CN110166135A - 一种长距离多芯光纤单向传输的故障监测***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长距离多芯光纤单向传输的故障监测***，包括：激光器、光耦合器、故障监测端和包含故障点的长距离多芯光纤；所述长距离多芯光纤包括N个纤芯，N≥2，所述激光器和光耦合器的输入端连接；在长距离多芯光纤的首端，所述光耦合器的第一输出端和长距离多芯光纤中的第一纤芯的一端连接；在长距离多芯光纤的尾端，第一纤芯的另一端和第二纤芯的另一端连接；在长距离多芯光纤的首端，第二纤芯的一端和故障监测端连接；所述光耦合器的第二输出端和故障监测端连接。在DSP处理中，根据探测光被两次相位调制的时间差可以得到光缆中故障的高精度多点振动定位。

Description

一种长距离多芯光纤单向传输的故障监测***和方法
技术领域
本发明涉及光纤故障监测技术领域，具体涉及一种长距离多芯光纤单向传输的故障监测***和方法。
背景技术
在包含长距离埋地光缆，海底光缆，悬空光缆的光纤通信传输网络中，常常出现异常情况，比如周边人为挖掘破坏、地震台风自然灾害或内部异常等突发事件。因此，在此类光纤通信传输网络中需要对光缆实时监控。然而到目前为止，尚缺乏故障预测机制或者缺乏与光通信网络兼容的多跨段长距离光纤链路主动监控的有效方案，很难实时监控长距离光缆的异常情况。且现有的光通信***为维持高可靠性，在网络硬件上需要采取非常保守的部署策略，并在通信链路上留有很大的性能边界，如使用大带宽的***而只占用小部分带宽资源，从而造成了很高的冗余度。现有存在的一些故障探测技术中多采用基于后向瑞丽散射的光时域反射仪(OTDR)技术和基于双臂马赫曾德干涉仪的传感技术，但由于它们都有各自的缺陷而不能很好地应用于商用的通信光缆中。
具体地，OTDR技术不足：该技术利用高功率光脉冲在光纤中产生的后向散射来检测光纤中的故障情况，最大的缺陷是高功率脉冲入射会在光纤中产生非线性效应，即后向散射的光谱波长会改变，导致***无法正常工作，而***监测距离与脉冲光功率成正比，因此OTDR技术应用于超百公里的光纤链路相当困难；另外OTDR技术中的高功率光脉冲很可能会损害通信网络拓扑中的昂贵设备器件。
双臂干涉仪技术不足：该技术利用干涉仪两臂不等长的传输信号在接收端进行拍频而得到光纤上的故障信号，但因为不等长的原因两路光纤不能处于同一光缆而无法产生同样的偏振效果，偏振对齐难题一直是双臂干涉技术的难点，该技术因为无法提供偏振状态参量的瞬时变化而存在不足。
现有的其他分布式光纤传感方案因为覆盖距离、信噪比等问题，均难以实现与光通信网络兼容的长距离光纤链路监测。
因此，行业内急需研发一种能够与光通信网络兼容的长距离光纤链路监测方法和***。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种长距离多芯光纤单向传输的故障监测***和方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种长距离多芯光纤单向传输的故障监测***，包括：激光器、光耦合器、故障监测端和包含故障点的长距离多芯光纤；所述长距离多芯光纤包括N个纤芯，N≥2，所述激光器和光耦合器的输入端连接；在长距离多芯光纤的首端，所述光耦合器的第一输出端和长距离多芯光纤中的第一纤芯的一端连接；在长距离多芯光纤的尾端，第一纤芯的另一端和第二纤芯的另一端连接；在长距离多芯光纤的首端，第二纤芯的一端和故障监测端连接；所述光耦合器的第二输出端和故障监测端连接。
优选地，还包括：用于对光信号进行放大的放大器；第二纤芯的一端通过放大器和故障监测端连接
优选地，还包括：光调制器；所述光耦合器的第一输出端通过光调制器和长距离多芯光纤中的第一纤芯的一端连接
优选地，所述故障监测端包括：依次连接的90°混频器、平衡探测器、振荡器和信号采集卡；其中平衡探测器的数量为4个，4个平衡探测器并排放置，90°混频器的输入端和第二纤芯的一端、光耦合器的第二输出端均连接；或者所述故障监测端包括：依次连接的3dB耦合器、平衡探测器、振荡器、90°混频器和信号采集卡，3dB耦合器的输入端和第二纤芯的一端、光耦合器的第二输出端均连接；或者所述故障监测端包括：依次连接的光电探测器、振荡器和信号采集卡，光电探测器的输入端和第二纤芯的一端、光耦合器的第二输出端均连接。
一种长距离多芯光纤单向传输的故障监测方法，包括：
S1，激光器产生连续激光通过光耦合器分路，一路作为探测光进入长距离多芯光纤的第一纤芯，另一路作为本振光输入到故障监测端；
S2，探测光在第一纤芯中传输，经过长距离多芯光纤上的故障点时，探测光的相位第一次被调制；
S3，探测光回传到长距离多芯光纤中的第二纤芯中传输，探测光再经过长距离多芯光纤上的故障点时，探测光的相位第二次被调制，相位被第二次调制后的探测光进入故障监测端；
S4，故障监测端对本振光和相位被第二次调制后的探测光进行处理，得出故障点的位置。
优选地，所述一路作为探测光进入长距离多芯光纤的第一纤芯包括：将探测光的频率调制到预设频率，经频率调制后的探测光输入到长距离多芯光纤的第一纤芯。
优选地，所述相位被第二次调制后的探测光进入故障监测端包括：将相位被第二次调制后的探测光进行放大，经放大后的探测光输入到故障监测端。
优选地，步骤S4包括：探测光和本振光通过90°混频器混频后由四路平衡探测器转为电信号，电信号通过振荡器后由信号采集卡采集并数据处理；或者步骤S4包括：探测光和本振光通过3dB耦合器拍频后由平衡探测器转为电信号，电信号再依次通过振荡器、90°混频器后由信号采集卡采集并在数字域进行相位处理；或者步骤S4包括：探测光通过光电探测器转为电信号，电信号通过振荡器后由信号采集卡采集并数据处理。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
本方案的长距离多芯光纤单向传输的故障监测***通过光耦合器输出的探测光进入长距离多芯光纤的第一纤芯，另一路作为本振光输入到故障监测端；探测光在第一纤芯中传输，经过长距离多芯光纤上的故障点时，探测光的相位第一次被调制；探测光回传到长距离多芯光纤中的第二纤芯中传输，探测光再经过长距离多芯光纤上的故障点时，探测光的相位第二次被调制，相位被第二次调制后的探测光进入故障监测端；故障监测端对本振光和相位被第二次调制后的探测光进行处理，得出故障点的位置。故障监测端可以根据信号的调制方式进行灵活改变，有零差相干接收，外差相干接收，强度接收等方式。在DSP处理中，根据探测光被两次相位调制的时间差可以得到光缆中故障的高精度多点振动定位，并且根据该接收到的信号能够恢复出包括幅度、相位和偏振的多参量瞬时变化。该长距离双路光纤双向传输的故障监测***可以应用于长距离的光通信***光纤链路的主动监测，实现包括从海底光缆到陆地长途、城域、接入等几乎所有光纤链路基础设施的故障监控。
附图说明
图1是一实施例的长距离多芯光纤单向传输的故障监测***的结构示意图。
图2(a)是一实施例的光耦合器的第一输出端输出的信号频谱。
图2(b)是一实施例的光调制器的输出端输出的信号频谱。
图2(c)是一实施例的光耦合器的第二输出端输出的信号频谱。
图2(d)是一实施例的第二纤芯的一端输出的信号频谱。
图3是一实施例的故障监测端的结构示意图。
图4是另一实施例的故障监测端的结构示意图。
图5是又一实施例的故障监测端的结构示意图。
图6是一实施例的长距离双路光纤双向传输的故障监测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，一种长距离多芯光纤单向传输的故障监测***，包括：激光器、光耦合器、故障监测端和包含故障点的长距离多芯光纤；所述长距离多芯光纤包括N个纤芯，N≥2，所述激光器和光耦合器的输入端连接；在长距离多芯光纤的首端，所述光耦合器的第一输出端和长距离多芯光纤中的第一纤芯(1)的一端连接；在长距离多芯光纤的尾端，第一纤芯的另一端和第二纤芯(2)的另一端连接；在长距离多芯光纤的首端，第二纤芯的一端和故障监测端连接；所述光耦合器的第二输出端和故障监测端连接。
在本实施例，还包括：用于对光信号进行放大的放大器；第二纤芯的一端通过放大器和故障监测端连接。在传输端使用了1khz或更窄的窄线宽激光器。
在本实施例，还包括：光调制器；所述光耦合器的第一输出端通过光调制器和长距离多芯光纤中的第一纤芯的一端连接。光调制器可以将激光器发出的光调制成100MHz正弦光波。更具体地，光调制器为马赫曾德调制器。
其中，光耦合器的第一输出端输出的信号频谱如图2(a)所示。光调制器的输出端输出的信号频谱如图2(b)所示。光耦合器的第二输出端输出的信号频谱如图2(c)所示。第二纤芯的一端输出的信号频谱如图2(d)所示。
在本实施例，参见图3，所述故障监测端包括：依次连接的90°混频器(2*890°Hybrid)、平衡探测器(BPD)、振荡器(OSC)和信号采集卡(DSP)；其中平衡探测器的数量为4个，4个平衡探测器并排放置，90°混频器的输入端和第二纤芯的一端、光耦合器的第二输出端均连接；
参见图6，上述长距离多芯光纤单向传输的故障监测方法，包括：
S1，激光器产生连续激光通过光耦合器分路，一路作为探测光进入长距离多芯光纤的第一纤芯，另一路作为本振光(Lo)输入到故障监测端；具体地，所述一路作为探测光进入长距离多芯光纤的第一纤芯包括：将探测光的频率调制到预设频率，经频率调制后的探测光输入到长距离多芯光纤的第一纤芯。输入到长距离多芯光纤的第一纤芯后，利用中继器每80公里则进行一次光信号放大。
S2，探测光在第一纤芯中传输，经过长距离多芯光纤上的故障点时，探测光的相位第一次被调制；探测光在第一纤芯中传输过程会经过光纤扰动点或故障点，探测光相位则会产生相应的改变。
S3，探测光回传到长距离多芯光纤中的第二纤芯中传输，探测光再经过长距离多芯光纤上的故障点时，探测光的相位第二次被调制，相位被第二次调制后的探测光(Sig)进入故障监测端；具体地，所述相位被第二次调制后的探测光进入故障监测端包括：将相位被第二次调制后的探测光进行放大，经放大后的探测光输入到故障监测端。在DSP处理中，根据探测光被两次相位调制的时间差可以得到光缆中故障的高精度多点振动定位。
S4，故障监测端对本振光和相位被第二次调制后的探测光进行处理，得出故障点的位置。具体地，步骤S4包括：探测光和本振光通过90°混频器混频后由四路平衡探测器转为电信号，电信号通过振荡器后由信号采集卡采集并数据处理；此方法为零差相干接收法。在处理中，根据探测光被两次相位调制的时间差得到光缆中故障的高精度多点振动定位，并且该电信号能够恢复出包括幅度、相位和偏振的多参量瞬时变化。信号接收端采用带宽超过200MHz的相干接收机。
上述长距离多芯光纤单向传输的故障监测方法对故障点的定位机理如下：首先，由于在不同频率振动下将产生相应频率的相位变化，基于此，通过观察前传纤芯(第一纤芯)和回传纤芯(第二纤芯)信号相位变化的时频特性，得到在不同频率振动时相应振动点的位置；其次，通过观察探测信号叠加得到的时域/空域二维图像，不同的振动点在振动位置上会形成一个不连续奇异点，因而通过这些点的位置来标定振动位置。
作为另一实施例，参见图4，所述故障监测端包括：依次连接的3dB耦合器(3-dBcoupler)、平衡探测器(BPD)、振荡器(OSC)、90°混频器(Digital 90°Hybrid)和信号采集卡(DSP)，3dB耦合器的输入端和第二纤芯的一端、光耦合器的第二输出端均连接；步骤S4包括：探测光和本振光通过3dB耦合器拍频后由平衡探测器转为电信号，电信号再依次通过振荡器、90°混频器后由信号采集卡采集并在数字域进行相位处理；此种方法为外差相干接收法。
作为又一实施例，参见图5，所述故障监测端包括：依次连接的光电探测器(PD)、振荡器(OSC)和信号采集卡(DSP)，光电探测器的输入端和第二纤芯的一端、光耦合器的第二输出端均连接。步骤S4包括：探测光通过光电探测器转为电信号，电信号通过振荡器后由信号采集卡采集并数据处理。此种方法为强度接收法。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种长距离多芯光纤单向传输的故障监测***，其特征在于，包括：激光器、光耦合器、故障监测端和包含故障点的长距离多芯光纤；所述长距离多芯光纤包括N个纤芯，N≥2，所述激光器和光耦合器的输入端连接；
在长距离多芯光纤的首端，所述光耦合器的第一输出端和长距离多芯光纤中的第一纤芯的一端连接；
在长距离多芯光纤的尾端，第一纤芯的另一端和第二纤芯的另一端连接；
在长距离多芯光纤的首端，第二纤芯的一端和故障监测端连接；
所述光耦合器的第二输出端和故障监测端连接。
2.根据权利要求1所述的长距离多芯光纤单向传输的故障监测***，其特征在于，还包括：用于对光信号进行放大的放大器；第二纤芯的一端通过放大器和故障监测端连接。
3.根据权利要求1所述的长距离多芯光纤单向传输的故障监测***，其特征在于，还包括：光调制器；所述光耦合器的第一输出端通过光调制器和长距离多芯光纤中的第一纤芯的一端连接。
4.根据权利要求1所述的长距离多芯光纤单向传输的故障监测***，其特征在于，所述故障监测端包括：依次连接的90°混频器、平衡探测器、振荡器和信号采集卡；其中平衡探测器的数量为4个，4个平衡探测器并排放置，90°混频器的输入端和第二纤芯的一端、光耦合器的第二输出端均连接；或者
所述故障监测端包括：依次连接的3dB耦合器、平衡探测器、振荡器、90°混频器和信号采集卡，3dB耦合器的输入端和第二纤芯的一端、光耦合器的第二输出端均连接；或者
所述故障监测端包括：依次连接的光电探测器、振荡器和信号采集卡，光电探测器的输入端和第二纤芯的一端、光耦合器的第二输出端均连接。
5.根据权利要求1-4任意一项的长距离多芯光纤单向传输的故障监测方法，其特征在于，包括：
S1，激光器产生连续激光通过光耦合器分路，一路作为探测光进入长距离多芯光纤的第一纤芯，另一路作为本振光输入到故障监测端；
S2，探测光在第一纤芯中传输，经过长距离多芯光纤上的故障点时，探测光的相位第一次被调制；
S3，探测光回传到长距离多芯光纤中的第二纤芯中传输，探测光再经过长距离多芯光纤上的故障点时，探测光的相位第二次被调制，相位被第二次调制后的探测光进入故障监测端；
S4，故障监测端对本振光和相位被第二次调制后的探测光进行处理，得出故障点的位置。
6.根据权利要求5所述的长距离多芯光纤单向传输的故障监测方法，其特征在于，所述一路作为探测光进入长距离多芯光纤的第一纤芯包括：
将探测光的频率调制到预设频率，经频率调制后的探测光输入到长距离多芯光纤的第一纤芯。
7.根据权利要求5所述的长距离多芯光纤单向传输的故障监测方法，其特征在于，所述相位被第二次调制后的探测光进入故障监测端包括：将相位被第二次调制后的探测光进行放大，经放大后的探测光输入到故障监测端。
8.根据权利要求5所述的长距离多芯光纤单向传输的故障监测方法，其特征在于，步骤S4包括：探测光和本振光通过90°混频器混频后由四路平衡探测器转为电信号，电信号通过振荡器后由信号采集卡采集并数据处理；或者
步骤S4包括：探测光和本振光通过3dB耦合器拍频后由平衡探测器转为电信号，电信号再依次通过振荡器、90°混频器后由信号采集卡采集并在数字域进行相位处理；或者
步骤S4包括：探测光通过光电探测器转为电信号，电信号通过振荡器后由信号采集卡采集并数据处理。
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CN114935306A (zh) * 2022-04-22 2022-08-23 北京理工大学 一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置
CN114935306B (zh) * 2022-04-22 2023-04-07 北京理工大学 一种基于多芯光纤芯间锁相的高稳定干涉装置

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