基于光纤波长矩阵的光纤诊断方法及系统与流程
本发明涉及利用光纤波长矩阵来诊断光纤状态的方法，属于光纤故障诊断技术邻域和fbg传感器领域，用于光纤通信故障诊断，尤其适用于大规模光纤传感器网络的诊断中。
背景技术：
近年来，fbg(光纤光栅)传感器大量使用于各测温、测压等环境，fbg传感器数据传输需要光纤作为传输通道，但是当连接fbg传感器的光纤中断或者衰耗时就需要otdr进行测试，这就增加了传感器系统的成本和工序。
例如在现有技术中，对于pon网络，进行监控时一般都采用融入otdr的集中式监控方式，将otdr设置在局方光线路olt处，通过瑞利散射和菲涅尔反射来监控各分支链路状况，对出现的中断或者故障进行监测，而这种方式中往往通过分光器处理测试信号，为降低衰减，必须增大otdr的动态范围，增加了otdr成本，同时增加了盲区大小，并且随着监控的支路的数量增加，otdr无法有效应对测试得到的曲线相互叠加引起的检测误差。
在例如申请号为cn201410776821.4的专利申请中，其对光网络的测试仍然采用otdr结合波峰检测的方式，对光网络中的点进行测试；又如在申请号为cn201310170697.2的专利申请中，其采用otdr本次检测信号反射峰与以往测试信号的反射峰进行对比，获知发生变化的反射峰，从而实现故障或中断定位。上述方法中，均是通过otdr以及与otdr配合使用的复杂外部设备，通过寻峰等算法，实现对故障点或中断点的检测，其设备应用成本高，系统运维难度大，且检测效果一般，对于复杂网络，尤其复杂的fbg传感器网络，效果欠佳。
此外，对现有的大规模光纤传感器，往往采用复杂的光能量计算方式，来检测对应的应力变化，其计算复杂度高，且不能很好地适用于较长的、分布较多的传感器网络。
如果能够直接采用fbg解调仪，并且结合散射光的特性变化，设置简洁的光纤状态监测方法以及传感器监测方法，就能够有效降低传感器系统的成本。
技术实现要素：
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种直接采用fbg解调仪实现对光纤进行状态诊断的方法，该方法主要利用了光纤散射频移和光纤应力的关系来进行光纤状态监测，避免了otdr设备的使用，有效降低了系统成本。
具体而言，本发明提供了一种基于光纤波长矩阵的光纤诊断方法，该方法包括：对光纤进行光源照射，所述光源以时间延时δt为间隔，调制脉宽；所述光纤中的测试点数为n；
使用fbg解调仪，以一时间周期t，扫描光纤中的散射光；
依据所述光纤轴向应变与散射光频率漂移量的关系，建立散射光波长、光能量沿光纤轴向的分布，形成光纤波长矩阵；
检测所述光纤波长矩阵的变化，依据所述变化，判断光纤的状态。
优选地，对整条光纤依据预设的距离进行测量，并记录各测试点的散射光波长及散射光能量，依据所述距离、波长、能量，建立所述光纤波长矩阵。这里需要指出，本领域技术人员根据上述记载可以明了，当以一固定脉冲光源对光纤照射时，并且以一固定周期检测接收反射光，则相当于在光纤中，每间隔一固定的距离设置了一测试点，由于光的传播速度固定，也即等于在需要检测的光纤中按照预设的距离进行定点检测。此外，这一预设距离，或者说时间周期，是可以进行调整的，可以依据检测精度要求等进行延长或缩短。另外，该检测的时间周期t甚至是可以以一定的规律变化的，也即时间间隔是变化的，例如两次连续的时间周期t是变化的，那么，此时对应的光纤中的相邻两测试点的间距，也是变化的，可以依据不同的需要进行调整。
在一段距离内，光纤会散射稳定的波长序列，也就是对应一组稳定的散射光频移序列；当出现外界干扰后散射光频移会发生变化也就是散射光变化或者部分波长消失以及能量会发生变化。
优选地，所述散射光为布里渊散射光。布里渊散射光与其他散射光相比的另一个突出优点是它的频移变化量与温度相关性比应变的相关性要小得多(0.002％/℃)，这更有利于在恶劣环境下对光纤的状态进行有效监测。
优选地，在每个时间周期t中，所述fbg解调仪接收一次散射光；通过在所述光源处设置第一光开关、第二光开关，并通过控制第一光开关、第二光开关打开的时间延时δt，对所述光源调制脉宽。
优选地，所述光纤轴向应变与散射光频率漂移量的关系为：
其中，i＝1,2,…,n，nib(e)为第i个测试点光纤轴向拉伸时布里渊散射光频率；nib(0)为光纤轴向无应变应力时布里渊散射光频率；
优选地，检测所述散射光波长的变化，若所述散射光波长改变，则判断为对应的所述光纤的测试点处的应力发生变化。
优选地，检测所述散射光波长变化，若所述光纤中一测试点处的散射光中，边沿波长丢失，则判断该测试点处光纤发生弯折。
优选地，检测所述散射光波长及能量变化，若所述光纤中一测试点处的散射光波长发生整体偏移，且反射光能量减小，则判断该测试点处光纤破裂。
优选地，检测所述散射光波长及能量变化，若所述光纤中一测试点处的波长丢失，反射光能量衰减，并且该测试点前距离内波长无变化，但反射光能量增大，则判断该测试点光缆中断。
优选地，当所述光纤波长矩阵中大面积测试点的散射光波长变化，则判断对应段光纤发生更换。
优选地，当矩阵中散射光的能量出现陡降时，则可以判断该能量对应的光纤位置为光缆的末端；这一末端可以是因为断裂造成的末端，也可以是整条光纤的尾部末端。
优选地，所述fbg解调仪处接收到的测试点的散射光的能量的时间间隔为：
其中，n(λs)为波长为λs的光的折射率，δt为时间延时，每间隔δt测试一次，则相当于在光缆中分布了n个测试点，测试点之间的距离为l，则测试点的位置为：zi＝il，c0为光在真空中传播的速率。
优选地，第i个测试点的散射光的功率为：
其中，zi为第i个测试点位置，s(z,λg)为散射系数，a(x,λ)为正向传播单位长度的损耗系数，d(x,λ)是背向散射光单位长度衰减系数，这三个参量都是和波长有关的参量，具体数值可以查阅相关文献。p(λg)为入射光在波长λg处的功率，pi(zi,λg)为第i个测试点在波长为λg处的散射功率。依据该功率，即可以得到该测试点的散射光能量。或可以将该功率视为散射光能量。
优选地，该方法中，fbg检测散射光，可以采用本发明提供的基于光纤波长矩阵的光纤诊断系统进行检测，其包括光源、分束器、探测器、第一光开关、第二光开关、耦合器、fbg解调仪、光缆及中央控制器，所述中央控制器与第一光开关、第二光开关相连，第一光开关、第二光开关分别连接耦合器；所述fbg解调仪与第二光开关相连；光源与分束器相连，分束器分别与探测器和第一光开关相连，探测器将探测结果反馈给光源；耦合器与待测光缆相连。
优选地，当一定距离内，光纤发生弯折、破裂、挤压，散射波长会出现变化，如弯折时光纤边沿形成波长会出现丢失，挤压时波长会整体发生偏移，破裂时会加长分子间距使得波长发生整体偏移，发射能量减小，以此为依据判断光缆损耗。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明在满足光通信正常运行的情况下实现利用fbg解调仪测试光纤状态的目的，并且可以将本发明的技术方案应用到例如大规模光纤传感器网络中，以及日常对光纤的故障定位、诊断中，实现对光纤故障类型的监测，大大降低了人工成本，且构简单，成本低廉，使用效果好。
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它的附图。
图1为本发明一具体实施例的结构示意图；
图2为检测的散射光能量以及散射光频移沿着光纤长度的分布式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例一种应用程序推荐方法及装置进行详细描述。应当明确，所描述的实施例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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式所提出的对于提高远距离fbg检测效果的各个可实施方式或方法，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而该些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本发明明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本发明的保护范围的理解。
以下通过各个具体的实施例，对本发明的可供优选的实施方式进行详细阐述。以下在各具体实施例中所涉及到的各具体参数数值，仅作为例举而用，以方便对本发明实施方式的解释说明，并不作为本发明保护范围的限定。
实施例1：
在一个具体的实施例中，本发明提供一种基于光纤波长矩阵的光纤诊断方法，它既能实现光通信正常运行，又能实现利用fbg解调仪测试光纤的状态，以克服现有技术的不足。
只考虑光纤中的散射主要为布里渊散射。设入射光的光波长为λ0，距离l在{l1,l2}范围内一共分布着n个测试点。第i个测试点的光纤轴向应变与布里渊散射光频率的漂移量的关系为：
式中，nib(e)为第i个测试点光纤轴向拉伸时布里渊散射光频率；nib(0)为光纤轴向无应力时布里渊散射光频率；
当在这个距离测量范围内，光纤的状态发生变化，例如光纤发生弯折、破裂、挤压时，光纤的应力会发生改变，从(1)可以知道，布里渊会发生频率移动，从而导致解调出的波长序列λ1，λ2，…，λn也会发生变化，因此通过判断波长序列λ1，λ2，…，λn的状态的变化就可以知道光纤的状态，从而对光缆进行诊断。除了用波长进行判断意外，还可以通过散射能量进行判断。
假如设入射光的光能量分布为e(λ)，这个功率是波长λ的函数。a(λ)为正向传播单位长度的损耗系数，则待测z处的光能量e(z,λ)为：
设光信号在z处散射，设散射系数为s(z,λg)，衰减系数为d(x,λg)，则输入端接收到的光纤光栅的光能量为：
假如每隔一个延时δt测试一次，那么相当于在光缆中分布了n个测试点，测试点之间的距离为l，则测试点的位置为：zi＝il，n(λs)为波长为λs的光的折射率。则在fbg解调仪处接收到的测试点散射光能量的时间间隔是：
根据上面的式子可以计算出第i个测试点的散射功率为：
从上面的讨论，我们可以得出下面的结论：
1.在一段距离内，光纤会散射稳定的波长序列；当出现外界干扰后波长会发生变化或者部分波长消失以及能量会发生变化；
2.当一定距离内，光纤的折射率发生稳定变化，散射波长会出现变化；例如当光纤发生应力变化，则散射波长会出现变化，这可作为传感器予以使用。
3.当一定距离内，光纤发生弯折、破裂、挤压，散射波长会出现变化，如弯折时光纤边沿形成波长会出现丢失，挤压时波长会整体发生偏移，破裂时会加长分子间距使得波长发生整体偏移，发射能量减小，以此为依据判断光缆衰耗：
4.当一定距离内，光纤发生断裂，该处波长丢失，能量衰减，前段距离内波长无变化，但能量会发生增大，以此判断光缆发生中断。
5.对整条光缆按规则的短距离进行测量，并以此为光缆的点数据，由于光缆存在一定稳定性，其每个点的散射波长和能量存在稳定，以此作为光缆的识别数据，当全程光缆大面积数据点发生散射波长变化，即光缆发生更换。
基于本发明的上述分析及算法推导，在一具体的优化实施方式中，本发明具体的测试方法可以如下进行：
对光纤进行光源照射，所述光源以时间延时δt为间隔，调制脉宽；所述光纤中的测试点数为n；
使用fbg解调仪，以一时间周期t，扫描光纤中的散射光；
依据所述光纤轴向应变与散射光频率漂移量的关系，建立散射光波长、光能量沿光纤轴向的分布，形成光纤波长矩阵；
检测所述光纤波长矩阵的变化，依据所述变化，判断光纤的状态。
在一个具体的实施方式中，如图2所示，为光纤波长矩阵的图形表示，是为检测的散射光能量以及散射光频移沿着光纤长度的分布式示意图，图中x轴是沿着光纤长度方向的分布，z轴是在响应检测点的光能量，y轴是在响应检测点的散射频移。
对整条光纤依据预设的距离进行测量，并记录各测试点的散射光波长及散射光能量，依据所述距离、波长、能量，建立所述光纤波长矩阵。这里需要指出，本领域技术人员根据上述记载可以明了，当以一固定脉冲光源对光纤照射时，并且以一固定周期检测接收反射光，则相当于在光纤中，每间隔一固定的距离设置了一测试点，由于光的传播速度固定，也即等于在需要检测的光纤中按照预设的距离进行定点检测。此外，这一预设距离，或者说时间周期，是可以进行调整的，可以依据检测精度要求等进行延长或缩短。另外，该检测的时间周期t甚至是可以以一定的规律变化的，也即时间间隔是变化的，例如两次连续的时间周期t是变化的，那么，此时对应的光纤中的相邻两测试点的间距，也是变化的，可以依据不同的需要进行调整。
在一段距离内，光纤会散射稳定的波长序列，也就是对应一组稳定的散射光频移序列；当出现外界干扰后散射光频移会发生变化也就是散射光变化或者部分波长消失以及能量会发生变化。
当一定距离内，光纤发生弯折、破裂、挤压，散射波长会出现变化，如弯折时，光纤边沿形成波长会出现丢失，波形会出现阶梯状；挤压时波长会整体发生偏移；破裂时会加长分子间距使得波长发生整体偏移，发射能量减小，以此为依据判断光缆损耗。
在一个具体的实施方式中，所述散射光为布里渊散射光。布里渊散射光与其他散射光相比的另一个突出优点是它的频移变化量与温度相关性比应变的相关性要小得多(0.002％/℃)，这更有利于在恶劣环境下对光纤的状态进行有效监测。
在一个具体的实施方式中，在每个时间周期t中，所述fbg解调仪接收一次散射光；通过在所述光源处设置第一光开关、第二光开关，并通过控制第一光开关、第二光开关打开的时间延时δt，对所述光源调制脉宽。
在一个具体的实施方式中，所述光纤轴向应变与散射光频率漂移量的关系为：
其中，i＝1,2,…,n，nib(e)为第i个测试点光纤轴向拉伸时布里渊散射光频率；nib(0)为光纤轴向无应变应力时布里渊散射光频率；
在一个具体的实施方式中，检测所述散射光波长的变化，若所述散射光波长改变，则判断为对应的所述光纤的测试点处的应力发生变化。
在一个具体的实施方式中，检测所述散射光波长变化，若所述光纤中一测试点处的散射光中，边沿波长丢失，则判断该测试点处光纤发生弯折。
在一个具体的实施方式中，检测所述散射光波长及能量变化，若所述光纤中一测试点处的散射光波长发生整体偏移，且反射光能量减小，则判断该测试点处光纤破裂。
在一个具体的实施方式中，检测所述散射光波长及能量变化，若所述光纤中一测试点处的波长丢失，反射光能量衰减，并且该测试点前距离内波长无变化，但反射光能量增大，则判断该测试点光缆中断。
在一个具体的实施方式中，当所述光纤波长矩阵中大面积测试点的散射光波长变化，则判断对应段光纤发生更换。
在一个具体的实施方式中，当矩阵中散射光的能量出现陡降时，则可以判断该能量对应的光纤位置为光缆的末端；这一末端可以是因为断裂造成的末端，也可以是整条光纤的尾部末端。
在一个具体的实施方式中，所述fbg解调仪处接收到的测试点的散射光的能量的时间间隔为：
其中，n(λs)为波长为λs的光的折射率，δt为时间延时，每间隔δt测试一次，则相当于在光缆中分布了n个测试点，测试点之间的距离为l，则测试点的位置为：zi＝il，c0为光在真空中传播的速率。
实施例2：
在又一个具体的实施例中，我们对光纤进行利用fbg解调仪的检测时，可以采用如下的系统结构进行，本领域技术人员应当知晓，该基于光纤波长矩阵的光纤诊断系统结构是一个优选的实施例，还可以采用与上述方法相配合的、与上述系统原理相同的其他可替代的系统结构进行上述检测，该些常规的变化，也应当视为落入本发明的保护范围之内。
在一具体的实施方式中，如图1所示，该基于光纤波长矩阵的光纤诊断系统包括光源、分束器、探测器、第一光开关、耦合器、第二光开关、fbg解调仪，光缆以及中央控制器。所述中央控制器(9)与第一光开关(4)、第二光开关(7)相连，第一光开关(4)、第二光开关(7)分别连接耦合器(5)；所述fbg解调仪(8)与第二光开关(7)相连；光源(1)与分束器(2)相连，分束器(2)分别与探测器(3)和第一光开关(4)相连，探测器(3)将探测结果反馈给光源(1)；耦合器(5)与待测光缆(6)相连。
在一具体的实施方式中，该系统可具体设置如下：包括至少一个宽带光源(1)，中心波长为1595nm,3db带宽为1nm；分束器(2)，中心波长为1595nm,,分光比为98:2；探测器(3)，采用的材料为ingaas的pin探测器。第一光开关(4)，中心波长为1550nm,允许通过的光脉宽为20ns；3db耦合器(5)，通光的中心波长为1595nm，通光效率为95％；光缆(6)，长度为10km,对于1595nm左右光纤的传输损耗为0.25db/km；第二光开关(7)，中心波长为1595nm，3db带宽为1.5nm，允许通过的光脉宽为20ns；fbg解调仪(8)，可检测的中心波长为1595nm，检测带宽为20nm；中央控制器(9)，在一具体的实施方式中，可以采用fpga为核心建立中央控制器对第一光开关以及2的延时进行控制。
所述中央控制器控制第一光开关、第二光开关打开的时间延时δt，对光源的脉宽进行控制；针对所述脉宽，按照一固定的时间周期t进行扫描，在每个时间周期t中，所述fbg解调仪接收一次光能量；并且形成光能量沿着光纤的分布图；同时也获得一组散射波长序列，形成一组波长随着光线位置变化的分布图；依据所述能量以及波长分布图，判断光缆的状态。
在一具体的实施方式中，利用第一光开关和第二光开关对光源的脉宽进行控制，同时通过中央控制器对二者打开的时间延时δt进行精确控制。
在一具体的实施方式中，将δt按照一个固定的时间周期t进行扫描，每增加一个时间周期，fbg解调仪解调光波长一次，由于这个固定的延时和光纤长度有对应关系，因此可获取波长或者频移沿着光纤的分布图，此图像可作为判断光缆状态的依据。
在一具体的实施方式中，将δt按照一个固定的时间周期t进行扫描，每增加一个时间周期，fbg解调仪接收光能量一次，由于这个固定的延时和光纤长度有对应关系，因此可获取光能量沿着光纤的分布图，此图像可作为判断光缆状态的依据。
在一具体的实施方式中，当延时δt的光能量出现陡降，其该延时δt对应的光缆位置即判断为光缆的末端。本领域技术人员应当明了，此处所说的末端，并不仅仅指整条光缆物理上所说的末端，该末端可以指整条完整光缆的实际末端，或者光缆由于弯折、中断、故障等引起的光信号不能有效传输而形成的末端，或者由于其他原因造成的光缆不能正常工作或传输信号而形成的端点。
在一具体的实施方式中，如果该光缆末端长度小于该光缆原有末端长度，既判断为该末端为光缆的中断位置。
在一具体的实施方式中，当测得延时δt的光能量值et小于该光缆以前标定过的光能量值ec，既延时δt对应的光缆位置在本次测试中出现衰耗。
在一具体的实施方式中，为了减小光源功率波动对检测结果带来影响，在光源后面增加了分束器，分出光源的一部分光对光源光能量特性进行检测，并将检测结果信号反馈给光源，实现对光源的闭环控制。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！