技术领域
[0001] 本
发明一种无源波分复用网络光纤故障检测系统及其检测方法，属于无源波分复用网络光纤故障检测系统技术领域。技术背景
[0002] 采用探测无源波分复用网络(Wavelength-division-multiplexing passive optical network,简称WDM-PON)对光纤故障检测，主要利用
波长可调谐的光脉冲技术[Optics Express,vol.15,pp.1461-1466,2007；IEEE Photonics Technology Letters,vol.20,pp.1323-1325,2008]和混沌光时域反射仪技术[Journal of Lightwave Technology,vol.30,no.21,pp.3420-3426,2012；Optical Fiber Technology,vol.20,pp.163-167,2014,Optics Communications,vol.350,pp.288-295,2015；Optical Letters,vol.38,pp.3762-3764,2015；Optics Express,vol.23,pp.2416-2423,2015]，相比较光脉冲作为光纤断点探测
光源，混沌激光对光纤故障点的探测能够实现与距离无关的高
精度定位[Journal of Lightwave Technology,vol.30,no.21,pp.3420-3426,2012；Optics Express,vol.23,pp.15514-15520,2015；Applied Optics,vol.56,no.4,pp.1253-
1256,2017]，这主要源自于混沌激光的随机特性和自相关特征，在WDM-PON网络光纤故障检测中应用混沌激光光时域反射技术，将探测光与参考光进行相关运算，得到的相关曲线上会有一个相关峰，其所对应的
位置即为光纤的故障点位置。
[0003] 目前，在实验中使用混沌激光作为探测光源实现WDM网络光纤故障检测的技术主要有：利用光反馈多模
激光器产生的混沌激光实现24km、2cm
分辨率的光纤故障检测[Journal of Lightwave Technology,vol.30,no.21,pp.3420-3426,2012]，利用多个不同波长的自反馈激光产生混沌激光以实现在线20km,1.8cm空间分辨率的光纤故障检测[Optics Communications,vol.350,pp.288-295,2015]，以及利用电混沌直接调制多模激光器产生的混沌激光能实现75km、14cm距离分辨率的光纤故障检测[Microwave and Optical Technology Letters,vol.57,no.11,pp.2502-2506,2015]。
[0004] 但是，采用上述技术对光纤进行故障检测时，用光反馈产生的混沌激光带存在“旁瓣”(即外腔反馈的长度信息)，会引起检测误判，受限于电调制的调制深度所产生的混沌激光带宽过窄，无法实现更高精度的故障定位；因此有必要发明一种基于WDM-POM高精度光纤故障检测系统，以解决现有混沌光光时域反射仪技术虚警(误判)，距离短、精度差的问题。
发明内容
[0005] 本发明为了克服
现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种无源波分复用网络光纤故障检测系统结构及其检测方法的改进。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种无源波分复用网络光纤故障检测系统，包括混沌激光发生器，所述混沌激光发生器的
信号输出端与第一光环形器的第二输入端相连，所述第一光环形器的信号输出端串接光隔离器后与第一光纤
耦合器的输入端相连；所述第一光纤耦合器的第一输出端依次串接偏振
控制器、光
衰减器后与
相位调制器的输入端相连，所述
相位调制器的输出端与第一光环形器的第一输入端相连；
[0007] 所述相位调制器的调制
接口还连接有随机信号发生器；
[0008] 所述第一光纤耦合器的第二输出端串接掺铒光纤
放大器后与电光调制器的输入端相连；
[0009] 所述电光调制器的调制接口还连接有脉冲信号发生器；
[0010] 所述电光调制器的输出端与第二光纤耦合器的输入端相连；
[0011] 所述第二光纤耦合器的第二输出端通过
滤波器与第一光电探测器相连，所述第一光电探测器的输出端与相关器相连；
[0012] 所述第二光纤耦合器的第一输出端与第二光环形器的第一输入端相连，所述第二光环形器的第二输入端与波分复用器的输入端相连，所述波分复用器的输出端与n个光网络单元相连；
[0013] 所述第二光环形器的输出端与第三光纤耦合器的输入端相连，所述第三光纤耦合器的第一输出端与
光谱分析仪相连；
[0014] 所述第三光纤耦合器的第二输出端串接第二光电探测器后与相关器相连。
[0015] 所述第一光纤耦合器的第一输出端与第二输出端
输出信号功率的比值为80％:20％；
[0016] 所述第二光纤耦合器的第一输出端与第二输出端输出信号功率的比值为99％:1％；
[0017] 所述第三光纤耦合器的第一输出端与第二输出端输出信号功率的比值为50％:50％。
[0018] 所述随机信号发生器具体为混沌信号源、噪声信号源或随机序列发生器。
[0019] 所述混沌激光发生器具体为弱
谐振腔法布里-珀罗激光器。
[0020] 一种无源波分复用网络光纤故障检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0021] 步骤一：混沌激光发生器产生无时延特征混沌信号；
[0022] 所述混沌激光发生器产生的
光信号通过第一光环行器、光隔离器、第一光纤耦合器、偏振控制器、光衰减器、相位调制器后，回传至混沌激光发生器，回传的光信号扰动混沌激光发生器产生多模混沌激光；
[0023] 所述相位调制器的输入端同时接收随机信号发生器发送的反馈光相位调节信号，所述相位调节信号加入回传的激光信号中，由相位调节信号的非线性作用消除反馈光与激光器输出光的相关性，使混沌激光具备无时延特征；
[0024] 步骤二：将调整后的混沌激光信号通过第一光纤耦合器发送至掺铒光纤放大器，信号经过放大后进入电光调制器进行脉冲调制，由脉冲信号发生器发出脉冲信号对放大信号进行调制；
[0025] 步骤三：电光调制器的输出端发送经调制的无时延特征多模混沌激光信号，该激光信号通过第二光纤耦合器一部分作为参考光进入相关器，另一部分作为探测光进入波分复用器后分束到各探测支路的光网络单元中；
[0026] 如果光网络单元的某一路中存在断点，则会有反馈光沿原光路返回至第二光环行器，反馈光再由第二光环行器分别发送至光谱分析仪和相关器中；
[0027] 所述光谱分析仪用于显示的反馈波长，确认具体是哪一支路的光网络单元存在断点；
[0028] 所述相关器通过反馈光可以得到相应光网络单元的故障位置及光纤损耗信息。
[0029] 所述步骤三中检测光纤故障位置和光纤衰减的具体方法为：
[0030] 检测故障位置时，所述相关器通过测试第n路光网络单元的回波信号和参考光延时时间tλn，得到故障点位置Lλn，相关计算公式为：
[0031]
[0032] 上式中，c为光速，ne为光纤纤芯折射率，λn为第n路的光网络单元；
[0033] 检测光纤衰减时，从上述故障点位置的斜率中可读取衰减信息，第n路光网络单元的回波信号和参考光信号互相关R(τ)为：
[0034]
[0035] 上式中，Prefλn脉冲混沌信号，Ppulsλn为脉冲部分，Pchaosλn为混沌部分，Pechoλn为回波信号，Pbsλn为后向散射信号，Prλn为反射信号，Pceλn为回波信号；
[0036] 由于混沌信号是一个随机信号，脉冲光信号与混沌引起的回波信号的互相关、混沌信号与脉冲引起的后向散射及反射信号的互相关所产生的效果在之后的平均处理后会被消除掉，参考光信号与回波信号的相关运算结果可以简化为：
[0037]
[0038] 因此光纤中的衰减信息被保留下来，作为光纤衰减检测结果。
[0039] 本发明相对于现有技术具备以下的有益效果：
[0040] 一、本发明提供一种用于WDM光纤故障检测的随机信号调制相位反馈混沌激光，通过利用随机信号发生器包括混沌信号、噪声信号、随机码，调制相位反馈弱谐振腔法布里-珀罗激光(WRC-FPLD)产生的混沌激光具有宽
频谱、无时延特征即无周期特征，因此能够实现与距离无关的厘米量级高分辨率多路光纤故障检测的同时实现无盲区、无虚警的故障判别；
[0041] 二、本发明产生混沌激光所使用的激光器为弱谐振腔法布里-珀罗激光(WRC-FPLD)，该类型激光器前端面增透膜反射率在1％-30％，具有更宽的增益谱，腔长为600μm因此纵模间隔小为0.56nm，可用在WDM系统中的信道数在波长范围1510-1570nm达100个；
[0042] 三、本发明相比现有应用于WDM系统光纤故障检测技术，由于采用脉冲调制
叠加脉冲信号，不仅能够识别多路光纤的断点，还能测量多路光纤的衰减情况；
[0043] 综上所述，本发明有效解决了现有应用于WDM系统光纤故障检测的混沌激光光时域反射仪技术中的虚警、误判、无法兼顾长距离高精度故障定位及无法识别光纤衰减的问题，为WDM系统光纤故障检测提供了一种全面的解决方案。
附图说明
[0044] 下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0045] 图1是本发明的结构示意图；
[0046] 图2为在进行脉冲调制后的混沌光信号曲线图；
[0047] 图3为无时延特性混沌光信号的自相关曲线图；
[0048] 图4为光纤衰减信号斜率示意图；
[0049] 图中：1为混沌激光发生器、2为第一光环形器、3为光隔离器、4为第一光纤耦合器、5为偏振控制器、6为光衰减器、7为相位调制器、8为随机信号发生器、9为掺铒光纤放大器、
10为电光调制器、11为脉冲信号发生器、12为第二光纤耦合器、13为滤波器、14为第一光电探测器、15为相关器、16为第二光环形器、17为第三光纤耦合器、18为第二光电探测器、19为光谱分析仪、20为波分复用器、21为光网络单元。
具体实施方式
[0050] 如图1所示，本发明一种无源波分复用网络光纤故障检测系统，包括混沌激光发生器(1)，所述混沌激光发生器(1)的信号输出端与第一光环形器(2)的第二输入端相连，所述第一光环形器(2)的信号输出端串接光隔离器(3)后与第一光纤耦合器(4)的输入端相连；所述第一光纤耦合器(4)的第一输出端依次串接偏振控制器(5)、光衰减器(6)后与相位调制器(7)的输入端相连，所述相位调制器(7)的输出端与第一光环形器(2)的第一输入端相连；
[0051] 所述相位调制器(7)的调制接口还连接有随机信号发生器(8)；
[0052] 所述第一光纤耦合器(4)的第二输出端串接掺铒光纤放大器(9)后与电光调制器(10)的输入端相连；
[0053] 所述电光调制器(10)的调制接口还连接有脉冲信号发生器(11)；
[0054] 所述电光调制器(10)的输出端与第二光纤耦合器(12)的输入端相连；
[0055] 所述第二光纤耦合器(12)的第二输出端通过滤波器(13)与第一光电探测器(14)相连，所述第一光电探测器(14)的输出端与相关器(15)相连；
[0056] 所述第二光纤耦合器(12)的第一输出端与第二光环形器(16)的第一输入端相连，所述第二光环形器(16)的第二输入端与波分复用器(20)的输入端相连，所述波分复用器(20)的输出端与n个光网络单元(21)相连；
[0057] 所述第二光环形器(16)的输出端与第三光纤耦合器(17)的输入端相连，所述第三光纤耦合器(17)的第一输出端与光谱分析仪(19)相连；
[0058] 所述第三光纤耦合器(17)的第二输出端串接第二光电探测器(18)后与相关器(15)相连。
[0059] 所述第一光纤耦合器(4)的第一输出端与第二输出端输出信号功率的比值为80％:20％；
[0060] 所述第二光纤耦合器(12)的第一输出端与第二输出端输出信号功率的比值为99％:1％；
[0061] 所述第三光纤耦合器(17)的第一输出端与第二输出端输出信号功率的比值为50％:50％。
[0062] 所述随机信号发生器(8)具体为混沌信号源、噪声信号源或随机序列发生器。
[0063] 所述混沌激光发生器(1)具体为弱谐振腔法布里-珀罗激光器。
[0064] 一种无源波分复用网络光纤故障检测方法，包括如下步骤：
[0065] 步骤一：混沌激光发生器(1)产生无时延特征混沌信号；
[0066] 所述混沌激光发生器(1)产生的光信号通过第一光环行器(2)、光隔离器(3)、第一光纤耦合器(4)、偏振控制器(5)、光衰减器(6)、相位调制器(7)后，回传至混沌激光发生器(1)，回传的光信号扰动混沌激光发生器(1)产生多模混沌激光；
[0067] 所述相位调制器(7)的输入端同时接收随机信号发生器(8)发送的反馈光相位调节信号，所述相位调节信号加入回传的激光信号中，由相位调节信号的非线性作用消除反馈光与激光器输出光的相关性，使混沌激光具备无时延特征；
[0068] 如图2所示，本发明技术方案相比于传统使用脉冲测故障点的方案，混沌激光的作用是能够实现与距离无关的厘米量级高分辨率，相比于传统使用外腔反馈产生的混沌激光作为探测光方案，本方案中所产生的混沌激光无时延特征，因此在相关法测距时可以同时实现无盲区、无虚警的故障判别，传统外腔反馈产生的混沌激光在测距时由于时延特征会有盲区和虚警的故障判别；相比于DFB激光器，本发明中FP激光器可产生多波长混沌激光，可用于多路故障的检测。
[0069] 步骤二：将调整后的混沌激光信号通过第一光纤耦合器(4)发送至掺铒光纤放大器(9)，信号经过放大后进入电光调制器(10)进行脉冲调制，由脉冲信号发生器(11)发出脉冲信号对放大信号进行调制；
[0070] 该步骤产生探测信号产生，将上述无时延特征激光通过放大器后进入电光调制器进行脉冲调制，结果如图3所示；整个包络类似脉冲，但是在高电平部分有混沌信号的调制；相比于外腔反馈产生的混沌光直接作为探测光进行的故障测试(直接使用混沌信号无法测得衰减)，本方案中由于脉冲包络的存在，可以准确测得待测光路中存在的衰减。
[0071] 步骤三：电光调制器(10)的输出端发送经调制的无时延特征多模混沌激光信号，该激光信号通过第二光纤耦合器(12)一部分作为参考光进入相关器(15)，另一部分作为探测光进入波分复用器(20)后分束到各探测支路的光网络单元(21)中；
[0072] 如果光网络单元(21)的某一路中存在断点，则会有反馈光沿原光路返回至第二光环行器(16)，反馈光再由第二光环行器(16)分别发送至光谱分析仪(19)和相关器(15)中；
[0073] 所述光谱分析仪(19)用于显示的反馈波长，确认具体是哪一支路的光网络单元(21)存在断点；
[0074] 所述相关器(15)通过反馈光可以得到相应光网络单元(21)的故障位置及光纤损耗信息。
[0075] 所述步骤三中检测光纤故障位置和光纤衰减的具体方法为：
[0076] 1)故障位置检测：所述相关器(15)通过测试第n路光网络单元的回波信号和参考光延时时间tλn，得到故障点位置Lλn的计算公式为：
[0077]
[0078] 上式中，c为光速，ne为光纤纤芯折射率，λn为第n路的光网络单元；
[0079] 2)光纤衰减检测：与此同时，相关结果的斜率中可读到衰减信息，原因是脉冲混沌信号与脉冲所引起的后向散射信号的相关将保留后向散射信号的信息；第n路光网络单元的回波信号和参考光互相关为：
[0080]
[0081] 其中，Prefλn脉冲混沌信号，Ppulsλn为脉冲部分，Pchaosλn为混沌部分，Pechoλn为回波信号，Pbsλn为后向散射信号，Prλn为反射信号，Pceλn为回波信号。
[0082] 由于混沌信号是一个随机信号，脉冲光信号与混沌引起的回波信号的互相关、混沌信号与脉冲引起的后向散射及反射信号的互相关所产生的效果在之后的平均处理后会被消除掉；因此，参考信号与回波信号的相关运算结果可以简化为：
[0083]
[0084] 因此光纤中的衰减信息被保留下来，结果如图4所示。
[0085] 本发明属于光纤故障检测技术，为解决现有WDM-PON网络光纤故障检测技术存在的误判及长距离高精度的问题，具体提供一种用于WDM光纤故障检测的高精度无虚警监测系统。
[0086] 本发明提供的混沌激光发生器具体为弱谐振腔法布里-珀罗激光器，该激光器受到随机相位调制产生混沌激光，由于随机相位调制会产生随机外腔模式，因此产生的混沌激光不含有时延特征。
[0087] 本发明采用WDM-PON网络光纤故障检测方法，具体是将混沌信号利用强度调制到脉冲上，一路作为探测光进入WDM-PON进行探测，另一路作为参考光进入相关器，相关器对相关运算结果换算得到故障位置，由光谱分析仪测得故障支路。
[0088] 该检测系统包括无时延特征混沌激脉冲产生部分和网络光纤故障检测部分。
[0089] 所述无时延特征混沌激光产生部分包括弱谐振腔法布里-珀罗激光器(WRC-FPLD)，所述WRC-FPLD的输出端与第一光环形器的第二输入端连接，第一光环形器的输出端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端与20:80光纤耦合器的输入端连接，20:80光纤耦合器的第一输出(总功率的80％)与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与光衰减器的输入端连接，光衰减器的输出端与相位调制器的输入端连接，相位调制器的输出端与第一光环行器的第一输入端连接，20:80光纤耦合器的第二输出(总功率的20％)与掺铒光纤放大器的输入端连接，掺铒光纤放大器的输出端与电光调制器的输入端连接。
[0090] 上述随机信号发生器的输出与相位调制器的调制接口连接，所述随机信号发生器可以是混沌信号源、噪声信号源或随机序列发生器；脉冲信号发生器的输出与电光调制器的调制接口连接。
[0091] 所述电光调制器的输出端与1:99光纤耦合器的输入端连接，1:99光纤耦合器的第二输出端(总功率的1％)与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与第一光电探测器的输入端连接，第一光电探测器的输出端与相关器连接；1:99光纤耦合器的第一输出端(总功率的99％)与第二光环形器的第一输入端连接，第二光环形器的第二输入端与WDM的输入端连接，WDM的第一输出端与第一个光网络单元连接，WDM的第n输出端与第n个光网络单元连接；第二光环形器的输出端与50:50光纤耦合器的输入端连接，50:50光纤耦合器的第一输出端(总功率的50％)与光谱分析仪连接，50:50光纤耦合器的第二输出端(总功率的50％)与第二光电探测器的输入连接，第二光电探测器的输出与相关器连接。
[0092] 最后应说明的是：以上各
实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
