CN101319878B - 一种高精度大范围测量光纤长度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度大范围测量光纤长度的方法和设备。声光调制器接入萨尼亚克环中，声光调制器在萨尼亚克环中是不对称放置的；待测长度光纤的一端通过一个三端口3-dB光纤耦合器与萨尼亚克环连接，另一端为自由端，可以发生端面反射；声光调制器由频率可变的射频信号驱动；射频信号频率改变时，萨尼亚克环的透射率改变，透射率的变化与待测段光纤的长度有关；由光电二极管检测透射率变化，光电二极管的输出端与数据采集卡连接，采集卡采集到的数据传到计算机。通过快速傅立叶变换以及相关运算得到待测段光纤的长度。本发明克服了不能同时满足高精度大范围测量的要求，并且相对成本较低。由于待测光纤连入萨尼亚克环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。

Description

一种高精度大范围测量光纤长度的方法和设备

技术领域

本发明属于光纤光学技术领域，涉及光纤长度测量技术，特别是适用  于光纤通信、光纤传感等需要快速的高精度大范围测量光纤长度的应用领域，具体涉及了一种利用声光调制器改变光波频率引起干涉仪结构不对称的效应来检测光纤长度的方法以及实现该方法的设备。

背景技术

在光纤光学领域，特别是光纤通讯方面，发展快速的高精度大范围测量光纤长度的方法和低成本设备具有十分重大的意义。

传统的光纤长度测量仪器都是基于光纤反射计的，包括光学时域反射计(OTDR)、光学频域反射计(OFDR)、光学相干反射计(OCDR)，这些方法或者需要极短的脉冲激光光源和极高速的光电探头，成本较高；或者不能同时达到高精度和大测量范围的要求，较难实用。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，利用声光调制器光频变换技术和萨尼亚克(Sagnac)结构，提出了一种新型光纤长度快速测量方法，使用低成本的连续半导体激光器和低速光电二极管，达到高精度和大范围的测量要求，同时提供了实现该方法的设备。

本发明的方法包括以下步骤：

1、中心波长在通讯波段的连续半导体激光器发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入萨尼亚克(Sagnac)环中。

2、激光进入Sagnac环后分为两路，其中一路进入长度已知的测量段单模光纤，再通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到待测段单模光纤；入射光在待测段单模光纤的自由端发生端面反射，反射光通过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，然后通过声光调制器产生变频，所述的声光调制器由频率受调制的正弦信号发生器驱动；变频后的激光经过长度已知的连接段单模光纤，最后回到四端口3-dB光纤耦合器；回到四端口3-dB光纤耦合器的激光的相位增加量Δφ₁为

${\mathrm{\Δ\φ}}_1=2\mathrm{\πn}[\frac{L_1+L}{C}v+\frac{L_2}{C}(v+\mathrm{\Δv})]---\left(1\right)$

其中v为半导体激光器的中心频率，n为单模光纤在光频为v时的折射率，C为光速，Δv为声光调制器的驱动频率，L为待测段单模光纤的长度，L₁为测量段单模光纤的长度，L₂为连接段单模光纤的长度。

另一路激光首先经过长度已知的连接段单模光纤，然后通过声光调制器产生变频，变频后的激光进入长度已知的测量段单模光纤；激光通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到待测段单模光纤；入射光在待测段单模光纤的自由端发生端面反射，反射光通过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，再回到四端口3-dB光纤耦合器；回到四端口3-dB光纤耦合器时的激光的相位增加量Δφ₂为：

${\mathrm{\Δ\φ}}_2=2\mathrm{\πn}[\frac{L_2}{C}v+\frac{L_1+L}{C}(v+\mathrm{\Δv})]+\mathrm{\π}---\left(2\right)$

3、回到四端口3-dB光纤耦合器的两路激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射的激光的相位Δφ_T为

${\mathrm{\Δ\φ}}_T=2\mathrm{\πn}\frac{L_1+L-L_2}{C}\mathrm{\Δv}+\mathrm{\π}---\left(3\right)$

声光调制器的驱动频率Δv按照ωt作线性变化，通过线性扫描，透射的激光光强按cos(ft)变化

$ft=2\mathrm{\πn}\frac{L_1+L-L_2}{C}\mathrm{\ωt}---\left(4\right)$

其中f为光强变化的频率。

4、干涉后的激光由四端口3-dB光纤耦合器输出，通过光电二极管探测激光的强度，同时光强信号转化为电信号，由数据采集卡进行采集，并进行快速傅立叶变换(FFT)，得到光强变化的频率f，通过光强变化的频率f得到待测单模光纤长度L。

$L=\frac{\mathrm{fC}}{2\mathrm{\πn\ω}}-L_1+L_2---\left(5\right)$

实现上述方法的设备为：半导体激光器通过光纤隔离器与四端口3-dB光纤耦合器的输入端口光连接，四端口3-dB光纤耦合器的输出端口与光电二极管的输入端光连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与快速傅立叶变换分析仪电连接。四端口3-dB光纤耦合器的另外两个端口通过单模光纤连接，单模光纤通过声光调制器分为两段，分别为测量段单模光纤和连接段单模光纤，长度分别为L₁和L₂，L₁＞＞L₂。声光调制器的电驱动信号口与正弦信号发生器电连接。测量段单模光纤中插入三端口3-dB光纤耦合器，三端口3-dB光纤耦合器的输入端的两端口分别与测量段单模光纤连接，另一个端口与待测单模光纤光连接。

本发明中，声光调制器利用多普勒效应，可以在一定范围内精确改变经过调制器的光波的频率，是业内常用的一种光频变换器件。同时，Sagnac环对外界温度变化、机械振动等干扰不敏感。本发明适用于光纤长度快速测量，与传统的光纤长度测量方案相比，克服了不能同时满足高精度大范围测量的要求；并且由于不需要窄带宽的单模激光光源和高速光电二极管，因此相对成本较低。由于待测光纤连入Sagnac环中，设备抗外界温度波动以及机械扰动性能强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，半导体激光器1通过光纤隔离器2与四端口3-dB光纤耦合器3的输入端口光连接，四端口3-dB光纤耦合器3的输出端口与光电二极管4的输入端光连接，光电二极管4的输出端与数据采集卡5的输入端电连接，数据采集卡5的输出端与FFT分析仪6电连接。四端口3-dB光纤耦合器3的另外两个端口通过单模光纤连接，单模光纤由声光调制器8分为两段，分别为测量段单模光纤11和连接段单模光纤7，长度分别为L₁和L₂，L₁＞＞L₂。声光调制器8的电驱动信号口与正弦信号发生器9电连接。测量段单模光纤11中插入三端口3-dB光纤耦合器10，三端口3-dB光纤耦合器10的输入端的两端口分别与测量段单模光纤11连接，另一个端口与待测段单模光纤12连接。

具体的检测方法包括以下步骤：

中心波长在通讯波段的连续半导体激光器发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入萨尼亚克(Sagnac)环中。

激光进入萨尼亚克(Sagnac)后分为两路，其中一路进入长度已知的测量段单模光纤，再通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到待测段单模光纤；入射光在待测段单模光纤的自由端发生端面反射，反射光通过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，然后通过声光调制器产生变频，所述的声光调制器由频率受调制的正弦信号发生器驱动；变频后的激光经过长度已知的连接段单模光纤，最后回到四端口3-dB光纤耦合器；回到四端口3-dB光纤耦合器的激光的相位增加量Δφ₁为

${\mathrm{\Δ\φ}}_1=2\mathrm{\πn}[\frac{L_1+L}{C}v+\frac{L_2}{C}(v+\mathrm{\Δv})]---\left(1\right)$

其中v为半导体激光器的中心频率，n为单模光纤在光频为v时的折射率，C为光速，Δv为声光调制器的驱动频率，L为待测段单模光纤的长度，L₁为测量段单模光纤的长度，L₂为连接段单模光纤的长度。

另一路激光首先经过长度已知的连接段单模光纤，然后通过声光调制器产生变频，变频后的激光进入长度已知的测量段单模光纤；激光通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到待测段单模光纤；入射光在待测段单模光纤的自由端发生端面反射，反射光通过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，再回到四端口3-dB光纤耦合器；回到四端口3-dB光纤耦合器时的激光的相位增加量Δφ₂为：

${\mathrm{\Δ\φ}}_2=2\mathrm{\πn}[\frac{L_2}{C}v+\frac{L_1+L}{C}(v+\mathrm{\Δv})]+\mathrm{\π}---\left(2\right)$

回到四端口3-dB光纤耦合器的两路激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射的激光的相位Δφ_T为

${\mathrm{\Δ\φ}}_T=2\mathrm{\πn}\frac{L_1+L-L_2}{C}\mathrm{\Δv}+\mathrm{\π}---\left(3\right)$

声光调制器的驱动频率Δv按照ωt作线性变化，通过线性扫描，透射的激光光强按cos(ft)变化

$ft=2\mathrm{\πn}\frac{L_1+L-L_2}{C}\mathrm{\ωt}---\left(4\right)$

其中f为光强变化的频率。

干涉后的激光由四端口3-dB光纤耦合器输出，通过光电二极管探测激光的强度，同时光强信号转化为电信号，由数据采集卡进行采集，并进行快速傅立叶变换(FFT)，得到光强变化的频率f，通过光强变化的频率f得到待测单模光纤长度L。

$L=\frac{\mathrm{fC}}{2\mathrm{\πn\ω}}-L_1+L_2---\left(5\right)$

Claims (2)

1.一种高精度大范围测量光纤长度的方法，其特征在于该方法的具体步骤是：

a.中心波长在通讯波段的连续半导体激光器发出的激光通过光纤隔离器和四端口3-dB光纤耦合器后，进入萨尼亚克环中；

b.激光进入萨尼亚克环后分为两路，其中一路进入长度已知的测量段单模光纤，再通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到待测段单模光纤；入射光在待测段单模光纤的自由端发生端面反射，反射光通过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，然后通过声光调制器产生变频，所述的声光调制器由频率受调制的正弦信号发生器驱动；变频后的激光经过长度已知的连接段单模光纤，最后回到四端口3-dB光纤耦合器；回到四端口3-dB光纤耦合器的激光的相位增加量Δφ₁为

${\mathrm{\Δ\φ}}_1=2\mathrm{\πn}[\frac{L_1+L}{C}v+\frac{L_2}{C}(v+\mathrm{\Δv})]---\left(1\right)$

其中v为半导体激光器的中心频率，n为单模光纤在光频为v时的折射率，C为光速，Δv为声光调制器的驱动频率，L为待测段单模光纤的长度，L₁为测量段单模光纤的长度，L₂为连接段单模光纤的长度；

另一路激光首先经过长度已知的连接段单模光纤，然后通过声光调制器产生变频，变频后的激光进入长度已知的测量段单模光纤；激光通过测量段单模光纤中插入的三端口3-dB光纤耦合器入射到待测段单模光纤；入射光在待测段单模光纤的自由端发生端面反射，反射光通过三端口3-dB光纤耦合器回到测量段单模光纤，再回到四端口3-dB光纤耦合器；回到四端口3-dB光纤耦合器时的激光的相位增加量Δφ₂为：

${\mathrm{\Δ\φ}}_2=2\mathrm{\πn}[\frac{L_2}{C}v+\frac{L_1+L}{C}(v+\mathrm{\Δv})]+\mathrm{\π}---\left(2\right)$

c.回到四端口3-dB光纤耦合器的两路激光在四端口3-dB光纤耦合器中发生干涉，透射的激光的相位Δφ_T为

${\mathrm{\Δ\φ}}_T=2\mathrm{\πn}\frac{L_1+L-L_2}{C}\mathrm{\Δv}+\mathrm{\π}---\left(3\right)$

声光调制器的驱动频率Δv按照ωt作线性变化，通过线性扫描，透射的激光光强按cos(ft)变化

$\mathrm{ft}=2\mathrm{\πn}\frac{L_1+L-L_2}{C}\mathrm{\ωt}---\left(4\right)$

其中f为光强变化的频率；

d.干涉后的激光由四端口3-dB光纤耦合器输出，通过光电二极管探测激光的强度，同时光强信号转化为电信号，由数据采集卡进行采集，并进行快速傅立叶变换(FFT)，得到光强变化的频率f，通过光强变化的频率f得到待测段单模光纤长度L。

$L=\frac{\mathrm{fC}}{2\mathrm{\πn\ω}}-L_1+L_2---\left(5\right)$

2.如权利要求1所述测量方法所使用的设备，其特征在于：半导体激光器通过光纤隔离器与四端口3-dB光纤耦合器的输入端口光连接，四端口3-dB光纤耦合器的输出端口与光电二极管的输入端光连接，光电二极管的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与快速傅立叶变换分析仪电连接；四端口3-dB光纤耦合器的另外两个端口通过单模光纤连接，单模光纤通过声光调制器分为两段，分别为测量段单模光纤和连接段单模光纤，长度分别为L₁和L₂，L₁＞＞L₂；声光调制器的电驱动信号口与正弦信号发生器电连接；测量段单模光纤中插入三端口3-dB光纤耦合器，三端口3-dB光纤耦合器的输入端的两端口分别与测量段单模光纤连接，另一个端口与待测段单模光纤光连接。

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