一种PMD精确计算方法、系统及存储介质

专利2023-04-07  15


一种pmd精确计算方法、系统及存储介质
技术领域
1.本技术涉及光纤pmd计算领域,具体涉及一种pmd精确计算方法、系统及存储介质。


背景技术:

2.光纤复合架空地线(opgw)作为一种将通讯与防雷合二为一的新型光缆,被广泛应用于电力系统的输电线路中。当单信道传输码率达到10gb/s,特别是40gb/s以后,偏振模色散(pmd,polarization mode dispersion)对opgw系统通信性能的损害就明显表现出来。现有opgw光缆网络的偏振模色散性能能否满足新的高速、长距离的通信需求,已经成为电力通信面临和必须解决的问题。
3.光纤pmd来源于光纤中的双折射效应。在单模光纤中,传输着两个相互正交的线性偏振模式,若光纤横截面理想圆对称和理想使用情况下,这两个模式是相互简并的;但在实际情况下,由于生产中造成的光纤的圆不对称、内应力等,成缆过程中形成的边应力、光纤扭曲等以及使用过程中的压力、弯曲、环境温度变化等因素造成单模光纤中这两个模式之间有微小的传输群速度差,从而形成偏振模色散,一般场景下pmd遵循麦克斯韦分布。而在极端场景例如雷电天气下,偏振态的变换速度会达到兆弧度每秒量级。雷电引起的kerr效应会引起双折射,引发随时间变化的大pmd的产生。由于opgw的高度比普通的输电线路还要高,距离雷云也更近一些,遭到雷击的概率大大提升,此时的大pmd会引起opgw通信系统的高误码率甚至通信中断,这会对电力系统的安全稳定性构成极大的威胁。因此.有必要对现有的opgw光缆线路的pmd性能进行全面的测试与分析。在实际中,常使用固定分析仪法对pmd进行测量,这种方法的扫描范围大,精度较高,结构简单,造价便宜,便于现场测量。
4.固定分析仪法计算宽波长范围内通过偏振分束器传输的光谱的平均水平交叉密度(lcd)或极值密度(ed)。在这两种情况下,很容易计算出被测光纤的差分群时延(dgd)的平均值。可以估计测量不确定度,甚至可以推断光纤工作状态的粗略信息(相对于模式耦合相关长度的长或短光纤长度)。然而,ed和lcd之间的选择并非是随意的:ed更可取,因为它具有更好的固有测量精度(测量不确定度理论上比lcd低30%左右),它比lcd对噪声更敏感。但在计算极值个数时,由于极值个数是整数,无法表示在宽波长范围内不足一个干涉周期部分的pmd,这就降低了使用ed方法计算pmd的计算精度。


技术实现要素:

5.本技术实施例的目的在于提供一种pmd精确计算方法、系统及存储介质,通过对极值个数进行小数化精确统计,从而实现提高对pmd测量的精度。
6.为实现上述目的,本技术提供如下技术方案:
7.第一方面,本技术实施例提供一种pmd精确计算方法,包括以下具体步骤:
8.获得插入检偏器的第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据,其中第一实验数据和第二实验数据通过高分辨率光谱仪测量获得;
9.根据所述第一实验数据和第二实验数据,统计出归一化频谱r(λ)中λ1~λn内的峰
值个数ne,λ1和λn分别为测量的起始波长和结束波长;
10.计算出每两个相邻峰值之间的间隔并取均值,记为λ
mean
,确定精确估计峰值个数n
′e;
11.根据精确估计峰值个数n
′e和峰值个数与pmd大小之间的关系,计算得到pmd值。
12.所述插入检偏器的第一实验数据的输出光谱pa(λ),去除检偏器的第二实验数据的输出光谱p
tot
(λ),计算得到pmd的归一化频谱r(λ)为:
[0013][0014]
所述确定精确估计峰值个数n
′e的计算公式为,
[0015][0016]
峰值个数与pmd大小之间的关系满足:
[0017][0018]
将精确估计峰值个数n
′e代入式(3)即可计算出精确的pmd值,式中k为模式耦合因子,c为光速。
[0019]
所述模式耦合因子k,当光纤为弱耦合模式时,k=1.00;当光纤为强耦合模式时,k=0.805。
[0020]
第二方面,本技术实施例提供一种pmd精确计算系统,包括宽带光源、起偏器、偏振控制器、待测光纤、检偏器、高分辨率光谱仪、数字信号处理单元,
[0021]
所述宽带光源发出的光信号,经过起偏器后进入偏振控制器,然后入射到待测光纤,分别插入和去除检偏器后进入高分辨率光谱仪,获得插入检偏器的第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据;
[0022]
将高分辨率光谱仪中获得的插入检偏器的第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据输出到数字信号处理单元;
[0023]
所述数字信号处理单元根据第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据,统计出归一化频谱r(λ)中λ1~λn内的峰值个数ne;
[0024]
计算出每两个相邻峰值之间的间隔并取均值,记为λ
mean
,确定精确估计峰值个数n
′e;
[0025]
根据精确估计峰值个数n
′e和峰值个数与pmd大小之间的关系,计算得到pmd值。
[0026]
所述数字信号处理单元获得的插入检偏器的第一实验数据的输出光谱pa(λ)、去除检偏器的第二实验数据的输出光谱p
tot
(λ),计算得到pmd的归一化频谱r(λ)为,数字信号处理单元通过公式
[0027]
确定精确估计峰值个数n
′e,将精确估计峰值个数n
′e代入计算出精确的pmd值,式中k为模式耦合因子,c为光速。
[0028]
第三方面,本技术实施例提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有程序代码,所述程序代码被处理器执行时,实现如上所述的pmd精确计算方法的步
骤。
[0029]
与现有技术相比,本发明的有益效果是:在使用固定分析仪法的测量pmd的基础上,采用小数化极值统计法测量极值个数。极值个数的精确估计有效地克服了使用固定波长窗口时忽略极值数小数部分的问题,提高了固定分析仪法测量pmd的精度。此外,该方案并不意味着任何进一步的数据采集或设置修改,因此,它不会影响测量时间或仪器成本。实验验证中测试了不同长度pmf的pmd值,并与现有的极值计算方法和商用pmd分析仪的结果进行了比较。实验分析表明,采用小数化法准确测量极值的pmd测量误差小于整数法。因此,基于光谱周期干涉的极值个数精确估计方法可以显著提高测量精度和准确度。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案,下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本技术的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0031]
图1为本技术计算系统结构示意图;
[0032]
图2为本技术不使用检偏器的输出光谱;
[0033]
图3为本技术使用检偏器的输出光谱;
[0034]
图4为本技术pmd的归一化频谱;
[0035]
图5为本技术实验验证平台示意图。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本技术实施例中的附图,对本技术实施例中的技术方案进行描述。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0037]
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个
……”
限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0038]
术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不能理解为指示或暗示相对重要性,也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0039]
如图1,本技术实施例提供一种pmd精确计算系统,包括宽带光源1、起偏器2、偏振控制器3、待测光纤4、检偏器5、高分辨率光谱仪6、数字信号处理单元7,
[0040]
所述宽带光源1发出的光信号,经过起偏器2后进入偏振控制器3,然后入射到待测光纤4,分别进行插入检偏器5和去除检偏器5操作后进入进入高分辨率光谱仪6,获得插入检偏器的第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据;
[0041]
高分辨率光谱仪6将高分辨率光谱仪中获得的插入检偏器的第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据输出到数字信号处理单元7;
[0042]
所述数字信号处理单元7根据第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据,统计出归一化频谱r(λ)中λ1~λn内的峰值个数ne;
[0043]
计算出每两个相邻峰值之间的间隔并取均值,记为λ
mean
,确定精确估计峰值个数n
′e;
[0044]
根据精确估计峰值个数n
′e和峰值个数与pmd大小之间的关系,计算得到pmd值。
[0045]
本技术实施例提供一种pmd精确计算方法,包括以下具体步骤:
[0046]
高分辨率光谱仪6获得插入检偏器的第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据,其中第一实验数据和第二实验数据通过高分辨率光谱仪测量获得;
[0047]
根据所述第一实验数据和第二实验数据,统计出归一化频谱r(λ)中λ1~λn内的峰值个数ne,λ1和λn分别为测量的起始波长和结束波长;
[0048]
计算出每两个相邻峰值之间的间隔并取均值,记为λ
mean
,确定精确估计峰值个数n
′e;
[0049]
根据精确估计峰值个数n
′e和峰值个数与pmd大小之间的关系,计算得到pmd值。
[0050]
所述插入检偏器的第一实验数据的输出光谱pa(λ),如图3,去除检偏器的第二实验数据的输出光谱p
tot
(λ),如图2,计算得到pmd的归一化频谱r(λ),如图4,r(λ)为:
[0051][0052]
所述确定精确估计峰值个数n
′e的计算公式为,
[0053][0054]
峰值个数与pmd大小之间的关系满足:
[0055][0056]
将精确估计峰值个数n
′e代入式(3)即可计算出精确的pmd值,式中k为模式耦合因子,c为光速。
[0057]
所述模式耦合因子k,当光纤为弱耦合模式时,k=1.00;当光纤为强耦合模式时,k=0.805。
[0058]
本技术的有效性验证
[0059]
如图5所示,实验中使用c+l波段的宽带光源fls5800作为信号源,波长范围选择1500~1650nm,使用分辨率为0.1nm的光谱仪ae8500采集数据。分别测量不同长度的保偏光纤(pmf)的pmd值。随机调节偏振控制器改变输入偏振态,使用频谱仪采集不同偏振态下的数据,分别使用整数法数极值和极值小数化对数据进行处理。重复10次实验,对获得的10组数据的处理结果求平均,将均值作为最终的测量结果。同时使用商用pmd测试仪(型号为exfo ftb-400)对光纤pmd进行测量,作为参考值。
[0060]
对测量结果进行分析,计算获得每种测量方法的得到的pmd值,结果如表1所示。
[0061]
表1.小数化方法,传统方法计算pmd值与商业仪器的比较
[0062]
[0063]
将小数化方法和传统的数极值方法获得pmd结果与商用pmd分析仪的测量结果进行对比,从表1可以看出,对于0.4m长的pmf,小数化方法与参考值的相对误差为0.19%,远优于传统方法4.57%的相对误差;对于0.5m的pmf,小数化方法与参考值的相对误差为0.68%,也优于传统方法2.19%的相对误差。因此可以得出,小数化方法在固定分析仪法计算pmd值时,精确度优于传统的整数方法,且测量pmf和较小pmd值时优势更加明显。
[0064]
一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有程序代码,所述程序代码被处理器执行时,实现如上所述的pmd精确计算方法的步骤。
[0065]
本领域内的技术人员应明白,本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0066]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0067]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0068]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0069]
在一个典型的配置中,计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
[0070]
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器,随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式,如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。存储器是计算机可读介质的示例。
[0071]
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括,但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定,计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media),如调制的数据信号和载波。
[0072]
以上所述仅为本技术的实施例而已,并不用于限制本技术的保护范围,对于本领域的技术人员来说,本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征:
1.一种pmd精确计算方法,其特征在于,包括以下具体步骤:获得插入检偏器的第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据,其中第一实验数据和第二实验数据通过高分辨率光谱仪测量获得;根据所述第一实验数据和第二实验数据,统计出归一化频谱r(λ)中λ1~λ
n
内的峰值个数n
e
,λ1和λ
n
分别为测量的起始波长和结束波长;计算出每两个相邻峰值之间的间隔并取均值,记为λ
mean
,确定精确估计峰值个数n

e
,;根据精确估计峰值个数n

e
和峰值个数与pmd大小之间的关系,计算得到pmd值。2.根据权利要求1所述的一种pmd精确计算方法,其特征在于,所述插入检偏器的第一实验数据的输出光谱p
a
(λ),去除检偏器的第二实验数据的输出光谱p
tot
(λ)和,计算得到pmd的归一化频谱r(λ)为:3.根据权利要求1所述的一种pmd精确计算方法,其特征在于,所述确定精确估计峰值个数n

e
的计算公式为,峰值个数与pmd大小之间的关系满足:将精确估计峰值个数n

e
代入式(3)即可计算出精确的pmd值,式中k为模式耦合因子,c为光速。4.根据权利要求3所述的一种pmd精确计算方法,其特征在于,所述模式耦合因子k,当光纤为弱耦合模式时,k=1.00;当光纤为强耦合模式时,k=0.805。5.一种pmd精确计算系统,其特征在于,包括宽带光源、起偏器、偏振控制器、待测光纤、检偏器、高分辨率光谱仪、数字信号处理单元,所述宽带光源发出的光信号,经过起偏器后进入偏振控制器,然后入射到待测光纤,分别插入和去除检偏器后进入高分辨率光谱仪,获得插入检偏器的第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据;将高分辨率光谱仪中获得的插入检偏器的第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据输出到数字信号处理单元;所述数字信号处理单元根据第一实验数据和去除检偏器的第二实验数据,统计出归一化频谱r(λ)中λ1~λ
n
内的峰值个数n
e
;计算出每两个相邻峰值之间的间隔并取均值,记为λ
mean
,确定精确估计峰值个数n

e
;根据精确估计峰值个数n

e
和峰值个数与pmd大小之间的关系,计算得到pmd值。6.根据权利要求5所述的一种pmd精确计算系统,其特征在于,所述数字信号处理单元获得的插入检偏器的第一实验数据的输出光谱p
a
(λ)、去除检偏器的第二实验数据的输出光谱p
tot
(λ),计算得到pmd的归一化频谱r(λ)为,数字信号处理单元通过
公式确定精确估计峰值个数n

e
,将精确估计峰值个数n

e
代入计算出精确的pmd值,式中k为模式耦合因子,c为光速。7.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有程序代码,所述程序代码被处理器执行时,实现如权利要求1至4任一项所述的pmd精确计算方法的步骤。

技术总结
本申请涉及一种PMD精确计算方法、系统及存储介质,方法包括宽带光源发出的光信号经过起偏器后进入偏振控制器,入射到待测光纤,插入和去除检偏器后分别进入高分辨率光谱仪,得到两组实验数据;将高分辨率光谱仪中的实验数据输出到数字信号处理单元;统计出归一化频谱图中λ1~λ


技术研发人员:黄凯 黄红兵 李伯中 唐先锋 章毅 何涛 吕玉祥 王红艳 范超 邓黎 夏小萌 张乐丰 郜传伟 孔文杰 李印宜 邱兰馨 陈巨龙 刘乐 张阳安 冯伟东 詹鹏 王晓峰 安宁 张之栋
受保护的技术使用者:国网浙江省电力有限公司信息通信分公司 国家电网有限公司信息通信分公司 北京邮电大学 国网湖北省电力有限公司信息通信公司 国家电网公司东北分部 国网信息通信产业集团有限公司 国家电网有限公司
技术研发日:2022.08.09
技术公布日:2022/12/2
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