一种全光纤干涉式光纤长度测量方法及装置

1.一种全光纤干涉式光纤长度测量装置，其特征在于，包括光源(1)、耦合器(2)、耦合器(3)、第一光纤传输器(4)、第二光纤传输器(5)、光电探测器(6)、信号解算电路及显示器(7)，其中，光源(1)通过光纤与耦合器(2)连接，耦合器(2)通过光纤与耦合器(3)连接，耦合器(3)通过光纤同时连接第一光纤传输器(4)和第二光纤传输器(5)，所述第一光纤传输器(4)和第二光纤传输器(5)分别连接待测光纤(8)两端，光电探测器(6)一端通过光纤连接耦合器(2)，另一端与信号解算及显示电路(7)连接，所述第一光纤传输器(4)和第二光纤传输器(5)结构相同，包括第一光纤准直器(9)、半反半透膜片(11)、第二光纤准直器(10)，金属封装外壳(12)，其中，第一光纤准直器(9)与耦合器(3)熔接，第二光纤准直器(10)与待测光纤(8)熔接，半反半透膜片(11)设置在第一光纤准直器(9)与第二光纤准直器(10)之间用于产生反射光和透射光。
2.一种基于权利要求1所述的全光纤干涉式光纤长度测量装置的全光纤干涉式光纤长度测量方法，其特征在于，使用脉冲光作为信号光，经耦合器后分两路光分别进入两只具有一定透射率的光纤传输器，两路光束相向传输通过待测光纤，再次进入耦合器，并在耦合器内发生干涉，由于光路为最小互易光路，两束光束光程相同，使得干涉信号为相长干涉，光电探测器能够探测得到峰值脉冲，再由于光纤传输器的反射作用，能够发生多次干涉，使得光电探测器能够探测到多个峰值脉冲，利用相邻两个峰值脉冲的时间差解算出待测光纤长度。
3.根据权利要求2所述的全光纤干涉式光纤长度测量方法，其特征在于，通过测量若干组相邻脉冲之间的时间差，能够得到多组光纤长度数值，并对多组光纤长度数值进行平均处理。
4.根据权利要求3所述的全光纤干涉式光纤长度测量方法，其特征在于，通过测量多个电脉冲信号时间差，并计算相邻峰值脉冲间的平均时间差，得到待测光纤长度。

一种全光纤干涉式光纤长度测量方法及装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于光纤长度测量技术，具体涉及一种全光纤干涉式光纤长度测量方法及装置。\n背景技术\n[0002] 随着光纤技术的发展,工程中和生产中对光纤长度的测量不可避免。因此,如何准确、快速地测量一段光纤的长度具有重要的实际应用价值。\n[0003] 目前，工程上用于光纤长度测量设备主要为光时域反射仪(OTDR)。另据文献报道，有通过调节相位的全光纤干涉的光纤长度测量系统，基于飞秒激光的光纤长度测试方法，基于微分环干涉技术的光纤长度测量系统等，然而上述方法或者精度不高或者设备太过复杂，成本较高。\n发明内容\n[0004] 本发明目的是：提供一种结构简单且测量精度较高的全光纤干涉式光纤长度测量方法及装置。\n[0005] 本发明的技术方案：一种全光纤干涉式光纤长度测量装置，其包括光源1、耦合器\n2、耦合器3、第一光纤传输器4、第二光纤传输器5、光电探测器6、待测光纤8、信号解算及显示电路7，其中，光源1通过光纤与耦合器2连接，耦合器2通过光纤与耦合器3连接构成最小互易光路，耦合器3通过光纤同时连接第一光纤传输器4和第二光纤传输器5，所述第一光纤传输器4和第二光纤传输器5分别连接待测光纤8两端，光电探测器6一端通过光纤连接耦合器2，另一端与信号解算及显示电路7连接。\n[0006] 所述第一光纤传输器4和第二光纤传输器5结构相同，包括第一光纤准直器9、半反半透膜片11、第二光纤准直器10，金属封装外壳12。其中，第一光纤准直器9与耦合器3熔接，第二光纤准直器10与待测光纤8熔接，半反半透膜片11设置在第一光纤准直器9与第二光纤准直器10之间用于产生反射光和透射光。\n[0007] 一种基于所述的全光纤干涉式光纤长度测量装置的全光纤干涉式光纤长度测量方法，其使用脉冲光作为信号光，经两只耦合器后分两路光分别进入两只具有一定透射率的光纤传输器，两路光束相向传输通过待测光纤，再次进入耦合器，并在耦合器内发生干涉，由于光路为最小互易光路，因此两束光束光程相同，使得干涉信号为相长干涉，光电探测器能够探测得到峰值脉冲，再由于光纤传输器的反射作用，能够发生多次干涉，使得光电探测器能够探测到多个峰值脉冲，利用相邻两个峰值脉冲的时间差解算出待测光纤长度。\n[0008] 通过测量若干组相邻脉冲之间的时间差，能够得到多组光纤长度数值，并对多组光纤长度数值进行平均处理。\n[0009] 通过测量多个电脉冲信号时间差，并计算相邻峰值脉冲间的平均时间差，得到待测光纤长度。\n[0010] 本发明的技术效果是：本发明光纤长度测量方法及装置基于sagnac干涉仪原理，仅探测干涉光强信号，使用脉冲光作为信号光，同时使用两只具有一定透射率的膜片式光纤传输器，使得光电探测器探测到多个干涉光强信号，探测到的相邻两个干涉光强信号的时间差可解算出待测光纤长度。同时通过测量多个电脉冲信号时间差，可以消除测量过程中光路及电路带来的误差，提高测量精度。\n附图说明\n[0011] 图1中是本发明全光纤干涉式光纤长度测量装置的结构示意图，图中，所有光学器件及待测光纤均使用熔接机进行连接，构成全光纤结构。图中各部件描述为：1-光源、2-分束比为50/50的2X2耦合器、3-分束比为50/50的2X2耦合器、4-透射率为50％的第一光纤传输器、5-透射率为50％的第二光纤传输器、6-光电探测器、7-信号解算及显示电路、8-待测光纤。\n[0012] 图1中黑色箭头为光束传播方向。光源发出脉冲光，其产生方式可以为使用电脉冲信号调节光源或在连续输出光源后加光开关，脉冲频率可调节。光源可以为激光光源，也可以为宽谱光源。\n[0013] 图2为第一光纤传输器和第二光纤传输器内部结构图。各部分描述为：9-第一光纤准直器、10-第二光纤准直器、11-半反半透膜片、12-金属封装外壳。\n[0014] 图3为光源连续发出两个脉冲光信号，光电探测器探测到干涉光信号后输出的一系列电脉冲信号。\n[0015] 图4为电路解算原理图，图中电脉冲信号为光源发出一个脉冲光信号后产生的，Δt1表示相邻两个电脉冲信号时间间隔，Δt2表示第一个与第十一个电脉冲信号时间间隔。\n具体实施方式\n[0016] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。\n[0017] 本发明原理基于光纤Sagnac干涉仪，通过探测光纤中相向传输的两束光在输出端的干涉光强信号来测量光纤长度。使用脉冲光作为信号光，同时使用两只具有一定透射率的膜片式光纤传输器，使得光电探测器可以探测到多个干涉光强信号。探测到的相邻两个干涉光强信号的时间差可解算出待测光纤长度。通过合理设计光路和解算电路可以消除测量过程中光路及电路带来的误差，提高测量精度。\n[0018] 请参阅图1，全光纤干涉式光纤长度测量装置，其包括光源1、耦合器2、耦合器3、第一光纤传输器4、第二光纤传输器5、光电探测器6、信号解算及显示电路7、待测光纤8。\n[0019] 图1中各器件连接关系为：光源1输出尾纤与2X2耦合器2中输入尾纤的一端进行熔接，2X2耦合器2中输入尾纤的另一端与光电探测器5输入尾纤进行熔接，2X2耦合器2输出尾纤一端与2X2耦合器3熔接，2X2耦合器3两端输出尾纤分别与第一光纤传输器4和第二光纤传输器5的输入尾纤相熔接，要求熔接后耦合器3至第一光纤传输器4和第二光纤传输器5间的光纤长度相等，第一光纤传输器4和第二光纤传输器5的输出尾纤分别与待测光纤8的两端相熔接，光电探测器6与信号解算及显示电路7相连接用于信号解算。\n[0020] 其中，所述第一光纤传输器4和第二光纤传输器5结构相同，具体如图2所示。包括第一光纤准直器9、半反半透膜片11、第二光纤准直器10，金属封装外壳12。其中，第一光纤准直器9与耦合器3熔接，第二光纤准直器10与待测光纤8熔接，半反半透膜片11设置在第一光纤准直器9与第二光纤准直器10之间用于产生反射光和透射光。\n[0021] 具体实施流程：\n[0022] 步骤1：光源1发出一个脉冲光信号，其产生方式可以为使用电脉冲信号调制光源或在连续输出光源后加光开关调制光路，脉冲频率可调节。光源可以为激光光源，也可以为宽谱光源。\n[0023] 步骤2：光信号经过分束比为50/50的2X2耦合器2进入分束比为50/50的2X2耦合器\n3后分成光强相等的两束光，分别进入透射率为50％的膜片式光纤传输器4和光纤传输器5，\n50％的光信号经反射在耦合器3处干涉，但由于一束光两次经历耦合器直通臂，而另一束光两次经历耦合臂，故两束光相位差为π，因此干涉为相消干涉，探测器不会产生电脉冲信号。\n而50％的光信号经透射通过第一光纤传输器4和第二光纤传输器5后，沿待测光纤8传输一周后再次经过第二光纤传输器5和第一光纤传输器4，此时50％的光信号进入2X2耦合器3发生干涉，由于两只耦合器构成最小互易光路，两束光信号所传输的光程相等，因此，两束光为相长干涉，光电探测器6探测到第一个电脉冲信号。\n[0024] 步骤3：步骤2中两束光再次进入第一光纤传输器4和第二光纤传输器5时，仍有\n50％的光信号再次反射回待测光纤8，传输一周后再次进入第二光纤传输器5和第一光纤传输器4，50％的光信号进入2X2耦合器3发生干涉，由光电探测器6探测到第二个电脉冲信号。\n与此同时，50％的光信号继续反射回待测光纤，用于形成后续电脉冲信号，直至干涉光信号衰减至探测器最小可探测功率。\n[0025] 步骤4：光源继续发出脉冲光信号，不断重复步骤2至步骤3，探测器将探测到一系列电脉冲信号。图3描述了光源连续发出两个脉冲光信号后光电探测器探测到的电脉冲信号。\n[0026] 步骤5：通过测量一个脉冲光信号所产生的一系列电脉冲信号可解算出待测光纤长度，解算原理如图4所示。图4中相邻两脉冲信号时间间隔Δt1代表光信号经过待测光纤8和第一光纤传输器4和第二光纤传输器5的输出尾纤的时间，即\n[0027] Δt1＝(L0+L1+L2)*n/c\n[0028] 上式中L0表示待测光纤8长度，L1表示第一光纤传输器4输出尾纤长度，L2表示第二光纤传输器5输出尾纤长度，n为待测光纤折射率，c为真空中光速。通过测量Δt1，若已知n、L1和L2，便可计算出L0。\n[0029] 步骤6：电路解算时，合理设计信号解算电路7，可以判断当接收到第一个脉冲信号时，同时触发计时器及脉冲计数器，当接收到第11个脉冲时停止计时器及脉冲计数器，此时计时器时长Δt2＝10*Δt1。由Δt2解算出的待测光纤长度L0可以消除光路及电路噪声产生的误差，提高测量精度。使用单片机可以计算并显示待测光纤长度L0。