少模光纤损伤测量及故障检测技术研究

论文摘要

在全球数据流量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。基于少模光纤的模分复用技术通过利用空间模式的正交性进行空间分集复用,能突破传统单模光纤通信的非线性香农极限,成倍的提升了光纤通信系统的容量,是解决未来光通信网“带宽危机”最具竞争力的扩容方案。然而,少模光纤中模式耦合、差分模式群时延、模式相关损耗严重劣化了模分复用系统的传输性能,限制了系统的传输距离;另外,少模光纤的每个空间模式的传输特性各具差异性,及不同模式之间存在相互作用,这使得少模光纤链路故障检测比单模光纤更为复杂。因此,研究少模光纤损伤测量和故障检测技术是一件重要的工作。这对于量化损伤与少模光纤参数之间关系、优化设计少模光纤结构、提供模分复用系统损伤补偿理论依据,改善系统传输性能等方面具有重要意义。本文紧紧围绕少模光纤损伤测量及少模光纤链路故障检测问题,在深入分析少模光纤不同损伤机理及少模光纤链路故障特性的基础上,分别对少模光纤模式耦合、差分模式群时延、模式相关损耗测量及少模光纤链路故障检测理论和方法进行了深入的研究。本文的主要工作内容及创新点具体包括以下三个方面:1.针对少模光纤前端菲涅尔反射引入的衰减盲区所造成的模式耦合测量误差较大问题,提出了一种基于双光子灯笼+少模光纤环形器的模式耦合分布测量系统方案。首先基于少模瑞利散射幅值分析的模式耦合理论建立了模式耦合测量数学模型,然后通过测量支持不同模式数量少模光纤的模式耦合分布,对所提出的系统方案测量性能进行实验验证。实验结果表明:所提出测量系统方案通过去除自由空间光路部分,有效的消除了少模光纤前端菲涅尔反射及衰减盲区,在一定程度上改善了模式耦合的测量精度,并可实现不同类型光纤模式耦合分布的测量。此外,针对少模光纤中非激发模式背向瑞利散射微弱信号对模式耦合测量精度影响问题,在原有测量方案的基础上提出基于自适应小波阈值降噪的模式耦合测量方法。通过改善各空间模式背向散射幅值波动,实现模式衰减特征信息的提取,保证模式耦合比曲线的稳态分布。实验结果表明:该方法进一步提升了模式耦合的测量精度,与此同时,改善了测量系统的动态范围,能够很好地满足长距离少模光纤链路模式耦合分布的测量。2.针对模式复用器串扰对少模光纤模式相关损耗测量精度的限制问题,通过结合截断法和脉冲响应测量技术,提出基于可调模式功率比的模式相关损耗测量方法,并通过测量支持不同模式数量少模光纤的模式相关损耗,对所提出的测量方法性能进行实验验证。实验结果表明:该方法对于低消光比模式复用器具有较强的鲁棒性,在一定程度上改善了模式相关损耗的测量精度。其次,为了实现选择性测量所需空间模式之间的差分模式群时延,降低相近时延模式之间的相互影响,提出了一种改进的基于模式选择性激发的少模光纤差分模式群时延测量方法,并实验验证了该方法的可行性。最后,考虑到上述测量方法单一参数测量效率低及测量系统复杂度较高等问题,提出一种基于少模光纤瑞利散射幅值分析的模式相关损耗和差分模式群时延同步测量方法。通过对各空间模式的背向瑞利散射幅值分布测量,并结合少模光纤模式特性参数的数学模型,进行非线性方程组求解,实现两种损伤参数的同步测量。实验结果表明:该方法可方便、准确的实现对两种损伤参数的同步测量,在很大程度上降低了系统的复杂度及成本,且具有很好的扩展性,可用于支持更高模式数量少模光纤的测量。3.针对低阶模故障检测灵敏度较低问题,提出了基于高阶模式的少模光纤故障检测方法。首先对少模光纤熔接处不同空间模式的耦合特性进行了实验验证分析,证实了高阶模式更容易表征少模光纤熔接处的故障幅值损耗特性,其故障检测灵敏度更高。然后通过实验验证了该方法在不同熔接质量条件下的故障检测性能,实验结果表明:基于高阶模式的少模光纤故障检测方法可实现对不同故障幅值损耗事件的有效表征,进而实现少模光纤链路故障事件的综合评估。此外,针对非激发模式背向散射信号信噪比过低而导致微小事件的检测精度较低及系统响应速度较慢等问题,提出基于?1趋势滤波的少模光纤故障检测方法。该方法通过利用其分段线性最优估计特性,对各空间模式背向瑞利散射信号进行趋势滤波估计,实现对故障事件的特性表征及定位。实验结果表明:基于?1趋势滤波的故障检测方法可以改善各空间模式的故障检测灵敏度,进而实现微小故障事件的有效表征及较高的检测效率。本文通过对少模光纤损伤产生机理和少模光纤链路熔接点耦合损耗特性的深入研究,分别提出了适用于少模光纤模式耦合、差分模式群时延、模式相关损耗损伤参数测量及少模光纤链路故障检测的新方法。所提出的方法在损伤测量及故障检测精度,实现的复杂性以及系统成本等方面具有一定程度的改善,为进一步研究面向多模式、多场景、多参量同时测量的少模光纤链路的智能监测、损伤测量和故障定位提供了参考。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 模分复用技术

1.3 国内外研究现状

1.3.1 模分复用光传输研究进展

1.3.2 少模光纤的研究进展

1.3.3 少模光纤损伤测量研究进展

1.3.4 少模光纤故障检测研究进展

1.4 论文主要工作及内容安排

第2章少模光纤损伤机理研究

2.1 少模光纤模式

2.2 少模光纤损伤机理

2.2.1 少模光纤中的模式耦合

2.2.2 少模光纤中的差分模式群时延

2.2.3 少模光纤中的模式相关损耗

2.3 少模光纤故障分析

2.4 本章小节

第3章少模光纤模式耦合测量技术研究

3.1 引言

3.2 少模光纤背向瑞利散射

3.2.1 单模光纤背向瑞利散射

3.2.2 少模光纤背向瑞利散射理论

3.3 基于双光子灯笼和少模光纤环形器的模式耦合测量系统

3.3.1 少模光纤模式耦合测量原理

3.3.2 实验测量系统

3.3.3 实验结果与分析

3.4 基于自适应小波阈值降噪的少模光纤模式耦合测量方法

3.4.1 基于自适应小波阈值去噪的模式耦合测量原理

3.4.2 实验结果与分析

3.5 本章小节

第4章少模光纤MDL和DMGD测量技术研究

4.1 引言

4.2 基于可变模式功率比的少模光纤MDL测量方法

4.2.1 基于可变模式功率比的少模光纤MDL测量原理

4.2.2 实验测量系统

4.2.3 实验结果与分析

4.3 基于模式选择性激发的少模光纤DMGD测量方法

4.3.1 实验测量系统

4.3.2 实验结果与分析

4.4 基于少模瑞利散射幅值分析的MDL和 DMGD同步测量方法

4.4.1 少模光纤MDL和 DMGD同步测量原理

4.4.2 实验测量系统

4.4.3 实验结果与分析

4.5 本章小节

第5章少模光纤故障检测技术研究

5.1 引言

01与高阶模式故障检测灵敏度特性验证分析'> 5.2 基模LP₀₁与高阶模式故障检测灵敏度特性验证分析

5.2.1 少模光纤非反射事件特性分析

5.2.2 少模光纤反射事件特性分析

5.3 基于高阶模式的少模光纤故障检测方法

5.3.1 实验结果与讨论

5.3.2 可行性分析

1趋势滤波的少模光纤故障检测方法'> 5.4 基于l₁趋势滤波的少模光纤故障检测方法

1趋势滤波原理'> 5.4.1 l₁趋势滤波原理

1趋势滤波的少模光纤故障检测原理'> 5.4.2 基于l₁趋势滤波的少模光纤故障检测原理

5.4.3 实验结果与讨论

5.5 本章小节

第6章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简介及在学期间所取得的科研成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘峰

导师: 胡贵军

关键词: 光纤通信,模分复用,少模光纤,损伤测量,故障检测

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 吉林大学

分类号: TN253

总页数: 151

文件大小: 13503K

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