CN104316294A - 一种基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测试装置及方法，根据球形光电探测器所接收到泄露光的功率值及光源输入功率带已知的调节系数K值，根据公式：可计算出熔接点损耗△的大小。本发明的有益效果是在完成各类光纤接头与室内光纤热熔对接后，将光纤接头插入本装置接入光源，并通过夹持与三维寻焦调节控制装置实现光纤夹持与熔接点定位在焦点上，根据熔接点泄露光功率的大小，即可推测出其损耗的大小。

Description

一种基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤测试领域，具体是一种基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测试装置及方法。

背景技术

光纤到户工程中的光纤连接头需要与预埋在建筑当中的光缆进行连接，目前主要采用两种技术：机械式光纤接续和光纤熔接。机械式光纤接续利用闭合设计的高精度V型槽结构和低反射光纤匹配液，采用简单的压接工具，就能够实现光纤固定式接续。光纤熔接即通过光纤熔接机将两根光纤三维对准后，电极放电产生高温电弧使光纤呈熔融状态.然后单侧推进光纤使两根光纤实现永久连接。目前，机械式连接方式逐渐被淘汰，一劳永逸的光纤熔接方式是主流的接续方式。光纤接续损耗是光纤通信系统性能指标中的一项重要参数，损耗大小直接影响到光传输系统的整体传输质量，在光缆施工和维护测试中，运用科学的测试分析方法，对提高整个光缆接续施工质量和维护工作极其重要，尤其是进一步研究光通信中长波长的单模光纤的通信性能、传输衰耗、测量精度和检查维修等方面有一定现实意义。因此，本发明涉及的是光纤熔接方式的熔接点损耗测试方法与装置。

对于光纤熔接损耗的评估，目前测试方法有很多种，但实际应用中主要是以下几种：

第一种是利用图像对光纤纤芯偏差等特定参数进行分析，这样特定的参数如纤芯的偏差、纤芯的翘曲度等。光纤熔接损耗就是利用以上参数通过一个经验公式进行估算后得出的。熔接机通过对光纤X轴和Y轴方向的错位调整，在轴心错位最小时进行熔接，这种能调整轴心的方法称为纤芯直视法，这种方法不同于功率检测法，现场是无法知道接续损耗的确切数值的，在整个调整轴心和熔接接续过程中，通过摄像机把探测到所熔接纤芯状态的信息，送到熔接机的分析程序中，然后熔接机计算出熔接损耗值，其实准确地说，这只能是说明光纤轴心对准的程度，并不含有光纤本身的固有特性所影响的损耗，所显示的数据配合观察光纤端面情况只是粗略地估计了光纤熔接点损耗的状况，不能作为光纤接续损耗判断值得信赖的依据。该测试方法无法覆盖所有熔接损耗的机理，毕竟只用了少量的一些参数来进行熔接损耗推算。这种方法的缺点是通常会导致对熔接损耗过于优化的估计，特别是在采用了错误的熔接参数或实际损耗比较高的时候。

第二种是康宁的专利技术，采用本地光注入和探测系统法(LID-System)来实现直接的熔接损耗测量。光从熔接点前端光纤被注入到光纤中，然后从熔接点后端光纤耦合到光电探测器上，该测试方法用到的关键设备是弯曲耦合器，用于提供简便的光注入和提取。弯曲耦合器的设计对工艺要求很高，设计的不好，一种情况是耦合效率很低，影响测试精度和测量误差；另一种情况是光纤很容易受到应力的作用而被损伤。

还有一种方法就是利用OTDR后向散射法来对熔接点或连接点进行测量。后向散射法是将大功率的窄脉冲光注入待测光纤，然后在同一端检测沿光纤轴向向后返回的散射光功率，由于光纤材料密度不均匀，其本身的缺陷和掺杂成分不均匀，当脉冲通过光纤传输时，沿光纤长度上的每一点均会引起瑞利散射，其中总有一部分进入光纤的数值孔径角，沿光纤轴反向传输到输入端。瑞利散射光的波长与入射光的波长相同，其光功率与散射点的入射光功率成正比，测量沿光纤轴向返回的背向瑞利散射光功率可采集到沿光纤传输损耗的信息，从而测得光纤的衰减。此种方法适合于长距离的光纤测量，对于光纤到户工程的光纤熔接点损耗测试，由于受到OTDR测试盲区的限制，利用此方法测试需要在用户端接上一段光纤来突破OTDR测试盲区；为了解决在测试中的误判，还需要在光纤的另一端进行测试，通过计算平均值来计算接续点损耗值，这就给实际施工过程带来极大的不便。

虽然光纤熔接损耗测试方法很多，但对于光纤到户型的光纤连接头熔接点损耗的测试目前还没有很好的测试方法和技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测试装置及方法，以解决现有技术光纤到户型的光纤连接头熔接点损耗测试的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测试装置，其特征在于：包括有椭球状可打开的具有全反射特性的椭球镜，椭球镜内封装有位于椭球镜的一个焦点处的球形光电探测器，椭球镜内还设置有自制的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置，椭球镜外设置有具备调制输出功能的光源模块、CPU、微弱光功率同相检测装置、步进电机，所述光源输出模块供待测光纤连接头插入，所述微弱光功率同相检测装置输出端与CPU连接，步进电机的控制端与CPU连接，椭球镜内的球形光电探测器接入微弱光功率同相检测装置输入端，椭球镜内的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置与步进电机传动连接。

其中，微弱光功率同相检测实现过程如下：

(1)、如图4所示，椭球镜内的球形光电探测器输出的电流调制信号接入微弱光功率同相检测装置的输入端，经由互阻抗放大器进行电流/电压变换，转变成电压调制信号；

(2)、同时，具备调制输出功能的光源模块的调制输出端接入微弱光功率同相检测装置的同步信号端口，由光源模块输出的调制信号经信号识别后送入CPU进行频率识别，并且经触发电路产生一对相位相反的方波；

(3)、CPU根据识别的频率选择正确的带通滤波器，经过带通滤波电路后，交流放大电路将步骤(1)中产生的电压调制信号放大到足够的电平后送入方波检波器；

(4)、步骤(2)中产生的正反相的方波在方波检波器中与交流放大后的信号进行相关检测后进入低通滤波器，低通滤波器对高频成分滤除后，再进行适当的直流放大，然后将结果送入A/D转换器，CPU读入其值，进行相应处理计算出功率值。

光纤熔接点损耗测试方法，其特征在于：利用光纤熔接点处泄漏的光功率大小来计算出光纤熔接损耗大小，具体过程如下：

(1)、使用光纤熔接机完成带连接头的光纤熔接后，将光纤连接头插入光源输出模块，并将光纤熔接点固定在椭球镜内自制的光纤夹持与三维寻焦装置上；

(2)、关闭椭球镜模块，通过CPU单元控制步进电机驱动自制的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置动作，使光纤的熔接点处于椭球镜未设置球形光电探测器的焦点上；

(3)、根据球形光电探测器所接收到泄露光的最大功率值，代入k值，CPU将根据公式(1)即可计算出熔接点损耗Δ的大小。

公式(1)中，P_检测'为球形光电探测器检测的光功率值，单位为dBm；P_in'为光输出模块输出的光功率，单位为dBm；Δ为熔接点处的损耗值，单位为dB；k为调节系数。

所述的光纤熔接点损耗测试方法，其特征在于：公式(1)中k值获取的方法如下：

(1)、制作多台基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测试装置，并按一定比例抽取一定数量的样机，用于获取k值的试验；

(2)、选定损耗分别为0.01dB、0.02dB、0.03dB、0.04dB和0.05dB且带光纤连接头的熔接点各10个，依次将光纤连接头依次接入第一个样机光源输出模块，熔接点固定在自制的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置上，记录各个光纤熔接点泄露光功率的大小；

(3)、在第二个样机中，参照步骤(1)进行各个熔接点泄露光的功率大小检测实验，并记录数据，然后依次在其他样机中进行试验，获取各个熔接点泄露光的功率大小；

(4)、根据公式(1)，对各个样机的试验数据进行处理，计算出k值的大小。

所述的光纤熔接点损耗测试方法，其特征在于：样机数量和试验熔接点个数的选定与k值的精度有关，在一定范围内，样本数量越多，k值就越接近于真实值。

同国家的“三网融合”、“宽带中国”和“光纤到户(FTTH)”等重大光纤工程发展速度相比，FTTH光纤连接头与预埋在建筑当中的光纤熔接点的损耗测试目前还是空白，因此，本发明的有益效果是在完成各类光纤连接头与室内光纤热熔对接后，将光纤接头插入本装置接入光源，并通过夹持与三维寻焦调节控制装置实现光纤夹持与熔接点定位在焦点上，根据熔接点泄露光功率的大小，即可推测出熔接点损耗的大小。

附图说明

图1为本发明装置结构框图。

图2为本发明光纤熔接点损耗测试示意图。

图3为本发明中以-3dBm的光注入熔接点，其各熔接点损耗值与所对应的泄漏光的理论值关系图。

图4为本发明中微弱光同相检测框图

具体实施方式

参见图1所示，一种基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测试装置，包括有椭球状可打开的具有全反射特性的椭球镜，椭球镜内封装有位于椭球镜其中一个焦点处的球形光电探测器，椭球镜内还设置有自制的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置，椭球镜外设置有具备调制输出功能的光源模块、CPU、微弱光功率同相检测装置、步进电机，光源输出模块供待测光纤连接头插入，微弱光功率同相检测装置输出端与CPU连接，步进电机的控制端与CPU连接，椭球镜内的球形光电探测器接入微弱光功率同相检测装置输入端，椭球镜内自制的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置与步进电机传动连接。

本发明装置由具有全反射特性的椭球镜、球形光电探测器、具备调制输出功能的光源模块、微弱光功率同相检测装置和采用步进马达驱动的自制光纤夹持与三维寻焦调节控制装置等组成。从入户端的光纤接头处注入光后，当熔接点处于第一个焦点位置时，熔接点的泄露光会在椭球镜腔体内反射到第二焦点处的球形光电探测器上变为电流信号，再经微弱光功率同相检测装置进行泄露光功率检测，CPU单元通过读取接收到泄露光的功率就可以推测出熔接点处的损耗值。步进电机接收到CPU单元发送的控制命令后，带动光纤熔接点，并使其处于椭球镜的焦点位置，以便光电探测器探测到全部的泄露光。其中，微弱光功率同相检测实现过程如下：

(1)、如图4所示，椭球镜内的球形光电探测器输出的电流调制信号接入微弱光功率同相检测装置的输入端，经由互阻抗放大器进行电流/电压变换，转变成电压调制信号；

(2)、同时，具备调制输出功能的光源模块的调制输出端接入微弱光功率同相检测装置的同步信号端口，由光源模块输出的调制信号经信号识别后送入CPU进行频率识别，并且经触发电路产生一对相位相反的方波；

(3)、CPU根据识别的频率选择正确的带通滤波器，经过带通滤波电路后，交流放大电路将步骤(1)中产生的电压调制信号放大到足够的电平后送入方波检波器；

(4)、步骤(2)中产生的正反相的方波在方波检波器中与交流放大后的信号进行相关检测后进入低通滤波器，低通滤波器对高频成分滤除后，再进行适当的直流放大，然后将结果送入A/D转换器，CPU读入其值，进行相应处理计算出功率值。

如图2所示。光纤熔接点损耗测试方法，利用光纤熔接点处泄漏的光功率大小来计算出光纤熔接损耗大小，具体过程如下：

(1)、使用光纤熔接机完成带连接头的光纤熔接后，将光纤连接头插入光源输出模块，并将光纤熔接点固定在椭球镜内的光纤夹持与三维寻焦装置上；

(2)、关闭椭球镜模块，通过CPU单元控制步进电机驱动自制的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置动作，使光纤的熔接点处于椭球镜未设置球形光电探测器的焦点上；

(3)、根据球形光电探测器所接收到泄露光的最大功率值，代入k值，根据公式(2)即可计算出熔接点的损耗大小。

公式(1)中，P_检测'为球形光电探测器检测的光功率值，单位为dBm；P_in'为光输出模块输出的光功率，单位为dBm；Δ为熔接点处的损耗值，单位为dB；k为调节系数。

公式(2)中调节系数k值获取的方法如下：

(1)、制作多台基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测试装置，并按一定比例抽取一定数量的样机，用于获取k值的试验；

(2)、选定损耗分别为0.01dB、0.02dB、0.03dB、0.04dB和0.05dB且带光纤连接头的熔接点各10个，依次将光纤连接头依次接入第一个样机光源输出模块，熔接点固定在自制的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置上，记录各个光纤熔接点泄露光功率的大小；

(3)、在第二个样机中，参照步骤(1)进行各个熔接点泄露光的功率大小检测实验，并记录数据，然后依次在其他样机中进行试验，获取各个熔接点泄露光的功率大小；

(4)、根据公式(1)，对各个样机的试验数据进行处理，计算出k值的大小。

样机数量和试验熔接点个数的选定与k值的精度有关，在一定范围内，样本数量越多，k值就越接近于真实值。

本发明中，将光纤熔接点置于椭球腔体的第一焦点处，从入户端的光纤连接头处注入的光经熔接点泄漏后，在椭球腔体内反射到第二焦点处的光电探测器上变为电流信号，再经I/V变换电路和程控放大电路得到电压信号。经信号处理后转换成对应的光功率，CPU单元通过与光源输出功率进行比较就可以计算熔接点处的损耗值。马达控制器根据CPU单元发送的控制命令对光纤夹持与三维寻焦调节装置位置进行调节，以便于光纤熔接点能很好的处在椭球腔体的焦点位置。

本发明的第一个特征是基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测量装置：包括一种利用具有全反射特性椭球镜将熔接点泄漏光从一个焦点汇聚到另一个焦点的装置，装置内固定封装了一个处于焦点位置的球形光电探测器；一种带同相输出功能的光源及用于微弱光功率同相检测装置,用于泄露光的检测及排除杂散光的影响；一种采用步进马达驱动的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置，主要实现光纤定位夹持，并通过最优三维寻焦算法使熔接点处于椭球的另一个焦点位置。

本发明的第二个特征是利用熔接点处泄漏的光功率大小来计算出该点损耗大小的方法。光功率的表示方法主要有两种：一种是线性表示方法，以瓦(W)表示；另一种称为对数表示方式。若取一个参考功率线性值P_r，被测光功率线性值为P_m,根据公式(3)可以得出被测光功率的分贝(dB)：

P'＝10×lg(P_m/P_r)                     (3)

其中，P'为被测光功率的分贝(dB)数，它表示光功率的相对大小。但是一旦参考光功率给定，对数表示方式仍然可以表示绝对光功率大小，通常取Pr＝1mW，1mW可表示为0dBm，光功率的对数表示方式与线性表示方式之间的关系如公式(4)所示：

P_m'＝10×lg(P_m)                     (4)

其中，P_m'为对数表示方式，单位为dBm，P_m为线性表示方式，单位为mW。

如图2所示，假设经过熔接点前输入光功率为P_in'(dBm)，线性表示为P_in(mW)；经过熔接点后，输出的光功率为P_out'(dBm)，线性表示为P_out(mW)；熔接点损耗值为△(dB)，则根据公式(3)即可得出熔接点处损耗值为：

△＝10×lg(P_out/P_in)＝10×lg(P_out)-10×lg(P_in)     (5)

根据公式(4)和(5)即可得出：

△＝P′_out-P′_in                     (6)

对于P_in(mW)的光经过熔接点(只考虑正常熔接情况)后，大部分的光还是沿着相同的路线输出了，只有一小部分损耗掉了，损耗的情况主要包括熔接点镜面反射沿着原路反回部分P_反射(mW)、熔接点吸收部分P_吸收(mW)以及熔接点处泄漏部分P(mW)，对应的对数形式分别表示为P_反射'、P_吸收'以及P'，单位为dBm。则：

P＝P_in-P_out-P_反射-P_吸收                     (7)

根据公式(4)即可得出熔接点处泄漏光功率对数表示为：

P'＝10×lg(P_in-P_out-P_反射-P_吸收)                     (8)

即，

实际应用过程中，反射回来的光和被材质吸收的光是不可忽略的，从数学建模角度考虑，在对熔接点处泄漏的光功率与损耗值关系进行理论分析时，不考虑上述两项的影响；这两项的影响将在后续的k值里体现。

因此，根据公式(4)和(9)可以推导出熔接点处泄漏的光功率与输入光功率以及损耗之间的关系为：

$P^{\′}=P_{\mathrm{in}}^{\′}+10\×\lg (1-{10}^{\frac{\mathrm{\Δ}}{10}})---\left(10\right)$

从公式(10)中可以看出，如果能够检测出熔接点处泄漏的功率值，即可得出损耗值。

假设光源输出功率为-3dBm，根据公式(10)计算出不同熔接点损耗值所对应的泄漏光的理论值如图3。从图中可以看出，损耗值在-0.01dB到-0.05dB(实际施工要求损耗值应不大于0.05dB)之间，泄漏光的光功率理论上有1dB/0.01dB的区分度，在理论上是完全可以区分出来的。

假设在相同测试条件下，光电探测器接收到的功率是理论值的k倍，且设：

k'＝10×lg(k)                     (11)

则，熔接点泄漏的光功率检测值为：

根据公式(12)可以很容易看出，如果检测的光功率完全是熔接点泄漏的光，且无材料吸收与反射的影响，则，k'＝0，可以根据公式能够计算出接续点的损耗值。经过对该装置进行大量熔接点损耗测试对比试验，对大量实验数据进行处理得出调节系数k值接近于-26.45。

Claims (5)

1.一种基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测试装置，其特征在于：包括可打开的内壁具有全反射特性的椭球镜，椭球镜内封装有位于椭球镜的一个焦点处的球形光电探测器，椭球镜内还设置有自制的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置，椭球镜外设置有具备调制输出功能的光源模块、CPU、步进电机、微弱光功率同相检测装置。文中所述光源模块供待测光纤连接头插入，所述微弱光功率同相检测装置输出端与CPU连接，步进电机的控制端与CPU连接，椭球镜内的球形光电探测器接入微弱光功率同相检测装置输入端，椭球镜内的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置与步进电机传动连接。

2.基于权利要求1所述的微弱光功率同相检测实现过程如下：

(1)、如图4所示，椭球镜内的球形光电探测器输出的电流调制信号接入微弱光功率同相检测装置的输入端，经由互阻抗放大器进行电流/电压变换，转变成电压调制信号；

(2)、同时，具备调制输出功能的光源模块的调制输出端接入微弱光功率同相检测装置的同步信号端口，由光源模块输出的调制信号经信号识别后送入CPU进行频率识别，并且经触发电路产生一对相位相反的方波；

(3)、CPU根据识别的频率选择正确的带通滤波器，经过带通滤波电路后，交流放大电路将(1)中产生的电压调制信号放大到足够的电平后送入方波检波器；

(4)、(2)中产生的正反相的方波在方波检波器中与交流放大后的信号进行相关检测后进入低通滤波器，低通滤波器对高频成分滤除后，再进行适当的直流放大，然后将结果送入A/D转换器，CPU读入其值并进行相应处理计算出功率大小。

3.基于权利要求1所述装置的光纤熔接点损耗测试方法，其特征在于：利用光纤熔接点处泄漏的光功率大小来计算出光纤熔接损耗大小，具体过程如下：

(1)、使用光纤熔接机完成带连接头的光纤熔接后，将光纤连接头插入光源输出模块，并将光纤熔接点固定在椭球镜内的光纤夹持与三维寻焦装置上；

(2)、关闭椭球镜模块，通过CPU单元控制步进电机驱动自制的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置动作，使光纤的熔接点处于椭球镜未设置球形光电探测器的焦点上；

(3)、根据球形光电探测器所接收到泄露光的最大功率值，代入k值，根据公式(1)即可计算出熔接点的损耗大小。

公式(1)中，P_检测'为球形光电探测器检测的光功率值，单位为dBm；P_in'为光输出模块输出的光功率，单位为dBm；Δ为熔接点处的损耗值，单位为dB；k为调节系数。

4.根据权利要求2所述的光纤熔接点损耗测试方法，其特征在于：公式(1)中k值获取的方法如下：

(1)、制作多台基于泄漏光检测的光纤熔接点损耗测试装置，并按一定比例抽取一定数量的样机，用于获取k值的试验；

(2)、选定损耗分别为0.01dB、0.02dB、0.03dB、0.04dB和0.05dB且带光纤连接头的熔接点各10个，依次将光纤连接头依次接入第一个样机光源输出模块，熔接点固定在自制的光纤夹持与三维寻焦调节控制装置上，记录各个光纤熔接点泄露光功率的大小；

(3)、在第二个样机中，参照步骤(1)进行各个熔接点泄露光的功率大小检测实验，并记录数据，然后依次在其他样机中进行试验，获取各个熔接点泄露光的功率大小；

(4)、根据公式(1)，对各个样机的试验数据进行处理，计算出k值的大小。

5.根据权利要求2所述的光纤熔接点损耗测试方法，其特征在于：样机数量和试验熔接点个数的选定与k值的精度有关，在一定范围内，样本数量越多，k值就越接近于真实值。