CN112781504B - 一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置与方法，涉及光纤长度测量技术领域。该装置包括半导体激光器、光纤耦合器Ⅰ、光纤耦合器Ⅱ、光纤反射镜、光电探测器及频谱分析装置；半导体激光器发光输出至光纤耦合器Ⅰ，光纤耦合器Ⅰ的左尾纤B和右尾纤D在不测量时连接为一体，形成光纤环，测量时左尾纤B和右尾纤D之间通过待测光纤连接，形成待测光纤环；光纤耦合器Ⅰ的右尾纤C与光纤耦合器Ⅱ的左尾纤E连接，光纤耦合器Ⅱ的右尾纤G与光纤反射镜的尾纤连接、右尾纤H与光电探测器的尾纤连接，光电探测器通过传输线缆与频谱分析装置连接。本发明可以快速精确测量光纤长度，且检测无盲区，结构简单，测量距离远，精度高。

Description

一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置与方法

技术领域

本发明涉及光纤长度测量技术领域，具体为一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置与方法。

背景技术

由于光纤具有频带宽、损耗低、抗电磁干扰等突出的特点，成为现代重要的通讯介质之一。随着光纤通信和光纤传感的快速发展，在光纤入户、光纤点火、工程应用和实验、生产加工以及精密控制光纤长度应用领域中，都需要测量出光纤的准确长度，所以对光纤长度测量的要求也就愈发重要。

目前，光纤长度测量常用脉冲飞行法测量，典型测量仪器是光时域反射仪。由于光纤瑞利散射信号较弱，导致在制作时需要的光源和探测器都需要非常灵敏和精度够高，从而使成本变高。虽有研究使用高斯光脉冲延时方法改善测量效果，将脉冲时延测量转换为幅度极值的测量，利用光脉冲在通过耦合器后到耦合器末端的时延差来测量光纤长度，但本质仍属于光脉冲飞行法测量（张颖艳，孙小强，傅栋博，岳蕾，刘丽，李然，杨琨. 基于高斯光脉冲延迟技术的光纤长度精确测量方法[J]. 计量学报，2015，36（1）：10-13.）。

光脉冲飞行法无法同时满足远距离和高空间分辨率的测量要求。为了解决这一矛盾，研究者提出了多种方案去解决此问题，其中混沌光时域反射法借助混沌激光独有的宽带、大幅随机振荡特性，结合相关探测技术实现了与探测距离无关的高精度故障定位。近期有研究者提出在探测路上引入简易的光纤环，用来提高混沌信号的低频段能量。通过高带宽示波器将时序采集，最终在200MHz的探测带宽和6个最低有效位重构信号下互相关运算，获得4cm的空间分辨率。（胡志宏，王云才《混沌光时域反射仪优化技术》[D].太原理工大学硕士学位论文,2019）。

由于脉冲法测量在远距离和高精度间无法同时满足，也就是存在着分辨率与测量距离有不可调和矛盾的问题，而且在检测上具有盲区；然而混沌光时域反射测量法结构复杂，且需要探测回波信号进行相关计算，对设备和各类器件的精度要求过高，因此，有必要发明一种精确测量光纤长度且结构简单的方法。

发明内容

本发明为了解决现有光纤长度测量的方法无法同时满足远距离和保障精度的问题，提供了一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置与方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置，其特征在于：包括半导体激光器、光纤耦合器Ⅰ、光纤耦合器Ⅱ、光纤反射镜、光电探测器及频谱分析装置；所述半导体激光器采用不带隔离器的激光器，所述半导体激光器、光纤耦合器Ⅰ、光纤耦合器Ⅱ、光纤反射镜均自带尾纤；所述光电探测器的一侧设有尾纤；所述光纤耦合器Ⅰ的左右两侧各自固有两根尾纤，分别为左尾纤A、左尾纤B、右尾纤C和右尾纤D，所述光纤耦合器Ⅱ的左右两侧也各自固有两根尾纤，分别为左尾纤E、左尾纤F、右尾纤G和右尾纤H，所有的尾纤均可作为输入端或者输出端，所述半导体激光器通过其自带的尾纤与光纤耦合器Ⅰ的左尾纤A连接，所述光纤耦合器Ⅰ的左尾纤B和右尾纤D在不测量时连接为一体，形成光纤环，测量时左尾纤B和右尾纤D之间通过待测光纤连接，形成待测光纤环；所述光纤耦合器Ⅰ的右尾纤C与光纤耦合器Ⅱ的左尾纤E连接，所述光纤耦合器Ⅱ的右尾纤G与光纤反射镜的尾纤连接、右尾纤H与光电探测器的尾纤连接，所述光电探测器的另一侧通过传输线缆与频谱分析装置连接；所述光纤耦合器Ⅰ的分光比为50:50；所述光纤耦合器Ⅱ的分光情况为：右尾纤G到达光纤反射镜的光功率大于等于右尾纤H到达光电探测器的光功率。

本发明所设计的一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置，主要是通过频谱分析装置测量未加入待测光纤和加入待测光纤的延迟自干涉周期频率，然后通过公式计算得到待测光纤长度。该装置包括半导体激光器、光纤耦合器Ⅰ、光纤耦合器Ⅱ、光纤反射镜、光电探测器及频谱分析装置；半导体激光器、光纤耦合器Ⅰ、光纤耦合器Ⅱ、光纤反射镜均自带尾纤。半导体激光器用于发出激光，光纤耦合器Ⅰ及光纤耦合器Ⅱ可以将激光分为两路输出，只不过分光比不同，满足检测目的即可。光纤耦合器Ⅰ和光纤耦合器Ⅱ本身固有的结构为：左右两侧各自固有两根尾纤，光纤耦合器Ⅰ上的尾纤分别为：左尾纤A、左尾纤B、右尾纤C和右尾纤D，光纤耦合器Ⅱ上的尾纤分别为：左尾纤E、左尾纤F、右尾纤G和右尾纤H，所有的尾纤均可作为输入端或者输出端，输入输出不确定，需要根据实际光的传输方向而定。在本装置中，各个元器件的连接如下：半导体激光器通过其自带的尾纤与光纤耦合器Ⅰ的左尾纤A连接，使光注入光纤耦合器Ⅰ，并被分到右尾纤C和右尾纤D中，光纤耦合器Ⅰ的左尾纤B和右尾纤D在不测量时连接为一体，形成光纤环，用于测量未接入待测光纤时的光纤环的延迟自干涉周期频率，光纤环延迟自干涉周期频率对应频谱中每个向下峰的间隔频率；测量时左尾纤B和右尾纤D之间连接待测光纤，形成待测光纤环，这时再测量接入待测光纤时的延迟自干涉周期频率；光纤耦合器Ⅰ的右尾纤C与光纤耦合器Ⅱ的左尾纤E连接，光可以输入至光纤耦合器Ⅱ，光纤耦合器Ⅱ又将注入的光分至右尾纤G和右尾纤H中，右尾纤G与光纤反射镜的尾纤连接、右尾纤H与光电探测器的尾纤连接，光电探测器将光信号转换为电信号，并通过传输线缆与频谱分析装置连接；频谱分析装置用于检测光纤环的延迟自干涉周期或者待测光纤环的延迟自干涉周期。在本发明中，光纤耦合器Ⅰ的分光比为50:50，代表其可以将光均分于右尾纤C和右尾纤D中；光纤耦合器Ⅱ的分光情况为：右尾纤G到达光纤反射镜的光功率大于等于右尾纤H到达光电探测器的光功率，目的是为了使大量的光反馈回半导体激光器，使产生混沌光的效果更好。

上述利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置测量光纤长度的具体过程如下：

①首先将光纤耦合器Ⅰ的左尾纤B和右尾纤D连接起来，形成光纤环，光纤耦合器Ⅱ的左尾纤F悬空；半导体激光器发出激光后从左尾纤A输入光纤耦合器Ⅰ，光纤耦合器Ⅰ输出的光分为两条支路，分别从右尾纤C和右尾纤D输出，一条支路依次从右尾纤C及左尾纤E输入光纤耦合器Ⅱ，另一条支路通过光纤环回到光纤耦合器Ⅰ内，并从光纤耦合器Ⅰ的右尾纤C再次输出至光纤耦合器Ⅱ，随后光通过光纤耦合器Ⅱ输出分为两路支路，分别从右尾纤G和右尾纤H输出，右尾纤G中的光支路到达光纤反射镜后反射，再经过光纤耦合器Ⅱ从左尾纤E到达光纤耦合器Ⅰ，光从光纤耦合器Ⅰ的左尾纤A及左尾纤B输出，分为两支路，其中一路直接回到半导体激光器，另一路经过光纤环再次输入光纤耦合器Ⅰ，并从左尾纤A输出，也回到半导体激光器，使半导体激光器产生混沌；

②所产生的混沌光输入光纤耦合器Ⅰ的左尾纤A，光纤耦合器Ⅰ输出的光分为两条支路，分别从右尾纤C和右尾纤D输出，一条支路依次从右尾纤C及左尾纤E输入光纤耦合器Ⅱ，另一条支路通过光纤环回到光纤耦合器Ⅰ内，并从光纤耦合器Ⅰ的右尾纤C再次输出至光纤耦合器Ⅱ，随后光从光纤耦合器Ⅱ输出又分为两路支路，分别从右尾纤G和右尾纤H输出，右尾纤H输出的光与光电探测器相连进行光电转换，之后光电探测器与频谱分析装置相连，探测并记录此时的光纤环延迟自干涉周期频率，所述光纤环延迟自干涉周期频率为对应频谱每个向下峰的间隔频率；

③将待测光纤接入到光纤耦合器Ⅰ的左尾纤B和右尾纤D之间，形成待测光纤环，然后半导体激光器发出激光，光路沿着步骤①和②的路径传输，最后频谱分析装置再次测量得出待测光纤环的延迟自干涉周期频率；

④计算两次延迟自干涉的周期差，通过以下公式换算得到待测光纤的长度：

其中，c为真空中的光速，单位m/s，v为介质中的光速，单位m/s；折射率n为光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比； f ₁光纤环本身延迟自干涉的周期频率，单位Hz，该频率对应频谱中每个向下峰的间隔频率， T ₁为光纤环本身对应的光传输时间，单位为s，f ₂为接入待测光纤后延迟自干涉的周期频率，单位Hz，该频率与前述的频率定义相同，是为对应频谱中每个向下峰的间隔频率，T ₂为接入待测光纤后待测光纤环本身对应的光传输时间，单位为s，L为待测光纤长度，单位为m。

优选的，所述光纤耦合器Ⅰ和光纤耦合器Ⅱ采用单模光纤耦合器或多模光纤耦合器；进一步的，所述光纤耦合器Ⅱ的右尾纤H和右尾纤G分光比为：1:99或10:90或20:80或30:70或40:60或50:50。

优选的，所述光纤反射镜采用单模反射镜和多模反射镜；所述半导体激光器为单模激光器或者多模激光器；所有光学元器件的尾纤均为单模光纤或者多模光纤，即单模光纤或多模光纤对测量不造成影响，均可采用，若尾纤之间不同，则可以采用熔接方式连接。

优选的，本发明中可测长度的待测光纤为单模光纤和多模光纤。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置与方法，该方法可以快速精确测量光纤长度，且检测无盲区，结构简单，测量距离远，精度高。本发明相较于脉冲飞行法测量，不仅大大提高了测量距离，而且极大程度的提高了空间分辨率，同时解决了测量盲区的问题。本发明相较于混沌光时域反射测量，由于示波器采样率与采样深度研制难度高，导致探测长度与精度受到限制，在大功率探测条件下精度只可达到厘米量级分辨率；而在频谱分析装置中，频谱带宽与频谱最小精度都较易达到需求，利用光纤环形成的延迟自干涉周期测量光纤长度，使用频谱分析装置对延迟自干涉周期进行测量，由于频谱分析装置的精度较容易达到Hz量级，也就是说本发明所测量光纤的长度可达到百千米量级，同时精度可达到微米量级。而若是混沌光时域反射测量要达到这个级别，对示波器的带宽要求就变的十分苛刻，实现起来十分困难。

附图说明

图1为本发明的测量装置的结构示意图。

图2为本发明具体实施例所测得的频谱示意图。

图中标记如下：1-半导体激光器，2-光纤耦合器Ⅰ，3-待测光纤，4-光纤耦合器Ⅱ，5-光纤反射镜，6-光电探测器，7-频谱分析装置。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置，如图1所示：包括半导体激光器1、光纤耦合器Ⅰ2、光纤耦合器Ⅱ4、光纤反射镜5、光电探测器6及频谱分析装置7；所述半导体激光器1采用不带隔离器的激光器，所述半导体激光器1、光纤耦合器Ⅰ2、光纤耦合器Ⅱ4、光纤反射镜5均自带尾纤；所述光电探测器6的一侧设有尾纤；所述光纤耦合器Ⅰ2的左右两侧各自固有两根尾纤，分别为左尾纤A、左尾纤B、右尾纤C和右尾纤D，所述光纤耦合器Ⅱ4的左右两侧也各自固有两根尾纤，分别为左尾纤E、左尾纤F、右尾纤G和右尾纤H，所有的尾纤均可作为输入端或者输出端，所述半导体激光器1通过其自带的尾纤与光纤耦合器Ⅰ2的左尾纤A连接，所述光纤耦合器Ⅰ2的左尾纤B和右尾纤D在不测量时连接为一体，形成光纤环，测量时左尾纤B和右尾纤D之间通过待测光纤3连接，形成待测光纤环；所述光纤耦合器Ⅰ2的右尾纤C与光纤耦合器Ⅱ4的左尾纤E连接，所述光纤耦合器Ⅱ4的右尾纤G与光纤反射镜5的尾纤连接、右尾纤H与光电探测器6的尾纤连接，所述光电探测器6的另一侧通过传输线缆与频谱分析装置7连接；所述光纤耦合器Ⅰ2的分光比为50:50；所述光纤耦合器Ⅱ4的分光情况为：右尾纤G到达光纤反射镜5的光功率大于等于右尾纤H到达光电探测器6的光功率。

本发明的优选方案为，所述光纤耦合器Ⅰ2和光纤耦合器Ⅱ4采用单模光纤耦合器或多模光纤耦合器；所述光纤耦合器Ⅱ4的右尾纤H和右尾纤G分光比为：1:99或10:90或20:80或30:70或40:60或50:50；所有光学元器件的尾纤均为单模光纤或者多模光纤；所述待测光纤3为单模光纤和多模光纤。本实施例中采用了：待测光纤3为单模光纤，光纤耦合器Ⅰ2和光纤耦合器Ⅱ4采用了单模光纤耦合器，半导体激光器1为不带隔离器的单模激光器，尾纤为多模，光纤耦合器Ⅱ4的右尾纤H和右尾纤G分光比为：1:99，光纤反射镜5采用单模反射镜，尾纤为多模光纤。由于光纤耦合器Ⅱ4的左尾纤F悬空，所以未在图中示出。

本实施例具体的测量过程如下：

①首先将光纤耦合器Ⅰ2的左尾纤B和右尾纤D连接起来，形成光纤环，光纤耦合器Ⅱ4的左尾纤F悬空（所以图中未显示）；半导体激光器1发出激光后从左尾纤A输入光纤耦合器Ⅰ2，光纤耦合器Ⅰ2输出的光分为两条支路，分别从右尾纤C和右尾纤D输出，一条支路依次从右尾纤C及左尾纤E输入光纤耦合器Ⅱ4，另一条支路通过光纤环回到光纤耦合器Ⅰ2内，并从光纤耦合器Ⅰ2的右尾纤C再次输出至光纤耦合器Ⅱ4，随后光通过光纤耦合器Ⅱ4输出分为两路支路，分别从右尾纤G和右尾纤H输出，右尾纤G中的光支路到达光纤反射镜5后反射，再经过光纤耦合器Ⅱ4从左尾纤E到达光纤耦合器Ⅰ2，光从光纤耦合器Ⅰ2的左尾纤A及左尾纤B输出，分为两支路，其中一路直接回到半导体激光器1，另一路经过光纤环再次输入光纤耦合器Ⅰ2，并从左尾纤A输出，也回到半导体激光器1，使半导体激光器1产生混沌；

②所产生的混沌光输入光纤耦合器Ⅰ2的左尾纤A，光纤耦合器Ⅰ2输出的光分为两条支路，分别从右尾纤C和右尾纤D输出，一条支路依次从右尾纤C及左尾纤E输入光纤耦合器Ⅱ4，另一条支路通过光纤环回到光纤耦合器Ⅰ2内，并从光纤耦合器Ⅰ2的右尾纤C再次输出至光纤耦合器Ⅱ4，随后光从光纤耦合器Ⅱ4输出又分为两路支路，分别从右尾纤G和右尾纤H输出，右尾纤H输出的光与光电探测器6相连进行光电转换，之后光电探测器6与频谱分析装置7相连，探测并记录此时的光纤环延迟自干涉周期频率，所述光纤环延迟自干涉周期频率为对应频谱每个向下峰的间隔频率；

③将待测光纤3接入到光纤耦合器Ⅰ2的左尾纤B和右尾纤D之间，形成待测光纤环，然后半导体激光器1发出激光，光路沿着步骤①和②的路径传输，最后频谱分析装置再次测量得出待测光纤环的延迟自干涉周期频率；

④计算两次延迟自干涉的周期差，通过以下公式换算得到待测光纤3的长度：

其中，c为真空中的光速，单位m/s，v为介质中的光速，单位m/s；折射率n为光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比；f ₁光纤环本身延迟自干涉的周期频率，单位Hz，T ₁为光纤环本身对应的光传输时间，单位为s，f ₂为接入待测光纤3后延迟自干涉的周期频率，单位Hz，T ₂为接入待测光纤3后待测光纤环本身对应的光传输时间，单位为s，L为待测光纤长度，单位为m。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置，其特征在于：包括半导体激光器（1）、光纤耦合器Ⅰ（2）、光纤耦合器Ⅱ（4）、光纤反射镜（5）、光电探测器（6）及频谱分析装置（7）；

所述半导体激光器（1）采用不带隔离器的激光器，所述半导体激光器（1）、光纤耦合器Ⅰ（2）、光纤耦合器Ⅱ（4）、光纤反射镜（5）均自带尾纤；所述光电探测器（6）的一侧设有尾纤；

所述光纤耦合器Ⅰ（2）的左右两侧各自固有两根尾纤，分别为左尾纤A、左尾纤B、右尾纤C和右尾纤D，所述光纤耦合器Ⅱ（4）的左右两侧也各自固有两根尾纤，分别为左尾纤E、左尾纤F、右尾纤G和右尾纤H，所有的尾纤均可作为输入端或者输出端，所述半导体激光器（1）通过其自带的尾纤与光纤耦合器Ⅰ（2）的左尾纤A连接，所述光纤耦合器Ⅰ（2）的左尾纤B和右尾纤D在不测量时连接为一体，形成光纤环，测量时左尾纤B和右尾纤D之间通过待测光纤（3）连接，形成待测光纤环；所述光纤耦合器Ⅰ（2）的右尾纤C与光纤耦合器Ⅱ（4）的左尾纤E连接，所述光纤耦合器Ⅱ（4）的右尾纤G与光纤反射镜（5）的尾纤连接、右尾纤H与光电探测器（6）的尾纤连接，所述光电探测器（6）的另一侧通过传输线缆与频谱分析装置（7）连接；

所述光纤耦合器Ⅰ（2）的分光比为50:50；所述光纤耦合器Ⅱ（4）的分光情况为：右尾纤G到达光纤反射镜（5）的光功率大于等于右尾纤H到达光电探测器（6）的光功率。

2.根据权利要求1所述的一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置，其特征在于：所述光纤耦合器Ⅰ（2）和光纤耦合器Ⅱ（4）采用单模光纤耦合器或多模光纤耦合器。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置，其特征在于：所述光纤耦合器Ⅱ（4）的右尾纤H和右尾纤G分光比为：1:99或10:90或20:80或30:70或40:60或50:50。

4.根据权利要求1所述的一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置，其特征在于：所有光学元器件的尾纤均为单模光纤或者多模光纤。

5.根据权利要求1所述的一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置，其特征在于：所述待测光纤（3）为单模光纤和多模光纤。

6.基于权利要求1所述的一种利用混沌激光延迟自干涉测量光纤长度的装置的光纤长度测量方法，其特征在于：过程如下：

①首先将光纤耦合器Ⅰ（2）的左尾纤B和右尾纤D连接起来，形成光纤环，光纤耦合器Ⅱ（4）的左尾纤F悬空；半导体激光器（1）发出激光后从左尾纤A输入光纤耦合器Ⅰ（2），光纤耦合器Ⅰ（2）输出的光分为两条支路，分别从右尾纤C和右尾纤D输出，一条支路依次从右尾纤C及左尾纤E输入光纤耦合器Ⅱ（4），另一条支路通过光纤环回到光纤耦合器Ⅰ（2）内，并从光纤耦合器Ⅰ（2）的右尾纤C再次输出至光纤耦合器Ⅱ（4），随后光通过光纤耦合器Ⅱ（4）输出分为两路支路，分别从右尾纤G和右尾纤H输出，右尾纤G中的光支路到达光纤反射镜（5）后反射，再经过光纤耦合器Ⅱ（4）从左尾纤E到达光纤耦合器Ⅰ（2），光从光纤耦合器Ⅰ（2）的左尾纤A及左尾纤B输出，分为两支路，其中一路直接回到半导体激光器（1），另一路经过光纤环再次输入光纤耦合器Ⅰ（2），并从左尾纤A输出，也回到半导体激光器（1），使半导体激光器（1）产生混沌；

②所产生的混沌光输入光纤耦合器Ⅰ（2）的左尾纤A，光纤耦合器Ⅰ（2）输出的光分为两条支路，分别从右尾纤C和右尾纤D输出，一条支路依次从右尾纤C及左尾纤E输入光纤耦合器Ⅱ（4），另一条支路通过光纤环回到光纤耦合器Ⅰ（2）内，并从光纤耦合器Ⅰ（2）的右尾纤C再次输出至光纤耦合器Ⅱ（4），随后光从光纤耦合器Ⅱ（4）输出又分为两路支路，分别从右尾纤G和右尾纤H输出，右尾纤H输出的光与光电探测器（6）相连进行光电转换，之后光电探测器（6）与频谱分析装置（7）相连，探测并记录此时的光纤环延迟自干涉周期频率，所述光纤环延迟自干涉周期频率为对应频谱每个向下峰的间隔频率；

③将待测光纤（3）接入到光纤耦合器Ⅰ（2）的左尾纤B和右尾纤D之间，形成待测光纤环，然后半导体激光器（1）发出激光，光路沿着步骤①和②的路径传输，最后频谱分析装置再次测量得出待测光纤环的延迟自干涉周期频率；

④计算两次延迟自干涉的周期差，通过以下公式换算得到待测光纤（3）的长度：

其中，c为真空中的光速，单位m/s，v为介质中的光速，单位m/s；折射率n为光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比；f ₁光纤环本身延迟自干涉的周期频率，单位Hz，T ₁为光纤环本身对应的光传输时间，单位为s，f ₂为接入待测光纤（3）后延迟自干涉的周期频率，单位Hz，T ₂为接入待测光纤（3）后待测光纤环本身对应的光传输时间，单位为s，L为待测光纤长度，单位为m。

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