一种基于1260~1650nm波长的多通道光放大系统及方法与流程

本发明涉及光放大，具体涉及一种基于1260~1650nm波长的多通道光放大系统及方法。

背景技术：

1、在光通信系统中，1260~1650nm波段覆盖了o、e、s、c、l多个通信窗口，是波分复用系统的核心工作波段。基于受激拉曼散射的分布式拉曼放大器因具有低噪声、宽增益谱等优点，被广泛用于该波段的多通道光放大。

2、然而，现有拉曼放大技术存在以下不足：实际光纤的局部衰减系数沿长度方向存在非均匀变化，等间距注入点无法与衰减斜率的快慢变化相匹配，导致泵浦能量分布与光纤损耗特性失配。现有技术无法沿光纤实时监测增益累积速率，仅通过输入端与输出端的功率差获得总增益值，难以定位局部增益不足或增益过剩的区段，也无法识别增益累积曲线上的曲率突变点。各泵浦注入点的功率设定相互独立，未考虑泵浦光传输至各自有效作用区间终点时残余功率的一致性，造成后段增益不平坦。此外，单一泵浦波长在宽波段内无法同时满足不同区段对增益效率和传输距离的差异化需求，长波长区段衰减较小但拉曼增益系数较低，短波长区段增益系数较高但衰减较快，单一波长难以使全光纤各区段的增益累积速率均衡。因此，现有方法在注入点布局、功率分配和波长配置三个维度上均缺乏与光纤实际衰减及增益分布的自适应匹配能力，限制了多通道拉曼放大系统的增益平坦度性能。

3、为此，本发明提供一种基于1260~1650nm波长的多通道光放大系统及方法。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术的不足，解决背景技术中所提出的至少一个技术问题，本发明提供一种基于1260~1650nm波长的多通道光放大系统及方法，针对1260~1650nm波段多通道光放大系统中，泵浦注入点位置、泵浦功率及泵浦波长与光纤实际衰减和增益分布不匹配所导致的增益不平坦问题，通过构建衰减系数与增益累积特性集合，依次对泵浦注入点进行非等间距优化、对增益累积速率进行局部功率补偿、以前馈方式统一残余功率基准，并依据各区段增益累积曲线的切线斜率闭环切换泵浦波长，从而实现泵浦资源与光纤实际衰减及增益分布的自适应匹配。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于1260~1650nm波长的多通道光放大方法，包括以下步骤：

3、同时采集光纤沿线的后向瑞利散射与后向拉曼散射数据，并计算各采样点的局部衰减系数和沿程累计增益值，构建衰减系数集合与增益特性集合；

4、基于衰减系数集合中衰减斜率变化率的统计分布，判断是否存在泵浦注入点位置与光纤实际衰减斜率变化失配，若存在，识别失配区段，并对泵浦注入点分布进行非等间距优化；

5、基于增益累积曲线判断增益累积速率是否偏离目标范围，若是，通过增设泵浦注入点以及调整泵浦注入点功率进行局部补偿；

6、计算各泵浦注入点泵浦光传输至有效作用区间终点的衰减积分值，判断各点残余功率是否一致，若不一致，通过前馈方式统一各泵浦注入点的残余功率基准；

7、将光纤等分为多个区段，计算各区段增益累积曲线的切线斜率，判断单一泵浦波长是否适应不同区段的增益累积速率差异，若不适应，根据各区段与目标区间的比对分析进行泵浦波长切换。

8、进一步的，所述衰减系数集合与增益特性集合的构建方式为：

9、沿光纤以固定采样间隔标记采样位置，发射探测脉冲并读取各采样位置的后向瑞利散射光功率，根据当前采样位置与前一相邻采样位置的后向瑞利散射光功率计算得到局部衰减系数，形成衰减系数集合；

10、同时，发射相同探测脉冲，分离反斯托克斯与斯托克斯拉曼散射光功率，计算得到各采样位置的光纤温度；

11、根据当前反斯托克斯功率与同温度基准功率计算得到平均增益系数，并逐段累加得到各采样位置的沿程累计增益值，形成增益特性集合。

12、进一步的，所述是否存在泵浦注入点位置与光纤实际衰减斜率变化失配的判断方式为：

13、将相邻采样位置之间的光纤标记为一个区段，基于相邻采样位置的局部衰减系数计算各区段的衰减斜率变化率；

14、计算所有区段衰减斜率变化率的算术平均值与标准差，若区段的衰减斜率变化率大于算术平均值加3倍标准差，或小于算术平均值减2倍标准差，则判定存在泵浦注入点位置与光纤实际衰减斜率变化失配。

15、进一步的，所述对泵浦注入点分布进行非等间距优化的过程为：

16、将衰减斜率变化率大于算术平均值加3倍标准差的区段标记为陡变区段，在陡变区段的中心位置增设一个泵浦注入点，若陡变区段长度大于一百米，则在区段内等间隔增设多个注入点，间隔取区段长度的四分之一；

17、将衰减斜率变化率小于算术平均值减2倍标准差的区段标记为缓变区段，若缓变区段内存在两个以上泵浦注入点，则只保留位于区段中点位置的一个注入点，其余移除。

18、进一步的，所述增益累积速率是否偏离目标范围的判断方式为：

19、从增益特性集合中提取相邻采样位置的累计增益值，相减得到段内增益值设定目标速率下限与目标速率上限；

20、若段内增益值小于目标速率下限，判定为增益过慢段，若段内增益值大于目标速率上限，判定为增益过快段；

21、计算相邻段内增益值的二阶差分，若二阶差分的绝对值大于所有二阶差分绝对值算术平均值的两倍，则判定采样点为增益曲率突变点；

22、若存在段内增益值小于目标速率下限，或段内增益值大于目标速率上限，或者存在采样点为增益曲率突变点，则判定增益累计速率偏离目标范围。

23、进一步的，所述局部补偿的过程为：

24、对于增益过慢段且无泵浦注入点，在区段中心增设一个新注入点，新注入点的初始功率取区段前后已有注入点功率的算术平均值，若区段内已有注入点但功率偏低，则增加注入点的当前功率；

25、对于增益过快段，降低区段内已有注入点的当前功率；

26、对于增益曲率突变点，在增益曲率突变点前后各半个段长处分别增设一个注入点，两个新注入点的功率均取增益曲率突变点附近原有注入点功率的一半。

27、进一步的，所述各点残余功率是否一致的判断过程为：

28、确定每个泵浦注入点的有效作用区间终点：从注入点出发，沿光纤逐段计算衰减倍数，累计衰减倍数满足要求时的当前位置即为有效作用区间终点；

29、计算从泵浦注入点位置至有效作用区间终点所有光纤段的局部衰减系数与段长乘积的累加和，得到衰减积分值；

30、设定目标残余功率基准值，计算各注入点所需初始功率，若泵浦注入点所需初始功率大于泵浦激光器最大允许功率，或不同注入点所需初始功率的最大值与最小值之比满足要求，则判定各点残余功率不一致。

31、进一步的，所述统一各泵浦注入点的残余功率基准的过程为：

32、选择所有泵浦注入点都能达到的目标参与功率基准值，对于每个注入点，计算所需初始功率；

33、若所需初始功率小于等于泵浦激光器最大允许功率，则将泵浦注入点的输出功率设定为所需初始功率；

34、若所需初始功率大于泵浦激光器最大允许功率，则将泵浦注入点的输出功率设定为泵浦激光器最大允许功率，并在当前泵浦注入点前方一个注入点间距处增设一个辅助注入点，并根据所需初始功率、泵浦激光器最大允许功率以及衰减积分值计算辅助注入点需要补充的残余功率。

35、进一步的，所述根据各区段与目标区间的比对分析进行波长切换的过程为：

36、将光纤等分为n个连续区段，n根据泵浦注入点数量设定，计算各区段中点前后采样点增益差值与距离差值的比值，得到切线斜率，并设定目标斜率下与目标斜率上限；

37、若存在任何一个区段的区段切线斜率超出目标斜率区间，则判定单一泵浦波长不适应不同区段的增益累积速率差异；

38、若区段切线斜率低于目标斜率下限，判定增益过慢，向长波长方向切换泵浦波长，若区段切线斜率高于目标斜率上限，且功率已无法降低，则向短波长方向切换泵浦波长；

39、设定切换步长，每次切换后重新测量该区段切线斜率，直至落入目标区间，切换完成后，重新测量整条光纤的增益累积曲线并重新计算各区段切线斜率，重复直至所有区段切线斜率均落入目标区间，生成区段波长匹配映射表。

40、一种基于1260~1650nm波长的多通道光放大系统，包括以下模块：

41、数据采集模块：同时采集光纤沿线的后向瑞利散射与后向拉曼散射数据，并计算各采样点的局部衰减系数和沿程累计增益值，构建衰减系数集合与增益特性集合；

42、注入点分布优化模块：基于衰减系数集合中衰减斜率变化率的统计分布，判断是否存在泵浦注入点位置与光纤实际衰减斜率变化失配，若存在，识别失配区段，并对泵浦注入点分布进行非等间距优化；

43、局部补偿模块：基于增益累积曲线判断增益累积速率是否偏离目标范围，若是，通过增设泵浦注入点以及调整泵浦注入点功率进行局部补偿；

44、功率基准统一模块：计算各泵浦注入点泵浦光传输至有效作用区间终点的衰减积分值，判断各点残余功率是否一致，若不一致，通过前馈方式统一各泵浦注入点的残余功率基准；

45、波长匹配模块：将光纤等分为多个区段，计算各区段增益累积曲并线的切线斜率，判断单一泵浦波长是否适应不同区段的增益累积速率差异，若不适应，根据各区段与目标区间的比对分析进行泵浦波长切换。

46、本发明的有益效果如下：

47、通过计算衰减斜率变化率并识别陡变区段与缓变区段，在陡变区段增设注入点、在缓变区段合并注入点，实现了泵浦注入点分布与光纤实际衰减斜率变化的非等间距自适应匹配，解决了注入点位置失配问题；

48、利用增益累积曲线的一阶差分判断各段增益累积速率是否偏离目标范围，利用二阶差分识别曲率突变点，并针对过慢段、过快段及曲率突变点分别采取增设注入点、调整注入点功率或对称增设双注入点的方式进行局部补偿，保证了增益沿光纤长度方向均匀且平滑累积；

49、基于各注入点至有效作用区间终点的衰减积分值，设定统一的目标残余功率基准，以前馈方式直接计算各注入点所需的初始功率，并在功率超限时增设辅助注入点，使所有注入点在其作用区间终点的残余功率保持一致，解决了功率级联不一致问题；

50、将光纤等分为多个区段，计算各区段增益累积曲线的切线斜率，当斜率偏低时向长波长方向切换以降低衰减速率，当斜率偏高且功率无法降低时向短波长方向切换以提升增益效率，经迭代使各区段斜率落入目标区间，实现了沿光纤纵向的泵浦波长自适应匹配。