CN114039660B - 一种短距离光纤传输系统及其信号检测和故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短距离光纤传输系统及其信号检测和故障定位方法，方法包括：通过脉冲控制器控制激光器发出光脉冲，同时通过光功率检测模块检测激光器发出的光功率；光脉冲经过光纤传输网络后，光信号反射回光耦合器，通过光电探测器探测反射的光信号，并经过计算处理后得到反射光功率；计算得出光信号回波时间，结合待测光折射率计算故障点距离L；结合激光器发出的光功率、反射光功率，计算光纤信号衰减系数，同时定位故障点。本发明可计算出光纤故障点距离、光功率衰减、衰减系数，且根据计算得到的故障点距离L，结合测试点M0与光纤熔接点的距离，根据比较法得出光纤故障点，为光纤网络的高效运行维护提供数据基础。

Description

一种短距离光纤传输系统及其信号检测和故障定位方法

技术领域

本发明涉及光纤信号检测技术领域，尤其涉及一种短距离光纤传输系统及其信号检测和故障定位方法。

背景技术

光纤通信是用光纤作为传输介质，以光波作为载波来实现信息传输，从而达到通信目的的一种新通信技术。与传统的电气通信相比，光纤传感技术具有精度和灵敏度高、抗电磁干扰、寿命长、耐腐蚀、成本低、光纤传输损耗极低，传输距离远等突出优点。

虽然光纤通信具有以上突出的优点，但本身存在的缺陷也不容忽视，比如：光纤的质地脆，容易断裂、机械强度差，弯曲不能过小；供电困难；分路、耦合不灵活；光纤的切断和连接需要特定的工具或设备等。城建施工、洪水侵袭、人为破坏、地壳运动等人为行为或者天灾的破坏，都很容易造成光纤线路的故障。如何有效地保证光纤通信系统的可靠性，首先应该有一套系统的对光纤信号在传输网络中的故障点定位、光功率衰减、衰减系数进行检测和计算的方法，为光纤网络的高效运行维护提供数据基础。其次，虽然现有技术已经有进行光纤检测的技术设备，但是仅限于测量故障点的距离，而不知道故障点的方位，不利于及时对光纤故障进行定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种短距离光纤传输系统及其信号检测和故障定位方法，以解决现有技术的不足。

本发明由如下技术方案实施：一种短距离光纤传输系统，包括第一控制器、脉冲控制器、激光器、光功率检测模块、第一接口模块、发射光计时模块、耦合器、光电探测器、光纤传输网络、信号放大模块、AD转换模块、反射光计时模块、第二接口模块、第二控制器，所述第一控制器与脉冲控制器、发射光计时模块、反射光计时模块电连接，所述脉冲控制器输出端连接激光器，所述激光器与光功率检测模块、耦合器电连接，所述光功率检测模块输出端连接第一接口模块，所述耦合器与光电探测器、光纤传输网络电连接，所述光电探测器与信号放大模块、反射光计时模块电连接，所述信号放大模块输出端连接AD转换模块，所述AD转换模块连接第二控制器，所述第二控制器连接第二接口模块，所述光功率检测模块、第二控制器分别通过第一接口模块、第二接口模块连接上位机模块。

优选的，所述信号放大模块包括依次连接的前置放大电路、滤波电路、二级放大电路。

优选的，所述上位机模块上安装光纤故障点定位系统，所述光纤故障点定位系统包括地理信息采集单元、地理信息显示单元、故障点位置查询单元。

优选的，所述第一控制器、第二控制器为单片机、DSP或者FPGA。

优选的，所述发射光计时模块、反射光计时模块为时钟芯片。

一种短距离光纤传输系统的信号检测和故障定位方法，包括：

第一控制器发出脉冲控制电信号，通过脉冲控制器控制激光器发出光脉冲，同时通过光功率检测模块检测激光器发出的光功率；

光脉冲经过光纤传输网络后，光信号反射回光耦合器，通过光电探测器探测反射的光信号，并经过第二控制器计算处理后得到反射光功率；

通过发射光计时模块、反射光计时模块分别记录的时间，计算得出光信号回波时间，结合待测光折射率计算故障点距离L；

通过故障点距离，结合激光器发出的光功率、反射光功率，计算光纤信号衰减系数，同时根据计算得到的故障点距离L，结合测试点M0与光纤熔接点的距离，根据比较法得出光纤故障点。

优选的，所述计算故障点距离L具体公式为；

L=c*t/2n，其中L为故障点距离，c为光速，t为光信号回波时间，n为待测光纤折射率。

优选的，所述通过故障点距离，结合激光器发出的光功率、反射光功率，计算光纤信号衰减系数，具体为：

，，其中为光纤信号衰减系数，为光信号功率衰减值，为激光器发出的光功率，为第二控制器计算处 理后得到反射光功率，为故障点距离。

优选的，所述根据计算得到的故障点距离L，结合测试点M0与光纤熔接点的距离，根据比较法得出光纤故障点，具体为：

地理信息采集，测量光纤传输网络中测试点M0的GPS坐标值，以及以测试点为中心的一定半径距离的圆周范围内所有光纤熔接点M1、M2……Mn的GPS坐标值；其中，所述半径距离为15KM以下；

地理信息显示，绘制生成光纤传输网络的电子实景图，同时在电子实景图中标注测试点M0以及光纤熔接点M1、M2……Mn；

故障点位置查询，根据光纤熔接点M1、M2……Mn与测试点M0之间的光缆距离S1、S2……Sn，将所述故障点距离L与光缆距离S1、S2……Sn进行比较，将S1、S2……Sn中最接近于L的距离对应的光纤熔接点定位为光纤故障点。

优选的，所述光纤熔接点M1、M2……Mn与测试点M0之间的光缆距离S1、S2……Sn预先存储在数据库中。

本发明的优点：

本发明可以通过检测光纤信号的发射和反射，计算出光纤故障点距离、光功率衰减、衰减系数，且根据计算得到的故障点距离L，结合测试点M0与光纤熔接点的距离，根据比较法得出光纤故障点，为光纤网络的高效运行维护提供数据基础。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例的一种短距离光纤传输系统的原理框图；

图2为本发明实施例的一种短距离光纤传输系统的信号放大模块原理框图；

图3为本发明实施例的一种短距离光纤传输系统的光功率信号检测原理框图；

图4为本发明实施例的一种短距离光纤传输系统的光纤故障点定位系统原理框图；

图5为本发明实施例的一种短距离光纤传输系统及其信号检测和故障定位方法流程图。

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、完整地描述，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作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。

实施例1

如图1、3所示，本发明提供一种短距离光纤传输系统，包括第一控制器1、脉冲控制器2、激光器3、光功率检测模块4、第一接口模块5、发射光计时模块6、耦合器7、光电探测器8、光纤传输网络9、信号放大模块10、AD转换模块11、反射光计时模块12、第二接口模块13、第二控制器14，第一控制器1与脉冲控制器2、发射光计时模块6、反射光计时模块12电连接，脉冲控制器2输出端连接激光器3，激光器3与光功率检测模块4、耦合器7电连接，光功率检测模块4输出端连接第一接口模块5，耦合器7与光电探测器8、光纤传输网络9电连接，光电探测器8与信号放大模块10、反射光计时模块12电连接，信号放大模块10输出端连接AD转换模块11，AD转换模块11连接第二控制器14，第二控制器14连接第二接口模块13，光功率检测模块4、第二控制器14分别通过第一接口模块5、第二接口模块13连接上位机模块15。

如图1所示，由第一控制器触发脉冲控制器器产生的电脉冲，驱动激光器产生光脉冲，经方向耦合器射入待测光纤传输网络。射入光纤的光脉冲，由于光纤材料本身固有的性质会产生瑞利散射光，连同遇到不平整光纤端面会产生菲涅尔反射光，一起反射回方向耦合器、射至光电探测器，转换成电脉冲。转换后的电信号经由信号放大模块和A/D转换模块处理后送入第二控制器，由于此项反射光强度微弱，故需信号放大模块10反复传送、收集并进行放大和平均处理。OTDR利用其激光光源向被测光纤反复发送光脉冲来实现测量。同时，光功率检测模块检测激光器发出的光信号的功率，发射光功率信号通过第一接口模块（比如R232、RS485、USB接口）发送到上位机模块，第二控制器通过A/D转换模块转换后的数字信号计算反射光功率，反射光功率信号通过第二接口模块（比如R232、RS485、USB接口）发送到上位机模块。最后，发射光计时模块6、反射光计时模块12分别计算发射光信号发出的时间和反射光信号接收的时间，进而计算出光信号回波时间。

如图2所示，信号放大模块10包括依次连接的前置放大电路101、滤波电路102、二级放大电路103。由于光电探测器8输出的光信号较小，需要放大电路将信号进行放大，本实施例选用OPA656作为前置放大器。为了提高电路的信噪比，在前置放大电路（101）后加一级二阶有源低通滤波器。另外，由于放大器的带宽增益有限，一级放大信号难以实现对微弱信号的放大，为了将微弱信号放大到方便处理的程度，采用二级放大电路来实现信号的放大处理。

如图4所示，上位机模块15上安装光纤故障点定位系统，光纤故障点定位系统包括地理信息采集单元201、地理信息显示单元202、故障点位置查询单元203，光纤故障点定位系统用于实现故障点的定位。

本实施例中，第一控制器1、第二控制器14为单片机、DSP或者FPGA，发射光计时模块6、反射光计时模块12为时钟芯片。

实施例2

如图5所示，本实施例提供一种短距离光纤传输系统的信号检测和故障定位方法，包括：

步骤S1、第一控制器发出脉冲控制电信号，通过脉冲控制器控制激光器发出光脉冲，同时通过光功率检测模块检测激光器发出的光功率；

步骤S2、光脉冲经过光纤传输网络后，光信号反射回光耦合器，通过光电探测器探测反射的光信号，并经过第二控制器计算处理后得到反射光功率；

步骤S3、通过发射光计时模块、反射光计时模块分别记录的时间，计算得出光信号回波时间，结合待测光折射率计算故障点距离L；其中，计算故障点距离L具体公式为；

L=c*t/2n，其中L为故障点距离，c为光速，t为光信号回波时间，n为待测光纤折射率。

步骤S4、通过故障点距离，结合激光器发出的光功率、反射光功率，计算光纤信号 衰减系数，同时根据计算得到的故障点距离L，结合测试点M0与光纤熔接点的距离，根据比 较法得出光纤故障点。其中，通过故障点距离，结合激光器发出的光功率、反射光功率，计算 光纤信号衰减系数，具体为：，，其中为光纤 信号衰减系数，光信号功率衰减值，为激光器发出的光功率，为第二控 制器计算处理后得到反射光功率，为故障点距离。

根据计算得到的故障点距离L，结合测试点M0与光纤熔接点的距离，根据比较法得出光纤故障点，具体为：

（1）地理信息采集，测量光纤传输网络中测试点M0的GPS坐标值，以及以测试点为中心的一定半径距离的圆周范围内所有光纤熔接点M1、M2……Mn的GPS坐标值；其中，所述半径距离为15KM以下；

（2）地理信息显示，绘制生成光纤传输网络的电子实景图，同时在电子实景图中标注测试点M0以及光纤熔接点M1、M2……Mn；

（3）故障点位置查询，根据光纤熔接点M1、M2……Mn与测试点M0之间的光缆距离S1、S2……Sn，将故障点距离L与光缆距离S1、S2……Sn进行比较，将S1、S2……Sn中最接近于L的距离对应的光纤熔接点定位为光纤故障点。其中，所述光纤熔接点M1、M2……Mn与测试点M0之间的光缆距离S1、S2……Sn预先存储在数据库中。

上述故障点距离L为通过本发明的系统实测的光纤故障点距离，由于只知道光纤故障点与测试点的距离，而不知道光纤故障点的具体方向位置。因此，本发明将所有可能的光纤故障点（即光纤熔接点）绘制在电子地图上并标记，由于在光纤信号检测时，被测检测点或者被测检测点附近可以近似为圆心，那么可能的光纤故障点（即光纤熔接点）与被测检测点之间的光纤线路是以上述圆心向四周辐射的，而被测检测点与光纤故障点（即光纤熔接点）之间的线路长度不一。由于已经通过本发明的系统各个模块测得了故障点距离L，但是由于不知道故障点方向，对于故障点的定位存在困难。因此，通过在电子实景图中标注测试点M0以及光纤熔接点M1、M2……Mn，并根据光纤熔接点M1、M2……Mn与测试点M0之间的光缆距离S1、S2……Sn，将测得的故障点距离L与光缆距离S1、S2……Sn进行比较，S1、S2……Sn中与系统测试计算出的故障点距离L长度最相近的所对应的光缆，也就是故障点所在光缆，因此可以实现较快的故障点定位。比如，系统各个模块测得了故障点距离L与电子实景图上的测试点M0与光纤熔接点M2的距离接近，则可以基本判定光纤熔接点M2存在故障，因为光纤熔接点M1、M2……Mn与测试点M0之间的光缆距离S1、S2……Sn之间必然有大小差别，而其中与系统计算得出的距离L最接近的所对应光纤熔接点就存在故障点的最大可能。同时，距离S1、S2……Sn是实际距离，这些距离是通过工程施工时经过测量（比如熔接点通过光功率计计算距离或者通过距离测算器得出的距离）后录入系统的距离。而系统各个模块测得了故障点距离L是理论距离，如果这个理论距离与预先存储的实际距离相投或者基本相投，那么大概率可以确定故障点，这样通过理论计算的距离L结合本发明的距离比较法得出的故障点定位方案，无需进行方位定位即可快速定位故障点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种短距离光纤传输系统，其特征在于，包括第一控制器（1）、脉冲控制器（2）、激光器（3）、光功率检测模块（4）、第一接口模块（5）、发射光计时模块（6）、耦合器（7）、光电探测器（8）、光纤传输网络（9）、信号放大模块（10）、AD转换模块（11）、反射光计时模块（12）、第二接口模块（13）、第二控制器（14），所述第一控制器（1）与脉冲控制器（2）、发射光计时模块（6）、反射光计时模块（12）电连接，所述脉冲控制器（2）输出端连接激光器（3），所述激光器（3）与光功率检测模块（4）、耦合器（7）电连接，所述光功率检测模块（4）输出端连接第一接口模块（5），所述耦合器（7）与光电探测器（8）、光纤传输网络（9）电连接，所述光电探测器（8）与信号放大模块（10）、反射光计时模块（12）电连接，所述信号放大模块（10）输出端连接AD转换模块（11），所述AD转换模块（11）连接第二控制器（14），所述第二控制器（14）连接第二接口模块（13），所述光功率检测模块（4）、第二控制器（14）分别通过第一接口模块（5）、第二接口模块（13）连接上位机模块（15）；

所述上位机模块（15）上安装光纤故障点定位系统，所述光纤故障点定位系统包括地理信息采集单元（201）、地理信息显示单元（202）、故障点位置查询单元（203）,其中：

所述地理信息采集单元（201），用于测量光纤传输网络中测试点M0的GPS坐标值，以及以测试点为中心的一定半径距离的圆周范围内所有光纤熔接点M1、M2……Mn的GPS坐标值；其中，所述半径距离为15KM以下；

所述地理信息显示单元（202），用于绘制生成光纤传输网络的电子实景图，同时在电子实景图中标注测试点M0以及光纤熔接点M1、M2……Mn；

所述故障点位置查询单元（203），根据光纤熔接点M1、M2……Mn与测试点M0之间的光缆距离S1、S2……Sn，将故障点距离L与光缆距离S1、S2……Sn进行比较，将S1、S2……Sn中最接近于L的距离对应的光纤熔接点定位为光纤故障点。

2.根据权利要求1所述的一种短距离光纤传输系统，其特征在于，所述信号放大模块（10）包括依次连接的前置放大电路（101）、滤波电路（102）、二级放大电路（103）。

3.根据权利要求1所述的一种短距离光纤传输系统，其特征在于，所述第一控制器（1）、第二控制器（14）为单片机、DSP或者FPGA任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种短距离光纤传输系统，其特征在于，所述发射光计时模块（6）、反射光计时模块（12）为时钟芯片。

5.一种短距离光纤传输系统的信号检测和故障定位方法，其特征在于，包括：

第一控制器发出脉冲控制电信号，通过脉冲控制器控制激光器发出光脉冲，同时通过光功率检测模块检测激光器发出的光功率；

光脉冲经过光纤传输网络后，光信号反射回光耦合器，通过光电探测器探测反射的光信号，并经过第二控制器计算处理后得到反射光功率；

通过发射光计时模块、反射光计时模块分别记录的时间，计算得出光信号回波时间，结合待测光折射率计算故障点距离L；

通过故障点距离，结合激光器发出的光功率、反射光功率，计算光纤信号衰减系数，同时根据计算得到的故障点距离L，结合测试点M0与光纤熔接点的距离，根据比较法得出光纤故障点，具体为：

地理信息采集，测量光纤传输网络中测试点M0的GPS坐标值，以及以测试点为中心的一定半径距离的圆周范围内所有光纤熔接点M1、M2……Mn的GPS坐标值；其中，所述半径距离为15KM以下；

地理信息显示，绘制生成光纤传输网络的电子实景图，同时在电子实景图中标注测试点M0以及光纤熔接点M1、M2……Mn；

故障点位置查询，根据光纤熔接点M1、M2……Mn与测试点M0之间的光缆距离S1、S2……Sn，将所述故障点距离L与光缆距离S1、S2……Sn进行比较，将S1、S2……Sn中最接近于L的距离对应的光纤熔接点定位为光纤故障点；

所述光纤熔接点M1、M2……Mn与测试点M0之间的光缆距离S1、S2……Sn预先存储在数据库中。

6.根据权利要求5所述的一种短距离光纤传输系统的信号检测和故障定位方法，其特征在于，所述计算故障点距离L具体公式为；

L=c*t/2n，其中L为故障点距离，c为光速，t为光信号回波时间，n为待测光纤折射率。

7.根据权利要求5所述的一种短距离光纤传输系统的信号检测和故障定位方法，其特征在于，所述通过故障点距离，结合激光器发出的光功率、反射光功率，计算光纤信号衰减系数，具体为：

，/>,其中/>为光纤信号衰减系数，/>光信号功率衰减值，/>为激光器发出的光功率，/>为第二控制器计算处理后得到反射光功率，/>为故障点距离。