基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統及檢測方法與流程

本發明涉及通信技術領域，更為具體地，涉及一種基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統及檢測方法。

背景技術：

光纖通信光纜是通訊領域非常重要的器件，尤其是在鐵路通信網領域，其承載著各種語音、數據和圖像等信息的傳輸。由于我國目前的光纜線路資源量較為龐大，因而使得對光纜的維護和管理成為一件復雜而艱巨的工作。

現有的用于鐵路通信的光纜大多采用直埋方式進行敷設，但由于其使用時間長、竣工資料不全等原因，因此存在部分光纜區段徑路信息不全或不準的問題，由此導致施工中挖斷光纜，此起通信中斷的現象時有發生。因此，在施工前檢測光纜擾動尤為重要。

當前，光纜擾動檢測主要依靠光纜中加強芯線的電學特性實現，其基本原理是將信號發生器發出的信號加載在光纜的加強芯線上，然后在地面上探測芯線所發出的電磁波。然而，這種光纜擾動檢測方式往往存在響應速度慢、定位精度低、易受電磁干擾、儀器笨重、操作復雜等諸多問題。

技術實現要素：

鑒于上述問題，本發明的目的是提供一種基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統及檢測方法，以解決現有的光纜擾動檢測方式存在響應速度慢、定位精度低、易受電磁干擾和操作復雜的問題。

本發明提供一種基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統，包括激光器、隔離器、2×2星形耦合器、光纖回路、光電轉換模塊、數字信號轉換模塊和信號解調模塊；其中，激光器與隔離器相連，用于穩定激光器發出的光信號；隔離器與2×2星形耦合器相連，用于對經隔離器穩定后的光信號分為光功率相同的兩束相干光；2×2星形耦合器分別與光纖回路和光電轉換模塊相連；其中，2×2星形耦合器分出的兩束相干光所述光纖回路，并在光纖回路中分別各自沿相反的方向傳輸，并通過光電轉換模塊接收2×2星形耦合器傳回的光信號；其中，在光纖回路受到外部信號干擾時，光電轉換模塊接收包含外部干擾信號的光信號，并將光信號轉換為模擬電信號；數字信號轉換模塊與光電轉換模塊相連，用于將模擬電信號轉換為數字信號；信號解調模塊用于將數字信號進行解調，獲取外部干擾信號的位置，根據獲取的外部干擾信號的位置探明光纜徑路。

此外，優選的結構為：數字信號轉換模塊包括依次相連的前置放大器、放大器、模/數轉換器；其中，前置放大器與光電轉換模塊相連，用于對光電轉換模塊所輸出的模擬電信號進行預放大，經預放大的模擬電信號再經放大器進行放大；模/數轉換器用于將放大后的模擬電信號轉換為數字信號。

另一方面，本發明提供一種基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測方法，利用上述的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統進行光纜擾動檢測，該方法包括：將激光器、隔離器、2×2星形耦合器、光纖回路、光電轉換模塊、數字信號轉換模塊和信號解調模塊分別進行連接；2×2星形耦合器將激光器發出的經隔離器穩定后的一束光路分為光功率相同的兩束相干光；兩束相干光進入光纖回路，并在光纖回路中分別各自沿相反的方向傳輸，當光纖回路受到外部信號干擾時，光電轉換模塊接收到2×2星形耦合器傳回的光信號中包含外部干擾信號，并將包含外部干擾信號的光信號轉換為模擬電信號；光電轉換模塊將所轉換的模擬電信號傳送給數字信號轉換模塊，數字信號轉換模塊將模擬電信號轉換為數字信號；數字信號轉換模塊將所轉換的數字信號傳送給信號解調模塊，信號解調模塊對數字信號進行解調，獲取外部干擾信號的位置，根據獲取的外部干擾信號的位置探明光纜徑路。

通過上述可知，本發明提供的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統及檢測方法利用光信號的光學特性，能夠從根本上杜絕外部電磁干擾的影響，并且響應速度快、定位準確、操作簡單，在進行光纜擾動檢測時，施工人員只需通過敲擊地面即可找到地下光纜的位置，從而探明光纜的路徑。

附圖說明

通過參考以下結合附圖的說明的內容，并且隨著對本發明的更全面理解，本發明的其它目的及結果將更加明白及易于理解。在附圖中：

圖1為根據本發明實施例的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統的結構示意圖；

圖2為根據本發明實施例的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統的被測光纜接入光纖環路的結構示意圖；

圖3為根據本發明實施例的3×3星形耦合器的解調流程；

圖4為根據本發明實施例一的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統的結構示意圖；

圖5為根據本發明實施例的外部干擾點的矩陣圖；

圖6為根據本發明實施例的外部干擾點作用下的LED強度顯示數據圖；

圖7為根據本發明實施例的外部干擾點的作用位置與LED輸出強度的曲線圖；

圖8為根據本發明實施例的光纜埋設深度與LED輸出強度的對應圖。

具體實施方式

以下將結合附圖對本發明的具體實施例進行詳細描述。

針對前述現有的光纜擾動檢測方式存在響應速度慢、定位精度低、易受電磁干擾和操作復雜的問題，本發明基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統及檢測方法通過激光器、隔離器、星形耦合器、光纖回路、光電轉換模塊、數字信號轉換模塊和信號解調模塊組成一個集傳輸和信號解調于一體的檢測系統，從而可對光纜擾動進行檢測，且響應速度快、定位準備、操作簡單，在進行光纜擾動檢測時，使用人員只需通過敲擊地面即可找到地下光纜的位置，從而探明光纜的路徑。

為了說明本發明提供的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統，圖1示出了根據本發明實施例的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統的結構。

如圖1所示，本發明提供的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統包括激光器1、隔離器2、2×2星形耦合器3、光纖回路4、光電轉換模塊5、數字信號轉換模塊6和信號解調模塊7。其中，激光器1與隔離器2相連，用于穩定激光器1發出的光信號；隔離器2與2×2星形耦合器3相連，用于對經隔離器2穩定后的光信號分為光功率相同的兩束相干光。需要說明的是，將隔離器2設置在激光器1與2×2星形耦合器3之間，其目的是為了防止從2×2星形耦合器反射的光對激光器1產生影響，以保證激光器1的穩定。

2×2星形耦合器3分別與光纖回路4和光電轉換模塊5相連；其中，2×2星形耦合器3分出的兩束相干光進入光纖回路4，并在光纖回路4中分別各自沿相反的方向傳輸，并通過光電轉換模塊5接收2×2星形耦合器3傳回的光信號；其中，在光纖回路4受到外部信號干擾時，光電轉換模塊5接收包含外部干擾信號的光信號，并將光信號轉換為模擬電信號；數字信號轉換模塊6與光電轉換模塊5相連，用于將模擬電信號轉換為數字信號；信號解調模塊7用于將數字信號進行解調，獲取外部干擾信號的位置，根據獲取的外部干擾信號的位置探明光纜徑路。

具體地，數字信號轉換模塊包括依次相連的前置放大器、放大器、模/數轉換器(圖中均未示出)；其中，前置放大器與光電轉換模塊相連，用于對光電轉換模塊所輸出的模擬電信號進行預放大，經預放大的模擬電信號再經放大器進行放大；模/數轉換器用于將放大后的模擬電信號轉換為數字信號。

結合圖1，在本發明的一個示例中，激光器發出一束光路，經過2×2星形耦合器被分為光功率相同的兩束相干光。如圖1中兩個相向的箭頭所示，這兩束相干光進入光纖回路后，分別沿著相反的方向傳輸，依據光的干涉理論，這兩束光符合頻率相同、振動方向相同、相位差不變的干涉條件，因此，在光纖回路內部產生干涉，形成干涉條紋，當外界沒有干擾信號時，干涉現象穩定，當光纖回路受到外部信號干擾(圖1中垂直于光纖回路4的箭頭即為干擾信號)時，干涉條紋則會發變化(即這兩束相干光會產生相位差)。通過光電轉換模塊5接收包含外部干擾信號的光信號，并將該光信號轉換為模擬電信號，然后再通過數字信號轉換模塊將該模擬電信號轉換為數字信號，最后通過信號解調模塊上述相位差從數字信號中解調出來，從而獲取外部干擾信號的位置，通過對所獲取的外部干擾信號的位置進行分析，便可以探明光纜徑路。

為構成如圖1所示的光纖回路，可在待測光纜所在機房按照纖芯標識找出對應的光纜備纖，使用法蘭盤進行環回，從而形成測試所需的光纖回路。而為了實現對被測光纜的光纜擾動檢測，圖2示出了根據本發明實施例的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統的被測光纜接入光纖環路的結構。

如圖2所示，以粗實線表示AB兩地之間某根待測光纜，在A地機房選擇該光纜中的兩根備纖a和b，將這兩根光纖通過法蘭盤和跳線接入2×2星形耦合器的兩個輸出端口，在B地機房按照纖芯標識找出對應的兩根備纖，通過法蘭盤直接進行環回。如此，利用待測光纜中的兩根備纖即形成了圖1中所需的光纖回路。

另一方面，本發明還提供一種基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測方法，其利用上述基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統進行光纜擾動檢測，該方法具體包括如下步驟：

1、將激光器、隔離器、2×2星形耦合器、光纖回路、光電轉換模塊、數字信號轉換模塊和信號解調模塊分別進行連接；

2、2×2星形耦合器將激光器發出的經隔離器穩定后的一束光路分為光功率相同的兩束相干光；

3、兩束相干光進入光纖回路，并在光纖回路中分別各自沿相反的方向傳輸，當光纖回路受到外部信號干擾時，光電轉換模塊接收到2×2星形耦合器傳回的光信號中包含外部干擾信號，并將包含外部干擾信號的光信號轉換為模擬電信號；

4、光電轉換模塊將所轉換的模擬電信號傳送給數字信號轉換模塊，數字信號轉換模塊將模擬電信號轉換為數字信號；

5、數字信號轉換模塊將所轉換的數字信號傳送給信號解調模塊，信號解調模塊對數字信號進行解調，獲取外部干擾信號的位置，根據獲取的外部干擾信號的位置探明光纜徑路。

其中，在光纖回路受到外部信號干擾時，兩束相干光在光纖回路中產生相位差，通過建立外部干擾信號與相位差之間的對應關系，并通過信號解調模塊解調出相位差；根據所解調出的相位差，通過計算或查表方式獲取外部干擾信號的位置。其中，外部干擾信號在光纖回路中的傳輸損耗與傳輸路徑成正比，在外部干擾信號強度恒定時，相位差值越大，外部干擾信號的強度越強。

具體地，光波在長度為l的光纖中傳輸會產生相位延遲。因此，相位的變化量可用下述公式進行表示：

Φ＝β×l(2)

其中，β為光波在光纖中的傳播常數，l為光纖長度，Δl為光纖長度l的變化量；n為纖芯折射率，Δn為纖芯折射率n的變化量；Δα為纖芯半徑α的變化量。在上式中，表示傳感光纖纖長l微變引起的相位差，稱之為應變效應；為傳感光纖纖芯折射率微變引起的相位差，稱之為彈光效應；為傳感光纖纖芯直徑微變引起的相位差，稱之為泊松效應，泊松效應對ΔΦ的影響極小，一般忽略不計。

假設傳感光纖均勻受力，根據應變理論得到在應變效應和彈光效應作用下，光纖相位的變化量為：

式中：P為外界作用力；μ為光纖的泊松常數；p₁₁、p₁₂為彈光張量分量；E為光纖的彈性模量。式(3)證明，在傳感光纖均勻受力的情況下，相位變化量正比于外界信號，振動信號P可以直接且動態的對傳感光纖中的光相位ΔΦ進行調制。

然而，在實際應用中，光纖不可能均勻受力，假設外部干擾信號作用到的光纖長度為LS，傳感光纖總長度為L，Δl表示外部干擾信號作用引起光纖的微小形變。

以正弦信號表征被傳感光纖感知到的外部信號P。設其中P₀為信號振幅；ω_a為信號角頻率。任意時刻順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)的光波相位公式可以表示為：

其中，β為光波在光纖中的傳播常數，Ls為外部干擾信號作用到的光纖長度，ε為正應變矢量，P₀為信號振幅，n為光纖折射率，

其中，μ為光纖的泊松常數，E為光纖的彈性模量，k為光在真空中的波數，p₁₁和p₁₂為應變光學常數。。

由式(4)、式(5)得到兩束相干光在光纖回路中產生的相位差(下述稱雙光速相位差變化)為：

其中，兩束相干光在所述光纖回路中產生的相位差，為順時針方向的光波相位，為逆時針方向的光波相位，為兩束相干光在光纖回路中產生的相位差幅值，ω_a為信號角頻率，L為光纖總長度，t為時間變量，c為光波波速。

δβ和分別可展開為

式中：β表示真空中光波導常數；k₀為光在真空中的波數；c為光波波速。由式(6)-式(8)，建立起外部干擾信號P與雙光速相位差變化之間的對應關系。在光檢測與信號處理模塊，只需解調出相位差即可通過計算與查表等方式還原外部信號P。在敲擊信號P強度一定的情況下，值越大，說明傳感光纖感知到的外部信號P越強，敲擊信號P在光纜周圍環境中傳輸時的損耗越小。在有限的區域內，認為敲擊信號P在環境中的傳輸損耗值L_oss與傳輸路徑M成正比。

P＝P-L_oss (9)

L_oss∝M (10)

通過上述可知，當敲擊點位于光纜埋設點正上方時，P值最大。

在實際應用中，有可能還需要連多根備纖來對光纖擾動進行檢測。本領技術人員都應當明白，需要連多少根備纖就需要配多少端口的耦合器，因此，在本發明的另一個示例中，可以將上述2×2星形耦合器經過光纖回路的輸出端與一個3×3星形耦合器相連，2×2星形耦合器輸出的帶有外部干擾信號的光信號經過3×3星形耦合器被一分為三(即分為光功率相同的三束相干光)，3×3星形耦合器的3個輸出端互成120度，輸出的3路光信號經過光電轉換、電路放大、AD采樣，轉換為數字信號送入信號解調模塊進行解調，即可解調出相位差。

其中，圖3示出了根據本發明實施例的3×3星形耦合器的解調流程。如圖3所示，將3路光信號經過光電轉換、電路放大和AD采樣轉換為3路數字信號，將3路數字信號進行差分、減法、乘法、加法、積分和除法等運算，即可解調出相位差。

具體地，設外部信號P引起的傳感光纖中雙光束相位差變化為則3路數字信號Si可以表示為：

其中，di為直流部分的值，ai為交流部分的振幅。式中：θi為3×3耦合器引入的固定相位變化，且滿足式(12)。

Si經過隔直和歸一化過程，得到si：

按照圖3所示的流程，依次對3路數字信號(即經過隔直和歸一化后的si)進行差分、減法、乘法、加法、積分、除法等運算，即可得到將S_out通過一個高通濾波器濾除直流成分，最終得到解調結果

從理論上來說，當外界作用力過大時，可能超過2π，此時會造成對傳感信號的誤判。但在光纜擾動檢測的實際應用中，由于外界作用力經過環境衰耗和光纜保護層阻隔，直接作用在光纖上的震動極微弱，一般排除大于2π的可能性。經過多次實驗，這一推斷得到了驗證。

為了驗證本發明提供的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測方法的可行性，圖4示出了根據本發明實施例一的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統的結構，利用如圖4所示的結構對光纜擾動進行檢測。

如圖4所示，光纜放置于一塊寬闊的平地之上，兩盤20km裸光纖通過10m跳纖分別與被測光纜兩頭相連，并通過橡膠墊與地面進行隔離。沿著被測光纜徑路，每隔1m在被測光纜上確定一點，共10個點；通過這10個點，沿著垂直于被測光纜徑路的方向，分別向兩側每隔2m確定一個作用點，一共確定110個作用點，按照從上到下，從左到右的順序，寫成敲擊矩陣如圖5所示。通過嵌入式處理平臺，將外部干擾信號轉化為LED強度顯示，LED點亮的最多格數為40格，40格代表已大于1.6π。為保持外部干擾信號的恒定性，以質量M＝2kg的鉛塊從L＝1m的高度自由落體產生的沖擊力作為表征，力的大小P＝8.85/tN(t為鉛塊從接觸地面到停止的時間)。實驗中，記錄下以上110個作用點在該外界作用力作用下的LED強度顯示數據如圖6所示。

通過圖6所示的矩陣的第7行數據為例，得到作用位置與輸出強度的曲線關系如圖7所示。從圖7(縱向坐標代表LED輸出強度，橫向坐標代表外部干擾點的作用位置)可以看出，在距離被測光纜最近的f6點敲擊時，LED輸出強度最大，據此可準確判斷被測光纜所在位置。觀察LED強度顯示數據矩陣，可以看出，其他9行數據也基本符合圖7所示的基本趨勢。確定了LED輸出強度最大的各點，就能探測出這一段10m光纜的徑路信息。

需要說明的是，在本發明中，光電轉換模塊的探測靈敏度為-70dBm，當光電轉換模塊接收光功率大于-70dBm時，顯示系統均能進行相應的響應輸出。在實際環境中，由于各處光纜埋設深度可能不同，在同樣作用力作用下，LED輸出最大值會存在差異，圖8展示了在不同埋設深度下，作用點位于光纜徑路正上方時，實驗測出的LED輸出響應的最大值。其中，橫坐標代表光纜埋設深度，縱坐標代表LED輸出強度，由于本方法測量的是相對最大值，光纜埋設深度的不同并不影響對其徑路的判斷。

通過上述可知，利用本發明提供的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統及檢測方法，通過利用光信號的光學特性，能夠從根本上杜絕外部電磁干擾的影響，并且響應速度快、定位準確、操作簡單，在進行光纜擾動檢測時，施工人員只需通過敲擊地面即可找到地下光纜的位置，從而探明光纜的路徑。

如上參照附圖以示例的方式描述了根據本發明的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統及檢測方法。但是，本領域技術人員應當理解，對于上述本發明所提出的基于光纖干涉原理的光纜擾動檢測系統及檢測方法，還可以在不脫離本發明內容的基礎上做出各種改進。因此，本發明的保護范圍應當由所附的權利要求書的內容確定。