用于光纖熔絲效應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種用于光纖熔絲效應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)及方法，包括：激光模塊、線性掃頻光源模塊、光功率注入模塊、馬赫‐曾德爾干涉儀模塊、光電探測和數(shù)據(jù)采集模塊，以及反饋控制模塊，其中：線性掃頻光源模塊產(chǎn)生的掃頻光進入馬赫‐曾德爾干涉儀模塊內(nèi)，分成探測光和參考光；激光模塊產(chǎn)生的光信號與探測光在光功率注入模塊耦合后進入待測光纖鏈路，其向光功率注入模塊返回的信號光進入馬赫‐曾德爾干涉儀模塊與調(diào)整后的參考光進行干涉拍頻，并輸入光電探測和數(shù)據(jù)采集模塊；反饋控制模塊控制激光模塊；數(shù)據(jù)采集模塊進行后期數(shù)據(jù)處理，判斷光纖熔絲效應(yīng)的發(fā)生并計算得到故障點定位；本發(fā)明快速準(zhǔn)確，能夠準(zhǔn)確判斷被破壞光纖的長度與位置。
【專利說明】
用于光纖熔絲效應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種光纖傳感領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種用于光纖熔絲效應(yīng)的監(jiān)測 系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在傳輸光功率較高的光纖中，光纖端面或接頭處的灰塵以及過度彎曲都容易導(dǎo)致 局部纖芯溫度過高，從而觸發(fā)光纖熔絲效應(yīng)。光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生后，高密度的等離子體會沿 光纖向光源方向移動，同時在光纖中留下周期性的氣體微腔，使得光纖的導(dǎo)光能力遭到破 壞。對于傳統(tǒng)單模光纖來說，光纖熔絲效應(yīng)的閾值功率約為1.3~1.5W，隨著高功率拉曼放 大、密集波分復(fù)用以及空分復(fù)用等技術(shù)的發(fā)展，通信用光纖中的傳輸功率顯著提高，如何防 止或減輕光纖熔絲效應(yīng)對光纖系統(tǒng)的破壞成為一個現(xiàn)實的問題。
[0003] 近年來，國外學(xué)者提出了幾種阻斷及監(jiān)測光纖熔絲效應(yīng)的方法。例如在光纖鏈路 中設(shè)有空氣孔輔助型光纖（HAF) [N · Hanzawa，K · Kurokawa，K · Tsu j ikawa，T · Matsui， K.Nakajima，S.Tomita and M.Tsubokawa,"Suppression of fiber fuse propagation in hole-assisted fiber and photonic crystal fiberJ.Lightwave Technol.28,2115-2120 (2010).]能夠有效的在熔接點附近使得光纖熔絲效應(yīng)停止，然而這種方法并不能主動 探測光纖熔絲效應(yīng)是否發(fā)生，且只能對熔接點一側(cè)的光纖鏈路進行保護。光時域反射儀技 術(shù)（0TDR)[K·S.Abedin，M.Nakazawa and T.Miyazaki，"Real time monitoring of a fiber fuse using an optical time-domain reflectometerOpt.Express 17,6525-6531(2009).]通過監(jiān)測光纖中反射點位置的變化來探測光纖熔絲效應(yīng)，同時能夠?qū)ζ溥M行 實時定位。但是0TDR空間分辨率相對有限，需要多次平均以提高信噪比，對光纖熔絲效應(yīng)的 響應(yīng)時間大于十秒，且定位精度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)易受數(shù)據(jù)傳輸速率和調(diào)制碼型等因素的影響等不足，提出一 種用于光纖熔絲效應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)及方法，向待測光纖鏈路中注入線性掃頻光，對待測光纖 鏈路返回的信號光與參考光進行干涉拍頻，實時監(jiān)測光纖熔絲效應(yīng)的發(fā)生，并通過計算得 到損壞光纖的位置和長度，使高功率激光器在快速響應(yīng)后停止，以便光纖鏈路的替換與修 復(fù)。本發(fā)明能夠進行反射點的實時定位、速度監(jiān)測以及受損光纖長度的確定。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明涉及一種用于光纖熔絲效應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，包括:激光模塊、線性掃頻光源模 塊、光功率注入模塊、馬赫-曾德爾干涉儀模塊、光電探測和數(shù)據(jù)采集模塊和反饋控制模塊， 其中：線性掃頻光源模塊產(chǎn)生的掃頻光進入馬赫-曾德爾干涉儀模塊內(nèi)，分成探測光和參考 光;激光模塊產(chǎn)生的光信號與探測光在光功率注入模塊耦合后進入待測光纖鏈路，待測光 纖鏈路向光功率注入模塊返回的信號光進入馬赫-曾德爾干涉儀模塊與調(diào)整后的參考光進 行干涉拍頻，并輸入光電探測和數(shù)據(jù)采集模塊;反饋控制模塊根據(jù)光電探測和數(shù)據(jù)采集模 塊的結(jié)果控制激光模塊。
[0007] 所述的激光模塊包括相連的高功率激光器和光隔離器。
[0008] 所述的高功率激光器的輸出光功率大于1W。
[0009] 所述的線性掃頻光源模塊包括:射頻信號發(fā)生器、依次相連的窄線寬光纖激光器、 強度調(diào)制器和帶通濾波器，其中：射頻信號發(fā)生器通過強度調(diào)制器將掃頻信號調(diào)制到窄線 寬光纖激光器產(chǎn)生的種子光上。
[0010]所述的帶通濾波器插入損耗小于8dB。
[0011] 所述的光功率注入模塊包括依次相連的光耦合器和三端口環(huán)形器。
[0012] 所述的三端口環(huán)形器的耐受功率大于1W，插入損耗小于2dB。
[0013] 所述的馬赫-曾德爾干涉儀模塊包括:偏振控制器和設(shè)置于偏振控制器兩側(cè)的兩 個光親合器。
[0014] 所述的光電探測和數(shù)據(jù)采集模塊包括：依次相連的平衡光電探測器和數(shù)據(jù)采集 卡，其中：平衡光電探測器對輸入的光信號進行光電轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集卡采集轉(zhuǎn)換后的模擬信 號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換以用于后期數(shù)據(jù)處理。
[0015] 所述的平衡光電探測器的帶寬大于10MHz。
[0016] 所述的反饋控制模塊為TTL信號發(fā)生器。
[0017]所述的TTL信號發(fā)生器內(nèi)置判決程序。
[0018] 所述的判決程序用于判斷光纖熔絲效應(yīng)后，控制TTL信號發(fā)生器產(chǎn)生電平信號，以 關(guān)閉尚功率激光器。
[0019] 所述的信號光為背向散射光或反射光。
[0020] 本發(fā)明涉及一種基于上述系統(tǒng)的監(jiān)測方法，通過預(yù)置射頻信號發(fā)生器、窄線寬光 纖激光器和帶通濾波器的對應(yīng)參數(shù)，檢測馬赫-曾德爾干涉儀模塊輸出的參考光與待測光 纖鏈路返回的信號光的干涉拍頻變化，并通過數(shù)據(jù)采集卡采集到的時域信號進行傅里葉變 換，得到沿待測光纖鏈路的分布式背向散射信號，從而探測光纖熔絲效應(yīng)的發(fā)生并通過反 饋控制模塊關(guān)閉高功率激光器;計算得到光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生時故障點的實時位置，從而實 現(xiàn)對光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生的故障點進行定位。
[0021] 所述的對應(yīng)參數(shù)具體是指:射頻信號發(fā)生器的掃頻范圍、掃頻速度和掃頻周期；窄 線寬光纖激光器的工作波長;帶通濾波器的中心波長和帶寬。
[0022] 所述的故障點的實時位置
，其中：Zo為故障點的初始位置，η 為探測到光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生后的總采樣次數(shù)，為實時的多普勒頻移量，c為真空中 光速，nrff為所測光纖的反射系數(shù)，fo為掃頻光源的中心頻率。 技術(shù)效果
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過在待測光纖鏈路中加入一個外部調(diào)制的光頻域反射 儀，向待測光纖鏈路注入線性掃頻光，對待測光纖鏈路中存在的反射點的位置進行實時監(jiān) 測和定位，前期驗證實驗實現(xiàn)了不進行平均處理的情況下，在200ms時間內(nèi)對光纖熔絲效應(yīng) 做出響應(yīng)，在67m長的光纖中測量的故障光纖長度誤差小于30cm，實現(xiàn)了 5cm空間分辨率的 故障點定位。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明原理圖；
[0025] 圖2為檢測系統(tǒng)示意圖；
[0026] 圖3為實施例1檢測系統(tǒng)示意圖；
[0027]圖4為光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生前后的光頻域反射曲線；
[0028]圖中：（a)為光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生前，（b)為光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生時，（c)為光纖熔絲效 應(yīng)停止；
[0029]圖5為實施例1得到的光纖弱反射點位置隨時間的變化關(guān)系；
[0030] 圖6為實施例1計算出的光纖熔絲效應(yīng)傳播速度及光纖注入功率隨時間的變化曲 線；
[0031] 圖7為實施例2計算出的光纖熔絲效應(yīng)傳播速度及光纖注入功率隨時間的變化曲 線；
[0032]圖中：1為高功率激光器、2為光隔離器、3為10/90光耦合器、4為三端口環(huán)形器、5為 待測光纖鏈路、6為數(shù)據(jù)采集卡、7為平衡光電探測器、8和10為50/50光耦合器、9為偏振控制 器、11為線性掃頻光源模塊、12和18為帶通濾波器、13為強度調(diào)制器、14為窄線寬光纖激光 器、15為射頻信號發(fā)生器、16為外部信號源、17為功率計。
【具體實施方式】
[0033]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。 實施例1
[0034] 如圖1~3所示，本實施例涉及一種用于光纖熔絲效應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，包括:激光模 塊、線性掃頻光源模塊、光功率注入模塊、馬赫-曾德爾干涉儀模塊、光電探測和數(shù)據(jù)采集模 塊以及反饋控制模塊，其中：線性掃頻光源模塊產(chǎn)生的掃頻光進入馬赫一曾德爾干涉儀模 塊內(nèi)，分成探測光和參考光;激光模塊產(chǎn)生的光信號與經(jīng)過端口 1的探測光在光功率注入模 塊耦合后進入待測光纖鏈路5,待測光纖鏈路5向光功率注入模塊返回的信號光通過端口 2 進入馬赫-曾德爾干涉儀模塊與調(diào)整后的參考光進行干涉拍頻，并輸入光電探測和數(shù)據(jù)采 集模塊;反饋控制模塊根據(jù)光電探測和數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)果通過端口 3控制激光模塊。
[0035] 所述的待測光纖鏈路5尾部設(shè)有色散補償光纖。
[0036] 所述的色散補償光纖末端用熔接機電弧放電觸發(fā)光纖熔絲效應(yīng)。
[0037] 所述的激光模塊包括相連的高功率激光器1和光隔離器2。
[0038] 所述的光隔離器2用于消除反向光。
[0039]所述的線性掃頻光源模塊包括:射頻信號發(fā)生器15、依次相連的窄線寬光纖激光 器14、強度調(diào)制器13和帶通濾波器12,其中：射頻信號發(fā)生器15通過強度調(diào)制器13將射頻信 號調(diào)制到窄線寬光纖激光器14產(chǎn)生的種子光上，帶通濾波器12濾出單邊帶光信號。
[0040] 所述的掃頻光為帶通濾波器12濾出的下邊帶。
[0041] 所述的線性掃頻光源模塊產(chǎn)生穩(wěn)定的線性掃頻光，其頻率隨時間呈線性變化，掃 頻線性度高。
[0042] 所述的帶通濾波器12插入損耗小于8dB。
[0043] 所述的光功率注入模塊包括依次相連的光耦合器3和三端口環(huán)形器4。
[0044] 所述的三端口環(huán)形器4的插入損耗小于2dB。
[0045] 所述的光功率注入模塊的耐受功率大于高功率激光器1的輸出功率。
[0046] 所述的光耦合器3的輸出端設(shè)有功率計17。
[0047] 所述的馬赫-曾德爾干涉儀模塊包括:偏振控制器9和設(shè)置于偏振控制器9兩側(cè)的 兩個50/50光耦合器8和10。
[0048] 所述的偏振控制器9輸出端一側(cè)的光耦合器8與三端口環(huán)形器4之間設(shè)有帶通濾波 器18,用于濾除噪聲信號。
[0049] 所述的光電探測和數(shù)據(jù)采集模塊包括:依次相連的平衡光電探測器7和數(shù)據(jù)采集 卡6,其中：平衡光電探測器7對輸入的光信號進行光電轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集卡6采集轉(zhuǎn)換后的模 擬信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換以用于后期數(shù)據(jù)處理。
[0050] 所述的平衡光電探測器7的帶寬大于10MHz。
[0051] 所述的數(shù)據(jù)采集卡6和射頻信號發(fā)生器15通過外部信號源16進行同步。
[0052]所述的反饋控制模塊為TTL信號發(fā)生器。
[0053]所述的TTL信號發(fā)生器內(nèi)置判決程序。
[0054]所述的判決程序用于判斷光纖熔絲效應(yīng)后，控制TTL信號發(fā)生器產(chǎn)生電平信號，以 關(guān)閉尚功率激光器1。
[0055]所述的信號光為背向散射光或反射光。
[0056]如圖4所示，觸發(fā)待測光纖鏈路5的熔斷效應(yīng)，拍頻強度減弱，且明顯向高頻方向移 動，以此提取反饋信號關(guān)閉高功率激光器1。
[0057] 本實施例涉及一種基于上述檢測系統(tǒng)的光纖熔絲效應(yīng)的監(jiān)測和定位方法，通過預(yù) 置射頻信號發(fā)生器15、窄線寬光纖激光器14和高功率激光器1的對應(yīng)參數(shù)，檢測馬赫-曾德 爾干涉儀模塊輸出的參考光與待測光纖鏈路5返回的信號光的干涉拍頻變化，可快速探測 光纖熔絲效應(yīng)的發(fā)生并通過反饋控制模塊關(guān)閉高功率激光器1;通過算法計算光纖熔絲效 應(yīng)發(fā)生的實時位置與速度，可對光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生的故障點進行定位。
[0058] 所述的待測光纖鏈路5的光纖為長度為67m的超低損耗單模光纖(Corning.SMF-28?ULL:)。
[0059] 所述的待測光纖鏈路5尾部熔接的色散補償光纖長度為20cm。
[0060] 所述的高功率激光器1的工作波長為1549.7nm，輸出光功率為3.3W，功率不穩(wěn)定度 小于±3%。
[0061 ]所述的射頻信號的掃頻范圍為2GHz，掃頻速度為200GHz/s，在光頻域反射中對應(yīng) 5cm的理論空間分辨率。
[0062] 所述的窄線寬光纖激光器14產(chǎn)生的種子光的波長為1550.3nm。
[0063]本實施例的數(shù)據(jù)采集周期為200ms，即可在200ms內(nèi)對光纖熔絲效應(yīng)作出響應(yīng)。
[0064]對于光纖中一個反射點，當(dāng)沒有光纖熔絲效應(yīng)時，由于兩路信號間存在固定的光 程差，拍頻為固定值Α Π ，反射點的位置小于光纖長度，且相應(yīng)的拍頻不隨時間變化;而當(dāng) 光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生時，由于反射點向光源方向移動，對應(yīng)的背向反射光受多普勒頻移的影 響而發(fā)生頻率偏移，使該反射峰對應(yīng)的拍頻顯著增加，從而使反射光信號的頻率升高，此時 探測到的拍頻A f2由兩部分組成:與反射點位置有關(guān)的光程差和與反射點移動速度有關(guān)的 多普勒頻移。
[0065] 所述的故障點的實時位置 ，其中：Ζ〇為67.2m，n為530， ^。^^為由實時的多普勒頻移讀測拍頻與光程差所對應(yīng)的拍頻之差彡^為〗※^8!!!/^， neff 為1.452，f〇Sl93.5THz〇
[0066] 如圖5所示，以此推算的損壞光纖的長度為44.6m，與采用光頻域反射儀技術(shù)測得 的44.9m誤差小于0.7%。
[0067] 如圖6所示，傳播速度的變化趨勢與光功率變化高度一致，證明了本實施例的有效 性。 實施例2
[0068] 所述的待測光纖鏈路5的光纖為長飛公司制造的常規(guī)單模光纖(Y0FC - SSMF)，在 觸發(fā)光纖熔絲效應(yīng)后，逐漸降低高功率激光器1的輸出光功率。
[0069] 如圖7所示，每當(dāng)光功率發(fā)生跳變時，所監(jiān)測到的傳播速度也會發(fā)生跳變，在整個 過程中二者的變化表現(xiàn)出高度的一致性，且當(dāng)注入光功率相同時，光纖熔絲效應(yīng)的傳播速 度明顯高于在超低損耗單模光纖中的傳播速度，這也與理論計算結(jié)果相符。
[0070] 本實施例測得的光纖的損壞長度為33.9m，與采用光頻域反射儀技術(shù)測得的33.8m 相比，誤差小于0.3%。
【主權(quán)項】
1. 一種用于光纖熔絲效應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括:激光模塊、線性掃頻光源模 塊、光功率注入模塊、馬赫-曾德爾干涉儀模塊、光電探測和數(shù)據(jù)采集模塊，以及反饋控制模 塊，其中：線性掃頻光源模塊產(chǎn)生的掃頻光進入馬赫-曾德爾干涉儀模塊內(nèi)，分成探測光和 參考光;激光模塊產(chǎn)生的光信號與探測光在光功率注入模塊耦合后進入待測光纖鏈路，待 測光纖鏈路向光功率注入模塊返回的信號光進入馬赫-曾德爾干涉儀模塊與調(diào)整后的參考 光進行干涉拍頻，并輸入光電探測和數(shù)據(jù)采集模塊;反饋控制模塊根據(jù)光電探測和數(shù)據(jù)采 集模塊的結(jié)果控制激光模塊； 所述的信號光為背向散射光或反射光。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述的待測光纖鏈路尾部設(shè)有色散補償 光纖。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述的激光模塊包括相連的高功率激光 器和光隔離器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述的線性掃頻光源模塊包括:射頻信 號發(fā)生器、依次相連的窄線寬光纖激光器、強度調(diào)制器和帶通濾波器，其中：射頻信號發(fā)生 器通過強度調(diào)制器將掃頻信號調(diào)制到窄線寬光纖激光器產(chǎn)生的種子光上。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述的光功率注入模塊包括依次相連的 10/90光耦合器和三端口環(huán)形器。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述的馬赫-曾德爾干涉儀模塊包括:偏 振控制器和設(shè)置于偏振控制器兩側(cè)的兩個50/50光耦合器。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述的光電探測和數(shù)據(jù)采集模塊包括： 依次相連的平衡光電探測器和數(shù)據(jù)采集卡，其中：平衡光電探測器對輸入的光信號進行光 電轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集卡采集轉(zhuǎn)換后的模擬信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換以用于后期數(shù)據(jù)處理。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述的反饋控制模塊為TTL信號發(fā)生器， 該TTL信號發(fā)生器內(nèi)置判決程序，用于判斷光纖熔絲效應(yīng)后，控制TTL信號發(fā)生器產(chǎn)生電平 信號，以關(guān)閉高功率激光器。9. 一種應(yīng)用權(quán)利要求1~8中任一所述系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，通過預(yù)置射頻信 號發(fā)生器、窄線寬光纖激光器和帶通濾波器的對應(yīng)參數(shù)，檢測馬赫-曾德爾干涉儀模塊輸出 的參考光與待測光纖鏈路返回的信號光的干涉拍頻變化，并通過數(shù)據(jù)采集卡采集到的時域 信號進行傅里葉變換，得到沿待測光纖鏈路的分布式背向散射信號，從而探測光纖熔絲效 應(yīng)的發(fā)生并通過反饋控制模塊關(guān)閉高功率激光器;計算得到光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生時故障點的 實時位置，從而實現(xiàn)對光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生的故障點進行定位； 所述的對應(yīng)參數(shù)具體是指:射頻信號發(fā)生器的掃頻范圍、掃頻速度和掃頻周期；窄線寬 光纖激光器的工作波長;帶通濾波器的中心波長和帶寬。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的監(jiān)測方法，其特征是，故障點的實時位置Z = Zf ， 其中：Z〇為故障點的初始位置，η為探測到光纖熔絲效應(yīng)發(fā)生后的總采樣次數(shù)，〖^^^為實 時的多普勒頻移量，c為真空中光速，η#為所測光纖的反射系數(shù)，fo為掃頻光源的中心頻 率。
【文檔編號】G01M11/00GK105865751SQ201610357311
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】馬麟, 何祖源, 樊昕昱, 姜壽林, 王彬
【申請人】上海交通大學(xué)