CN110071762B - 一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法，属于光纤故障检测技术领域。本发明针对少模光纤仅利用基模背向瑞利散射进行故障检测所导致的灵敏度低的问题，无法准确有效实现少模光纤链路故障事件定位。提出了以少模光纤高阶模式背向瑞利散射为故障检测的评估标准，利用少模光纤高阶模式的高检测灵敏度特性，可实现对不同故障幅值损耗事件的有效表征，进而实现少模光纤链路故障事件的综合评估，为少模光纤链路简单、精确的故障检测提供了强有力保证。

Description

一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法

技术领域

本发明属于光纤故障检测技术领域，具体涉及一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法。

背景技术

近年来，随着移动互联网、物联网、云计算，大数据等带宽消耗型业务的不断涌现，对网络带宽的需求呈指数型增长。使得单模光纤(Single-Mode Fiber，SMF)通信系统已经不能满足目前通信容量的需求。为解决单模光纤系统带来的容量短缺的问题，基于少模光纤(Few-Mode Fiber，FMF)的模分复用技术(Mode Division Multiplexing,MDM)备受国内外学者瞩目。在FMF中，可通过有限个独立正交空间模式进行信号承载，实现多路信号独立并行传输，进而成倍的提升了系统的传输容量。随着大数据、云计算、人工智能等新技术、新业务和新生态的发展，为了满足大容量通信传输的迫切需求，大量部署传输容量更大的少模光纤是光网络发展的必然趋势，为保证基于少模光纤的光网络稳定可靠运行，迫切需要能够实现少模光纤链路简单、精确的故障检测技术。

目前针对光纤故障检测的方法主要有以下几个技术方案，如光时域反射仪(OTDR)、光频域反射仪(OFDR)、基于周期编码的光纤链路检测技术、混沌OTDR技术、传输反射分析技术等，这些方案均为针对单模光纤链路的故障检测。其中最为常见的光纤故障检测方案是使用单模OTDR，当使用单模OTDR实现少模光纤故障检测时，仅仅只能对少模光纤中的基模进行检测，无法实现其他空间模式的检测。并且由于基模的故障检测灵敏度低且故障损耗幅值过小，从而影响少模光纤的故障检测精准度。因此不能仅以基模作为评判少模光纤故障事件的检测标准。而高阶模式对故障事件具有较高检测灵敏度，易于识别故障位置。因此，为实现少模光纤链路简单、精确的故障检测。发明一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法是十分有意义的。

发明内容

本发明的目的是针对仅以基模作为评判少模光纤链路故障事件检测标准，无法准确有效实现少模光纤链路故障事件定位，且尚未存在对少模光纤链路的故障检测技术这一空白，提出了一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤链路故障检测方法，该方法通过对不同空间模式背向瑞利散射曲线进行少模光纤熔接点故障事件的特征表征，利用少模光纤高阶模式的高检测灵敏度特性，实现少模光纤链路不同故障幅值事件的准确评估，为少模光纤链路简单、精确的故障检测提供了强有力的保证。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法，具体步骤如下：

第一步：基于背向瑞利散射理论模型，搭建针对少模光纤链路的故障检测系统，所述系统包括光脉冲产生模块11、光路传输模块12、待测光纤模块13，光电探测模块14及数据处理模块15；该系统的工作过程如下：由光脉冲产生模块11产生光脉冲信号，然后经过光路传输模块12进行空间模式的转换，并注入到待测光纤模块13中；由于模式之间的耦合等因素作用，激发模式的部分光将耦合到非激发模，则激发模和非激发模在待测光纤模块13中产生的背向瑞利散射光将返回到光路传输模块12，进行空间模式的分离及光路传输；分离后的各个模式的背向瑞利散射光信号经光电探测模块14转换为电信号，最后进入数据处理模块15进行数据处理；

第二步：由数据处理模块15中的示波器对在少模光纤中每个位置返回的背向瑞利散射光信号的传输距离与背向瑞利散射光功率幅值数据进行采集，最终获得以传输距离z(km)和背向瑞利散射光功率P(dB)作为横纵坐标建立各个空间模式的背向瑞利散射曲线，并根据该曲线的故障幅值突变点来表征故障事件发生，从而完成对故障事件位置进行定位；

第三步：设背向瑞利散射曲线在传输距离z₀处产生故障幅值突变点，在传输距离z₀+Δz处曲线恢复了原来的衰减趋势，则通过公式PL_bsi＝P_bsi(z₀)-P_bsi(z₀+Δz)对不同熔接偏移量条件下的故障损耗值进行计算，其中Δz表示为故障损伤区间，P_bsi(z)表示在传输距离为z处的i模式的相对背向散射功率，PL_bsi表示i模式在故障位置处的功率损耗值；

第四步：通过公式

求解不同熔接偏移量条件下的各个空间模式的故障检测灵敏度；其中,MDS_i表示为i模式的故障检测灵敏度；

第五步：比较在相同熔接偏移量条件下的各空间模式的故障检测灵敏度(MDS₀₁、MDS₁₁、MDS₂₁…)的大小，并进行综合分析选择检测灵敏度高的空间模式背向散射曲线作为评判少摸光纤链路的故障事件的检测标准；

第六步：选用步骤五的高检测灵敏度的空间模式即高阶模式的背向散射曲线对少模光纤链路多故障事件进行检测，对曲线的幅值突变点进行定位，即光纤熔接故障处，最终可实现对少模光纤链路故障事件准确监测。

进一步地，所述的光脉冲产生模块11采用的是波长为1550nm的脉冲光源模块，此模块可产生峰值功率范围为10-40mv，脉冲宽度范围为10-1200ns，重复频率范围为1Hz-100kHz的光脉冲信号。

进一步地，所述光路传输模块12由模式转换器121、模式解复用器123和少模光纤环形器122组成，用于空间模式的转换及进行光路传输；其工作过程为：由光脉冲产生模块11产生的光脉冲信号进入模式转换器121进行空间模式转换得到激发模式，该激发模式由少模光纤环形器122的端口A进入并经端口B输出进入待测光纤模块13，在待测光纤模块13中产生背向瑞利散射光，该背向瑞利散射光经少模光纤环形器122的端口B返回并由端口C输出，然后进入模式解复用器123进行模式分离。

进一步地，所述待测光纤模块13是一段存在若干个故障点的待测少模光纤链路，用于进行少模光纤链路的多故障检测。

进一步地，所述数据处理模块15对光电探测模块14探测到的电信号进行数据的采集和处理，并通过上述步骤二获得到每个空间模式的背向瑞利散射曲线。

一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法，具体原理如下：

以三模光纤为例，设该少模光纤可支持三个空间模式为LP₀₁、LP_11a和LP_11b，且其横截面坐落在x，y轴的平面上，则每个空间模式的模场强度分布用高斯场和厄米-高斯场近似，E_mn为

其中，w₁和w₂分别为LP₀₁和LP₁₁模的高斯场和厄米-高斯场的光束半径。则熔接位置处的模式耦合效率可通过模式之间的电场强度分布的重叠积分估算得到，即

其中，d和θ代表各空间模式熔接时的轴向偏移量和偏移方向。耦合效率η_mn反映了某空间模式在熔接点处的功率损耗程度。即耦合效率η_mn越小，故障点的模式功率损耗越大，则更易于表征故障位置，反之亦然。

将三模光纤各模式的模场公式(1)(2)(3)带入公式(4)中，则LP₀₁及LP_11a、LP_11b模式在熔接点处的耦合效率仿真结果如图1与图2所示。由图1分析可知，由于基模LP₀₁的模场分布是轴对称的，因此在不同偏移角度下的耦合效率值一致，则偏移方向并不影响其耦合损耗。由图2所示，1号线、2号线、3号线的图分别表示偏移方向为0°、45°及90°条件下LP_11a模式的耦合损耗分布，LP_11b模式与之相反。由于其模场分布并非为轴对称且存在简并模式，其熔接时的偏移方向θ将严重影响模式的耦合损耗，导致其值的增大。因此在相同轴向偏移量时，η₀₁＞η₁₁。则导致当存在熔接故障时，高阶模式更容易对熔接故障点产生较大的耦合损耗，更易于表征故障位置。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明针对少模光纤仅利用基模背向瑞利散射进行故障检测所导致的灵敏度低的问题，以少模光纤高阶模式背向瑞利散射为故障检测的评估标准，凭借其高检测灵敏度，可实现对不同故障幅值损耗事件的有效表征，进而实现少模光纤链路故障事件的综合评估，为少模光纤链路简单、精确的故障检测提供了强有力保证。

附图说明

图1：不同轴向偏移量和偏移方向条件下LP₀₁模式的耦合效率仿真结果图

图2：不同轴向偏移量和偏移方向条件下LP_11a及LP_11b模式的耦合效率仿真结果图

图3：本发明所述的基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测系统的结构框图；

图4：光路传输模块12内部结构图；

图5：待测光纤模块13内部组成图；

图6：熔接偏移量为3um时的各空间模式的背向散射曲线测量结果图；

图7：熔接偏移量为3um时熔接点处各空间模式的局部放大图；图7(a)、7(b)、7(c)、7(d)、7(e)、7(f)分别表示为LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂模式在熔接故障处的局部放大图。

图8：不同熔接条件下各空间模式的检测灵敏度的变化特性曲线图；

图9：少模光纤链路A，B和C 3处位置熔接点故障事件的实验测量结果图；

图10：LP₀₂模式的不同故障位置处的放大处理结果图；图10(a)表示LP₀₂模式在故障点A处的局部放大图，图10(b)表示LP₀₂模式在故障点B、C处的局部放大图。

图中：光脉冲产生模块11、光路传输模块12、待测光纤模块13，光电探测模块14、数据处理模块15、模式转换器121、模式解复用器123、少模光纤环形器122。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的原理及方法、步骤，下面结合附图和具体实施方法对本发明进行进一步的详细描述。

实施例：如图3所示，使用少模光纤故障检测系统对本发明提出的方法进行实验验证。通过单端操作实现对少模光纤链路的故障检测。

在本实施例中，对光脉冲产生模块11的各项参数进行设置，产生合适的光脉冲，在本实施例中采用下述参数对六模阶跃光纤进行熔接点故障事件检测。则峰值功率为40mv，脉冲宽度为300ns，重复频率为4kHz的光脉冲信号。特别说明：脉冲宽度将会影响空间分辨率的大小，脉冲宽度越宽，空间分辨率越大，则故障点定位精度将会有所降低。

在本实施例中，光路传输模块12主要由模式转换器121、模式解复用器123、少模光纤环形器122组成，结构如图4所示。其中模式转换器121，模式解复用器123均具有LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂六个模式端口，可实现模式的转换和分离。少模光纤环形器122选用特制的1550nm波段的3端口(端口A、B、C)环形器，同样可支持6种空间模式。

在本实施例中，待测光纤模块13中的少模光纤选用截止波长为1325nm，基模模场直径为8.55μm的六模阶跃光纤，此光纤可支持LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b及LP₀₂六种模式。待测光纤模块13中有5个待测光纤链路如图5所示，其中，1号，2号，3号，4号待测光纤链路待测少模光纤链路长度为6km，并在2km左右处分别引入熔接偏移量为0.5um、1.5um、3um、4.5um的熔接点；用于高阶模式的高故障检测灵敏度特性的验证实验。5号待测光纤链路是一段存在若干个熔接故障点的待测少模光纤链路，长度为7.2km，分别在1km、3.1km以及3.2km左右距离处引入熔接点(即故障点A、B、C)，且3处熔接点的熔接质量存在一定的差异；此待测光纤用于利用所述方法对少模光纤链路多故障事件进行准确检测。

在本实施例中，首先对待测光纤模块13中的1-4号待测光纤进行实验，验证高阶模式对熔接点故障具有较高的检测灵敏度。分别将待测光纤模块13中的1-4号待测光纤与光路传输模块12相连，本实施例以LP₀₁模作为激发模式，将光脉冲产生模块11发出的光脉冲注入到光路传输模块12模式转换器121的LP₀₁模式端口以激发LP₀₁模式，并利用少模光纤环形器122的单向传输特性，由少模光纤环形器122的端口A输入经端口B输出进入待测光纤模块13；并在模式耦合等因素作用下，将部分光耦合到非激发模，激发模(LP₀₁)和非激发模(LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂)在待测少模光纤链路中产生背向瑞利散射光，该背向瑞利散射光经少模光纤环形器122的端口B返回并由端口C输出，然后进入模式解复用器123进行模式分离然后从每个模式端口输出进入光电探测模块14中。在光电探测模块14中主要采用PD直接探测将光信号转换为电信号，再经数据处理模块15对数据进行采集，以传输距离z和背向散射光功率P作为横纵坐标的获得激发模LP₀₁和非激发模LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂模式的背向瑞利散射曲线。以3号待测光纤为例给出了六个空间模式的背向瑞利散射曲线如图6所示。

通过上述实验过程将获得的背向瑞利散射曲线的故障位置放大进行故障幅值计算，以3号待测光纤为例如图7所示。图7(a)、7(b)、7(c)、7(d)、7(e)、7(f)分别表示为LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂模式在熔接故障处的局部放大图。假设背向瑞利散射曲线在传输距离z₀处产生故障幅值突然点，在传输距离z₀+Δz处曲线恢复了原来的衰减趋势，则熔接故障点处的功率损耗值为

PL_bsi＝P_bsi(z₀)-P_bsi(z₀+Δz)

其中，Δz表示为故障损伤区间，此值一般与故障检测系统的空间分辨率有关。P_bsi(z)表示在传输距离为z处i模式的背向瑞利散射功率值，PL_bsi表示i模式在故障位置处的功率损耗值。则在1号待测光纤中，LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂模式在熔接点处的功率损耗值分别为0、0、0、0.37、0.4、0.71dB。在2号待测光纤中，各空间模式在熔接点处的功率损耗值分别为0.227、0.404、0.368、0.559、0.589、1.493dB。在3号待测光纤中，各空间模式在熔接点处的功率损耗值分别为1.709、1.979、1.895、2.058、2.101、3.667dB。在4号待测光纤中，各空间模式在熔接点处的功率损耗值分别为3.211、3.633、3.523、4.042、4.178、5.354dB。

通过上述过程获得了不同熔接条件下的故障损耗值，通过公式计算不同熔接条件下的各空间模式的故障检测灵敏度为

则在熔接偏移量为0.5um时，LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂模式在故障点处的检测灵敏度分别为0、0、0、0.249、0.269、0.478。在熔接偏移量为1.5um时，各空间模式的故障检测灵敏度分别为0.062、0.111、0.101、0.153、0.162、0.410。在熔接偏移量为3um时，各空间模式的故障检测灵敏度分别为0.127、0.148、0.0141、0.153、0.157、0.273。在熔接偏移量为4.5um时，各空间模式的故障检测灵敏度分别为0.134、0.152、0.147、0.169、0.175、0.224。为综合分析各空间模式的故障检测灵敏度，绘制在不同熔接偏移量条件下的各空间模式的检测灵敏度变化特性曲线如图8所示。特别说明：以上为零结果为趋于零。

通过对图8分析可知，在熔接偏移量较小时，LP₀₁、LP_11a和LP_11b的故障检测灵敏度基本趋于0，由于其背向瑞利散射功率损耗过小而导致的检测灵敏度过低，则不能准确表征熔接故障点的位置。而针对更高阶模式LP_21a、LP_21b及LP₀₂而言，检测灵敏度较高，其中LP₀₂模式检测灵敏度相对最高。凭借其高检测灵敏度的高功率损耗幅值特性可实现故障位置准确的表征及定位。并且随着偏移量不断增大，各个模式的检测灵敏度均有所变化，此时各空间模式均能表征熔接故障位置，但仍然满足MDS₀₁＜MDS₁₁＜MDS₂₁＜MDS₀₂。

因此，通过上述不同熔接偏移量的MDS结果分析可得到以下结论：在微小熔接故障的条件下，基于基模的背向散射曲线已经无法对熔接故障位置进行有效的表征，而高阶模式具有较高的检测灵敏度，更容易表征少模光纤熔接点处的损耗特性，因此选用高阶模式LP₀₂模式背向散射曲线作为评判少摸光纤链路的熔接故障事件的检测标准。

使用上述少模光纤链路故障检测系统及上述结论对少模光纤链路多熔接故障链路进行检测。

首先将待测光纤模块13中的5号待测光纤与光路传输模块12相连接，并且通过上述实验过程获得各空间模式的背向瑞利散射曲线如图9所示。

在本实施例中，由图9分析可知，对于基模和低阶模式LP₀₁、LP_11a及LP_11b而言，仅仅可对故障损耗较大的故障点C进行故障定位；而对于故障幅值损耗较小的A和B故障点，由于熔接点处各模式损耗特性差异的影响，其故障检测灵敏度较低，因此，导致检测失效。而LP_21a、LP_21b、LP₀₂模式对故障损耗具有较高的检测灵敏度，对故障点A、B、C均实现了有效的表征，较好的实现了故障事件的定位。

在本实施例中,利用高检测灵敏度的高阶模式LP₀₂模式的背向瑞利散射曲线对故障位置进行检测，并将故障位置进行放大处理如图10所示。图10(a)表示LP₀₂模式在故障点A处的局部放大图，图10(b)表示LP₀₂模式在故障点B、C处的局部放大图。检测结果如下：此待测少模光纤链路共有三个熔接故障点(故障A、B、C)，故障位置及损耗幅值分别为：在少模光纤链路的1030m处产生了损耗值为1.112dB的故障A，在3097m处产生了损耗值为0.785dB的故障B，在3200m处产生了损耗值为2.246dB的故障C。检测结果与预设故障点位置基本吻合。因此，使用基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法可成功的对少模光纤链路的故障事件进行检测，保证少模光纤链路的稳定可靠运行，该方法具有一定的重要意义。

以上以六模光纤熔接故障点检测为例，对本发明所述的基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法进行了详细的介绍。以上的介绍主要是为了用于对本发明的方法及其核心思想进一步的理解；同时，对于本领域的一般技术人员，根据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下，对其进行的各种显而易见的改变(如少模光纤环形器所支持的模式数量，待测少模光纤的熔接点数量等)都在本发少模光纤的熔接点数量等)都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：基于背向瑞利散射理论模型，搭建针对少模光纤链路的故障检测系统，所述系统包括光脉冲产生模块(11)、光路传输模块(12)、待测光纤模块(13)，光电探测模块(14)及数据处理模块(15)；该系统的工作过程如下：由光脉冲产生模块(11)产生光脉冲信号，然后经过光路传输模块(12)进行空间模式的转换，并注入到待测光纤模块(13)中；激发模式的部分光将耦合到非激发模，则激发模和非激发模在待测光纤模块(13)中产生的背向瑞利散射光将返回到光路传输模块(12)，进行空间模式的分离及光路传输；分离后的各个模式的背向瑞利散射光信号经光电探测模块(14)转换为电信号，最后进入数据处理模块(15)进行数据处理；

第二步：由数据处理模块(15)中的示波器对在少模光纤中每个位置返回的背向瑞利散射光信号的传输距离与背向瑞利散射光功率幅值数据进行采集，最终获得以传输距离z(km)和背向瑞利散射光功率P(dB)作为横纵坐标建立各个空间模式的背向瑞利散射曲线，并根据该曲线的故障幅值衰减来表征故障事件发生，从而完成对故障事件位置进行定位；

第三步：设背向瑞利散射曲线在传输距离z₀处产生故障幅值突变点，在传输距离z₀+Δz处曲线恢复了原来的衰减趋势，则通过公式PL_bsi＝P_bsi(z₀)-P_bsi(z₀+Δz)对不同熔接偏移量条件下的故障损耗值进行计算，其中Δz表示为故障损伤区间，P_bsi(z)表示在传输距离为z处的i模式的相对背向散射功率，PL_bsi表示i模式在故障位置处的功率损耗值；

第四步：通过公式

求解不同熔接偏移量条件下的各个空间模式的故障检测灵敏度；其中,MDS_i表示为i模式的故障检测灵敏度；

第五步：比较在相同熔接偏移量条件下的各空间模式的故障检测灵敏度(MDS₀₁、MDS₁₁、MDS₂₁…)的大小，并进行综合分析选择检测灵敏度高的空间模式背向散射曲线作为评判少摸光纤链路的故障事件的检测标准；

第六步：选用步骤五的高检测灵敏度的空间模式即高阶模式的背向散射曲线对少模光纤链路多故障事件进行检测，对曲线的幅值突变点进行定位，即光纤熔接故障处，最终可实现对少模光纤链路故障事件准确监测。

2.如权利要求1所述的一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法，其特征在于，所述的光脉冲产生模块(11)采用的是波长为1550nm的脉冲光源模块，此模块可产生峰值功率范围为10-40mv，脉冲宽度范围为10-1200ns，重复频率范围为1Hz-100kHz的光脉冲信号。

3.如权利要求1所述的一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法，其特征在于，所述光路传输模块(12)由模式转换器(121)、模式解复用器(123)和少模光纤环形器(122)组成，用于空间模式的转换及进行光路传输；其工作过程为：由光脉冲产生模块(11)产生的光脉冲信号进入模式转换器(121)进行空间模式转换得到激发模式，该激发模式由少模光纤环形器(122)的端口A进入并经端口B输出进入待测光纤模块(13)，在待测光纤模块(13)中产生背向瑞利散射光，该背向瑞利散射光经少模光纤环形器(122)的端口B返回并由端口C输出，然后进入模式解复用器(123)进行模式分离。

4.如权利要求1所述的一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法，其特征在于，所述待测光纤模块(13)是一段存在若干个故障点的待测少模光纤链路，用于进行少模光纤链路的多故障检测。

5.如权利要求1所述的一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法，其特征在于，所述数据处理模块(15)对光电探测模块(14)探测到的电信号进行数据的采集和处理，并通过所述步骤二获得到每个空间模式的背向瑞利散射曲线。

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