一种测量光纤长度的装置和方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，特别是一种测量光纤长度的装置和方法。

背景技术

高精度光纤长度测量系统在光纤通信系统等领域具有重要的应用价值。传统的光纤测量方法主要包括光时域反射仪(OTDR)，光频域反射仪(OFDR)等。OTDR基于后向瑞利散射和菲涅尔反射原理，测量长度可达上百公里，但只能测长光纤且精度只能达到厘米量级，OFDR对光源进行频率调制，当频率调制光遇到散射点返回时，信号拍频会随散射点距离的增加而增加，且信号能量正比于该散射点大小，测量精度可达毫米量级；测量范围可达几千米，但光源需要有良好的相干性和稳定性，因而系统造价较高，并且由于温度原因，会导致光源扫频非线性问题，影响测量结果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种测量光纤长度的装置和方法，本发明的装置结构简单，不需要高相干高稳定性光源；且本发明方法可消除环境干扰，实现大动态范围高精度长程光纤长度测量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种测量光纤长度的装置，包括光源、偏振控制器、第一电光调制器、第二电光调制器、光环形器、待测光纤、法拉第旋转反射镜、检偏器、光电探测器、信号源、混频器、第一自动增益放大器、第二自动增益放大器、低通滤波器和测量控制单元；其中，

光源，用于输出直流线偏振光至偏振控制器；

偏振控制器，用于控制直流线偏振光的偏振态，输出偏振光至第一电光调制器；

第一电光调制器，用于根据放大后的第一路频率调制信号对偏振光进行调制，输出调制光至光环形器；

光环形器，用于将调制光由其第一端口输入，并由其第二端口注入至待测光纤；

待测光纤，用于将调制光在其传播后到达法拉第旋转反射镜；

法拉第旋转反射镜，用于对调制光进行反射，反射后的光经待测光纤、光环形器输出至第二电光调制器；

第二电光调制器，用于根据放大后的第二路频率调制信号对反射光进行解调，输出解调的偏振变化光信号至检偏器；

检偏器，用于将解调的偏振变化光信号转化为强度变化的光信号；

光电探测器，用于将经检偏器后的光信号转换为电信号，该电信号输出至混频器；

信号源，用于输出中心频率线性变化的频率调制信号，该信号分成三路，第一路频率调制信号经第一自动增益放大器放大后驱动第一电光调制器，第二路频率调制信号经第二自动增益放大器放大后驱动第二电光调制器，第三路输出至混频器；

混频器，用于将光电探测器输出的电信号和信号源输出的第三路频率调制信号进行混频，混频后的信号输出至低通滤波器；

低通滤波器，用于将混频器输出的信号进行低通滤波，输出滤波后的电信号至测量控制单元；

测量控制单元，用于控制信号源输出中心频率线性变化的频率调制信号，并采集和处理滤波后的电信号，进行光纤的长度解算。

作为本发明所述的一种测量光纤长度的装置进一步优化方案，所述光源为超辐射发光二极管光源，或ASE光源。

作为本发明所述的一种测量光纤长度的装置进一步优化方案，所述第一电光调制器的输入端口至输出端口的传输特性和第二电光调制器的输入端口至输出端口的传输特性相同。

作为本发明所述的一种测量光纤长度的装置进一步优化方案，第一自动增益放大器和第二自动增益放大器相同。

作为本发明所述的一种测量光纤长度的装置进一步优化方案，所述信号源至第一电光调制器的电缆长度和信号源至第二电光调制器的电缆长度相同。

作为本发明所述的一种测量光纤长度的装置进一步优化方案，所述第一电光调制器和所述第二电光调制器加载的信号幅值、信号频率和相位相同。

作为本发明所述的一种测量光纤长度的装置进一步优化方案，调制光首先通过光环形器的第一端口传输至光环形器的第二端口，进入待测光纤，然后从光环形器的第二端口传输至光环形器的第三端口。

基于上述的一种测量光纤长度的装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、打开光源，启动测量控制单元和信号源，设定信号源输出中心频率线性变化的频率调制信号，设定其中心频率、调制频率、调制幅度、中心频率变化范围；

步骤二、调节偏振控制器使光电探测器的输出达最大对比度；

步骤三、将信号源输出的第三路频率调制信号和光电探测器的输出信号经过混频器混频后，再经低通滤波器滤波；

步骤四、通过测量控制单元连续采集低通滤波器的输出信号U

步骤五、根据采集的f

步骤六、求出光纤长度为

作为本发明所述的一种测量光纤长度的装置的测量方法进一步优化方案，U

其中，M是第一电光调制器和第二电光调制器的调制深度，L为待测光纤长度，c是真空中光速，J

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明方法采用超辐射发光二极管作为光源进行非相干测量，既可以避免光纤背向散射和背向反射对测量精度的影响，又可以提高测量量程；采用电光调制和光学混频技术，可消除光纤中的共模干扰误差，提高系统环境适应性；

(2)本发明采用两个电学特性一致的电光调制器分别对测量光进行调制和解调，避免了单调制器的非互易性问题；采用自动增益放大器可有效抑制调制器非平坦的电学特性引起的测量误差。

(3)本发明通过混频器和低通滤波器实现了对探测信号的窄带滤波，能大幅消除探测信号中的背景噪声，亦可将光强极小值探测转化为光强函数过零点探测，极大提高探测灵敏度。

附图说明

图1是光纤长度测量装置示意图。

图中的附图标记解释为：

1-光源、2-偏振控制器、3-第一电光调制器、4-第二电光调制器、5-光环形器、6-待测光纤、7-法拉第旋转反射镜、8-检偏器、9-光电探测器、10-信号源、11-混频器、12-第一自动增益放大器、13-第二自动增益放大器、14-低通滤波器、15-测量控制单元，A-第一电光调制器的输入端口，B-第一电光调制器的输出端口，C-光环形器的第一端口，D-光环形器的第二端口，E-光环形器的第三端口，F-第二电光调制器的输入端口，G-第二电光调制器的输出端口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明涉及一种光纤长度测量装置，如图1所示。包括光源1、偏振控制器2、第一电光调制器3、第二电光调制器4、光环形器5、待测光纤6、法拉第旋转反射镜7、检偏器8、光电探测器9、信号源10、混频器11、第一自动增益放大器12、第二自动增益放大器13、低通滤波器14、测量控制单元15；所述光源1发出的直流线偏振光依次经过偏振控制器2、第一电光调制器3、光环形器5后进入待测光纤6，到达所述法拉第旋转反射镜7，并被所述法拉第旋转反射镜7反射，随后依次经过待测光纤6、光环行器5、第二电光调制器4、检偏器8到达光电探测器9，被光电探测器9转化为电信号输入混频器11。所述信号源10，用于输出中心频率连续变化的频率调制信号，该信号分为三路，第一路经过第一自动增益放大器12放大后，驱动第一电光调制器，第二路经过第二自动增益放大器12放大后，驱动第二电光调制器，第三路直接输入混频器11。混频器11将光电探测器9和信号源10输出的电信号混频，输出被混频的信号，并被低通滤波器14滤波，然后被测量控制单元15接收。测量控制单元15负责采集和处理低通滤波器11输出的电信号，进行光纤的长度解算，同时还控制信号源10对频率调制信号的输出。

测试时，测量控制单元15控制信号源输出中心频率线性变化的频率调制信号，该信号的表达式可表示为：

其中，f为频率调制信号的中心频率，δf为频率调制产生的频率偏移，Ω为频率调制且有

光源1发出的p型偏振光经偏振控制器2调节后，进入第一电光调制器3被偏振调制，此后通过光环形器5在待测光纤6中传播，然后被法拉第旋转反射镜5反射，反射后偏振态旋转了90度，并经光环形器5到达第二电光调制器4被再次调制。此时，光电探测器的输出信号可表示为：

其中，M是第一电光调制器和第二电光调制器的调制深度,L为光纤长度，l是光路中的残余长度，n是光纤折射率，c是光速度。该表达式表示了测量光在光纤中两次传播后的混频信号。

将光电探测器输出信号U

其中，表达式

按照以下步骤进行长度测量：

步骤一、打开光源，启动测量控制单元和信号源，设定信号源输出中心频率线性变化的频率调制信号，设定其中心频率、调制频率、调制幅度、中心频率变化范围；

步骤二、调节偏振控制器使光电探测器的输出达最大对比度；

步骤三、将信号源输出的第三路频率调制信号和光电探测器的输出信号经过混频器混频后，再经低通滤波器滤波；

步骤四、通过测量控制单元连续采集低通滤波器的输出信号U

步骤五、根据采集的f

步骤六、求出光纤长度为

本发明方法采用超辐射发光二极管作为光源进行非相干测量，既可以避免光纤背向散射和背向反射对测量精度的影响，又可以提高测量量程；采用电光调制和光学混频技术，可消除光纤中的共模干扰误差，提高系统环境适应性；采用2个电光调制器和自动增益放大器，可消除电光调制器的非互易性和非平坦的频率特性对测量精度的影响；通过混频器和低通滤波器实现对探测信号的窄带滤波，能大幅消除探测信号中的背景噪声，亦可将光强极小值探测转化为光强函数过零点探测，极大提高探测灵敏度。

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内。