CN1044987A - 光导纤维中反射光光损测定方法 - Google Patents

Abstract

以提高通用性为目的，保证能测定由任意条相连接的有最小空气隙的光导管中的任意第i级光导管中的光损和第i-1级与第i级光导管无空气隙接头处(第i个接头处)的光损，其方法是以辐射脉冲分量的能量和总功率的形式依次测定从最后的和中间的光导管端面上反射的、以及从它们的对接端面上反射的脉冲能量，并根据数学表达式计算光损。

Description

本发明涉及纤维光学领域，可用来测定以光导管为基础的通信网中的辐射衰减率。

已知的光导纤维中反射光光损测定方法（苏联专利申请号420427，根据该项申请决定从88年5月30日起发给苏联发明证书）包括：1）向被检测光导管中输入探测辐射脉冲，其波长等于给定形式的光导管中所调定的模式分布长度的一半;2）测量从无载光导管输出端面反射的脉冲能量N₁;3）测量从相距最短的无载光导管的输出端面和被测光导管的输入端面彼此反射的脉冲能量N₂;4）测量从被测光导管的输出端面反射的脉冲能量N₃;5）以及计算被测光导管单位长度的光损μ。除标准模式装置以外，所采用的已知方法，就技术实质来说最接近本发明。

测定光损的已知方法的缺点是既不能在两条相连接的无空气隙的光导管的连接处进行测定;也不能在任意条互相对接的而有最小空气隙的光导管连接处进行测定，以及不能在这些光导管的无空气隙连接处进行测定。

本发明的目的之一是通过保证能测定由任意数量n条相连接的而有最小空气隙的光导管中的任意第ⅰ条中的光损，来提高测定方法的通用性。

本发明的目的之二是通过测定无载光导管和被测光导管连接处的、也就是任意第ⅰ-1级和第ⅰ级光导管无空气隙连接处的光损，来提高测定方法的通用性。

通过下述方法来达到第一个目的，即已知的测定光导纤维中反射光光损的方法包括：向第1级光导管输入探测光脉冲;测定从第1级光导管输出端面反射的脉冲能量N₁;以最小空气隙对接第1级和第2级光导管，测定从第1级光导管的输出端面和第2级光导管的输入端面之间的空气隙反射的脉冲能量N₂;测量从第2级光导管的输出端面反射的脉冲能量N₃;並按照下式计算第2级光导管中的光损：

2μl₂＝2ln（N₂-N₁）-1nN₁-1nN₃（1）

式中l₂-第2级光导管的长度。

本发明建议：

-以从第ⅰ-1级光导管输出端面反射的辐射脉冲分量的能量和总功率的形式测定信号N₁;

-相应地以从有最小空气隙的第ⅰ-1级和第ⅰ级光导管对接端面上反射的脉冲分量的能量或总功率的形式测定信号N₂;

-以从第ⅰ级光导管输出端面反射的脉冲分量的能量或总功率的形式测定信号N₃。在根据式（1）算出第ⅰ级光导管全长li中的光损μ之后，无空气隙地将第ⅰ-1级和第ⅰ级光导管连接起来，测量从构成整体光导管输出端面反射的脉冲分量的能量或总功率N₄，並根据下式计算第ⅰ接头处的光损Ki：

Ki＝10lg (l)/(τi) ＝（-4.34μili）（5lgN₁-5lgN₄）＝10lgN₁-10lg（N₂-N₁）+5lgN₃-5lgN₄（2）式中τⅰ-第ⅰ接头处的透过系数。

为了实现本发明的第二个目的，在算出长度为l的被测光导管中的光损μ之后，建议将无载光导管和被测光导管无空气隙地连接起来，测定从构成整体光导管的输出端面反射的脉冲能量或总功率N₄，並按照下式计算接头处的光损K：

K＝10lg (l)/(τ) ＝-4.343μl（5lgN₁-5lgN₄）＝10lgN₁-10lg（N₂-N₁）+5lgN₃-5lgN₄

（3）

本发明上述的一些特征，在这一测定总体中的任何地方从前者没利用过，也未见过，以此做为本发明的判断标准是适宜的。这是一种第一流的新发现。

测量任意条相连接的无空气隙的光导管中的任意第ⅰ条中的光损方法，以及测量在第ⅰ-1级和第ⅰ级光导管的无空气隙的接头处（第ⅰ个接头处）的光损方法，包括下述顺序以及与其关联的运算：

1.测量在第ⅰ-1级对接光导管的正反向通过的和从第ⅰ-1级光导管的输出端面上反射的脉冲分量的能量或总功率N₁;

2.将第ⅰ-1级和第ⅰ级光导管无空气隙地连接起来，並相应地测量从这两条光导管之间的空气隙反射的脉冲分量的总能量或总功率N₂;

3.相应地测量从第ⅰ级光导管的输出端面反射的脉冲分量的能量或总功率N₃;

4.按下式计算光导管中的总光损：

2μili＝2ln（N₂-N₁）-lnN₁-lnN₃（4）

5.将第ⅰ-1级和第ⅰ级光导管无空气隙地连接起来;

6.相应地测量从构成整体光导管的输出端面反射的脉冲分量的能量或总功率N₄;

7.根据式（2）计算第ⅰ个接头处的光损。

上述方法的优点在于它能测定任意条相连接的光导管中的任意第ⅰ条中的光损，並能测定第ⅰ-1级和第ⅰ级光导管无空气隙接头处的光损。由于光线从光损小的高质量光导管端面上反射比散射大几个数量级，实际上向光损大的方向扩大了动态范围，也就是扩大了光纤维通信线路延伸部分的动态范围。而且在什么样的状态下检验全部光导线路，就在这种稳定的模式分布状态下测定无空气隙光导管接头处的光损。

无空气隙光导管接头处的光损计算方法包括下述顺序以及与其关联的运算顺序：

1.算出长度为l的被测光导管中的光损μ之后，将对接的无载光导管和被测光导管无空气隙地连接起来;

2.测定从构成整体的光导管输出端面反射的脉冲能量或总功率N₄;

3.根据式（3）计算接头处的光损K。

这种方法的优点是在测定被检测的光导管中的光损的同时，能在这些与由无载光导管所保证的稳定的模式分布状态相对应的光传播条件下，定量地计算与无载光导管的无空气隙接头处的光损，也就是能定量地计算任意的被测光导管中的光损。

一般特性是：由于在接头的双重探测区的反射光中进行测定，与在传播光线中进行测量相比较，接头处的光损灵敏度增大两倍。

下面通过附图来说明本发明。

图1所示为与本发明相符的在两条相连光导管的情况下实施该方法的装置;

图2所示为与本发明相符的在几条相连光导管的情况下实施测定方法的装置。

装置中包括辐射源1、入射辐射和反射辐射的分离器（分路器）2、反射信号接收器3、光路中相连接的光导管4、第ⅰ-1级光导管5、第ⅰ级光导管6、以及第ⅰ-1级和第ⅰ级光导管接头部分7。

按下述方法实施本发明。

为了更好地理解本命题的技术实质，首先来看一下在两条相连光导管的情况下计算光损的方法，见图1。

测定从无载光导管4的输出端面反射的脉冲能量或总功率N₁，相应地测定从无载光导管4和被测光导管5对接端面之间的空气隙反射的脉冲能量和总功率N₂，以及测定从被测光导管5的输出端面反射的脉冲能量或相应的总功率N₃，最后按下式计算总光损μl：

2μl＝2ln（N₂-N₁）-lnN₁-lnN₃（5）

式中l-被测光导管的长度。

然后将光导管4和5无空气隙地连接起来。相应地测定从构成整体光导管4-5的输出端面反射的脉冲能量或总功率N₄，它等于：

N₄＝constφexp（-2μxlx）τ²exp

（-2μl）ρ    （6）

式中因子“const”表征接收器3的灵敏度和入射辐射与反射辐射的分路器2的透过系数;

φ-辐射源1的脉冲通量、能量或总功率;

μxlx-无载光导管4中的总衰减系数;

μl-被测光导管5中的总衰减系数;

由于信号N₁、N₂、N₃分别等于：

N₁＝constφexp（-2μxlx）ρ （7）

N₂＝constφexp（-2μxlx）ρ

（1+ (1-ρ)/(1+ρ) ） （8）

N₃＝constφexp（-2μxlx）（ (1-ρ)/(1+ρ) ）²

exp（-2μl）ρ    （9）

而被检测光导管中的光损由下式计算：

exp(-2μl)= (N₃N₁)/((N₂-N₁)²) (10）

由式（6）和式（7）导出下面的公式，它能分出接头处的光损：

τ²exp(-2μl)= (N₄)/(N₁) （11）

由公式（10）、（11）或者直接由式（6）～（11）算出接头处的光损K：

K=1-τ=1- (N2-N1)/(N1) $\sqrt{\frac{N_4}{N_1}}$ （12）

或者写成（单位为分贝）：

K＝10lg 1/(τ) ＝10lgN₁+5lgN₃-10lg

（N₂-N₁）-5lgN₄

（13）

或者当所求得的光损为μl时，在测定信号N₃之后，立刻按下式计算：

K=1-τ=1-exp(-μl) $\sqrt{\frac{N_4}{N_1}}$ (14)

或者写成（单位为分贝）：

$\mathrm{K=10lg}\frac{1}{\tau }\mathrm{10lg［exp(\mu l}\sqrt{\frac{N_1}{N_4}}］$

=(-4.343μl)(5lgN₁-

5lgN₄) (15)

在连接n（若干）条光导管的情况下（见图2），按下述方式实施测定方法。

由辐射源1经过分路器2以能量或总功率φ的形式向光导线路4入射光脉冲，並通过接收器3测定由来自第ⅰ-1级光导管5（如图2a所示）的输出端面的反射脉冲决定的信号N₁：

N₁＝constφτ_1.2·τ₄·τ₅·ρ·τ₅·τ₄·τ_2.3＝constφτ_1.2·τ_2.3·τ₄ ²·τ₅ ²·ρ （16）

式中τ_1.2·τ_2.3-入射辐射和反射辐射通过分路器的透过系数;

τ₄-光路的透过系数;

τ₅-第ⅰ-1级光导管5的透过系数;

ρ-端面的反射系数。

然后将第ⅰ-1级和第ⅰ级光导管（如图2b所示）以最小空气隙对接起来。依次测定由来自光导管5和6之间的空气隙的反射总功率决定的信号：

N₂＝constφτ_1.2·τ_2.3·τ 2₄·τ 2₅·ρ

（1- (1-ρ)/(1+ρ) ） （17）

並测定由来自第ⅰ-1级光导管6的反射脉冲决定的信号：

N₃＝constφτ_1.2·τ_2.3·τ 2₄·τ 2₅

（18）

由式（16）～（18）算出被检测的第ⅰ级光导管中的光损μili：

exp(-2μili)= (N₁N₃)/((N₂-N₁)²) （19）

下一步是将光导管5和6无空气隙地连接起来（图2c所示）。测定由来自构成整体光导管5-6的输出端面的反射脉冲决定的信号N₄：

N₄＝constφτ_1.2·τ_2.3·τ₄ ²·τ₅ ²·

τi²exp（-2μili）ρ （20）

由式（16）和（20）计算光导管5-6的接头处7的透过系数τi：

(N4)/(N1) =τi²exp(-2μili) （21）

或者算出第ⅰ-1级和第ⅰ级光导管接头处的光损Ki：

$\mathrm{Ki\; =\; 1\; -\; \tau i\; =10exp(-\mu ili)}\sqrt{\frac{N_4}{N_1}}$ (22)

或者写成（单位为分贝）：

Ki=1.0lg 1/(τ) ·1Olg(exp(-μili)

(N₄)/(N₁) ］=(-4.343μili)(5lgN₁-

5lgN₄) （23）

由式（16）～（20）导出：

$\mathrm{Ki\; =\; 1-\; \tau i\; =\; 1-}\frac{N_2{\mathrm{-\; N}}_1}{N_1}\sqrt{\frac{N_4}{N_3}}$ (24)

或者写成（单位为分贝）：

Ki＝10lg 1/(τi) ＝10lgN₁+5lgN₃-10lg（N₂-N₁）-5lgN₄（25）

由于计算光导管中的光损时，所有的处于测定装置前面的光通信线路元件都在固定不变的状态下，用辐射脉冲进行探测，根据式（19），测定光损μi的准确度决定于测定反射脉冲△N和光导管长度li的能量参量的准确度。

由于

N≈△（N₂-N₁）≈△N₃≈△N₄≈△N （26）

对式（19）进行微分得：

△μi＝（2△N/N）（1/li）    （27）

因此，光导管中辐射光损的计算准确度决定于信号测定的双倍相对误差△N/N。

当△N/N＝±0.1%时，△μili＝±0.01分贝;甚至当li＝0.1千米时，△μi＝±0.01分贝;当l＝10千米时，△μi＝±0.001分贝。

第ⅰ-1级和第ⅰ级光导管接头处的光损测量准确度，根据式（21）取决于信号N₁、N₄的测量准确度，以及取决于计算总光负μili的准确度，即由式（24）得：

△K/K＝±（ (2△N)/(N) + 1/2 (2△N)/(N) ）＝± (3△N)/(N)

（28）

或者

△K/K≈±（ (△N)/(N) +△μili）

通常当误差△N/N＝0.1%时，误差△K/K＝±0.013分贝（＜±0.15分贝）。

由于散射特性的可重复性仅为±0.1～0.2分贝的程度，所以上述那种在散射光中进行测量的准确度，在反射计上实际上是达不到的。

所推荐的方法与在行进光中进行测量的方法相比，由于光导管接头处光通量的双倍行程，保证提高测量准确度不低于后者的两倍。

本发明可应用于光纤维通信线路的安装、保养和预防性维护中。

Claims (2)

1、光导纤维中反射光的光损测定方法包括向第1级光导管输入探测光脉冲，测定从第1级光导管输出端面反射的脉冲能量N₁、无空气隙地对接第1级和第2级光导管、相应地测定从第1级和第2级光导管的输出端面和输入端面之间的空气隙反射的脉冲能量N₂、测定从第2级光导管输出端面反射的脉冲能量N₃、並按照下式计算第2级光导管中的光损：

2μl₂=2ln(N₂-N₁)-1nN₁-1nN₃

该方法的特征是以提高该方法的通用性为目的，保证能够测定由任意数量相连接的且有最少空气隙的光导管中的第任意i级光导管中的光损，以及能够测定第i-1级和第i级光导管无空气隙连接处(第i个接头处)的光损。以及第i-1级光导管输出端面反射的辐射脉冲分分量的能量或总功率的形式测定信号N₁；相应地以从第i-1级和第i级光导管的有最小空气隙的对接端面反射的脉冲分量的能量和总功率的形式测定信号N₂；以从第i级光导管的输出端面反射的脉冲分量的能量或总功率的形式测定信号N₃；在按照式(1)计算出长为l的整个第i级光导管中的光损μi之后，无空气隙地连接第i-1级和第i级光导管，测定从构成整体光导管的输出端面反射的脉冲分量的能量或总功率N₄；並根据下式计算第i接头处的光损Ki：

Ki=10lg 1/(τi) =(-4.343μili)(5lgN₁-5lgN₄)=10lgN₁-10lg(N₂-N₁)+5lgN₃-5lgN₄

式中τi-第i接头的透过系数；

l₂-第2级光导管的长度。

2、根据权利要求1所述的光导纤维中反射光的光损测定方法，其特征为以提高该方法的通用性为目的，保证能够测定光导管的无空气隙接头处的光损。在计算出长为1的被测光导管中的光损μ之后，无空气隙地将无载光导管和被测光导管连接起来，测定从构成整体光导管的输出端面反射的脉冲能量或总功率N₄，並按照下式计算接头处的光损K：

K＝10lg (l)/(τ) ＝（-4.343μl）（51gN₁-51gN₄）＝10lgN₁-101g（N₂-N₁）+51gN₃-5lgN₄

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