CN110138448B - 一种长距离单路光纤双向传输的故障监测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长距离单路光纤双向传输的故障监测系统，包括：激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一移频器、第二移频器、第一环形器、第二环形器、U形故障检测单元和信号处理单元，所述第一移频器和第二移频器的频偏不同，所述U形故障检测单元包括双向EDFA放大器和遇到故障点时会被相位调制且长度大于K的单模光纤，K>0,双向EDFA放大器间隔的设置在单模光纤中，所述激光器和第一光耦合器的输入端连接，所述第一光耦合器的第一输出端和第二光耦合器的输入端连接。根据两路移频探测光被相位调制的时间差可以得到光缆中故障的高精度多点振动定位，并且该接收信号能够恢复出包括幅度、相位和偏振的多参量瞬时变化。

Description

一种长距离单路光纤双向传输的故障监测系统和方法
技术领域
本发明涉及光纤故障监测技术领域，具体涉及一种长距离单路光纤双向传输的故障监测系统和方法。
背景技术
在包含长距离埋地光缆，海底光缆，悬空光缆的光纤通信传输网络中，常常出现异常情况，比如周边人为挖掘破坏、地震台风自然灾害或内部异常等突发事件。因此，在此类光纤通信传输网络中需要对光缆实时监控。然而到目前为止，尚缺乏故障预测机制或者缺乏与光通信网络兼容的多跨段长距离光纤链路主动监控的有效方案，很难实时监控长距离光缆的异常情况。且现有的光通信系统为维持高可靠性，在网络硬件上需要采取非常保守的部署策略，并在通信链路上留有很大的性能边界，如使用大带宽的系统而只占用小部分带宽资源，从而造成了很高的冗余度。现有存在的一些故障探测技术中多采用基于后向瑞丽散射的光时域反射仪(OTDR)技术和基于双臂马赫曾德干涉仪的传感技术，但由于它们都有各自的缺陷而不能很好地应用于商用的通信光缆中。
具体地，OTDR技术不足：该技术利用高功率光脉冲在光纤中产生的后向散射来检测光纤中的故障情况，最大的缺陷是高功率脉冲入射会在光纤中产生非线性效应，即后向散射的光谱波长会改变，导致系统无法正常工作，而系统监测距离与脉冲光功率成正比，因此OTDR技术应用于超百公里的光纤链路相当困难；另外OTDR技术中的高功率光脉冲很可能会损害通信网络拓扑中的昂贵设备器件。
双臂干涉仪技术不足：该技术利用干涉仪两臂不等长的传输信号在接收端进行拍频而得到光纤上的故障信号，但因为不等长的原因两路光纤不能处于同一光缆而无法产生同样的偏振效果，偏振对齐难题一直是双臂干涉技术的难点，该技术因为无法提供偏振状态参量的瞬时变化而存在不足。
现有的其他分布式光纤传感方案因为覆盖距离、信噪比等问题，均难以实现与光通信网络兼容的长距离光纤链路监测。
因此，行业内急需研发一种能够与光通信网络兼容的长距离光纤链路监测方法和系统。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种长距离单路光纤双向传输的故障监测系统和方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种长距离单路光纤双向传输的故障监测系统，包括：激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一移频器、第二移频器、第一环形器、第二环形器、U形故障检测单元和信号处理单元，所述第一移频器和第二移频器的频偏不同，所述U形故障检测单元包括双向EDFA放大器和遇到故障点时会被相位调制且长度大于K的单模光纤，K>0,双向EDFA放大器间隔的设置在单模光纤中，所述激光器和第一光耦合器的输入端连接，所述第一光耦合器的第一输出端和第二光耦合器的输入端连接，所述第一光耦合器的第二输出端和信号处理单元连接，第二光耦合器的第一输出端和第一移频器的输入端连接，第一移频器的输出端和第一环形器的第一端连接，第一环形器的第二端和U形故障检测单元的首端连接，第一环形器的第三端和信号处理单元连接，第二光耦合器的第二输出端和第二移频器的输入端连接，第二移频器的输出端和第二环形器的第一端连接，第二环形器的第二端和U形故障检测单元的尾端连接，第二环形器的第三端和信号处理单元连接。
优选地，所述U形故障检测单元包括三段长距离单模光纤和两个双向EDFA放大器，两两长距离单模光纤之间均设置有双向EDFA放大器。
优选地，所述信号处理单元包括：两个零差相干接收子单元和信号采集卡；每个零差相干接收子单元包括90°混频器、四个平衡探测器、振荡器；所述第一环形器的第三端和一个零差相干接收子单元中的90°混频器、四个平衡探测器、振荡器依次连接，所述振荡器的输出端和信号采集卡连接，所述第二环形器的第三端和另一个零差相干接收子单元中的90°混频器、四个平衡探测器、振荡器依次连接，所述振荡器的输出端和信号采集卡连接，且每个90°混频器的输入端还和第一光耦合器的第二输出端连接。
优选地，所述信号处理单元包括：两个外差相干接收子单元、振荡器、90°混频器和信号采集卡；每个外差相干接收子单元包括依次连接的3dB耦合器和平衡探测器；一个3dB耦合器的输入端还和第一环形器的第三端连接，另一个3dB耦合器的输入端还和第二环形器的第三端连接，两个3dB耦合器的输入端还均和第一光耦合器的第二输出端连接；两个平衡探测器的输出端、振荡器、90°混频器和信号采集卡依次连接。
优选地，所述信号处理单元包括：两个光电探测器、振荡器和信号采集卡；第一环形器的第三端、第二环形器的第三端分别和两个光电探测器之一连接，两个光电探测器的输出端均和振荡器的输入端连接，振荡器的输出端和信号采集卡连接。
所述的长距离单路光纤双向传输的故障监测方法，包括：
S1，激光器产生连续激光通过第一光耦合器分路，一路作为探测光通过第二耦合器后再分别输入第一移频器、第二移频器，另一路作为本振光输入到信号处理单元；
S2，第一移频器输出的第一探测光经第一环形器入射到U形故障检测单元首端的单模光纤，第一探测光在前向传输过程经过故障点会被相位调制，经过双向EDFA放大器进行信号放大，第一探测光最后传输至U形故障检测单元尾端的单模光纤，经由第二环形器的第三端输入到信号处理单元；第二移频器输出的第二探测光经第二环形器入射到U形故障检测单元尾端的单模光纤，第二探测光在后向传输过程中经过双向EDFA放大器进行信号放大，经过故障点会被相位调制，第二探测光最后传输至U形故障检测单元首端的单模光纤，经由第一环形器的第三端输入到信号处理单元；
S3，信号处理单元根据本振光、第一探测光和第二探测光进行处理，得出故障点的位置。
优选地，步骤S3包括：第一探测光和本振光通过90°混频器混频后由四路平衡探测器转为第一电信号，第一电信号通过信号采集卡采集并数据处理，第二探测光和本振光通过90°混频器混频后由四路平衡探测器转为第二电信号，第二电信号通过信号采集卡采集并数据处理。
优选地，步骤S3包括：第一探测光和本振光通过3dB耦合器拍频后由平衡探测器转为第三电信号，第三电信号通过信号采集卡采集并在数字域进行相位处理，第二探测光和本振光通过3dB耦合器拍频后由平衡探测器转为第四电信号，第四电信号通过信号采集卡采集并在数字域进行相位处理。
优选地，步骤S3包括：第一探测光和第二探测光分别通过光电探测器转为第五电信号和第六电信号，再由信号采集卡采集及数据处理。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
本方案的长距离单路光纤双向传输的故障监测系统通过第一移频器输出的第一探测光经第一环形器入射到U形故障检测单元首端的单模光纤，第一探测光在前向传输过程经过故障点会被相位调制，经过双向EDFA放大器进行信号放大，第一探测光最后传输至U形故障检测单元尾端的单模光纤，经由第二环形器的第三端输入到信号处理单元；第二移频器输出的第二探测光经第二环形器入射到U形故障检测单元尾端的单模光纤，第二探测光在后向传输过程中经过双向EDFA放大器进行信号放大，经过故障点会被相位调制，第二探测光最后传输至U形故障检测单元首端的单模光纤，经由第一环形器的第三端输入到信号处理单元；信号处理单元可以根据信号的调制方式进行灵活改变，有零差相干接收，外差相干接收，强度接收等方式。在DSP处理中，根据两路移频探测光被相位调制的时间差可以得到光缆中故障的高精度多点振动定位，并且该接收信号能够恢复出包括幅度、相位和偏振的多参量瞬时变化。该单纤双向传输故障检测系统可以应用于长距离的光通信系统光纤链路的主动监测，实现包括从海底光缆到陆地长途、城域、接入等几乎所有光纤链路基础设施的故障监控。
附图说明
图1是实施例1的长距离单路光纤双向传输的故障监测系统的结构示意图。
图2的(a)是实施例1的第一光耦合器的第一输出端输出的信号频谱。
图2的(b)是实施例1的第一移频器的输出端输出的信号频谱。
图2的(c)是实施例1的第二移频器的输出端输出的信号频谱。
图2的(d)是实施例1的第一光耦合器的第二输出端输出的信号频谱。
图2的(e)是实施例1的第一环形器的第三端输出的信号频谱。
图2的(f)是实施例1的第二环形器的第三端输出的信号频谱。
图3是实施例1的信号处理单元的结构示意图。
图4是实施例2的信号处理单元的结构示意图。
图5是实施例3的信号处理单元的结构示意图。
图6是实施例1的长距离单路光纤双向传输的故障监测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
参见图1、一种长距离单路光纤双向传输的故障监测系统，包括：激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一移频器、第二移频器、第一环形器、第二环形器、U形故障检测单元和信号处理单元，所述第一移频器和第二移频器的频偏不同，所述U形故障检测单元包括双向EDFA放大器和遇到故障点时会被相位调制且长度大于K的单模光纤，K>0,双向EDFA放大器间隔的设置在单模光纤中，所述激光器和第一光耦合器的输入端连接，所述第一光耦合器的第一输出端和第二光耦合器的输入端连接，所述第一光耦合器的第二输出端和信号处理单元连接，第二光耦合器的第一输出端和第一移频器的输入端连接，第一移频器的输出端和第一环形器的第一端(1)连接，第一环形器的第二端(2)和U形故障检测单元的首端连接，第一环形器的第三端(3)和信号处理单元连接，第二光耦合器的第二输出端和第二移频器的输入端连接，第二移频器的输出端和第二环形器的第一端连接，第二环形器的第二端和U形故障检测单元的尾端连接，第二环形器的第三端和信号处理单元连接。
在本实施例，所述U形故障检测单元包括三段长距离单模光纤和两个双向EDFA放大器，两两长距离单模光纤之间均设置有双向EDFA放大器。双向EDFA放大器会对两边过来的信号都会被放大。
在本实施例，参见图3，所述信号处理单元包括：两个零差相干接收子单元和信号采集卡(DSP)；每个零差相干接收子单元包括90°混频器(2*890°Hybrid)、四个平衡探测器(BPD)、振荡器(OSC)；所述第一环形器的第三端和一个零差相干接收子单元中的90°混频器、四个平衡探测器、振荡器依次连接，所述振荡器的输出端和信号采集卡连接，所述第二环形器的第三端和另一个零差相干接收子单元中的90°混频器、四个平衡探测器、振荡器依次连接，所述振荡器的输出端和信号采集卡连接，且每个90°混频器的输入端还和第一光耦合器的第二输出端连接。
参见图6，一种长距离单路光纤双向传输的故障监测方法，包括：
S1，激光器产生连续激光通过第一光耦合器分路，一路作为探测光通过第二耦合器后再分别输入第一移频器、第二移频器，另一路作为本振光(L0)输入到信号处理单元；
S2，第一移频器输出的第一探测光经第一环形器入射到U形故障检测单元首端的单模光纤，第一探测光在前向传输过程经过故障点会被相位调制，经过双向EDFA放大器进行信号放大，第一探测光最后传输至U形故障检测单元尾端的单模光纤，经由第二环形器的第三端输入到信号处理单元；第二移频器输出的第二探测光经第二环形器入射到U形故障检测单元尾端的单模光纤，第二探测光在后向传输过程中经过双向EDFA放大器进行信号放大，经过故障点会被相位调制，第二探测光最后传输至U形故障检测单元首端的单模光纤，经由第一环形器的第三端输入到信号处理单元；
S3，信号处理单元根据本振光、第一探测光和第二探测光进行处理，得出故障点的位置。在本实施例，步骤S3包括：第一探测光和本振光通过90°混频器混频后由四路平衡探测器转为第一电信号，第一电信号通过信号采集卡采集并数据处理，第二探测光和本振光通过90°混频器混频后由四路平衡探测器转为第二电信号，第二电信号通过信号采集卡采集并数据处理。
需要说明的是，如图2和3所示，进入90°混频器的Sig1信号包括经过第二环形器的第三端输出的第一探测光和第二探测光经U形故障检测单元的反射光，进入90°混频器的Sig2信号包括经过第一环形器的第三端输出的第二探测光和第一探测光经U形故障检测单元的反射光，在图2的(e)和图2的(f)显示的信号频谱中一高一低两个频谱分量分别表示移频光(探测光)的前向信号和另一路移频光的反射信号，因为反射信号较前向入射信号弱，所以其反映为低的频谱分量。在光信号接收后，数字信号处理单元上先把两路移频光(探测光)的前向频谱搬移到基频，再低通滤波，滤除掉反射光。最后通过相位解调得到两路相位的变化，基于此，可以通过观察信号相位变化的时频特性，得到在不同频率振动时相应振动点的位置；其次，通过观察传感信号叠加得到的时域/空域二维图像，不同的振动点在振动位置上会形成一个不连续奇异点，因而通过这些点的位置来标定振动位置。
本方案的具体原理是：在一条U形布线的长距离单模光纤的两端分别通过耦合器和环形器接入经调制器或移频器调制的载波光(探测光)。首尾两路光载波由光纤某位置的入侵扰动点调制后，信号通过接收装置(零差相干接收子单元)分别对其前向信号进行接收解调，最终将光纤扰动引入的相位和偏振变化完整恢复。并且在后续的DSP算法中，本发明还应用DSP算法处理实现超越相干长度的长距离干扰信号检测。
本方案的设计技术参数：在传输端使用了1khz或更窄的窄线宽激光器作为激光光源；第一移频器、第二移频器分部采用的是具有100MHz和200MHz调制频率的声光调制器；所使用的光纤为普通G.652单模光纤；每段单模光纤光纤的长度为1km。信号接收端(信号处理单元)采用两组相同的带宽超过200MHz的相干接收机。第一光耦合器的第一输出端输出的信号频谱如图2的(a)所示，第一光耦合器的第二输出端输出的信号频谱如图2的(d)所示，第一移频器的输出端输出的信号频谱如图2的(b)所示，第二移频器的输出端输出的信号频谱如图2的(c)所示，第一环形器的第三端输出的信号频谱如图2的(e)所示，第二环形器的第三端输出的信号频谱如图2的(f)所示。
实施例2
实施例2与实施例1的区别之处在于，参见图4，所述信号处理单元包括：两个外差相干接收子单元、振荡器(OSC)、90°混频器(Digital 90°Hybrid)和信号采集卡(DSP)；每个外差相干接收子单元包括依次连接的3dB耦合器(3-dB coupler)和平衡探测器(BPD)；一个3dB耦合器的输入端还和第一环形器的第三端连接，另一个3dB耦合器的输入端还和第二环形器的第三端连接，两个3dB耦合器的输入端还均和第一光耦合器的第二输出端连接；两个平衡探测器的输出端、振荡器、90°混频器和信号采集卡依次连接。
步骤S3包括：第一探测光和本振光通过3dB耦合器拍频后由平衡探测器转为第三电信号，第三电信号通过信号采集卡采集并在数字域进行相位处理，第二探测光和本振光通过3dB耦合器拍频后由平衡探测器转为第四电信号，第四电信号通过信号采集卡采集并在数字域进行相位处理。
实施例3
实施例3和实施例1的区别之处在于，参见图5，所述信号处理单元包括：光电探测器(PD)、振荡器(OSC)和信号采集卡(DSP)；第一环形器的第三端、第二环形器的第三端分别和两个光电探测器连接，两个光电探测器的输出端均和振荡器的输入端连接，振荡器的输出端和信号采集卡连接。
步骤S3包括：第一探测光和第二探测光分别通过光电探测器转为第五电信号和第六电信号，再由信号采集卡采集及数据处理。
综上，本发明提出的基于单纤双向传输的新型光纤链路监测方案，利用前向传输和多种检测方式具有的多跨段高信噪比传输和检测能力，结合光网络拓扑，设计所需的光纤传输路径，以实现光纤故障和扰动的定位；利用检测到的受光纤扰动调制的多参量瞬时变化信号，实现基于机器学习的多参量光纤故障和干扰事件识别，进而完成对光路QoT的联合动态估计。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种长距离单路光纤双向传输的故障监测系统，其特征在于，包括：激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一移频器、第二移频器、第一环形器、第二环形器、U形故障检测单元和信号处理单元，所述第一移频器和第二移频器的频偏不同，所述U形故障检测单元包括双向EDFA放大器和遇到故障点时会被相位调制且长度大于K的单模光纤，K>0, 双向EDFA放大器间隔的设置在单模光纤中，所述激光器和第一光耦合器的输入端连接，所述第一光耦合器的第一输出端和第二光耦合器的输入端连接，所述第一光耦合器的第二输出端和信号处理单元连接，第二光耦合器的第一输出端和第一移频器的输入端连接，第一移频器的输出端和第一环形器的第一端连接，第一环形器的第二端和U形故障检测单元的首端连接，第一环形器的第三端和信号处理单元连接，第二光耦合器的第二输出端和第二移频器的输入端连接，第二移频器的输出端和第二环形器的第一端连接，第二环形器的第二端和U形故障检测单元的尾端连接，第二环形器的第三端和信号处理单元连接；
所述U形故障检测单元包括三段长距离单模光纤和两个双向EDFA放大器，两两长距离单模光纤之间均设置有双向EDFA放大器。
2.根据权利要求1所述的长距离单路光纤双向传输的故障监测系统，其特征在于，所述信号处理单元包括：两个零差相干接收子单元和信号采集卡；每个零差相干接收子单元包括90°混频器、四个平衡探测器、振荡器；所述第一环形器的第三端和一个零差相干接收子单元中的90°混频器、四个平衡探测器、振荡器依次连接，所述振荡器的输出端和信号采集卡连接，所述第二环形器的第三端和另一个零差相干接收子单元中的90°混频器、四个平衡探测器、振荡器依次连接，所述振荡器的输出端和信号采集卡连接，且每个90°混频器的输入端还和第一光耦合器的第二输出端连接。
3.根据权利要求1所述的长距离单路光纤双向传输的故障监测系统，其特征在于，所述信号处理单元包括：两个外差相干接收子单元、振荡器、90°混频器和信号采集卡；每个外差相干接收子单元包括依次连接的3dB耦合器和平衡探测器；一个3dB耦合器的输入端还和第一环形器的第三端连接，另一个3dB耦合器的输入端还和第二环形器的第三端连接，两个3dB耦合器的输入端还均和第一光耦合器的第二输出端连接；两个平衡探测器的输出端、振荡器、90°混频器和信号采集卡依次连接。
4.根据权利要求1所述的长距离单路光纤双向传输的故障监测系统，其特征在于，所述信号处理单元包括：两个光电探测器、振荡器和信号采集卡；第一环形器的第三端、第二环形器的第三端分别和两个光电探测器之一连接，两个光电探测器的输出端均和振荡器的输入端连接，振荡器的输出端和信号采集卡连接。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的长距离单路光纤双向传输的故障监测系统的监测方法，其特征在于，包括：
S1，激光器产生连续激光通过第一光耦合器分路，一路作为探测光通过第二光耦合器后再分别输入第一移频器、第二移频器，另一路作为本振光输入到信号处理单元；
S2，第一移频器输出的第一探测光经第一环形器入射到U形故障检测单元首端的单模光纤，第一探测光在前向传输过程经过故障点会被相位调制，经过双向EDFA放大器进行信号放大，第一探测光最后传输至U形故障检测单元尾端的单模光纤，经由第二环形器的第三端输入到信号处理单元；第二移频器输出的第二探测光经第二环形器入射到U形故障检测单元尾端的单模光纤，第二探测光在后向传输过程中经过双向EDFA放大器进行信号放大，经过故障点会被相位调制，第二探测光最后传输至U形故障检测单元首端的单模光纤，经由第一环形器的第三端输入到信号处理单元；
S3，信号处理单元根据本振光、第一探测光和第二探测光进行处理，得出故障点的位置。
6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，步骤S3包括：第一探测光和本振光通过90°混频器混频后由四路平衡探测器转为第一电信号，第一电信号通过信号采集卡采集并数据处理，第二探测光和本振光通过90°混频器混频后由四路平衡探测器转为第二电信号，第二电信号通过信号采集卡采集并数据处理。
7.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，步骤S3包括：第一探测光和本振光通过3dB耦合器拍频后由平衡探测器转为第三电信号，第三电信号通过信号采集卡采集并在数字域进行相位处理，第二探测光和本振光通过3dB耦合器拍频后由平衡探测器转为第四电信号，第四电信号通过信号采集卡采集并在数字域进行相位处理。
8.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，步骤S3包括：第一探测光和第二探测光分别通过光电探测器转为第五电信号和第六电信号，再由信号采集卡采集及数据处理。
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