CN107196731B - 一种用于potdr分布式光纤传感的光纤复用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，包括第一、二通信光模块，第一、二光分合波器，传感光波形发生器，传感光源，光环行器，反射器，偏振态检偏器，传感光探组，传感信号滤波放大模块以及POTDR分布式传感信号检测模块，第一、二光通信模块分别与第一、二光分合波器相连，第一、二光分合波器相连，传感光波形发生器连接传感光源，传感光源连接光环行器，光环行器的还同时连接第一光分合波器和偏振态检偏器，第二光分合波器连接反射器，偏振态检偏器、传感光探组、传感信号滤波放大模块、POTDR分布式传感信号检测模块依次相连。本发明在同一通信光纤中同时实现了光纤通信功能和光纤偏振传感功能。

Description

一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统

技术领域

本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统。

背景技术

光波是一种横波，具有偏振特性。光纤内光束的偏振状态对外界形变、振动、温度等变化较为敏感。通过检测光纤内光束偏振状态的变化，可以测定形变、振动、温度等外界环境的变化。

光纤的偏振传感不仅可以用于各类型的安全防范区域的入侵检测，也可用与通信光缆、电力电缆的的偏振敏感量的检测。但是，通信光缆与电力电缆中光纤资源非常宝贵。在光纤偏振传感系统在组网需要借用传感用途纤芯来实现传感网络中传感节点的传感数据传输以收集，这需要占用宝贵的光纤资源。如果不单独设置传感用途的光纤，节省出来的光纤闲置纤芯可以用来承载更多的通信任务。

申请号为201310455498.6的中国专利申请《具有通信和传感功能的光纤单元及其制造方法》中提出的是“光纤单元”，该单元包括“一根处于中心的紧包光纤传感单元和换向绞合在紧包光纤传感单元上的若干通信用预涂覆光纤及在外松套的光纤单元保护管”。这种光纤单元实质上是由多根不同类型的光纤构成的光缆，包括具有通信功能的光纤和具有传感功能的光纤，从而实现光纤光缆同时具有通信和传感功能。

申请号为201510816255.X的中国专利申请公开了一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，其能在一个光纤网络上实现通信和探测一体化应用，其需要在通信光纤链路上布设光栅传感器，布设光栅传感器会在通信链路上造成插入损耗。

申请号为200580042657.3的中国专利申请公开了《光反射器、光合分波器以及光系统》，其中提出了“能够在缓和光滤波器的严密性的同时提高光波长多路复用通信的性能的光反射器、光和分波器以及光系统”，但是该专利申请的目的是“提高光波长多路复用通信”。其进一步提出了一种特殊的光分合波器的实现形式。波分复用器(简称WDM)常见的有CWDM和DWDM两种，CWDM与DWDM的主要区别在于：相对于DWDM系统中0.2nm到1.2nm的波长间隔而言，CWDM具有更宽的波长间隔，业界通行的标准波长间隔为20nm。该本发明申请实质上是CWDM的一种实现方案，与普通的光分合波器不同。

现有的光纤传感技术一般都使用独立的纤芯资源用作光纤传感，传感网络中传感节点的传感数据只能借用其他的途径来传输与收集，用于传感的纤芯也不用作通用目的光纤通信。这样通信光缆或电力电缆中闲置纤芯的资源就可能难以被充分利用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其目的在于，通过巧妙的设置光学模块和元件，将多个光路巧妙的设置在同一系统中，由此实现了光纤通信功能和光纤偏振传感功能在相同的光纤中实现，提高光纤的利用效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，用于光纤通信与POTDR分布式光纤传感，其包括第一通信光模块、第一光分合波器、第二光分合波器、第二通信光模块、传感光波形发生器、传感光源、光环行器、反射器、偏振态检偏器或多偏振态检偏器、传感光探组、传感信号滤波放大模块以及POTDR分布式传感信号检测模块，其中，所述第一光通信模块与所述第一光分合波器的第一端口相连，所述第一光分合波器的第三端口与第二光分合波器的第一端口相连，所述第二光分合波器的第二端口连接所述第二通信光模块，所述传感光波形发生器的输出端连接所述传感光源的输入端，所述传感光源的输出端连接所述光环行器的第一端口，所述光环行器的第二端口连接所述第一光分合波器的第二端口，所述光环行器的第三端口以通信光纤连接所述偏振态检偏器的输入端，所述第二光分合波器的第三端口连接所述反射器，所述偏振态检偏器或多偏振态检偏器的输出端连接所述传感光探组的输入端，所述传感光探组的输出端连接所述传感信号滤波放大模块的输入端，所述传感信号滤波放大模块的输出端连接所述POTDR分布式传感信号检测模块。

进一步的，所述第一通信光模块用于发出或者接收设定波长λ1的通信光信号，所述传感光波形发生器用于产生电子脉冲，该电子脉冲用于激发所述传感光源发射出设定波长λ2的传感脉冲光，所述光环行器用于将来自所述传感光源的前向传感脉冲光传输至第一光分合波器，并将从第一光分合波器输出的背向传感脉冲光传输至偏振态检偏器，所述第一光分合波器用于将两种不同波长λ1与λ2的光束合并为同一光束，以生成波分复用光束，并反向将波分复用光束分解为不同波长λ1与λ2的两束光束，所述第二光分合波器用于将波分复用光束分解为不同波长λ1与λ2的两束光束，并反向将两种不同波长λ1与λ2的两束光束合并为波分复用光束，所述反射器用于将设定波长λ2的前向传感脉冲光沿原光路反射至所述光环行器，所述第二通信光模块用于接收或者发出设定波长λ1的通信光信号，所述偏振态检偏器或者多偏振态检偏器用于检测传感脉冲光的单个设定偏振角度的偏振光强度或多个设定偏振角的偏振光强度，所述传感光探组用于探测并接受来自所述偏振态检偏器的单个或多个偏振角度的偏振光，并分别将其转化为电流信号，所述传感信号滤波放大模块用于接受来自所述传感光探组的表示单个或多个偏振角度的偏振光的电压信号，并对其进行信号的滤波放大，以获得波形经过整形的表示单个或多个偏振角度的偏振光的电压信号，所述POTDR分布式传感信号检测模块用于对所述经过整形的表示单个或多个偏振角度的偏振光的电压信号的变化与时间特性进行检测分析，以检测光链路上振动、形变或者温度变化的发生以及发生的实际位置。

进一步的，所述第一光分合波器和所述第二光分合波器结构相同，所述第一光分合波器和所述第二光分合波器均包含分合波波长分别为λ1与λ2的两个分波端口，所述第一光分合波器和所述第二光分合波器在系统中对称设置，且在该两个分合波器的合波端口间以通信光纤相连。

进一步的，所述光环行器环形端口数目大于或等于3，其光环行方向依次为第一端口、第二端口、第三端口直到最后一个端口。

进一步的，采用分光器替换所述光环行器，所述分光器的第一输出端口连接所述传感光源，所述分光器的输入端口连接所述第一光分合波器，所述分光器的第二输入端口连接所述偏振态检偏器，所述分光器用于将前向传感脉冲光传输至第一光分合波器，还用于将背向传感脉冲光传输至所述偏振态检偏器。

进一步的，采用光耦合器替换所述光环行器，所述光耦合器的第一端口连接所述传感光源，所述光耦合器的第三端口连接所述第一光分合波器，所述光耦合器的第二端口连接所述偏振态检偏器，所述光耦合器第四端口尾纤直接剪断并悬空，所述光耦合器用于将前向传感脉冲光传输至第一光分合波器，还用于将背向传感脉冲光传输至所述偏振态检偏器。

进一步的，所述第一分光器的分光比任意分光比，优选分光比为50:50。

进一步的，光耦合器的耦合比例为任意耦合比，优选耦合比为50:50。

进一步的，所述第一通信光模块与所述第一光分合波器间、所述第一光分合波器与所述第二光分合波器间、所述第二光分合波器与所述第二通信光模块间、所述传感光源与所述光环行器、所述光环行器与所述第一光分合波器间均以通信光纤相连通，所述第二分合波器与所述第反射器间以通信光纤相连通。

进一步的，所述第二分光器与所述偏振态检偏器间、所述偏振态检偏器与所述传感光探组间均以通信光纤相连,所述传感光探组与所述传感信号滤波放大模块间、所述传感信号滤波放大模块与所述POTDR分布式传感信号检测模块间均以电路相连通。

进一步的，所述第一通信光模块和所述第二通信光模块的结构完全相同。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

将直流传感光和通信光两种不同的光复合成波分复用光，虽然将两束不同波长的光复合成一束波分复用光不足为奇，但是，本发明装置中，设置了传感光波形发生器、传感光源、光环行器、以及后续的反射器、偏振态检偏器或多偏振态检偏器、传感光探组、传感信号滤波放大模块以及POTDR分布式传感信号检测模块，以上模块或元器件巧妙的连接在一起，以传感光波形发生器产生电子脉冲，以激发传感光源产生传感脉冲光，以传感脉冲光和通信光复合成波分复用光束，波分复用光束在长距离的传输过程中会因为温度、振动或者变形而发生偏振态的变化，在终端设置反射器，利用反射器又将传感脉冲光反射回来，进而再经过光环行器将传感脉冲光传输给后续的偏振态检偏器或多偏振态检偏器、传感光探组、传感信号滤波放大模块以及POTDR分布式传感信号检测模块，以对脉冲传感光进行后续的分析处理，从而检测获得光链路上振动、形变或者温度等变化的发生以及发生的实际位置。本发明申请巧妙地将多个光学元器件或者模块有机连接在一起，成功将光纤通信功能和光纤偏振传感功能在相同的光纤中实现，提高光纤的利用效率。

本发明采用偏振检测的光纤传感技术，直接使用通信用途的单模或多模光纤完成偏振敏感量的检测，不需要使用专用的传感光纤如保偏光纤，也不需要在传感点上耦合光栅传感器，本发明提供了低成本的光缆或电力电缆线路的分布式传感能力。

附图说明

图1是本发明实施例中用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例中用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统的结构示意图，本发明的用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统用于光纤通信与POTDR分布式光纤传感，由图可知，其包括第一通信光模块、第一光分合波器、第二光分合波器、第二通信光模块、传感光波形发生器、传感光源、光环行器、反射器、偏振态检偏器或多偏振态检偏器、传感光探组、传感信号滤波放大模块以及POTDR分布式传感信号检测模块。

其中，所述第一光通信模块与所述第一光分合波器的第一端口相连，所述第一光分合波器的第三端口与第二光分合波器的第一端口相连，所述第二光分合波器的第二端口连接所述第二通信光模块，所述传感光波形发生器的输入端连接所述传感光源的输入端，所述传感光源的输出端连接所述光环行器的第一端口，所述光环行器的第二端口连接所述第一光分合波器的第二端口，所述光环行器的第三端口以通信光纤连接所述偏振态检偏器的输入端，所述第二光分合波器的第三端口连接所述反射器，所述偏振态检偏器或多偏振态检偏器的输出端连接所述传感光探组的输入端，所述传感光探组的输出端连接所述传感信号滤波放大模块的输入端，所述传感信号滤波放大模块的输出端连接所述POTDR分布式传感信号检测模块。

更详细的，所述第一通信光模块用于发出或者接收设定波长λ1的通信光信号，所述传感光波形发生器用于产生电子脉冲，该电子脉冲用于激发所述传感光源发射出设定波长λ2的传感脉冲光，所述光环行器用于将来自所述传感光源的前向传感脉冲光传输至第一光分合波器，并将从第一光分合波器输出的背向传感脉冲光传输至偏振态检偏器，所述第一光分合波器用于将两种不同波长λ1与λ2的光束合并为同一光束，以生成波分复用光束，并反向将波分复用光束分解为不同波长λ1与λ2的两束光束，所述第二光分合波器用于将波分复用光束分解为不同波长λ1与λ2的两束光束，并反向将两种不同波长λ1与λ2的两束光束合并为波分复用光束，所述反射器用于将设定波长λ2的前向传感脉冲光沿原光路反射至所述光环行器，所述第二通信光模块用于接收或者发出设定波长λ1的通信光信号，所述偏振态检偏器或者多偏振态检偏器用于检测传感脉冲光的单个设定偏振角度的偏振光强度或多个设定偏振角的偏振光强度，所述传感光探组用于探测并接受来自所述偏振态检偏器的单个或多个偏振角度的偏振光，并分别将其转化为电流信号，所述传感信号滤波放大模块用于接受来自所述传感光探组的表示单个或多个偏振角度的偏振光的电压信号，并对其进行信号的滤波放大，以获得波形经过整形的表示单个或多个偏振角度的偏振光的电压信号，所述POTDR分布式传感信号检测模块用于对所述经过整形的表示单个或多个偏振角度的偏振光的电压信号的变化与时间特性进行检测分析，以检测光链路上振动、形变或者温度变化的发生以及发生的实际位置。

在本发明的又一个实施例中，所述第一光分合波器和所述第二光分合波器结构相同，所述第一光分合波器和所述第二光分合波器均包含分合波波长分别为λ1与λ2的两个分波端口，所述第一光分合波器和所述第二光分合波器在系统中对称设置，且在该两个分合波器的合波端口间以通信光纤相连。

在本发明的又一个实施例中，采用分光器替换所述光环行器，所述分光器的第一输出端口连接所述传感光源，所述分光器的输入端口连接所述第一光分合波器，所述分光器的第二输入端口连接所述偏振态检偏器，所述分光器用于将前向传感脉冲光传输至第一光分合波器，还用于将背向传感脉冲光传输至所述偏振态检偏器。所述第一分光器的分光比任意分光比，优选分光比为50:50。

在本发明的又一个实施例中，采用光耦合器替换所述光环行器，所述光耦合器的第一端口连接所述传感光源，所述光耦合器的第三端口连接所述第一光分合波器，所述光耦合器的第二端口连接所述偏振态检偏器，所述光耦合器第四端口尾纤直接剪断并悬空，所述光耦合器用于将前向传感脉冲光传输至第一光分合波器，还用于将背向传感脉冲光传输至所述偏振态检偏器。光耦合器的耦合比例为任意耦合比，优选耦合比为50:50。

在本发明的又一个实施例中，所述第一通信光模块与所述第一光分合波器间、所述第一光分合波器与所述第二光分合波器间、所述第二光分合波器与所述第二通信光模块间、所述传感光源与所述光环行器、所述光环行器与所述第一光分合波器间均以通信光纤相连通，所述第二分合波器与所述第反射器间以通信光纤相连通。所述第二分光器与所述偏振态检偏器间、所述偏振态检偏器与所述传感光探组间均以通信光纤相连,所述传感光探组与所述传感信号滤波放大模块间、所述传感信号滤波放大模块与所述POTDR分布式传感信号检测模块均以电路相连通。

本发明中，传感光波形发生器连接传感光源，传感光波形发生器为电子器件，其用于产生电子脉冲，该电子脉冲输出给传感光源，使传感光源得电以发出传感脉冲光。

为了更详细的理解本发明，下面从光路角度分析本发明申请巧妙地光路设计，其核心的光路具有两条：

第一条光路为:第一通信光模块→光合波器→光分波器→第二通信光模块，该条光路通过实现光通信功能。通信光在该条光路可双向传输。

第二条光路为：传感光波形发生器→传感光源→光环行器→光合波器→光分波器→反射器→光分波器→光合波器→光环行器→单偏振态检偏器或多偏振态检偏器→传感光探组或者传感光探组组→传感信号滤波放大模块→POTOR分布式传感信号检测模块，该条光路以脉冲光实现传感探测功能，由于是脉冲光，无需进行光强调制。脉冲光在该光路上是单向传输，以传感光波形发生器为起点，以POTOR分布式传感信号检测模块为终点。实际上，第二条光路在部分区段中路线是重叠的。

本发明申请巧妙采用波分复用技术，同一根光纤上同时实现了偏振传感和通信功能，在一根光纤上同时实现多种功能，无需布设新的光纤，使得传感纤芯用于光纤分布式传感的同时也可用于通用目的的数据传输，从而提高了传感光纤的利用率。本发明申请直接使用通信光纤作为偏振传感介质，不需在光纤通信链路上布设光栅传感器，消除了布设光栅传感器对通信链路造成的插入损耗。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其特征在于，用于光纤通信与POTDR分布式光纤传感，其包括第一通信光模块、第一光分合波器、第二光分合波器、第二通信光模块、传感光波形发生器、传感光源、光环行器、反射器、偏振态检偏器或多偏振态检偏器、传感光探组、传感信号滤波放大模块以及POTDR分布式传感信号检测模块，其中，

所述第一光通信模块与所述第一光分合波器的第一端口相连，

所述第一光分合波器的第三端口与第二光分合波器的第一端口相连，

所述第二光分合波器的第二端口连接所述第二通信光模块，

所述传感光波形发生器的输出端连接所述传感光源的输入端，所述传感光源的输出端连接所述光环行器的第一端口，所述光环行器的第二端口连接所述第一光分合波器的第二端口，所述光环行器的第三端口以光纤连接所述偏振态检偏器的输入端，

所述第二光分合波器的第三端口连接所述反射器，

所述偏振态检偏器或多偏振态检偏器的输出端连接所述传感光探组的输入端，

所述传感光探组的输出端连接所述传感信号滤波放大模块的输入端，

所述传感信号滤波放大模块输出端连接所述POTDR分布式传感信号检测模块。

2.如权利要求1所述的一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其特征在于，

所述第一通信光模块用于发出或者接收设定波长λ1的通信光信号，

所述传感光波形发生器用于产生电子脉冲，该电子脉冲用于激发所述传感光源发射出设定波长λ2的传感脉冲光，

所述光环行器用于将来自所述传感光源的前向传感脉冲光传输至第一光分合波器，并将从第一光分合波器输出的背向传感脉冲光传输至偏振态检偏器，

所述第一光分合波器用于将两种不同波长λ1与λ2的光束合并为同一光束，以生成波分复用光束，并反向将波分复用光束分解为不同波长λ1与λ2的两束光束，

所述第二光分合波器用于将波分复用光束分解为不同波长λ1与λ2的两束光束，并反向将两种不同波长λ1与λ2的两束光束合并为波分复用光束，

所述反射器用于将设定波长λ2的前向传感脉冲光沿原光路反射至所述光环行器，

所述第二通信光模块用于接收或者发出设定波长λ1的通信光信号，

所述偏振态检偏器或者多偏振态检偏器用于检测传感脉冲光的单个设定偏振角度的偏振光强度或多个设定偏振角的偏振光强度，

所述传感光探组用于探测并接受来自所述偏振态检偏器或者多偏振态检偏器的单个或多个偏振角度的偏振光，并分别将其转化为电流信号，

所述传感信号滤波放大模块用于接受来自所述传感光探组的表示单个或多个偏振角度的偏振光的电压信号，并对其进行信号的滤波放大，以获得波形经过整形的表示单个或多个偏振角度的偏振光的电压信号，

所述POTDR分布式传感信号检测模块用于对所述经过整形的表示单个或多个偏振角度的偏振光的电压信号的变化与时间特性进行检测分析，以检测光链路上振动、形变或者温度变化的发生以及发生的实际位置。

3.如权利要求2所述的一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其特征在于，所述第一光分合波器和所述第二光分合波器结构相同，所述第一光分合波器和所述第二光分合波器均包含分合波波长分别为λ1与λ2的两个分波端口，

所述第一光分合波器和所述第二光分合波器在系统中对称设置，且在该两个分合波器的合波端口间以通信光纤相连。

4.如权利要求3所述的一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其特征在于，所述光环行器环形端口数目大于或等于3，其光环行方向依次为第一端口→第二端口→第三端口。

5.如权利要求1所述的一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其特征在于，采用分光器替换所述光环行器，所述分光器的第一输出端口连接所述传感光源，所述分光器的输入端口连接所述第一光分合波器，所述分光器的第二输出端口连接所述偏振态检偏器或者多偏振态检偏器，所述分光器用于将前向传感脉冲光传输至第一光分合波器，还用于将背向传感脉冲光传输至所述偏振态检偏器或者多偏振态检偏器。

6.如权利要求1所述的一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其特征在于，采用光耦合器替换所述光环行器，所述光耦合器的第一输入端口连接所述传感光源，所述光耦合器的第一输出端口连接所述第一光分合波器，所述光耦合器的第二输入端口连接所述偏振态检偏器，所述光耦合器第二输出端口尾纤剪断并悬空，所述光耦合器用于将前向传感脉冲光传输至第一光分合波器，还用于将背向传感脉冲光传输至所述偏振态检偏器或者多偏振态检偏器。

7.如权利要求5所述的一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其特征在于，所述分光器的分光比任意分光比，分光比为50:50。

8.如权利要求6所述的一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其特征在于，光耦合器的耦合比例为任意耦合比。

9.如权利要求1-4之一所述的一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其特征在于，所述第一通信光模块与所述第一光分合波器间、所述第一光分合波器与所述第二光分合波器间、所述第二光分合波器与所述第二通信光模块间、所述传感光源与所述光环行器、所述光环行器与所述第一光分合波器间均以通信光纤相连通，所述第二光分合波器与所述反射器间以通信光纤相连通。

10.如权利要求9所述的一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其特征在于，所述第二光分合波器与所述偏振态检偏器间、所述偏振态检偏器与所述传感光探组间均以光纤相连，所述传感光探组与所述传感信号滤波放大模块间、所述传感信号滤波放大模块与所述POTDR分布式传感信号检测模块间均以电路相连通。

11.如权利要求6所述的一种用于POTDR分布式光纤传感的光纤复用系统，其特征在于，光耦合器的耦合比例为50:50。