基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统及检测方法与流程

本发明涉及通信技术领域，更为具体地，涉及一种基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统及检测方法。

背景技术：

光纤通信光缆是通讯领域非常重要的器件，尤其是在铁路通信网领域，其承载着各种语音、数据和图像等信息的传输。由于我国目前的光缆线路资源量较为庞大，因而使得对光缆的维护和管理成为一件复杂而艰巨的工作。

现有的用于铁路通信的光缆大多采用直埋方式进行敷设，但由于其使用时间长、竣工资料不全等原因，因此存在部分光缆区段径路信息不全或不准的问题，由此导致施工中挖断光缆，此起通信中断的现象时有发生。因此，在施工前检测光缆扰动尤为重要。

当前，光缆扰动检测主要依靠光缆中加强芯线的电学特性实现，其基本原理是将信号发生器发出的信号加载在光缆的加强芯线上，然后在地面上探测芯线所发出的电磁波。然而，这种光缆扰动检测方式往往存在响应速度慢、定位精度低、易受电磁干扰、仪器笨重、操作复杂等诸多问题。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统及检测方法，以解决现有的光缆扰动检测方式存在响应速度慢、定位精度低、易受电磁干扰和操作复杂的问题。

本发明提供一种基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统，包括激光器、隔离器、2×2星形耦合器、光纤回路、光电转换模块、数字信号转换模块和信号解调模块；其中，激光器与隔离器相连，用于稳定激光器发出的光信号；隔离器与2×2星形耦合器相连，用于对经隔离器稳定后的光信号分为光功率相同的两束相干光；2×2星形耦合器分别与光纤回路和光电转换模块相连；其中，2×2星形耦合器分出的两束相干光所述光纤回路，并在光纤回路中分别各自沿相反的方向传输，并通过光电转换模块接收2×2星形耦合器传回的光信号；其中，在光纤回路受到外部信号干扰时，光电转换模块接收包含外部干扰信号的光信号，并将光信号转换为模拟电信号；数字信号转换模块与光电转换模块相连，用于将模拟电信号转换为数字信号；信号解调模块用于将数字信号进行解调，获取外部干扰信号的位置，根据获取的外部干扰信号的位置探明光缆径路。

此外，优选的结构为：数字信号转换模块包括依次相连的前置放大器、放大器、模/数转换器；其中，前置放大器与光电转换模块相连，用于对光电转换模块所输出的模拟电信号进行预放大，经预放大的模拟电信号再经放大器进行放大；模/数转换器用于将放大后的模拟电信号转换为数字信号。

另一方面，本发明提供一种基于光纤干涉原理的光缆扰动检测方法，利用上述的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统进行光缆扰动检测，该方法包括：将激光器、隔离器、2×2星形耦合器、光纤回路、光电转换模块、数字信号转换模块和信号解调模块分别进行连接；2×2星形耦合器将激光器发出的经隔离器稳定后的一束光路分为光功率相同的两束相干光；两束相干光进入光纤回路，并在光纤回路中分别各自沿相反的方向传输，当光纤回路受到外部信号干扰时，光电转换模块接收到2×2星形耦合器传回的光信号中包含外部干扰信号，并将包含外部干扰信号的光信号转换为模拟电信号；光电转换模块将所转换的模拟电信号传送给数字信号转换模块，数字信号转换模块将模拟电信号转换为数字信号；数字信号转换模块将所转换的数字信号传送给信号解调模块，信号解调模块对数字信号进行解调，获取外部干扰信号的位置，根据获取的外部干扰信号的位置探明光缆径路。

通过上述可知，本发明提供的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统及检测方法利用光信号的光学特性，能够从根本上杜绝外部电磁干扰的影响，并且响应速度快、定位准确、操作简单，在进行光缆扰动检测时，施工人员只需通过敲击地面即可找到地下光缆的位置，从而探明光缆的路径。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统的被测光缆接入光纤环路的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的3×3星形耦合器的解调流程；

图4为根据本发明实施例一的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的外部干扰点的矩阵图；

图6为根据本发明实施例的外部干扰点作用下的LED强度显示数据图；

图7为根据本发明实施例的外部干扰点的作用位置与LED输出强度的曲线图；

图8为根据本发明实施例的光缆埋设深度与LED输出强度的对应图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

针对前述现有的光缆扰动检测方式存在响应速度慢、定位精度低、易受电磁干扰和操作复杂的问题，本发明基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统及检测方法通过激光器、隔离器、星形耦合器、光纤回路、光电转换模块、数字信号转换模块和信号解调模块组成一个集传输和信号解调于一体的检测系统，从而可对光缆扰动进行检测，且响应速度快、定位准备、操作简单，在进行光缆扰动检测时，使用人员只需通过敲击地面即可找到地下光缆的位置，从而探明光缆的路径。

为了说明本发明提供的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统，图1示出了根据本发明实施例的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统的结构。

如图1所示，本发明提供的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统包括激光器1、隔离器2、2×2星形耦合器3、光纤回路4、光电转换模块5、数字信号转换模块6和信号解调模块7。其中，激光器1与隔离器2相连，用于稳定激光器1发出的光信号；隔离器2与2×2星形耦合器3相连，用于对经隔离器2稳定后的光信号分为光功率相同的两束相干光。需要说明的是，将隔离器2设置在激光器1与2×2星形耦合器3之间，其目的是为了防止从2×2星形耦合器反射的光对激光器1产生影响，以保证激光器1的稳定。

2×2星形耦合器3分别与光纤回路4和光电转换模块5相连；其中，2×2星形耦合器3分出的两束相干光进入光纤回路4，并在光纤回路4中分别各自沿相反的方向传输，并通过光电转换模块5接收2×2星形耦合器3传回的光信号；其中，在光纤回路4受到外部信号干扰时，光电转换模块5接收包含外部干扰信号的光信号，并将光信号转换为模拟电信号；数字信号转换模块6与光电转换模块5相连，用于将模拟电信号转换为数字信号；信号解调模块7用于将数字信号进行解调，获取外部干扰信号的位置，根据获取的外部干扰信号的位置探明光缆径路。

具体地，数字信号转换模块包括依次相连的前置放大器、放大器、模/数转换器(图中均未示出)；其中，前置放大器与光电转换模块相连，用于对光电转换模块所输出的模拟电信号进行预放大，经预放大的模拟电信号再经放大器进行放大；模/数转换器用于将放大后的模拟电信号转换为数字信号。

结合图1，在本发明的一个示例中，激光器发出一束光路，经过2×2星形耦合器被分为光功率相同的两束相干光。如图1中两个相向的箭头所示，这两束相干光进入光纤回路后，分别沿着相反的方向传输，依据光的干涉理论，这两束光符合频率相同、振动方向相同、相位差不变的干涉条件，因此，在光纤回路内部产生干涉，形成干涉条纹，当外界没有干扰信号时，干涉现象稳定，当光纤回路受到外部信号干扰(图1中垂直于光纤回路4的箭头即为干扰信号)时，干涉条纹则会发变化(即这两束相干光会产生相位差)。通过光电转换模块5接收包含外部干扰信号的光信号，并将该光信号转换为模拟电信号，然后再通过数字信号转换模块将该模拟电信号转换为数字信号，最后通过信号解调模块上述相位差从数字信号中解调出来，从而获取外部干扰信号的位置，通过对所获取的外部干扰信号的位置进行分析，便可以探明光缆径路。

为构成如图1所示的光纤回路，可在待测光缆所在机房按照纤芯标识找出对应的光缆备纤，使用法兰盘进行环回，从而形成测试所需的光纤回路。而为了实现对被测光缆的光缆扰动检测，图2示出了根据本发明实施例的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统的被测光缆接入光纤环路的结构。

如图2所示，以粗实线表示AB两地之间某根待测光缆，在A地机房选择该光缆中的两根备纤a和b，将这两根光纤通过法兰盘和跳线接入2×2星形耦合器的两个输出端口，在B地机房按照纤芯标识找出对应的两根备纤，通过法兰盘直接进行环回。如此，利用待测光缆中的两根备纤即形成了图1中所需的光纤回路。

另一方面，本发明还提供一种基于光纤干涉原理的光缆扰动检测方法，其利用上述基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统进行光缆扰动检测，该方法具体包括如下步骤：

1、将激光器、隔离器、2×2星形耦合器、光纤回路、光电转换模块、数字信号转换模块和信号解调模块分别进行连接；

2、2×2星形耦合器将激光器发出的经隔离器稳定后的一束光路分为光功率相同的两束相干光；

3、两束相干光进入光纤回路，并在光纤回路中分别各自沿相反的方向传输，当光纤回路受到外部信号干扰时，光电转换模块接收到2×2星形耦合器传回的光信号中包含外部干扰信号，并将包含外部干扰信号的光信号转换为模拟电信号；

4、光电转换模块将所转换的模拟电信号传送给数字信号转换模块，数字信号转换模块将模拟电信号转换为数字信号；

5、数字信号转换模块将所转换的数字信号传送给信号解调模块，信号解调模块对数字信号进行解调，获取外部干扰信号的位置，根据获取的外部干扰信号的位置探明光缆径路。

其中，在光纤回路受到外部信号干扰时，两束相干光在光纤回路中产生相位差，通过建立外部干扰信号与相位差之间的对应关系，并通过信号解调模块解调出相位差；根据所解调出的相位差，通过计算或查表方式获取外部干扰信号的位置。其中，外部干扰信号在光纤回路中的传输损耗与传输路径成正比，在外部干扰信号强度恒定时，相位差值越大，外部干扰信号的强度越强。

具体地，光波在长度为l的光纤中传输会产生相位延迟。因此，相位的变化量可用下述公式进行表示：

Φ＝β×l(2)

其中，β为光波在光纤中的传播常数，l为光纤长度，Δl为光纤长度l的变化量；n为纤芯折射率，Δn为纤芯折射率n的变化量；Δα为纤芯半径α的变化量。在上式中，表示传感光纤纤长l微变引起的相位差，称之为应变效应；为传感光纤纤芯折射率微变引起的相位差，称之为弹光效应；为传感光纤纤芯直径微变引起的相位差，称之为泊松效应，泊松效应对ΔΦ的影响极小，一般忽略不计。

假设传感光纤均匀受力，根据应变理论得到在应变效应和弹光效应作用下，光纤相位的变化量为：

式中：P为外界作用力；μ为光纤的泊松常数；p₁₁、p₁₂为弹光张量分量；E为光纤的弹性模量。式(3)证明，在传感光纤均匀受力的情况下，相位变化量正比于外界信号，振动信号P可以直接且动态的对传感光纤中的光相位ΔΦ进行调制。

然而，在实际应用中，光纤不可能均匀受力，假设外部干扰信号作用到的光纤长度为LS，传感光纤总长度为L，Δl表示外部干扰信号作用引起光纤的微小形变。

以正弦信号表征被传感光纤感知到的外部信号P。设其中P₀为信号振幅；ω_a为信号角频率。任意时刻顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)的光波相位公式可以表示为：

其中，β为光波在光纤中的传播常数，Ls为外部干扰信号作用到的光纤长度，ε为正应变矢量，P₀为信号振幅，n为光纤折射率，

其中，μ为光纤的泊松常数，E为光纤的弹性模量，k为光在真空中的波数，p₁₁和p₁₂为应变光学常数。。

由式(4)、式(5)得到两束相干光在光纤回路中产生的相位差(下述称双光速相位差变化)为：

其中，两束相干光在所述光纤回路中产生的相位差，为顺时针方向的光波相位，为逆时针方向的光波相位，为两束相干光在光纤回路中产生的相位差幅值，ω_a为信号角频率，L为光纤总长度，t为时间变量，c为光波波速。

δβ和分别可展开为

式中：β表示真空中光波导常数；k₀为光在真空中的波数；c为光波波速。由式(6)-式(8)，建立起外部干扰信号P与双光速相位差变化之间的对应关系。在光检测与信号处理模块，只需解调出相位差即可通过计算与查表等方式还原外部信号P。在敲击信号P强度一定的情况下，值越大，说明传感光纤感知到的外部信号P越强，敲击信号P在光缆周围环境中传输时的损耗越小。在有限的区域内，认为敲击信号P在环境中的传输损耗值L_oss与传输路径M成正比。

P＝P-L_oss (9)

L_oss∝M (10)

通过上述可知，当敲击点位于光缆埋设点正上方时，P值最大。

在实际应用中，有可能还需要连多根备纤来对光纤扰动进行检测。本领技术人员都应当明白，需要连多少根备纤就需要配多少端口的耦合器，因此，在本发明的另一个示例中，可以将上述2×2星形耦合器经过光纤回路的输出端与一个3×3星形耦合器相连，2×2星形耦合器输出的带有外部干扰信号的光信号经过3×3星形耦合器被一分为三(即分为光功率相同的三束相干光)，3×3星形耦合器的3个输出端互成120度，输出的3路光信号经过光电转换、电路放大、AD采样，转换为数字信号送入信号解调模块进行解调，即可解调出相位差。

其中，图3示出了根据本发明实施例的3×3星形耦合器的解调流程。如图3所示，将3路光信号经过光电转换、电路放大和AD采样转换为3路数字信号，将3路数字信号进行差分、减法、乘法、加法、积分和除法等运算，即可解调出相位差。

具体地，设外部信号P引起的传感光纤中双光束相位差变化为则3路数字信号Si可以表示为：

其中，di为直流部分的值，ai为交流部分的振幅。式中：θi为3×3耦合器引入的固定相位变化，且满足式(12)。

Si经过隔直和归一化过程，得到si：

按照图3所示的流程，依次对3路数字信号(即经过隔直和归一化后的si)进行差分、减法、乘法、加法、积分、除法等运算，即可得到将S_out通过一个高通滤波器滤除直流成分，最终得到解调结果

从理论上来说，当外界作用力过大时，可能超过2π，此时会造成对传感信号的误判。但在光缆扰动检测的实际应用中，由于外界作用力经过环境衰耗和光缆保护层阻隔，直接作用在光纤上的震动极微弱，一般排除大于2π的可能性。经过多次实验，这一推断得到了验证。

为了验证本发明提供的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测方法的可行性，图4示出了根据本发明实施例一的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统的结构，利用如图4所示的结构对光缆扰动进行检测。

如图4所示，光缆放置于一块宽阔的平地之上，两盘20km裸光纤通过10m跳纤分别与被测光缆两头相连，并通过橡胶垫与地面进行隔离。沿着被测光缆径路，每隔1m在被测光缆上确定一点，共10个点；通过这10个点，沿着垂直于被测光缆径路的方向，分别向两侧每隔2m确定一个作用点，一共确定110个作用点，按照从上到下，从左到右的顺序，写成敲击矩阵如图5所示。通过嵌入式处理平台，将外部干扰信号转化为LED强度显示，LED点亮的最多格数为40格，40格代表已大于1.6π。为保持外部干扰信号的恒定性，以质量M＝2kg的铅块从L＝1m的高度自由落体产生的冲击力作为表征，力的大小P＝8.85/tN(t为铅块从接触地面到停止的时间)。实验中，记录下以上110个作用点在该外界作用力作用下的LED强度显示数据如图6所示。

通过图6所示的矩阵的第7行数据为例，得到作用位置与输出强度的曲线关系如图7所示。从图7(纵向坐标代表LED输出强度，横向坐标代表外部干扰点的作用位置)可以看出，在距离被测光缆最近的f6点敲击时，LED输出强度最大，据此可准确判断被测光缆所在位置。观察LED强度显示数据矩阵，可以看出，其他9行数据也基本符合图7所示的基本趋势。确定了LED输出强度最大的各点，就能探测出这一段10m光缆的径路信息。

需要说明的是，在本发明中，光电转换模块的探测灵敏度为-70dBm，当光电转换模块接收光功率大于-70dBm时，显示系统均能进行相应的响应输出。在实际环境中，由于各处光缆埋设深度可能不同，在同样作用力作用下，LED输出最大值会存在差异，图8展示了在不同埋设深度下，作用点位于光缆径路正上方时，实验测出的LED输出响应的最大值。其中，横坐标代表光缆埋设深度，纵坐标代表LED输出强度，由于本方法测量的是相对最大值，光缆埋设深度的不同并不影响对其径路的判断。

通过上述可知，利用本发明提供的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统及检测方法，通过利用光信号的光学特性，能够从根本上杜绝外部电磁干扰的影响，并且响应速度快、定位准确、操作简单，在进行光缆扰动检测时，施工人员只需通过敲击地面即可找到地下光缆的位置，从而探明光缆的路径。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统及检测方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于光纤干涉原理的光缆扰动检测系统及检测方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。