光纤应用

光纤应用（精选十篇）

光纤应用 篇1

光纤放大器是一种可以直接在光域对信号实施放大的器件。除了稳定可靠的工作性能外, 它能够很好地与光纤传输中的密集波分复用系统互相兼容, 极大地降低了中继系统的维护成本, 有力地推动了光纤传输的广泛应用。目前的光放大器主要分为两大类:掺铒光纤放大器和喇曼光纤放大器。

二、掺铒光纤放大器

2.1掺铒光纤放大器工作原理

掺铒光纤放大器的工作原理与激光类似, 都是基于原子的受激辐射实现光放大。掺铒光纤是在石英光纤中掺杂适量的铒离子 (Er3+) 。光纤中铒离子在泵浦光激励下吸收能量, 由基态能带4I15/2跃迁至较高能带4I11/2, 成为泵浦态或激发态。铒离子在激发态上处于非稳定状态, 寿命较短, 很快通过非辐射跃迁的方式转变为亚稳态, 其能带为4I13/2。亚稳态上的铒例子具有较长寿命, 从而铒例子在泵浦光作用下能够在亚稳态上逐渐积累, 形成对基态的离子数反转。当光信号通过光纤时, 亚稳态的铒离子发生受激辐射, 产生一个与信号光子完全相同的光子, 从而实现了信号光的放大。

一般的掺铒光纤放大器工作于1550nm波段, 该波段为光纤的低损耗窗口。泵浦光波长为980nm或1480nm。

2.2掺铒光纤放大器的结构

掺铒光纤放大器主要由五部分组成:掺铒光纤、泵浦源、波分复用器、光隔离器和光滤波器。掺铒光纤实现信号光的放大;泵浦源为掺铒光纤提供光放大所需的泵浦能量;波分复用器将信号光与泵浦光进行合成, 注入到掺铒光纤中;光隔离器使光纤中的光实现单向传输, 防止在光纤中产生光震荡影响正常的工作状态;光滤波器的作用是消除因激发态铒例子自发辐射所产生的光噪声, 提高放大器信噪比。此外还有若干辅助电路对放大器的工作状态进行监测, 以及工作温度和功率的控制。

根据放大器的泵浦光传输形式, 可以分为三种结构:同向泵浦结构、反向泵浦结构、双向泵浦结构。

2.3掺铒光纤放大器的应用

1、基本应用形式。

掺铒光纤放大器主要有三种基本应用形式: (1) 线路放大:将放大器直接插入至光纤传输线路中作为中继器使用, 多出现于长距离的光纤传输中。 (2) 功率放大:将放大器置于光发射机之后, 以弥补光发射机功率的不足。 (3) 前置放大:将放大器置于光接收机前端, 以提高接收机灵敏度。

2、波分复用系统中的应用。

由于电信号放大设备在带宽上的限制, 需要将光信号解复用后对各个频率成分分别进行信号放大。故一个波分复用系统的中继设备包含多个电信号放大装置。掺铒光纤在波分复用系统中具有明显的优势, 其最大的优势在于:使用一个掺铒光纤放大器即可一次性对复用系统中各频率成分光信号实现放大。这种工作方式使得中继设备的维护成本大幅下降, 且系统可靠性上升, 便于维护, 见图1。

3、有线电视传输系统中的应用。

有线电视传输系统中各节点不仅要求较高的信噪比, 还要求较大的最小光接收功率。这种特性使得该网络的中继距离较低, 往往只能传输十几公里。同时网络特性要求一个光发射机能够驱动多个光节点进行工作。这两种特性对光发射设备的功率输出提出了较高的要求。将掺铒光纤放大器以功率放大方式安置于光发射机后端, 提高了光接收机的功率, 使得可负载光节点数增加, 传输距离也随之上升。

三、喇曼光纤放大器

3.1喇曼光纤放大器工作原理

喇曼光纤放大器的原理基于喇曼散射。喇曼散射过程先由泵浦光引发光纤中的非线性散射, 产生低频的斯托克斯光子, 剩余能量以分子振动形式吸收, 整个过程称为受激喇曼散射。受激拉曼散射中, 斯托克斯频移的数值由分子振动能级决定, 其数值决定了频率散射范围。信号光与泵浦光同时在光纤中传输, 当信号光处于泵浦光产生的增益范围内时, 通过喇曼散射产生光子数量的增加, 从而实现了光信号的放大, 见图2。

喇曼光纤放大器相比较于掺铒光纤放大器, 其主要优势在于可提供放大的频率范围极大, 可通过调节泵浦光的波长对任意波段进行宽带的放大, 放大范围可达到1270nm至1670nm。

3.2喇嘛光纤放大器的结构

目前喇曼光纤放大器主要有分布式与分立式两种类型。

分立式喇曼光纤放大器中放大器独立于传输线路而成为单独器件。这种形式要求放大器具有较高的增益, 因此多由掺杂锗含量较高的光纤作为增益介质。相比较于同种形式的掺铒光纤放大器, 这种形式的喇曼光纤放大器需要很长的工作长度, 且增益倍数有限, 多用于掺铒光纤放大器所无法工作的波长信号放大, 见图3。

分布式喇曼光纤放大器直接以增益介质作为传输光纤本身, 其应用前景已逐渐超过分立式喇曼光纤放大器。

3.3喇曼光纤放大器的应用

1、长距离通信线路。

对于穿越恶劣自然环境或其他不便于采用掺铒光纤放大器的传输线路, 使用分布式喇曼光纤放大器是较好的选择。它可以提高两次中继之间所允许的线路传输损耗, 从而扩大传输距离。目前常用于海底光缆及无人地带光缆等。

2、混合式光纤放大器。

虽然喇曼光纤放大器具有很大的工作带宽, 但是带宽中多个频率成分的光信号同时实现放大则需要多路泵浦光, 这就需要使用泵浦复用技术。而泵浦复用所带来的复杂结构和高成本阻碍了其在实际网络传输中的应用。为此, 将掺铒光纤放大器与喇曼光纤放大器混用可以在减少泵浦光源数量的前提下实现较大的工作带宽, 并且实现较好的增益均衡。

四、总结与展望

由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展, 对作为光纤通信领域的关键器件———光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要求, 因此, 在未来的光纤通信网络中, 光纤放大器的发展方向主要有以下几个方面: (1) EDFA从C-Band向L-Band发展; (2) 宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器; (3) 将局部平坦的EDFA和光纤拉曼放大器进行串联使用, 获得超宽带的平坦增益放大器; (4) 发展应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器光开关; (5) 研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器。

参考文献

[1]杨建虎, 戴世勋, 胡丽丽, 姜中宏.光纤放大器应用及其进展.激光与光电子学进展, 2003 (05)

[2]熊英, 曹文华.高速光纤通信中的光纤放大器及其发展.光通信技术, 2008 (05)

光纤陀螺技术及其发展应用 篇2

光纤陀螺技术及其发展应用

1976年,美国学者V.Vali和R.W.Shorthill首次提出光纤陀螺(Fiber-Optic Gyro,FOG)的概念,他们使用多圈光纤环形成大等效面积的闭合光路,利用萨格纳克效应(Sagnac Effect)实现了载体的角运动测量,使得这种光纤角运动传感器具备了完整的.陀螺功能.光纤陀螺是全固态的陀螺,与传统的机械陀螺或激光陀螺相比,具有以下特点:

作 者：蔡明 作者单位：中国人民解放军驻二一二厂军代表室刊 名：航空科学技术英文刊名：AERONAUTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：2009“”(4)分类号：V2关键词：

光纤通信的发展应用研究 篇3

关键词：光纤；通信技术；网络信息；电子技术

中图分类号：TN929.11文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）09－0154－02

光纤通信技术在发展过程中的优势条件对扩大网络传输量起到了非常重要的作用，随着信息技术的发展，光纤通信技术也得到了不断的进步。目前，我国已形成了较为完备的光纤通信的产业体系，在这些体系中，包括光缆、光模块、光器件、光传输设备等内容，对于我国近年来移动互联网、网络融合等项目的发展起到了不可替代的作用，面对未来中国光纤通信市场以及信息网络的高速发展，我们必须做好对光纤通信技术的认识。

1光纤通信技术的概述

光纤即光导纤维的简称。光纤通信的实质就是光导纤维作为承载光波的传输媒介，将光波中的信息进行传送。光纤通信的基本工作组成包括光纤、光源和光检测器。工作原理类似于电视成像原理，即首先将要发送的信息在发信端转变为电信号，电信号被调制器转变后附着于激光束上，同时激光束的强度随电信号的强弱变化而变化，之后通过媒介即光导纤维进行传送，接收端的检测器在收到光信号后，再把光信号转变回电信号继而复原为信息。

光纤通信具有以下特点：通信容量大、传输距离远；干扰小、保密性能好；抗电磁干扰、传输质量好；具有环保功效；光缆适应性强，寿命长。

2光纤通信的发展

光纤通信的发展可以从发展的历程及现状以及可能出现的发展趋势两个方面来进行概述：

2.1光纤通信的发展历程及现状

产生于20世纪90年代初，它的产生和卫星通信以及移动通信具有类似的革命性意义。而在进入21世纪之后，随着网络业务的飞速发展，越来越多的数据传送需要巨大的传导系统来完成，这就加速了光纤通信技术的发展。到目前为止，很多发达国家已经停止了电缆通信的进一步建设，都致力于光纤通信的发展应用，我国跟随这种技术的变化，使得光纤通信也进入到了实用性的阶段。

现在我国光纤通信技术主要包括两大类，分别是波分复用技术和光纤接入技术。其中波分复用技术就是在上文所提到的工作原理中的相关变化技术。单模光纤产生低损耗区，这种技术就是根据光波的频率，划分低损耗窗口为不同的信道。之后，利用波分复合器，将具有不同波长而承载着信号的光波合并入一根光纤进行传输。在信号接收端进行相反程序的转换即可。因为波长不同的光波信号相互独立，所以就能实现在一根光纤中可多路光信号的复用传输；而光纤接入技术则是针对光线入网而言的，宽带的主干传输网络所依赖的技术是波分复用技术，但想要把光波信号转变为能够浏览的网络信号，其关键在于宽带用户的接入点这一技术是解决高速信息流入用户电脑的关键技术。FTTH技术作为光纤宽带接入的最终方式能够充分满足宽带接入的需求，对大中型用户，我国现有的技术包括FE或GE宽带可供选择。

2.2光纤技术的发展趋势

追求更高的速度、更大的容量、更大的传输距离是人们对信息传送技术的目标，未来光纤技术的发展必然以这些原则为指导，最终全光网络的实现是必然的。

对超大容量、超长距离传输技术的实现，波分复用技术依然存在很大的应用前景，目前基于这一基础上的WDM系统已经商用，未来另一种提高信息容量的OTDM技术，即光时分复用技术将会发挥更大的用途，这种技术通过提高单信道速率来提高传输容量实现技术革新。

在提高传送速度方面，光孤子通信将会得到广泛应用。光孤子是一种特殊的PS数量级的超短光脉冲，具有波形、速度的稳定性，长距离、高速度的传播需要这些特性。目前，实现光弧子通信还有一些实际困难，但从已取得的突破性进展来看，光孤子在超长距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底通信系统中，有着较好的发展前景。

光纤通信技术发展的最高阶段以及最理想阶段就是全光网络的阶段。这种技术将会实现节点间的全光化，信息将会始终以光的形式进行传输与交换，这就省去了传统信息技术中很多的麻烦。全光网络的实现是必然的发展趋势。

3光纤通信技术的应用

光纤通信技术因为其相对于传统通信技术的优点将会得到大范围的应用，取代过去的电缆通信，进而覆盖全球的信息网络是必然的趋势。目前，这一技术的应用主要包括以下一些方面：首先，长短途通信过去靠电缆、微波、卫星通信，但光线通行所运用的比特传输方法更具有低成本、高效率的优点；其次，承载电视图像信号，用于电视传输、工业监视和调度、交通监管指挥、共用天线等系统。

4结束语

光纤通信技术现已作为一种重要的现代信息传输技术之一，在现在的信息社会背景下得到普遍意义上的应用，在全球通信领域及相关行业都已无法被取代，掌握光纤通信的技术对于学习和研究电子通信是不可或缺的，未来技术的发展还会有更新的内容，因此，相关的综述性研究还需要更多的关注。

参考文献：

［1］马莹.光纤通信技术展望［J］.硅谷，2011（9）：33.

［2］郝丹.光纤通信概述［J］.中国科技信息，2011（7）：112.

［3］孙建国.光纤通信技术［J］.中小企业管理与科技，2011（6）：15.

（编辑：李敏）

光纤接入应用方案探讨 篇4

(一) 互联网接入应用

目前这类用户主要有网吧、学校、机关企事业单位以及少数家庭用户 (FTTH) 等, 接入速率可分为10M、100M、1G等, 接入方式从分配系统上可分为有源光网络 (AON) 的点对点以太网系统和无源光网络 (PON) 两大类。目前主流接入方式仍为有源光网络的点到点以太网系统, 无源光网络在部分经济较好的地区开始进入商用, 大部分地区仍未开始商用, 但它将是今后FTTH (光纤到户) 的发展方向。

1.有源光网络 (AON) 的点对点以太网系统

在企事业用户应用环境, 以太网技术一直是最流行的方法, 目前已成为仅次于供电插口的第二大住宅和办公室公用设施接口。点到点以太网系统是最直接的以太网光纤接入技术, 一般的接入方式是在光纤两端使用光纤收发器进行光电转换, 局端接入以太网交换机, 用户端提供以太口给用户接入。在点到点以太网系统方式中, 通过扩充的以太网OAM协议, 可以通过局端交换机对用户端设备进行远程管理, 从而提供电信级可运营、可管理的以太网接入方式。点到点以太网系统具体又分为单纤系统和双纤系统两种, 单纤系统的上下行分别采用不同波长, 典型上行波长为1310nm, 下行波长为1550nm, 传输距离为15km, 遵循日本电信技术委员会制定的标准TS-1000, 因而互操作性较好, 网络复杂性较低。双纤系统采用两根光纤, 遵循IEEE802.3ub标准, 采用多模光纤, 传输距离仅为2km。不同运营商为了延长传输距离, 增强其管理功能, 制定了很多私有标准, 使系统的互操作性很差。点对点以太网系统的主要优点为:技术成熟、成本低, 能轻易提供10M、100M或1G的带宽;网络结构简单, 与现有计算机网络实现无缝链接;建设和运营维护成本低, 投资回收快;设备端口利用率非常高, 可以根据接入用户数增加而逐步扩容, 无需规划, 投资风险低;通过局端交换机可以对用户端设备进行远程管理, 在局端就可以轻松进行线路检测、故障定位, 降低了维护难度。点对点以太网系统的缺点是两端设备和光纤设施专用, 用户不能共享局端设备和光纤, 当需求快速增长且用户很密集时, 光纤和两端设备的数量及其成本以及空间需求也随之迅速增加, 因而不太适合高密集用户区域。另外, 从标准化的角度, 有源以太网并没有一个统一的标准, 而是利用多个相关标准, 从而产生多种不兼容的解决方案。最后还有一个可能影响选择以太网技术的因素是传统视频业务的提供方式, 例如有些美国电信公司 (例如Verizon) 承诺能提供同样质量的传统模拟射频视频节目, 而以太网技术在支持传统模拟射频视频节目的传送方面是比较困难的。点对点以太网系统主要应用场合:用户很密集时, 机房空间需求和成本也随之迅速增加, 因而不太适合高密集用户区域, 比较适合分散用户接入。另外, 在经济欠发达地区, 光纤接入用户仍比较少, 考虑成本问题, 也适宜采用点对点以太网系统。

2.无源光网络 (PON)

无源光网络 (PON) , 是指在OLT (光线路终端) 和ONU (光网络单元) 之间的光分配网络 (ODN) 没有任何有源电子设备。其典型的拓扑结构为点对多点的星型结构。在光分支点不需要节点设备, 只需要安装一个简单的无源光分路器, 因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、安全性高、可靠性高等优点。其次, PON的业务透明性较好, 带宽宽, 可适用于任何制式和速率的信号, 能比较经济地支持模拟广播电视业务, 具备三重业务功能 (triple-play) 。第三, 无源光网络的标准化程度好, 基本分为ITUFSAN (全业务接入网络) 和IEEE两大类, 均可提供独立可行的单一兼容解决方案。PON的主要缺点是一次性投入成本较高, 因为局端光线路终端 (0LT) 很贵, 光纤和分路器等无源基础设施又必须一次到位, 这样当用户数较少或用户分布超过某一限定距离时, 每用户的成本很高, 会产生大量沉淀成本。其树型分支拓扑结构使用户不具备保护功能或保护功能成本较高, 影响了大规模发展。另外, 与点对点系统相比, 其用户带宽共享、用户数据无法实现物理层的隔离, 用户的独立性和安全性稍差一些。PON光纤接入技术的应用场合主要适合于那些用户区域较分散, 而每一区域用户又相对集中的小面积密集用户地区, 尤其是新建区域, 如写字楼、网吧集中区和工业园区等。目前基于PON的光纤接入技术有APON、BPON、GPON、EPON等, 由于APON和BPON是基于ATM, 而ATM不是发展方向, 而且其速率有限, 设备复杂, 满足不了用户高带宽和低成本的要求, 因此, APON和BPON不是发展方向。目前EPON技术已基本成熟, 且系统运行相对稳定, 能够满足IPTV、宽带上网、VoIP等宽带业务的发展需求。虽然GPON技术在传输能力、速率灵活性和分路比等方面有优势, OAM功能和保护机制也相对完善, 支持TDM业务承载, 但其技术实现复杂, 研发进度明显落后于EPON系统, 目前芯片和设备厂商均较少, 特别是今后的10GEPON技术解决了传输速率低等问题。所以, 目前宽带光纤接入及FTTH的实现应主要选择EPON技术。

(二) 光纤组建内部网络

这类应用可以将各机关、企事业单位地理位置相距较远的各分 (支) 点通过运营商的传输网络组建内部网络, 例如银行、公安机关、税务机关、大型企业等。通过总部服务器接入互联网也可以使各分部连接互联网。根据业务需求不同可以提供2M、4M、10M等各种接入速率。根据传输技术不同可分为PDH (准同步数字体系) 、SDH (同步数字体系) 和MSTP (多业务传送平台) 等。

1.PDH (准同步数字体系)

目前低速率 (2M～34M) 用户接入仍主要使用PDH系统。PDH系统一般在局端使用光端机将光信号转换成电信号 (E1电路) , 再通过运营商传输网络传送至对端局。用户端可使用光端机 (协议转换器) 、光MODEM等, 提供G.703、V.35、以太口等接口供用户接入。PDH技术以其成熟性、经济性以及简单的组网结构在光接入领域得到广泛应用, 其安全可靠性和高QoS保障性能, 使其在一段时间内仍然是电信运营商重要的光纤接入技术方式。尤其近年来推出的SPDH设备将SDH概念引入PDH系统, 进一步提高了系统的可靠性和灵活性, 这种改良的PDH系统在相当长一段时间内, 仍会广泛应用。传统PDH技术在接入应用中也不可避免存在一定局限性, 主要体现在:点对点连接缺乏网络拓朴的灵活性, 组网能力欠缺;缺乏统一的网络管理;对业务的保护能力差;对急剧增长的IP数据业务缺乏有效的承载手段;扩容升级缺乏灵活性;线缆连接比较多, 故障点增多, 给维护带来困难。PDH光接入技术主要应用于点对点小容量专线企业用户。

2.SDH (同步数字体系)

在目前企事业客户高速率光纤接入中应用得比较多的是SDH系统, 其组网方式与PDH系统类似。但与PDH相比, 有如下明显优点:可以提供理想的网络性能和业务可靠性;统一的接口标准和复用标准, 便于设备间的互联;强大的网络管理能力;具有自愈保护功能。SDH主要缺点在于是为传输TDM信息而设计的。该技术缺少处理基于TDM技术的传统语音信息以外的其他信息所需的功能, 不适合于传送TDM以外的ATM和以太网业务。SDH光接入技术主要应用于点对点大容量专线企业用户、局间或汇接点 (POP) 间通信。

3.MSTP (多业务传送平台)

MSTP是今后提供用户光纤接入的主流发展技术。MSTP基于SDH、同时实现TDM、ATM、以太网等业务接入、处理和传送, 提供统一网络管理。其典型组网方式是在光纤两端使用光纤收发器进行光电转换, 局端接入MSTP传输设备, 用户端提供以太口供用户接入使用。根据用户需求不同, 也可以提供其它各种接口供用户接入。MSTP具有如下优势:提供多种物理接口, 满足新业务快速接入, 在保证兼容传统TDM业务的同时, 能够提供多业务灵活接入, 典型的业务主要有:IP、ATM、SDH、FR;由于它是基于现有SDH传输网络的, 可以很好地兼容现有技术, 保证现有投资;MSTP采用VC虚级联技术, 有效地利用带宽并实现了较小颗粒的带宽管理;MSTP采用LCAS技术, 保证了在不中断数据流的情况下动态地调整虚级联的个数;MSTP技术支持网状、树型、星型、多环切接等组网方式, 这样可以提高网络的可扩展性, 便于灵活高效地配置系统环境;传输的高可靠性和自动保护恢复功能, MSTP继承了SDH的保护特性, 小于50ms的自动保护恢复, 保证用户对服务的满意程度。MSTP的缺点主要有:带宽利用率较低;最大提供的带宽有限;主要实现二层功能, 以及较为简单的三层功能;光纤的占用较多。MSTP的应用场合主要定位于局间或汇接点间通信以及大型企事业用户的点到点通信。

(三) 结束语

光纤接入具有传输容量大、传输距离远、传输质量高、可靠性好、维护成本低、抗电磁干扰和保密性强等优点, 是用户接入的最终发展方向, 也是国内外电信运营商网络和业务转型期所关注的重点领域。各种光纤接入技术都有其最佳使用场合和时机, PDH、SDH和MSTP最适合企事业用户组网, 点到点以太网系统适合在低密度用户分散地区用于宽带接入互联网, PON光纤接入技术最适合新建或改建的密集用户区应用, 其中又以EPON光纤接入技术在FTTH将来大规模发展中最具潜力。现在, 影响光纤接入发展的主要原因不是技术, 而是成本, 到目前为止, 光纤接入的成本仍然太高, 但是随着成本下降和技术发展, 采用光纤接入是通信发展的必然趋势。

摘要：随着光纤接入成本逐渐下降、技术快速发展, 光纤接入业务需求逐渐增加。针对目前用户光纤接入的各种应用方案进行分析探讨, 为用户选择光纤接入业务和运营商网络规划建设提供参考。

光纤周界安防系统典型应用案例 篇5

         

机场 港口 监狱 工厂

核试验场所 军事基地 化学品仓库 军事仓库

电力设备防盗 高档居民小区

典型案例

一、美国西南微波公司

1、上海通用汽车公司周界报警系统

采用美国西南微波公司的INTREPID周界报警系统用于上海通用汽车公司(SGM)周界管理，其主要的工作原理是应用振动感应进行入侵探测，实现报警。上海通用汽车公司(SGM)的围墙总长约4200米，厂区周界划分为46个防区分段。系统于2007年圆满验收。

2、其他应用案例

中国部分 中央军委办公厅 中共中央党校 香港机场

美国通用汽车上海工厂 北京核试验所

华北电网超高压局北京输变电站

国外部分-监狱/教养院 加里福尼亚东梅沙拘留所 科罗拉多可劳利郡感化院 夏威夷哈拉瓦中等安全所 印第安纳瓦博士谷感化院 南卡罗来那富地郡监狱 弗吉尼亚迈克德非洲立监狱 新泽西青少年中等安全机构 华盛顿女子感化中心 纽约五点感化院 华盛顿州立收容所 国外部分-汽车

菲亚特汽车公司 本田汽车公司 丰田汽车

美国通用电气公司 奔驰汽车公司

国外部分-军队/政府机构 英国国防部

加拿大皇家骑兵警察队 美国陆军 美国海军 美国空军 美国能源部 皇家海军 美国州政府 北大西洋公约组织 西班牙陆军

国外部分-机场

浅论光纤技术的应用探讨 篇6

[关键词] 通信技术 光纤 发展趋势

前言:

对已现在密集波分复用(DWDM)技术、光纤放大技术,包括掺铒光纤放大器(EDFA)、光时分复用(OTDM)等技术的发展和应用,光纤技术不断朝着更高效率、容载量更大的系统发展,相对而言,先进的光纤技术制造既能保持稳定、可靠的传输以及足够的富余度,又能满足光对于通信宽带的需求,并减少非线性损伤。G.652常规单模光纤在需要支持更大容量更长距离和更宽频谱范围的传输系统中,根据并不突出的色散与非线性效应等问题变得重要起来,其性能已难以得到满足。

光纤技术是通过通信系统所用的光纤和特种光纤来说明的。最早时期光纤的传输窗口只有3个,但近年来相续推出了第四和第五窗。其中特别重要的是开发出来的无“水峰”的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于从1280nm到1625nm的广阔的光频范围内,都能实现低损耗、低色散传输,使传输容量几十倍、几百倍上千倍的增长。随着电信业务的不断更新与发展一些具有各自特点的光纤正受到运营商的亲睐。

1 多模光纤

850nm或1310nm波长的系统可应用于多模光纤中。多模光纤衰耗较大,由于存在模间色散,传输带宽受限,故适用于较短距离传输,但多模光纤数值孔径(NA)值大(约为单模光纤的2～3倍)故连接耦合效率高。多模光纤大的有效通光面积允许大功率光信号传输与分配,而不会出现非线性。

现今高速以太网的快速发展,使得多模光纤的应用增速很快,这主要是因为世界光纤通信技术将逐步转向纵深发展,并行光互联元件的实用化也大大推动短程多模光缆市场的快速增长,从而使多模光纤的市场份额持续上升。多模光纤在数据链路、城域网以及用户分配网中具有广阔的应用前景。通信技术的不断进步,将进一步促进多模光纤的发展。

2 G.655光纤

目前,整个波长应用区域中光纤的色散应为一个恒定值。然而所有光纤的色散均随着波长的改变而改变,因此大小得变化可由其色散斜率来量化,斜率越小,色散随波长变化的幅度越小。G.655光纤是针对G.652光纤及G.653光纤在密集波分复用系统中使用存在的问题而开发出来的,其在1550nm窗口同时具备最小衰耗与较小的色散值。保持一定的光纤色散值可以有效克服DWDM 系统中的四波混频现象,从而实现多波长密集复用。G.655光纤主要适用于高速率的密集波分系统,随着大容量传输系统的建设,G.655光纤将得到更广泛的应用。

3 All-WaveFiber

对于现在光纤带宽网络的需求不断增大,通信行业也一直努力寻求解决“水吸收峰”的途径。全All—Wave Fiber的生产制造技术,从本质上来说,就是通过尽可能地消除OH离子的“水吸收峰”的一项专门的生产工艺技术,它使普通标准单模光纤在1385nm附近处的衰减峰,降到足够低的程度。它消除了光纤玻璃中的OH离子,从而使光纤损耗完全由玻璃的特性所控制,“水吸收峰”基本上被“压平”了,从而使光纤在1280～1625nm的全部波长范围内都可以用于光通信,拓展了未来光波复用的工作波长范围。两者光纤相比具有一下特征:

(1)在1400rim波段衰减降低200% ;

(2)可使用的波长范围增加50% (从200nm增大到300nm)。ITU-T将“全波光纤”定义为G.652c类光纤,主要适用于ITU—T的G.957规定的SDH传输系统和G.691规定的带光放大的单通道SDH传输系统。全波光纤在城域网建设中将会大有作为,从网络运营商的角度来考虑,有了全波光纤,就可以采用粗波分复用技术,取其信道间隔为20nm左右,这时仍可为网络提供较大的带宽,而与此同时,对滤波器和激光器性能要求却大为降低,这就大大降低了网络运营商的建设成本。全波光纤的出现使多种光通信业务有了更大的灵活性,由于有很宽的波带可供通信用,我们就可将全波光纤的波带划分成不同通信业务段而分别使用。可以预见,未来中小城市城域网的建设,将会大量采用这种全波光纤。

人们对于高速宽带通信网络的标准及要求是永无止境的,在目前带宽需求成指数增长的情况下,此光纤正越来越受到业界的关注,它的诸多优点已被通信业界广泛接受。

4 聚合物光纤

通信的主干线现都已实现石英光纤为基质,但是在接入网和光纤入户(F1vrH)工程中,石英光纤却遇到了较大的困难。由于石英光纤的纤芯很细(6～10 m),光纤的耦合和互接都面临技术困难,因为需要高精度的对准技术,因此对于距离短、接点多的接入网用户是一个难题。而聚合物光纤(POF,PolymerOptical Fiber)由于其芯径大(0.2～1.5mm),故可以使用廉价而又简单的注塑连接器,并且其韧性和可挠性均较好,数值孔径大,可以使用廉价的激光源,在可见光区有低损耗的窗口。多模阶跃型SI—POF多模渐变型GI-POF都为聚合物光纤,但由于SI-POF存在严重的模式色散,传输带宽与对绞铜线相似,限制在5MHz以内,即便在很短的通信距离内也不能满足FDDI、SDH、B—ISDN的通信标准要求,而GI—POF纤芯的折射率分布呈抛物线,模式色散大大降低,信号传输的带宽在100m内可达2.5Gbit/s以上。因此,聚合物光纤是目前FTTH工程中最有希望的传输介质,有可能成为接入网,局域网等的理想传输介质。

5 光子晶体光纤

相对石英光纤来说,光子晶体光纤(PCF,PhotonicCrystal Fiber)的结构特点是在其中间沿轴向均匀排列空气孔,这样从光纤端面看,就存在一个二维周期性的结构,如果其中一个孔遭到破坏和缺失,则会出现缺陷,利用这个缺陷,光就能够在其中传播。PCF与普通单模光纤不同,由于它是由周期性排列空气孔的单一石英材料构成,所以有中空光纤或微结构光纤之称。PCF具有特殊的色散和非线性特性,在光通信领域将会有广泛的应用。

光子晶体光纤的特点是结构合理,具备在所有波长上都支持单模传输的能力,即所谓的“无休止单模”特性,这个特性已经有了很好的理论解释。这需要满足空气孔足够小的条件,空气孔径与孔间距之比必须不大于0.2。空气孔较大的PCF将会与普通光纤一样,在短波长区会出现多模现象。而光子晶体光纤的另一个特点是它具有奇异的色散特性。但是光子晶体光纤已成功产生了850nm光孤子,预计将来波长还可以降低。光子晶体光纤在未来超宽WDM (波分复用技术)的平坦色散补偿中可能扮演重要角色。

6 总结

光纤自动监测系统应用 篇7

一、系统结构设想

光纤自动检测系统是一套智能型的无源光网络集中式监测系统, 整个系统包括硬件和软件部分, 光纤自动检测系统的系统架构上, 主要有三个子系统, 分别为:监测采集机;监控中央处理主机;管理终端机 (客户操维主机) 。

二、子系统功能设想

2.1光信号监测采集单元技术要求

光信号监测方法通常分为两种:在线监测和离线监测, 在线监测就是监测工作纤中的光信号, 需要用到分光器、波分复用器、滤波器、垮接设备等;离线监测就是监测备纤中的光信号, 需要增加激光光源, 给备纤提供光信号;还可以通过通信设备的接口收集通信设备给出的有关信息。

功能要求:精确测量多路路光功率 (建议采用轮巡方式) ;当收到告警信号时, 立即启动OTDR卡对该条光纤进行测试;接收主站的指令, 针对光路进行各种功能性、光学性测试等;可选择如下波长:1550nm、1310nm、1300nm、850nm、1625nm

2.2多路采集监控中央处理单元

监测中心与采集站之间的通讯可以采用多种方式, 监测中心与采集站不在同一地点, 一般采用广域网的组网方式, 如在通讯中经常用到的DCN、DDN、E1等。监测中心与采集站在同一地点一般采用以太网的通讯方式。

功能要求:收集光路监控单元的信号, 并进行分析和处理和本地告警;具有多级告警, 自动发送越限告警信号;提供以太网RJ45/RS232等通信接口;将监测数据实时上传送给上位机 (PC操维数据库) ;接受上位机 (PC操维数据库) 对监控中央处理单元的命令, 实现对光信号监测采集单元进行控制。

2.3管理终端机 (PC操维数据库)

主要是通过基于地理信息系统以图形方式 (光缆线路拓扑图、分布图) 对所管辖的所有监测站之下的所有光缆单元、系统设备进行实时监测, 并对他们进行实时告警及故障处理流程 (声光及E-MAIL、手机短信等联动形式) , 通过相关的对话窗口, 可以对光缆故障进行确认、清除处理, 进行查询、统计、分析, 发布测试命令。

维护管理的功能主要是完成对各采集站的维护管理, 建立系统运行的静态数据, 掌握监测点的运行状况;设置光缆线路的监测参数, 如光功率监测单元的告警门限、OTDR测试参数、监测光纤的监测门限;对已存储于数据库服务器中的光缆线路监测数据进行统计分析, 制作报表和曲线, 描述光缆单元的现行状态和性能变化趋势, 以及查询光缆单元的情态资料, 如生产厂商、施工日期、单位、技术参数以及维护责任人;维修维护管理和相关联系统及设备管理等信息。

三、综述

光纤自动监测系统的应用不仅可以及时准确地报告突发性光缆故障, 有效缩短故障历时, 而且能够通过对多重门限和数据库资料的分析, 及时发现隐含的、尚未但将会造成通信阻断的潜在故障, 并进行准确的预告, 从而做到提前维护, 并减少光缆阻断次数。

参考文献

[1]高炜烈.《光纤通信》.北京:人民邮电出版社, 1999

光纤传输的技术及其应用 篇8

1 多业务传送平台MSTP

1.1 MSTP技术特点

基于SDH技术的MSTP是综合业务传送平台, 能同时实现TDM、ATM、以太网等多种业务的接入、处理和传送, 提供统一网管的多业务节点, 有利于降低综合成本。MSTP技术明显的优于SDH, 主要表现在端口种类多, 灵活性高, 支持WDM的升级扩容, 兼容性好, 升级平滑, 保证了现有投资。该技术适合应用于汇聚层和接入层。

1.2 MSTP的应用分析

MSTP系列设备为城域网节点设备, 是数据网和语音网融合的桥接区。其应用在城域网各层, 对于骨干层:主要进行中心节点之间大容量高速SDH、IP、ATM业务的承载、调度并提供保护;对于汇聚层:主要完成接入层到骨干层的SDH、IP、ATM多业务汇聚;对于接入层:MSTP则完成用户需求业务的接入。

2 自动交换光网络ASON

2.1 ASON技术特点

基于ASON/GMPLS的网格状 (Mesh) 组网架构的智能光网络是光网络最重要的发展方向之一。Mesh组网的天生好处在于:可自由无极地扩展网络, 网络扩展时对在线业务和网络的影响是最小的。提高网络运行效率, 降低网络运行成本。

2.2 ASON的应用分析

(1) 组网方式以单个控制区域为主。截止目前域间协议 (E-NNI) 尚不成熟, 多域联合组网互联互通存在问题, 建议在单域范围内组网。较成熟的网络规模一般在50节点以下, 初期组网规模控制在25个节点以下。

(2) ASON网络与传统网络融合。组网时原有SDH网络作为ASON网络的补充。如对原有SDH网络进行较大规模的ASON升级, 技术和经济上都是不合适的, 其大规模应用存在4方面瓶颈: (1) 标准协议不确定性; (2) 业务互通存在问题; (3) 技术系统的成熟度欠缺; (4) 人工管理与智能控制的关系。因此我们可采用智能化集中控制网管的方式把传统SDH设备划归为单个区域, 由集中控制网管来实现智能化的集中管理。

(3) ASON网络维护。ASON网络投入运行后, 维护人员需要更新原有的维护方法, 维护好网络并提出网络优化的需求。以下方面是网络维护的重点:a、实时监控网络运行;b、主动响应网络故障。

(4) 承载业务。ASON网络如能覆盖全地市, 可与现有的SDH网络互为备份, 分担业务, 可承载大客户专线、3G移动业务、固话业务等。

3 城域波分DWDM

3.1 DWDM的技术特点

采用光分插复用 (OADM) 设备构成的DWDM环网, 波长透明性使DWDM技术适合本地传输网的多业务传送, 并在容量和可扩展性方面具有优势。

3.2 DWDM的应用分析

DWDM应用于汇聚层。主要解决IP汇聚点到BRAS之间的带宽不足, 网络结构大多为物理路由的环形, 采用光通道保护方式。可承载IP、租波长业务、IPTV业务等大颗粒业务, 尤其对于骨干层管道资源、纤芯资源比较紧张的传输网络显得尤为必要。

4 光传送网OTN、PTN

4.1 OTN、PTN的技术特点

OTN, 通常也称为OTH (Optical Transport Hierarchy) , 是G.872、G.709、G.798等一系列ITU-T的建议所规范的新一代光传送体系。OTN综合了SDH的优点和DWDM的带宽可扩展性, 集传送和交换能力于一体, 是承载宽带IP业务的理想平台, 代表了下一代传送网的发展方向。PTN就是能够以最高效率传输IP的光网络。它是在以以太网为外部表现形 (下转67页) (上接60页) 式的业务层和WDM等光传输媒质之间设置的一个层面。两者针对IP业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计, 以分组业务为核心并支持多业务提供, 具有更低使用成本 (TCO) , 同时秉承SDH的传统优势。

4.2 OTN、PTN的应用分析

PTN和OTN是IP over WDM优化演进方案中最重要的2类技术, 前者适用于城域范围内以太网业务点到点或汇聚传送并兼容TDM业务, 后者适用于城域和骨干网络大颗粒业务传送和调度。

5 末端接入技术

5.1 光纤接入技术

主要实现技术主要包括点对点技术 (如点对点光以太网) 和点对多点无源PON光网络技术两大类。大客户接入选择“SDH设备+光纤”的接入模式, 能提供灵活的组网方式、强大的网管功能和较好的网络保护, 运营商更可向大客户提供高质量、高可靠性、多类型的业务, 满足用户的不同需求。PON技术则能够很好的承载TDM和语音业务, 是未来主要宽带光纤接入技术之一, 技术标准处于完善之中。

5.2 无线接入技术

(1) Wi MAX具有高速建网、带宽大的优点, 可快速提供各种业务接入, 可以组建城域网范围内的综合业务网络, 今后具备进一步漫游接入的潜力。Wi MAX有四个应用场景和发展阶段。分别为固定接入、游牧式接入、便携式接入及全移动方式。目前即将商用的为固定接入方式, 支持视距、非视距传输, 支持点到多点传输和Mesh组网, 支持多种业务类型。

(2) WLAN可提供无线高速数据业务, 是未来的重点发展方向。主要用于机场、酒店、会展中心等热点地区覆盖, 热点地区建设可与其它无线技术的室内覆盖结合起来, 通过室内分布系统的方式实现对公共场合的WLAN无线覆盖, 传输速率支持11Mb/s和54Mb/s。

浅析光纤保护技术的应用 篇9

关键词：光纤保护,光差保护,应用

1 光纤保护简述

光纤保护按原理可划分为光纤闭锁允许式纵联保护 (简称:光纤纵联保护) 和光纤电流差动保护 (简称:光差保护) 2种。光差保护是在电流差动保护的基础上演化而来的, 其基本原理是基尔霍夫电流定律。光差保护利用光纤通道传输线路两侧的电流采样值来实现其保护功能, 它不仅具有传统差动保护所具有的灵敏度高, 动作快速、简单、可靠, 应电力系统震荡、非全相运行等优点, 而且由于可靠、稳定的光纤传输通道保证了传送电流幅值和相位的准确, 两侧的保护装置没有电联系, 提提高了运行的可靠性。光差保护原理见图1。

2 光纤保护的优势

2.1 运行可靠

在光纤保护出现以前高频闭锁纵联保护 (简称“高频保护”) , 是高频信号传输易受天气、电磁场、设备缺陷、外力破坏的影响, 因此高频保护的正确动作率一直不高。同高频保护相比, 光纤保护的优势主要体现在以下几点。

(1) 原理简单、动作快速可靠、灵敏度高, 在电力系统震荡、非全相等复杂故障状态下仍然能够快速准确地选相跳闸, 切除故障。而且光纤保护所需的电气量最少, 可以不受TV断线的影响。这些优点是高频保护无法比拟的。

(2) 光纤作为传输线路两侧电流数据的通道介质, 具有不受超高压与雷电等电磁干扰、绝缘性好、频带宽和衰耗低等优点。

(3) 不受天气的影响, 在天气恶劣的情况下仍能正常运, 如在阴、雨、雪、雾等天气或者高压输电线路结露、覆雪、覆冰、雾淞等情况下, 光纤保护仍能正常运行。

2.2 维护简单

高频保护在正常运行时, 由于通道无信号, 不能随时监视通道的好坏, 需要值班人员定时交换信号进行测试, , 能鉴定通道是否正常。通道缺陷只能等到测试时才被发现, 既不利于保护的稳定可靠运行, 又给值班员增加了负担。而光纤保护装置本身就具有通道检验、误码诊断等功能, 能对通道的断线、环回、交叉等异常情况予以判别。通道出现故障时, 保护可瞬时退出, 并能延时报警。保护启动后, 装置能记录通道异常及恢复时刻, 不需要每天定时进行测试, 减少了维护人员的工作量。

3 光纤保护的应用

3.1 远跳回路

当纵联保护母线差动保护 (简称:母差保护) 或失灵保护动作时, 光纤保护装置利用远跳回路实现线路对侧相应纵联保护的快速跳闸。

3.1.1 双母线接线方式下的远跳回路

如图1所示, 假设M、N侧变电站均为双母线接线方式, 当M侧母线区内故障或者断路器失灵时, M侧母差保护或失灵保护动作跳开该母线各分路断路器。同时, 为了满足电网稳定运行的要求, N侧断路器也要迅速跳闸。以往的高频保护, 如LFP901型保护, 采取引入操作箱中的三跳、永跳接点作为线路保护的外部保护停信开关量, 当M侧保护装置检测到停信开关量输入信号变位时, 高频保护立即停信。N侧保护装置收到停信信号后立即驱动跳闸, 切除故障。

光差保护利用数字通道传输信息, 不仅交换两侧电流数据, 同时也交换开关量信息, 其中包括远跳和远传。光差保护装置设有远方跳闸开关量输入端子, 用于反映母差保护、失灵保护的动作情况。当此端子输入变位时, 则通过光纤通道向对端发出远跳信息。远跳信息的发送经过专门的互补校验处理, 连同电流采样数据及CRC校验码等, 打包为完整的一帧信息, 通过光纤数字通道传送给对侧保护装置。对侧保护装置每收到一帧信息, 都要经过C R C校验, 再单独对开关量进行互补校验。通过校验并且经连续3次确认后, 才认定该远跳信号可靠, 依据整定控制字中“远跳受本侧启动控制”的整定情况确定是否驱动本侧断路器跳闸, 若“远跳受本侧启动控制”控制字为0, 则可以不经任何条件直接驱动跳闸回路。

远跳开关量输入回路最常见的接线法是仿照高频保护, 从操作箱引入永跳接点接入远跳开关量输入端子。这种接法的优点是回路较简单, 母差保护、失灵保护也不需要额外的出口接点, 其本质是将母差保护、失灵保护动作后的结果——“启动永跳回路”作为远跳的依据, 即凡是能启动操作箱永跳继电器的保护回路, 均能够唤起远跳回路, 使对侧保护动作。装置只与该线路的操作回路有联系, 当母差保护、失灵保护校验时, 只要断开母差保护和失灵保护相应的出口压板, 就不会误启动远跳回路。这种接法的缺点是使所有启动回路永跳继电器的保护回路都会同时启动远跳, 包括后备保护和非全相保护等。另外, 由于利用永跳继电器的接点作为远跳开关量输入, 使对侧保护的跳闸出口时间延长, 尤其当母线区内发生故障时, 线路断路器失灵;或当故障发生在线路侧TA和断路器之间时, 故障电流切除时间就会延长。

3.1.2 3/2接线方式下的远跳回路

由于母差保护动作切除故障母线不影响线路的运行, 因此, 母差保护动作是不应启动远跳回路的, 仅断路器失灵时才启动。

3/2接线方式下, 一般不设专门的失灵出口屏, 而由断路器失灵保护实现相应的功能。断路器失灵包括母线断路器失灵和中间断路器失灵2种情况。当线路故障、母线断路器失灵时, 断路器失灵保护动作, 要求跳开故障母线上所有断路器及线路对侧断路器, 这种情况下, 一般直接引入断路器失灵保护的一对失灵保护动作接点, 将其接入远跳开关量输入端, 实现远方跳闸;当线路故障、中间断路器失灵时, 断路器失灵保护动作, 要求跳开断路器串两侧母线断路器和相应2条线路对端的线路断路器, 这时需要断路器失灵保护提供专门的2副动作接点, 将其分别接入与中间断路器有关的2套线路保护的远跳开关量输入端, 使2条线路对侧的保护及时跳闸, 切断故障。

由于远跳回路采用了直接接入断路器失灵保护接点的方式, 因此, 在保护校验时必须特别注意断开失灵保护各分路的远跳回路, 以防误发远跳信号, 使断路器误动。现场一般在各保护屏增加失灵保护远跳压板, 保护校验时将其可靠断开。

3.1.3 远跳回路的注意事项及建议

由于远跳回路可以直接引起对侧保护动作跳闸, 因此, 在保护校验时必须特别注意, 不能轻易短接远跳的开关量, 尤其带电检修试验时, 应注意以下几个问题。

(1) 每次试验前, 应将通道自环 (相当于断开通道) , 使远跳信号不能传到对侧。

(2) 为防止通道干扰或其它原因造成的误动, 远跳回路跳闸时应启动元件闭锁, 装置宜提供是否选相跳闸的控制字。对远跳命令发送端为双母线的, 远跳回路跳闸时宜选相, 不闭锁重合闸;对远跳命令发送端为3/2接线的, 远跳回路跳闸时为永跳。

(3) 在软件中设置“远跳功能是否投入”控制字, 试验时将其设为“否”。

(4) 保护屏应设计远跳投入压板以控制远跳回路的开通, 试验时将压板打开, 同时也便于正常运行时的方式切换。

3.2 远传回路

光纤保护装置通常提供远传的开关量输入接点。同远跳一样, 装置也借助数字通道传送远传信号, 区别在于接收侧收到远传信号后, 并不作用于该装置的跳闸出口, 只是将对侧装置开关量输入接点状态反映到对应的开关量输出接点上, 通过通道实现传递信号、拓展接点的功能。在现场应用中, 常将失灵远跳动作跳闸的开关量输入端并接一个“远传”的开关量输入端。

4 存在的问题

从目前的运行情况来看, 通道通信中断是光差保护运行中发生次数最多的问题, 尤其在复用光纤通道光差保护中。复用光纤通道需要借助通信设备和通道, 并且通信路由转接较多, 中间任何一个环节发生变化都会影响到保护的运行。当发生通道通信中断问题时, 一般保护和通信专业各自检查所管辖的设备, 可以采用如下方法查找故障点:

(1) 将光差保护退出运行;

(2) 将M侧保护定值中“通道环回试验投入”控制字置为“1”。

(3) 如图1所示, 在M侧复用光纤接口装置处用专用的光纤接头将光缆的2个纤芯对接, 如果保护信号复归, 则说明故障不在测试点的装置一侧, 而在光缆一侧。

(4) 用同轴电缆短接线在PCM设备处进行试验, 进一步查找故障点。

(5) 用与b-d相同的方法对N侧进行试验。

5 结语

随着电子技术和光传输技术的发展, 利用光纤通道作为传输介质的光纤保护在高压、超高压交流输电系统中得到广泛应用。光纤保护与高频保护相比具有显著的优势。同时, 光纤保护的发展将为建设坚强电网提供有力的支持。

参考文献

光纤陀螺的发展与应用 篇10

与机电陀螺和激光陀螺相比,FOG具有以下特点: ( 1) 全固态一体化,仪器牢固稳定、具有较强的耐冲击和抗加速度的能力。( 2) 光纤环使得光程增加, 使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺提高多个数量级, 从而有效地克服了陀螺的闭锁问题。( 3) 无机械运动部件,不存在磨损问题,因而具有较长的使用寿命。 ( 4) 相干光束的传播时间极短,理论上可以瞬间启动。 ( 5) 易于采用集成光路技术,信号稳定可靠,且可用数字输出,并直接与计算机接口联接。( 6) 具有较宽的动态范围。( 7) 结构简单、价格低、体积小、重量轻。

1基本原理

光纤陀螺是以Sagnac效应为基本原理的一种传感器,只是研究者所采用的相位解调方式不同,或者对光纤陀螺的噪声补偿方法各异。以干涉型光纤陀螺为例,其基本光路系统如图1所示[2]。

来自光源的光束通过分束器分成了两束光,这两束光分别从光纤线圈( 光纤缠绕在半径为R的环上) 两端耦合进入光纤传感线圈并反向传输。从光纤线圈两端出来的两束光,通过合束器后又重新复合,并产生干涉。若光纤线圈处在静止状态,从光纤线圈两端出来的两束光的相位差为零。如果光纤线圈以角速度 Ω 旋转,这两束光会由于Sagnac效应而产生相位差

其中,n为光纤匝数; λ 为光波长; c为真空中的光速。 通过相位解调提取 Δφ,可利用上式求出 Ω。

2光纤陀螺的分类

从原理上讲,可将光纤陀螺分为干涉型光纤陀螺、 谐振腔光纤陀螺、布里渊光纤陀螺、锁模光纤陀螺及法布里 - 珀罗光纤陀螺等5种[3]; 就其结构而言也可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类; 从相位解调方式来看,还可分为相位差偏置式光纤陀螺、光外差式光纤陀螺及延时调制式光纤陀螺。下面就干涉型光纤陀螺 ( I - FOG) 和谐振腔光纤陀螺( R - FOG) 作简单介绍。

2.1干涉型光纤陀螺(I-FOG)

I - FOG在结构上就是光纤Sagnac干涉仪,如图2所示[4]。由式( 1) 可知,其将角速度 Ω 转化为相位差 Δφ,再通过相位解调技术,把光相位的直接测量转化为光强度测量,这样就能较方便地测量出Sagnac相位变化,其是光纤陀螺中最早研究的,目前,已广泛应用于航空、航天、航海等领域。I - FOG中的光纤线圈一般都用单模光纤和保偏光纤制作。用保偏光纤制作光纤线圈可得到高性能FOG,但若要提高其灵敏度就必须增加光纤的长度,一般为数百米到数千米,这样会使FOG的体积较大,价格昂贵。I - FOG又被分为开 环和闭环两种类型。开环式I - FOG直接检测干涉后的Sagnac相移,主要用作角速度传感器。这种光纤陀螺结构简单,价格便宜,但线性度差,动态范围小。闭环式I - FOG利用反馈回路由相位调制器引入与Sagnac相移等值反向的非互易相移,是一种较精密且复杂的FOG,主要用于中等精度的惯导系统。

2.2谐振腔光纤陀螺(R-FOG)

图3所示是R - FOG的光路原理框图[5]。从激光器发出的光通过光纤耦合器1分成两路,再通过光纤耦合器2分别耦合进入光纤谐振腔,在其中形成相反方向传播的两路谐振光。谐振器静止时,这两束光的谐振频率相等。但若谐振器以角速度 Ω 旋转时,其谐振频率不再相等。由Sagnac效应可推出这两束谐振光的谐振频率差为[6]

式中,L为谐振器的光纤长度; S为谐振器所包围的面积; λ 为光波长。由式( 2) 可见,通过测量R - FOG中两谐振光束的谐振频率差 Δf,可确定旋转角速度 Ω。 由于对R - FOG的研究起步较晚,加之其对光源的要求苛刻,所以目前R - FOG还处于实验室研究阶段,距离工程应用还需一段时间。但与I - FOG相比,其具有光源稳定度高、所用光纤短、受环境影响小、成本低的优势,因此各国均投入大量人力对其进行研究,相信在不久的将来,R - FOG一定可以在惯性导航与制导等领域得到广泛应用。

3关键性能参数

3.1零偏和零漂

零偏是输入角速度为0时陀螺仪的输出量,以规定时间内测得的输出量平均值相应的等效输入角速度表示,理想情况下为地球自转角速度的分量。零漂即为零偏稳定性,表示当输入角速率为零时,陀螺仪输出量围绕其零偏均值的离散程度,以规定时间内输出量的标准偏差对应的等效输入角速率表示。零漂是衡量IFOG精度的基本指标。产生零漂的主要因素是沿光纤分布的环境温度变化在光纤线圈内引入的非互易性相移误差。通常为了稳定零漂,需要对IFOG进行控温或者温度补偿。另外偏振也会对零漂产生一定的影响,在IFOG中常采用偏振滤波和保偏光纤的方法消除偏振对零漂的影响。

3.2标度因数

标度因数是陀螺仪输出量与输入角速率的比值,用某一特定直线斜率表示,是反映陀螺灵敏度的量,其稳定性和精确性是陀螺仪的一项重要指标,综合反映了光纤陀螺的测试和拟合精度。标度因数的稳定性无量纲,通常用百万分比( ppm) 表示。标度因数的误差主要来源于温度变化和光纤偏振态的不稳定性。

3.3随机游走系数

表征光纤陀螺仪中角速度输出白噪声大小的一项技术指标,其反映了光纤陀螺仪输出的角速度积分随时间积累的不确定性。因此,也可称为角随机游走。 随机游走系数反映了陀螺仪研制水平,也反映了陀螺仪最小可检测角速率。该误差主要来源于光子的随机自发辐射、光电探测器和数字电路引入的噪声和机械抖动。

3.4阈值和分辨率

阈值表示光纤陀螺能感应的最小输入速率。分辨率表示陀螺仪在规定输入角速率下能感应的最小输入速率增量。阈值和分辨率都表征光纤陀螺仪的灵敏度。

3.5最大输入角速度

表示陀螺正、反方向输入速率的最大值,表征陀螺的动态范围,即光纤陀螺可感应的速率范围。

4关键技术

光纤陀螺内理想的互易特性是实现高灵敏度、高精确度的关键,但实际影响互易特性的因素很多,引起测量误差的因素和解决方法如下[7,8]:

( 1) 抑制光纤中的散射噪声。光纤中的后向瑞利散射及来自光纤端面的菲涅尔反射是FOG的主要噪声源。这些散射光会通过对其原点进行寄生干涉而引起测量误差。抑制这些散射噪声的有效方法目前主要有: 采用低相干光源,对光源进行脉冲调制,光隔离器或折射率匹配液的方法消除反射; 用宽带激光器、跳频激光器、相位调制器等作光源,破坏光源的时间相干性,使其后向散射光的干涉平均为零。

( 2) 改进半导体激光光源的噪声特性。FOG的检测灵敏度及精度直接受噪声的限制。要提高FOG的精度和分辨率,除采用低损耗保偏光纤和大功率光源外,还应改进光源的噪声特性及研制出量子效率高的光电检测器,以最大限度地抑制FOG内部产生的有害噪声。

( 3) 减小温度引起的系统漂移。温度是引起系统漂移的又一重要原因。对于高灵敏度的FOG而言,克服温度的影响尤为重要。由于光纤线圈周围的温度场对光纤线圈的作用是不均匀的,从而会引起非互易相移的随机漂移。因此,须对光纤线圈进行恒温处理,如用铅箔进行屏蔽隔离并进行适当的温度补偿等,以减小温度引起的系统漂移。

( 4) 改善功能元件的性能。FOG内的功能元件较多,如偏振镜、分束器、合束器、相位调制器以及光电检测器等,进一步改善这些功能元件的匹配及相位漂移是提高其检测灵敏度和精度、降低短期漂移率的保证。

( 5) 抑制光电检测器及电路的噪声。光电检测器的散粒噪声及电路的白噪声等也是影响FOG检测灵敏度和测量精度的重要因素。对于电路的白噪声,可以选择高于1 k Hz的相位调制频率来减小噪声; 也可选用高输入阻抗的低噪声前置放大电路来提高信噪比; 对于光电检测器的散粒噪声,以目前的情况看,采用高量子效率光电检测器、低损耗保偏光纤和大功率激光光源等,则有较好的抑制效果。

( 6) 提高FOG的环境适应性。提高FOG在振动、 变形和加速度等条件下的稳定性并扩大测定旋转速度的动态范围,能提高其可靠性及环境适应性,也是导弹制导、飞机和舰艇导航以及卫星、地形匹配跟踪等恶劣环境条件下对FOG的基本要求。减少FOG的测量误差并提高其分辨率、灵敏度,则是获得上述诸多特性的前提。

5发展现状及未来趋势

随着光纤技术的发展,预计本世纪前20年内,光纤陀螺的主要技术指标将达到高性能惯导系统的要求,逐步替代惯性陀螺[9]。美国1990年 ~ 2000年各类陀螺仪在军用装备中所占比例的变化: 惯性陀螺由86% 下降到35% ; 激光陀螺由14% 略增到16% ,并从1995年开始未见上升; 而光纤陀螺由0% 增至49% ,由此可看出,光纤陀螺的应用前景广阔。光纤陀螺由无到有是因为国外中低精度等级已产品化,高精度的研究和开发也正逐步走向成熟。美国的Litton和Honeywell公司代表了国际上FOG技术的最高水平。Litton公司的闭环光纤陀螺的零偏误差已优于0. 001° /h,标度因数误差 < 10 ppm; Honeywell公司也是FOG研制的强有力竞 争者,据报道其 产品最高 精度已达 到0. 000 38° / h。

我国从20世纪80年代初开始进行光纤陀螺研制。目前,国内FOG的研制水平已接近惯性导航系统的中低精度要求。大多数在工程实用阶段初期,没有可靠性数据。根据中航自控所和北航联合成立的中航捷锐公司的预研项目验收指标,其研制的I - FOG测试精度优于0. 005° /h,具备工程应用能力。

预计在未来的10年内,不仅飞机、舰船以及导弹等均将装备光纤陀螺用于导航和制导,且卫星、宇宙飞船上也将装备光纤陀螺用于与地形跟踪匹配和导向在民用上,光纤陀螺可用于汽车业、医疗和石油勘钻导向,特别在多种工业上的应用具有很大的潜力。FOG作为一种新型的角速度传感器,具有比传统陀螺更大的优势。随着工艺设备、加工手段、材料科学的进一步发展,FOG的研制将更趋完备,国内工程研究会从以下几个方面展开: 提高温度适应性、抑制漂移、提高测量灵敏度、扩大测量范围、小型化低成本。

6结束语