基于非相干光频域反射的光纤故障监测装置及方法与流程

1.本公开属于光纤故障监测技术领域，尤其涉及一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测装置及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.目前光纤是光通信传输网络的根本，光纤纤芯性能直接影响传输网络性能。综合传输网络故障情况，因断纤和光纤质量劣化导致的故障占有较大比例，光纤故障频发却很难预先发现及时处理。
4.现有的光纤故障的定位手段通常是基于传统otdr(光时域反射仪：optical timedomain reflectometer)仪表对光纤的监测，其中，otdr的测试原理是激光光源向被测光纤发射一定强度和波长的脉冲光；而由于光纤本身的特性和杂质成分的不均匀性，脉冲光在光纤中传播并产生瑞利散射；由于机械连接和断裂，脉冲光在光纤中传输时发生菲涅耳反射，一些散射光和反射光被传输回输入端。光纤的长度可以通过脉冲光在光纤中传输和返回的时间以及脉冲光在光纤中的传输速度来计算。
5.但是，发明人发现，在otdr测量技术中，脉冲光的时间宽度越窄，定位分辨率越好，但是信噪比和动态范围越差，光纤测量长度越短；脉冲光的时间宽度越宽，定位分辨率越差，但是信噪比和动态范围会变好，光纤测量长度会越长，因此，otdr测量技术的空间分辨率与信噪比、动态范围和测量长度之间存在矛盾；通常情况下，otdr测量技术可以实现的定位分辨率大多属于米级，测量长度大约10～30km，其无法有效应用于远距离光纤测量条件下。


技术实现要素：

6.本公开为了解决上述问题，提供了一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测装置及方法，所述方案基于瑞利散射回信号与本地振荡信号在混频器处汇合，经模拟信号处理和模数转换，实现某个频点下整条传感光纤的质量监测；同时，通过改变激光器出光频率进行扫描，能够获取整条传感光纤光网络健康状态有关的频域信息，借助傅里叶逆变换，可以得到光网络健康状态沿传感光纤分布的空间域信息，实现光纤网络的在线故障监测，有效提高了检测效率和精度。
7.根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测装置，包括数字信号处理器；
8.所述数字信号处理器通过控制总线驱动直接数字频率合成器输出两路信号，一路信号输入到激光器驱动器，所述激光器驱动器驱动半导体激光器产生带步进频率调制的连续光波；另一路信号输入接收机；所述连续光波输入环形器的第一端口，并通过第二端口射入传感光纤；所述传感光纤上产生的瑞利散射光波通过第三端口射入光电探测器，所述光
电探测器将瑞利散射光波转换为弱电流信号，并传输给接收机；
9.所述接收机将瑞利散射相关的弱电流信号转换为数字信号，并传输给数字信号处理器，通过所述数字信号处理器对所述数字信号进行处理，实现光纤故障的监测。
10.进一步的，所述数字信号处理器对所述数字信号进行处理，具体为：根据步进频率所有频点的瑞利散射信号，获得光网络健康状态有关的频域信息；对所述频域信息进行傅里叶逆变换，获得光网络健康状态有关的沿空间分布信息。
11.进一步的，所述接收机将瑞利散射相关的弱电流信号转换为数字信号，具体为：针对步进频率所有频点返回的瑞利散射电流信号，使用固定频率的震荡时钟进行混频，获得整条传感光纤与光网络健康状态有关的频域信息，并将所述频域信息转化为数字信号。
12.进一步的，所述数字信号处理器通过控制总线驱动直接数字频率合成器输出两路信号，一路信号为连续步进频扫频信号，另一路信号为频率固定的单频信号。
13.进一步的，所述连续光波输入环形器的第一端口，并通过第二端口射入传感光纤，所述连续光波沿传感光纤传播时，产生携带光网络健康状态有关的瑞利散射光波，并通过所述第三端口摄入所述光电探测器。
14.进一步的，所述接收机包括顺序连接的跨阻放大器、混频器、高精度模拟放大器以及模数转换器。
15.进一步的，所述跨阻放大器将所述光电探测器输出的弱电流信号转换为电压信号，输出给混频器的射频输入端。
16.根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测方法，其利用了上述的一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测装置，包括：
17.通过激光器驱动器控制半导体激光器产生带步进频率调制的连续光波；
18.将带步进频率调制的连续光波输入传感光纤，并产生与光网络健康状态相关的瑞利散射光波；
19.针对步进频率所有频点返回的瑞利散射相关电信号，使用固定频率的本地震荡时钟进行混频，获得整条传感光纤与光网络健康状态有关的频域信息；
20.对所述频域信息进行傅里叶逆变换，获得光网络健康状态沿传感光纤分布的空间域信息，进而得到被测光纤沿线的故障信息和位置信息，实现光纤故障的监测。
21.与现有技术相比，本公开的有益效果是：
22.(1)本公开提供了一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测装置及方法，所述方案对激光光源出光进行步进频率调制，并通过光环行器后射入长距离光纤，瑞利散射回信号与本地振荡信号在混频器处汇合，经模拟信号处理和模数转换，实现某个频点下整条传感光纤的质量监测；通过改变激光器出光频率进行扫描，便能获取整条传感光纤光网络健康状态有关的频域信息，借助傅里叶逆变换，可以得到光网络健康状态沿传感光纤分布的空间域信息，完成光网络在线故障监测。
23.(2)本公开所述方案对于某个频点下整条传感光纤的质量监测，采用了瑞利散射沿整条传感光纤的累积信号，可以获得更高的信噪比，提高光纤质量在线监测精度；通过步进频率的调制方式，使空间域分辨率可以通过增加步进次数得到改善，提高了线路故障的定位精度。
24.(3)本公开所述方案相对于otdr测量技术，所采用的非相干光频域反射测量技术
的定位分辨率仅与光频扫描带宽有关，而与光功率没有关系，因此可以保证即使是在远距离光纤测量条件下，仍然能获得无差异的定位空间分辨率。
25.(4)对于1m的定位分辨率，otdr测量技术需要光脉冲小于10ns且峰值功率高达数瓦的激光器光源，而非相干光频域反射测量技术使用的光源可以是峰值功率仅为几百毫瓦的频率可调制的连续光输出激光器光源，具有成本优势；对于高定位分辨率的otdr测量技术，对瑞利散射信号的采样频率要求较高，通常达到ghz水平，而本公开所述方案采用的非相干光频域反射测量技术，由于在装置中使用了混频器，对采样率的要求较低，降低了技术实现复杂度。
26.本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
27.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
28.图1为本公开实施例一中所述的基于非相干光频域反射的光纤故障监测装置结构图；
29.图2为本公开实施例一中所述的接收机结构图；
30.图3为本公开实施例二中所述的整条传感光纤光网络健康状态有关的频谱信息示意图；
31.图4为本公开实施例二中所述的光网络健康状态沿传感光纤分布的空间域信息示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
33.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
35.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.专业术语介绍：
37.非相干光频域反射技术：
38.非相干光频域反射(incoherent optical frequency domain reflectometry,iofdr)技术最初起源于频率调制连续波(fmcw)激光雷达系统，非相干光频域反射技术主要是通过检测光纤的后向散射光的频率响应，再利用频域
‑
空域变换原理实现分布式检测。
39.微波信号源输出线性扫频输出信号，通过电光调制器对光源出光进行调制，并通过光环行器后射入长距离光纤，反射回信号随即与本地振荡信号在混频器处汇合，采用低
通滤波器滤除混频后的高频信号，实现某个频点下整条传感光纤的质量监测。改变激光器出光频率进行扫描，便能获取每个频率点的传感光纤状态信息，借助傅里叶逆变换，可以得到传感光纤位置相关的状态信息，完成光网络在线故障监测。
40.实施例一：
41.本实施例的目的是提供一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测装置。
42.一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测装置，包括数字信号处理器；所述数字信号处理器通过控制总线驱动直接数字频率合成器输出两路信号，一路信号输入到激光器驱动器，所述激光器驱动器驱动半导体激光器产生带步进频率调制的连续光波；另一路信号输入接收机；所述连续光波输入环形器的第一端口，并通过第二端口射入传感光纤；所述传感光纤上产生的瑞利散射光波通过第三端口射入光电探测器，所述光电探测器将瑞利散射光波转换为弱电流信号，并传输给接收机；
43.所述接收机将瑞利散射相关的弱电流信号转换为数字信号，并传输给数字信号处理器，通过所述数字信号处理器对所述数字信号进行处理，实现光纤故障的监测。
44.具体的，为了便于理解，以下结合附图对本公开所述方案进行详细说明：
45.本公开一种非相干光频域反射的高精度光网络在线故障监测装置及方法，其装置包括：数字信号处理器(dsp)、直接数字频率合成器(dds)、激光器驱动器、半导体激光器、环形器、传感光纤、接收机；
46.所述dsp通过控制总线驱动dds，使dds输出频率范围从f1到f2、频率间隔δf、步进频率次数为n的连续步进频扫频信号；其中，截止频率f2在很大程度上决定了调制频率带宽，进一步决定了可以获得的定位空间分辨率，通常选择为10mhz～1ghz，相应的可以获得的定位空间分辨率为10～0.1m；起始频率f1应当选择为明显小于f2，保证获得足够的调制带宽，但是与f2相比动态范围又不能相差太大，保证不同频率信号具有合适的功率平坦度，选择范围可以是0.1～1mhz。
47.所述dds输出两路信号，1路输出连续步进频扫频信号，连接激光器驱动器；另1路输出频率始终为f1的单频信号，连接接收机；
48.激光器驱动器在dds输出信号的作用下，输出符合后级半导体激光器驱动标准的连续步进频扫频电流信号，驱动半导体激光器产生带步进频率调制的连续光波；
49.带步进频率调制的连续光波进入环形器的1端口，然后从环形器2端口出射进入传感光纤；
50.光波沿传感光纤传播过程中，产生携带光网络健康状态有关的瑞利散射光波，返回环形器的2端口，然后从环形器3端口出射进入光电探测器；
51.光电探测器将瑞利散射光波转换为弱电流信号，传输给接收机；
52.接收机将瑞利散射相关的弱电流信号转换为数字信号，传输给dsp；
53.dsp根据步进频率所有频点的瑞利散射信号，可以得到光网络健康状态有关的频域信息，利用傅里叶逆变换，可以得到光网络健康状态有关的沿空间分布信息，完成光通信系统高可靠性的在线监测和线路故障的精准定位。
54.进一步的，如图2所示，所述接收机由跨阻放大器、混频器、高精度模拟放大器、模数转换器(adc)组成。
55.其中，所述跨阻放大器将光电探测器输出的弱电流信号转换为电压信号，输出给
混频器的射频(rf)输入端。
56.所述混频器有两个输入端口，rf输入端和本地振荡(lo)输入端。rf输入端输入的是瑞利散射相关的电压信号，lo输入端输入的是dds输出的频率始终为f1的单频信号。混频后，电压信号的频率范围下变频为0到f2‑
f1，作为中频(if)信号输出给高精度模拟放大器。
57.所述高精度模拟放大器对电压信号进行放大，从而符合后级adc对输入信号的电压范围需求。
58.所述adc将电压信号转换为数字信号，传输给dsp。
59.实施例二：
60.本实施例的目的是提供一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测方法。
61.一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测方法，其利用了上述的一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测装置，包括：
62.通过激光器驱动器控制半导体激光器产生带步进频率调制的连续光波；
63.将带步进频率调制的连续光波输入传感光纤，并产生与光网络健康状态相关的瑞利散射光波；
64.针对步进频率所有频点返回的瑞利散射相关电信号，使用固定频率的本地震荡时钟进行混频，获得整条传感光纤与光网络健康状态有关的频域信息；
65.对所述频域信息进行傅里叶逆变换，获得光网络健康状态沿传感光纤分布的空间域信息，进而得到被测光纤沿线的故障信息和位置信息，实现光纤故障的监测。
66.进一步的，所述光网络健康状态包括光纤沿线出现的熔接点、弯曲以及断点。
67.具体的，为了便于理解，以下结合附图3和附图4对本公开所述方法进行详细说明：
68.本公开一种非相干光频域反射的高精度光网络在线故障监测装置及方法，其方法包括以下步骤：
69.步骤1：半导体激光器产生带步进频率调制的光波；频率调制范围从f1＝1mhz到f2＝10mhz、频率间隔δf＝100khz、步进频率次数为91的连续步进频扫频信号。其中，截止频率f2在很大程度上决定了调制频率带宽，进一步决定了可以获得的定位空间分辨率，通常选择为10mhz～1ghz，相应的可以获得的定位空间分辨率为10～0.1m；起始频率f1应当选择为明显小于f2，保证获得足够的调制带宽，但是与f2相比动态范围又不能相差太大，保证不同频率信号具有合适的功率平坦度，选择范围可以是0.1～1mhz。当f1＝1mhz，f2＝10mhz时，可以获得10m的定位空间分辨率。
70.经过调制后的光波在光纤中传导时的功率可以表述为：
[0071][0072]
其中，z表示传播距离，m表示调制深度，通常m小于1，ω
m
表示激光器的调制角频率，范围是从2πf1到2πf2，角频率间隔2πδf，表示光波在光纤中的传播常数，n
p
表示光纤折射率，c表示真空中的光速，α
p
表示光波在光纤中传播的损耗系数。
[0073]
很明显，p
p
(z，ω
m
，t)是一个正的实简谐函数，可以改写为：
[0074][0075]
其中，re(x)表示取复数x的实部。
[0076]
步骤2：带步进频率调制的光波沿传感光纤传输，产生与光网络健康状态相关的瑞
利散射光波。
[0077]
从一段长度为dz的光纤获得的后向瑞利散射功率为：
[0078]
dp
r
(z，ω
m
，t)＝p
p
(z，ω
m
，t)χ
r
(s(z，t))dz
ꢀꢀ
(3)
[0079]
其中，s(z，t)表示光网络健康状态相关的被测信息，与光纤位置z和时间t有关，χ
r
(s(z，t))表示瑞利散射的光纤健康状态依赖系数，r代表瑞利散射。
[0080]
步骤3：当需要测量的传感光纤沿线的健康状态变化相对缓慢，小于单次测量时间，可以认为光网络健康状态仅与空间分布有关，因此传感光纤沿线的健康状态可以表示为s(z)。
[0081]
光电探测器探测得到的，在光纤位置z处，长度为dz的光纤微元的瑞利散射功率为：
[0082][0083]
其中，α
r
表示瑞利散射光波在光纤中传播的损耗系数，β
r
表示瑞利散射光波在光纤中的传播常数。
[0084]
通过对上式进行积分，就可以得到长度为l的整个传感光纤的后向瑞利散射功率：
[0085][0086]
上式中，第一项为直流项，不随着调制频率ω
m
的变化而变化，因此不携带瑞利散射发生的空间分布信息。第二项为交流项，与调制频率ω
m
有关。可以改写为：
[0087][0088]
其中，包含了整条传感光纤的瑞利散射和损耗信息。
[0089]
步骤4：针对步进频率所有频点返回的瑞利散射相关电信号，使用频率为f1的本地振荡时钟进行混频，得到频率范围为0到9mhz，频率间隔100khz的整条传感光纤光网络健康状态有关的频域信息s
r
(ω
m
)，如图3所示。
[0090]
步骤5：对整条传感光纤光网络健康状态的频域信息进行傅里叶逆变换，得到光网络健康状态沿传感光纤分布的空间域信息s
r
(z)，完成光通信系统高可靠性的在线监测和线路故障的精准定位，如图4所示。
[0091]
上述实施例提供的一种基于非相干光频域反射的光纤故障监测装置及方法可以实现，具有广阔的应用前景。
[0092]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。