CN112702114B - 一种光纤侧向散射信号的获取装置及探测方法 - Google Patents

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Abstract

一种光纤侧向散射信号的获取装置及探测方法，装置包括：信号采集装置，用于采集光纤通信中的传输信号的散射光；环境光底噪隔绝装置，用于覆盖所述的信号采集装置，使信号采集装置处于一个隔光隔音的封闭环境中；数据处理平台，用于接收信号采集结构装置传输的模拟信号，处理后输出数字信号；信号恢复输出端，用于接收数据处理平台传输的数字信号，并输出整形的数字信号。本发明利用光传输介质的散射效应，通过散射空间内的高效率收集，探测通信光纤的侧向散射信号，提取信号波形，并根据传输光信号与散射信号的强度一致性，恢复光纤中的传输信息。可方便快捷地对光纤传输信号进行探测，为光纤安全性的建设和未来光通信的系统搭建多样性提供了可能。

Description

一种光纤侧向散射信号的获取装置及探测方法
技术领域
本发明涉及光纤的信号探测与恢复技术，特别是一种光纤侧向散射信号的获取装置及探测方法。
背景技术
依靠着宽带宽、大容量、高速率等优势，光纤通信已成为现代通信网络的重要支柱。尤其是在全光网络(AON)和自动交换光网络(ASON)出现之后，光网络又集成了透明性、智能化和栅格化等更多优点，其应用前景更加广泛、长久。目前，全球90％以上的信息都由光网络承载。随着现代社会对光纤网络通信的依赖性不断增强，光纤通信的信息安全成为许多领域内通信业务关注的重点，光纤通信“天然”安全性并不能100％地得到保障。
目前，探测光纤信息主要有以下几个方法：光纤弯曲法是其中的代表，通过控制光纤弯曲半径取出光功率来实现对光纤信息的获取，当光纤受到很大弯折时，弯曲半径与其纤芯直径存在可比性，传输特性会发生变化，大量传导模被转化为辐射模，不再继续传输，而是进入包层被包层或涂覆层吸收，但弯曲过程势必造成机械特性的变化；V型槽切口法，V型槽切口法是通过一个接近纤芯的V型槽导出光纤信号进行窃听的方法。它要求V型槽的切面与光纤信号传输方向之间的夹角大于完全反射的临界角。当达到这个条件后，在保护层中传输的部分信号和在V型槽切面发生迭加效应的信号发生完全反射，导致信号通过光纤边界泄露。此方法需要精密的切入光纤和抛光，而且安装需要很长时间；光栅法，利用紫外激光器产生紫外光进行相干叠加，进而在目标光纤纤芯上形成布拉格光栅。再利用另一根光纤捕获目标光纤中由光栅反射出的部分光信号，从而实现对目标光纤信号获取，该方法对技术精确性要求较高
光纤通信中，光纤纤芯、包层、涂覆层的折射率参数设定不同，由于光纤材料和结构中的固有属性，当光通过不均匀介质时会向各个方向传播，这就是光的散射现象。当光纤传输的信号光功率较小(此时介质极化强度与光场电场强度呈线性关系)时，会产生米氏散射和瑞利散射，这两种散射效应产生的散射光与入射光的频率相同；也产生布里渊散射和喇曼散射，这时散射光出现新的频率成分。按照惠更斯次波理论，光照射到均匀介质中的杂质微粒上，该微粒相当于一个新的子波源，继续发射球面波。这些微粒间隔要比光波长大得多的杂质微粒次波源发射的次波都是漫无规律、随机分布的，所以各次波之间没有固定相位关系。这些次波遵循非相干叠加原则，不会出现干涉相消现象，因而出现各个方向传播的散射光，当次级波源微粒尺寸比较小时，即是瑞利散射；当次级波源微粒尺寸比较大时，即是米氏散射。与通信信号强相关的散射光是通信光纤外部探测的基础。
发明内容
针对上述的不足，本发明提供一种光纤侧向散射信号的获取装置及方法。该装置及方法在经过处理的通信光纤探测点使用信号采集结构装置对光纤的侧向散射光进行反射汇聚收集，环境光底噪隔绝装置将环境光噪声降至最低，安装在信号采集结构装置上的高性能光电倍增模块接收散射光信号，并将散射光信号转换为电平信号输入至数据处理平台，数据处理平台对电平信号运算后形成数字波形，在信号恢复输出端显示。可在光纤通信过程中实时探测提取光纤中的传输数据，为热运行状态下的光纤通信信息外部探测提供了可能。
本发明的技术解决方案如下：
一种光纤侧向散射信号的获取装置，其特点在于，包括：
信号采集装置，用于采集光纤通信中的传输信号的散射光；
环境光底噪隔绝装置，用于覆盖所述的信号采集装置，使信号采集装置处于一个隔光隔音的封闭环境中；
数据处理平台，用于接收信号采集结构装置传输的模拟信号，处理后输出数字信号；
信号恢复输出端，用于接收数据处理平台传输的数字信号，并输出整形的数字信号。
所述的信号采集装置包括面板模块、及安装在该面板模块上的凹面反射镜、光纤夹具和光电倍增模块；所述的光纤夹具设有V型槽，供去除涂覆层和包层的光纤嵌入；所述的光纤夹具置于所述的凹面反射镜和光电倍增模块之间，且所述的凹面反射镜的镜面、光纤和光电倍增模块的探测镜头端面平行，所述的凹面反射镜的焦距f1等于其与光电倍增模块的探测镜头端面的距离。
所述的凹面反射镜将散射方向为光电倍增管异端的散射光反射汇集于光电倍增管的光信号接收面，该光电倍增管将收集到的光强时间信号转换为模拟电平信号输入至数据处理平台。
所述的环境光底噪隔绝装置由一个五面密闭连接的壳体构成，该壳体的底部可盖扣在所述的面板模块上，壳体上设有供光纤和光电倍增模块的探测镜头通过的安装孔，该安装孔周边设有铰链、合页和磁性条。
在所述的壳体底部周缘设有卡扣，用于与所述的面板模块的安装和拆卸。
所述的数据处理平台对探测的模拟信号智能化计算出0/1信号判定阈值，所述的信号恢复输出端对以上信息运算后输出整形的数字信号。
利用上述光纤侧向散射信号的获取装置进行信号探测的方法，其特征在于该方法包含下列步骤：
1)初始化安装：通信光纤用于传输信息，选取通信光纤的探测点，使用化学或物理方法去除光纤的涂覆层和包层，嵌式固定在信号采集结构装置上的光纤夹具的V型槽内，光纤与高性能光电倍增模块的探测镜头端面保持平行，探测点处被环境光底噪隔绝装置隔离。
2)光纤散射信号的收集：光纤通信过程中，散射光信号从探测点逸出，与高性能光电倍增管方向相背的散射光信号由凹面反射镜反射汇聚于高性能光电倍增管的光信号接收面。
高性能光电倍增模块的探测镜头端面直径为l0，光纤纤芯直径为d0，探测器与纤芯表面距离为d，则散射光的收集效率为：
Figure BDA0002838366860000031
在使用凹面反射镜(5)对异端散射光(15)信号进行反射汇聚后，探测效率则提升为：
Figure BDA0002838366860000032
l1为凹面反射镜的直径，f为凹面反射镜的焦距。
3)信号的整形输出：高性能光电倍增管模块将收集到的光强信号转化为电平信号，形成与光强相关的模拟波形，数据处理平台通过对模拟波形的计算，得出高电平阈值与低电平阈值，模拟电平经过两个阈值的整形形成数字方波。
模拟电平信号W的最高电平值为V1，低电平信号为V2，则高电平阈值VH为
Figure BDA0002838366860000033
低电平阈值VL为：
Figure BDA0002838366860000034
则数字信号(13)D的整形输出为：
if W≥VH,D＝1；
if W≤VL,D＝0.
最终以数字信号的形式整形输出。
本发明具有以下优点：
1.本发明可在光纤通信过程中实时对传输信号进行探测；
2.本发明可实现快速安装与拆卸；
3.本发明通过异端散射信号的反射收集，提高了散射光的收集效率；
4.本发明为热运行状态下的光纤通信信息外部探测提供了可能。
附图说明
图1是本发明实施例——信号采集结构装置的原理示意图。
图2是本发明实施例——一种光纤侧向散射信号的获取装置及方法的总体示意图。
图3是本发明实施例——信号采集结构装置和环境光底噪隔绝装置的结构拆解示意图。
图4是本发明实施例——光强转换为的模拟电平信号图。
图5是本发明实施例——经过脉冲整形后的数字信号输出图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1、图2、图3、图4和图5是本发明实施例——一种光纤侧向散射信号的获取装置及方法的示意图。由图1可知，凹面反射镜5、光纤夹具6、高性能光电倍增模块7安装在面板模块16上构成信号采集结构装置1上。由图2可知，信号采集结构装置1、环境光底噪隔绝装置2、数据处理平台3和信号恢复输出端4构成整个系统。由图3可知，封闭环境形成的局部黑箱构成具有光噪声排除功能的环境光底噪隔绝装置2，安装在环境光底噪隔绝装置2上的铰链8合页9、磁性条10能够方便可靠地安装和拆卸。由图4可知，探测到的散射光15经由高性能光电倍增模块7形成模拟电平信号12。由图5可知，模拟电平信号12经由数据处理平台3在信号恢复输出端4输出为整形的数字信号13。
下面是本实施例的更详细说明：
参见图1，图1是信号采集结构装置的示意图。光纤14嵌式固定在光纤夹具6的V型槽内，经过处理的光纤探测段位于信号采集结构装置1的中心，探测段光纤14与高性能光电倍增模块7的探测镜头端面保持平行，同时凹面反射镜5的镜面与高性能光电倍增模块7的探测镜头端面保持平行。凹面反射镜5的焦距f1等于其与高性能光电倍增模块7的探测镜头端面距离。
参见图2、图3。图2是本发明实施例——一种光纤侧向散射信号的获取装置及方法的总体示意图，包括信号采集结构装置、环境光底噪隔绝装置、数据处理平台和信号恢复输出端。具有凹面反射镜5、光纤夹具6、高性能光电倍增管7的信号采集结构装置1；具有光噪声排除功能的环境光底噪隔绝装置2，其上的铰链8、合页9、磁性条10和卡扣11可使装置能够方便可靠地安装和拆卸；可对探测的模拟信号12智能化计算出0/1信号判定阈值的数据处理平台3、将探测信息整理为数字信号13的形式信号输出的信号恢复输出端4。所述的信号采集结构装置1使用凹面反射镜5来提高光纤14侧向散射光15的收集效率。凹面反射镜5、光纤夹具6和高性能光电倍增管7固定安装在面板模块16上。经过化学或物理方法去除涂覆层和包层的光纤6嵌式固定在光纤夹具6的V型槽，由凹面反射镜5将散射方向为高性能光电倍增管7异端的散射光15反射汇集于高性能光电倍增管7的光信号接收面。高性能光电倍增管7将收集到的光强时间信号转换为模拟电平信号12输入至数据处理平台3。所述的环境光底噪隔绝装置2通过在光纤14探测点构建一个临时的微型黑箱，排除环境光噪声的干扰，将环境光噪声降至最低；其上的铰链8、合页9、磁性条10和卡扣11可使装置能够方便可靠地安装和拆卸。在经过处理的被探测光纤14上进行可拆卸式固定安装；所述的数据处理平台3接收来自于高性能光电倍增管7的模拟电平信号12，对探测的模拟信号智能化计算出0/1信号的判定阈值；所述的信号恢复输出端13对以上信息运算后输出整形的数字信号13。图3是信号采集结构装置和环境光底噪隔绝装置的结构拆解示意图。选取光纤6的探测点，使用化学或物理方法去除光纤的涂覆层和包层，固定在光纤夹具6上之后，环境光底噪隔绝装置2安装在面板模块16之上。光纤14和高性能光电倍增管模块7通过环境光底噪隔绝装置2上预留的安装孔。信号采集结构装置1和环境光底噪隔绝装置2合并后，合页9关闭，其上的磁性条3在合页9关闭时可立即合并封闭，形成局部黑箱，排除环境光干扰；卡扣11向下扣住面板16，保证安装的可靠性。光纤14通信过程中，散射光15信号从探测点逸出，与高性能光电倍增模块7方向相背的散射光15信号由凹面反射镜5反射，汇聚于高性能光电倍增模块7的光信号接收面。
高性能光电倍增模块7的探测镜头端面直径为l0，光纤纤芯直径为d0，高性能光电倍增模块7与纤芯表面距离为d，则散射光的收集效率为：
Figure BDA0002838366860000051
在使用凹面反射镜5对异端散射光15信号进行反射汇聚后，探测效率则提升为：
Figure BDA0002838366860000052
l1为凹面反射镜5的直径，f为凹面反射镜5的焦距。
参见图4，图5。图4是光强转换为的模拟电平信号图，图5是经过脉冲整形后的数字信号输出图。高性能光电倍增管模块将收集到的光强信号转化为电平信号，形成与光强相关的模拟波形，数据处理平台通过对模拟波形的计算，得出高电平阈值与低电平阈值，模拟电平经过两个阈值的整形形成数字方波。
模拟电平信号12为W的最高电平值为V1，低电平信号为V2，则高电平阈值VH为
Figure BDA0002838366860000061
低电平阈值VL为：
Figure BDA0002838366860000062
则数字信号D(13)的整形输出为：
if W≥VH,D＝1；
if W≤vL,D＝0.
最终以数字信号的形式整形输出。
综上所述，本发明使用折射和反射结构，配合高性能光电倍增模块，可以提高对光纤侧向散射信号的收集效率。环境光底噪隔绝装置可以在探测点构成一个临时黑箱，隔绝外部环境光，将光噪声降至最低；其上的铰链、合页、磁性条和卡扣可使装置能够方便可靠地安装和拆卸，在不中断光纤通信过程的前提下完成设备初始化。数据处理平台和信号恢复输出端完成对光信号的解调计算，输出恢复的光纤传输信号。可在光纤通信过程中实时探测提取光纤中的传输数据，为热运行状态下的光纤通信信息外部探测提供了可能。
以上所述仅为本发明的实施例之一，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光纤侧向散射信号的获取装置，其特征在于，包括：
信号采集装置(1)，用于采集光纤通信中的传输信号的散射光；
所述的信号采集装置(1)包括面板模块(16)、及安装在该面板模块(16)上的凹面反射镜(5)、光纤夹具(6)和光电倍增模块(7)；所述的光纤夹具(6)设有V型槽，供去除涂覆层和包层的光纤(14)嵌入；所述的光纤夹具(6)置于所述的凹面反射镜(5)和光电倍增模块(7)之间，且所述的凹面反射镜(5)的镜面、光纤(14)和光电倍增模块(7)的探测镜头端面平行，所述的凹面反射镜(5)的焦距f1等于其与光电倍增模块(7)的探测镜头端面的距离；
环境光底噪隔绝装置(2)，用于覆盖所述的信号采集装置(1)，使信号采集装置(1)处于一个隔光隔音的封闭环境中；
数据处理平台(3)，用于接收信号采集装置(1)传输的模拟信号，处理后输出数字信号；
信号恢复输出端(4)，用于接收数据处理平台(3)传输的数字信号，并输出整形的数字信号。
2.根据权利要求1所述的光纤侧向散射信号的获取装置，其特征在于，所述的凹面反射镜(5)将散射方向为光电倍增模块(7)异端的散射光(15)反射汇集于光电倍增模块(7)的光信号接收面，该光电倍增模块(7)将收集到的光强时间信号转换为模拟电平信号(12)输入至数据处理平台(3)。
3.根据权利要求1所述的光纤侧向散射信号的获取装置，其特征在于，所述的环境光底噪隔绝装置(2)由一个五面密闭连接的壳体构成，该壳体的底部可盖扣在所述的面板模块(16)上，壳体上设有供光纤(14)和光电倍增模块(7)的探测镜头通过的安装孔，该安装孔周边设有铰链(8)、合页(9)和磁性条(10)。
4.根据权利要求3所述的光纤侧向散射信号的获取装置，其特征在于，在所述的壳体底部周缘设有卡扣(11)，用于与所述的面板模块(16)的安装和拆卸。
5.根据权利要求1所述的光纤侧向散射信号的获取装置，其特征在于，所述的数据处理平台(3)对探测的模拟信号(12)智能化计算出0/1信号判定阈值，所述的信号恢复输出端(4)对以上信息运算后输出整形的数字信号。
6.利用权利要求1-5任一所述的光纤侧向散射信号的获取装置进行信号探测的方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：
步骤1)初始化安装：选取光纤(14)的探测点，使用化学或物理方法去除光纤(14)的涂覆层和包层，并固定在光纤夹具(6)的V型槽内，光纤(14)与光电倍增模块(7)的探测镜头端面保持平行，探测点处被环境光底噪隔绝装置(2)隔离；
步骤2)光纤散射信号的收集：当光纤通信过程中，散射光信号(15)从探测点逸出，与光电倍增模块(7)方向相背的散射光(15)信号由凹面反射镜(5)反射汇聚于光电倍增模块(7)的光信号接收面；
光电倍增模块(7)的探测镜头端面直径为l0，光纤(14)纤芯直径为d0，光电倍增模块(7)与光纤(14)纤芯的距离为d，则散射光的收集效率e1为：
Figure FDA0003446146880000021
在使用凹面反射镜(5)对异端散射光(15)信号进行反射汇聚后，探测效率e2为：
Figure FDA0003446146880000022
l1为凹面反射镜(5)的直径，f为凹面反射镜(5)的焦距；
步骤3)信号的整形输出：光电倍增模块(7)将收集到的光强信号转化为电平信号W，形成与光强相关的模拟波形，数据处理平台(3)通过对模拟波形的计算，得出高电平阈值VH与低电平阈值VL，模拟电平经过两个阈值的整形输出整形后的数字信号D，公式如下：
Figure FDA0003446146880000023
Figure FDA0003446146880000024
式中，V1为电平信号W最高电平值，V2为最低电平值；
if W≥VH,D＝1
if W≤VL,D＝0。
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