪聲電平與測量前的噪聲電平相同，儀器在那里確定隨后要減去的值。然而，對于放大器13所產(chǎn)生的ASE噪聲就不是這樣的情況，因?yàn)閬碜設(shè)TDR儀器的強(qiáng)脈沖將暫時(shí)干擾放大器的噪聲發(fā)射。圖7示出在把脈沖射入光纖時(shí)ASE噪聲如何變化的一個(gè)例子。圖7中的時(shí)間軸相應(yīng)于圖5中所使用的時(shí)間軸。
ASE噪聲暫時(shí)變化的解釋如下，摻鉺光纖放大器是靠那些鉺離子工作的，用泵光(pump light)把它們激發(fā)到半穩(wěn)定較高的激光能級，再由與信號的受激相互作用，下降至基態(tài)。對于每次受激下降，把一個(gè)光子加到信號。如果一個(gè)信號脈沖具有N個(gè)光子，則信號脈沖在放大器的輸出端將具有(G-1)N個(gè)光子的光子增長。由于此光子增長以相應(yīng)個(gè)數(shù)的鉺離子從較高能態(tài)到基態(tài)的退激發(fā)為代價(jià)，所以受激鉺離子數(shù)目將以脈沖通過放大器的通過時(shí)間所給定的時(shí)間常數(shù)減少。在此退激發(fā)后，由于受激離子變少，泵光將開始再次把退激發(fā)離子泵送到較高能態(tài)，所以放大器噪聲也將下降。向上激發(fā)(up-exitation)遵循一曲線，該曲線以在毫秒范圍內(nèi)的時(shí)間常數(shù)指數(shù)地趨近于駐留狀態(tài)值。于是，受激離子數(shù)量將暫時(shí)具有鋸齒狀進(jìn)程，在OTDR脈沖通過放大器處急劇下降并在OTDR脈沖間的時(shí)間間隔內(nèi)緩慢上升。從放大器發(fā)出的噪聲將表現(xiàn)出定性地相似的進(jìn)程。
這意味著，在射入脈沖前，假定噪聲電平是一個(gè)比測量回波信號時(shí)的實(shí)際噪聲電平20更高的電平19。然而，如上所述，把OTDR儀器用作噪聲電平的脈沖前的電平19在產(chǎn)生衰減曲線前從測得的回波信號中減去。由于噪聲電平20小于噪聲電平19，于是從回波信號中減去一太大的電平，從而如圖5所示造成該信號為負(fù)值的假設(shè)，從而如圖6所示衰減信號消失。
圖8示出能改善此問題的一個(gè)陣列。類似于儀器1，這里所示的OTDR儀器21包含脈沖發(fā)生器3、光耦合器4和接收機(jī)5。類似于以上所述，經(jīng)光放大器13把脈沖射入光纖2。在OTDR儀器21和光放大器13之間插入波長耦合器22，如此對它選擇，從而把包含預(yù)定波長光的脈沖只傳送到導(dǎo)入光纖長度的臂.當(dāng)碰到波長耦合器22時(shí)，返回的光將被分離，從而具有與發(fā)出的脈沖相同波長的回波信號本身仍然將通過光耦合器4，再從那里傳送到接收機(jī)5。而其它波長將從波長耦合器22傳送到噪聲測量電路23。相對于所使用的脈沖信號源的頻譜寬度，摻鉺光纖光放大器13的噪聲頻譜非常寬，這意味著要作非常大的近似，才能假設(shè)發(fā)出的脈沖波長處的放大器ASE噪聲具有與周圍波長相同的噪聲電平。由于通過波長耦合器22的周圍波長到達(dá)噪聲測量電路23，所以可在所述電路中測量相應(yīng)于某噪聲的噪聲電平，該噪聲包含在通過波長耦合器22后而提供給接收機(jī)5的回波信號中?，F(xiàn)在可在圖7中20處所示的正確時(shí)間對噪聲電平進(jìn)行測量，從而保證它是從接收到的回波信號中減去的更準(zhǔn)確的噪聲信號。在信號處理電路24中進(jìn)行實(shí)際的相減操作。這里，可決定分別對兩個(gè)測量進(jìn)行處理，然后純數(shù)字地在衰減曲線的表示中減去噪聲信號，或把這兩個(gè)信號相混合，然后作類似于傳統(tǒng)的OTDR儀器1進(jìn)行的信號處理。在后一種情況下，來自噪聲測量的電信號抵消了在接收到的信號中的實(shí)際ASE噪聲。當(dāng)然，在噪聲測量電路23中在盡可能靠近脈沖波長的波長處進(jìn)行噪聲測量是有利的，因?yàn)檫@最能使噪聲作為波長的函數(shù)而變化。
圖9示出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的基本原理。在把幾個(gè)連續(xù)脈沖射入光纖2時(shí)可應(yīng)用本實(shí)施例。如上所述，問題在于光纖放大器13發(fā)出的ASE噪聲依賴于通過放大器的光量。在本實(shí)施例中，OTDR儀器適用于在發(fā)出脈沖之間的時(shí)間間隔內(nèi)也把光功率加到光纖，只在用于脈沖的波長以外的一個(gè)波長處進(jìn)行發(fā)射。圖9示出兩個(gè)脈沖25、26，可看出在脈沖之間發(fā)射與脈沖25、26中的信號具有相同功率的光信號27。
圖10示出如何實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例。此陣列相應(yīng)于圖4所示的陣列，濾光器28只插在OTDR儀器1和光纖放大器13之間。此濾光器28適用于允許所有的波長沿一個(gè)方向從OTDR儀器到達(dá)光纖2，并沿相反的方向阻擋在間隔27中所使用的波長。由于現(xiàn)在一直由相同的光功率通過光放大器13，所以放大器中產(chǎn)生的ASE噪聲將為常數(shù)而不再假定圖7所示的形狀。這意味著可不用改變地使用傳統(tǒng)的OTDR儀器，因?yàn)樵诎l(fā)射每個(gè)脈沖前，儀器所進(jìn)行的噪聲測量將給出在測量時(shí)刻所呈現(xiàn)的噪聲的準(zhǔn)確圖象。
利用以下考慮可找到兩頻率的另一種合適的選擇。被激發(fā)到較高能級的鉺離子的百分率叫做反轉(zhuǎn)(inversion)，它是由以下變化率方程來控制的∂∂tx=∫[(1-x)γe+xγa]P(v)dv-xt]]>這里γe和γa是光譜發(fā)射率和吸收強(qiáng)度，τ是自發(fā)壽命，ρ(v)是頻譜功率密度。在駐留狀態(tài)，反轉(zhuǎn)變化率為0。如果光譜功率密度例如因?yàn)镺TDR脈沖的通過而突然改變，則反轉(zhuǎn)將脫離穩(wěn)定狀態(tài)。如果把對此穩(wěn)定狀態(tài)的偏差叫做Δx，則它將以以下的變化率變化∂∂tΔx=[(1-x)γe+xγa]ΔP]]>中括號內(nèi)的量相應(yīng)于光纖放大器13的增益，于是在光纖放大器具有最大增益時(shí)反轉(zhuǎn)的變化最快。另一方面，在此最大增益周圍，反轉(zhuǎn)變化對信號的準(zhǔn)確頻率/波長位置不敏感。因此，如果使OTDR儀器在此峰值增益附近工作，則通過在OTDR脈沖間隔中填入峰值增益附近另一個(gè)波長處的光功率，可消除反轉(zhuǎn)漲落。這里，最佳的波長將是增益與信號增益相同的在峰值增益另一側(cè)的波長。
上述包括如何依據(jù)本發(fā)明進(jìn)行測量的例子，但應(yīng)理解可改變本發(fā)明一些方面的細(xì)節(jié)。于是，除了上述OTDR儀器以外，例如本發(fā)明可以其它形式來實(shí)現(xiàn)，就象可用其它光學(xué)元件來替代所述的濾光器和波長耦合器那樣。
權(quán)利要求
1.一種測量光纖(2)的方法，其中把脈沖射入所述光纖并測量來自所述脈沖的回波的時(shí)間進(jìn)程(8，9)，其后在隨后對回波信號進(jìn)行的信號處理中減去代表所述光纖中存在的背景噪聲的信號電平，其特征在于根據(jù)假定的在所述回波信號測量期間的所述背景噪聲的瞬時(shí)值(20)來計(jì)算代表所存在的所述背景噪聲的信號電平。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在與發(fā)出的脈沖波長不同的波長處測量所述背景噪聲。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于同時(shí)進(jìn)行對所述回波信號和所述背景噪聲的測量。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于把所述回波信號分成第一部分和第二部分，所述第一部分只包括發(fā)出的脈沖波長周圍窄范圍內(nèi)的波長，所述第二部分包括其它的波長，根據(jù)所述第一部分只確定信號處理中所使用的所述回波信號，并根據(jù)第二部分只確定所述背景噪聲。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于利用波長耦合器(22)來分離回波信號。
6.如權(quán)利要求2-5所述的方法，其特征在于在盡可能靠近所述發(fā)出的脈沖波長的波長處測量所述背景噪聲。
7.如權(quán)利要求2-6所述的方法，其特征在于分別對所述回波信號和所述背景噪聲進(jìn)行測量，隨后對它們進(jìn)行信號處理。
8.如權(quán)利要求2-6所述的方法，其特征在于把分別與所述回波信號和所述背景噪聲的檢測有關(guān)的電信號相混合，從而來自所述背景噪聲的電信號抵消了所述回波信號上的實(shí)際噪聲。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中把幾個(gè)連續(xù)脈沖(25，26)射入光纖，其特征在于在所述脈沖間的時(shí)間間隔內(nèi)把與脈沖波長不同的一個(gè)波長的光功率(27)射入所述光纖。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于以基本上相同的功率把兩個(gè)波長射入所述光纖。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其中通過光放大器(13)把脈沖射入所述光纖，其特征在于在所述光放大器的增益最大值附近選擇波長。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于在所述增益最大值的兩側(cè)各選擇一個(gè)波長，從而所述光放大器的增益在兩個(gè)波長處相同。
13.如權(quán)利要求9-12所述的方法，其特征在于通過使完整的回波信號經(jīng)過阻擋所述另一個(gè)波長的濾光器(28)測量來自所述脈沖的回波。
全文摘要
在一種測量光纖(2)的方法中,把脈沖射入光纖并測量此脈沖回波的時(shí)間進(jìn)程(8,9)。然后,在對回波信號進(jìn)行信號處理時(shí)減去代表光纖中所存在的背景噪聲的信號電平。根據(jù)假定在回波信號處理期間背景噪聲的瞬時(shí)值(20)來計(jì)算代表所存在的背景噪聲的信號電平。在第一實(shí)施例中,在與發(fā)出的脈沖波長不同的波長處處理背景噪聲。在把幾個(gè)連續(xù)脈沖(25,26)射入光纖的第二實(shí)施例中,在所述脈沖間的時(shí)間間隔中把與脈沖波長不同的一個(gè)波長的光功率(27)射入光纖。
文檔編號G01M11/00GK1183833SQ96193810
公開日1998年6月3日 申請日期1996年5月9日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月10日
發(fā)明者J·H·波夫爾森, C·F·彼澤森 申請人:Dsc通訊聯(lián)合股份有限公司