CN103591895A - 一种光纤长度测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤长度测量系统、以及采用所述测量系统测量光纤长度的测量方法。所述测量系统采用频率计数和图形分析相结合的方法判断两路光信号脉冲的叠加状态，能够避免直接通过示波器读取时延差而引入的测量误差，利于提高光纤长度的测量准确度；本发明中光源采用内调制方式，利于消除光纤长度测量系统对光信号偏振态的依赖，进而消除因采用偏振及反射部件等测量光纤长度时对测量不确定度的影响，由于本发明不受光源偏振态的影响，使该发明不仅可以测量单模光纤的长度还可以测量多模光纤的长度，解决了多模光纤长度的准确定标和多模光时域反射计长度量值溯源问题。

Description

一种光纤长度测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤长度测量系统、以及采用所述测量系统测量光纤长度的测量方法。

背景技术

随着光纤技术在民用和军事领域的不断发展，光纤长度的准确测量在光纤通信和光纤传感系统中起着越来越重要的作用。现阶段测量光纤长度的仪器主要有低同调光反射测量仪（OLCR）、光时域反射计（OTDR）、光频域反射计（OFDR）、光相干域反射测量仪（OCDR）及基于频移不对称Sagnac干涉仪。上述几种测量光纤长度的仪器存在如下缺陷：(1)低同调光反射测量仪的测量精度虽然很高，可以达到10微米，但是该测量仪测量动态范围小，只有几厘米；(2)光时域反射计的测量动态范围虽然很大，但是测量精度受到限制，常用光时域反射计精度只能达到1米左右；(3)光频域反射计对光源的要求很苛刻，需要窄线宽的单色光源，并且需要外加十几个GHz的高频调制信号，导致成本过高；(4)光相干域反射测量仪的测量精度可以达到10微米，并且测量动态范围可以达到几千米，但是它需要光源具有良好的稳定性和相干性；(5)基于频移不对称Sagnac干涉仪中干涉信号的极小值点的频率不易读取。

为解决现阶段测量光纤长度的仪器结构复杂、成本高，且在对光纤长度测量时精度低和稳定性差的问题，公开号为CN102636121A的专利文献公开了一种高精度光纤长度测量系统。该测量系统通过对DFB光源进行外调制，调制后的光经过光分束器后分别进入环形器及被测光纤和参考光路，然后通过在示波器上读取两路信号的延迟时间得到被测光纤的长度。

采用上述测量系统尽管测量精度可以达到厘米级，然而存在如下缺陷：(1)直接通过示波器读取两路信号的时间差，会造成较大的测量不确定度；(2)通过测量被测光纤的反射信号得到被测光纤长度值，容易降低测量系统的测量动态范围；(3)上述测量系统中光源输出光进入电光调制器前需加上偏振控制器来控制偏振态，并且还需要在被测光纤后面加上法拉第旋转镜来稳定光的偏振态，一方面会导致测量系统因受偏振态的影响而不稳定，另一方面会增加测量系统的不确定影响因素及系统成本；(4)此外上述测量系统仅仅适用于G.652单模光纤在1310nm和1550nm波长点的长度测量，而不适合850nm和1300nm多模光纤长度的准确测量，适用范围窄，该测量系统无法对多模光纤的长度准确定标。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种光纤长度测量系统，该测量系统采用频率计数和图形分析相结合的方法判断两路光信号脉冲的叠加状态，能够避免直接通过示波器读取时延差而引入的测量误差，利于提高光纤长度的测量准确度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光纤长度测量系统，包括对光源进行调制的函数发生器、与函数发生器连接并记录所述函数发生器发出调制信号频率的频率计数器、光纤耦合器和示波器；在光纤耦合器与示波器之间设置一条参考光路和一条测试光路，在参考光路上设置有光电探测器，在测试光路上设置有待测光纤和光电探测器；由函数发生器调制后的光源经过光纤耦合器后分为两路光，一路经过参考光路上的光电探测器后进入示波器，另一路依次经过测试光路上的待测光纤、光电探测器后进入示波器，示波器的屏幕上显示上述两路光信号的波形图。

上述光纤长度测量系统中，待测光纤为单模光纤、或多模光纤。

上述光纤长度测量系统中，光源采用DFB光源、或VCSEL光源。

本发明还提出了一种采用上述光纤长度测量系统测量光纤长度的测量方法，该测量方法包括如下步骤：

a、函数发生器对光源进行调制，同时频率计数器记录函数发生器发出调制信号的频率；经过调制后的光源经过光纤耦合器后分为两路光，一路经过参考光路上的光电探测器后进入示波器，另一路依次经过测试光路上的待测光纤、光电探测器后进入示波器，示波器的屏幕上显示上述两路光信号的波形图；

b、保持两路光信号的波形脉冲宽度不变，缓慢调节波形的频率使参考光路和测试光路上的两路光信号的波形在示波器上逐渐重合；

c、当上述两路光信号的波形完全重合时，函数发生器记录当前的调制频率f，然后根据公式计算待测光纤的长度L，具体计算公式如下：

其中，c为光在真空中的传播速度，n为光纤群折射率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明结构简单，采用频率计数和图形分析相结合的方法判断两路光信号脉冲的叠加状态，能够避免直接通过示波器读取时延差而引入的测量误差，利于提高光纤长度的测量准确度；本发明中测试光路为单向光信号传播，通过测量待测光纤的单光程时间来得到待测光纤的长度，利于提高测量的动态范围，降低光纤长度的测量不确定度；本发明中采用双探测器信号拾取技术，消除了光信号传播时的相互干扰，解决了两路信号重叠时的准确辨别问题。

附图说明

图1为本发明中光纤长度测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图1所示，光纤长度测量系统，包括函数发生器、频率计数器、光纤耦合器和示波器，函数发生器用于对光源进行调制，频率计数器与函数发生器连接，并实时记录函数发生器发出的调制信号频率。在光纤耦合器与示波器之间设置两条光路，一条参考光路和一条测试光路；在参考光路上设置有光电探测器，在测试光路上设置有待测光纤和光电探测器。光源被函数发生器调制后，经过光纤耦合器分为两路光，其中一路沿着参考光路进行传播，并经过参考光路上的光电探测器后进入示波器，另一路沿着测试光路进行传播，并依此经过测试光路上的待测光纤、光电探测器后进入示波器，示波器的屏幕上显示上述两路光的波形，保持两路光信号的波形脉冲宽度不变，缓慢调节波形的频率使参考光路和测试光路上的两路光信号的波形在示波器上逐渐重合，当上述两路光信号的波形完全重合时，函数发生器记录当前的调制频率，然后根据公式计算待测光纤的长度。本发明采用频率计数和图形分析相结合的方法判断两路光信号脉冲的叠加状态，能够避免直接通过示波器读取时延差而引入的测量误差，利于提高光纤长度的测量准确度。

本发明中函数发生器对光源调制的方式为内调制方式，利于消除光纤长度测量系统对光信号偏振态的依赖，进而消除因采用偏振及反射部件等测量光纤长度时对测量不确定度的影响，由于本发明不受光源偏振态的影响，使该发明不仅可以准确测量单模光纤的长度还可以准确测量多模光纤的长度，解决了多模光纤长度的准确定标和多模光时域反射计长度量值溯源问题。当待测光纤为单模光纤时，光源可以采用DFB光源；当待测光纤为多模光纤时，可以采用VCSEL光源，其中VCSEL光源为垂直腔半导体激光器发出的光。

其大致测量过程为：

a、函数发生器对光源进行调制，同时频率计数器记录函数发生器发出调制信号的频率；经过调制后的光源经过光纤耦合器后分为两路光，一路经过参考光路上的光电探测器后进入示波器，另一路依次经过测试光路上的待测光纤、光电探测器后进入示波器，示波器的屏幕上显示上述两路光信号的波形图；

b、保持两路光信号的波形脉冲宽度不变，缓慢调节波形的频率使参考光路和测试光路上的两路光信号的波形在示波器上逐渐重合；

c、当上述两路光信号的波形完全重合时，频率计数器记录当前的调制频率f，然后根据公式计算待测光纤的长度L，具体计算公式如下：

其中，c为光在真空中的传播速度，此处取c=299792458m/s，n为光纤群折射率。

Claims (4)

1.一种光纤长度测量系统，其特征在于，包括对光源进行调制的函数发生器、与函数发生器连接并记录所述函数发生器发出调制信号频率的频率计数器、光纤耦合器和示波器；在光纤耦合器与示波器之间设置一条参考光路和一条测试光路，在参考光路上设置有光电探测器，在测试光路上设置有待测光纤和光电探测器；由函数发生器调制后的光源经过光纤耦合器后分为两路光，一路经过参考光路上的光电探测器后进入示波器，另一路依次经过测试光路上的待测光纤、光电探测器后进入示波器，示波器的屏幕上显示上述两路光信号的波形图。

2.根据权利要求1所述的一种光纤长度测量系统，其特征在于，所述待测光纤为单模光纤、或多模光纤。

3.根据权利要求1所述的一种光纤长度测量系统，其特征在于，所述光源采用DFB光源、或VCSEL光源。

4.根据权利要求1至3任一项所述的光纤长度测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、函数发生器对光源进行调制，同时频率计数器记录函数发生器发出调制信号的频率；经过调制后的光源经过光纤耦合器后分为两路光，一路经过参考光路上的光电探测器后进入示波器，另一路依次经过测试光路上的待测光纤、光电探测器后进入示波器，示波器的屏幕上显示上述两路光信号的波形图；

b、保持两路光信号的波形脉冲宽度不变，缓慢调节波形的频率使参考光路和测试光路上的两路光信号的波形在示波器上逐渐重合；

c、当上述两路光信号的波形完全重合时，频率计数器记录当前的调制频率f，然后根据公式计算待测光纤的长度L，具体计算公式如下：

其中，c为光在真空中的传播速度，n为光纤群折射率。

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