CN102739311B - 基于混沌可见激光的光纤故障定位装置及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混沌可见激光的光纤故障定位装置，包括混沌可见激光发射装置、光纤耦合器、光环形器、光电探测器、A/D转换器、信号处理装置以及显示装置；所述混沌可见激光发射装置发射的混沌可见激光信号在待测光纤线路(4)的故障点(11)因透射而产生明显的可见亮斑，在探测点到故障点(11)的距离范围以内寻找可见亮斑即可实现故障点的准确定位。本发明由混沌可见激光作为探测光源，将混沌相关故障点检测技术和可见光光纤故障点检测技术集为一体，实现了光纤故障点的快速准确检测定位，解决了光纤故障点易测量而不易定位的问题。

Description

基于混沌可见激光的光纤故障定位装置及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种激光测距装置及其测距方法，特别是一种基于混沌可见激光的可视化高精度光纤故障定位装置及其定位方法。

背景技术

随着光纤在通信和传感领域的广泛应用，光纤故障检测装置已成为光纤施工检测与故障维修中必不可少的工具。目前，常用的光纤故障检测技术有：红光光纤故障检测技术[CN201269801]和光时域反射技术[CN1681227]。其中，红光光纤故障检测技术充分利用了红光的可见特性，通过红光在光纤故障点处透射产生可见亮斑来实现对光纤故障点的精确定位，但该方法要求检测人员必须在故障现场，通过目视的方法寻找故障点，无法预知光纤故障点的实际位置及范围，在长距离光纤故障检测中，工作量大，因而通常作为其他光纤故障点定位技术的辅助工具；光时域反射技术通过观测光纤后向瑞利散射和菲涅尔反射信号，利用检测到的信号强度和返回时间来探测光纤沿传播方向的衰减特性，进而检测、判断链路中的异常，并确定故障点位置，目前常用的有脉冲式光时域反射技术、伪随机码调制光时域反射技术[EP0269448]和混沌光时域反射技术[CN101226100]。其中传统的脉冲光时域反射技术由于脉冲功率的提高与脉冲宽度的压窄在原理上不能同时实现，导致其测量的动态范围和分辨率成为一对不可调和的矛盾，并且其测量分辨率仅与脉冲宽度和光电检测装置的响应时间有关，实现改善的成本极高且效果甚微；伪随机码调制的光时域反射技术利用伪随机码调制的光脉冲作为探测信号，通过对信号进行相关处理来得到探测点与故障点的距离信息，解决了分辨率与动态范围无法同时提高的矛盾，原理上可提高光时域反射仪的测量动态范围和分辨率，然而该类光时域反射仪受限于伪随机码信号的频谱带宽，分辨率并没有得到很大的提高，未能很好的体现出光时域反射仪测量方面的优点，并且其较高的制作成本制约了其适用范围；混沌光时域反射技术基于混沌激光信号的互相关法实现光纤故障点的检测，克服了传统脉冲光时域反射仪和伪随机码调制光时域反射仪测量盲区大的缺点，提高了故障点检测的分辨率，实现了与距离无关的高精度测量，对于检测点与故障点的光纤长度测量已经非常精确，但在实际的故障点检测过程中，无法解决因光纤铺设弯曲引起测量定位与故障点实际位置不符的问题，故障点精确定位需二次测量或其他辅助测量，难以实现故障点的快速精确定位。

发明内容

本发明基于上述现有技术，以解决因光纤铺设弯曲引起的长度测量定位与故障点实际位置不符而造成的故障点位置难以确定的问题，为快速精确定位光纤故障点位置提供一种基于混沌可见激光的光纤故障定位装置及其定位方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于混沌可见激光的光纤故障定位装置，包括混沌可见激光发射装置、光纤耦合器、光环形器、光电探测器、A/D转换器、信号处理装置以及显示装置；所述混沌可见激光发射装置是可见光波段为390-760nm的混沌可见光半导体激光器或者混沌He-Ne激光器；所述混沌可见激光发射装置发射的混沌可见激光信号通过光纤耦合器(2)分为探测光和参考光；探测光经光环形器(3)发射到待测光纤线路(4)中，由于故障点(11)的反射，反射光经过光环形器(3)进入第一光电探测器(5)转换为电信号，电信号经过第一A/D转换器(7)转换为探测数字信号进入信号处理装置(9)；参考光经第二光电探测器(6)转换为电信号，再经第二A/D转换器(8)转换为参考数字信号进入信号处理装置(9)；进入信号处理装置(9)的探测数字信号和参考数字电信号经信号处理后得到探测点到故障点(11)之间的距离范围并显示到相应的显示器(10)上，所述混沌可见激光发射装置发射的混沌可见激光信号在待测光纤线路(4)的故障点(11)因透射而产生明显的可见亮斑，在探测点到故障点(11)的距离范围以内寻找可见亮斑即可实现故障点的准确定位。

所述的光纤故障定位装置，所述混沌可见光半导体激光器是一可见光半导体激光器加设一反馈装置，或是一可见光半导体激光器连接另一可见光半导体激光器构成。

所述的光纤故障定位装置，所述混沌He-Ne激光器是一He-Ne激光器加设一反馈装置，或是He-Ne激光器连接另一He-Ne激光器

所述的基于混沌可见激光的光纤故障定位装置的定位方法，所述混沌可见激光发射装置发射的混沌可见激光信号通过光纤耦合器(2)分为探测光和参考光；探测光经光环形器(3)发射到待测光纤线路(4)中，由于故障点(11)的反射，反射光经过光环形器(3)进入第一光电探测器(5)转换为电信号，电信号经过第一A/D转换器(7)转换为探测数字信号进入信号处理装置(9)；参考光经第二光电探测器(6)转换为电信号，再经第二A/D转换器(8)转换为参考数字信号进入信号处理装置(9)；进入信号处理装置(9)的探测数字信号和参考数字电信号经信号处理后得到探测点到故障点(11)之间的距离范围并显示到相应的显示器(10)上，所述混沌可见激光发射装置发射的混沌可见激光信号在待测光纤线路(4)的故障点(11)因透射而产生明显的可见亮斑，在探测点到故障点(11)的距离范围以内寻找可见亮斑即可实现故障点的准确定位。

本发明上述所提供的一种基于混沌可见激光的光纤故障定位装置及其定位方法，与现有的光纤故障点定位技术相比，具有如下优点：

(1)本发明装置结构简单。使用一个装置同时实现光纤故障点位置的测量和可视，省略了其它工具的辅助测量，简化了测量装置，节约了测试成本。

(2)本发明实现了光纤故障点的快速定位。在通过混沌相关法实现光纤故障点位置范围测量的基础上，利用光源的可见性在光纤故障点位置范围内快速定位故障点位置，避免了其它故障点定位仪器实现精准定位过程中引入的二次测量，实现了光纤故障点的快速定位。

(3)本发明光纤故障点定位的实现过程简单。通过一次测量即可得到检测点到故障点的光纤长度，并准确定位光纤故障点位置。

(4)本发明对光纤故障点的精确定位不对光纤造成损伤。通常的故障点定位方法需要在故障点附近损坏(如剪断、剥开包层)光纤进行二次测量，本发明直接利用混沌可见光源检测实现故障点的可视化，避免了损伤光纤。

附图说明

图1是本发明的基于混沌可见激光的光纤故障定位装置的结构示意图。

图2是本发明的可见光半导体激光器构成的混沌可见激光产生装置的结构示意图。

图3是本发明空间可见光半导体激光器或He-Ne激光器构成的混沌可见激光产生装置的结构示意图。

图4是本发明利用互相关计算得到的光纤故障点距离探测点的光纤长度和实际铺设光纤的故障点位置，其中，实线代表光纤的实际铺设状况虚线代表利用互相关法计算得到的光纤长度信息。

图中：1：混沌可见激光产生装置；2：光纤耦合器I；3：光环形器；4：待测光纤线路；5：光电探测器I；6：光电探测器II；7：A/D转换器I；8：A/D转换器II；9：信号处理装置；10：显示器；11：故障点；12：可见光半导体激光器；13：光纤耦合器II；14：反馈装置；15：空间可见光半导体激光器或He-Ne激光器；16：空间光准直***；17：镀有增透膜的光分束器；18：光反射镜。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施本发明一种基于混沌可见激光的光纤故障定位装置，如图1所示，本发明基于混沌可见激光的可视化高精度光纤故障定位装置主要包括混沌可见激光产生装置1、光纤耦合器2、光环形器3、光电探测器5、光电探测器6、A/D转换器7、A/D转换器8、信号处理装置9和显示器10。其中：

所述混沌可见激光产生装置1可由可见光半导体激光器12、光纤耦合器13和反馈装置14构成(如图2所示)，其中反馈装置14可以是数字反射计或端面镀反射膜的光纤或由光纤光栅与可调光衰减器构成。可见光半导体激光器12输出的一部分光经过外部反馈装置14反射回可见光半导体激光器12内，使可见光半导体激光器12输出混沌可见激光信号；如果反馈装置14为另一个可见光半导体激光器，通过外光注入可见光半导体激光器12也可产生混沌可见激光。

如图3所示，混沌可见激光产生装置1还可以由空间的可见光半导体激光器或者He-Ne激光器15构成：空间的可见光半导体激光器或者He-Ne激光器15的输出光经过空间光准直***16进行准直，通过镀有增透膜光分束器17的一部分光经过外部反射镜反射回去而使空间的可见光半导体激光器或者He-Ne激光器15产生混沌可见激光。

由混沌可见激光产生装置1发出的混沌可见激光，经过光纤耦合器2分为两路：探测光I和参考光II。探测光I经光环形器3注入到被测光纤线路4，由故障点11反射回来的光经过光环形器3进入光电探测器5，将光信号转化为电信号；参考信光II则直接进入光电探测器6，将光信号转化为电信号。两路电信号分别经A/D转换器7和A/D转换器8转换为数字信号，并输入信号处理装置9进行互相关计算，得到光从光纤探测点到故障点之间的传播时间，结合光在光纤中的传播速度计算出探测点到故障点之间的距离范围信息，并将距离范围信息通过显示器10输出。

实施例2

实施本发明一种用于实施例1的基于混沌可见激光的光纤故障定位装置的定位方法：混沌可见光信号经过光纤耦合器2分成探测信号I和参考信号II，参考信号和经光纤故障点11反射后的回波信号进入信号处理装置9做互相关处理，互相关处理实现光在光纤中传播时间测量的原理是：假设混沌可见激光产生装置产生的混沌激光符合非周期函数f(t)的特征，由光纤耦合器分为的混沌光I和混沌光II分别符合函数k*f(t)和(1-k)f(t)的特征，作为探测光的混沌光I经光纤故障点反射后的光满足函数关系式k*f(t-τ₀)的特征，当两信号经过各自的处理得到数字信号进入信号处理装置9后，进行互相关处理的数学表达式是： $F\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}k(1-k)f(t-\mathrm{\τ})f(t-{\mathrm{\τ}}_0)\mathrm{dt},$ 当τ＝τ₀时，函数存在峰值，得到光在待测光纤中的传播时间t，进而由公式L＝V*t/2计算出光在待测光纤中传播的距离，即故障点11距离检测点的光纤长度L，从而得到光纤故障点的最大距离范围，并通过显示器10输出。再利用混沌可见激光的可见特性，会在故障点11因透射而产生明显的可见亮斑，即为故障点的实际位置，故只需在光纤故障点的最大距离范围以内寻找可见亮斑即可实现故障点的准确定位。将混沌相关故障点检测技术和可见光光纤故障点检测技术融合在一起，先实现对光纤故障点位置范围的粗略测量，然后在测量的范围内完成光纤故障点位置的准确定位，以实现光纤故障点位置的快速准确定位。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于混沌可见激光的光纤故障定位装置，其特征在于，包括混沌可见激光发射装置、光纤耦合器、光环形器、光电探测器、A/D转换器、信号处理装置以及显示装置；所述混沌可见激光发射装置是可见光波段为390-760nm的混沌可见光半导体激光器或是混沌He-Ne激光器；所述混沌可见激光发射装置发射的混沌可见激光信号通过光纤耦合器(2)分为探测光和参考光；探测光经光环形器(3)发射到待测光纤线路(4)中，由于故障点(11)的反射，反射光经过光环形器(3)进入第一光电探测器(5)转换为电信号，电信号经过第一A/D转换器(7)转换为探测数字信号进入信号处理装置(9)；参考光经第二光电探测器(6)转换为电信号，再经第二A/D转换器II(8)转换为参考数字信号进入信号处理装置(9)；进入信号处理装置(9)的探测数字信号和参考数字电信号经信号处理后得到探测点到故障点(11)之间的距离范围并显示到相应的显示器(10)上，所述混沌可见激光发射装置发射的混沌可见激光信号在待测光纤线路(4)的故障点(11)因透射而产生明显的可见亮斑，在探测点到故障点(11)的距离范围以内寻找可见亮斑即可实现故障点的准确定位；所述混沌可见光半导体激光器是一可见光半导体激光器加设一反馈装置，或是一可见光半导体激光器连接另一可见光半导体激光器构成；

所述混沌He-Ne激光器是一He-Ne激光器加设一反馈装置，或是He-Ne激光器连接另一He-Ne激光器。

2.一种应用权利要求1所述的基于混沌可见激光的光纤故障定位装置的定位方法，其特征在于，所述混沌可见激光发射装置发射的混沌可见激光信号通过光纤耦合器(2)分为探测光和参考光；探测光经光环形器(3)发射到待测光纤线路(4)中，由于故障点(11)的反射，反射光经过光环形器(3)进入第一光电探测器(5)转换为电信号，电信号经过第一A/D转换器(7)转换为探测数字信号进入信号处理装置(9)；参考光经第二光电探测器(6)转换为电信号，再经第二A/D转换器(8)转换为参考数字信号进入信号处理装置(9)；进入信号处理装置(9)的探测数字信号和参考数字电信号经信号处理后得到探测点到故障点(11)之间的距离范围并显示到相应的显示器(10)上，所述混沌可见激光发射装置发射的混沌可见激光信号在待测光纤线路(4)的故障点(11)因透射而产生明显的可见亮斑，在探测点到故障点(11)的距离范围以内寻找可见亮斑即可实现故障点的准确定位。