【摘要】提出一种基于Sagnac光纤干涉的光缆快速准确无损伤识别方法，主要对干涉光路中激光器的类型、不同模式的输出光和延时光纤长度的选择进行了研究，通过数据采集卡采集振动信号，用LabView编写数据处理程序对输出信号进行处理，对各个参数进行实验确定。
【关键词】光纤识别;Sagnac光纤干涉;宽带激光器;延时光纤
1.引言
随着信息时代的到来，图像、视频等信息的传送量呈爆炸性增长，光纤作为通信介质有着容量大、衰减小、抗电磁干扰能力强等优点得到了大量应用。然而，光缆监测和管理仍存在着监测工作量大、测试时间长、故障点定位不够准确等问题[1]，因此，光缆识别困难的问题也随之产生。
目前，光缆识别方法主要有4种：人工拽拉法、光功率测试法、射频法以及光时域反射法。这四种方法各有优缺点：人工拽拉法笨拙而且极耗费时间;光功率测试法精度低而且不能准确定位;射频法是在光缆外覆有储存芯片的无源射频电子智能标签带层[2]，这种方法工艺复杂且成本高;光时域反射法是利用光的菲涅耳反射原理，接收反向散射光，利用距离和时间的关系探测出不同距离的散射光强来定位光纤缺陷位置而进行光缆识别，这种方法应用比较广泛，但探测过程中需要对光缆进行弯曲或冻结，容易对光缆造成损伤，而且成本较高。
本文研究了一种方便的、无损伤的光缆识别方法。该方法不需要切割、弯曲、冻结光缆，极大地减少了光纤网络管理、维修和保养的时间和费用。用户可以很轻松地通过轻轻敲击光缆来找到目标光缆。
2.光缆识别原理
本文所研究的光缆识别方法是基于白光干涉测量原理实现的，即用宽带低相干光源作为干涉系统的光源，属于干涉型测量仪。干涉型传感器是用被测量对光信号的相位进行调制，利用相干解调的方法即可得到被测量的信息，通过探测器转换为强度信号，从中提取被测信息。这种传感器是对光信号的相位进行调制，调制后的信号不会由于测试信号强度的波动而受到影响，具有较高的测量分辨率和较好的测试重复性。光缆识别的光路原理如图1所示。
图1 光缆识别光路原理图
该技术通过光干涉的解调方法解调光缆中光弹效应造成的光相位调制，从而进行光缆识别。该光路光源采用超辐射发光二极管，耦合器采用3×3耦合器，由于光缆识别功能工作时需要光源发出连续激光，持续工作时间长等原因，激光器的输出信号功率相对较小。
该结构属于相位调制型结构。只有形成干涉的光才能够携带扰动点的相位信息。根据3×3耦合器分光比为的特点，光线2→5→6→5→3经过耦合器2次，光强为原来的1/9，是光电探测器所接收到的光中最强的一路，但是，由于不存在与之光程相近的另一路光，所以，这一路光的作用只是增大直流部分的光强，并不会影响最后的结果;而2→5→6→5→1→4→3路光信号和2→4→1→5→6→5→3路光信号同为3次经过耦合器，因而，光振幅相同、且光程相近，后者比前者在收到扰动的时间上延后了时间τ，二者形成稳定干涉，并携带了扰动信息。
经过光电探测器转换并滤除其中的恒定直流项和高阶交变项后得到线性范围内的干涉光强的输出电压信号为：
（1）
其中为n光纤折射率，R为光电探测器的响应度，RL为负载电阻，k为光纤材料的固有性质参数，ξ为光纤应变系数，L为延时光纤长度，c为真空光速，λ为真空光源波长。
对于上图7中的3×3耦合器，两路光信号因光路引起的固有相位差，则有：
（2）
光源的光谱宽度与相干长度的关系为：
（3）
上式中LC为光源的相干长度，λ为光源中心波长，△λ为光源的光谱宽度，根据上式可知：光源的相干长度与谱宽成反比。所以传统干涉仪要求光源的谱宽非常窄，由于本方案巧妙的运用了3×3耦合器，形成干涉的两路光信号的光程差几乎完全相等，大大降低了对光源相干长度的要求。
3.实验及结果分析
该方法的技术难点为采用后向光作为干涉信号，信号强度比传统方法的前向光微弱，并且关涉光信号经过耦合器的三次分光，又造成了相当程度的插入损耗，加上待寻找光缆的衰减，干涉后得到的信号强度极其微弱。优点是能在光缆断裂的情况下完成光缆的识别，并且该光路中两路光信号经过的光程完全相同，两个光信号可以形成稳定的干涉，由于只使用了一个耦合器，光路结构简单，容易实现，即采用单光纤单端检测就可以完成光缆识别。
本研究搭建了图1所示的光路，通过数据采集卡采集扰动信号经过光电转换和程控放大处理后，接入计算机PCI接口，测试结果分析和显示程序用LabView编写，同时用耳机接入计算机的音频输出口，实验结果显示为：原始图形、原始图形频谱、信号处理后时域波形和信号处理后的频域波形。信号处理的滤波带宽为为1kHz～15kHz。如何保证光干涉信号的强度和稳定性是本研究的一个难点，为此在以下三个方面进行了实验验证：
3.1 不同类型激光器对干涉的影响
在Sagnac干涉光路中，“理想光源”即单色电光源发出的光波是完全相干的，完全相干光具有绝对的确定性，即干涉场中任何时间、任何一点的光扰动强度都可以被预知。为了简化计算，在光波传播途径上任意地点的光振动情形都可以用其振幅和空间相位因子的乘积，即复振幅描述[3]。由惠更斯-菲涅耳原理，波前外任一点的光振动都是波前上所有子波相干叠加的结果。
单色点光源是非常有用的，但是实际上并不存在绝对的理想光源，所有实际的光源都有一定的光谱宽度和尺寸，这会影响光源的相干性。而相干性会影响到干涉条纹的清晰度，因此必须考虑光源的大小及光谱宽度的影响。为此，设计并实验了普通激光器和宽带激光器对于光干涉效果的影响。
图2 采用不同激光器的干涉效果
图3 不同长度延时光纤干涉效果对比
实验发现，窄谱的激光器不能形成有效干涉，如图2中a所示;宽带激光器可以形成稳定的干涉，如图2中b所示，可以满足干涉的要求。
3.2 不同模式输出光对干涉的影响
3.1中的实验中激光器工作在连续光模式，激光器在连续光工作模式下的寿命要明显低于输出脉冲光的工作模式，为了提高激光器的寿命，拟对激光器输出脉冲调制光进行实验。首先进行连续光模式测试，敲击光纤，获得了满意的测试结果，然后将脉冲调制加入激光器控制，敲击光纤，未能检测出扰动信号。结论：分析原因应是脉冲光信号的脉宽和频率，导致调制虽加进去，但是光干涉效果不好，没有获得有效信号，加上隔值电容的整流效应，信号完全淹没在整流信号和噪声中。
3.3 延时光纤长度的选择
延时光纤的长度也是干涉光路中的一个重要参数，敲击力度同等的情况下，光干涉获得的信号强度与延时光纤长度成线性关系。为了选取合适长度的延时光纤，本研究通过实验，分别采用700m、900m的延时光纤，各个干涉效果分别如图3的a、b所示。
由图3的实验结果可知，延时光纤越长，相同敲击力度下扰动信号的强度越大，干涉效果越明显，但随着敲击力度的增大，扰动信号会很快饱和。
通过实验，我们从耳机里可以比较清晰地听到施加在光缆上的敲击声，且随着敲击信号的快慢、强弱的不同听到的声音也随之变化，但是声音的强度会降低，还有少量的杂音。产生噪声的原因主要是由环境中的噪声和振动、处理电路的噪声等引起的。后续可以采用合适的噪声处理电路以及对延时光纤加隔音材料防护等方法进行改进。
4.结束语
本论文首先介绍了光缆识别的研究现状，介绍了基于Sagnac干涉的光缆识别方法的原理，分析并给出了光缆识别输出信号的理论表达式。着重介绍了干涉光路的构成和原理，并对系统中激光器的类型、输出光模式和不同长度延时光纤的选择进行了实验验证，证明本文所提出的基于白光干涉的光缆识别方法为光缆识别检测提供了一定的理论与实验依据，具有良好的应用前景。
参考文献
[1]Sun Jianping.Accurately determinate the obstacle point in optical cable[J].Communication World，2002，3（35）.
[2]Huang Junhua，Zhang Zhong.Recogmition of land based communication optical cable based on radio frequency，2009.
[3]赵达尊，张怀玉.波动光学[M].北京宇航出版社，1988.