CN112284690B - 一种精确测量光纤分布式径向折射率分布的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种精确测量光纤分布式径向折射率分布的测试装置，包括：信号单元，用于输出矩形脉冲光信号，所述矩形脉冲光信号为具有脉冲间隔的非连续偏振光；干扰装置，用于对待测光纤分布式径向施加外界干扰；传输单元，用于将所述矩形脉冲光信号传输至待测光纤中，以及，将待测光纤的后向瑞丽散射信号传输到处理系统；所述处理系统，用于解析所述后向瑞丽散射信号，并根据所述干扰装置的动作反馈，计算所述待测光纤在长度方向上的分布式径向折射率分布。本申请能够在模拟外界环境干扰下，准确获取光纤分布式径向折射率分布，利于准确评估光纤质量，为后续基于光纤的研究提供一个重要参数依据，光纤分布式径向折射率分布测量具有很高的准确性。

Description

一种精确测量光纤分布式径向折射率分布的测试装置

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种精确测量光纤分布式径向折射率分布的测试装置。

背景技术

随着分布式光纤传感领域技术的不断发展，对光纤长度上的需求在越来越大，随着光纤长度的增加，光纤折射率径向分布在拉制过程和成缆过程中出现折射率的改变，严重影响光纤分布式传感的应用效果。通过测量光纤的特征参数能够评价光纤质量，有助于光纤的优化设计和制造。折射率分布是光纤的重要特征参数之一，影响着色散、带宽、模式分布等传输特性。因此，若能精确测量光纤的折射率分布，准确评价光纤质量，对于光纤技术的发展具有重要意义。

关于光纤折射率分布的研究，目前主要是针对横截面上的折射率分布，而在光纤长度方向上的分布式径向折射率分布则涉及很少，尤其在光纤的分布式传感应用场景中，光纤会受到外界环境的干扰，比如光纤受到挤压、碾压或震动等，这些外界干扰会导致光纤分布式径向折射率分布发生变化和波动。只有精准测量出光纤受外界干扰时的分布式径向折射率分布，才能为研究人员提供更准确全面的光纤折射率分布特性，为光纤技术的优化和发展提供依据，因此成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种精确测量光纤分布式径向折射率分布的测试装置，以测量光纤受外界环境干扰下沿长度方向上的分布式径向折射率分布，并且测量准确性高。

本发明实施例提供一种精确测量光纤分布式径向折射率分布的测试装置，包括：

信号单元，用于输出矩形脉冲光信号，所述矩形脉冲光信号为具有脉冲间隔的非连续偏振光；

干扰装置，用于对待测光纤分布式径向施加外界干扰；

传输单元，用于将所述矩形脉冲光信号传输至所述待测光纤中，以及，将所述待测光纤的后向瑞丽散射信号传输到处理系统；

所述处理系统，用于解析所述后向瑞丽散射信号，并根据所述干扰装置的动作反馈，计算所述待测光纤在长度方向上的分布式径向折射率分布。

在一些实施例中，所述信号单元包括：

激光器，用于产生原始光信号；

起偏器，用于将所述原始光信号转化为偏振光；

转换单元，用于将所述偏振光转换为所述矩形脉冲光信号。

在一些实施例中，所述转换单元包括：

信号发生器，用于产生矩形脉冲光信号；

斩波单元，分别与所述信号发生器和所述起偏器连接，用于根据矩形脉冲光信号，对所述偏振光进行斩波，得到所述矩形脉冲光信号。

在一些实施例中，所述干扰装置为圆柱形的驱动结构，具体用于：

从所述待测光纤的起点，沿长度方向滚动碾压所述待测光纤，计数自身的滚动周数；

向所述处理系统发送所述动作反馈，所述动作反馈为根据所述滚动周数计算出的待测光纤受干扰的长度位置。

在一些实施例中，所述处理系统包括：

检偏器，用于检测所述后向瑞丽散射信号对应的偏振方向，所述检偏器与所述起偏器保持方向的一致性；

光电探测器，用于将所述后向瑞丽散射信号转换成电信号；

高采样率示波器，用于解析所述电信号，得到所述后向瑞丽散射信号的时间-信号强度曲线；

计算机处理单元，用于根据所述时间-信号强度曲线，获取强度突变位置对应的时间值，并根据所述待测光纤受干扰的长度位置，计算当前的偏振方向对应的分布式径向折射率分布。

在一些实施例中，按照如下公式计算当前的偏振方向对应的分布式径向折射率分布n：

式中，c为光速，t为时间-信号强度曲线中强度突变位置对应的时间值，L为所述待测光纤受干扰的长度位置。

在一些实施例中，所述起偏器和所述检偏器还用于：在所述计算机处理单元每计算出横截面中一个偏振方向对应的分布式径向折射率分布之后，同步旋转至下一个偏振方向，直至遍历所述待测光纤的横截面360度上的全部偏振方向；

所述计算机处理单元还用于：依次计算所述待测光纤的横截面360度上的全部偏振方向对应的分布式径向折射率分布，得到所述待测光纤的横截面-分布式径向折射率分布，并控制显示屏展示所述待测光纤的横截面-分布式径向折射率分布的计算结果。

在一些实施例中，所述转换单元与所述传输单元之间连接有第一放大器，所述第一放大器用于对所述转换单元输出的矩形脉冲光信号进行放大处理，并将放大后的矩形脉冲光信号发送给所述传输单元。

在一些实施例中，所述传输单元与所述检偏器之间连接有第二放大器，所述第二放大器用于对所述传输单元返回的后向瑞丽散射信号进行放大处理，并将放大后的后向瑞丽散射信号发送给所述检偏器。

在一些实施例中，所述传输单元采用光环行器，所述光环行器的第一端口与所述第一放大器连接，所述光环行器的第二端口与所述待测光纤连接，所述光环行器的第三端口与所述第二放大器连接。

本发明提供的技术方案中，利用干扰装置模拟外界环境干扰并施加给待测光纤，基于光学中的OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer)原理，产生光信号源的信号单元会输出矩形脉冲光信号，矩形脉冲光信号经传输单元进入受外界干扰作用的待测光纤中，会发生瑞丽散射现象，后向瑞丽散射信号从待测光纤中返回，并经传输单元进入处理系统中，通过解析后向瑞丽散射信号，并结合干扰装置的动作反馈，得出在某一偏振方向上对应的分布式径向折射率分布。本申请能够在模拟外界环境干扰下，准确获取光纤分布式径向折射率分布，利于准确评估光纤质量，从而为后续光纤技术的优化和发展提供一个重要的参数依据，并且在改变偏振方向的情况下，可以获得其他偏振方向甚至是横截面上360度全偏振方向上对应的分布式径向折射率分布，测量结果更加准确全面，本申请中光纤分布式径向折射率分布测量具有很高的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示例性示出了光纤分布式径向折射率分布的测试装置的整体结构图；

图2示例性示出了光纤分布式径向折射率分布的测试装置的更细化结构图；

图3示例性示出了干扰装置的动作示意图。

图中，100-信号单元，101-激光器，102-起偏器，103-转换单元，103A-信号发生器，103B-斩波单元；200-干扰装置，201-圆柱体，202-驱动机构；300-传输单元；400-处理系统，401-第二放大器，402-检偏器，403-光电探测器，404-高采样率示波器，405-计算机处理单元；500-待测光纤；600-第一放大器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请一实施例提供的光纤分布式径向折射率分布的测试装置，包括信号单元100、干扰装置200、传输单元300、处理系统400和待测光纤500。

其中，信号单元100是产生矩形脉冲光信号的信号源，本申请中所述的矩形脉冲光信号是具有脉冲间隔的非连续的偏振光；传输单元300与信号单元100连接，以将矩形脉冲光信号传输进入待测光纤500中，由于OTDR原理，矩形脉冲光信号在待测光纤500中传播时会产生后向瑞丽散射信号，此时干扰装置正在对待测光纤500沿长度方向施加外界干扰，即待测光纤500在干扰装置200模拟外界环境干扰下，会受到如挤压、碾压和震动等扰动，从而使得后向瑞丽散射信号的信号强度发生变化。

传输单元300将待测光纤500中返回的后向瑞丽散射信号传输给处理系统400，处理系统400会对后向瑞丽信号进行解析和处理，并基于干扰装置200的动作反馈，计算光纤当前的偏振方向对应的分布式径向折射率分布，以此类推，当遍历测量光纤横截面上360度全偏振方向上的所有分布式径向折射率分布，即可得到本申请中的横截面-分布式径向折射率分布。在一些实施例中，动作反馈比如是干扰装置200作用在待测光纤500上的长度位置，又比如干扰装置200自身动作的参数，比如沿光纤长度方向滚动碾压待测光纤500上，动作反馈可以是干扰装置200旋转的圈数，等等。

在一些实施例中，图2示例性提供了一种更细化的装置结构，其中信号单元100包括依次连接的激光器101、起偏器102和转换单元103。激光器101可采用窄线宽式激光器，用于产生原始光信号；起偏器102的作用是产生特定方向的偏振光，即将原始光信号转化为具备某一特定偏振方向的偏振光；转换单元103则是进一步将偏振光转换为上述的矩形脉冲光信号。

在一些实施例中，转换单元103又可细化为包括信号发生器103A和斩波单元103B。信号发生器103A一般用作测试的信号源或激励源，本实施例中用于产生矩形脉冲光信号，以便后续生成矩形脉冲光信号；斩波单元103B分别与信号发生器103A和起偏器102连接，用于基于矩形脉冲光信号，对偏振光进行斩波，起偏器102输出连续的偏振光，而斩波单元103B通过斩波将连续的偏振光斩断为非连续，即相邻两段矩形光波之间具有脉冲间隔，则最终输出了本申请中所述的矩形脉冲光信号，矩形脉冲光信号具有一定的脉宽长度，比如是1ns。需要说明的是，输入待测光纤500中的光信号不限于矩形脉冲光信号，比如还可以是三角光信号等形式，只要满足OTDR实现瑞丽散射，均可适用本申请的技术方案，矩形脉冲光信号的作用效果更好。

在一些实施例中，转换单元103(具体是其中的斩波单元103B)与传输单元300之间连接有第一放大器600，第一放大器600用于对转换单元103输出的矩形脉冲光信号进行放大处理，并将放大后的矩形脉冲光信号发送给传输单元300，再由传输单元300将矩形脉冲光信号传输进入待测光纤500中。

在一些实施例中，如图3所示，干扰装置200可为圆柱形的驱动结构，其中圆柱体201直接接触并作用于待测光纤500，用于沿长度方向(即沿线)滚动碾压待测光纤500，从而模拟外界环境干扰并施加给待测光纤500，干扰装置200中还可包括驱动圆柱体201沿长度方向边行走边滚动的驱动机构202，实现干扰装置200动作的自驱动控制，尤其适用于光纤长度较大的场所，驱动机构可以根据实际需求进行配置。

启动驱动机构，使干扰装置200从待测光纤500的起点开始，沿长度方向滚动碾压待测光纤500，并计数自身的滚动周数M，然后向处理系统400发送所述动作反馈。在一些实施例中，动作反馈可以是滚动周数M，干扰装置200向处理系统400上报自身的滚动周数M后，处理系统可以计算待测光纤500受干扰的长度位置L，L＝2πr×M，其中r为干扰装置200的圆柱体的截面半径；或者，干扰装置200记录滚动周数M，并按照L＝2πr×M计算出待测光纤500受干扰的长度位置L，并将待测光纤500受干扰的长度位置L作为动作反馈上报给处理系统400。

在实际应用中，比如可以在干扰装置200设置用于检测滚动周数M的传感器，由传感器检测并记录滚动周数M，又比如可以通过驱动机构的运行参数，比如电机转数等参数来确定滚动周数M，本申请对此不作限定。当然，对于待测光纤500长度较短的情况，比如也可以由测试人员手持圆柱体结构，手动滚压待测光纤500。需要说明的是，本申请中仅示出了滚动碾压式的干扰装置，在实际应用中干扰装置的干扰形式和结构不限于本实施例所述，应适应于方便计算待测光纤500受干扰的长度位置L。

在一些实施例中，参照图2，处理系统400可以细化为包括依次连接的检偏器402、光电探测器403、高采样率示波器404和计算机处理单元405。

其中，检偏器402用于检测后向瑞丽散射信号对应的偏振方向，即检测当前测量的分布式径向折射率分布对应于光纤横截面上的哪个偏振方向。检偏器402与起偏器102保持方向的一致性，也就是说检偏器402检测与起偏器102同一方向的偏振光信号，不仅可以消除待测光纤500内偏振衰落的影响，还能提高光纤分布式径向折射率分布测量的准确性和可靠性。

光电探测器403，应具备高速响应的特性，用于探测后向瑞丽散射信号，将后向瑞丽散射信号转换成电信号。

高采样率示波器404，应支持高频率信号采集，采集1ns光脉冲在待测光纤500中往返一次后的后向瑞丽散射信号的强度分布，具体地，高采样率示波器404解析和处理光电探测器403输出的电信号，得到后向瑞丽散射信号的时间-信号强度曲线，时间-信号强度曲线中横向为时间轴，纵向为信号强度轴，表征后向瑞丽散射信号的强度随时间的变化关系。

计算机处理单元405，会从高采样率示波器404中获取时间-信号强度曲线。一方面，计算机处理单元405就相当于计算机，会包括显示屏，计算机处理单元405可以控制显示屏展示时间-信号强度曲线；另一方面，计算机处理单元405根据时间-信号强度曲线，获取强度突变位置对应的时间值，并根据待测光纤受干扰的长度位置，计算横截面中当前的偏振方向对应的分布式径向折射率分布。

在干扰装置200沿光纤长度方向动作，为待测光纤500施加扰动的过程中，干扰装置200每运动到光纤长度方向上的一个位置点，都会导致时间-信号强度曲线中存在一个相应位置发生强度突变，那么即可在曲线中定位出强度突变位置对应的时间值，即可按照如下公式计算出在当前的偏振方向下，光纤长度方向上每个位置点对应的折射率，得到分布式径向折射率分布n：

式中，c为光速(真空条件下)，真空光速为固定值；t为时间-信号强度曲线中强度突变位置对应的时间值，L为待测光纤500受干扰的长度位置。

在一些实施例中，计算机处理单元405每计算出横截面中一个偏振方向对应的分布式径向折射率分布之后，需要同步旋转起偏器102和检偏器402至下一个偏振方向，并继续测量下一个偏振方向对应的分布式径向折射率分布，以此类推，直至遍历待测光纤500的横截面360度上的全部偏振方向，计算机处理单元405依次计算待测光纤的横截面360度上的全部偏振方向对应的分布式径向折射率分布，从而得到待测光纤500的横截面-分布式径向折射率分布，并控制显示屏展示待测光纤500的横截面-分布式径向折射率分布的计算结果，以供测试人员进行参考。其中，起偏器102和检偏器402的同步旋转包括旋转角度和旋转方向的一致性，即保证每次调整偏振态时，两者始终对应于相同的偏振方向，从而提高待测光纤500的横截面-分布式径向折射率分布测量的准确性。

在一些实施例中，传输单元300与检偏器402之间连接有第二放大器401，第二放大器401用于对传输单元300返回的后向瑞丽散射信号进行放大处理，并将放大后的后向瑞丽散射信号发送给检偏器402，第二放大器401也是包括于处理系统400中的元器件。

在一些实施例中，传输单元300可以采用光环行器，光环行器是一种多端口且具有非互易特性的光器件。光环行器的第一端口与第一放大器600连接，光环行器的第二端口与待测光纤500连接，所述光环行器的第三端口与第二放大器401连接。第一放大器600将放大后的矩形脉冲光信号输入第一端口，第二端口将放大后的矩形脉冲光信号输出进入待测光纤500，待测光纤500向第二端口返回后向瑞丽散射信号，第三端口将后向瑞丽散射信号输出给第二放大器401。

由以上技术方案可知，利用干扰装置200模拟外界环境干扰并施加给待测光纤500，基于光学中的OTDR原理，激光器101输出的原始光信号经起偏器102和转换单元103处理后，被转换为矩形脉冲光信号；矩形脉冲光信号经传输单元300进入受外界干扰作用的待测光纤500中，会发生瑞丽散射现象，后向瑞丽散射信号从待测光纤500中返回，并经传输单元300进入检偏器402检测偏振方向，再依次经过光电探测器403和高采样率示波器404后，得到当前偏振方向上的时间-信号强度曲线，从而定位强度突变位置对应的时间值，并结合干扰装置200的动作反馈，得出当前偏振方向对应的分布式径向折射率分布n，后续通过同步旋转起偏器102和检偏器402，从而得到光纤横截面360度全偏振方向上的分布式径向折射率分布。本申请能够在模拟外界环境干扰下，准确获取某一偏振方向对应的分布式径向折射率分布，以及横截面-分布式径向折射率分布，利于准确评估光纤质量，从而为后续光纤技术的优化和发展提供一个重要的参数依据，并且分布式径向折射率分布可以遍历横截面360度全偏振方向，测量结果更加准确全面，提高了光纤分布式径向折射率分布测量的准确性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种精确测量光纤分布式径向折射率分布的测试装置，其特征在于，包括：

信号单元，用于输出矩形脉冲光信号，所述矩形脉冲光信号为具有脉冲间隔的非连续偏振光；

干扰装置，用于对待测光纤分布式径向施加外界干扰；

传输单元，用于将所述矩形脉冲光信号传输至所述待测光纤中，以及，将所述待测光纤的后向瑞丽散射信号传输到处理系统；

所述处理系统，用于解析所述后向瑞丽散射信号，得到所述后向瑞丽散射信号的时间-信号强度曲线，从所述时间-信号强度曲线中获取强度突变位置对应的时间值t，并根据所述干扰装置的动作反馈获取所述待测光纤受干扰的长度位置L，按照如下公式计算所述待测光纤在长度方向上的分布式径向折射率分布n：

式中，c为光速。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述信号单元包括：

激光器，用于产生原始光信号；

起偏器，用于将所述原始光信号转化为偏振光；

转换单元，用于将所述偏振光转换为所述矩形脉冲光信号。

3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述转换单元包括：

信号发生器，用于产生矩形脉冲光信号；

斩波单元，分别与所述信号发生器和所述起偏器连接，用于根据矩形脉冲光信号，对所述偏振光进行斩波，得到所述矩形脉冲光信号。

4.根据权利要求2或3所述的测试装置，其特征在于，所述干扰装置为圆柱形的驱动结构，具体用于：

从所述待测光纤的起点，沿长度方向滚动碾压所述待测光纤，计数自身的滚动周数；

向所述处理系统发送所述动作反馈，所述动作反馈为根据所述滚动周数计算出的待测光纤受干扰的长度位置。

5.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于，所述处理系统包括：

检偏器，用于检测所述后向瑞丽散射信号对应的偏振方向，所述检偏器与所述起偏器保持方向的一致性；

光电探测器，用于将所述后向瑞丽散射信号转换成电信号；

高采样率示波器，用于解析所述电信号，得到所述后向瑞丽散射信号的时间-信号强度曲线；

计算机处理单元，用于根据所述时间-信号强度曲线，获取强度突变位置对应的时间值，并根据所述待测光纤受干扰的长度位置，计算当前的偏振方向对应的分布式径向折射率分布。

6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，

所述起偏器和所述检偏器还用于：在所述计算机处理单元每计算出横截面中一个偏振方向对应的分布式径向折射率分布之后，同步旋转至下一个偏振方向，直至遍历所述待测光纤的横截面360度上的全部偏振方向；

所述计算机处理单元还用于：依次计算所述待测光纤的横截面360度上的全部偏振方向对应的分布式径向折射率分布，得到所述待测光纤的横截面-分布式径向折射率分布，并控制显示屏展示所述待测光纤的横截面-分布式径向折射率分布的计算结果。

7.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述转换单元与所述传输单元之间连接有第一放大器，所述第一放大器用于对所述转换单元输出的矩形脉冲光信号进行放大处理，并将放大后的矩形脉冲光信号发送给所述传输单元。

8.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于，所述传输单元与所述检偏器之间连接有第二放大器，所述第二放大器用于对所述传输单元返回的后向瑞丽散射信号进行放大处理，并将放大后的后向瑞丽散射信号发送给所述检偏器。

9.根据权利要求8所述的测试装置，其特征在于，所述传输单元采用光环行器，所述光环行器的第一端口与所述第一放大器连接，所述光环行器的第二端口与所述待测光纤连接，所述光环行器的第三端口与所述第二放大器连接。

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