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CN110518967B - 一种单轴光纤干涉仪及消除光纤振动盲区的定位装置 - Google Patents

一种单轴光纤干涉仪及消除光纤振动盲区的定位装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单轴光纤干涉仪及消除光纤振动盲区的定位装置。所述单轴光纤干涉仪包括：第一光分路器、第一选择开关、第一光纤延时线、第二光纤延时线、短光纤和第二光分路器；第一光分路器的输出端与第一选择开关的输入端连接；第一选择开关的输出端分别与第一光纤延时线的一端和第二光纤延时线的一端连接；第一光纤延时线的另一端和第二光纤延时线的另一端均与第二光分路器的输入端连接；第二光分路器的输入端与第一光分路器的输出端通过一短光纤连接。本发明提供的单轴光纤干涉仪及消除光纤振动盲区的定位装置，能够消除因菲涅尔发射引起的光纤振动定位盲区的问题，且具有结构简单、成本低廉和定位精确的特点。

Description

一种单轴光纤干涉仪及消除光纤振动盲区的定位装置
技术领域
本发明涉及光通信测试和光纤传感技术领域，特别是涉及一种单轴光纤干涉仪及消除光纤振动盲区的定位装置。
背景技术
在维护光纤网络时，除了光时域反射仪(OTDR)，常用仪器还有光纤故障追踪仪。光时域反射仪可以测量光纤故障点的光纤长度，光纤故障追踪仪可以测量光纤扰动点的光纤长度，通过分析光纤扰动点与光纤故障点的光纤长度之差可以较精确地估算出光纤故障点的地理位置。
根据对光纤的扰动方式不同，目前的光纤故障追踪仪主要是基于以下几种原理：偏振-光时域反射仪(P-OTDR)探测光纤弯曲变化，对弯曲光纤处进行距离定位(中国专利CN201410662192.2一种对光纤故障点精确定位的方法)；使用布里渊-光时域反射仪(B-OTDR)或拉曼-光时域反射仪(R-OTDR)探测光纤温度，对光纤加热处进行距离定位；使用相位-光时域反射仪(Φ-OTDR)探测光纤振动，对敲击光纤处进行距离定位；采用单轴Sagnac光纤干涉仪加OTDR的微分相位-OTDR探测光纤振动，对敲击光纤处进行距离定位(美国专利US20070264012A1-Identifying or Locating Waveguides)。
使用P-OTDR探测光纤弯曲变化的方式对光纤故障进行精确位置定位，缺点是要求能够对光纤进行直径1m左右的弯曲。如果光纤被敷设得较紧，抽不出足够长度的光纤用于弯曲，那么实施光纤弯曲就比较困难，通过使用P-OTDR探测弯曲光纤的方式对光纤故障进行精确位置定位也就变得十分不便。使用B-OTDR、R-OTDR或Φ-OTDR对光纤扰动点进行精确位置定位，主要的缺点是B-OTDR、R-OTDR或Φ-OTDR的成本太高。
采用单轴Sagnac光纤干涉仪加OTDR的微分相位-OTDR对光纤扰动(振动)点进行精确位置定位，其成本适中，且操作方便。但在光纤中，存在因为连接器、断点、端面等因素引起的菲涅耳反射，菲涅耳反射产生的光信号较光纤产生的瑞利散射信号而言，强度高了数个量级，当使用微秒量级的光脉冲去检测光纤中的振动位置时，在发生菲涅耳反射之处，菲涅耳反射信号可能完全掩盖了瑞利散射信号，由此产生一至数百米的盲区。这种盲区的存在，严重影响了对光纤振动位置的定位精确性。因此，在采用微分相位-OTDR对光纤振动位置进行精确定位时，需要解决因光纤菲涅耳反射引起的光纤振动定位盲区的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种单轴光纤干涉仪及消除光纤振动盲区的定位装置，能够消除因菲涅尔发射引起的光纤振动定位盲区的问题，且具有结构简单、成本低廉和定位精确的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种单轴光纤干涉仪，包括：第一光分路器、第一选择开关、第一光纤延时线、第二光纤延时线、短光纤和第二光分路器；
所述第一光分路器的输出端与所述第一选择开关的输入端连接；
所述第一选择开关的输出端分别与所述第一光纤延时线的一端和所述第二光纤延时线的一端连接；
所述第一光纤延时线的另一端和所述第二光纤延时线的另一端均与所述第二光分路器的输入端连接；
所述第二光分路器的输入端与所述第一光分路器的输出端通过一短光纤连接。
可选的，所述单轴光纤干涉仪包括：第二选择开关；
所述第一光纤延时线的另一端和所述第二光纤延时线的另一端均通过所述第二选择开关与所述第二光分路器的输入端连接；其中，所述第一光纤延时线的另一端和所述第二光纤延时线的另一端均与所述第二选择开关的输入端连接，所述第二选择开关的输出端与所述第二光分路器的输入端连接。
可选的，所述第一选择开关和所述第二选择开关均为1x2光开关。
可选的，所述第一光纤延时线的长度范围和所述第二光纤延时线的长度范围均为500m～20km。
可选的，所述第一光分路器为分光比为50比50的2x2光分路器；所述第二光分路器为分光比为50比50的1x2光分路器。
一种消除光纤振动盲区的定位装置，包括：上述单轴光纤干涉仪、光脉冲发射机和光脉冲接收机；
所述光脉冲发射机的输出端与所述单轴光纤干涉仪中的第一光分路器的输入端连接；
所述光脉冲接收机的输入端与所述单轴光纤干涉仪中的第一光分路器的输出端连接；
所述单轴光纤干涉仪的输出端与被测光纤连接。
可选的，所述单轴光纤干涉仪中的第一光纤延时线与第二光纤延时线的长度差的数值大于所述光脉冲发射机所发射的光脉冲的宽度数值的五分之一。
可选的，所述光脉冲发射机的光脉冲宽度值的范围为50ns～5000ns。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的单轴光纤干涉仪，通过采用长度不同的第一光纤延时线和第二光纤延时线，就可以构成一种结构较简单的新型的单轴光纤干涉仪。在采用这种新型单轴光纤干涉仪所构成的装置对光纤振动部分进行定位的过程中，当在不同的时间段通过选择开关所选择的光纤延时线的长度不同时，被测光纤中菲涅耳反射点引起的光纤振动测量盲区的位置也不同，因此不同测量时间段内测量光纤振动时，所测得的盲区位置是不同，那么通过对不同时间段内测量的结果进行筛选和计算，就可以消除因菲涅耳反射效应引起的光纤振动测量盲区而导致定位不精确的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例单轴光纤干涉仪的结构示意图；
图2为本发明实施例消除光纤振动定位盲区装置的结构示意图；
图3为采用现有技术所获取的光纤振动定位数据曲线图；
图4为采用现有技术所获取的光纤振动定位盲区的数据曲线图；
图5为采用本发明提供的消除光纤振动定位盲区装置所获取的光纤振动定位数据曲线图。
附图标记：1-单轴光纤干涉仪，11-第一光分路器，12-第一选择开关，13-第一光纤延时线，14-第二光纤延时线，15-短光纤，16-第二光分路器，17-第二选择开关，2-光脉冲发射机，3-光脉冲接收机，4-被测光纤。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种单轴光纤干涉仪及消除光纤振动盲区的定位装置，能够消除因菲涅尔发射引起的光纤振动定位盲区的问题，且具有结构简单、成本低廉和定位精确的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例单轴光纤干涉仪的结构示意图，如图1所示，一种单轴光纤干涉仪，包括：第一光分路器11、第一选择开关12、第一光纤延时线13、第二光纤延时线14、短光纤15和第二光分路器16。
所述第一光分路器11的输出端与所述第一选择开关12的输入端连接。
所述第一选择开关12的输出端分别与所述第一光纤延时线13的一端和所述第二光纤延时线14的一端连接。
所述第一光纤延时线13的另一端和所述第二光纤延时线14的另一端均与所述第二光分路器16的输入端连接。
所述第二光分路器16的输入端与所述第一光分路器11的输出端通过一短光纤15连接。
所述单轴光纤干涉仪还可以包括第二选择开关17。
所述第一光纤延时线13的另一端和所述第二光纤延时线14的另一端均通过所述第二选择开关17与所述第二光分路器16的输入端连接。其中，所述第一光纤延时线13的另一端和所述第二光纤延时线14的另一端均与所述第二选择开关17的输入端连接，所述第二选择开关17的输出端与所述第二光分路器16的输入端连接。
所述第一选择开关12和所述第二选择开关17均为1x2光开关。
所述第一光纤延时线13的长度范围和所述第二光纤延时线14的长度范围均为500m～20km。优选的第一光纤延时线的长度为5.0km，第二光纤延时线的长度为2.5km。对第一光纤时延线和第二光纤时延线的长度进行选择时，应该考虑到本发明所提供装置中使用的光发射脉冲宽度以及光接收机从进入饱和状态到完全退出饱和状态的持续时间。
所述第一光分路器11为分光比为50比50的2x2光分路器。所述第二光分路器16为分光比为50比50的1x2光分路器。
如图2所示，本发明提供的一种消除光纤振动盲区的定位装置，包括：上述构成的单轴光纤干涉仪1、光脉冲发射机2和光脉冲接收机3。
所述光脉冲发射机2的输出端与所述单轴光纤干涉仪1中的第一光分路器11的输入端连接。
所述光脉冲接收机3的输入端与所述单轴光纤干涉仪1中的第一光分路器11的输出端连接。
所述单轴光纤干涉仪1的输出端与被测光纤4连接。
所述单轴光纤干涉仪1中的第一光纤延时线13与第二光纤延时线14的长度差的数值(单位为米)大于所述光脉冲发射机2所发射的光脉冲的宽度数值(单位为纳秒)的五分之一，其中，二者数值间仅仅是数字上的关联与二者所采用的数值单位无关。
所述光脉冲发射机2的光脉冲宽度值的范围为50ns～5000ns。
在本发明的装置中，光脉冲发射机2所采用的光源类型为F-P LD或SLD，工作波长为1310nm波段、1490波段或1550nm的C波段，1550nm的L波段和1625nm波段之中的任意一个。其工作波长优选为1550nm的C波段。
光脉冲接收机3使用的探测器为APD或PIN。
采用本发明所提供的消除光纤振动定位盲区装置进行光纤振动定位的具体工作原理是：
在对光纤振动位置进行定位的过程中，为了避免光纤振动盲区带来的影响，在光脉冲发射机2产生光脉冲信号后，将所产生的光脉冲信号传输给单轴光纤干涉仪1后，进入被测光纤4。被测光纤4中的后向散射信号和反射信号进入单轴光纤干涉仪1后再进入光脉冲接收机3。
在整个光纤振动定位的过程中，通过选择开关(第一选择开关和第二选择开关)，在不同测量时间段内选择不同长度的光纤延时线(第一光纤延时线或第二光纤延时线)；当单轴光纤干涉仪的光纤延时线长度不同时，被测光纤中菲涅耳反射点引起的光纤振动测量盲区位置不同，因此不同测量时间段内测量光纤振动时，测量盲区的位置也不同。当两条光纤延时线的长度差足够大，测量盲区就不会重叠；对两个时间段内进行测量得到结果进行筛选、计算后，就可以消除因菲涅耳反射效应引起的光纤振动测量盲区而导致定位不精确的影响。
而采用本发明所提供的装置消除光纤菲涅耳反射引起的测量盲区的具体操作过程为：
将一次测量的时间分为两个时间段，并保证所采取的敲击光纤的方式能够使光纤在每段测量时间内都受到一次以上振动；
在第一个测量时间段内，控制选择开关，将第一光纤延时线接入单轴光纤干涉仪中；光脉冲发射机每次发射光脉冲信号后，由光脉冲接收机获取1帧光纤后向散射和后向反射信号数据DK1；将两帧相邻的数据相减，即：ΔDK1＝DK1+1-DK1；以曲线方式进行显示信号数据序列ΔDK1，Y轴表示后向散射信号幅度的变化，X轴表示光纤长度；从坐标原点开始，向前逐点位移计算数据序列ΔDK1，当信号数据序列ΔDK1中的Y值出现大于设定的阈值Yt1时，记录下曲线上的该点，从该点往坐标原点方向进行逐点位移、计算，当曲线上某一点的曲线斜率由正值开始变为负值(或零)时，该点对应于光纤振动位置，该点的X轴的值减去该第一光纤延时线长度值的一半，得到的值S1为光纤振动位置到测量装置的光纤光学长度值；
在第二个测量时间段内，控制选择开关，将第二光纤延时线接入单轴光纤干涉仪中；光脉冲发射机每次发射光脉冲信号后，由光脉冲接收机获取1帧光纤后向散射和后向反射信号数据DK2；将两帧相邻的数据相减，即：ΔDK2＝DK2+1-DK；以曲线方式进行显示信号数据序列ΔDK2，Y轴表示后向散射信号幅度的变化，X轴表示光纤长度；从坐标原点开始，向前逐点位移计算数据序列ΔDK2，当信号数据序列ΔDK2中的Y值出现大于设定的阈值Yt2时，记录下曲线上的该点，从该点往坐标原点方向进行逐点位移、计算，当曲线上某一点的曲线斜率由正值开始变为负值(或零)时，该点对应于光纤振动位置，该点的X轴的值减去第二光纤延时线长度值的一半，得到的值S2为光纤振动位置到测量装置的光纤光学长度值；；
比较S1和S2的大小，二者之中数值小的值为最终的光纤振动位置到测量装置的延时光纤的长度值。
两次测量时间段的测量时间为1s～180s，优选为10s。设定的阈值Yt1和设定的阈值Yt2取值范围均为0.05～0.2dB。
此外，进一步结合试验数据曲线来验证本发明所提供装置的优点，具体如下：
图3是采用现有技术中提供的单轴光纤干涉仪进行的OTDR数据帧信号相减后的两组数据，系列1是光纤上没有振动时的数据组，系列2是光纤上有振动时的数据组。从系列2的数据组还可以得知振动发生位置在a点处，被测光纤的末端在e点处。
如果被测光纤的末端较为平整，将产生较强的菲涅耳反射，反射率可高达-15dB，而光纤的散射率则只有-50dB左右(1550nm波长，光脉冲宽度1微秒)，光信号电平相差了35dB。对于光脉冲接收机的放大器而言，为了正常地接收光纤的散射信号，需要有一定的增益，当接收到较强的菲涅耳反射信号时，放大电路将进入到饱和状态。在电路进入饱和状态期间，经A/D电路获得的信号值不会产生变化，意味着该信号饱和期间为测量盲区。
图4中所示的是在被测光纤的末端有较强的菲涅耳反射的情况下，单光纤时延线的微分相位-OTDR所获取的数据。可以看出，在b点至c点，数值均为0。如果振动发生位置a点不幸落在b点至c点之间，虽然此时仍然可以判断出光纤上有振动发生，但是将无法确定a点位置的准确值，。
而采用本发明所提供的装置进行光纤振动位置的第一测量时段中，振动定位数据曲线如图5中的系列1所示；在第二测量时段中，振动定位数据曲线如
图5中的系列2所示。系列1曲线的测量盲区为b-c，系列2曲线的测量盲区为b'-c'，b-c区域和b'-c'区域不重叠。因此如果光纤振动点a落入b-c区域，那就不会落入b'-c'区域；反之，如果光纤振动点a落入b'-c'区域，那就不会落入b-c区域。因此，将第一测量时段和第二测量时段的测量结果进行合并、筛选后，最终得到的光纤振动点位置测量结果并不受光纤中存在的菲涅耳反射的影响。
本发明提供的单轴光纤干涉仪，通过采用长度不同的第一光纤延时线和第二光纤延时线，就可以构成一种结构较简单的新型的单轴光纤干涉仪。在采用这种新型单轴光纤干涉仪所构成的装置对光纤振动部分进行定位的过程中，当在不同的时间段通过选择开关所选择的光纤延时线的长度不同时，被测光纤中菲涅耳反射点引起的光纤振动测量盲区的位置也不同，因此不同测量时间段内测量光纤振动时，所测得的盲区位置是不同，那么通过对不同时间段内测量的结果进行筛选和计算，就可以消除因菲涅耳反射效应引起的光纤振动测量盲区而导致定位不精确的影响。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种消除光纤振动盲区的定位装置，其特征在于，包括：单轴光纤干涉仪、光脉冲发射机和光脉冲接收机；
所述单轴光纤干涉仪包括：第一光分路器、第一选择开关、第一光纤延时线、第二光纤延时线、短光纤、第二光分路器和第二选择开关；所述的第一光纤延时线的长度和所述第二光纤延时线的长度不同；
所述光脉冲发射机的输出端与所述第一光分路器的输入端连接；所述第一光分路器的第一输出端与所述第一选择开关的输入端连接；所述第一选择开关的第一输出端与所述第一光纤延时线的一端连接；所述第一选择开关的第二输出端与所述第二光纤延时线的一端连接；所述第一光纤延时线的另一端与所述第二选择开关的第一输入端连接；所述第二光纤延时线的另一端与所述第二选择开关的第二输入端连接；所述第二选择开关的输出端与所述第二光分路器的第一输入端连接；所述第一光分路器的第二输出端与所述第二光分路器的第二输入端通过一短光纤连接；所述光脉冲接收机的输入端与所述第一光分路器的第三输出端连接；所述第二光分路器的输出端作为单轴光纤干涉仪的输出端，以连接被测光纤；
所述第一光纤延时线的长度范围和所述第二光纤延时线的长度范围均为500m~20km；所述第一光分路器为分光比为50比50的2x2光分路器；所述第二光分路器为分光比为50比50的1x2光分路器。
2.根据权利要求1所述的一种消除光纤振动盲区的定位装置，其特征在于，所述第一选择开关和所述第二选择开关均为1x2光开关。
3.根据权利要求1所述的一种消除光纤振动盲区的定位装置，其特征在于，所述单轴光纤干涉仪中的第一光纤延时线与第二光纤延时线的长度差的数值大于所述光脉冲发射机所发射的光脉冲的宽度数值的五分之一。
4.根据权利要求1所述的一种消除光纤振动盲区的定位装置，其特征在于，所述光脉冲发射机的光脉冲宽度值的范围为50ns~5000ns。
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光纤线路测试中OTDR盲区分析;郭亮;;网络与信息(第07期);第58页 *

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