光纖技術(shù)--第三章光纖衰減測量PPT課件

,光纖傳感技術(shù),FiberOpticalSensor,第三章光纖衰減測量,MeasurementofFiberAttenuation,0.70.80.91.01.11.21.31.41.5,衰減（dB/km）,波長（m）,普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖,內(nèi)容,一、衰減測量的光激勵二、剪斷法三、插入損耗法四、背向散射法五、光時域反射計,1多模光纖的注入條件當(dāng)光耦合進(jìn)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同，傳輸時的損耗也不相同，而且由于光纖的彎曲及結(jié)構(gòu)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)過相當(dāng)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率，于是各個模式攜帶和傳送的光功率達(dá)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)的測量，只有在它達(dá)到穩(wěn)態(tài)模分布之后才有意義,光纖測量的注入條件,一、衰減測量的光激勵,能使多模光纖達(dá)到穩(wěn)態(tài)模分布的注入條件有兩種方式：滿注入和限制注入所謂滿注入就是要均勻地激勵起所有的傳導(dǎo)模式，而限制注入就是只激勵起較低損耗的低階模，而適當(dāng)?shù)囊种茡p耗較大的高階模當(dāng)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，會由于被測光纖長度不同而使輸出光功率不同，從而產(chǎn)生測量誤差。,一、衰減測量的光激勵,1多模光纖的注入條件,無論以哪種注入方式，要達(dá)到穩(wěn)態(tài)模分布需要配置的設(shè)備有：擾模器、濾模器和包層模剝除器擾模器要達(dá)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)模耦合原理，采用強(qiáng)烈的幾何擾動的方法就能使多模光纖各模式迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布，這種器件稱為擾模器,穩(wěn)態(tài)模功率分布模擬裝置,一、衰減測量的光激勵,濾摸器當(dāng)光耦合進(jìn)光纖時會激起瞬態(tài)?；蚱渌恍枰膫鲗?dǎo)模，為了測量準(zhǔn)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都較大如對光纖稍加彎曲，這些模很塊就會衰減掉,一、衰減測量的光激勵,當(dāng)光耦合進(jìn)光纖時，不僅會激起傳導(dǎo)模，還會激起非傳導(dǎo)的輻射模輻射到包層中當(dāng)光纖的涂敷層的折射率比包層的折射率低時，輻射模會在包層與涂覆層界面上發(fā)生全反射，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(yán)重影響，所以需要除去包層模剝除器是一種使包層模轉(zhuǎn)換成輻射模的部件，它可以將包層模從光纖中除掉。,包層模剝除器,一、衰減測量的光激勵,2單模光纖的注入條件在測量單模光纖的衰減時，由于光纖只傳導(dǎo)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(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)來注入。這些方法的具體要求應(yīng)根據(jù)實驗來確定，目前尚無明確的規(guī)定。,一、衰減測量的光激勵,二、剪斷法,測量原理,L(km)為光纖的長度，P1為輸入光功率，P2為輸出光功率.,剪斷法是一種按衰減定義進(jìn)行測量的方法。,首先，測量整根光纖的輸出光功率P2，然后，保持注入條件不變，在離注入端約2米處切斷光纖，并測量該短光纖的輸出光功率P1。由于測量是在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行的，且約2米光纖的衰減可忽略不計，故可將P1看作是被測光纖的始端注入功率。剪斷法測量準(zhǔn)確度高(誤差小于0.1dB)，它是一種光纖衰減測量的標(biāo)準(zhǔn)方法。,二、剪斷法,2米,在測量衰減時，通常的剪斷法要求兩次測量，且在光纖始端和終端使用同一個光源和探測器。,二、剪斷法,衰減譜測量,注入系統(tǒng),波長濾光器,二、剪斷法,寬光譜,測量原理,(a)校準(zhǔn)輸入?yún)⒖茧娖?(b)衰減測量,三、插入損耗法,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，稱為背向散射法。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。,四、背向散射法（又稱后向散射法）,背向散射法原理,P后散射=kPi,用對數(shù)表示：lgP后散射=lgPi+lgk,四、背向散射法,背向散射法是將大功率的窄脈沖光注人待測光纖，然后在同一端檢測沿光纖軸向向后返回的散射光功率。,背向散射法測量原理框圖,信號的接收和處理,接收：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APD和場效應(yīng)管FET。信號處理：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測出來，必須采用一種降低噪聲的信號處理方法。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，且信號是周朗的，可以不斷積累，因此信噪比可以提高。,背向散射記錄曲線,當(dāng)光纖存在故障點時，亦可采用此方法檢測。,故障點位置：,背向散射法與剪斷法、插人損耗法相比，突出的優(yōu)點是：1它是一種非破壞性的測量方法。2它是一種單端口測量法，即測量只需在光纖的一端進(jìn)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(guān)系的詳細(xì)信息。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。,背向散射法優(yōu)點,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0.1dB。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。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(zhǔn)方法。如懷疑其測量結(jié)果時，應(yīng)以切斷法的測量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)。,背向散射法的測量誤差,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，測量結(jié)果準(zhǔn)確，因而被確定為基準(zhǔn)方法。但這種方法是破壞性的，不利于多次重復(fù)測量。在實際應(yīng)用中，可以采用插入法和背向散射法作為替代方法。插入法和背向散射法可以根據(jù)工作環(huán)境，靈活運用。但準(zhǔn)確度不如剪斷法。,剪斷法與插入法、背向散射法比較,OTDR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OTDR存在著分辨率和信噪比、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，盡可能提高信噪比和動態(tài)范圍，并減少測量時間。,五、光時域反射計(OTDR）(Opticaltimedomainreflectometer),式中為脈沖寬度。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，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(chǔ)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，響應(yīng)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列的相關(guān)長度，其相關(guān)長度越長越好。例如糾錯編碼序列，一種是偽隨機(jī)序列。,可分辨的兩個故障點的最小距離為,美國HP公司8145A型OTDR簡介,8145A使用數(shù)字相關(guān)技術(shù)，對單模光纖在1300nm時能產(chǎn)生28dB的動態(tài)測量范圍。它比傳統(tǒng)的OTDR測量速度快150倍，功率分辨率達(dá)0.01dB，距離分辨率為1m，最大測量距離為200km。OTDR內(nèi)部有一個32位微處理器，用以自動計算連接損耗。它可提供寬度為125ns、250ns、500ns、1ms、2ms、4ms、8ms幾種探測脈沖。光源波長可選擇1300nm和1540nm兩種低損耗波長。連接損耗測量的重復(fù)性誤差以95的概率優(yōu)于0.015dB衰減系數(shù)的測量誤差以95的概率小于0.015dBkm.,HP8145A工作原理,HP8145A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(guān)函數(shù)的特點是主瓣(時域)近似于一個d函數(shù)，而旁瓣很小(實際可達(dá)峰值的10)。,格林碼（循環(huán)碼Cycliccode),1957年發(fā)現(xiàn)循環(huán)性任一許用碼字經(jīng)過循環(huán)移位后，得到的碼組仍為一個許用碼組如是循環(huán)碼的一許用碼組則也是一許用碼組,A1:1100101,格林碼例子,A1左移3位后，得A2,A2:0101110,格林碼自相關(guān)函數(shù),互補(bǔ)格林碼自相關(guān)函數(shù),HP8145A工作原理框圖,美國Acterna公司MTS5000光時域反射儀,美國Acterna公司,第三章思考題,2.5光纖定向耦合器,用背向散射法測量光纖損耗的根據(jù)是什么?,各院（系）：為了加強(qiáng)對學(xué)生學(xué)習(xí)的過程管理，加強(qiáng)學(xué)風(fēng)建設(shè)，提高教學(xué)質(zhì)量，特對蘇州大學(xué)普通高等教育本、?？瓶荚嚬ぷ鞯囊?guī)定（蘇大教號）文中的本科生的必修課程的考試作如下補(bǔ)充說明：、本科生的必修課程必須進(jìn)行期中考試，期中考試的成績占總成績的，期中考試的試卷交由學(xué)院（系）保存。、教師要檢查學(xué)生的出勤情況，出勤情況和作業(yè)情況計入成績，占總成績的。、期末考試成績占總成績的。、有條件的課程可以組織一定數(shù)量的小測驗，計入平時成績，可對上面的比例作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。特此通知。教務(wù)處2006年10月8日,關(guān)于加強(qiáng)必修課程考試工作的通知,校準(zhǔn)輸入?yún)⒖茧娖?返回,衰減測量,返回,a由于耦合部件和光纖前端面引起的菲涅耳反射