利用fbg解调仪检测光缆状态的方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用FBG解调仪检测光缆状态的方法及系统，该方法用于FBG检测系统中，所述系统包括光源、分束器、探测器、第一光开关、第二光开关、耦合器、FBG解调仪、光纤光栅、光缆及中央控制器，所述光纤光栅设置在光缆中，所述方法包括：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；并且依据所述扫描，形成光能量沿着光纤的分布图；依据所述分布图，判断光缆的状态。
【专利说明】
利用FBG解调仪检测光缆状态的方法及系统
技术领域
[0001]本发明涉及利用FBG解调仪检测光缆状态的方法，所述状态包括光缆衰耗故障、光 缆末端、光缆中断、光缆衰减等，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】
[0002] 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。
[0003] 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，通过瑞利反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。
[0004] 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。
[0005] 如果能够直接采用FBG解调仪进行光缆中断和衰耗等状态检测将拓展FBG解调仪 的功能，就能够有效降低传感器系统的成本。
【发明内容】
[0006] 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 实现对光纤光栅传感器网络进行中断或故障定位的方法，避免了 OTDR设备及其辅助设备的 使用，有效降低了系统成本。
[0007] 需要指出的是，本发明说明书中记载的公式，其中所涉及到的特定参数的表示形 式，并不作为本发明保护范围的限定，所有将上述参数表述形式以及算式的简单替换表示 方式或常规推演，均应视为不超出本发明给出的算法思想的范围，均应视为落入本发明的 保护范围之内。
[0008] 具体而言，本发明提供了一种利用FBG解调仪检测光缆终端和衰耗故障的方法，该 方法用于FBG检测系统中，所述系统包括光源、分束器、探测器、第一光开关、第二光开关、耦 合器、FBG解调仪、光纤光栅、光缆及中央控制器，所述光纤光栅设置在光缆中，其特征在于， 所述检测方法包括：
[0009] 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At，对光源的脉宽 进tx控制；
[0010] 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
[0011]依据所述扫描，形成光能量沿着光纤的分布图；
[0012] 依据所述分布图，判断光缆的状态，所述状态包括光缆衰耗故障、光缆末端、光缆 中断、光缆衰减等。
[0013] 优选地，当延时△ t对应的光能量出现陡降，则判断该延时△ t对应的光缆位置为 光缆的末端;也即，一个延时At所对应的接收到的可检测光能量出现明显的下降，则可以 判断为该At对应的所检测的光缆位置，即为一段连续光缆的末端;这一陡降，可以是通过 针对不同的光缆的性质而给出的一经验判断，或者一经验阈值，这是可以依据经验数据进 行常规设定的，例如对连线斜率的判定等方式，而陡降往往比普通衰耗所表现出来的能连 变化要剧烈的多；
[0014] 如果该延时△ t对应的光缆位置的末端，小于该光缆原有的末端长度，则判断该末 端为光缆的中断位置。
[0015] 优选地，当测得延时Δ t对应的光能量Et小于该光缆以前标定过的光能量值Ec^lJ 判断为该延时A t对应的光缆位置在本次测试中出现衰耗。
[0016] 优选地，所述探测器检测来自所述分束器的一部分光，以对光源的光能量特性进 行检测，并将检测结果信号反馈给光源，以对光源形成闭环控制。
[0017] 优选地，所述FBG解调仪处接受到的测试点反射的光能量的时间延时为：
[0018]
[0019]共中，
汲长为λ.光的折射率，△ t为时间延时，每间隔Δ t测试一次，则相 当于在光缆中分布了η个测试点，测试点之间的距离为L，则测试点的位置为= Z1=IUCo为光 在真空中传播的速率。
[0020]优选地，第i个测试点的反射功率为：
[0021；
[0022] 其中，Zi为第i个测试点位置，r(z, Ag)为反射系数，a(x, λ)为正向传播单位长度的 损耗系数，Ηζ，λ)是反射系数，(1(Χ，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，P(Xg)为入射光在波长Ag处的功率，Pi(Zi ,Ag)为第i个测试点在波长为Ag处 的反射功率。
[0023]本发明还公开了一种利用FBG解调仪检测光缆状态的系统，所述系统包括光源、分 束器、探测器、第一光开关、第二光开关、耦合器、FBG解调仪、光纤光栅、光缆及中央控制器， 所述光纤光栅设置在光缆中，其特征在于: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;光源可以 具体采用宽带光源，其与分束器相连，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。
[0024] 优选地，所述第一光开关、第二光开关对光源的脉冲进行控制;所述FBG解调仪接 收并解调反射光，并依据所述反射光参数判断光缆状态。
[0025] 优选地，所述光纤光栅设置在光缆中，或者通过额外设备，将光纤光栅与光缆相 连，只要能够使得在光缆中检测到该光纤光栅即可。
[0026] 优选地，所述状态包括光缆衰耗故障、光缆末端、光缆中断、光缆衰减等。
[0027] 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解调仪测试光缆中断和衰耗故 障，且构简单，成本低廉，使用效果好。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明一具体实施例的结构示意图；
[0029]图2为检测的光能量沿着光纤长度的分布式示意图。
【具体实施方式】
[0030] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。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】，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。
[0031] 另外需要指出的是，本发明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，是可以进行任意结合或组合使用的，例如可以将其中任意两种或更多种调整 方式结合起来使用，以提高检测效果和系统精度，也可以仅采用其中的单个方式，上述这些 组合或者拆分，均应视为落入本发明的保护范围之内。
[0032] 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。
[0033] 实施例1
[0034] 本发明的目的是:提供利用FBG解调仪检测光缆状态的方法及其系统设计，所述状 态包括光缆衰耗故障、光缆末端、光缆中断、光缆衰减等，该方法既能实现光通信正常运行， 又能实现利用FBG解调仪测试光缆中断和衰耗，以克服现有技术的不足。
[0035] 首先，对光缆系统中的光判断方法及其能量、参数计算方法进行具体阐述。
[0036] 假如设入射光的光能量分布为Ε(λ)，这个功率是波长λ的函数。a(A)为正向传播单 位长度的损耗系数，则待测z处的光能量Ε(ζ，λ)为：
[0037]
[0038] 设光信号在z处的光纤光栅处反射，设反射系数为r(z，Ag)，背向散射光单位长度 衰减系数为d(x，A g)，则输入端接收到的光纤光栅的光能量为：
[0039]
[0040] 假如每隔一个延时At测试一次，那么相当于在光缆中分布了 η个测试点，测试点 之间的距离为L，则测试点的位置为= Z1 = IUn(As)为波长为心的光的折射率。则在FBG解调 仪处接收到的测试点反射光能量的时间间隔是：
[0041] (3)
[0042] 根据上面的式子可以计算出第i个测试点的反射功率为：
[0043]
123456 根据(3)和(4)式，可以看出，FBG解调仪接收到的光信号主要受几方面因素影响： 2 1.受测试点位置Z影响，测试点所在位置距离越远，接收到的信号越小； 3 2.受E(Ag)的影响，也就是受光源光能量谱的影响； 4 3.当假设E(Ag)以及传输损耗不变的情况下，各个光纤光栅接收到的信号近似成 指数关系。 5 基于本发明的上述推导，在一具体的优化实施方式中，本发明所应用到的光缆系 统可进行如下设置:如图1所示，该系统包括光源、分束器、探测器、第一光开关、耦合器、第 二光开关、FBG解调仪、光纤光栅(FBG)、光缆以及中央控制器。所述中央控制器（10)与第一 光开关(4)、第二光开关(8)相连，第一光开关(4)、第二光开关(8)分别连接親合器(5);所述 FBG解调仪(9)与第二光开关(8)相连;光源可以具体采用宽带光源（1)，其与分束器(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，光纤光栅(7)设置在光缆(6)中，或者通过额外设备，将 光纤光栅(7)与光缆(6)相连，只要能够使得在光缆中检测到该光纤光栅即可。 6 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1595應，3(^带宽为1應;分束器（2)，中心波长为159511111，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;光纤光栅(7)，中心波长为1595nm，3dB 带宽为0.2nm;第二光开关(8)，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(9)，可检测的中心波长为1595nm，检测带宽为20nm;中央控制器（10)，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第二光开关 的延时进行控制。
[0050]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△ t，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；依据所述分布图，判断光缆的 状态。在一具体的实施方式中，如图2所示，是检测的光能量沿着光纤长度的分布示意图，图 中横轴是沿着光纤长度方向的分布，纵轴是在响应检测点的光能量，从图2可看出，此图像 和OTDR的检测图像类似，但是在本发明中是一组离散的点。
[0051 ]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△ t进行精确控制。根据具体的检测需求，可以 对第一光开关、第二光开关进行同步控制，也可以控制第一光开关的时间延时，以控制光源 的参数，而此时将第二光开关常开，以进行常规的检测。
[0052]在一具体的实施方式中，将At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。
[0053]在一具体的实施方式中，当延时△ t的光能量出现陡降，则该延时△ t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。
[0054]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，即此时在不应该是光纤的原有末端点的位置处也出现了可检 测到的末端，则可以确定，该处出现了中断。
[0055] 在一具体的实施方式中，当测得延时△ t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At对应的光缆位置在本次测试中出现衰耗。对光缆的前期标定，可以 是在光缆的正常状态下，对光缆进行上述特定延时At的光能量检测，从而确定对应不同的 A t扫描获得的不同光缆点的正常的光能量值，以作为后续光缆状态的判断依据。
[0056] 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。
[0057] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种利用FBG解调仪检测光缆状态的方法，该方法用于FBG检测系统中，所述系统包 括光源、分束器、探测器、第一光开关、第二光开关、禪合器、FBG解调仪、光纤光栅、光缆及中 央控制器，所述光纤光栅设置在光缆中，其特征在于，所述方法包括： 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A t，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 依据所述扫描，形成光能量沿着光纤的分布图； 依据所述分布图，判断光缆的状态。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态包括W下几种:光缆衰耗故障、光 缆末端、光缆中断、光缆衰减。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当延时At对应的光能量出现睹降，则判断 该延时Δ t对应的光缆位置为光缆的末端； 如果该延时A t对应的光缆位置的末端，小于该光缆原有的末端长度，则判断该末端为 光缆的中断位置。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当测得延时Δ t对应的光能量Et小于该光缆 W前标定过的光能量值Ec，则判断为该延时Δ t对应的光缆位置在本次测试中出现衰耗。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述探测器检测来自所述分束器的一部分 光，W对光源的光能量特性进行检测，并将检测结果信号反馈给光源，W对光源形成闭环控 制。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述FBG解调仪处接受到的测试点反射的 光能量的时间延时为：其中，η(λ3)为波长为As的光的折射率，At为时间延时，每间隔At测试一次，则相当于 在光缆中分布了 η个测试点，现聯点之间的距离为L，则测试点的位置为:Zi = iL，C〇为光在真 空中传播的速率。7. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于:第i个测试点的反射功率为：其中，Zi为第i个测试点位置，3(χ，λ)为正向传播单位长度的损耗系数，Ηζ，λ)为反射系 数，(Κχ,λ)为背向散射光单位长度衰减系数，P(Ag)为入射光在波长Ag处的功率，Pi(zi，Ag)为 第i个测试点在波长为Ag处的反射功率。8. -种利用FBG解调仪检测光缆状态的系统，所述系统包括光源、分束器、探测器、第一 光开关、第二光开关、禪合器、FBG解调仪、光纤光栅、光缆及中央控制器，所述光纤光栅设置 在光缆中，其特征在于： 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禪 合器;所述FBG解调仪与第二光开关相连;所述光源与分束器相连，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;禪合器与待测光缆相连； 所述第一光开关、第二光开关对光源的脉冲进行控制； 所述FBG解调仪接收并解调反射光，并依据所述反射光参数判断光缆状态。9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于:光纤光栅设置在光缆中，或者通过额外设 备，将光纤光栅与光缆相连，只要能够使得在光缆中检测到该光纤光栅即可。10. 根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述状态包括W下几种:光缆衰耗故 障、光缆末端、光缆中断、光缆衰减。
【文档编号】G01M11/02GK105841924SQ201610153973
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】毛志松, 白金刚, 薛鹏, 朱惠君
【申请人】北京中科光讯科技有限公司