用于光纤熔丝效应的监测系统及方法
【专利摘要】一种用于光纤熔丝效应的监测系统及方法，包括：激光模块、线性扫频光源模块、光功率注入模块、马赫‐曾德尔干涉仪模块、光电探测和数据采集模块，以及反馈控制模块，其中：线性扫频光源模块产生的扫频光进入马赫‐曾德尔干涉仪模块内，分成探测光和参考光；激光模块产生的光信号与探测光在光功率注入模块耦合后进入待测光纤链路，其向光功率注入模块返回的信号光进入马赫‐曾德尔干涉仪模块与调整后的参考光进行干涉拍频，并输入光电探测和数据采集模块；反馈控制模块控制激光模块；数据采集模块进行后期数据处理，判断光纤熔丝效应的发生并计算得到故障点定位；本发明快速准确，能够准确判断被破坏光纤的长度与位置。
【专利说明】
用于光纤熔丝效应的监测系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种光纤传感领域的技术，具体是一种用于光纤熔丝效应的监测 系统及方法。
【背景技术】
[0002] 在传输光功率较高的光纤中，光纤端面或接头处的灰尘以及过度弯曲都容易导致 局部纤芯温度过高，从而触发光纤熔丝效应。光纤熔丝效应发生后，高密度的等离子体会沿 光纤向光源方向移动，同时在光纤中留下周期性的气体微腔，使得光纤的导光能力遭到破 坏。对于传统单模光纤来说，光纤熔丝效应的阈值功率约为1.3~1.5W，随着高功率拉曼放 大、密集波分复用以及空分复用等技术的发展，通信用光纤中的传输功率显著提高，如何防 止或减轻光纤熔丝效应对光纤系统的破坏成为一个现实的问题。
[0003] 近年来，国外学者提出了几种阻断及监测光纤熔丝效应的方法。例如在光纤链路 中设有空气孔辅助型光纤（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).]能够有效的在熔接点附近使得光纤熔丝效应停止，然而这种方法并不能主动 探测光纤熔丝效应是否发生，且只能对熔接点一侧的光纤链路进行保护。光时域反射仪技 术（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).]通过监测光纤中反射点位置的变化来探测光纤熔丝效应，同时能够对其进行 实时定位。但是0TDR空间分辨率相对有限，需要多次平均以提高信噪比，对光纤熔丝效应的 响应时间大于十秒，且定位精度较低。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术易受数据传输速率和调制码型等因素的影响等不足，提出一 种用于光纤熔丝效应的监测系统及方法，向待测光纤链路中注入线性扫频光，对待测光纤 链路返回的信号光与参考光进行干涉拍频，实时监测光纤熔丝效应的发生，并通过计算得 到损坏光纤的位置和长度，使高功率激光器在快速响应后停止，以便光纤链路的替换与修 复。本发明能够进行反射点的实时定位、速度监测以及受损光纤长度的确定。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明涉及一种用于光纤熔丝效应的监测系统，包括:激光模块、线性扫频光源模 块、光功率注入模块、马赫-曾德尔干涉仪模块、光电探测和数据采集模块和反馈控制模块， 其中：线性扫频光源模块产生的扫频光进入马赫-曾德尔干涉仪模块内，分成探测光和参考 光;激光模块产生的光信号与探测光在光功率注入模块耦合后进入待测光纤链路，待测光 纤链路向光功率注入模块返回的信号光进入马赫-曾德尔干涉仪模块与调整后的参考光进 行干涉拍频，并输入光电探测和数据采集模块;反馈控制模块根据光电探测和数据采集模 块的结果控制激光模块。
[0007] 所述的激光模块包括相连的高功率激光器和光隔离器。
[0008] 所述的高功率激光器的输出光功率大于1W。
[0009] 所述的线性扫频光源模块包括:射频信号发生器、依次相连的窄线宽光纤激光器、 强度调制器和带通滤波器，其中：射频信号发生器通过强度调制器将扫频信号调制到窄线 宽光纤激光器产生的种子光上。
[0010]所述的带通滤波器插入损耗小于8dB。
[0011] 所述的光功率注入模块包括依次相连的光耦合器和三端口环形器。
[0012] 所述的三端口环形器的耐受功率大于1W，插入损耗小于2dB。
[0013] 所述的马赫-曾德尔干涉仪模块包括:偏振控制器和设置于偏振控制器两侧的两 个光親合器。
[0014] 所述的光电探测和数据采集模块包括：依次相连的平衡光电探测器和数据采集 卡，其中：平衡光电探测器对输入的光信号进行光电转换，数据采集卡采集转换后的模拟信 号进行数字转换以用于后期数据处理。
[0015] 所述的平衡光电探测器的带宽大于10MHz。
[0016] 所述的反馈控制模块为TTL信号发生器。
[0017]所述的TTL信号发生器内置判决程序。
[0018] 所述的判决程序用于判断光纤熔丝效应后，控制TTL信号发生器产生电平信号，以 关闭尚功率激光器。
[0019] 所述的信号光为背向散射光或反射光。
[0020] 本发明涉及一种基于上述系统的监测方法，通过预置射频信号发生器、窄线宽光 纤激光器和带通滤波器的对应参数，检测马赫-曾德尔干涉仪模块输出的参考光与待测光 纤链路返回的信号光的干涉拍频变化，并通过数据采集卡采集到的时域信号进行傅里叶变 换，得到沿待测光纤链路的分布式背向散射信号，从而探测光纤熔丝效应的发生并通过反 馈控制模块关闭高功率激光器;计算得到光纤熔丝效应发生时故障点的实时位置，从而实 现对光纤熔丝效应发生的故障点进行定位。
[0021] 所述的对应参数具体是指:射频信号发生器的扫频范围、扫频速度和扫频周期；窄 线宽光纤激光器的工作波长;带通滤波器的中心波长和带宽。
[0022] 所述的故障点的实时位置
，其中：Zo为故障点的初始位置，η 为探测到光纤熔丝效应发生后的总采样次数，为实时的多普勒频移量，c为真空中 光速，nrff为所测光纤的反射系数，fo为扫频光源的中心频率。 技术效果
[0023] 与现有技术相比，本发明通过在待测光纤链路中加入一个外部调制的光频域反射 仪，向待测光纤链路注入线性扫频光，对待测光纤链路中存在的反射点的位置进行实时监 测和定位，前期验证实验实现了不进行平均处理的情况下，在200ms时间内对光纤熔丝效应 做出响应，在67m长的光纤中测量的故障光纤长度误差小于30cm，实现了 5cm空间分辨率的 故障点定位。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明原理图；
[0025] 图2为检测系统示意图；
[0026] 图3为实施例1检测系统示意图；
[0027]图4为光纤熔丝效应发生前后的光频域反射曲线；
[0028]图中：（a)为光纤熔丝效应发生前，（b)为光纤熔丝效应发生时，（c)为光纤熔丝效 应停止；
[0029]图5为实施例1得到的光纤弱反射点位置随时间的变化关系；
[0030] 图6为实施例1计算出的光纤熔丝效应传播速度及光纤注入功率随时间的变化曲 线；
[0031] 图7为实施例2计算出的光纤熔丝效应传播速度及光纤注入功率随时间的变化曲 线；
[0032]图中：1为高功率激光器、2为光隔离器、3为10/90光耦合器、4为三端口环形器、5为 待测光纤链路、6为数据采集卡、7为平衡光电探测器、8和10为50/50光耦合器、9为偏振控制 器、11为线性扫频光源模块、12和18为带通滤波器、13为强度调制器、14为窄线宽光纤激光 器、15为射频信号发生器、16为外部信号源、17为功率计。
【具体实施方式】
[0033]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 实施例1
[0034] 如图1~3所示，本实施例涉及一种用于光纤熔丝效应的监测系统，包括:激光模 块、线性扫频光源模块、光功率注入模块、马赫-曾德尔干涉仪模块、光电探测和数据采集模 块以及反馈控制模块，其中：线性扫频光源模块产生的扫频光进入马赫一曾德尔干涉仪模 块内，分成探测光和参考光;激光模块产生的光信号与经过端口 1的探测光在光功率注入模 块耦合后进入待测光纤链路5,待测光纤链路5向光功率注入模块返回的信号光通过端口 2 进入马赫-曾德尔干涉仪模块与调整后的参考光进行干涉拍频，并输入光电探测和数据采 集模块;反馈控制模块根据光电探测和数据采集模块的结果通过端口 3控制激光模块。
[0035] 所述的待测光纤链路5尾部设有色散补偿光纤。
[0036] 所述的色散补偿光纤末端用熔接机电弧放电触发光纤熔丝效应。
[0037] 所述的激光模块包括相连的高功率激光器1和光隔离器2。
[0038] 所述的光隔离器2用于消除反向光。
[0039]所述的线性扫频光源模块包括:射频信号发生器15、依次相连的窄线宽光纤激光 器14、强度调制器13和带通滤波器12,其中：射频信号发生器15通过强度调制器13将射频信 号调制到窄线宽光纤激光器14产生的种子光上，带通滤波器12滤出单边带光信号。
[0040] 所述的扫频光为带通滤波器12滤出的下边带。
[0041] 所述的线性扫频光源模块产生稳定的线性扫频光，其频率随时间呈线性变化，扫 频线性度高。
[0042] 所述的带通滤波器12插入损耗小于8dB。
[0043] 所述的光功率注入模块包括依次相连的光耦合器3和三端口环形器4。
[0044] 所述的三端口环形器4的插入损耗小于2dB。
[0045] 所述的光功率注入模块的耐受功率大于高功率激光器1的输出功率。
[0046] 所述的光耦合器3的输出端设有功率计17。
[0047] 所述的马赫-曾德尔干涉仪模块包括:偏振控制器9和设置于偏振控制器9两侧的 两个50/50光耦合器8和10。
[0048] 所述的偏振控制器9输出端一侧的光耦合器8与三端口环形器4之间设有带通滤波 器18,用于滤除噪声信号。
[0049] 所述的光电探测和数据采集模块包括:依次相连的平衡光电探测器7和数据采集 卡6,其中：平衡光电探测器7对输入的光信号进行光电转换，数据采集卡6采集转换后的模 拟信号进行数字转换以用于后期数据处理。
[0050] 所述的平衡光电探测器7的带宽大于10MHz。
[0051] 所述的数据采集卡6和射频信号发生器15通过外部信号源16进行同步。
[0052]所述的反馈控制模块为TTL信号发生器。
[0053]所述的TTL信号发生器内置判决程序。
[0054]所述的判决程序用于判断光纤熔丝效应后，控制TTL信号发生器产生电平信号，以 关闭尚功率激光器1。
[0055]所述的信号光为背向散射光或反射光。
[0056]如图4所示，触发待测光纤链路5的熔断效应，拍频强度减弱，且明显向高频方向移 动，以此提取反馈信号关闭高功率激光器1。
[0057] 本实施例涉及一种基于上述检测系统的光纤熔丝效应的监测和定位方法，通过预 置射频信号发生器15、窄线宽光纤激光器14和高功率激光器1的对应参数，检测马赫-曾德 尔干涉仪模块输出的参考光与待测光纤链路5返回的信号光的干涉拍频变化，可快速探测 光纤熔丝效应的发生并通过反馈控制模块关闭高功率激光器1;通过算法计算光纤熔丝效 应发生的实时位置与速度，可对光纤熔丝效应发生的故障点进行定位。
[0058] 所述的待测光纤链路5的光纤为长度为67m的超低损耗单模光纤(Corning.SMF-28?ULL:)。
[0059] 所述的待测光纤链路5尾部熔接的色散补偿光纤长度为20cm。
[0060] 所述的高功率激光器1的工作波长为1549.7nm，输出光功率为3.3W，功率不稳定度 小于±3%。
[0061 ]所述的射频信号的扫频范围为2GHz，扫频速度为200GHz/s，在光频域反射中对应 5cm的理论空间分辨率。
[0062] 所述的窄线宽光纤激光器14产生的种子光的波长为1550.3nm。
[0063]本实施例的数据采集周期为200ms，即可在200ms内对光纤熔丝效应作出响应。
[0064]对于光纤中一个反射点，当没有光纤熔丝效应时，由于两路信号间存在固定的光 程差，拍频为固定值Α Π ，反射点的位置小于光纤长度，且相应的拍频不随时间变化;而当 光纤熔丝效应发生时，由于反射点向光源方向移动，对应的背向反射光受多普勒频移的影 响而发生频率偏移，使该反射峰对应的拍频显著增加，从而使反射光信号的频率升高，此时 探测到的拍频A f2由两部分组成:与反射点位置有关的光程差和与反射点移动速度有关的 多普勒频移。
[0065] 所述的故障点的实时位置 ，其中：Ζ〇为67.2m，n为530， ^。^^为由实时的多普勒频移读测拍频与光程差所对应的拍频之差彡^为〗※^8!!!/^， neff 为1.452，f〇Sl93.5THz〇
[0066] 如图5所示，以此推算的损坏光纤的长度为44.6m，与采用光频域反射仪技术测得 的44.9m误差小于0.7%。
[0067] 如图6所示，传播速度的变化趋势与光功率变化高度一致，证明了本实施例的有效 性。 实施例2
[0068] 所述的待测光纤链路5的光纤为长飞公司制造的常规单模光纤(Y0FC - SSMF)，在 触发光纤熔丝效应后，逐渐降低高功率激光器1的输出光功率。
[0069] 如图7所示，每当光功率发生跳变时，所监测到的传播速度也会发生跳变，在整个 过程中二者的变化表现出高度的一致性，且当注入光功率相同时，光纤熔丝效应的传播速 度明显高于在超低损耗单模光纤中的传播速度，这也与理论计算结果相符。
[0070] 本实施例测得的光纤的损坏长度为33.9m，与采用光频域反射仪技术测得的33.8m 相比，误差小于0.3%。
【主权项】
1. 一种用于光纤熔丝效应的监测系统，其特征在于，包括:激光模块、线性扫频光源模 块、光功率注入模块、马赫-曾德尔干涉仪模块、光电探测和数据采集模块，以及反馈控制模 块，其中：线性扫频光源模块产生的扫频光进入马赫-曾德尔干涉仪模块内，分成探测光和 参考光;激光模块产生的光信号与探测光在光功率注入模块耦合后进入待测光纤链路，待 测光纤链路向光功率注入模块返回的信号光进入马赫-曾德尔干涉仪模块与调整后的参考 光进行干涉拍频，并输入光电探测和数据采集模块;反馈控制模块根据光电探测和数据采 集模块的结果控制激光模块； 所述的信号光为背向散射光或反射光。2. 根据权利要求1所述的监测系统，其特征是，所述的待测光纤链路尾部设有色散补偿 光纤。3. 根据权利要求1所述的监测系统，其特征是，所述的激光模块包括相连的高功率激光 器和光隔离器。4. 根据权利要求1所述的监测系统，其特征是，所述的线性扫频光源模块包括:射频信 号发生器、依次相连的窄线宽光纤激光器、强度调制器和带通滤波器，其中：射频信号发生 器通过强度调制器将扫频信号调制到窄线宽光纤激光器产生的种子光上。5. 根据权利要求1所述的监测系统，其特征是，所述的光功率注入模块包括依次相连的 10/90光耦合器和三端口环形器。6. 根据权利要求1所述的监测系统，其特征是，所述的马赫-曾德尔干涉仪模块包括:偏 振控制器和设置于偏振控制器两侧的两个50/50光耦合器。7. 根据权利要求1所述的监测系统，其特征是，所述的光电探测和数据采集模块包括： 依次相连的平衡光电探测器和数据采集卡，其中：平衡光电探测器对输入的光信号进行光 电转换，数据采集卡采集转换后的模拟信号进行数字转换以用于后期数据处理。8. 根据权利要求1所述的监测系统，其特征是，所述的反馈控制模块为TTL信号发生器， 该TTL信号发生器内置判决程序，用于判断光纤熔丝效应后，控制TTL信号发生器产生电平 信号，以关闭高功率激光器。9. 一种应用权利要求1~8中任一所述系统的监测方法，其特征在于，通过预置射频信 号发生器、窄线宽光纤激光器和带通滤波器的对应参数，检测马赫-曾德尔干涉仪模块输出 的参考光与待测光纤链路返回的信号光的干涉拍频变化，并通过数据采集卡采集到的时域 信号进行傅里叶变换，得到沿待测光纤链路的分布式背向散射信号，从而探测光纤熔丝效 应的发生并通过反馈控制模块关闭高功率激光器;计算得到光纤熔丝效应发生时故障点的 实时位置，从而实现对光纤熔丝效应发生的故障点进行定位； 所述的对应参数具体是指:射频信号发生器的扫频范围、扫频速度和扫频周期；窄线宽 光纤激光器的工作波长;带通滤波器的中心波长和带宽。10. 根据权利要求9所述的监测方法，其特征是，故障点的实时位置Z = Zf ， 其中：Z〇为故障点的初始位置，η为探测到光纤熔丝效应发生后的总采样次数，〖^^^为实 时的多普勒频移量，c为真空中光速，η#为所测光纤的反射系数，fo为扫频光源的中心频 率。
【文档编号】G01M11/00GK105865751SQ201610357311
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】马麟, 何祖源, 樊昕昱, 姜寿林, 王彬
【申请人】上海交通大学