CN203645676U - 光纤环长度测量及扰动点定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤环长度测量及扰动点定位装置，属于光纤环长度测量及扰动点定位领域，为解决现有装置功能少、效果差等问题而设计。本实用新型光纤环长度测量及扰动点定位装置至少包括两个光源发生器、九个光纤耦合器、两个光纤环、相位调制器、以及四个法拉第旋转镜。本实用新型光纤环长度测量及扰动点定位装置适用于长距离石油管道的破坏定位，通讯干线恶意破坏的快速定位，乃至于桥梁、铁路、隧道沿线的长距离安全预警。

Description

光纤环长度测量及扰动点定位装置

技术领域

本实用新型涉及一种光纤环长度测量及扰动点定位装置。 

背景技术

光纤是现代通讯领域重要的设施，借助光纤将信号快速、超远距离地进行传送。为了保证通讯的稳定性和通讯效果，需要测量光纤环长度或对光纤线路上的扰动进行准确定位。 

目前缺乏同时完成光纤环长度测量和对光纤线路上的扰动进行准确定位的***，而且绝大多数关于长距离定位***的研究还停留在点式传感再集合的方式上。关于分布式光纤传感技术绝大多数停留在经典的干涉理论研究上，以及少量的多芯光纤干涉技术研究上。目前能够实际使用的技术包括多芯技术和单芯技术。 

多芯技术（目前使用的是3芯技术）的初衷是想解决管道***的扰动破坏定位问题，该***受温度和偏振态的影响比较大；3芯排列要求很高，导致***很难在工程中运用。单芯技术的***比较简练，在某种特定的情况下有很好的运用，但存在特定信号的丢失或检测不出来、无法测量光纤距离等缺陷；同时过于依靠对信号频谱特殊值的获取，造成***的误差较大。 

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提出一种同时具有测距离和准确定位功能的光纤环长度测量及扰动点定位装置。 

本实用新型的再一个目的是提出一种精度高的光纤环长度测量及扰动点定位装置。 

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案： 

一种光纤环长度测量及扰动点定位装置，所述装置至少包括两个光源发生器、九个光纤耦合器、两个光纤环、相位调制器、以及四个法拉第旋转镜；其中，第一光源发生器连接至第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器分别与第三光纤耦合器和第四光纤耦合器相耦合；所述第三光纤耦合器与所述第四光纤耦合器相耦合；第二光源发生器连接至第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器分别与第五光纤耦合器和第六光纤耦合器相耦合；所述第五光纤耦合器与所述第六光纤耦合器相耦合；所述第三光纤耦合器和所述第五光纤耦合器分别与第七光纤耦合器相耦合；所述第七光纤耦合器连接第一光纤环后连接第一法拉第旋转镜，所述第七光纤耦合器连接第二光纤环后连接第二法拉第旋转镜；所述第四光纤耦合器和所述第六光纤耦合器分别与第八光纤耦合器相耦合；所述第八光纤耦合器连接至相位调制器，所述相位调制器连接第九光纤耦合器，所述第九光纤耦合器分别连接至第三法拉第旋转镜和第四法拉第旋转镜。 

特别是，所述第四法拉第旋转镜通过第三光纤环连接至所述第九光纤耦合器。 

特别是，所述相位调制器为压电陶瓷。 

特别是，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器均为3×3光纤耦合器；其余七个光纤耦合器均为2×2光纤耦合器。 

特别是，所述第一光源发生器为1310nm波长SLED光源，所述第二光源发生器为1550nm波长SLED光源；所述第一法拉第旋转镜和所述第三法拉第旋转镜为1310nm法拉第旋转镜，所述第二法拉第旋转镜和所述第四法拉第旋转镜为 1550nm法拉第旋转镜。 

特别是，所述装置内所有元器件通过光纤线熔接，熔接时的损耗小于等于0.03dB。 

本实用新型光纤环长度测量及扰动点定位装置具有测距离和准确定位的功能，采用相位信号检测方法解决了对轻微扰动信号不敏感的问题。采用两路干涉信号联合求解的方式、通过两路信号消除***影响（共同项），使得结果更准确、稳定。 

附图说明

图1是本实用新型优选实施例一装置结构示意图； 

图2是本实用新型优选实施例二装置结构示意图。 

图中标记为： 

1、第一光纤耦合器；2、第二光纤耦合器；3、第三光纤耦合器；4、第四光纤耦合器；5、第五光纤耦合器；6、第六光纤耦合器；7、第七光纤耦合器；8、第八光纤耦合器；9、第九光纤耦合器；21、第一光纤环；22、第二光纤环；23、第三光纤环；31、第一法拉第旋转镜；32、第二法拉第旋转镜；33、第三法拉第旋转镜；34第四法拉第旋转镜；41、相位调制器；51、第一光源发生器；52、第二光源发生器；61、扰动点。 

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。 

优选实施例一： 

如图1所示，本优选实施例提供一种光纤环长度测量装置。图中，第一光 源发生器51为1310nm波长的SLED光源；第二光源发生器52为1550nm波长的SLED光源。第一光纤耦合器1和第二光纤耦合器2为3×3光纤耦合器。第三光纤耦合器3、第四光纤耦合器4、第五光纤耦合器5、第六光纤耦合器6、第七光纤耦合器7、第八光纤耦合器8和第九光纤耦合器9均为2×2光纤耦合器。第一光纤环21为已知参考光纤环，长度为10KM；第二光纤环22为任意未知待测光纤环。第一法拉第旋转镜31和第三法拉第旋转镜33为1310nm的法拉第旋转镜；第二法拉第旋转镜32和第四法拉第旋转镜34为1550nm的法拉第旋转镜。上述所有部件用光纤线直接熔接相连，熔接时的损耗控制在0.03dB以内。 

测量方法：在第一光纤耦合器1中注入1310nm光源，在第一光纤耦合器1中形成显著干涉的两路光所经途径应分别为： 

1、第一光纤耦合器1-第三光纤耦合器3-第七光纤耦合器7-第一光纤环21-第一法拉第旋转镜31-第一光纤环21-第七光纤耦合器7-第五光纤耦合器5-第六光纤耦合器6-第八光纤耦合器8-压电陶瓷-第九光纤耦合器9-第三法拉第旋转镜33-第九光纤耦合器9-压电陶瓷-第八光纤耦合器8-第四光纤耦合器4-第一光纤耦合器1； 

2、第一光纤耦合器1-第四光纤耦合器4-第八光纤耦合器8-压电陶瓷-第九光纤耦合器9-第三法拉第旋转镜3-第九光纤耦合器9-压电陶瓷-第八光纤耦合器8-第六光纤耦合器6-第五光纤耦合器5-第七光纤耦合器7-第一光纤环21-第一法拉第旋转镜31-第一光纤环21-第七光纤耦合器7-第三光纤耦合器3-第一光纤耦合器1。 

这样两束光路在第一光纤耦合器1中形成了第一干涉环。 

同理，在第二光纤耦合器2中注入1550nm光源,最终能在第二光纤耦合器2中形成显著干涉的两路光所经途径应为： 

1、第二光纤耦合器2-第六光纤耦合器6-第八光纤耦合器8-压电陶瓷-第九光纤耦合器9-第四法拉第旋转镜34-第九光纤耦合器9-压电陶瓷-第八光纤耦合器8-第四光纤耦合器4-第三光纤耦合器3-第七光纤耦合器7-第二光纤环22-第二法拉第旋转镜32-第二光纤环22-第七光纤耦合器7-第五光纤耦合器5-第二光纤耦合器2； 

2、第二光纤耦合器2-第五光纤耦合器5-第七光纤耦合器7-第二光纤环22-第二法拉第旋转镜32-第二光纤环22-第七光纤耦合器7-第三光纤耦合器3-第四光纤耦合器4-第八光纤耦合器8-压电陶瓷-第九光纤耦合器9-第四法拉第旋转镜34-第九光纤耦合器9-压电陶瓷-第八光纤耦合器8-第六光纤耦合器6-第二光纤耦合器2。 

这样两束光路在第二光纤耦合器2中形成了第二干涉环。 

针对第一干涉环路，得到的是两路干涉输出信号 

其中，Δφ_sA为相位调制器压电陶瓷产生的第一相位变化，为光路固有的相位差。 

压电陶瓷这里作为干涉光路的外相位调制器41，其调制信号数学表达式可设为一正弦函数：φ_s(t)＝φ_smsin(ω_st)，其中，ω_s为调制信号频率；φ_sm为调制相位幅值，它只与压电陶瓷的调制信号幅度和光纤材料性质有关，而与干涉***无关。 

由于光纤延迟线即参照光纤线圈环(Fiber ring A)的存在，使得干涉的两束光到达相位调制器的时间不同，时差为：τ_A＝2nL_A/C，其中，n为光纤芯折射率，L_A为已知的作为参照光纤线圈环的第一光纤环21的长度，c为真空中的光速。 

由于τ_A→0，所以有：将φ_s(t)＝φ_smsin(ω_st)带入上式得到Δφ_sA(t)＝τ_Aφ_smAω_scos(ω_st)。同理得到Δφ_sB(t)＝τ_Bφ_smBω_scos(ω_st)，其中，τ_B＝2nL_B/c,L_B为待测的第二光纤环22的长度。 

由于是同一个相位调制器同时刻进行相位调制，所以相位调制器的相位幅值φ_smA＝φ_smB。将

与上述的信号进行相位解调，可以求出干涉信号中的最大相位幅值Δφ_sA，同理也可求出Δφ_sB。在已知Δφ_sA、Δφ_sB、以及L_A后，根据 $\frac{{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{sA}}\left(t\right)}{{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{sB}}\left(t\right)}=\frac{{\mathrm{\τ}}_A{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{smA}}{\mathrm{\ω}}_s\cos \left({\mathrm{\ω}}_{s}t\right)}{{\mathrm{\τ}}_B{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{smB}}{\mathrm{\ω}}_s\cos \left({\mathrm{\ω}}_{s}t\right)}=\frac{{\mathrm{\τ}}_A}{{\mathrm{\τ}}_B}=\frac{L_A}{L_B}$ 可以求出待测第二光纤环22的长度 

$L_B=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sB}}\left(t\right)}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sA}}\left(t\right)}{L}_A.$

优选实施例二： 

如图2所示，本优选实施例提供一种扰动点定位装置。本优选实施例所用装置与优选实施例一基本相同，区别之处为：第一光纤环21为已知延时线圈，长度为15-18KM；第二光纤环22为已知延时线圈，长度10-15KM；第三光纤环23为参考延时环，长度设置为8KM。 

扰动点定位方法原理说明：光从扰动点61到第三法拉第旋转镜33,再返回扰动点61所需时间T为：

其中，L为扰动点61到第三法拉第旋转镜33的距离；n_eff为光缆的有效折射率。可将扰动点61的扰动分解为多个正弦频率的扰动的叠加，即；

先考虑单一频率w_S，参考式为φ_s(t)＝φ_smsin(ω_st)。根据干涉光被压电陶瓷调制 后，Δφ_sA可表示为 

其中，

为对应频率w_S的相位差幅值，τ_A为干涉光路中的延时时间。 

当

时频域谱上与频率w_S对应的光强度其交流量始终为零，在频域谱上表现为对应的该特征扰动频率w_S对应的光强明显小于周边频率对应的光强。 

当

时

（其中k为自然数）；将式代入上式，记特征频率为f_null(k)，则得到一系列的特征频率：

其中，K=1、2、3……。由上式可见，扰动点D的位置（用L表示）与特征频率f_null(k)密切对应，其大小为其中，K=1、2、3……。 

因此，对光强度信号做离散化的数据采集得到的信号的时域谱，进而做傅立叶变换得到频域谱，即可找出缺损频率f_null(k)，从而依据式

计算出L值，判定扰动点的位置。 

另，联立

第一光纤环21中一般情况下在

的频谱上对应每一个频率ω相应的幅值为

同理第二光纤环22中

其中，T～为第四法拉 第旋转镜34前预留的已知第三光纤环23所引起的延时，τ_A、τ_B已知,联立F(w)和F～(w)可求出T，即可以确定L值，判定扰动点61的位置。 

Claims (6)

1.一种光纤环长度测量及扰动点定位装置，其特征在于，所述装置至少包括两个光源发生器、九个光纤耦合器、两个光纤环、相位调制器、以及四个法拉第旋转镜；其中， 

第一光源发生器（51）连接至第一光纤耦合器（1），所述第一光纤耦合器（1）分别与第三光纤耦合器（3）和第四光纤耦合器（4）相耦合；所述第三光纤耦合器（3）与所述第四光纤耦合器（4）相耦合； 

第二光源发生器（52）连接至第二光纤耦合器（2），所述第二光纤耦合器（2）分别与第五光纤耦合器（5）和第六光纤耦合器（6）相耦合；所述第五光纤耦合器（5）与所述第六光纤耦合器（6）相耦合； 

所述第三光纤耦合器（3）和所述第五光纤耦合器（5）分别与第七光纤耦合器（7）相耦合；所述第七光纤耦合器(7)连接第一光纤环(21)后连接第一法拉第旋转镜(31)，所述第七光纤耦合器(7)连接第二光纤环(22)后连接第二法拉第旋转镜(32)； 

所述第四光纤耦合器(4)和所述第六光纤耦合器(6)分别与第八光纤耦合器(8)相耦合；所述第八光纤耦合器(8)连接至相位调制器(41)，所述相位调制器(41)连接第九光纤耦合器(9)，所述第九光纤耦合器(9)分别连接至第三法拉第旋转镜(33)和第四法拉第旋转镜(34)。 

2.根据权利要求1所述的光纤环长度测量及扰动点定位装置，其特征在于，所述第四法拉第旋转镜(34)通过第三光纤环(23)连接至所述第九光纤耦合器(9)。 

3.根据权利要求1或2所述的光纤环长度测量及扰动点定位装置，其特征在于，所述相位调制器(41)为压电陶瓷。 

4.根据权利要求1或2所述的光纤环长度测量及扰动点定位装置，其特征 在于，所述第一光纤耦合器(1)和所述第二光纤耦合器(2)均为3×3光纤耦合器；其余七个光纤耦合器均为2×2光纤耦合器。 

5.根据权利要求1或2所述的光纤环长度测量及扰动点定位装置，其特征在于，所述第一光源发生器(51)为1310nm波长SLED光源，所述第二光源发生器（52）为1550nm波长SLED光源；所述第一法拉第旋转镜（31）和所述第三法拉第旋转镜（33）为1310nm法拉第旋转镜，所述第二法拉第旋转镜（32）和所述第四法拉第旋转镜（34）为1550nm法拉第旋转镜。 

6.根据权利要求1或2所述的光纤环长度测量及扰动点定位装置，其特征在于，所述装置内所有元器件通过光纤线熔接，熔接时的损耗小于等于0.03dB。 

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