光纖技術課件--第三章光纖衰減測量

1、光纖傳感技術光纖傳感技術Fiber Optical SensorMeasurement of Fiber Measurement of Fiber Attenuation Attenuation 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰減（衰減（dB/km）波長波長（m）6 5 4 3 2 10。40。2第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段 1多模光纖多模光纖的注入條件的注入條件當光耦合進多模光纖時，會激勵起很多模式，這當光耦合進多模光纖時，會激勵起很多模式，這些模式所攜帶的能量各不和

2、同，傳輸時的損耗也些模式所攜帶的能量各不和同，傳輸時的損耗也不相同，而且由于光纖的彎曲及結(jié)構的不均勻性不相同，而且由于光纖的彎曲及結(jié)構的不均勻性等原因，使得各模式之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)換經(jīng)過相等原因，使得各模式之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)換經(jīng)過相當長一段距離后，最終損耗較小的低階模將攜帶當長一段距離后，最終損耗較小的低階模將攜帶較大光功率、損耗較大的高階模將攜帶較小光功較大光功率、損耗較大的高階模將攜帶較小光功率，于是各個模式攜帶和傳送的光功率達到穩(wěn)定，率，于是各個模式攜帶和傳送的光功率達到穩(wěn)定，此時稱為穩(wěn)態(tài)模分布，因此對于多模光纖各參數(shù)此時稱為穩(wěn)態(tài)模分布，因此對于多模光纖各參數(shù)的測量，只有在它達到穩(wěn)態(tài)模分布之后才

3、有意的測量，只有在它達到穩(wěn)態(tài)模分布之后才有意義義 能使多模光纖達到穩(wěn)態(tài)模分布的注入條件有兩能使多模光纖達到穩(wěn)態(tài)模分布的注入條件有兩種方式：種方式：所謂滿注入就是所謂滿注入就是要均勻地激勵起所有的傳導模式，而限制注入要均勻地激勵起所有的傳導模式，而限制注入就是只激勵起較低損耗的低階模，而適當?shù)囊志褪侵患钇疠^低損耗的低階模，而適當?shù)囊种茡p耗較大的高階模制損耗較大的高階模當測量光纖的損耗時，采用限制注入方式，因當測量光纖的損耗時，采用限制注入方式，因為損耗較大的高階模的注入，會由于被測光纖為損耗較大的高階模的注入，會由于被測光纖長度不同而使輸出光功率不同，從而產(chǎn)生測量長度不同而使輸出光功率不同，從

4、而產(chǎn)生測量誤差。誤差。無論以哪種注入方式，要達到穩(wěn)態(tài)模分布需要配無論以哪種注入方式，要達到穩(wěn)態(tài)模分布需要配置的設備有：擾模器、濾模器和包層模剝除器置的設備有：擾模器、濾模器和包層模剝除器 要達到穩(wěn)態(tài)模分布，需要在光纖中傳輸很長距要達到穩(wěn)態(tài)模分布，需要在光纖中傳輸很長距離之后才行，這給測繪帶來很多麻煩根據(jù)模耦離之后才行，這給測繪帶來很多麻煩根據(jù)模耦合原理，采用強烈的幾何擾動的方法就能使多合原理，采用強烈的幾何擾動的方法就能使多模光纖各模式迅速達到穩(wěn)態(tài)分布，這種器件稱為模光纖各模式迅速達到穩(wěn)態(tài)分布，這種器件稱為擾模器擾模器 當光耦合進光纖時會激起瞬態(tài)?；蚱渌恍枰膫鳟敼怦詈线M光纖時會激起瞬態(tài)?；?/p>

5、其他不需要的傳導模，為了測量準確，要抑制掉這些模式，那么用來濾導模，為了測量準確，要抑制掉這些模式，那么用來濾除這些模的器件稱為濾模器通常這些需濾去的模損耗除這些模的器件稱為濾模器通常這些需濾去的模損耗都較大如對光纖稍加彎曲，這些模很塊就會衰減掉都較大如對光纖稍加彎曲，這些模很塊就會衰減掉當光耦合進光纖時，不僅會激起傳導模，還會激當光耦合進光纖時，不僅會激起傳導模，還會激起非傳導的輻射模輻射到包層中當光纖的涂敷起非傳導的輻射模輻射到包層中當光纖的涂敷層的折射率比包層的折射率低時，輻射模會在包層的折射率比包層的折射率低時，輻射模會在包層與涂覆層界面上發(fā)生全反射，從而在包層中傳層與涂覆層界面上發(fā)生

6、全反射，從而在包層中傳輸，形成包層模因為包層模會對測量產(chǎn)生嚴重輸，形成包層模因為包層模會對測量產(chǎn)生嚴重影響，所以需要除去影響，所以需要除去是一種使包層模轉(zhuǎn)換成輻射模的部是一種使包層模轉(zhuǎn)換成輻射模的部件，它可以將包層模從光纖中除掉。件，它可以將包層模從光纖中除掉。 在測量單模光纖的衰減時，由于光纖只傳在測量單模光纖的衰減時，由于光纖只傳導一個模式，沒有穩(wěn)態(tài)模功率分布問題，導一個模式，沒有穩(wěn)態(tài)模功率分布問題，所以注入系統(tǒng)不需要擾模器，只需要保證所以注入系統(tǒng)不需要擾模器，只需要保證激勵基模。常用的注入方法有，用一段光激勵基模。常用的注入方法有，用一段光纖來接續(xù)或用適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)來注入。這纖來接續(xù)或用

7、適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)來注入。這些方法的具體要求應根據(jù)實驗來確定，目些方法的具體要求應根據(jù)實驗來確定，目前尚無明確的規(guī)定。前尚無明確的規(guī)定。)/()()(lg1021kmdBPPL(km(km) )為光纖的長度為光纖的長度，為為輸入光功率光功率，為輸出光功率為輸出光功率. . 剪斷法是一種按衰減定義進行測量的方法。剪斷法是一種按衰減定義進行測量的方法。首先，測量整根光纖的輸出光功率首先，測量整根光纖的輸出光功率，然后，然后，保持注入條件不變，在離注入端約保持注入條件不變，在離注入端約2米處切斷米處切斷光纖，并測量該短光纖的輸出光功率光纖，并測量該短光纖的輸出光功率 。由。由于測量是在穩(wěn)態(tài)條件下進行的，

8、且約于測量是在穩(wěn)態(tài)條件下進行的，且約2米光纖米光纖的衰減可忽略不計，故可將的衰減可忽略不計，故可將 看作是被測光看作是被測光纖的始端注入功率。纖的始端注入功率。剪斷法測量準確度高剪斷法測量準確度高(誤差小于誤差小于0.1dB)，它是，它是一種光纖衰減測量的標準方法。一種光纖衰減測量的標準方法。2米米在測量衰減時，通常的剪斷法要求兩次測量，且在光纖始端和在測量衰減時，通常的剪斷法要求兩次測量，且在光纖始端和終端使用同一個光源和探測器。終端使用同一個光源和探測器。注入系統(tǒng)注入系統(tǒng)波長波長濾光濾光器器寬光寬光譜譜(a)校準輸入?yún)⒖茧娖叫瘦斎雲(yún)⒖茧娖?b)衰減測量衰減測量三、插入損耗法三、插入損耗法

9、利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來確定光纖損耗系數(shù)的方法，稱為確定光纖損耗系數(shù)的方法，稱為背向散射法。背向散射法。瑞利散射光功率與散射點的入射光功率成正瑞利散射光功率與散射點的入射光功率成正比，因此測量沿光纖軸向返回的背向瑞利散比，因此測量沿光纖軸向返回的背向瑞利散射光功率就可以獲得光沿光纖傳輸損耗的信射光功率就可以獲得光沿光纖傳輸損耗的信息，從而可以測得光纖的衰減。息，從而可以測得光纖的衰減。P后散射后散射=kPi用對數(shù)表示：用對數(shù)表示： lgP后散射后散射=lgPi+lgk)()(lg1021PPL(dB/km) )lg(lg1021PPL背向散射

10、法是將大背向散射法是將大功率的窄脈沖光注功率的窄脈沖光注人待測光纖，然后人待測光纖，然后在同一端檢測沿光在同一端檢測沿光纖軸向向后返回的纖軸向向后返回的散射光功率。散射光功率。：接收端一般由光電二極管探測器和放大電接收端一般由光電二極管探測器和放大電路組成。探測器可選用雪崩光電二極管路組成。探測器可選用雪崩光電二極管APD和場和場效應管效應管FET。：背向散射法測得的信號很弱，比入射背向散射法測得的信號很弱，比入射光功率低幾十分貝。要從噪聲中把所需的信號檢光功率低幾十分貝。要從噪聲中把所需的信號檢測出來，必須采用一種降低噪聲的信號處理方法。測出來，必須采用一種降低噪聲的信號處理方法。例如，采用

11、取樣積分器利用平均法消除噪聲。這例如，采用取樣積分器利用平均法消除噪聲。這種方法的原理是噪聲的統(tǒng)計平均值趨于零，且信種方法的原理是噪聲的統(tǒng)計平均值趨于零，且信號是周朗的，可以不斷積累，因此信噪比可以提號是周朗的，可以不斷積累，因此信噪比可以提高。高。 背向散射記錄曲線背向散射記錄曲線2)(itnCL當光纖存在故障點時，亦可采用此方法檢測。當光纖存在故障點時，亦可采用此方法檢測。故障點位置：故障點位置： 背向散射法與剪斷法、插人損耗法背向散射法與剪斷法、插人損耗法相比，突出的優(yōu)點是：相比，突出的優(yōu)點是：1它是一種非破壞性的測量方法。它是一種非破壞性的測量方法。2它是一種單端口測量法，即測量只需在

12、光纖的它是一種單端口測量法，即測量只需在光纖的一端進行。這便于現(xiàn)場測量數(shù)公里的光纜。一端進行。這便于現(xiàn)場測量數(shù)公里的光纜。3它可以提供光纖損耗與長度關系的詳細信息。它可以提供光纖損耗與長度關系的詳細信息。因此，可檢測光纖的物理缺陷或斷裂點位置，測量因此，可檢測光纖的物理缺陷或斷裂點位置，測量接頭損耗和位置，以及測量光纖長度等。接頭損耗和位置，以及測量光纖長度等。測量誤差來源于系統(tǒng)的噪聲，光纖本身參數(shù)的不均勻性以及前、測量誤差來源于系統(tǒng)的噪聲，光纖本身參數(shù)的不均勻性以及前、后散射功率分布的不均勻性等。通常，最大誤差可減小到后散射功率分布的不均勻性等。通常，最大誤差可減小到0.1dB。背向散射法測

13、量衰減時存在的主要問題是：。背向散射法測量衰減時存在的主要問題是： 1由于背向散射系數(shù)非常小，因此注入端需要非常大的光由于背向散射系數(shù)非常小，因此注入端需要非常大的光功率。功率。 2. 由于散射體密度或數(shù)值孔徑的影響，脈沖寬度值呈現(xiàn)不由于散射體密度或數(shù)值孔徑的影響，脈沖寬度值呈現(xiàn)不均勻性從而產(chǎn)生某些測量的不確定性。均勻性從而產(chǎn)生某些測量的不確定性。 3測量的分辨率、信噪比和動態(tài)范圍之間存在矛盾。如要測量的分辨率、信噪比和動態(tài)范圍之間存在矛盾。如要提高故障檢測的分辨率，則脈沖的能量要降低，因而信噪比和提高故障檢測的分辨率，則脈沖的能量要降低，因而信噪比和動態(tài)范圍均下降。動態(tài)范圍均下降。 由于背向

14、散射法存在上述缺點，故不能作為衰減測量的基準由于背向散射法存在上述缺點，故不能作為衰減測量的基準方法。如懷疑其測量結(jié)果時，應以切斷法的測量結(jié)果為標準。方法。如懷疑其測量結(jié)果時，應以切斷法的測量結(jié)果為標準。 剪斷法是根據(jù)損耗系數(shù)的定義，直接測量剪斷法是根據(jù)損耗系數(shù)的定義，直接測量傳輸光功率而實現(xiàn)的，所用儀器簡單，測傳輸光功率而實現(xiàn)的，所用儀器簡單，測量結(jié)果準確，因而被確定為基準方法。但量結(jié)果準確，因而被確定為基準方法。但這種方法是破壞性的，不利于多次重復測這種方法是破壞性的，不利于多次重復測量。在實際應用中，可以采用插入法和背量。在實際應用中，可以采用插入法和背向散射法作為替代方法。插入法和背向

15、散向散射法作為替代方法。插入法和背向散射法可以根據(jù)工作環(huán)境，靈活運用。但準射法可以根據(jù)工作環(huán)境，靈活運用。但準確度不如剪斷法。確度不如剪斷法。OTDR是利用背向散射法所做成的儀器。用單脈沖是利用背向散射法所做成的儀器。用單脈沖做探測信號的傳統(tǒng)的做探測信號的傳統(tǒng)的OTDR 存在著分辨率和信噪比、存在著分辨率和信噪比、動態(tài)范圍、測量時間之間的矛盾。動態(tài)范圍、測量時間之間的矛盾。如何解決這個矛盾？原則：在保證分辨率的前提下，如何解決這個矛盾？原則：在保證分辨率的前提下，盡可能提高信噪比和動態(tài)范圍，并減少測量時間。盡可能提高信噪比和動態(tài)范圍，并減少測量時間。 式中式中為脈沖寬度。對單脈沖來說其能量取決

16、于脈為脈沖寬度。對單脈沖來說其能量取決于脈寬，故瑞利散射回來的信號能量也取決于脈寬，因而，寬，故瑞利散射回來的信號能量也取決于脈寬，因而，提高分辨勢必降低信噪比，怎樣才能在不加寬單脈沖提高分辨勢必降低信噪比，怎樣才能在不加寬單脈沖寬度的基礎上提高脈沖的能量呢寬度的基礎上提高脈沖的能量呢?采用編碼信號代替單脈沖可以解決上述的矛盾。此時，采用編碼信號代替單脈沖可以解決上述的矛盾。此時，響應的分辨率取決于編碼序列的碼元寬度，不取決于響應的分辨率取決于編碼序列的碼元寬度，不取決于編碼序列的總長度。然而，信號的能量取決于編碼序編碼序列的總長度。然而，信號的能量取決于編碼序列的相關長度，其相關長度越長越好

17、。列的相關長度，其相關長度越長越好。例如糾錯編碼序列，一種是偽隨機序列。例如糾錯編碼序列，一種是偽隨機序列?？煞直娴膬蓚€故障點的最小距離為可分辨的兩個故障點的最小距離為 使用數(shù)字相關技術，對單模光纖在使用數(shù)字相關技術，對單模光纖在1300 nm時能產(chǎn)生時能產(chǎn)生28dB的動態(tài)測量范圍。它比傳統(tǒng)的的動態(tài)測量范圍。它比傳統(tǒng)的OTDR 測量速度快測量速度快150倍，功率分辨率達倍，功率分辨率達0.01 dB，距離分辨率為距離分辨率為1m，最大測量距離為，最大測量距離為200 km。 OTDR 內(nèi)部有一個內(nèi)部有一個32位微處理器，用以自動計算連位微處理器，用以自動計算連接損耗。它可提供寬度為接損耗。它可

18、提供寬度為125ns、250ns、500ns、1m ms、2m ms、4m ms、8m ms幾種探測脈沖。光源波長可幾種探測脈沖。光源波長可選擇選擇1300nm和和1540nm兩種低損耗波長。連接損兩種低損耗波長。連接損耗測量的重復性誤差以耗測量的重復性誤差以95的概率優(yōu)于的概率優(yōu)于0.015dB衰衰減系數(shù)的測量誤差以減系數(shù)的測量誤差以95的概率小于的概率小于0.015dBkm . HP 8145A采用格林碼作為輸入光的調(diào)制信號。采用格林碼作為輸入光的調(diào)制信號。格林碼是一種糾錯編碼脈沖。它的自相關函數(shù)的格林碼是一種糾錯編碼脈沖。它的自相關函數(shù)的特點是主瓣特點是主瓣(時域時域)近似于一個近似于一

19、個d d函數(shù)，而旁瓣很小函數(shù)，而旁瓣很小(實際可達峰值的實際可達峰值的10)。1957 1957 年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)循環(huán)性循環(huán)性任一許用碼字經(jīng)過循環(huán)移位后，得到的任一許用碼字經(jīng)過循環(huán)移位后，得到的碼組仍為一個許用碼組碼組仍為一個許用碼組如如 是循環(huán)碼的一許用碼組是循環(huán)碼的一許用碼組 則則 也是一許用碼組也是一許用碼組 )(0123456aaaaaaa)(1234560aaaaaaaA1 : 1 1 0 0 1 0 1A1左移左移 3 位后，得位后，得A2 A2: 0 1 0 1 1 1 0美國美國Acterna公司公司 MTS 5000光時域反射儀光時域反射儀 美國Acterna公司 用背向散射法測量光纖損耗的根據(jù)是什么用背向散射法測量光纖損耗的根據(jù)是什么?各院（系）：各院（系）：為了加強對學生學習的過程管理，加強學風建設，提高教學質(zhì)量，為了加強對學生學習的過程管理，加強學風建設，提高教學質(zhì)量，特對特對蘇州大學普通高等教育本、?？瓶荚嚬ぷ鞯囊?guī)定蘇州大學普通高等教育本、專科考試工作的規(guī)定（蘇大教（蘇大教號）文中的本科生的必修課程的考試作如下補充說號）文中的本科生的必修課程的考試作如下補充說明：明：、本科生的必修課程必須進行期中考試，期中考試的成績占總、本科生的必修課程必須進行期中考試，期中考試的成績占總成績的成績的，期中考試的試卷交由學院