CN109813535A - 基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统及其测量方法，所述测量系统与待探测光纤连接，所述测量系统包括依次连接的脉冲激光器、定向耦合器、分光器、光电探测器、高速信号采集器、主控计算机和激光器驱动电路，所述激光器驱动电路还与高速信号采集器及脉冲激光器连接，所述待探测光纤与所述定向耦合器连接，所述主控计算机控制激光器驱动电路和高速信号采集器并进行数据处理和结果报告，所述光电探测器探测待探测光纤通过拉曼散射反射回来的光。本发明可以大幅提高测量精度，并排除温度等干扰项；在探测光纤损耗分布的同时，可以实时监测其温度分布。
Description
技术领域：
本发明属于光纤通讯技术领域，特别涉及基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统及其测量方法。
背景技术：
随着无源光网络(PON)等短途光通信系统在小区、楼宇等处使用得越来越多，光纤中的各种因素引起的损耗也越来越多，越来越难以避免，在这种短程(约几公里到几十公里)网路密集复杂的光纤系统中，光纤布设和使用中能够及时准确地测量给出整根光纤上的损耗分布图也显得越来越重要，其定位精度要求也越来越高。尤其在光纤布设完成后经常因为人类活动或其他环境因素导致某个或某些点的光纤损耗发生较大变化甚至发生光纤断裂，这时就需要能够及时、准确地测量和定位出异常光纤损耗点或者光纤故障点。
当前测量光纤分布式损耗常用的办法是OTDR(光时域反射仪)，其原理是利用脉冲激光在光纤中的瑞利散射测量反射回来的光，根据反射回来的时间差和光功率大小给出距发射点不同距离处的光损耗。OTDR用于长途光通信网络中光纤损耗的测量有着很好的效果，其探测距离通常达到上百甚至上千公里，具有技术成熟度高、对光源和检测器要求低、背向散射强度高等优点。但是在短途复杂环境下干扰较多，包括温度、震动等，都可能导致反射光的强度发生变化，造成误判。另外基于瑞利散射原理的OTDR的定位精度较差，通常只能达到几百米甚至几千米级别，而且在初始几十公里内测量不准确，因此本质上并不适宜用于短途复杂光纤系统所要求的短距离高精度检测。虽然人们通过加附加光纤、提高脉冲测量精度等办法加以改进，可以使用OTDR进行较短途的光纤故障定位，但是其精度仍然较差，往往需要配合其他措施或者人工进行更准确的故障定位；对于光纤并未发生断裂等大故障而只是损耗异常增大等情况，使用OTDR检测就更加困难了。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容：
本发明的目的在于提供基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统及其测量方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统，所述测量系统与待探测光纤连接，包括依次连接的脉冲激光器、定向耦合器、分光器、光电探测器、高速信号采集器、主控计算机和激光器驱动电路，所述激光器驱动电路还与高速信号采集器及脉冲激光器连接，所述待探测光纤与所述定向耦合器连接，所述主控计算机控制激光器驱动电路，所述光电探测器探测待探测光纤通过拉曼散射反射回来的光。
所述光电探测器的数量为1或2，所述高速信号采集器为单路或双路高速信号采集器，所述高速信号采集器采集待探测光纤通过拉曼散射反射回来的斯托克斯光或反斯托克斯光。
所述脉冲激光器的重复频率f满足条件f<v/2L，其中v是光在光纤中传播的速度，L指光纤长度，波长漂移不大于±0.5nm，功率输出稳定性在15min内部大于±0.05dB。
所述脉冲激光器的波长由待测光纤的长度决定，当待测光纤的长度＜0.5km时，脉冲激光器的波长为840nm；当待测光纤的长度为0.5-2.5km时，脉冲激光器的波长为1310nm；当待测光纤的长度＞2.5km时，脉冲激光器的波长为1550nm。
所述光电探测器选用雪崩二极管光电探测器，灵敏度高于nW量级，所述光电探测器的波长范围与所述脉冲激光器的波长相对应。
所述高速信号采集器和脉冲激光器的信号同步。
基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统的测量方法，所述光纤损耗分布测量如下：所述主控计算机控制激光器驱动电路和高速信号采集器，所述激光驱动电路驱动脉冲激光器，所述脉冲激光器发射脉冲激光后经过定向耦合器到待探测光纤中，光电探测器基于拉曼散射探测待探测光纤反射回来的斯托克斯光或反斯托克斯光后由高速信号采集器传送到主控计算机中进行数据处理和分析，计算出光纤损耗分布曲线。
所述光纤温度分布测量如下：采用斯托克斯光作为参考，反斯托克斯光作为信号光进行双通道解调，将两者在同一位置处的光强做比值，根据以下公式计算待探测光纤上不同位置处的温度分布：
其中k是玻尔兹曼常数，h是普朗克常数，Δν是谱线宽度。Nas(T)是温度T下的反斯托克斯光的光子数，NS(T)是温度T下斯托克斯光的光子数，二者分别正比于在对应波长位置处滤波后得到的光强(具体长度位置根据脉冲光背向散射返回的时间计算得到，这里未包括进公式)。反斯托克斯光和斯托克斯光的位置和温度无关，但是光强随温度变化而变化，尤其反斯托克斯光的光强随温度变化很大，利用滤波器检出这两路光后进行光电转换测量其光强，就可计算出相应的温度信息。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明基于拉曼散射下反射回来的斯托克斯光和反斯托克斯光，采用高速信号采集器采集斯托克斯光和反斯托克斯光并用主控计算机进行比较计算，由于斯托克斯光和反斯托克斯光在测量时受温度、震动等各种环境或随机干扰的影响有不同的表现，但两者对于损耗或断裂等故障所引起的反射光在某一点的急剧变化一致，可以有效排除测量过程中温度、震动等干扰，提高测量的精确性；并且在探测光纤损耗分布的同时，可以实时监测其温度分布。
附图说明：
图1为本发明的实施例1的基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统的示意图；
图2为本发明的实施例2的基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统的示意图；
附图标记：1-脉冲激光器、2-定向耦合器、3-分光器、4-光电探测器、41-光电探测器一、42-光电探测器二、5-高速信号采集器、6-主控计算机、7-激光器驱动电路、8-待探测光纤。
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
实施例1：
如图1所示，基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统，所述测量系统与待探测光纤连接，包括依次连接的脉冲激光器1、定向耦合器2、分光器3、光电探测器一41、光电探测器二42、双路高速信号采集器5、主控计算机6和激光器驱动电路7，所述激光器驱动电路7还与双路高速信号采集器5及脉冲激光器1连接，所述待探测光纤8与所述定向耦合器2连接，所述主控计算机6控制激光器驱动电路7，所述光电探测器一41探测待探测光纤8通过拉曼散射反射回来的斯托克斯光，所述光电探测器二42探测待探测光纤8通过拉曼散射反射回来的反斯托克斯光。
所述脉冲激光器1的重复频率f满足条件f<v/2L，其中v是光在光纤中传播的速度，L指光纤长度，波长漂移不大于±0.5nm，功率输出稳定性在15min内部大于±0.05dB；所述脉冲激光器1的波长由待测光纤的长度决定，当待测光纤的长度＜0.5km时，脉冲激光器1的波长为840nm，当待测光纤的长度为0.5-2.5km时，脉冲激光器1的波长为1310nm，当待测光纤的长度＞2.5km时，脉冲激光器的波长为1550nm；脉冲激光器1的峰值功率也由待探测光纤的长度决定并在一定范围内可调，通常在5W-30W可调，过低反射信号过小，过高易损伤且成本高，脉宽由空间分辨率要求决定，通常典型值在1ns-100ns范围内，对应<1m空间分辨率要求脉宽<10ns。
所述光电探测器一41、光电探测器二42选用雪崩二极管光电探测器，灵敏度高于nW量级，所述述光电探测器一41、光电探测器二42的波长范围与所述脉冲激光器1的波长相对应。
所述双路高速信号采集器5和脉冲激光器1的信号同步。
其工作原理如下：主控计算机6控制激光器驱动电路7和双路高速信号采集器5，激光驱动电路7驱动脉冲激光器1，脉冲激光器1发射脉冲激光后经过定向耦合器2到待探测光纤8中，光电探测器一41和光电探测器二42基于拉曼散射探测待探测光纤8反射回来的斯托克斯光和反斯托克斯光后由双路高速信号采集器5传送到主控计算机6中进行数据处理和分析，计算出光纤损耗分布曲线，由于在探测过程中所探测的反射光会受到温度、震动等各种环境或随机干扰的影响，它们对斯托克斯光和反斯托克斯光的影响程度和机制有所不同，所以所测得的斯托克斯光和反斯托克斯光在同一位置上的变化会有所不同；但光纤损耗或断裂等故障所引起的反射光在某一点的急剧变化对于斯托克斯光和反斯托克斯光的影响则是一致的，因此通过斯托克斯光和反斯托克斯光二者光信号的对比可以有效排除温度、震动等各种环境的干扰，精确的探测和定位带探测光纤的损耗或故障。
另一方面，利用斯托克斯散射光作为参考，反斯托克斯散射光作为信号光进行双通道解调，将两者在同一位置处的光强做比值，就可以解调计算得到整根光纤上不同位置处的温度分布，如下公式所示：
其中k是玻尔兹曼常数，h是普朗克常数，Δν是谱线宽度，而Nas(T)是温度T下的反斯托克斯光的光子数，NS(T)是温度T下斯托克斯光的光子数，二者分别正比于在对应波长位置处滤波后得到的光强(具体长度位置根据脉冲光背向散射返回的时间计算得到，这里未包括进公式)。反斯托克斯光和斯托克斯光的位置和温度无关，但是光强随温度变化而变化，尤其反斯托克斯光的光强随温度变化很大，利用滤波器检出这两路光后进行光电转换测量其光强，就可计算出相应的温度信息。
利用斯托克斯光作为参考，能够在很大程度上减少系统的共模噪声，比如脉冲激光器工作不稳定造成的光源功率起伏，且两者值在一个数量级容易处理数据；虽然会在长距离上导致色散问题，不过利用相应的补偿算法也可以进行修正。
从原理上来说，本发明既可以用于短途复杂情况的光纤系统的损耗和温度曲线的测量，也可以用于长途光纤系统的测量，只需要根据本发明的工作原理对器件的工作参数做相应的调整。
实施例2
如图2所示，基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统，所述测量系统与待探测光纤连接，包括依次连接的脉冲激光器1、定向耦合器2、分光器3、光电探测器4、单路高速信号采集器5、主控计算机6和激光器驱动电路7，所述激光器驱动电路7还与单路高速信号采集器5及脉冲激光器1连接，所述待探测光纤8与所述定向耦合器2连接，所述主控计算机6控制激光器驱动电路7，所述光电探测器4探测待探测光纤8通过拉曼散射反射回来的斯托克斯光。
所述脉冲激光器1的重复频率f满足条件f<v/2L，其中v是光在光纤中传播的速度，L指光纤长度，波长漂移不大于±0.5nm，功率输出稳定性在15min内部大于±0.05dB；所述脉冲激光器1的波长由待测光纤的长度决定，当待测光纤的长度＜0.5km时，脉冲激光器1的波长为840nm，当待测光纤的长度为0.5-2.5km时，脉冲激光器1的波长为1310nm，当待测光纤的长度＞2.5km时，脉冲激光器的波长为1550nm；脉冲激光器1的峰值功率也由待探测光纤的长度决定并在一定范围内可调，通常在5W-30W可调，过低反射信号过小，过高易损伤且成本高，脉宽由空间分辨率要求决定，通常典型值在1ns-100ns范围内，对应<1m空间分辨率要求脉宽<10ns。
所述光电探测器4选用雪崩二极管光电探测器，灵敏度达≥nW量级，所述述光电探测器4的波长范围与所述脉冲激光器1的波长相对应。
所述单路高速信号采集器5和脉冲激光器1的信号同步。
其工作原理如下：主控计算机6控制激光器驱动电路7和单路高速信号采集器5，激光驱动电路7驱动脉冲激光器1，脉冲激光器1发射脉冲激光后经过定向耦合器2到待探测光纤8中，光电探测器4基于拉曼散射探测待探测光纤8反射回来的斯托克斯光由单路高速信号采集器5传送到主控计算机6中进行数据处理和分析，计算出光纤损耗分布曲线。
从原理上来说，本发明既可以用于短途复杂情况的光纤系统的损耗也可以用于长途光纤系统的测量，只需要根据本发明的工作原理对器件的工作参数做相应的调整。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (8)
1.基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统，所述测量系统与待探测光纤连接，其特征在于：包括依次连接的脉冲激光器、定向耦合器、分光器、光电探测器、高速信号采集器、主控计算机和激光器驱动电路，所述激光器驱动电路还与高速信号采集器及脉冲激光器连接，所述待探测光纤与所述定向耦合器连接，所述主控计算机控制激光器驱动电路和高速信号采集器并进行数据处理和结果报告，所述光电探测器探测待探测光纤通过拉曼散射反射回来的光。
2.根据权利要求1所述的基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统，其特征在于：所述光电探测器的数量为1或2，所述高速信号采集器为单路或双路高速信号采集器，所述高速信号采集器采集待探测光纤通过拉曼散射反射回来的斯托克斯光或反斯托克斯光。
3.根据权利要求1所述的基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统，其特征在于：所述脉冲激光器的重复频率f满足条件f<v/2L，其中v是光在光纤中传播的速度，L指光纤长度，波长漂移不大于±0.5nm，功率输出稳定性在15min内部大于±0.05dB。
4.根据权利要求1所述的基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统，其特征在于：所述脉冲激光器的波长由待测光纤的长度决定，当待测光纤的长度＜0.5km时，脉冲激光器的波长为840nm；当待测光纤的长度为0.5-2.5km时，脉冲激光器的波长为1310nm；当待测光纤的长度＞2.5km时，脉冲激光器的波长为1550nm。
5.根据权利要求1所述的基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统，其特征在于：所述光电探测器选用雪崩二极管光电探测器，灵敏度高于nW量级，所述光电探测器的波长范围与所述脉冲激光器的波长相对应。
6.根据权利要求1所述的基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统，其特征在于：所述高速信号采集器和脉冲激光器的信号同步。
7.基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统的测量方法，其特征在于：所述光纤损耗分布测量如下：所述主控计算机控制激光器驱动电路和高速信号采集器，所述激光驱动电路驱动脉冲激光器，所述脉冲激光器发射脉冲激光后经过定向耦合器到待探测光纤中，光电探测器基于拉曼散射探测待探测光纤反射回来的斯托克斯光或反斯托克斯光后由高速信号采集器传送到主控计算机中进行数据处理和分析，计算出光纤损耗分布曲线。
8.根据权利要求7所述的基于拉曼散射的分布式光纤损耗测量系统的测量方法，其特征在于：所述光纤温度分布测量如下：采用斯托克斯光作为参考，反斯托克斯光作为信号光进行双通道解调，将两者在同一位置处的光强做比值，根据以下公式计算待探测光纤上不同位置处的温度分布：
其中Nas(T)是温度T下的反斯托克斯光的光子数，NS(T)是温度T下斯托克斯光的光子数,k是玻尔兹曼常数，h是普朗克常数，Δν是谱线宽度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20190528 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |