CN111811551A - 一种低损耗的偏振干涉型特高压直流控制保护系统otdr装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低损耗的偏振干涉型特高压直流控制保护系统OTDR装置，包括1个脉冲激光器（660nm、808nm和940nm的特殊波长），1个偏振控制器，1个偏振分束器，1个耦合器，1个三端口环行器，2个四端口环行器，1条延时光纤，2条传感光纤，1个光电探测器（660nm、808nm和940nm的特殊波长），1个数据采集卡，及1台计算机。该装置仅利用一个光源和一个光电探测器，就可实现对外界扰动引起的光波相位和偏振态信息变化的同时监测，既可以降低误报率，又可以降低装置的硬件成本。同时，该装置的光路结构设计也避免了传统的基于瑞丽散射的Sagnac干涉方案带来的额外损耗，延长了传感距离。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感及传感网络技术领域，特别涉及一种低损耗的偏振干涉型特高压直流控制保护系统OTDR装置。
背景技术
特高压直流控制保护系统光纤种类繁多。现阶段控制保护系统光纤全程传输性能检测技术手段缺乏。OTDR技术在信息通信等专业领域已有多年较为成熟的运用，特高压直流控制保护系统光纤主要分为能量光纤和数据光纤两大类，其工作波长为660nm、808nm和940nm等特殊波长，将光源、接收机替换成系统所需波长，即可解决特高压直流控制保护系统光纤在线监测问题。
OTDR技术通常利用光脉冲宽度内的光波之间的干涉或者多条不同路径之间的光波的干涉把外界扰动引起的光波相位变化提取出来，但是传统的多路径干涉方案通常需要利用到多个耦合器组合，加上特高压直流保护系统用光纤损耗本身比较大，无形中增加了额外的系统损耗，降低了传感距离。由于OTDR技术是对光波的单个物理量进行检测，如果对光波的相位和偏振态进行组合测量，那么由恶劣环境的随机干扰带来的影响将会大大降低。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种低损耗的偏振干涉型特高压直流控制保护系统OTDR装置，仅利用一个光源和一个光电探测器，就可实现对外界扰动引起的光波相位和偏振态信息变化的同时监测，既可以降低误报率，又可以降低装置的硬件成本。同时，该装置的光路结构设计也避免了传统的基于瑞丽散射的Sagnac干涉方案带来的额外损耗，延长了传感距离。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种低损耗的偏振干涉型特高压直流控制保护系统OTDR装置，包括脉冲激光器(660nm、808nm和940nm的特殊波长)，偏振控制器，偏振分束器，耦合器，三端口环行器，四端口环行器1，四端口环行器2，延时光纤，传感光纤1，传感光纤2，光电探测器(660nm、808nm和940nm的特殊波长)，数据采集卡，及计算机；其中，脉冲激光器的输出端连接偏振控制器的输入端，偏振控制器的输出端连接三端口环行器的1端口，三端口环行器的2端口连接偏振分束器的输入端，偏振分束器的第一输出端连接耦合器的第一输入端，偏振分束器的第二输出端连接耦合器的第二输入端，耦合器的第一输出端连接延时光纤的输入端，耦合器的第二输出端连接四端口环行器2的2端口，延时光纤的输出端连接四端口环行器1的2端口，四端口环行器1的3端口连接传感光纤1的输入端，四端口环行器1的4端口连接四端口环行器2的1端口，四端口环行器1的1端口连接四端口环行器2的4端口，四端口环行器2的3端口连接传感光纤2的输入端，三端口环行器的3端口连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接计算机。
上述的四端口环行器可以是单独的四端口环行器器件，也可以由两个三端口环行器组合而成，如图1所示。
上述的2个四端口环行器的性能参数应尽可能保持一致。
上述的2条传感光纤为同一光缆中的两根单模双芯光纤。
上述的2条传感光纤的折射率应尽可能保持一致。
基于如前所述的低损耗的OTDR光纤扰动检测装置，脉冲光源周期性地发出宽度固定的光脉冲信号，光脉冲经过偏振控制器后变为具有特定偏振态的光脉冲，然后光脉冲通过三端口环行器进入偏振分束器，偏振分束器将输入的光脉冲分解成两路偏振态相互垂直的光脉冲信号。接下来，这两路光脉冲会分别通过耦合器的两个输入端进入耦合器，耦合器将输入端的两路信号混合后按照一定的功分比输出两路混合后的光脉冲信号。耦合器第一输出端输出的信号通过延时光纤和四端口环行器1后，将进入传感光纤1，传感光纤1中的背向瑞利散射光接下来会依次通过四端口环行器1和四端口环行器2，之后进入耦合器2。同理，耦合器第二输出端输出的信号将直接通过四端口环行器2进入传感光纤2，传感光纤2中的背向瑞利散射光接下来会依次通过四端口环行器2和四端口环行器1，之后进入耦合器1。此时，两路背向瑞利散射信号同时通过耦合器的输出端口反向进入耦合器后，耦合器会将两路背向散射信号混合后按照一定的功分比从耦合器的两个输入端反向输出。由于光脉冲前后正向和反向进入耦合器后都要被混合，因此此时从耦合器两个输入端反向输出的两路背向瑞利散射信号，每一路信号均是由经过4条不同路径的光脉冲组成。接下来，从耦合器输出的两路信号会分别通过偏振分束器的两个输出端反向进入偏振分束器，然后被偏振分束器在两个相互垂直的方向上进行检偏并混合输出。偏振分束器反向输出的信号实质上由8条经过不同路径的信号组成，其中的4条偏振态相同，另外的4条偏振态相同且与前面4条偏振态垂直，这8条路径的信号进入光电探测器后偏振态相同的信号之间会发生相位干涉，相位不同的直接进行强度叠加。最后，光电探测器输出的信号经过数据采集卡采集之后将被送到计算机进行数据处理，并通过特定的定位算法识别出外界扰动位置。
采用上述方案后，本发明的改进在于：
(1)本发明通过一个光源实现对外界扰动引起的光波相位和偏振态信息变化的同时监测，有效降低了系统的硬件成本；
(2)本发明通过对外界扰动引起的光波相位和偏振态信息变化的同时监测，可以有效避免恶劣环境的随机干扰造成的传感光纤中光波的相位或者偏振态等单个物理量信息改变带来的误报问题，降低误报率；
(3)与传统的基于瑞丽散射的Sagnac干涉方案相比，本发明通过耦合器与四端口环行器的巧妙组合，有效避免了传统的多耦合器组合方案带来的额外损耗，延长了传感距离。
附图说明
图1是本发明中的四端口环行器内部结构图；
图2是本发明的整体结构图；
图3是信号正向传输流向示意图；
图4是信号反向传输流向示意图
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图2所示，本发明提供一种低损耗的偏振干涉型OTDR装置，包括1个脉冲激光器，1个偏振控制器，1个偏振分束器，1个耦合器，1个三端口环行器，2个四端口环行器，1条延时光纤，2条传感光纤，1个光电探测器，1个数据采集卡，及1台计算机。其中，脉冲激光器的输出端连接偏振控制器的输入端，偏振控制器的输出端连接三端口环行器的1端口，三端口环行器的2端口连接偏振分束器的输入端，偏振分束器的第一输出端连接耦合器的第一输入端，偏振分束器的第二输出端连接耦合器的第二输入端，耦合器的第一输出端连接延时光纤的输入端，耦合器的第二输出端连接四端口环行器2的2端口，延时光纤的输出端连接四端口环行器1的2端口，四端口环行器1的3端口连接传感光纤1的输入端，四端口环行器1的4端口连接四端口环行器2的1端口，四端口环行器1的1端口连接四端口环行器2的4端口，四端口环行器2的3端口连接传感光纤2的输入端，三端口环行器的3端口连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接计算机。
基于如前所述的低损耗的OTDR光纤扰动检测装置，脉冲光源周期性地发出宽度固定的光脉冲信号，光脉冲经过偏振控制器后变为具有特定偏振态的光脉冲，然后光脉冲通过三端口环行器进入偏振分束器，偏振分束器将输入的光脉冲分解成两路偏振态相互垂直的光脉冲信号。接下来，这两路光脉冲会分别通过耦合器的两个输入端进入耦合器，耦合器将输入端的两路信号混合后按照一定的功分比输出两路混合后的光脉冲信号。耦合器第一输出端输出的信号通过延时光纤和四端口环行器1后，将进入传感光纤1，传感光纤1中的背向瑞利散射光接下来会依次通过四端口环行器1和四端口环行器2，之后进入耦合器。同理，耦合器第二输出端输出的信号将直接通过四端口环行器2进入传感光纤2，传感光纤2中的背向瑞利散射光接下来会依次通过四端口环行器2和四端口环行器1，之后进入耦合器。此时，两路背向瑞利散射信号同时通过耦合器的输出端口反向进入耦合器后，耦合器会将两路背向散射信号混合后按照一定的功分比从耦合器的两个输入端反向输出。由于光脉冲前后正向和反向进入耦合器后都要被混合，因此此时从耦合器两个输入端反向输出的两路背向瑞利散射信号，每一路信号均是由经过4条不同路径的光脉冲组成。接下来，从耦合器输出的两路信号会分别通过偏振分束器的两个输出端反向进入偏振分束器，然后被偏振分束器在两个相互垂直的方向上进行检偏并混合输出。偏振分束器反向输出的信号实质上由8条经过不同路径的信号组成，如图3和图4所示分别为：
(1)偏振分束器–LC1–耦合器–延时光纤–四端口环行器1–传感光纤1–四端口环行器1–四端口环行器2–耦合器–LC1–偏振分束器；
(2)偏振分束器–LC1–耦合器–延时光纤–四端口环行器1–传感光纤1–四端口环行器1–四端口环行器2–耦合器–LC2–偏振分束器；
(3)偏振分束器–LC2–耦合器–延时光纤–四端口环行器1–传感光纤1–四端口环行器1–四端口环行器2–耦合器–LC1–偏振分束器；
(4)偏振分束器–LC2–耦合器–延时光纤–四端口环行器1–传感光纤1–四端口环行器1–四端口环行器2–耦合器–LC2–偏振分束器；
(5)偏振分束器–LC1–耦合器–四端口环行器2–传感光纤2–四端口环行器2–四端口环行器1–延时光纤–耦合器–LC1–偏振分束器；
(6)偏振分束器–LC1–耦合器–四端口环行器2–传感光纤2–四端口环行器2–四端口环行器1–延时光纤–耦合器–LC2–偏振分束器；
(7)偏振分束器–LC2–耦合器–四端口环行器2–传感光纤2–四端口环行器2–四端口环行器1–延时光纤–耦合器–LC1–偏振分束器；
(8)偏振分束器–LC2–耦合器–四端口环行器2–传感光纤2–四端口环行器2–四端口环行器1–延时光纤–耦合器–LC2–偏振分束器。
其中，路径(1)、(3)、(5)、(7)的光波的偏振态相同，且路径(1)、(3)的光波是首先进入延时光纤，再经过传感光纤，而路径(5)、(7)的光波则是首先进入传感光纤，再经过延时光纤。因此，路径(1)、(3)和路径(5)、(7)的光波是在不同时刻经过扰动点，外界扰动对它们造成的相位差也就不相同。由于这4条路径的信号的偏振态是相同的，因此它们在进入光电探测器后会发生相位干涉，从而将外界扰动引起的相位变化转变为光功率的变化。
同理，路径(2)、(4)、(6)、(8)的光波的偏振态相同，且路径(2)、(4)的光波是首先进入延时光纤，再经过传感光纤，而路径(6)、(8)的光波则是首先进入传感光纤，再经过延时光纤。因此，路径(2)、(4)和路径(6)、(8)的光波是在不同时刻经过扰动点，外界扰动对它们造成的相位差也就不相同。由于这4条路径的信号的偏振态是相同的，因此它们在进入光电探测器后会发生相位干涉，从而将外界扰动引起的相位变化转变为光功率的变化。
由于路径(1)、(3)、(5)、(7)和路径(2)、(4)、(6)、(8)的信号之间的偏振态是相互垂直的，因此它们之间不会发生干涉，而是直接进行强度的叠加。此外，由于上述8条路径的信号在进入光电探测器之前，都经历了偏振分束器的检偏，因此每一条路径的信号都可以将外界扰动引起的偏振态的变化转变为光功率的变化，即使外界扰动造成的光波相位变化较为微弱，或者上述8条路径的信号之间无法发声干涉，该装置依旧可以对外界扰动进行定位识别，从而降低了系统的误报率。最后，光电探测器输出的信号经过数据采集卡采集之后将被送到计算机进行数据处理，并通过特定的定位算法识别出外界扰动位置。
该装置工作的理想情况为上述8条路径的光波信号的光程差为0，以降低装置对激光器线宽的要求，从而降低硬件成本，因此该装置要求上述的2个四端口环行器的性能参数应尽可能保持一致，2条传感光纤为同一光缆中的两根单模双芯光纤，并且2条传感光纤的折射率应尽可能保持一致。但是由于2个四端口环行器和2条传感光纤不可能做到完全一致，因此上述信号之间难免存在少量光程差，实际使用过程中可以根据上述环行器和传感光纤的使用情况动态地选择激光器的线宽参数。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种低损耗的偏振干涉型特高压直流控制保护系统OTDR装置，其特征在于，包括脉冲激光器，偏振控制器，偏振分束器，耦合器，三端口环行器，四端口环行器1，四端口环行器2，延时光纤，传感光纤1，传感光纤2，光电探测器，数据采集卡及计算机；其中，脉冲激光器的输出端连接偏振控制器的输入端，偏振控制器的输出端连接三端口环行器的1端口，三端口环行器的2端口连接偏振分束器的输入端，偏振分束器的第一输出端连接耦合器的第一输入端，偏振分束器的第二输出端连接耦合器的第二输入端，耦合器的第一输出端连接延时光纤的输入端，耦合器的第二输出端连接四端口环行器2的2端口，延时光纤的输出端连接四端口环行器1的2端口，四端口环行器1的3端口连接传感光纤1的输入端，四端口环行器1的4端口连接四端口环行器2的1端口，四端口环行器1的1端口连接四端口环行器2的4端口，四端口环行器2的3端口连接传感光纤2的输入端，三端口环行器的3端口连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接计算机；所述脉冲激光器的波长为660nm、808nm和940nm，光电探测器的波长为660nm、808nm和940nm。
2.如权利要求1所述低损耗的偏振干涉型OTDR装置，其特征在于：所述四端口环行器1为单个四端口环行器器件或者由两个三端口环行器组合而成，四端口环行器2为单个四端口环行器器件或者由两个三端口环行器组合而成。
3.如权利要求1所述低损耗的偏振干涉型OTDR装置，其特征在于：所述传感光纤1和传感光纤2为同一光缆中的两根单模双芯光纤。
4.如权利要求1所述低损耗的偏振干涉型OTDR装置，其特征在于：所述传感光纤1和传感光纤2的折射率保持一致。
5.如权利要求1所述低损耗的偏振干涉型OTDR装置，其特征在于：所述耦合器为3dB耦合器。
6.如权利要求1所述低损耗的偏振干涉型OTDR装置，其特征在于：所述脉冲激光器为DFB激光器。
7.如权利要求1所述低损耗的偏振干涉型OTDR装置，其特征在于：所述偏振控制器用于调节输入光的偏振态，使从光电探测器接收到的光功率达到最大。
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