一種全光纖幹涉式光纖長度測量方法及裝置與流程
2023-05-01 21:46:06
本發明屬於光纖長度測量技術，具體涉及一種全光纖幹涉式光纖長度測量方法及裝置。
背景技術：
隨著光纖技術的發展,工程中和生產中對光纖長度的測量不可避免。因此,如何準確、快速地測量一段光纖的長度具有重要的實際應用價值。
目前，工程上用於光纖長度測量設備主要為光時域反射儀(OTDR)。另據文獻報導，有通過調節相位的全光纖幹涉的光纖長度測量系統，基於飛秒雷射的光纖長度測試方法，基於微分環幹涉技術的光纖長度測量系統等，然而上述方法或者精度不高或者設備太過複雜，成本較高。
技術實現要素：
本發明目的是：提供一種結構簡單且測量精度較高的全光纖幹涉式光纖長度測量方法及裝置。
本發明的技術方案：一種全光纖幹涉式光纖長度測量裝置，其包括光源1、耦合器2、耦合器3、第一光纖傳輸器4、第二光纖傳輸器5、光電探測器6、待測光纖8、信號解算及顯示電路7，其中，光源1通過光纖與耦合器2連接，耦合器2通過光纖與耦合器3連接構成最小互易光路，耦合器3通過光纖同時連接第一光纖傳輸器4和第二光纖傳輸器5，所述第一光纖傳輸器4和第二光纖傳輸器5分別連接待測光纖8兩端，光電探測器6一端通過光纖連接耦合器2，另一端與信號解算及顯示電路7連接。
所述第一光纖傳輸器4和第二光纖傳輸器5結構相同，包括第一光纖準直器9、半反半透膜片11、第二光纖準直器10，金屬封裝外殼12。其中，第一光纖準直器9與耦合器3熔接，第二光纖準直器10與待測光纖8熔接，半反半透膜片11設置在第一光纖準直器9與第二光纖準直器10之間用於產生反射光和透射光。
一種基於所述的全光纖幹涉式光纖長度測量裝置的全光纖幹涉式光纖長度測量方法，其使用脈衝光作為信號光，經兩隻耦合器後分兩路光分別進入兩隻具有一定透射率的光纖傳輸器，兩路光束相向傳輸通過待測光纖，再次進入耦合器，並在耦合器內發生幹涉，由於光路為最小互易光路，因此兩束光束光程相同，使得幹涉信號為相長幹涉，光電探測器能夠探測得到峰值脈衝，再由於光纖傳輸器的反射作用，能夠發生多次幹涉，使得光電探測器能夠探測到多個峰值脈衝，利用相鄰兩個峰值脈衝的時間差解算出待測光纖長度。
通過測量若干組相鄰脈衝之間的時間差，能夠得到多組光纖長度數值，並對多組光纖長度數值進行平均處理。
通過測量多個電脈衝信號時間差，並計算相鄰峰值脈衝間的平均時間差，得到待測光纖長度。
本發明的技術效果是：本發明光纖長度測量方法及裝置基於sagnac幹涉儀原理，僅探測幹涉光強信號，使用脈衝光作為信號光，同時使用兩隻具有一定透射率的膜片式光纖傳輸器，使得光電探測器探測到多個幹涉光強信號，探測到的相鄰兩個幹涉光強信號的時間差可解算出待測光纖長度。同時通過測量多個電脈衝信號時間差，可以消除測量過程中光路及電路帶來的誤差，提高測量精度。
附圖說明
圖1是本發明全光纖幹涉式光纖長度測量裝置的結構示意圖，圖中，所有光學器件及待測光纖均使用熔接機進行連接，構成全光纖結構。圖中各部件描述為：1-光源、2-分束比為50/50的2X2耦合器、3-分束比為50/50的2X2耦合器、4-透射率為50％的第一光纖傳輸器、5-透射率為50％的第二光纖傳輸器、6-光電探測器、7-信號解算及顯示電路、8-待測光纖。
圖1中黑色箭頭為光束傳播方向。光源發出脈衝光，其產生方式可以為使用電脈衝信號調節光源或在連續輸出光源後加光開關，脈衝頻率可調節。光源可以為雷射光源，也可以為寬譜光源。
圖2為第一光纖傳輸器和第二光纖傳輸器內部結構圖。各部分描述為：9-第一光纖準直器、10-第二光纖準直器、11-半反半透膜片、12-金屬封裝外殼。
圖3為光源連續發出兩個脈衝光信號，光電探測器探測到幹涉光信號後輸出的一系列電脈衝信號。
圖4為電路解算原理圖，圖中電脈衝信號為光源發出一個脈衝光信號後產生的，Δt1表示相鄰兩個電脈衝信號時間間隔，Δt2表示第一個與第十一個電脈衝信號時間間隔。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。
本發明原理基於光纖Sagnac幹涉儀，通過探測光纖中相向傳輸的兩束光在輸出端的幹涉光強信號來測量光纖長度。使用脈衝光作為信號光，同時使用兩隻具有一定透射率的膜片式光纖傳輸器，使得光電探測器可以探測到多個幹涉光強信號。探測到的相鄰兩個幹涉光強信號的時間差可解算出待測光纖長度。通過合理設計光路和解算電路可以消除測量過程中光路及電路帶來的誤差，提高測量精度。
請參閱圖1，全光纖幹涉式光纖長度測量裝置，其包括光源1、耦合器2、耦合器3、第一光纖傳輸器4、第二光纖傳輸器5、光電探測器6、信號解算及顯示電路7、待測光纖8。
圖1中各器件連接關係為：光源1輸出尾纖與2X2耦合器2中輸入尾纖的一端進行熔接，2X2耦合器2中輸入尾纖的另一端與光電探測器5輸入尾纖進行熔接，2X2耦合器2輸出尾纖一端與2X2耦合器3熔接，2X2耦合器3兩端輸出尾纖分別與第一光纖傳輸器4和第二光纖傳輸器5的輸入尾纖相熔接，要求熔接後耦合器3至第一光纖傳輸器4和第二光纖傳輸器5間的光纖長度相等，第一光纖傳輸器4和第二光纖傳輸器5的輸出尾纖分別與待測光纖8的兩端相熔接，光電探測器6與信號解算及顯示電路7相連接用於信號解算。
其中，所述第一光纖傳輸器4和第二光纖傳輸器5結構相同，具體如圖2所示。包括第一光纖準直器9、半反半透膜片11、第二光纖準直器10，金屬封裝外殼12。其中，第一光纖準直器9與耦合器3熔接，第二光纖準直器10與待測光纖8熔接，半反半透膜片11設置在第一光纖準直器9與第二光纖準直器10之間用於產生反射光和透射光。
具體實施流程：
步驟1：光源1發出一個脈衝光信號，其產生方式可以為使用電脈衝信號調製光源或在連續輸出光源後加光開關調製光路，脈衝頻率可調節。光源可以為雷射光源，也可以為寬譜光源。
步驟2：光信號經過分束比為50/50的2X2耦合器2進入分束比為50/50的2X2耦合器3後分成光強相等的兩束光，分別進入透射率為50％的膜片式光纖傳輸器4和光纖傳輸器5，50％的光信號經反射在耦合器3處幹涉，但由於一束光兩次經歷耦合器直通臂，而另一束光兩次經歷耦合臂，故兩束光相位差為π，因此幹涉為相消幹涉，探測器不會產生電脈衝信號。而50％的光信號經透射通過第一光纖傳輸器4和第二光纖傳輸器5後，沿待測光纖8傳輸一周後再次經過第二光纖傳輸器5和第一光纖傳輸器4，此時50％的光信號進入2X2耦合器3發生幹涉，由於兩隻耦合器構成最小互易光路，兩束光信號所傳輸的光程相等，因此，兩束光為相長幹涉，光電探測器6探測到第一個電脈衝信號。
步驟3：步驟2中兩束光再次進入第一光纖傳輸器4和第二光纖傳輸器5時，仍有50％的光信號再次反射回待測光纖8，傳輸一周後再次進入第二光纖傳輸器5和第一光纖傳輸器4，50％的光信號進入2X2耦合器3發生幹涉，由光電探測器6探測到第二個電脈衝信號。與此同時，50％的光信號繼續反射回待測光纖，用於形成後續電脈衝信號，直至幹涉光信號衰減至探測器最小可探測功率。
步驟4：光源繼續發出脈衝光信號，不斷重複步驟2至步驟3，探測器將探測到一系列電脈衝信號。圖3描述了光源連續發出兩個脈衝光信號後光電探測器探測到的電脈衝信號。
步驟5：通過測量一個脈衝光信號所產生的一系列電脈衝信號可解算出待測光纖長度，解算原理如圖4所示。圖4中相鄰兩脈衝信號時間間隔Δt1代表光信號經過待測光纖8和第一光纖傳輸器4和第二光纖傳輸器5的輸出尾纖的時間，即
Δt1＝(L0+L1+L2)*n/c
上式中L0表示待測光纖8長度，L1表示第一光纖傳輸器4輸出尾纖長度，L2表示第二光纖傳輸器5輸出尾纖長度，n為待測光纖折射率，c為真空中光速。通過測量Δt1，若已知n、L1和L2，便可計算出L0。
步驟6：電路解算時，合理設計信號解算電路7，可以判斷當接收到第一個脈衝信號時，同時觸發計時器及脈衝計數器，當接收到第11個脈衝時停止計時器及脈衝計數器，此時計時器時長Δt2＝10*Δt1。由Δt2解算出的待測光纖長度L0可以消除光路及電路噪聲產生的誤差，提高測量精度。使用單片機可以計算並顯示待測光纖長度L0。