CN105721048B - 一种复合型光纤通信线路故障监测方法及系统 - Google Patents
一种复合型光纤通信线路故障监测方法及系统 Download PDFInfo
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- H04B10/071—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using a reflected signal, e.g. using optical time domain reflectometers [OTDR]
Abstract
本发明公开了一种复合型光纤通信线路故障监测系统，包括主激光器模块(1)、第一至四光耦合器、脉冲调制+扰偏控制模块(4)、混沌激光信号生成控制模块(5)、第一、二波分复用器(7、11)、掺铒光纤放大器(EDFA)(8)、环形器(9)、多中继待测光纤通信线路(10)、平衡光电探测器模块(13)、第一光电探测器模块(14)、第二光电探测器模块(15)、数据采集模块(16)、数据分析处理模块(17)和显示装置(18)；系统可以同时获得基于相干探测的分布式光时域传感监测方案和基于混沌光源的分布式光时域传感监测方案，在测试过程中同时对多中继待测光纤通信线路进行监测。本发明重复利用了系统中的绝大多数测量装置，提高了传感器件的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，涉及一种光纤通信线路故障监测方法及系统，尤其涉及一种适用于长距离、多中继放大的海底通信光缆健康监测的新复合型光纤通信线路故障监测方法及系统。
背景技术
传统的光纤通信线路故障监测通常是使用光时域反射仪(OTDR)或相干光时域反射仪(COTDR)，且COTDR尤其适用于长距离、多中继放大的海底通信光缆健康监测。
以上两种技术通常是光源端发射探测光脉冲，通过监测反射/散射回探测端光信号的功率来得到故障点的距离、损耗等参数信息。当光纤通信线路距离较长、中继较多时，需要的探测脉冲周期也相对变大，如果想获得较高的空间分辨率，脉宽又需尽可能的小，对于长距离海底通信光缆来说，其需要的探测光脉冲的占空比极小，以1.2万公里的海底光缆为例，脉冲周期至少需120毫秒，分辨率是1公里时脉宽为10微秒，占空比不足万分之一。可见探测系统中非噪声基底信号的缺失时间是相当长的，而线路中通常会在几十公里至一百公里左右使用一个掺铒光纤放大器作为中继放大器，低占空比的光脉冲在掺铒光纤放大器(EDFA)中被放大时，会由于EDFA的瞬态效应而形成严重的光浪涌，从而导致光脉冲严重变形，这种畸变极有可能击毁EDFA。
对于光浪涌的抑制，1995年，Shin-ichi Furukawa,等人提出的使用互补填充光脉冲的方法，探测光脉冲和填充光脉冲分别对应各自的激光器和脉冲调制器，再利用光耦合器或波分复用器将二者合为一路准连续光，这种准连续光能很好地抑制光浪涌，但是系统中填充光脉冲的信号仅仅只能抵制光浪涌，不能作为探测信号使用，对于整个系统来说实属资源浪费；2004年，Evangelides Stephen等人提出一种基于频率脉冲扫频的相干光时域反射仪方案，该方法中脉冲的频率随时间不断变化但光功率是不变的，这种光信号打入光纤线路后也可以抑制EDFA的瞬态效应从而避免光浪涌，但因频率脉冲是变化的，为使探测光与本振光产生的相干中频信号稳定，因此本振光的频率也相应改变，另外，扫频并未改变激光的连续性和激光线宽，该连续光的布里渊阈值很低，会限制频率脉冲的峰值功率从而限制COTDR的，波长的连续扫描控制，使系统的成本也较昂贵。2013年，吕立冬等人提出基于探测频率编码的相干光时域反射仪，它利用同一光源获得探测光和填充光以及频率恒定的本振光，而且探测光频率被按时序编码，从而提升测量的动态范围。但此方法对脉冲调制技术及后期数据处理技术要求较高，特别是后期数据处理过程中因需要解码，数据处理时间较长，降低了系统的实时性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的是，提出一种高灵敏度的新复合型分布式光纤通信线路故障监测方法，并基于这种方法提出一种融合相干光时域反射仪和混沌光时域反射仪的复合型分布式光纤通信线路故障监测方法及系统。
本发明的所述新复合型光纤通信线路故障监测方法及系统是指一套系统可以同时实现两种测量方案，一种是基于相干探测的分布式光时域传感方法(以下简称相干光时域反射仪)，另一种是基于混沌光信号的分布式光时域传感方法(以下简称混沌光时域反射仪)。系统中的混沌探测光信号既是探测信号又是COTDR的填充光，可充分抵制EDFA瞬态效应造成的光浪涌，并且此方法不影响系统测量的速度和动态范围，同时可获得两种方案的监测数据。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种复合型光纤通信线路故障检测方法及系统，包括主激光器模块(1)、第一光耦合器(2)、第二光耦合器(3)、脉冲调制+扰偏控制模块(4)、混沌激光信号生成控制模块(5)、第三光耦合器(6)、第一波分复用器(WDM1)(7)、掺铒光纤放大器(EDFA)(8)、环形器(9)、多中继待测光纤通信线路(10)、第二波分复用器(WDM2)(11)、第四光耦合器(12)、平衡光电探测器模块(13)、第一光电探测器模块(14)、第二光电探测器模块(15)、数据采集模块(16)、数据分析处理模块(17)和显示装置(18)；
光路连接方式如下：主激光器模块(1)的输出端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第一光耦合器(2)的输入端口，第一光耦合器(2)的第1输出端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第二光耦合器(3)的输入端口，第二光耦合器(3)的第1输出端口接包含2个输入端口、2个输出端口的第四光耦合器(12)的第1输入端口，第二光耦合器(3)的第2输出端口接脉冲调制+扰偏控制模块(4)的输入端口，脉冲调制+扰偏控制模块(4)的输出端口接包含2个输入端口、1个输出端口的第一波分复用器(WDM1)(7)的第1输入端口；第一光耦合器(2)的第2输出端口接混沌激光信号生成控制模块(5)的输入端口，混沌激光信号生成控制模块(5)的输出端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第三光耦合器(6)的输入端口，第三光耦合器(6)的第1输出端口接第一光电探测器模块(14)的输入端口，第三光耦合器(6)的第2输出端口接第一波分复用器(WDM1)(7)的第2输入端口；第一波分复用器(WDM1)(7)的输出端口接EDFA(8)的输入端口，EDFA(8)的输出端口接环形器(9)的第1端口，环形器(9)的第2端口接多中继待测光纤通信线路(10)，环形器(9)的第3端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第二波分复用器(WDM2)(11)；第二波分复用器(WDM2)(11)的第1输出端口与第四光耦合器(12)的第2输入端口相连，第四光耦合器(12)的两路输出端分别接平衡光电探测器模块(13)的两个光耦合输入端；平衡光电探测器模块(13)的差分输出端口连接数据采集模块(16)的第1输入端口；第二波分复用器(WDM2)(11)的第2输出端口与第二光电探测器模块(15)相连；第一、第二光电探测器模块的输出端口分别接数据采集模块(16)的第2、3输入端口；数据采集模块的输出端连接数据分析处理模块(17)；数据分析处理模块(17)的输出端口连接显示装置(18)。
进一步，系统基于波分复用器WDM的复用与解复用功能及混沌激光信号生成控制模块(5)可同时实现两种传感：基于相干探测的分布式光时域传感方法及系统(以下简称相干光时域反射仪)和基于混沌光源的分布式光时域传感方法及系统(以下简称混沌光时域反射仪)。其中，主激光器模块的输出信号除用于生成混沌激光信号外，还作为相干光时域反射仪的探测光源使用。
进一步，系统中混沌激光信号生成控制模块(5)中包含副激光器模块、偏振控制器模块、隔离器模块、环形器模块和放大器模块，用于产生混沌激光信号。
进一步，系统中主激光器模块(1)的输出信号与混沌激光信号生成控制模块(5)所生成的混沌激光信号的波长范围均位于光通信波段范围内，主激光器模块的输出波长与混沌激光信号生成控制模块中的副激光器模块的输出波长存在波长差，此波长差可通过WDM区分开来。
进一步，系统中的第一波分复用器(WDM1)(7)将脉冲调制+扰偏控制模块(4)输出的探测信号与第三光耦合器(6)的第2输出端口输出的探测信号合波后经环形器(9)送至待监测系统或经EDFA放大后再经环形器(9)送至多中继监测光纤通信线路(10)。
进一步，系统中的第二波分复用器(WDM2)(11)将相干光时域反射仪的监测信号与混沌光时域反射仪的监测信号分离后分别送至第四光耦合器(12)和第二光电探测器模块(15)。
当系统用于测量多中继光纤通信线路时，系统结构有三点调整，一是环形器(9)不再使用，二是第一波分复用器(WDM1)(7)输出端口接或经EDFA(8)放大后接待测光纤通信线路(10)的下行链路，三是第二波分复用器(WDM2)(11)的输入端口接待测光纤通信线路(10)的上行链路。
基于相干探测的分布式光时域传感方法和基于混沌光源的分布式光时域传感方法同时实现：
主激光器模块(1)发射的信号被第一光耦合器(2)分成两路；
第一光耦合器(2)的第一路输出被第二光耦合器(2)分为直流参考光和探测光信号两路；第一光耦合器的第2路输出接到混沌激光信号生成控制模块(5)；
第二光耦合器(3)输出的探测光(第2路输出)被脉冲调制+扰偏控制模块(4)调制成探测光脉冲，第二光耦合器(3)输出的参考光(第1路输出)接第四光耦合器(12)的其中第1输入端；
主激光器模块(1)与混沌激光信号生成控制模块(5)生成的混沌光信号进入第三光耦合器(6)；
第三光耦合器(6)将混沌信号将其分为混沌探测光和混沌参考光，混沌参考光经光纤由第一光电探测器模块(14)直接探测；
由第二光耦合器(3)的第2输出端输出的脉冲探测光和由第三光耦合器(6)的第2路输出端输出的混沌探测光被第一波分复用器(WDM1)(7)合波进入EDFA(8)放大后/或不经EDFA放大直接进入环形器(9)，后进入多中继待测光纤通信线路(10)；
多中继待测光纤通信线路(10)散射/反射回探测端的光信号经环形器(9)的第3端口进入第二波分复用器(WDM2)(11)并且被第二波分复用器(WDM2)(11)被分离，分离后探测光脉冲所形成的散射信号接第四光耦合器(12)的第2输入端，混沌信号生成的监测信号接第二光电探测器模块(15)模块；
第四光耦合器(12)的两输出信号分别送至平衡光电探测器模块(13)的两光耦合接入口；
平衡光电探测器模块(13)的差分输出信号、第一光电探测器模块(14)和第二光电探测器模块(15)的输出信号分别由数据采集模块(16)的第1、2、3输入端口进行采集；
数据采集模块(16)将电信号进行模数转换并存储后送到数据分析处理模块(17)；
数据分析处理模块(17)通过对数据进行放大、降噪、滤波等基本处理后对传感器的监测数据进行特征识别、关键点提取等分析处理找出相应的可疑故障点，并通过显示装置(18)，同时给出两种测量方法的监测结果。
从本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的新复合型光纤通信线路故障检测方法及系统，公开一种融合混沌光源和相干探测的新复合型光纤通信线路故障监测技术，系统可以同时获得两套测试方案，在监测过程中同时对多中继待测光纤通信线路进行监测。本发明的主激光器模块发出的信号被光耦合器一分为二，一部分作为相干光时域仪的探测信号源，另一部分作为混沌激光信号生成控制模块的注入光源。本发明使用波分复用/解复用器将两种光纤传感系统合二为一，既可实现基于混沌光源的分布式传感系统，又可实现基于相干探测的分布式光纤传感系统，另外，混沌光时域反射仪的探测信号又可作为相干光时域反射仪的填充光，抑制了传统相干光时域反射仪在监测长距离光纤线路过程中遇到的光浪涌现象，进而获得一种新复合型高灵敏度、高实时性、长传感距离的故障监测系统。两套测量方案重复利用了系统中的绝大多数测量装置，提高了传感器件的利用效率，两种测量方案共同对系统线路进行监测，可优化系统的检测灵敏度、传感距离、定位精度等参数指标，进而提高系统的实时监测效率。
本发明的有益效果，本发明克服已有技术方案的不足，在传统相干光时域反射仪的基础上只增加少量元件即能融合混沌光时域反射仪，能保证信号的质量，提高了系统的监测能力、监测效率并且节约了系统的成本。重复利用了系统中的绝大多数测量装置，提高了传感器件的利用效率。两种测量方案共同对系统线路进行监测，可明显优化系统的检测灵敏度、传感距离、定位精度等参数指标，排除误差，进而提高了监测系统的实时监测效率。
附图说明
图1为本发明中的新复合型光纤通信线路故障监测系统的结构框图。
图2是当本发明系统用于测量多中继光纤通信线路时，图1(9)(10)部件的替代结构。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的较佳实施例。
本发明的系统结构包括主激光器模块(1)、第一光耦合器(2)、第二光耦合器(3)、脉冲调制+扰偏控制模块(4)、混沌激光信号生成控制模块(5)、第三光耦合器(6)、第一波分复用器(WDM1)(7)、掺铒光纤放大器(EDFA)(8)、环形器(9)、多中继待测光纤通信线路(10)、第二波分复用器(WDM2)(11)、第四光耦合器(12)、平衡光电探测器模块(13)、第一光电探测器模块(14)、第二光电探测器模块(15)、数据采集模块(16)、数据分析处理模块(17)和显示装置(18)；其中2-1和2-2分别是第一光耦合器(2)的第1、第2输出口；(3-1和3-2)分别是第二光耦合器(3)的第1、第2输出口；6-1和6-2分别是第三光耦合器(6)的第1、第2输出口；7-1和7-2分别是第一波分复用器(WDM1)(7)的第1、第2输入口；9-1至9-3分别是环形器(9)的第1、第2、第3端口；11-1和11-2分别是第二波分复用器(WDM2)(11)的第1、第2输出口；12-1和12-2分别是第四光耦合器(12)的第1、第2输入口；16-1至16-3分别是数据采集模块(16)的第1、第2、第3输入端口。
本发明用于监测时的具体实施步骤如下：
系统光路连接方式如下：主激光器模块的输出端口(1)接包含1个输入端口、2个输出端口的第一光耦合器(2)的输入端口，第一光耦合器(2)的第1输出端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第二光耦合器(3)的输入端口，第二光耦合器(3)的第1输出端口接包含2个输入端口、2个输出端口的第四光耦合器(12)的其中一个输入端口，第二光耦合器(3)的第2输出端口接脉冲调制+扰偏控制模块(4)，脉冲调制+扰偏控制模块(4)接包含2个输入端口、1个输出端口的第一波分复用器(WDM1)(7)的第1输入端口；第一光耦合器(2)的第2输出端口接混沌激光信号生成控制模块(5)的输入端口，混沌激光信号生成控制模块(5)的输出端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第三光耦合器(6)的输入端口，第三光耦合器(6)的第1输出端口接第一光电探测器模块(14)，第三光耦合器(6)的第2输出端口接第一波分复用器(WDM1)(7)的第2输入端口；第一波分复用器(WDM1)(7)的输出端口接EDFA(8)，EDFA(8)的输出端口接环形器(9)的第1端口，环形器(9)的第2端口接多中继待测光纤通信线路(10)，环形器(9)的第3端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第二波分复用器(WDM2)(11)的输入端口；第二波分复用器(WDM2)(11)的第1输出端口与第四光耦合器(12)的另一输入端口相连，第四光耦合器(12)的两路输出端口分别接平衡光电探测器模块(13)的两个光耦合输入端口；平衡光电探测器模块(13)的差分输出端口连接数据采集模块(16)的第1输入端口；第二波分复用器(WDM2)(11)的第2输出端口与第二光电探测器模块(15)相连；第一、第二光电探测器模块的输出端口分别接数据采集模块(16)的第2、3输入端口；数据采集模块的输出端口连接数据分析处理模块(17)；数据分析处理模块(17)的输出端口连接显示装置(18)。
两种方法(基于相干探测的分布式光时域传感方法和基于混沌光源的分布式光时域传感方法)的监测过程同时实现。
监测步骤如下：
①主激光器模块(1)发射的信号被第一光耦合器(2)分成两路；
②第一光耦合器(2)的第1路输出被第二光耦合器(3)分为直流参考光和探测光信号两路；第一光耦合器的第2路输出到混沌激光信号生成控制模块(5)；
③第二光耦合器(3)输出的探测光(第2路输出)被脉冲调制+扰偏控制模块(4)调制成探测光脉冲，第二光耦合器(3)输出的参考光(第1路输出)送至第四光耦合器(12)的其中一个输入端；
④主激光器模块(1)与混沌激光信号生成控制模块(5)生成的混沌光信号经送至第三光耦合器(6)，
⑤第三光耦合器(6)将混沌信号将其分为混沌探测光和混沌参考光，混沌参考光经光纤由第一光电探测器模块(14)直接探测；
⑥由第二光耦合器(3)的第2输出端输出的脉冲探测光和由第三光耦合器(6)的第2路输出端输出的混沌探测光被第一波分复用器(WDM1)(7)合波进入光放大器(10)放大后/或不经放大直接进入环形器(9)，后进入多中继待测光纤通信线路(10)；
⑦多中继待测光纤通信线路(10)散射/反射回探测端的光信号经环形器(9)的第3端口进入第二波分复用器(WDM2)(11)并且被其被分离，分离后探测光脉冲的散射信号送至第四光耦合器(12)的另外一个输入端口，混沌信号送至第二光电探测器模块(15)模块。
⑧第四光耦合器(12)的两输出信号分别送至平衡光电探测器模块(13)的两个光耦合接入口；
⑨平衡光电探测器模块(13)的差分输出信号、第一光电探测器模块(14)和第二光电探测器模块(15)的输出信号分别由数据采集模块(16)的第1、2、3输入端口进行采集；
⑩数据采集模块(16)将电信号进行模数转换并存储后送到数据分析处理模块(17)；
数据分析处理模块(17)通过对数据进行放大、降噪、滤波等基本处理后对传感器的监测曲线进行特征识别、关键点提取等分析处理找出相应的可疑故障点，并通过显示装置(18)，同时给出两种测量方案的监测结果。
图2是当系统用于测量多中继光纤通信线路时，图1(9)(10)部件的替代结构，系统不再使用环形器(9)，第一波分复用器WDM1(7)输出端口接或经EDFA(8)放大后接待测光纤通信线路(10)的下行链路，第二波分复用器(WDM2)(11)的输入端口接待测光纤通信线路(10)的上行链路。
以上实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种复合型光纤通信线路故障监测系统，其特征是包括主激光器模块（1）、第一光耦合器（2）、第二光耦合器（3）、脉冲调制+扰偏控制模块（4）、混沌激光信号生成控制模块（5）、第三光耦合器（6）、第一波分复用器（WDM1、7）、掺铒光纤放大器EDFA（8）、环形器（9）、多中继待测光纤通信线路（10）、第二波分复用器（WDM2、11）、第四光耦合器（12）、平衡光电探测器模块（13）、第一光电探测器模块（14）、第二光电探测器模块（15）、数据采集模块（16）、数据分析处理模块（17）和显示装置（18）；
光路连接方式如下：主激光器模块（1）的输出端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第一光耦合器（2）的输入端口，第一光耦合器（2）的第1输出端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第二光耦合器（3）的输入端口，第二光耦合器（3）的第1输出端口接包含2个输入端口、2个输出端口的第四光耦合器（12）的第1输入端口，第二光耦合器（3）的第2输出端口接脉冲调制+扰偏控制模块（4）的输入端口，脉冲调制+扰偏控制模块（4）的输出端口接包含2个输入端口、1个输出端口的第一波分复用器（WDM1、7）的第1输入端口；第一光耦合器（2）的第2输出端口接混沌激光信号生成控制模块（5）的输入端口，混沌激光信号生成控制模块（5）的输出端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第三光耦合器（6）的输入端口，第三光耦合器（6）的第1输出端口接第一光电探测器模块（14）的输入端口，第三光耦合器（6）的第2输出端口接第一波分复用器（WDM1、7）的第2输入端口；第一波分复用器（WDM1、7）的输出端口接EDFA（8）的输入端口，EDFA（8）的输出端口接环形器（9）的第1端口，环形器（9）的第2端口接多中继待测光纤通信线路（10），环形器（9）的第3端口接包含1个输入端口、2个输出端口的第二波分复用器（WDM2、11）；第二波分复用器（WDM2、11）的第1输出端口与第四光耦合器（12）的第2输入端口相连，第四光耦合器（12）的两路输出端分别接平衡光电探测器模块（13）的两个光耦合输入端；平衡光电探测器模块（13）的差分输出端口连接数据采集模块（16）的第1输入端口；第二波分复用器（WDM2、11）的第2输出端口与第二光电探测器模块（15）相连；第一、第二光电探测器模块的输出端口分别接数据采集模块（16）的第2、3输入端口；数据采集模块的输出端连接数据分析处理模块（17）；数据分析处理模块（17）的输出端口连接显示装置（18）。
2.根据权利要求1所述的复合型光纤通信线路故障监测系统，其特征是主激光器模块（1）除作为混沌激光信号生成控制模块（5）的注入光源外，还作为相干光时域反射仪的探测光源使用。
3.根据权利要求1所述的复合型光纤通信线路故障监测系统，其特征在于系统中混沌激光信号生成控制模块（5）中包含副激光器模块、偏振控制器模块、隔离器模块、环形器模块和放大器模块。
4.根据权利要求1所述的复合型光纤通信线路故障监测系统，其特征在于系统中主激光器模块（1）的输出信号与混沌激光信号生成控制模块（5）所生成的混沌激光信号的波长范围均位于光通信波段范围内，主激光器模块的输出波长与混沌激光信号生成控制模块中的副激光器模块的输出波长存在波长差，此波长差可通过WDM区分开来。
5.根据权利要求1所述的复合型光纤通信线路故障监测系统，其特征在于系统中的第一波分复用器（WDM1、7）将脉冲调制+扰偏控制模块（4）输出的探测信号与第三光耦合器（6）的第2输出端口输出的探测信号合波后经环形器（9）送至待监测系统或经EDFA放大后再经环形器（9）送至多中继监测光纤通信线路（10）。
6.根据权利要求1所述的复合型光纤通信线路故障监测系统，其特征在于系统中的第二波分复用器（WDM2、11）将相干光时域反射仪的监测信号与混沌光时域反射仪的监测信号分离后分别送至第四光耦合器（12）和第二光电探测器模块（15）。
7.根据权利要求1所述的复合型光纤通信线路故障监测系统，其特征在于当系统用于测量多中继光纤通信线路时，系统结构有三点调整，一是环形器（9）不再使用，二是第一波分复用器（WDM1、7）输出端口接或经EDFA（8）放大后接待测光纤通信线路（10）的下行链路，三是第二波分复用器（WDM2、11）的输入端口接待测光纤通信线路（10）的上行链路。
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