CN214851235U - 用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置 - Google Patents

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李国扬
杨光
王忠民
吉顺兵
刘海
黄圣军
刘军
何禹潼
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Abstract

本实用新型提供了一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，包括顺序连接的直接数字频率合成器、激光器驱动器、激光器、环形器、光电探测器以及模数转换器；其中，所述直接数字频率合成器与主控器连接，所述主控器通过控制总线驱动直接数字频率合成器输出连续步进频扫频信号；所述直接数字频率合成器与激光驱动器连接，所述激光驱动器驱动激光器输出连续光波，并通过环形器入射到待测光纤中；所述环形器接收光纤返回的瑞丽散射光波，并通过光电探测器输出电流信号；所述电流信号通过模数转换器输出数字信号到主控器。通过所述方案能够方便快捷的获取到携带光纤健康状态的瑞利散射光波，为基于非相干光频域反射的光纤故障检测奠定了基础。

Description

用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置
技术领域
本实用新型涉及光纤故障检测技术领域，尤其涉及一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
非相干光频域反射技术最初起源于频率调制连续波(FMCW)激光雷达系统，非相干光频域反射技术主要是通过检测光纤的后向散射光的频率响应，再利用频域-空域变换原理实现分布式检测。发明人发现，光纤后向散射的瑞利散射光波包含有较多的光纤健康状态信息，但是，为了利用瑞丽散射光波进行光纤故障的精准检测，要求瑞丽散射光波具有良好的精度和稳定性，因此，急需一种能够获得携带有光纤健康状态信息的高精度稳定的瑞利散射光波获取装置。
实用新型内容
本实用新型为了解决上述问题，提供了一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，所述方案通过所述方案能够方便快捷的获取到携带光纤健康状态的稳定瑞利散射光波，为基于非相干光频域反射的光纤故障检测奠定了基础。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，包括顺序连接的直接数字频率合成器、激光器驱动器、激光器、环形器、光电探测器以及模数转换器；
其中，所述直接数字频率合成器与主控器连接，所述主控器通过控制总线驱动直接数字频率合成器输出连续步进频扫频信号；所述直接数字频率合成器与激光驱动器连接，所述激光驱动器驱动激光器输出连续光波，并通过环形器入射到待测光纤中；所述环形器接收光纤返回的瑞丽散射光波，并通过光电探测器输出电流信号；所述电流信号通过模数转换器输出数字信号到主控器。
进一步的，所述激光驱动器接收直接数字频率合成器输出的连续步进频扫频信号，并输出符合后级激光器驱动标准的连续步进频扫频电流信号。
进一步的，所述激光器接收连续步进频扫频电流信号，并输出带步进频率调制的连续光波。
进一步的，所述环形器包括第一端口、第二端口及第三端口。
进一步的，所述激光器输出的连续光波通过第一端口输入到环形器，并通过第二端口输出到待测光纤。
进一步的，所述待测光纤返回的瑞丽散射光波通过第二端口输入到环形器，并通过第三端口输出到光电探测器。
进一步的，所述光电探测器接收瑞利散射光波，并输出对应的电流信号到模数转换器。
进一步的，所述激光器为半导体激光器。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
(1)本实用新型所述方案提供了一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，所述装置主要包括顺序连接的直接数字频率合成器、激光器驱动器、激光器、环形器、光电探测器以及模数转换器，其组成机构及控制逻辑简单，能够方便快捷的获取到携带光纤健康状态的瑞利散射光波。
(2)本实用新型所述方案采用半导体激光器产生的宽带光源作为待测光纤的输入，进而能够获得更加准确稳定的瑞丽散射光波数据，为后续基于非相干光频域反射的光纤故障检测奠定了基础。
附图说明
构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限定。
图1为本实用新型实施例一中所述的基于瑞丽散射光波的光纤故障检测装置。
具体实施方式：
下面结合附图与具体实施例对本实用新型做进一步的说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。
术语简介：
非相干光频域反射技术：
非相干光频域反射(Incoherent Optical Frequency Domain Reflectometry,IOFDR)技术最初起源于频率调制连续波(FMCW)激光雷达系统，非相干光频域反射技术主要是通过检测光纤的后向散射光的频率响应，再利用频域-空域变换原理实现分布式检测。
微波信号源输出线性扫频输出信号，通过电光调制器对光源出光进行调制，并通过光环行器后射入长距离光纤，反射回信号随即与本地振荡信号在混频器处汇合，采用低通滤波器滤除混频后的高频信号，实现某个频点下整条传感光纤的质量监测。改变激光器出光频率进行扫描，便能获取每个频率点的传感光纤状态信息，借助傅里叶逆变换，可以得到传感光纤位置相关的状态信息，完成光网络在线故障监测。
实施例一：
本实施例的目的是提供一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置。
一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，包括顺序连接的直接数字频率合成器、激光器驱动器、激光器、环形器、光电探测器以及模数转换器；
其中，所述直接数字频率合成器与主控器连接，所述主控器通过控制总线驱动直接数字频率合成器输出连续步进频扫频信号；所述直接数字频率合成器与激光驱动器连接，所述激光驱动器驱动激光器输出连续光波，并通过环形器入射到待测光纤中；所述环形器接收光纤返回的瑞丽散射光波，并通过光电探测器输出电流信号；所述电流信号通过模数转换器输出数字信号到主控器。
进一步的，所述激光驱动器接收直接数字频率合成器输出的连续步进频扫频信号，并输出符合后级激光器驱动标准的连续步进频扫频电流信号。
进一步的，所述激光器接收连续步进频扫频电流信号，并输出带步进频率调制的连续光波。
进一步的，所述环形器包括第一端口、第二端口及第三端口。
进一步的，所述激光器输出的连续光波通过第一端口输入到环形器，并通过第二端口输出到待测光纤。
进一步的，所述待测光纤返回的瑞丽散射光波通过第二端口输入到环形器，并通过第三端口输出到光电探测器。
进一步的，所述光电探测器接收瑞利散射光波，并输出对应的电流信号到模数转换器。
进一步的，所述激光器为半导体激光器，通过所述半导体激光器产生宽带光源输入到待测光纤中。
进一步的，所述采集装置还包括电源模块，所述电源模块为所述装置的各个用电单元进行供电。
进一步的，所述主控器采用DSP处理器。
具体的，为了便于理解，以下结合附图1对本实施例所述方案进行详细说明：
如图1所示，一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，包括：数字信号处理器(DSP)、直接数字频率合成器(DDS)、激光器驱动器、半导体激光器、环形器、传感光纤、光电探测器及模数转换器；
所述DSP通过控制总线驱动DDS，使DDS输出频率范围从f1到f2、频率间隔Δf、步进频率次数为N的连续步进频扫频信号；
所述DDS输出连续步进频扫频信号，并输入到激光器驱动器；所述激光器驱动器在DDS输出信号的作用下，输出符合后级半导体激光器驱动标准的连续步进频扫频电流信号，驱动半导体激光器产生带步进频率调制的连续光波；
带步进频率调制的连续光波进入环形器的第一端口(即环形器标号为1的端口)，然后从环形器第二端口(即环形器标号为2的端口)输出到传感光纤；
光波沿传感光纤传播过程中，产生携带光网络健康状态有关的瑞利散射光波，返回环形器的第二端口，然后从环形器第三端口(即环形器标号为3的端口)输出到光电探测器；
光电探测器将瑞利散射光波转换为弱电流信号，传输给模数转换器(ADC)；
所述模数转换器将瑞利散射相关的弱电流信号转换为数字信号，并传输给DSP；进而实现携带有光纤健康状态有关的瑞利散射光波的获取。
进一步的，为了基于获取的瑞丽散射光波进行光纤故障检测，需要利用DSP进行以下处理(该检测方法基于非相干光频域反射技术)：
DSP根据步进频率所有频点的瑞利散射信号，可以得到光网络健康状态有关的频域信息，利用傅里叶逆变换，可以得到光网络健康状态有关的沿空间分布信息，完成光通信系统高可靠性的在线监测和线路故障的精准定位。
为了便于理解，以下对基于所述瑞丽散射光波进行光纤故障检测的基本原理进行简单描述：
步骤1：半导体激光器产生带步进频率调制的光波；频率调制范围从f1＝1MHz到f2＝10MHz、频率间隔Δf＝100kHz、步进频率次数为91的连续步进频扫频信号。
经过调制后的光波在光纤中传导时的功率可以表述为：
Figure BDA0003156041210000061
其中，z表示传播距离，m表示调制深度，通常m小于1，ωm表示激光器的调制角频率，范围是从2πf1到2πf2，角频率间隔2πΔf，
Figure BDA0003156041210000062
表示光波在光纤中的传播常数，np表示光纤折射率，c表示真空中的光速，αp表示光波在光纤中传播的损耗系数。
很明显，Pp(z，ωm，t)是一个正的实简谐函数，可以改写为：
Figure BDA0003156041210000063
其中，Re(x)表示取复数x的实部。
步骤2：带步进频率调制的光波沿传感光纤传输，产生与光网络健康状态相关的瑞利散射光波。
从一段长度为dz的光纤获得的后向瑞利散射功率为：
dPR(z，ωm，t)＝Pp(z，ωm，t)χR(s(z，t))dz (3)
其中，s(z，t)表示光网络健康状态相关的被测信息，与光纤位置z和时间t有关，χR(s(z，t))表示瑞利散射的光纤健康状态依赖系数，R代表瑞利散射。
步骤3：当需要测量的传感光纤沿线的健康状态变化相对缓慢，小于单次测量时间，可以认为光网络健康状态仅与空间分布有关，因此传感光纤沿线的健康状态可以表示为s(z)。
光电探测器探测得到的，在光纤位置z处，长度为dz的光纤微元的瑞利散射功率为：
Figure BDA0003156041210000064
其中，αR表示瑞利散射光波在光纤中传播的损耗系数，βR表示瑞利散射光波在光纤中的传播常数。
通过对上式进行积分，就可以得到长度为L的整个传感光纤的后向瑞利散射功率：
Figure BDA0003156041210000071
上式中，第一项为直流项，不随着调制频率ωm的变化而变化，因此不携带瑞利散射发生的空间分布信息。第二项为交流项，与调制频率ωm有关。可以改写为：
Figure BDA0003156041210000072
其中，
Figure BDA0003156041210000073
包含了整条传感光纤的瑞利散射和损耗信息。
步骤4：针对步进频率所有频点返回的瑞利散射相关电信号，使用频率为f1的本地振荡时钟进行混频，得到频率范围为0到9MHz，频率间隔100kHz的整条传感光纤光网络健康状态有关的频域信息SR(ωm)。
步骤5：对整条传感光纤光网络健康状态的频域信息进行傅里叶逆变换，得到光网络健康状态沿传感光纤分布的空间域信息sR(z)，完成光通信系统高可靠性的在线监测和线路故障的精准定位。
上述实施例提供的一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，其特征在于，包括顺序连接的直接数字频率合成器、激光器驱动器、激光器、环形器、光电探测器以及模数转换器；
其中，所述直接数字频率合成器与主控器连接，所述主控器通过控制总线驱动直接数字频率合成器输出连续步进频扫频信号；所述直接数字频率合成器与激光驱动器连接，所述激光驱动器驱动激光器输出连续光波，并通过环形器入射到待测光纤中；所述环形器接收光纤返回的瑞丽散射光波，并通过光电探测器输出电流信号；所述电流信号通过模数转换器输出数字信号到主控器。
2.如权利要求1所述的一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，其特征在于，所述激光驱动器接收直接数字频率合成器输出的连续步进频扫频信号，并输出符合后级激光器驱动标准的连续步进频扫频电流信号。
3.如权利要求1所述的一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，其特征在于，所述激光器接收连续步进频扫频电流信号，并输出带步进频率调制的连续光波。
4.如权利要求1所述的一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，其特征在于，所述环形器包括第一端口、第二端口及第三端口。
5.如权利要求4所述的一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，其特征在于，所述激光器输出的连续光波通过第一端口输入到环形器，并通过第二端口输出到待测光纤。
6.如权利要求4所述的一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，其特征在于，所述待测光纤返回的瑞丽散射光波通过第二端口输入到环形器，并通过第三端口输出到光电探测器。
7.如权利要求1所述的一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，其特征在于，所述光电探测器接收瑞利散射光波，并输出对应的电流信号到模数转换器。
8.如权利要求1所述的一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，其特征在于，所述激光器为半导体激光器。
9.如权利要求1所述的一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，其特征在于，所述采集装置还包括电源模块。
10.如权利要求1所述的一种用于光纤故障检测的瑞丽散射光波采集装置，其特征在于，所述主控器采用DSP处理器。
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