專利名稱：光纖擾動探測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器，具體涉及一種基于相位敏感光時域反射法和偏振敏感光時域反 射法相結(jié)合的光纖擾動探測方法及其分布式光纖傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著光纖通信的發(fā)展，尤其是骨干傳輸網(wǎng)、無源光網(wǎng)絡(luò)和光纖接入技術(shù)的快速發(fā)展，光 纖光纜在通信領(lǐng)域的作用越來越重要。在當(dāng)今的信息時代，光纖光纜被破壞導(dǎo)致的通信意外 中斷將產(chǎn)生不可估量的損失，據(jù)報道，從2003年至2006年6月，僅中國網(wǎng)通就發(fā)生通信光電 纜被盜割、損害案件61930起，其中重大案件29364起，造成直接經(jīng)濟損失41900萬元，間接 經(jīng)濟損失3955萬元。為了盡可能地減少損失，迫切需要對光纜線路建立一套安全防護(hù)系統(tǒng)， 盡早，甚至提前發(fā)現(xiàn)光纜中的異常情況和其所在位置，以便及時報警、防范和搶修，把損失 減為最小。
一般情況下，當(dāng)通信系統(tǒng)的光纜線路出現(xiàn)故障時，必需借助精密儀表——光時域反射計 (Optical Time-Domain Ref lectometer,簡寫為0TDR)來進(jìn)行測試。但是傳統(tǒng)方法制成的 0TDR，僅對光纖線路的狀態(tài)發(fā)生衰減時比較適用，而對于光纖線路受到微擾，損耗并不是很 大的情況下，監(jiān)測效果并不理想，故傳統(tǒng)OTDR只能在光纜已經(jīng)遭到破壞的情況下發(fā)揮作用， 不能達(dá)到提前預(yù)警的目的，用于光纜線路的安全防護(hù)并不理想。
分布式光纖傳感技術(shù)中光纖既是傳輸介質(zhì)，又是傳感元件，它可以同時獲得整個光纖長 度上被測量參數(shù)的空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息，非常適合用于通信光纜的安全防護(hù)。 由于光纖中傳輸?shù)墓饷}沖的相位和偏振態(tài)對光纖線路的微擾很敏感，所以利用光纖中傳輸光 脈沖的相位和偏振態(tài)隨線路狀態(tài)的改變而改變的這一特性，制成的相位敏感光時域反射計( Phase-Sensitive Optical Time-Domain Ref lectometer, 簡寫為小-0TDR)或偏振光時土或反 射計(Polarization Optical Time Domain Reflectometer，簡寫為P0TDR)可以檢測出光 纖線路是否受到微擾，這有助于判斷是否有人接近通信光纜以便提前預(yù)警，最低限度避免光 纜遭到破壞。在先前的研究中，由窄線寬光纖激光器與電光調(diào)制器組成的防入侵級系統(tǒng)，采 用兩級放大，在現(xiàn)場實驗中，定位范圍為12km，定位精度為200m。
與基于OTDR的分布式傳感系統(tǒng)相比，另外一類基于干涉儀原理的分布式傳感系統(tǒng)測量距 離有限、信噪比較低、易受多種因素影響，對參考光纖的屏蔽有很高的要求，同時數(shù)據(jù)處理工作非常復(fù)雜，所以不適合對通信光纜進(jìn)行實時的安全防護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是提供一種基于相位敏感光時域反射法和偏振敏感光時 域反射法相結(jié)合的光纖擾動探測方法及其分布式光纖傳感系統(tǒng)，以提高光纖擾動的探測精度 和可靠性。
本發(fā)明的光纖擾動探測方法，包括以下步驟
a. 向光纖注入具有確定偏振態(tài)的光信號；
b. 接收光纖中的背向瑞利散射光；
c. 將所述背向瑞利散射光分成兩束，分別進(jìn)行小-OTDR數(shù)據(jù)采集和POTDR數(shù)據(jù)采集；
d. 根據(jù)小-OTDR數(shù)據(jù)和POTDR數(shù)據(jù)的畸變點，確定擾動及其位置。
本發(fā)明的光纖擾動探測裝置，包括光發(fā)射器、環(huán)行器、耦合器、探測器和處理器，所述 光發(fā)射器通過所述環(huán)行器向光纖注入信號，所述耦合器與探測器連接，用于將返回的背向瑞 利散射光耦合到探測器，所述探測器與所述處理器連接，將采集的數(shù)據(jù)送到處理器進(jìn)行處理 ;其特征在于，所述光發(fā)射器通過所述環(huán)行器向光纖注入的信號為具有確定偏振態(tài)的激光脈 沖；所述探測器由小-OTDR探測器和POTDR探測器構(gòu)成，所述小-OTDR探測器與所述處理器連 接，用于采集小-0TDR數(shù)據(jù)；所述POTDR探測器與所述處理器連接，用于采集POTDR數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的有益效果是，采用兩種傳感系統(tǒng)同時進(jìn)行監(jiān)測，共同判定微擾并進(jìn)行定位，大 幅度提高了監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和靈敏度，降低了誤判率和漏報率。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)還 可以準(zhǔn)確定位多個干擾點的位置，對于通信系統(tǒng)光纜的安全防護(hù)是一個很好的選擇。


圖l是本發(fā)明的光纖擾動探測裝置結(jié)構(gòu)框圖2是當(dāng)有人在距離探測裝置14km處的光纜附近走動時，通過小-0TDR和P0TDR探測到的 背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線；
圖3是當(dāng)有人在距離探測裝置14km處的光纜附近走動時，對連續(xù)100條背向瑞利散射光功 率與時間的關(guān)系曲線在Matlab上作[x (i + 2) —x (i) ]/x (i)處理后的疊加效果圖4是在距離探測裝置2km處相距50米的兩個點同時有人走動時通過4) -OTDR探測的背向 瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線疊加效果圖。
圖中1—DFB激光器；2—EDFA; 3 —濾波器；4 —起偏器；5 —環(huán)行器；6 —3dB耦合器； 7 —偏振分束器；8 —探測器；9一處理器；IO —光纖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。 本發(fā)明的光纖擾動探測方法，包括以下步驟
a. 向光纖注入具有確定偏振態(tài)的光信號；
b. 接收光纖中的背向瑞利散射光；
c. 將所述背向瑞利散射光分成兩束，分別進(jìn)行小-OTDR數(shù)據(jù)采集和POTDR數(shù)據(jù)采集；
d. 根據(jù)小-OTDR數(shù)據(jù)和POTDR數(shù)據(jù)的畸變點，確定擾動及其位置； 具體的，步驟a中，所述光信號為周期lms，持續(xù)時間500ns的激光脈沖；
進(jìn)一步的，步驟c中，所述進(jìn)行小-OTDR數(shù)據(jù)采集和POTDR數(shù)據(jù)采集，是繪制背向瑞利散 射光功率與時間的關(guān)系曲線；
具體的，步驟d中，根據(jù)背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線的畸變點，確定擾動及 其位置。
本發(fā)明的光纖擾動探測裝置，包括光發(fā)射器、環(huán)行器、耦合器、探測器和處理器，所述 光發(fā)射器通過所述環(huán)行器向光纖注入信號，所述耦合器與探測器連接，用于將返回的背向瑞 利散射光耦合到探測器，所述探測器與所述處理器連接，將采集的數(shù)據(jù)送到處理器進(jìn)行處理 ;其特征在于，所述光發(fā)射器通過所述環(huán)行器向光纖注入的信號為具有確定偏振態(tài)的激光脈 沖；所述探測器由小-OTDR探測器和POTDR探測器構(gòu)成，所述小-OTDR探測器與所述處理器連 接，用于采集小-0TDR數(shù)據(jù)；所述POTDR探測器與所述處理器連接，用于采集POTDR數(shù)據(jù)；
進(jìn)一步的，所述光發(fā)射器由DFB激光器、EDFA、濾波器和起偏器構(gòu)成；
具體的，所述耦合器為3db耦合器；
更具體的，所述激光脈沖周期為lms，持續(xù)時間為500ns。
本發(fā)明利用光纖本身感受被測量變化而改變傳輸光的特性，光纖既是傳光元件，又是敏 感元件，屬于功能型光纖傳感器。 實施例
本發(fā)明中，探測裝置位于室內(nèi)，主要包含DFB激光器、EDFA、濾波器、起偏器、環(huán)行器 、3dB分束器、偏振分束器和探測器。傳感部分(光纖)掩埋于室外，采用的是普通單模光 纖制成的直徑3mm的細(xì)光纜，其結(jié)構(gòu)如圖l所示。
本例的光發(fā)射器由DFB (Distributed Feed Back)激光器、EDFA (Erbium-doped Optical Fiber Amplifier)、濾波器和起偏器構(gòu)成。DFB激光器1具有內(nèi)部調(diào)制功能，從它 發(fā)出的光脈沖經(jīng)過EDFA 2放大和濾波器3濾波后進(jìn)入起偏器4。這樣，經(jīng)過環(huán)形器5注入光纖 10中的光脈沖就具有確定的偏振態(tài)。當(dāng)光纖10中的背向瑞利散射光通過環(huán)形器5返回入射處后，用一個3dB耦合器6將其平均分為A、 B兩束光，B束直接送入探測器8進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換(即進(jìn)行小-0TDR數(shù)據(jù)采集)，A束經(jīng)過偏振分束器7后再送入探測器8 (即進(jìn)行POTDR數(shù)據(jù)采集)，最后將采集的數(shù)據(jù)送入處理器9進(jìn)行處理。本例的處理器由計算機系統(tǒng)構(gòu)成，該計算機系統(tǒng)的采集卡可以對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
由于在反射點處背向散射光與前向傳輸光的偏振態(tài)完全相同，因此背向瑞利散射光就攜帶有散射點處前向傳輸光的偏振信息，通過3db耦合器6的A束光經(jīng)過偏振分光棱鏡7解偏后，這束背向瑞利散射光信號的光功率大小將受到光的偏振態(tài)的調(diào)制，變?yōu)橛幸欢ㄒ?guī)律的波動，用探測器8對其進(jìn)行采集，這樣就構(gòu)成了一個POTDR探測器。同時，光纖中反射回來的瑞利散射光同樣帶有反射點處前向傳輸光的相位信息，它們經(jīng)過3db耦合器6的B束光到達(dá)探測器8，由于干涉效應(yīng)，這束背向瑞利散射光信號的光功率大小也會受到光的相位的調(diào)制，變?yōu)橛幸欢ㄒ?guī)律的波動，這又構(gòu)成一個小-0TDR探測器。
DFB激光器經(jīng)過內(nèi)部調(diào)制后輸出的是周期為lms的脈沖信號，滿足光脈沖重復(fù)周期大于其在光纖中傳播的往返時間(160 ys)的要求，以避免不同時刻發(fā)出的光脈沖在光纖中發(fā)生混疊，影響系統(tǒng)工作。光脈沖的寬度為500ns，對應(yīng)于50m的定位精度。采集卡的工作方式為每50ms采集一條背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線。
我們先讓光纖擾動探測裝置進(jìn)行微擾預(yù)判，此時小-OTDR探測器和POTDR探測器同時工作。圖2 (a)和(b)所示為采集的背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線，其中(a)為通過小-OTDR探測器采集的曲線，(b)為通過POTDR探測器采集的曲線，末端的強反射是菲涅耳反射，兩條曲線均已經(jīng)過去噪處理。試驗中， 一個體重60kg的人距離位于14km的干擾點lm的地面走動，對傳感系統(tǒng)形成了微擾，我們連續(xù)采集了100組數(shù)據(jù)，假設(shè)是100條背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線中的第i條，i為曲線序號。對采集到的100條背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線先作連續(xù)等距離相減，確定背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線在經(jīng)過一定時間后是否在某處發(fā)生變化。由于背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線前后端光功率相差太大，導(dǎo)致前后端背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線差值的差距也較大，可用差值除以其信號本身，即用相對坐標(biāo)來使整個傳感范圍內(nèi)的變化大小均勻，便于確定微小擾動。圖3 (a)和(b)就是對100條連續(xù)的背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線在Matlab上做[x (i + 2) —x (i) ]/x (i)處理后的疊加效果圖。
連續(xù)等距相減使系統(tǒng)更適合于實時監(jiān)測，且相減間距2對應(yīng)的時間間隔O. 1 s可以大幅度降低溫度變化對系統(tǒng)的影響(大部分掩埋在地下的通信光纜所在環(huán)境和溫度變化都不會如此快速)，而除以轉(zhuǎn)換成相對坐標(biāo)后，可以避免因后向瑞利散射曲線前后端功率相差過大帶來的負(fù)面影響。對于通過小-0TDR探測器采集的背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線圖3 ( a)，可以明顯看出在14km的位置有明顯的峰值(畸變)出現(xiàn)，且具有較高的信噪比；對于 通過POTDR探測器采集的背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線圖3 (b)，可以看出100條曲 線在14km之前符合得很好，而這個位置之后就出現(xiàn)很大差別(畸變)。當(dāng)僅有一種OTDR探測 器進(jìn)行監(jiān)測時，上述畸變可能是誤判導(dǎo)致的，但兩種OTDR探測器均探測到在14km處出現(xiàn)明顯 變化，則能表明此處肯定有擾動存在。另外，僅有一種OTDR探測器時可能會漏掉某一個擾動 ，兩個探測器同時進(jìn)行監(jiān)測時則能大幅減小漏報率。
我們可以從圖3 (b)中看出POTDR探測器只適用于光纜線路上僅一個擾動存在的情況， 因為不像通過小-OTDR探測器采集的曲線，僅在擾動位置出現(xiàn)變化，POTDR探測器采集的曲線 中擾動位置后面的部分將會全部出現(xiàn)變化。這種特性一方面利于提高抗噪能力和降低誤判， 因為相對于小-OTDR探測器可能無法判決一個峰值是由擾動還是由噪聲引成的不利因素(這 一點在峰值幅度不大時尤其明顯)，POTDR探測器是由超過閾值的一片面積而不是單個峰值 來判定擾動，它能避免單個峰值可能帶來的誤判。另一方面，雖然光纜線路上多個地方同時 出現(xiàn)偷盜或破壞的幾率比較低，但如果出現(xiàn)了， POTDR探測器僅能探測到存在擾動，卻無法 準(zhǔn)確定位多個擾動時后面擾動點的位置，在這種情況下必須使用小-OTDR探測器進(jìn)行多個擾 動的精確定位。
我們在2km處設(shè)置兩個干擾點，且兩個干擾點的距離為50m。當(dāng)兩處同時進(jìn)行干擾時，從 圖4中可以看出通過4)-OTDR探測器采集的曲線在干擾點位置同時有兩個峰值出現(xiàn)，它們之間 的距離為50m，可見系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確定位多個干擾點，同時也證明了系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到 50m。
根據(jù)兩種OTDR探測器的特點，開始我們可以讓小-OTDR探測器和POTDR探測器同時工作以 進(jìn)行微擾預(yù)判，確定光纜線路上是否存在異常和獲得第一個干擾點的準(zhǔn)確位置，這樣已經(jīng)滿 足大多數(shù)情況下的需要。在確定存在異常情況后，我們還可以接著用小-OTDR探測器判斷是 否存在多點擾動和對它們進(jìn)行準(zhǔn)確定位。這種先預(yù)判和定位第一個擾動點位置，再準(zhǔn)確定位 多個擾動點位置的監(jiān)測方式不僅可以大幅減小漏報率和誤判率，而且還可以準(zhǔn)確定位多個干 擾點的位置。
權(quán)利要求
權(quán)利要求1光纖擾動探測方法，包括以下步驟a. 向光纖注入具有確定偏振態(tài)的光信號；b. 接收光纖中的背向瑞利散射光；c. 將所述背向瑞利散射光分成兩束，分別進(jìn)行φ-OTDR數(shù)據(jù)采集和POTDR數(shù)據(jù)采集；d. 根據(jù)φ-OTDR數(shù)據(jù)和POTDR數(shù)據(jù)的畸變點，確定擾動及其位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖擾動探測方法，其特征在于，步驟a中，所述光信號為周期lms，持續(xù)時間500ns的激光脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖擾動探測方法，其特征在于，步驟c中，所述進(jìn)行小-OTDR數(shù)據(jù)采集和POTDR數(shù)據(jù)采集，是繪制背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖擾動探測方法，其特征在于，步驟d中，根據(jù)背向瑞利散射光功率與時間的關(guān)系曲線的畸變點，確定擾動及其位置。
5.光纖擾動探測裝置，包括光發(fā)射器、環(huán)行器、耦合器、探測器和處理器，所述光發(fā)射器通過所述環(huán)行器向光纖注入信號，所述耦合器與探測器連接，用于將返回的背向瑞利散射光耦合到探測器，所述探測器與所述處理器連接，將采集的數(shù)據(jù)送到處理器進(jìn)行處理；其特征在于，所述光發(fā)射器通過所述環(huán)行器向光纖注入的信號為具有確定偏振態(tài)的激光脈沖；所述探測器由小-OTDR探測器和POTDR探測器構(gòu)成，所述小-OTDR探測器與所述處理器連接，用于采集小-OTDR數(shù)據(jù)；所述POTDR探測器與所述處理器連接，用于采集POTDR數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖擾動探測裝置，其特征在于，所述光發(fā)射器由DFB激光器、EDFA、濾波器和起偏器構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖擾動探測裝置，其特征在于，所述耦合器為3db耦合器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5 、 6或7所述的光纖擾動探測裝置，其特征在于，所述激光脈沖周期為lms，持續(xù)時間為500ns。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖傳感器。本發(fā)明公開了一種基于相位敏感光時域反射法和偏振敏感光時域反射法相結(jié)合的光纖擾動探測方法及其分布式光纖傳感系統(tǒng)，以提高光纖擾動的探測精度和可靠性。本發(fā)明的光纖擾動探測方法，包括以下步驟a.向光纖注入具有確定偏振態(tài)的光信號；b.接收光纖中的背向瑞利散射光；c.將所述背向瑞利散射光分成兩束，分別進(jìn)行φ-OTDR數(shù)據(jù)采集和POTDR數(shù)據(jù)采集；d.根據(jù)φ-OTDR數(shù)據(jù)和POTDR數(shù)據(jù)的畸變點，確定擾動及其位置。本發(fā)明還公開了光纖擾動探測裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案，用于光纜線路的監(jiān)控防護(hù)，能夠大幅度提高監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和靈敏度，降低誤判率和漏報率。
文檔編號H04B10/08GK101488805SQ200810300100
公開日2009年7月22日 申請日期2008年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月15日
發(fā)明者冉曾令, 李建中, 饒云江 申請人:電子科技大學(xué)