一种中短光纤跳线长度测量装置及测量方法与流程

本公开属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于可见光相位调制的中短光跳线装置及方法。

背景技术：

在很多高压电场环境，中远程距离传输过程中，设备出现故障，由于光纤要传输光信号，不得不对每根通光光纤进行插拨通可见光进行测量。

在长距离1-100公里的光纤测量上，使用otdr进行测量。而很多的光纤跳线是中短距离的光纤跳线，而且传输各种弱电信号的光纤是多模跳线，一般长度为1-1000米范围。采用otdr时，对1-1000米光纤跳线测量就失去其有效的测量优势。otdr的测量时，分辨率比较低，故障点之间的位置一般是3-5米才能分辨。另外当光纤跳线在使用过程中，会通过1310nm或1550nm的激光，使用otdr时，otdr的工作波长也是1310nm或1550nm，测量用光源波长与信号传输波长都处于通信波段，在线测量时，必须在光线未端加上滤波器，否则无法在线地对光纤跳线进行单端测量跳线是否通断。otdr功能可以测量光纤的质量，但是无法分辨光纤跳线的通断情况。

综上所述，如何解决中短距率在线测量光纤长度来分辨光纤跳线通断的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

针对现有otdr技术中存在的在线测量中短光纤跳线通断问题，本公开提供了一种中短光纤跳线长度测量装置及测量方法，解决了在线测量中短光纤跳线通断问题。

本公开所采用的技术方案是：

一种中短光纤跳线长度测量装置，该装置包括：

可见光产生电路，用于产生可见光信号，并将该可见光信号分成两路光信号分别输出至标准光纤跳线长度测量电路和被测光纤跳线长度测量电路；

标准光纤跳线长度测量电路，用于测量标准光纤跳线返回的光信号，并将该光信号转换成电信号输出至调制解调电路；

被测光纤跳线长度测量电路，用于测量被测光纤跳线返回的光信号，并将该光信号转换成电信号输出至调制解调电路；

调制解调电路，用于调制可见光产生电路产生的可见光信号频率，对接收到的两个电信号进行解调，分别记录标准光纤跳线返回的光信号相位相同时不同频率值以及被测光纤跳线返回的光信号相位相同时不同频率值，并分别计算标准光纤跳线返回的光信号相位相同的频率差值以及被测光纤跳线返回的光信号相位相同的频率差值，根据标准光纤跳线的长度，计算被测光纤跳线长度。

进一步的，所述可见光产生电路包括可见光激光器和第一耦合器，所述可见光激光器输出可见光信号至第一耦合器；所述第一耦合器将接收到的可见光信号分成两路光信号，一路光信号输出至标准光纤跳线长度测量电路，另一路光信号输出至被测光纤跳线长度测量电路。

进一步的，所述标准光纤跳线长度测量电路包括第二耦合器和第一光电探测器，所述第二耦合器接收第一耦合器输出的一路光信号，并输出到标准光纤跳线，光信号经标准光纤跳线的端面反射回第二耦合器中，第二耦合器将标准光纤跳线返回的光信号传输到第一光电探测器，所述第一光电探测器将接收到的光信号转换成电信号，并将电信号输出至调制解调电路。

进一步的，所述被测光纤跳线长度测量电路包括第三耦合器和第二光电探测器，所述第三耦合器接收第一耦合器输出的另一路光信号，并输出到被测光纤跳线，光信号经过被测光纤跳线的端面反射回第三耦合器中，第三耦合器将被测光纤跳线返回的光信号传输到第二光电探测器，所述第二光电探测器将接收到的光信号转换成电信号，并将电信号输出至调制解调电路。

进一步的，所述调制解调电路包括调制电路、标准光纤光信号解调电路和被测光纤光信号解调电路；

所述调制电路包括依次连接的中央处理器、信号发生器和激光器驱动器，中央处理器通过信号发生器和激光器驱动器调制可见光激光器的光信号；

所述标准光纤光信号解调电路包括依次连接的第一光电二极管、第一信号放大器和第一相位比较器，所述第一光电二极管接收第一光电探测器测量的标准长度光纤跳线返回的光信号，经过第一信号放大器放大后，输出至第一相位比较器，第一相位比较器将放大后的光信号与信号发生器的原始正弦波信号进行比较，将比较结果输出至中央处理器；

所述被测光纤光信号解调电路包括依次连接的第二光电二极管、第二信号放大器和第二相位比较器，所述第二光电二极管接收第二光电探测器测量的被测光纤跳线返回的光信号，经过第二信号放大器放大后，输出至第二相位比较器，第二相位比较器将放大后的光信号与信号发生器的原始正弦波信号进行比较，将比较结果输出至中央处理器。

一种中短光纤跳线长度测量方法，该方法基于如上所述的中短光纤跳线长度测量装置实现的，该方法包括以下步骤：

获取可见光信号的调制频率，分别计算标准长度光纤跳线以及被测光纤跳线返回的光信号功率；

分别计算标准长度光纤跳线以及被测光纤跳线返回的光信号相位相同时相邻频率差值；

利用得到的相邻频率差值，计算被测光纤跳线的长度；

比较被测光纤跳线长度的初始值与得到的被测光纤跳线长度大小，识别被测光纤跳线通断情况。

进一步的，所述标准长度光纤跳线以及被测光纤跳线返回的光信号功率的计算方法为：

获取可见光信号的起始频率、调制速度与工作时间，计算可见光信号在任意时刻的调制频率；

利用可见光信号的调制频率，计算经过标准光纤跳线反射回的光信号功率；

利用可见光信号的调制频率，计算经过被测光纤跳线反射回的光信号功率。

进一步的，所述标准长度光纤跳线以及被测光纤跳线返回的光信号相位相同时相邻频率差值的计算方法为：

根据标准光纤跳线反射回的光信号功率，记录标准光纤跳线返回的光信号功率相位值相同时光信号不同频率值，并将记录的光信号不同频率值做差，得到标准光纤跳线返回的光信号相位相同时相邻频率差值；

根据被测光纤跳线反射回的光信号功率，记录被测光纤跳线返回的光信号功率相位值相同时光信号不同频率值，并将记录的光信号不同频率值做差，得到被测光纤跳线返回的光信号相位相同时相邻频率差值。

进一步的，所述被测光纤跳线长度的计算方法为：

计算标准光纤跳线返回的光信号相位相同时相邻频率差值与被测光纤跳线返回的光信号相位相同时相邻频率差值的比值，将得到的比值与标准光纤跳线的长度相乘，得到被测光纤跳线的长度。

进一步的，所述识别被测光纤跳线通断情况的步骤包括：

比较被测光纤跳线长度的初始值与得到的被测光纤跳线长度的测量值的大小；

若被测光纤跳线长度的初始值与得到的被测光纤跳线长度的测量值相等时，则被测光纤跳线是通光的；

若被测光纤跳线长度的初始值与得到的被测光纤跳线长度的测量值不等时，被测光纤跳线是断光的。

通过上述的技术方案，本公开的有益效果是：

(1)本公开采用相位调制方法，可以通过调制精确频率分辨率来提高中短光纤的长度测量精度；

(2)本公开采用双光路结构，标准长度光纤长度可以更换，可以实现中短距离的光纤跳线测量，并提高中短光纤跳线的测量精度；

(3)本公开采用调制解调电路对可见光激光器进行调制，可以有效地避免原来1310nm或1550nm的ingaas光电探头的感应波长，从而可以实现光纤跳线的长度测量；

(4)本发公开采用调制解调电路调制可见光激光器频率，分别测量标准长度光纤跳线和被测光纤跳线返回的光信号，通过双光路两个相同相位时相邻频率差值来计算中短距离光纤跳线长度，调制频率范围小，可以实现中短距离光纤跳线的精确测量。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是中短光纤跳线长度测量装置的结构图；

图2是调制解调电路的结构图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种或多种实施例提供了一种中短光纤跳线长度测量装置，该装置包括可见光产生电路、标准光纤跳线长度测量电路、被测光纤跳线长度测量电路和调制解调电路。

图1是中短光纤跳线长度测量装置的结构示意图。如图1所示，所述可见光产生电路包括可见光激光器1和第一耦合器2，所述可见光激光器1的输出端与第一耦合器2的输入端相连，用于输出可见光信号至第一耦合器2；所述第一耦合器2，用于将接收到的可见光信号分成两路光信号，一路光信号输出至标准光纤跳线长度测量电路，测量标准光纤跳线返回的光信号，另一路光信号输出至被测光纤跳线长度测量电路，测量被测光纤跳线返回的光信号。

所述标准光纤跳线长度测量电路包括第二耦合器3和第一光电探测器7，所述第二耦合器3的输入端与第一耦合器2的一光路输出端连接，所述第二耦合器3的一光路输出端与标准长度光纤跳线5连接，另一路光路输出端与第一光电探测器7连接，通过第二耦合器3将第一耦合器输出的一路光输出到标准长度光纤跳线，该路光经标准长度光纤跳线的端面菲涅尔反射到第二耦合器3中，第二耦合器3将标准长度光纤跳线反射回的光信号传输到第一光电探测器7，第一光电探测器7将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号输出至调制解调电路。

所述被测光纤跳线长度测量电路包括第三耦合器4和第二光电探测器8，所述第三耦合器4的输入端与第一耦合器2的另一光路输出端连接，所述第三耦合器4的一光路输出端与被测光纤跳线6连接，另一路光路输出端与第二光电探测器8连接，通过第三耦合器4将第一耦合器输出的另一路光输出到被测光纤跳线，该路光经被测光纤跳线的端面菲涅尔反射到第三耦合器4中，第三耦合器4将被测光纤跳线反射回的光信号传输到第二光电探测器8，第二光电探测器8将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号输出至调制解调电路。

所述调制解调电路分别与第一光电探测器7和第二光电探测器8的输出端连接，接收第一光电探测器7和第二光电探测器8输出的电信号，分别进行解调，得到标准长度光纤跳线返回的光信号功率及被测光纤跳线返回的光信号功率，所述调制解调电路还与可见光激光器1连接，调制可见光信号的频率，计算标准长度光纤跳线返回的光信号功率相位相同时的相邻频率差值和被测光纤跳线跳线返回的光信号功率相位相同时的相邻频率差值，根据标准光纤跳线的长度，计算出被测光纤跳线的长度。

在调制电路中，频率由低频到高频过程中，会产生多个功率相位相同的光信号。调制解调电路通过光信号功率相位相同值的不同频率值来计算相邻频率差，再通过标准光纤跳线长度最终计算出被测光纤跳线长度。

如图2所示，所述调制解调电路包括调制电路和光信号解调电路，其中：

所述调制电路包括中央处理器10、信号发生器11和激光器驱动器12，所述中央处理器10依次连接信号发生器11和激光器驱动器12，所述激光器驱动器12的输出端与可见光激光器1连接。

中央处理器10按时钟步进输出频率增加信号到信号发生器12中，将信号发生器2发出的正弦信号频率发生改变，改变后的正弦信号输出至激光器驱动器12，改变激光器驱动器12的电流信号，改变后的电流信号输出至可见光激光器1，最终改变可见光激光器1的光强变化，使可见光激光器1的光功率信号按正弦波信号输出。

所述光信号解调电路包括第一光电二极管13、第二光电二极管14、第一信号放大器15、第二信号放大器16、第一相位比较器17、第二相位比较器18、中央处理器10和信号发生器11；所述第一光电二极管13的输入端与第一光电探测器7连接，所述第一光电二极管13的输出端与第一信号放大器15连接，所述第一信号放大器15的输出端与第一相位比较器17连接，所述第一相位比较器17还与信号发生器11连接，所述第一相位比较器17的输出端与中央处理器10连接；所述第二光电二极管14的输出端与第二光电探测器8连接，所述第二光电二极管14的输出端与第二信号放大器16连接，所述第二信号放大器16的输出端与第二相位比较器18连接，所述第二相位比较器18还与信号发生器11连接，所述第二相位比较器18的输出端与中央处理器10连接。

第一光电二极管13接收第一光电探测器7测量的标准长度光纤跳线返回的光信号，经过第一信号放大器15进行比例放大，经放大后的信号与信号发生器11的原始正弦波信号通过第一相位比较器17进行比较，第一相位比较器17将相位比较的结果输入到中央处理器10中；第二光电二极管14接收第二光电探测器8测量的待测光纤跳线返回的光信号，经过第二信号放大器16进行比例放大，经放大后的信号与信号发生器11的原始正弦波信号通过第二相位比较器18进行比较，第二相位比较器18将相位比较的结果输入到中央处理器10中；当相邻两次第一相位比较器中的相位相同时，分别记录下两次频率值，同时当相邻两次第二相位比较器中的相位相同时，也分别记录下两次频率值，根据两次的频率差比值和标准光纤跳线的长度，计算被测光纤长度。

在本实施例中，所述中央处理器可采用dsp处理模块或fpga处理模块。

本实施例提出的中短光纤跳线长度测量装置的工作原理为：

可见光激光器1输出相位可调的可见光信号，经过第一耦合器2后，分出两路光信号，一路光信号输出到第二耦合器3，通过第二耦合器3输出到标准长度光纤跳线5，光信号从标准长度光纤跳线的端面菲涅尔反射到第二耦合器3后，再通过第二耦合器3传输到第一光电探测器7，第一光电探测器7输出电信号到调制解调电路后进行解调；另一路光信号输出到第三耦合器4，通过第三耦合器4输出到被测光纤跳线6，光信号从被测光纤跳线6的端面菲涅尔反射到第三耦合器4后，再通过第三耦合器4传输到第二光电探测器8，第二光电探测器8输出电信号到调制解调电路后进行解调，通过调制解调电路得到被测光纤跳线长度。

本实施例采用标准光纤跳线长度测量电路和被测光纤跳线长度测量电路，当被测光纤跳线接入时，通过调制可见光激光器输出的可见光信号频率来测量标准长度光纤跳线和被测光纤跳线长度，当标准长度光纤跳线反射的光信号功率相位或被测光纤跳线反射的光信号功率相位相同时，通过调制解调电路记录光信号不同频率值；通过光信号功率相位相同值的不同频率值来计算相邻频率差，再通过标准光纤跳线长度最终计算出被测光纤跳线长度。

本实施例采用可见光信号对光纤跳线长度进行测量，有效地避免了可见光对1310或1550波段的光电探测器的影响，可以不在光纤跳线另一端加滤波器；另外通过参考标准长度的光纤跳线可以使调制可见光信号频率的频率范围减小很多，简化调制解调电路，实现了中短光纤跳线长度测量。

一种或多种实施例还提供一种中短光纤跳线长度测量方法，该方法基于如上所述的中短光纤跳线长度测量装置实现，该方法包括以下步骤：

s101，分别计算经标准长度光纤跳线反射的光信号功率以及经被测光纤跳线反射的光信号功率。

所述步骤101的具体实现方式如下:

s101-1，获取可见光激光器输出的可见光信号的起始频率f0、调制速度与工作时间，计算可见光信号的调制频率。

在本实施例中，可见光激光器输出的可见光信号的相位调制频率是线性变化的，起始频率为f0；频率调制速度为k1hz/s，则可见光激光器输出的可见光信号在t时间的调制频率f(t)为：

f(t)＝f0+k1*t(1)。

s101-2，计算第一耦合器2输出的一路光信号经过标准长度光纤跳线反射回的光信号功率i1。

用于测量标准长度光纤跳线反射回的光信号频率的第一光电探测器输出的光信号功率i1为：

i1＝i0*cos[2*π*f(t)*l1/(n*c)](2)

其中，i0为常量，f(t)为可见光激光器输出的可见光信号在t时间的调制频率，l1为标准长度光纤跳线的长度，n为折射率，c为光速。

s101-3，计算第一耦合器2输出的另一路光信号经过被测光纤跳线反射回的光信号功率i2。

用于测量被测光纤跳线反射回的光信号频率的第二光电探测器输出的光信号功率i2为：

i2＝i0*cos[2*π*f(t)*l2/(n*c)](3)

其中，i0为常量，f(t)为可见光激光器输出的可见光信号在t时间的调制频率，l2为被测光纤跳线的长度，n为折射率，c为光速。

s102，计算标准长度光纤跳线反射回的光信号相同相位时相邻的频率差值以及被测光纤跳线反射回的光信号相同相位时相邻的频率差值。

s102-1，计算标准长度光纤跳线反射回的光信号功率相同相位时相邻频率差值。

初始化系统，标准长度光纤跳线的长度是固定及已知的，假定t＝t1和t＝t2时刻，标准长度光纤跳线反射回的光信号功率的相位值相同，记录t＝t1和t＝t2时刻可见光信号的调制频率值f(t1)和f(t2)，可以得到如下公式：

2*π*f(t1)*l1/(n*c)+2*π＝2*πf(t2)*l1/(n*c)(4)，

则相邻的频率差值δf1为

δf1＝f(t2)-f(t1)＝(n*c)/l1(5)

式中，f(t1)为可见光激光器输出的可见光信号在t1时刻的调制频率，f(t2)为可见光激光器输出的可见光信号在t2时刻的调制频率，l1为标准长度光纤跳线的长度，n为折射率，c为光速。

s102-2，计算被测光纤跳线反射回的光信号相同相位时相邻的频率差值。

当t＝t3和t＝t4时刻时，被测光纤跳线反射回的光信号的相位值相等，并且t3，t4时刻之间，被测光纤跳线反射回的光信号的相位值都不相等，记录t＝t3和t＝t4时刻可见光信号的调制频率值f(t3)和f(t4)，可以得到如下公式：

2*π*f(t3)*l2/(n*c)+2*π＝2*π*f(t4)*l2/(n*c)(6)

相同相位时，相邻的频率差值为δf2，即

δf2＝f(t4)-f(t3)＝(n*c)/l2(7)

式中，f(t3)为可见光激光器输出的可见光信号在t3时刻的调制频率，f(t4)为可见光激光器输出的可见光信号在t4时刻的调制频率，l2为被测光纤跳线的长度，n为折射率，c为光速。

s103，计算被测光纤跳线的长度。

根据步骤s102得到的标准长度光纤跳线反射回的光信号功率相位相同时相邻频率差值、被测光纤跳线反射回的光信号功率相位相同时相邻频率差值以及标准光纤跳线的长度，可以计算出被测光纤跳线的长度。

将标准长度光纤跳线反射回的光信号功率相位相同时相邻的频率差值与被测光纤跳线反射回的光信号功率相位相同时相邻的频率差值相比，将得到的比值与标准光纤跳线的长度相乘，得到被测光纤跳线的长度。

即标准长度光纤跳线反射回的光信号功率相位相同时相邻的频率差值与被测光纤跳线反射回的光信号功率相位相同时相邻的频率差值的比值为：

δf1/δf2＝l2/l1(8)

则被测光纤跳线的长度为：

l2＝l1*(δf1/δf2)(9)。

式中，δf1为标准长度光纤跳线反射回的光信号相同相位时相邻的频率差值；δf2为被测光纤跳线反射回的光信号相同相位时相邻的频率差值；l1为标准光纤跳线的长度。

s104，比较被测光纤跳线长度的初始值与被测光纤跳线长度的测量值的大小，识别该被测光纤跳线通断情况。

比较被测光纤跳线长度的初始值与被测光纤跳线长度的测量值的大小，若二者相等时，则被测光纤跳线是通光的，若二者不等时，被测光纤跳线是断光的。

从以上的描述中，可以看出，上述的一种或多种实施例实现了如下技术效果：

(2)本公开采用相位调制方法，可以通过调制精确频率分辨率来提高中短光纤的长度测量精度；

(2)本公开采用双光路结构，标准长度光纤长度可以更换，可以实现中短距离的光纤跳线测量，并提高中短光纤跳线的测量精度；

(3)本公开采用调制解调电路对可见光激光器进行调制，可以有效地避免原来1310nm或1550nm的ingaas光电探头的感应波长，从而可以实现光纤跳线的长度测量；

(4)本发公开采用调制解调电路调制可见光激光器频率，分别测量标准长度光纤跳线和被测光纤跳线返回的光信号，通过双光路两个相同相位时相邻频率差值来计算中短距离光纤跳线长度，调制频率范围小，可以实现中短距离光纤跳线的精确测量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。