Когерентный оптический рефлектометр Российский патент 2025 года по МПК G01M11/02 H04B10/07 

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных приборов и может быть использовано для регистрации и мониторинга распределенных оптических потерь в волоконно-оптическом тракте линии связи.

Известен когерентный оптический рефлектометр для мониторинга протяженных волоконно-оптических линий связи [статья J. P. King, D. F. Smith, K. Richards, P. Timson, R. E. Epworth and S. Wright «Development of a Coherent OTDR Instrument», Journal of Lightwave Technology, Vol. 5 Iss. 4, pp. 616-624].

Когерентный оптический рефлектометр содержит оптически соединенные источник оптического излучения, входной волоконно-оптический разветвитель, акустооптический модулятор, приемный волоконно-оптический разветвитель, выходной волоконно-оптический разветвитель, подключаемый к исследуемому оптическому волокну, и фотодетектор, который электрически соединен с аналого-цифровым преобразователем и схемой обработки сигналов, включающей электрически соединенные детектор огибающей и память для хранения одиночных рефлектограмм.

Недостатком известного устройства является высокий уровень шума рефлектограмм, обусловленный случайными состояниями поляризации оптического излучения, приходящего на приемный волоконно-оптический разветвитель от источника оптического излучения и с исследуемого оптического волокна, что приводит к случайному поляризационному затуханию и уменьшению отношения сигнал/шум регистрируемых интерференционных сигналов на фотодетекторе.

Известен когерентный оптический рефлектометр для мониторинга протяженных волоконно-оптических линий связи, выбранный в качестве прототипа [статья Yun Liang, Lidong Lv, Li Huang, Dayang Wang and Pei Li «Noise reduction method based on timed frequency hopping in long distance optical fiber sensing system», Journal of Computational Methods in Sciences and Engineering, Vol. 18, pp. 339-348].

Когерентный оптический рефлектометр содержит оптически соединенные источник оптического излучения, входной волоконно-оптический разветвитель, акустооптический модулятор, поляризационный скремблер, оптический усилитель, приемный волоконно-оптический разветвитель, оптический циркулятор, первый выходной порт которого подключается к исследуемому оптическому волокну, а также балансный фотодетектор, который электрически соединен с аналого-цифровым преобразователем и схемой обработки сигналов, включающей электрически соединенные детектор огибающей и память для хранения одиночных рефлектограмм.

Источник оптического излучения оптически связан со входным волоконно-оптическим разветвителем. Первый выходной порт входного волоконно-оптического разветвителя оптически связан с акустооптическим модулятором, второй выходной порт - с поляризационным скремблером и, через него, с первым входным портом приемного волоконно-оптического разветвителя. Акустооптический модулятор, формирующий на своем выходе оптические импульсы с заданной длительностью и периодом следования, оптически связан с оптическим усилителем. Оптический усилитель оптически связан со входным портом оптического циркулятора, первый выходной порт которого служит для оптического соединения с исследуемым оптическим волокном. Первый выходной порт оптического циркулятора перенаправляет входящее оптическое излучение на второй выходной порт оптического циркулятора, оптически соединенный со вторым портом приемного волоконно-оптического разветвителя. Приемный волоконно-оптическом разветвитель оптически связан с балансным фотодетектором, который электрически соединен с аналого-цифровым преобразователем. Цифровые отсчеты с аналого-цифрового преобразователя поступают в схему обработки сигналов, где проходят через детектор огибающей и складываются в память в виде одиночных рефлектограмм. После проведения заданного числа измерений, массив одиночных рефлектограмм, хранящийся в памяти, складывается и усредняется для получения итоговой усредненной рефлектограммы, график которой выводится оператору в логарифмическом виде. Полученная итоговая рефлектограмма показывает уровень мощности оптического сигнала обратного рэлеевского рассеяния в зависимости от длины сканируемого оптического волокна и позволяет оценивать величину оптических потерь и наличие дефектов в исследуемом оптическом волокне.

Недостатком прототипа являются повышенный уровень шума рефлектограмм, обусловленный использованием поляризационного скремблера, не обеспечивающего постоянного совпадения состояний поляризаций оптического излучения, приходящего на приемный волоконно-оптический разветвитель от источника оптического излучения и с исследуемого оптического волокна, что приводит к случайному поляризационному затуханию и уменьшению отношения сигнал/шум регистрируемых интерференционных сигналов на балансном фотодетекторе.

Заявляемое изобретение решает задачу снижения уровня шума рефлектограмм когерентного оптического рефлектометра путем полного устранения эффекта поляризационного затухания и увеличения отношения сигнал/шум регистрируемых интерференционных сигналов.

Поставленная задача реализуется за счет технического результата, заключающегося в формировании схемы поляризационного разнесения оптических сигналов источника оптического излучения и обратного рэлеевского рассеяния, обеспечивающей регистрацию этих оптических сигналов с любыми возможными состояниями поляризации без поляризационного затухания.

Поставленная задача решается следующим образом.

Когерентный оптический рефлектометр содержит оптически соединенные источник оптического излучения, входной волоконно-оптический разветвитель, акустооптический модулятор, оптический усилитель и оптический циркулятор, при этом первый выходной порт входного волоконно-оптического разветвителя оптически соединен с акустооптическим модулятором, а первый выходной порт оптического циркулятора служит для оптического соединения с исследуемым оптическим волокном, кроме того, устройство содержит приемный волоконно-оптический разветвитель, оптически соединенный с балансным фотодетектором, который электрически соединен с аналого-цифровым преобразователем, электрически подключенным к схеме обработки сигналов, включающей детектор огибающей и память для записи одиночных рефлектограмм, устройство дополнительно содержит два делителя поляризации, входной порт первого из которых оптически соединен со вторым выходным портом входного волоконно-оптического разветвителя, входной порт второго делителя поляризации оптически соединен со вторым выходным портом оптического циркулятора, а также - второй приемный волоконно-оптический разветвитель, оптически соединенный со вторым балансным фотодетектором, электрически соединенным со вторым аналого-цифровым преобразователем, электрически подключенным ко второму детектору огибающей, дополнительно включенному в схему обработки сигналов, а оба детектора огибающей, электрически подключены к памяти для записи одиночных рефлектограмм через сумматор, при этом первые выходные порты первого и второго делителей поляризации оптически соединены со входными портами первого приемного волоконно-оптического разветвителя, а вторые выходные порты первого и второго делителей поляризации оптически соединены со входными портами второго приемного волоконно-оптического разветвителя, при этом первый и второй приемные волоконно-оптические разветвители выполнены с сохранением поляризации.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим.

Источник оптического излучения, оптически связанный со входным волоконно-оптическим разветвителем, генерирует непрерывное оптическое излучение. Входной волоконно-оптический разветвитель разделяет непрерывное оптическое излучение от источника и направляет его в два выходных порта. Первый выходной порт входного волоконно-оптического разветвителя, оптически соединен с акустооптическим модулятором. Второй выходной порт входного волоконно-оптического разветвителя, оптически соединен со входным портом первого делителя поляризации. Оптическое излучение с первого выходного порта входного волоконно-оптического разветвителя попадает на акустооптический модулятор, который формирует на своем выходе оптические импульсы с заданной длительностью и периодом следования. Далее оптические импульсы предварительно усиливаются оптическим усилителем и попадают на входной порт оптического циркулятора, первый выходной порт которого служит для оптического соединения с исследуемым оптическим волокном. Исследуемое оптическое волокно представляет собой отрезок одномодового оптического волокна, в котором производится оценка оптических потерь путем измерения уровня мощности оптического сигнала обратного рэлеевского рассеяния. Оптические импульсы, распространяющиеся по исследуемому оптическому волокну, претерпевают рэлеевское рассеяние на неоднородностях показателя преломления оптического волокна. Часть рэлеевского рассеяния распространяется по исследуемому оптическому волокну в обратном направлении, проходит через первый выходной порт оптического циркулятора в обратном направлении, и перенаправляется на второй выходной порт оптического циркулятора, который оптически соединен со входным портом второго делителя поляризации. Первые выходные порты первого и второго делителей поляризации оптически соединены со входными портами первого приемного волоконно-оптического разветвителя, а вторые выходные порты первого и второго делителей поляризации оптически соединены со входными портами второго приемного волоконно-оптического разветвителя, при этом первый и второй приемные волоконно-оптические разветвители выполнены с сохранением поляризации.

Таким образом, оптическое излучение от источника оптического излучения и обратное рэлеевское рассеяние с исследуемого оптического волокна заводятся каждый на свой делитель поляризации. Каждый делитель поляризации имеет два выхода, каждый из которых поддерживает существование только одного из двух возможных ортогональных состояний поляризации оптического излучения, таким образом на выходах делителя поляризации формируются два выходных оптических сигнала с ортогональными состояниями поляризации. При этом, если в процессе работы схемы происходит изменение состояний поляризации оптического излучения от источника оптического излучения или обратного рэлеевского рассеяния, то на выходных портах делителей поляризации происходит перераспределение оптической мощности - больше оптической мощности перенаправляется в выходные порты, поддерживающие состояние поляризации оптического излучения, наиболее близкое к состоянию поляризации оптического излучения на входном порте делителя поляризации. При этом суммарная мощность оптического излучения с двух выходных портов делителя поляризации всегда остается постоянной величиной.

Выходные оптические сигналы с делителей поляризации с одинаковыми состояниями поляризации попарно заводятся на два приемных волоконно-оптических разветвителя с сохранением поляризации таким образом, что в каждом приемном волоконно-оптическом разветвителе интерферируют только оптические сигналы с одинаковой поляризацией.

Такое же перераспределение оптической мощности при изменении состояния поляризации оптического излучения от источника излучения или обратного рэлеевского рассеяния происходит и между приемными волоконно-оптическими разветвителями - больше оптической мощности попадает в приемный волоконно-оптический разветвитель, который присоединен к тем портам делителей поляризации, которые поддерживают состояние поляризации оптического излучения, наиболее близкое к состоянию поляризации оптического излучения на входных портах делителей поляризации. В результате на выходе приемных волоконно-оптических разветвителей образуются оптические интерференционные сигналы с ортогональными поляризациями, суммарная оптическая мощность которых является постоянной величиной независимо от состояния поляризации оптического излучения на входах делителей поляризации.

Таким образом, построенная схема реализует поляризационное разнесение оптических сигналов от источника оптического излучения и обратного рэлеевского рассеяния с исследуемого оптического волокна при изменении состояния поляризации этих оптических сигналов.

Далее эти оптические интерференционные сигналы регистрируются двумя независимыми балансными фотодетекторами, которые преобразуют регистрируемые оптические сигналы в электрические, которые затем оцифровываются с помощью двух аналого-цифровых преобразователей и в виде цифровых отсчетов поступают в схему обработки сигналов. В схеме обработки сигналов зарегистрированные интерференционные сигналы проходят через два независимых детектора огибающей и суммируются с помощью сумматора, тем самым реализуя устранение эффекта поляризационного затухания за счет суммирования электрических сигналов, полученных из оптических интерференционных сигналов с ортогональными состояниями поляризации, и формируя одиночную рефлектограмму, которая записывается в память для хранения и последующего усреднения по достижении заданного числа записанных одиночных рефлектограмм.

Сущность заявляемого решения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого когерентного оптического рефлектометра

На фиг. 2 показаны итоговые усредненные рефлектограммы, полученные с когерентного оптического рефлектометра, демонстрирующие проявление эффекта случайного поляризационного затухания и результат его устранения за счет реализации предложенной схемы поляризационного разнесения.

Заявляемое устройство, представленное на фиг. 1, содержит оптически соединенные источник оптического излучения 1, входной волоконно-оптический разветвитель 2, акустооптический модулятор 3, оптический усилитель 4 и оптический циркулятор 5, при этом первый выходной порт входного волоконно-оптического разветвителя 2 оптически соединен с акустооптическим модулятором 3, второй выходной порт входного волоконно-оптического разветвителя 2 соединен со входным портом первого делителя поляризации 6, а первый выходной порт оптического циркулятора 5b служит для оптического соединения с исследуемым оптическим волокном 7, второй выходной порт оптического циркулятора 5c соединен с входным портом второго делителя поляризации 8, первые выходные порты 6а и 8а первого 6 и второго 8 делителей поляризации с одинаковыми выходными состояниями поляризации оптически соединены с входными портами первого приемного волоконно-оптического разветвителя 9 с сохранением поляризации, вторые выходные порты 6b и 8b первого 6 и второго 8 делителей поляризации с одинаковыми выходными состояниями поляризации оптически соединены с входными портами второго приемного волоконно-оптического разветвителя 10 с сохранением поляризации,. первый приемный волоконно-оптический разветвитель 9 с сохранением поляризации и второй приемный волоконно-оптический разветвитель 10 с сохранением поляризации оптически соединены с первым балансным фотодетектором 11 и вторым балансным фотодетектором 12 соответственно, каждый из которых электрически соединен со своим аналого-цифровым преобразователем 13 и 14, соответственно, электрически подключенными к схеме обработки сигналов 15, включающей два детектора огибающей 16 и 17, электрически подключенные через сумматор 18 к памяти для записи одиночных рефлектограмм 19.

Устройство работает следующим образом.

Источник оптического излучения 1, оптически связанный со входным волоконно-оптическим разветвителем 2, генерирует непрерывное оптическое излучение. Входной волоконно-оптический разветвитель 2 разделяет непрерывное оптическое излучение от источника и направляет его в два выходных порта. Первый выходной порт входного волоконно-оптического разветвителя 2, оптически соединен с акустооптическим модулятором 3. Второй выходной порт входного волоконно-оптического разветвителя 2, оптически соединен с входным портом первого делителя поляризации 6. Оптическое излучение с первого выходного порта входного волоконно-оптического разветвителя 2 попадает на акустооптический модулятор 3, который формирует на своем выходе оптические импульсы с заданной длительностью и периодом следования. Далее оптические импульсы предварительно усиливаются оптическим усилителем 4 и попадают на входной порт оптического циркулятора 5a, первый выходной порт 5b которого служит для оптического соединения с исследуемым оптическим волокном 7. Оптические импульсы, распространяющиеся по исследуемому оптическому волокну 7, претерпевают рэлеевское рассеяние на неоднородностях показателя преломления оптического волокна. Часть рэлеевского рассеяния распространяется по исследуемому оптическому волокну 7 в обратном направлении, проходит через первый выходной порт 5b оптического циркулятора в обратном направлении, и перенаправляется на второй выходной порт оптического циркулятора 5c, который оптически соединен с входным портом второго делителя поляризации 8. Первые выходные порты 6a и 8a первого и второго делителей поляризации 6 и 8 оптически соединены со входными портами первого приемного волоконно-оптическим разветвителя 9, а вторые выходные порты 6b и 8b первого и второго делителей поляризации 6 и 8 оптически соединены со входными портами второго приемного волоконно-оптического разветвителя 10, при этом первый и второй приемные волоконно-оптические разветвители 9 и 10 выполнены с сохранением поляризации. В результате на выходе приемных волоконно-оптических разветвителей 9 и 10 образуются оптические интерференционные сигналы с ортогональными поляризациями, суммарная оптическая мощность которых является постоянной величиной независимо от состояния поляризации оптического излучения на входах делителей поляризации.

Далее эти оптические интерференционные сигналы регистрируются двумя независимыми балансными фотодетекторами 11 и 12, которые преобразуют регистрируемые оптические сигналы в электрические, которые затем оцифровываются с помощью двух аналого-цифровых преобразователей 13 и 14 и в виде цифровых отсчетов поступают в схему обработки сигналов 15. В схеме обработки сигналов зарегистрированные интерференционные сигналы проходят через два независимых детектора огибающей 16 и 17 и суммируются с помощью сумматора 18, тем самым реализуя устранение эффекта поляризационного затухания за счет суммирования электрических сигналов, полученных из оптических интерференционных сигналов на входах балансных фотодетекторов 11 и 12 с ортогональными состояниями поляризации, и формируя одиночную рефлектограмму, которая записывается в память 19 для хранения и последующего усреднения по достижении заданного числа записанных одиночных рефлектограмм.

В качестве конкретного примера предлагается когерентный оптический рефлектометр, состоящий из источника оптического излучения - лазера Koheras ADJUSTIK E15 HP NKT Photonics, входного волоконно-оптического разветвителя SSC-P-2x2-155-50/50 Lightcomm, акустооптического модулятора CAFA-100-2-TE9B-1550-AF-A88 CASTECH, оптического усилителя MATRIQ-1002 Quantify Photonics, оптического циркулятора PICIR-3-1550 Lightcomm, двух делителей поляризации PBS-1×2-1550 Lightcomm, двух приемных волоконно-оптических разветвителей с сохранением поляризации PMC-P-2x2-155-50/50 Lightcomm, двух балансных фотодетекторов PDB470C(-AC) Thorlabs, двух аналого-цифровых преобразователей типа AD9233 Analog Devices и схемы обработки сигналов, реализованной в цифровом виде на отладочной плате с программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС) AMD Zynq 7000 SoC ZC706 Evaluation Kit Xilinx, включающей два детектора огибающей, сумматор и память для записи одиночных рефлектограмм.

Таким образом, предлагаемое устройство когерентного оптического рефлектометра обеспечивает снижение уровня шума рефлектограмм за счет реализации схемы поляризационного разнесения и регистрации оптического излучения обратного рэлеевского рассеяния с исследуемого оптического волокна и от источника оптического излучения с любыми возможными состояниями поляризации оптических сигналов без проявления эффекта поляризационного затухания.

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных приборов и может быть использовано для регистрации и мониторинга распределенных оптических потерь в волоконно-оптическом тракте линии связи. Когерентный оптический рефлектометр содержит источник оптического излучения, акустооптический модулятор, входной волоконно-оптический разветвитель, оптический усилитель, оптический циркулятор, приемный волоконно-оптический разветвитель, балансный фотодетектор, аналого-цифровой преобразователь и схему обработки сигналов, включающую детектор огибающей и память для усреднения одиночных рефлектограмм, два делителя поляризации, второй приемный волоконно-оптический разветвитель, оптически соединенный со вторым балансным фотодетектором, электрически соединенным со вторым аналого-цифровым преобразователем, электрически подключенным ко второму детектору огибающей. Оба детектора огибающей электрически подключены к памяти. Первые выходные порты первого и второго делителей поляризации оптически соединены со входными портами первого приемного волоконно-оптического разветвителя, а вторые выходные порты первого и второго делителей поляризации оптически соединены со входными портами второго приемного волоконно-оптического разветвителя. Изобретение обеспечивает снижение уровня шума рефлектограмм когерентного оптического рефлектометра. 2 ил.

Когерентный оптический рефлектометр, содержащий оптически соединенные источник оптического излучения, входной волоконно-оптический разветвитель, акустооптический модулятор, оптический усилитель и оптический циркулятор, при этом первый выходной порт входного волоконно-оптического разветвителя оптически соединен с акустооптическим модулятором, а первый выходной порт оптического циркулятора служит для оптического соединения с исследуемым оптическим волокном, кроме того, устройство содержит приемный волоконно-оптический разветвитель, оптически соединенный с балансным фотодетектором, который электрически соединен с аналого-цифровым преобразователем, электрически подключенным к схеме обработки сигналов, включающей детектор огибающей и память для записи одиночных рефлектограмм, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит два делителя поляризации, входной порт первого из которых оптически соединен со вторым выходным портом входного волоконно-оптического разветвителя, входной порт второго делителя поляризации оптически соединен со вторым выходным портом оптического циркулятора, а также - второй приемный волоконно-оптический разветвитель, оптически соединенный со вторым балансным фотодетектором, электрически соединенным со вторым аналого-цифровым преобразователем, электрически подключенным ко второму детектору огибающей, дополнительно включенному в схему обработки сигналов, а оба детектора огибающей, электрически подключены к памяти для записи одиночных рефлектограмм через сумматор, при этом первые выходные порты первого и второго делителей поляризации оптически соединены с входными портами первого приемного волоконно-оптического разветвителя, а вторые выходные порты первого и второго делителей поляризации оптически соединены со входными портами второго приемного волоконно-оптического разветвителя, при этом первый и второй приемные волоконно-оптические разветвители выполнены с сохранением поляризации.