CN102455246B - 具有二次屏蔽的低噪声抗干扰光时域反射仪 - Google Patents

Abstract

具有二次屏蔽的低噪声抗干扰的光时域反射仪发射接收装置，包括脉冲激光发射和光接收处理处理部分。脉冲激光发射部分有可控选择导通的多个脉冲激光控制器组成。光接收处理处理部分由光接收器、带不同滤波的可变增益电流电压转换器、信号放大器、A/D转换器、光接收器屏蔽罩、电流电压转换器和信号放大器屏蔽罩组成。与现有技术相比，该反射仪发射接收装置能够具备较强的降低噪声和抗干扰能力，提高采集信号的动态范围和性能。

Description

具有二次屏蔽的低噪声抗干扰光时域反射仪

技术领域

本发明属于光纤测试领域，涉及一种低噪声抗干扰光时域反射仪。

背景技术

光时域反射仪OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。广泛应用于光缆线路的维护、施工之中。

随着测量需求的提升，对大动态范围的需求更加增大，光时域反射仪的动态范围越大，其测试和评估的距离范围也越大，成为光时域反射仪核心指标之一。传统的光时域反射仪，提升测量的动态范围，一是提高脉冲激光器的脉宽和峰值功率，二是提升探测微弱光信号的灵敏度。由于目前大功率脉冲激光器的最大脉冲宽度和峰值功率都已经使用到上限，提升动态范围重点在提升探测微弱光信号的灵敏度，由于要检测的最小光信号非常微弱，容易被干扰或被噪声淹没，不能得到有效地测量信号。

光时域反射仪OTDR的工作过程是：光接收器根据接收的不同光信号，产生正比于光信号强度的电流，即被测信号。电流信号经过电流电压转换器转化成电压信号，此电压信号比较微弱，必须进行放大。通过放大，达到目前A/D转换器可以转换的信号强度。被测信号滤波作用，除去各个环节产生的噪声，使最终进入A/D转换器的信号真实地反映被测信号。目前业界通用做法，是被测信号进入A/D转换器前，先将被测信号放大再接滤波网络。但由于要检测的最小光信号非常微弱，容易被干扰或被噪声淹没，无法得到有效地测量信号，导致探测微弱光信号的灵敏度不能保证。如何提升最小微弱光信号检测有效信号成为科研人员探究的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种具有二次屏蔽的低噪声抗干扰光时域反射仪，能够有效降低噪声和抗干扰，保证最小微弱光信号检测上有效信号范围大为扩展，使在不增加脉冲激光器的脉宽和峰值功率的前提下，提升提高采集信号的动态范围和性能。

其技术方案为：

具有二次屏蔽的低噪声抗干扰光时域反射仪，包括脉冲激光发射部分和光接收处理部分，脉冲激光发射部分有可控选择导通的多个脉冲激光控制器组成，光接收处理部分包括光探测器、电流电压转换器电路、信号放大器、A/D转换器，其中：电流电压转换器电路和信号放大器置于同一屏蔽罩内，同时光探测器置于所述屏蔽罩内，并且光探测器自身也具有屏蔽罩，电流电压转换器电路和信号放大器所在的屏蔽罩，与光探测器屏蔽罩组成二次屏蔽。

进一步，所述电流电压转换器电路为可变增益的电流电压转换器电路，其中包含滤波网络。

更进一步，所述可变增益电流电压转换器电路，包含与所述增益相匹配的滤波网络。

所述可变增益电流电压转换器电路，其中设置可控制选通的模拟开关或继电器，来选通与所述增益相匹配的滤波网络。

所述可变增益电流电压转换器电路，包括放大器、决定增益的电阻RA、与所述增益相匹配的滤波网络，三者并联。

所述与增益相匹配的滤波网络，由电阻RB、电阻RC，电容CA和高速二极管DA组成，其中高速二极管DA与电阻RB串联，然后再与与电容CA并联；电阻RC一端串接在高速二极管DA与电阻RB之间，一端接地。

其中，在相对高增益滤波网络中，增益的电阻RA为4.5-5.5M、电容CA为0.3-0.6p、电阻RB为40-55K、RC为1.5-2.5K。

其中，在相对低增益滤波网络中，增益电阻RA为8-12K、电容CA为2-4p、电阻RB为4-6K、RC为150-200Ω。

即电流电压转换器电路中，设可控制选通的模拟开关或继电器来选通一组或者几组带有不同滤波网络单元的通路，通路中有控制增益的电阻和相应匹配的滤波元器件；换句话，在进行电流电压转换的同时，进行滤波。电流电压转换增益不同，那么相应匹配的滤波网络也就不同。两者是并联的，同时进行。图中看到，滤波网络的单元网络结构基本相同，但各滤波网络中的元器件的数值不同。

换言之，滤波网络由多个滤波网络单元组成，其基本电路结构相同，各元器件的数值变化。可控制选通的模拟开关或继电器来选通一组或者几组带有不同滤波网络单元的通路，通过组合，有限的单元电路能够产生相对比较多的通路组合。达到利用有限的器件实现较多电路的组合效果。

所述带不同滤波网络的可变增益电流电压转换器，是用低噪声远端放大器组成，其电路中设有可控制选通的模拟开关或继电器，来选通带有不同滤波网络的通路，通路中有控制增益的电阻和相应匹配的滤波电容。

本发明与现有技术相比，其优点是：

本发明采用多种技术方法，有效降低噪声和抗干扰，保证最小微弱光信号检测上有效信号范围大为扩展，使在不增加脉冲激光器的脉宽和峰值功率的前提下，提升了提高采集信号的动态范围和性能。

附图说明

图1为本发明一种实施例的组成框图，

图2为本发明脉冲激光发射部分一种实施例原理框图，

图3为本发明光接收处理处理部分一种实施例的原理框图，

图4为未采用二次屏蔽和匹配滤波的测量信号曲线图，

图5为采用二次屏蔽和匹配滤波的测量信号曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步对本发明实施例具体描述。

实施例1。

如图1所示，为本发明一种实施例的组成框图。具有二次屏蔽的低噪声抗干扰的光时域反射仪，包括脉冲激光发射部分1和光接收处理处理部分2组成。脉冲激光发射部分1有可控选择导通的多个脉冲激光控制器1B组成，光接收处理部分2包括光探测器、电流电压转换器电路、信号放大器、A/D转换器。电流电压转换器电路和信号放大器置于屏蔽罩内，同时光探测器置于所述屏蔽罩内，并且光探测器自身也具有屏蔽罩，电流电压转换器电路和信号放大器所在的屏蔽罩，与光探测器屏蔽罩组成二次屏蔽。

也即，光接收处理处理部分2的光探测器上有屏蔽罩，屏蔽罩的外面，光电流电压转换器和信号放大电路部分也有屏蔽罩，带有屏蔽罩的光探测器置于光电流电压转换器和信号放大电路部分所在的屏蔽罩内，两个屏蔽罩组成二次屏蔽。

实施例2。

具有二次屏蔽的低噪声抗干扰的光时域反射仪，包括脉冲激光发射部分1和光接收处理处理部分2组成。脉冲激光发射部分1有可控选择导通的多个脉冲激光控制器1B组成，光接收处理部分2包括光探测器、电流电压转换器电路、信号放大器、A/D转换器。电流电压转换器电路和信号放大器置于屏蔽罩内，同时光探测器置于所述屏蔽罩内，并且光探测器自身也具有屏蔽罩，电流电压转换器电路和信号放大器所在的屏蔽罩，与光探测器屏蔽罩组成二次屏蔽。

即，光接收处理处理部分2的光探测器上有屏蔽罩，外面，光电流电压转换器和信号放大电路部分也有屏蔽罩，带有屏蔽罩的光探测器置于光电流电压转换器和信号放大电路部分的屏蔽罩内，两个屏蔽罩组成二次屏蔽。

脉冲激光发射部分1有可控选择导通的多个脉冲激光驱动器。光接收处理处理部分2由光探测器、带不同滤波网络的可变增益电流电压转换器、信号放大器、A/D转换器、光探测器屏蔽罩、屏蔽电流电压转换器和信号放大器的屏蔽罩组成。

光接收器由高灵敏的光电探测器组成。

带不同滤波网络的可变增益电流电压转换器，是用低噪声远算放大器组成，其电路中设可控制选通的模拟开关或继电器来选通带有不通滤波网络的通路，通路有控制增益的电阻和相应匹配的滤波网络电路。

光探测器有屏蔽罩。

电流电压转换器和信号放大电路部分有屏蔽罩将其屏蔽，与光接收器屏蔽罩组成二次屏蔽，有效减小噪声和抗干扰能力。

如图2所示，脉冲激光发射部分1是由可控选择导通驱动器电路1A和脉冲激光器1B组成。由控制信号独立控制开通和脉冲宽度，驱动激光器脉冲激光器发射脉冲光。

如图3所示，光探测器2A接受光信号产生光电流，经过带不同滤波网络的可变增益电流电压转换器2B转换成电压信号，再经过放大器2C放大成A/D转换所需的电压范围送至A/D转换器2D。

为了检测微弱光信号，本发明采用高灵敏度的光电探测器2A和低噪声的运算放大器，带不同滤波网络的可变增益电流电压转换器2B上设有多组可变增益滤波网络，通过可控制选通的模拟开关(或继电器)SW分别选通1组或同时几组可变增益滤波网络，可变增益滤波网络由决定增益的电阻RA和与增益相匹配的滤波网络，即由电阻RB、RC，电容CA和高速二极管DA等组成，起到抑制噪声、防止震荡、幅值保护的作用。

所述可变增益电流电压转换器电路，设置可控制选通的模拟开关或继电器，来选通与所述增益相匹配的滤波网络；因此，滤波网络也可称为可变增益滤波网络。

所述可变增益电流电压转换器电路，其中包括放大器、决定增益的电阻RA、与所述增益相匹配的滤波网络，三者并联；

所述与增益相匹配的滤波网络，由电阻RB、电阻RC，电容CA和高速二极管DA组成，其中高速二极管DA与电阻RB串联，然后再与电容CA并联；电阻RC一端串接在高速二极管DA与电阻RB之间，一端接地。

所述增益电阻RA为4.5-5.5M、电容CA为0.3-0.6p、电阻RB为40-55K、RC为1.5-2.5K。

所述增益电阻RA为8-12K、电容CA为2-4p、电阻RB为4-6K、RC为150-200Ω。

换言之，滤波网络由滤波网络单元组成，其基本电路结构相同，各元器件的阻值、容值等变化。通过组合，有限的单元网络能够产生相对比较多的组合结果。有限的器件实现较多的组合方式。

其工作原理是：脉冲激光发射部分根据测试需要发射不同能量(通过脉宽)的激光脉冲，光探测器也相应从被光纤到探测到不同能量的散射和反射光信号，产生不同的光电流(电流越大信号越强)。根据光电流的范围(激光脉冲发射的能量越大所探测产生光电流值就越大)选取相应增益的电流电压转换器电路，来获取有效地测量信号。通过可控制选通的模拟开关(或继电器)SW分别选通1组或同时几组可变增益滤波网络单元，作为当前的电流电压转换器电路。光电流通过增益电阻RA(电阻大，相应的光电流产生的电压就越大)来产生信号电压。可单独选通也可同时选通几组并联，来达到特定的调节作用。滤波网络中器件数值的选择与相应增益(即光电流强弱)有关。滤波网络中，电容CA起到防止震荡、抑制噪声作用，CA选取过大会将有效信号滤掉，过小则达不到消噪的作用；RB、RC和高速二极管DA等组成，限制带宽、幅值保护的作用，当有较强光电流输入时，输出电压会迅速变大饱和，RB、RC分压达到高速二极管DA导通值时，DA迅速导通(保护值和放电强度由RB、RC参数决定)，饱和光电流迅速放出，使电流电压转换器快速恢复到有效信号的变换范围。例如在高增益滤波网络，增益电阻RA为4.5-5.5M、电容CA为0.3-0.6p、电阻RB为40-55K、RC为1.5-2.5K；在低增益滤波网络，增益电阻RA为8-12K、电容CA为2-4p、电阻RB为4-6K、RC为150-200Ω。

选取不同增益，也就选取了与之相匹配的滤波网络，保证了在所有增益量程下，既能减少噪声又保证微弱光信号探测不失真，从电流电压转换这个源头上抑制了噪声的产生，避免噪声随着放大器2C被再次放大，保证了信号的准确性。目前业界常用的先将信号放大再接滤波网络的电路无法达到这种理想效果。

由于要检测的最小光信号非常微弱，容易被电路噪和外界环境噪声声干扰，如图1所示，除了在光电流电压转换器和信号放大电路部分有屏蔽罩将其屏蔽外，还在光探测器上有二次屏蔽罩，两个屏蔽罩组成二次屏蔽功能，具备较强的抗干扰能力，进一步有效降低噪声对测量的影响。

采用二次屏蔽的技术方案，对有效降低噪声具有非常明显的效果。

图4为未采用二次屏蔽和匹配滤波的测量信号曲线图，图中看到，尾端的有效信号被噪声淹没。

图5为采用二次屏蔽和匹配滤波的测量信号曲线图。

图中明显看到，噪声被抑制滤掉，并且探测信号不失真，有效拓展了有效信号范围。

从上述两个实例可以说明，本发明通过以上多种技术方法，有效降低噪声和抗干扰，保证最小微弱光信号检测上有效信号范围大为扩展，使在不增加脉冲激光器的脉宽和峰值功率的前提下，提升了提高采集信号的动态范围和性能。实现了本发明的目的。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非本专利限定的保护范围。凡在本专利的精神和原则之内，所作的修改、等同替换、改进，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.具有二次屏蔽的低噪声抗干扰光时域反射仪，包括脉冲激光发射部分和光接收处理部分，脉冲激光发射部分有可控选择导通的多个脉冲激光控制器组成，光接收处理部分包括光探测器、电流电压转换器电路、信号放大器、A/D 转换器，其特征在于：电流电压转换器电路和信号放大器置于屏蔽罩内，同时光探测器置于所述屏蔽罩内，并且光探测器自身也具有屏蔽罩，电流电压转换器电路和信号放大器所在的屏蔽罩，与光探测器屏蔽罩组成二次屏蔽；

所述电流电压转换器电路为可变增益的电流电压转换器电路，其中包含滤波网络；

所述可变增益电流电压转换器电路，包含与增益相匹配的滤波网络；

所述可变增益电流电压转换器电路，其中设置可控制选通的模拟开关或继电器，来选通与所述增益相匹配的滤波网络；

所述可变增益电流电压转换器电路，包括放大器、决定增益的电阻RA、与所述增益相匹配的滤波网络，三者并联。

2.根据权利要求1所述的具有二次屏蔽的低噪声抗干扰光时域反射仪，其特征在于：所述与增益相匹配的滤波网络，由电阻RB、电阻RC，电容CA 和高速二极管DA 组成，其中高速二极管DA 与电阻RB 串联，然后再与电容CA 并联；电阻RC 一端串接在高速二极管DA 与电阻RB 之间，一端接地。

3.根据权利要求2 所述的具有二次屏蔽的低噪声抗干扰光时域反射仪，其特征在于：其中，增益电阻RA 为4.5-5.5M、电容CA 为0.3-0.6p、电阻RB 为40-55K、RC 为1.5-2.5K。

4.根据权利要求2 所述的具有二次屏蔽的低噪声抗干扰光时域反射仪，其特征在于：其中，增益电阻RA 为8-12K、电容CA 为2-4p、电阻RB 为4-6K、RC 为150-200Ω。

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