CN113824519B - 一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法，包括根据少模光纤背向瑞利散射理论，建立背向瑞利散射模型，并构建全光纤匹配优化光路，实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，以得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线；根据熔接故障点空间模式耦合理论，并结合高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线，估计出各级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵；采用估计的动态空间模式串扰矩阵，重构高阶空间模式背向散射功率分布，并测量得到无串扰高阶空间模式幅值衰减分布曲线，以实现故障检测灵敏度优化。实施本发明，能消除少模光纤级联式动态空间模式串扰对熔接故障损耗大小的影响，实现优化少模光纤链路故障检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤故障检测技术领域，尤其涉及一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法及装置。
背景技术
在全球数据流量呈爆发式增长的背景下，发展新型传输技术是学术界和工业界竞相研究和角逐的热点。
目前，新一代基于少模光纤(Few-mode fiber,FMF)的模分复用(Mode DivisionMultiplexing,MDM)通信技术备受青睐，该技术利用少模光纤中有限的正交模式作为独立信道进行信息传输，可以成倍提升系统传输容量，突破传统单模光纤系统容量极限。近年来人们对模式分集复用的研究方兴未艾，也取得了很多振奋人心的研究成果，使得光纤通信在“超大容量、超长距离、超高速率”领域迈上了新的台阶，成为实现低时延大带宽5G网络、接入网、数据中心等 Tbit/s甚至Pbit/s传输容量最具竞争力的扩容方案。面对少模光纤研发、网络建设及应用的快速发展，迫切需求与之配套的故障监测技术协调发展，确保长距离大容量少模光纤链路的可靠、高效运行。因此，研究新型少模光纤链路故障检测技术意义重大。
目前，光纤故障检测主要有以下几个技术方案，具体包括：光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer,OTDR)、光频域反射仪(Optical FrequencyDomain Reflectometer,OFDR)、混沌OTDR技术、传输反射分析技术 (TransmissionReflection Analysis,TRA)及高阶空间模式故障检测方法 (High-order Mode FaultDetection，HMFD)等。
在OTDR、OFDR、混沌OTDR及TRA方法中，均是通过测量基模LP01 特性进行故障检测，较好的实现了单模光纤链路高动态范围、高空空间分辨率的故障表征，但是都无法实现高阶空间模式故障特性的测量，使得针对支持多个空间模式且每个空间模式传输损耗特性存在较大差异的少模光纤而言，仅通过测量基模LP01特性进行少模光纤链路故障检测灵敏度优化显然是不准确且不全面的。在HMFD方法中，是通过利用高阶空间模式的高灵敏度检测特性，可较好的实现了少模光纤链路故障的精确定位，但是该方法在实际故障检测时，由于少模光纤链路熔接点处动态空间模式串扰的存在，使得高阶空间模式熔接故障损耗大小受到较大扰动，进而无法获取高阶空间模式背向散射高纯净度幅值分布，降低了基于高阶空间模式的少模光纤链路故障检测灵敏度优化灵敏度。
因此，为实现少模光纤链路故障的精确检测及定位，有必要提出一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法，能从根源上消除熔接点级联式动态串扰累积对高阶空间模式故障损耗大小的影响，优化少模光纤链路故障检测灵敏度。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法及装置，能够消除少模光纤级联式动态空间模式串扰对熔接故障损耗大小的影响，实现优化少模光纤链路故障检测灵敏度。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法，所述方法包括以下步骤：
S1、根据少模光纤背向瑞利散射理论，建立级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型，并根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路，且进一步实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，以得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线；
S2、根据熔接故障点空间模式耦合理论，并结合测量得到的高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线，估计出各级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵；
S3、采用估计的动态空间模式串扰矩阵，重构高阶空间模式背向散射功率分布，并进一步测量得到无串扰高阶空间模式幅值衰减分布曲线，以实现高阶空间模式故障检测灵敏度的优化。
其中，所述步骤S1包括：
确定少模光纤可支持的模式及其存在的多个故障点；
根据少模光纤背向瑞利散射理论，确定少模光纤各空间模式的背向瑞利散射功率，并基于少模光纤链路由纵向扰动引起的空间模式串扰相对于熔接点模式引入的串扰可忽略不计的原则，将所述背向瑞利散射功率转换为级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型；
根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路；其中，所述全光纤匹配优化光路由光纤环形器与光子灯笼构成，且少模光纤环形器与光子灯笼少模尾纤几何参数相一致；
基于所述全光纤匹配优化光路进行测量，实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线。
其中，所述少模光纤可支持的模式为LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b,....，LPi，下角标i(i＝1,2,3, …)为少模光纤的模式标号；所述故障点有m个，分别处于z0， z1，…，zm距离处；
所述少模光纤各空间模式的背向瑞利散射功率表示为：Pbs＝[P01 P11a P11b P21aP21b P02…]T；
所述背向瑞利散射模型表示为其中，Pbs＝[Pbs01 Pbs11a Pbs11b Pbs21a Psb21b Psb02 …]T；Pbsi(i＝1,2,3, …)分别代表空间模式 LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b和LP02更高阶模式的背向散射功率；B为总的背向捕获系数；κs1，κs2，…κsm分别依次代表从光纤传输端到结束端各熔接点处的动态空间模式串扰矩阵。
其中，所述步骤S2包括：
步骤S21、通过获取的背向散射功率幅值分布，可以得到LP01模式位于熔接点的z0处受串扰影响下的损耗值，LP01模式耦合系数与模式损耗α(d)之间关系可以近似表示为α(d)＝-10lgη01-01，其中，η01-01＝exp(-d2/ω2)，由于待测的少模光纤已知模场直径参数为已知量，可得到位于故障点z0处的熔接偏移量大小d，即可得到光纤熔接截面的径向偏移量r；
步骤S22、根据模式耦合系数计算公式可得各模式之间模式耦合系数；其中，Em，En分别表示入射模与激发模的电场分布，电场分布通式为其中， L为拉盖尔多项式；
步骤S23、考虑一个可支持i阶高阶模式的(LP01，LP11a，LP11b，LP21a， LP21b，LP02，…)的少模光纤作为被测光纤，则该被测光纤中的熔接故障点z0的动态串扰矩阵可表示为：
步骤S24、重复步骤S21至步骤S23，可以得到被测光纤中的熔接故障点z1， z2，…，zm距离处动态串扰矩阵κs1，κs2，…，κsm，从而估计出所有级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵。
其中，所述步骤S3包括：
消除由z0距离处故障点引入的串扰，即将公式zm≤z≤zm+1乘以κs1的逆矩阵κs1 -1，得到重构后的功率矩阵如下：
zm≤z≤zm+1，可以得到熔接点z1处高阶空间模式熔接故障损耗真实大小；
在少模光纤链路中有m个熔接故障点，可以依次消除前端级联式熔接故障串扰，获得不同距离z1，z2，…，zm处熔接故障的实际损耗大小，实现少模光纤链路的高灵敏度故障检测。
本发明实施例还提供了一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化装置，包括：
背向瑞利散射幅值分布曲线获取单元，用于根据少模光纤背向瑞利散射理论，建立级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型，并根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路，且进一步实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，以得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线；
动态空间模式串扰矩阵估测单元，用于根据熔接故障点空间模式耦合理论，并结合测量得到的高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线，估计出各级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵；
背向瑞利散射幅值分布曲线优化重测单元，用于采用估计的动态空间模式串扰矩阵，重构高阶空间模式背向散射功率分布，并进一步测量得到无串扰高阶空间模式幅值衰减分布曲线，以实现高阶空间模式故障检测灵敏度的优化。
其中，所述背向瑞利散射幅值分布曲线获取单元包括：
待测少模光纤确定模块，用于确定少模光纤可支持的模式及其存在的多个故障点；
背向瑞利散射模型建立模块，用于根据少模光纤背向瑞利散射理论，确定少模光纤各空间模式的背向瑞利散射功率，并基于少模光纤链路由纵向扰动引起的空间模式串扰相对于熔接点模式引入的串扰可忽略不计的原则，将所述背向瑞利散射功率转换为级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型；
全光纤匹配优化光路构建模块，用于根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路；其中，所述全光纤匹配优化光路由光纤环形器与光子灯笼构成，且少模光纤环形器与光子灯笼少模尾纤几何参数相一致；
背向瑞利散射幅值分布曲线同步测量模块，用于基于所述全光纤匹配优化光路进行测量，实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线。
其中，所述少模光纤可支持的模式为LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b,…，LPi，下角标i(i＝1,2,3, …)为少模光纤的模式标号；所述故障点有m个，分别处于z0， z1，…，zm距离处；
所述少模光纤各空间模式的背向瑞利散射功率表示为：Pbs＝[P01 P11a P11b P21aP21b P02 …]T；
所述背向瑞利散射模型表示为zm≤z≤zm+1；其中，Pbs＝[Pbs01 Pbs11a Pbs11b Pbs21a Psb21b Psb02…]T；Pbsi(i＝1,2,3, …)分别代表空间模式LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b和LP02更高阶模式的背向散射功率；B为总的背向捕获系数；κs1，κs2，…κsm分别依次代表从光纤传输端到结束端各熔接点处的动态空间模式串扰矩阵。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明采用基于高阶模式波形重构的动态串扰消除方案，通过高阶间模式背向瑞利散射波形估计动态模式串扰矩阵，并进行高阶模式波形重构，消除动态模式串扰累积对高阶模式故障损耗大小的影响，有效解决动态模式串扰累积效应导致的少模光反射仪故障检测灵敏度劣化问题，从而能够消除少模光纤级联式动态空间模式串扰对熔接故障损耗大小的影响，实现优化少模光纤链路故障检测灵敏度；
2、本发明分考虑高阶模式损耗机理及其自身的特殊性，无需光学器件，在电域利用先进的数字信号处理技术即可有效消除动态模式串扰对故障检测灵敏度的影响，简单有效，易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法的原理图；
图3为本发明实施例提供的一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法的应用场景中第一个熔接点偏移分别为0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm，第二个熔接点均为0.5μm时，LP11模式在重构前与重构后的背向散射功率分布对比图；
图4为本发明实施例提供的一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法的应用场景中LP11模式在熔接故障点z1处波形重构前后损耗变化图；
图5为本发明实施例提供的一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法的应用场景中不同熔接点处波形重构灵敏度变化曲线图；
图6为本发明实施例提供的一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、根据少模光纤背向瑞利散射理论，建立级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型，并根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路，且进一步实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，以得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线；
具体过程为，首先，确定少模光纤可支持的模式及其存在的多个故障点；其中，少模光纤可支持的模式为LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b,…，LPi，下角标i (i＝1,2,3, …)为少模光纤的模式标号；所述故障点有m个，分别处于z0，z1，…， zm距离处。
其次，根据少模光纤背向瑞利散射理论，确定少模光纤各空间模式的背向瑞利散射功率，表示为：Pbs＝[P01 P11a P11b P21a P21b P02 …]T。应当说明的是，当探测脉冲由少模光纤z＝0处注入少模光纤空间模式LPi中，下角标i (i＝1,2,3, …)表示少模光纤的模式标号(01，11a，11b，21a，21b，02，…)，该输入功率表示为Pin＝[P01 P11a P11b P21a P21b P02…]T，上标T表示一个矩阵的转置。
基于少模光纤链路由纵向扰动引起的空间模式串扰相对于熔接点模式引入的串扰可忽略不计的原则，将背向瑞利散射功率转换为级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型，表示为如公式(1)所示：
其中，Pbs＝[Pbs01 Pbs11a Pbs11b Pbs21a Psb21b Psb02 L]T；Pbsi(i＝1,2,3, …)分别代表空间模式LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b和LP02更高阶模式的背向散射功率； B为总的背向捕获系数；κs1，κs2，…κsm分别依次代表从光纤传输端到结束端各熔接点处的动态空间模式串扰矩阵。
然后，根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路，如图2所示；其中，全光纤匹配优化光路由光纤环形器与光子灯笼构成，且少模光纤环形器与光子灯笼少模尾纤几何参数相一致。应当说明的是，当光子灯笼正向使用时可以实现模式转换和复用，而逆向使用时可以实现模式分离和解复用，考虑光子灯笼少模尾纤几何参数，通过精细调控少模光纤环形器3端口少模尾纤参数，设计与其相匹配的少模光纤环形器，保证少模光纤环形器与光子灯笼少模尾纤参数一致性，完成光路模块的全光纤匹配优化，实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量。
最后，基于全光纤匹配优化光路进行测量，实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线
步骤S2、根据熔接故障点空间模式耦合理论，并结合测量得到的高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线，估计出各级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵；
具体过程为，根据步骤S1获取的背向散射功率幅值分布及熔接故障点空间模式耦合理论，估计各级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵κs1；其中，κs1中各耦合系数可表示为ηm-n，m,n分别为代表01，11a，11b，21a，21b，02等更高阶的空间模式下标。
在一个实施例中，以LP01模式位于熔接点的z0处受串扰影响为例进行说明，具体如下：通过获取的背向散射功率幅值分布，可以得到LP01模式位于熔接点的z0处受串扰影响下的损耗值，LP01模式耦合系数与模式损耗α(d)之间关系可以近似表示为α(d)＝-10lgη01-01，其中，η01-01＝exp(-d2/ω2)，由于待测的少模光纤已知模场直径参数为已知量，可得到位于故障点z0处的熔接偏移量大小d，即可得到光纤熔接截面的径向偏移量r。
然后，根据模式耦合系数计算公式可得各模式之间模式耦合系数；其中，Em，En分别表示入射模与激发模的电场分布，电场分布通式为其中，L为拉盖尔多项式。
考虑一个可支持i阶高阶模式的(LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b，LP02，…)的少模光纤作为被测光纤，则该被测光纤中的熔接故障点z0的动态串扰矩阵可表示为：
同理，可以得到被测光纤中的熔接故障点z1，z2，…，zm距离处动态串扰矩阵κs1，κs2，…，κsm，从而估计出所有级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵。
步骤S3、采用估计的动态空间模式串扰矩阵，重构高阶空间模式背向散射功率分布，并进一步测量得到无串扰高阶空间模式幅值衰减分布曲线，以实现高阶空间模式故障检测灵敏度的优化。
具体过程为，由公式(1)可知，在光纤距离z0之后，会受到功率转换矩阵κs1的影响，即背向散射功率会受到由熔接故障点z0引起的串扰影响，进而无法获取高纯净度的背向瑞利散射功率，故障点z1幅值损耗大小无法准确表征，故障检测灵敏度受到影响。
因此，需要消除由z0距离处故障点引入的串扰，即将公式(1)乘以κs1的逆矩阵κs1 -1，得到重构后的功率矩阵如下：
由式(2)，可以得到熔接点z1处高阶空间模式熔接故障损耗真实大小，而不受由于前面熔接串扰的影响。
同理，在少模光纤链路中有m个熔接故障点，可以依次消除前端级联式熔接故障串扰，获得不同距离z1，z2，…，zm处熔接故障的实际损耗大小，实现少模光纤链路的高灵敏度故障检测。
如图3至图5所示，以使用可支持LP01、LP11两个空间模式且在熔接故障动态空间模式串扰条件下的少模光纤为例，对本发明实施例中提供的一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法的应用场景做进一步说明：
首先，连续光载波经电光调制器(EOM)调制生成探测光脉冲，调制光脉冲经由环形器进入全光纤匹配优化光路进行空间模式转换产生相应激发模式，然后，注入到待测光纤(FUT)中，被测光纤中瑞利散射功率返回全光纤匹配优化光路进行空间模式分离，分离后的各模式背向瑞利散射光经光电探测PD输出多路电信号，最后，进入数字信号处理模块进行高阶模式背向瑞利散射分布波形重构，消除动态模式串扰，获取高纯度精度幅值分布，以此实现少模光纤高阶模式的高灵敏度故障检测。
第一步、高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布同步测量，考虑一个可支持 2-LP(LP01、LP11)的少模光纤作为被测的光纤，其光纤长度为3km。以m＝2 为例，即分别在光纤的z0和z1距离处引入熔接故障点，其中，z0处故障偏移分别设置6组数据，偏移分别为0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm时，研究对于下一个熔接点z1处偏移量为0.5μm故障检测灵敏度的影响。
第二步、探测脉冲由少模光纤z＝0处注入少模光纤空间模式LPi中，下角标 i(i＝1,2)表示少模光纤的模式标号(01，11)，该输入功率表示为Pin＝[P01 P11]T，上标T表示一个矩阵的转置。由于少模光纤链路由纵向扰动引起的空间模式串扰相对于熔接点模式引入的串扰可以忽略不计，则各空间模式的背散射功率Pbs可以写成如下：
其中，Pbs＝[P01 P11]T，Pbsi(i＝1,2)分别代表空间模式LP01、LP11的背向散射功率；B为总的背向捕获系数；κs1，κs2分别代表在熔接点z0，z1两点处的模式功率串扰矩阵。
第三步、高阶空间模式动态串扰矩阵估计，根据图3中背散射功率Pbs及熔接故障点空间模式耦合理论，构建模式耦合矩阵κs1：
κs1＝[η01-01 η01-11；η11-01 η11-11]T (4)
其中，η01-01为LP01与LP01之间的耦合系数；η01-11与η11-01为LP01与LP11之间的耦合系数；η11-11为LP11与LP11之间的耦合系数，分别由计算得到。
第四步、高阶空间模式背向瑞利散射分布动态空间模式串扰消除，由公式 (1)可知，在光纤距离z1之后，会受到功率转换矩阵κs1的影响，即背向散射功率会受到由熔接故障点z0引起的串扰影响，进而无法获取高纯净度的背向瑞利散射功率，故障点z1幅值损耗大小无法准确表征，故障检测灵敏度降低。因此，需要消除由z0距离处故障点引入的串扰，即将公式(3)乘以κs1的逆矩阵κs1 -1，得到重构后的功率矩阵如下：
第五步、为了验证第一个熔接故障点处产生的模式串扰累积效应对于下一级熔接故障点(偏移量为0.5μm)的影响，本实施例分别设定第一熔接点z0处偏移分别为0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm时，研究对于下一个熔接点z1处偏移量为0.5μm故障检测灵敏度的影响。
第六步、通过设置六组z0处熔接偏移分别为0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、 0.9μm、1.0μm，熔接故障z1处均为0.5μm来进行分析，通过所得到的各模式背向功率经过数据处理之后得到LP11模式在重构前与重构后的背向散射功率分布图，结果如图3所示。根据图3中不同偏移量下，得到波形重构前后故障点z1处的损耗值大小，结果如图4所示，重构前，随着z0处偏移量的增大，LP11模式熔接故障幅值出现下降，而重构后，LP11模式故障幅值出现了提高，故障表征得到了有效提升。
第七步、通过以上结果，结合公式(5)可以得到LP11模式在波形重构后，后一级故障点z1处的灵敏度变化曲线图。对比可以发现，根据图2中故障检测灵敏度的定义，波形重构后，LP11模式故障损耗表征得到了提高。如图5所示，消除了第一个熔接故障点z0引起的串扰累积效应的影响，第二个熔接故障点z1处所测LP11模式故障检测灵敏度随z0处偏移量(串扰消除量)的增大逐渐增大。相同耦合系数条件下，LP01激发条件的LP11功率大小要高于LP11激发条件下LP11功率大小，因此LP11-LP11模式波形重构前后故障点处的损耗差值要低于LP01-LP11。
如图6所示，为本发明实施例中，提供的一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化装置，包括：
背向瑞利散射幅值分布曲线获取单元110，用于根据少模光纤背向瑞利散射理论，建立级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型，并根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路，且进一步实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，以得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线；
动态空间模式串扰矩阵估测单元120，用于根据熔接故障点空间模式耦合理论，并结合测量得到的高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线，估计出各级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵；
背向瑞利散射幅值分布曲线优化重测单元130，用于采用估计的动态空间模式串扰矩阵，重构高阶空间模式背向散射功率分布，并进一步测量得到无串扰高阶空间模式幅值衰减分布曲线，以实现高阶空间模式故障检测灵敏度的优化。
其中，所述背向瑞利散射幅值分布曲线获取单元110包括：
待测少模光纤确定模块，用于确定少模光纤可支持的模式及其存在的多个故障点；
背向瑞利散射模型建立模块，用于根据少模光纤背向瑞利散射理论，确定少模光纤各空间模式的背向瑞利散射功率，并基于少模光纤链路由纵向扰动引起的空间模式串扰相对于熔接点模式引入的串扰可忽略不计的原则，将所述背向瑞利散射功率转换为级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型；
全光纤匹配优化光路构建模块，用于根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路；其中，所述全光纤匹配优化光路由光纤环形器与光子灯笼构成，且少模光纤环形器与光子灯笼少模尾纤几何参数相一致；
背向瑞利散射幅值分布曲线同步测量模块，用于基于所述全光纤匹配优化光路进行测量，实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线。
其中，所述少模光纤可支持的模式为LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b,…，LPi，下角标i(i＝1,2,3, …)为少模光纤的模式标号；所述故障点有m个，分别处于z0， z1，…，zm距离处；
所述少模光纤各空间模式的背向瑞利散射功率表示为：Pbs＝[P01 P11a P11b P21aP21b P02 …]T；
所述背向瑞利散射模型表示为其中，Pbs＝[Pbs01 Pbs11a Pbs11b Pbs21a Psb21b Psb02 …]T；Pbsi(i＝1,2,3, …)分别代表空间模式 LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b和LP02更高阶模式的背向散射功率；B为总的背向捕获系数；κs1，κs2，…κsm分别依次代表从光纤传输端到结束端各熔接点处的动态空间模式串扰矩阵。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明采用基于高阶模式波形重构的动态串扰消除方案，通过高阶间模式背向瑞利散射波形估计动态模式串扰矩阵，并进行高阶模式波形重构，消除动态模式串扰累积对高阶模式故障损耗大小的影响，有效解决动态模式串扰累积效应导致的少模光反射仪故障检测灵敏度劣化问题，从而能够消除少模光纤级联式动态空间模式串扰对熔接故障损耗大小的影响，实现优化少模光纤链路故障检测灵敏度；
2、本发明分考虑高阶模式损耗机理及其自身的特殊性，无需光学器件，在电域利用先进的数字信号处理技术即可有效消除动态模式串扰对故障检测灵敏度的影响，简单有效，易于实现。
值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (2)
1.一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、根据少模光纤背向瑞利散射理论，建立级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型，并根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路，且进一步实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，以得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线；
S2、根据熔接故障点空间模式耦合理论，并结合测量得到的高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线，估计出各级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵；
S3、采用估计的动态空间模式串扰矩阵，重构高阶空间模式背向散射功率分布，并进一步测量得到无串扰高阶空间模式幅值衰减分布曲线，以实现高阶空间模式故障检测灵敏度的优化；
所述步骤S1包括：
确定少模光纤可支持的模式及其存在的多个故障点；
根据少模光纤背向瑞利散射理论，确定少模光纤各空间模式的背向瑞利散射功率，并基于少模光纤链路由纵向扰动引起的空间模式串扰相对于熔接点模式引入的串扰可忽略不计的原则，将所述背向瑞利散射功率转换为级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型；
根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路；其中，所述全光纤匹配优化光路由光纤环形器与光子灯笼构成，且少模光纤环形器与光子灯笼少模尾纤几何参数相一致；
基于所述全光纤匹配优化光路进行测量，实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线；
所述少模光纤可支持的模式为LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b,…，LPi，下角标i(i＝1,2,3,…)为少模光纤的模式标号；所述故障点有m个，分别处于z0，z1，…，zm距离处；
所述少模光纤各空间模式的背向瑞利散射功率表示为：Pbs＝[P01 P11a P11b P21a P21bP02…]T；
所述背向瑞利散射模型表示为其中，Pbs＝[Pbs01 Pbs11a Pbs11b Pbs21a Psb21b Psb02…]T；Pbsi(i＝1,2,3,…)分别代表空间模式LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b和LP02更高阶模式的背向散射功率；B为总的背向捕获系数；κs1，κs2，…κsm分别依次代表从光纤传输端到结束端各熔接点处的动态空间模式串扰矩阵；
所述步骤S2包括：
步骤S21、通过获取的背向散射功率幅值分布，可以得到LP01模式位于熔接点的z0处受串扰影响下的损耗值，LP01模式耦合系数与模式损耗α(d)之间关系可以近似表示为α(d)＝-10lgη01-01，其中，η01-01＝exp(-d2/ω2)，由于待测的少模光纤已知模场直径参数为已知量，可得到位于故障点z0处的熔接偏移量大小d，即可得到光纤熔接截面的径向偏移量r；
步骤S22、根据模式耦合系数计算公式可得各模式之间模式耦合系数；其中，Em，En分别表示入射模与激发模的电场分布，电场分布通式为其中，L为拉盖尔多项式；
步骤S23、考虑一个可支持i阶高阶模式的(LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b，LP02，…)的少模光纤作为被测光纤，则该被测光纤中的熔接故障点z0的动态串扰矩阵可表示为：
步骤S24、重复步骤S21至步骤S23，可以得到被测光纤中的熔接故障点z1，z2，…，zm距离处动态串扰矩阵κs1，κs2，…，κsm，从而估计出所有级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵；
所述步骤S3包括：
消除由z0距离处故障点引入的串扰，即将公式乘以κs1的逆矩阵κs1 -1，得到重构后的功率矩阵如下：
可以得到熔接点z1处高阶空间模式熔接故障损耗真实大小；
在少模光纤链路中有m个熔接故障点，可以依次消除前端级联式熔接故障串扰，获得不同距离z1，z2，…，zm处熔接故障的实际损耗大小，实现少模光纤链路的高灵敏度故障检测。
2.一种少模光纤链路故障检测灵敏度优化装置，其特征在于，包括：
背向瑞利散射幅值分布曲线获取单元，用于根据少模光纤背向瑞利散射理论，建立级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型，并根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路，且进一步实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，以得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线；
动态空间模式串扰矩阵估测单元，用于根据熔接故障点空间模式耦合理论，并结合测量得到的高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线，估计出各级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵；
背向瑞利散射幅值分布曲线优化重测单元，用于采用估计的动态空间模式串扰矩阵，重构高阶空间模式背向散射功率分布，并进一步测量得到无串扰高阶空间模式幅值衰减分布曲线，以实现高阶空间模式故障检测灵敏度的优化；
所述背向瑞利散射幅值分布曲线获取单元包括：
待测少模光纤确定模块，用于确定少模光纤可支持的模式及其存在的多个故障点；
背向瑞利散射模型建立模块，用于根据少模光纤背向瑞利散射理论，确定少模光纤各空间模式的背向瑞利散射功率，并基于少模光纤链路由纵向扰动引起的空间模式串扰相对于熔接点模式引入的串扰可忽略不计的原则，将所述背向瑞利散射功率转换为级联式动态空间模式串扰条件下高阶空间模式背向瑞利散射模型；
全光纤匹配优化光路构建模块，用于根据所建立的背向瑞利散射模型，构建高效率低损耗的高阶空间模式激发与分离的全光纤匹配优化光路；其中，所述全光纤匹配优化光路由光纤环形器与光子灯笼构成，且少模光纤环形器与光子灯笼少模尾纤几何参数相一致；
背向瑞利散射幅值分布曲线同步测量模块，用于基于所述全光纤匹配优化光路进行测量，实现高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布的同步测量，得到高阶空间模式背向瑞利散射幅值分布曲线；
所述少模光纤可支持的模式为LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b,…，LPi，下角标i(i＝1,2,3,…)为少模光纤的模式标号；所述故障点有m个，分别处于z0，z1，…，zm距离处；
所述少模光纤各空间模式的背向瑞利散射功率表示为：Pbs＝[P01 P11a P11b P21a P21bP02…]T；
所述背向瑞利散射模型表示为其中，Pbs＝[Pbs01 Pbs11a Pbs11b Pbs21a Psb21b Psb02…]T；Pbsi(i＝1,2,3,…)分别代表空间模式LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b和LP02更高阶模式的背向散射功率；B为总的背向捕获系数；κs1，κs2，…κsm分别依次代表从光纤传输端到结束端各熔接点处的动态空间模式串扰矩阵；
通过获取的背向散射功率幅值分布，可以得到LP01模式位于熔接点的z0处受串扰影响下的损耗值，LP01模式耦合系数与模式损耗α(d)之间关系可以近似表示为α(d)＝-10lgη01-01，其中，η01-01＝exp(-d2/ω2)，由于待测的少模光纤已知模场直径参数为已知量，可得到位于故障点z0处的熔接偏移量大小d，即可得到光纤熔接截面的径向偏移量r；
根据模式耦合系数计算公式可得各模式之间模式耦合系数；其中，Em，En分别表示入射模与激发模的电场分布，电场分布通式为其中，L为拉盖尔多项式；
考虑一个可支持i阶高阶模式的(LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b，LP02，…)的少模光纤作为被测光纤，则该被测光纤中的熔接故障点z0的动态串扰矩阵可表示为：
重复步骤S21至步骤S23，可以得到被测光纤中的熔接故障点z1，z2，…，zm距离处动态串扰矩阵κs1，κs2，…，κsm，从而估计出所有级联熔接故障点处的动态空间模式串扰矩阵；
其中，所述步骤S3包括：
消除由z0距离处故障点引入的串扰，即将公式乘以κs1的逆矩阵κs1 -1，得到重构后的功率矩阵如下：
可以得到熔接点z1处高阶空间模式熔接故障损耗真实大小；
在少模光纤链路中有m个熔接故障点，可以依次消除前端级联式熔接故障串扰，获得不同距离z1，z2，…，zm处熔接故障的实际损耗大小，实现少模光纤链路的高灵敏度故障检测。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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