CN103905113A - 光时域反射仪动态扩展方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光时域反射仪动态扩展方法，其中，雪崩光电二极管的阴极端与偏置电压连接，雪崩光电二极管的阳极端与第一级放大器联接；所述第一级放大器通过跨阻电阻将来自雪崩光电二极管的电流转换成电压然后与第二级放大器连接，同时将所述电压作为小电压信号连接至信号混合器；所述第二级放大器将来自第一级放大器的电压信号再次放大作为大电压信号送入信号混合器；所述信号混合器将输入的小电压信号和大电压信号通过计算合并，同时通过信号控制端进行控制，然后通过信号输出端输出。本发明降低了成本；而且降低了对激光半导体二极管的功率要求，减小激光半导体二极管的发热量，同时减小了辐射伤害的风险；大大减小了电源对整体性能的扰动影响。

Description

光时域反射仪动态扩展方法
技术领域
本发明涉及一种动态扩展方法，尤其涉及光时域反射仪动态扩展方法。
背景技术
目前，光时域反射仪有大、小动态光时域反射仪（OTDR）如图1所示，但存在难以克服的缺点。
大动态OTDR一般测量120Km以上的距离，动态范围超过35dB。大动态OTDR采用的大功率激光半导体，即瞬间光功率输出超过100mW的半导体激光器。如果采用大功率的激光器设计的OTDR，则测量短距离光纤时返回的瑞利散射（Rayleigh）信号强，会如图2所示导致APD和放大器饱和。现有的大动态OTDR技术主要都使用了大功率激光器。即使用降低信号强度来保证动态范围的办法能解决饱和现象，但同时也带来了信号变差的问题。
另外，大功率激光器价格不但较高，而且从安全角度来讲，功率过大会增加辐射伤害的风险。其次，较大的输出功率也必须有较大的驱动电流，这就会产生电源的扰动影响整体性能，并产生一定的热量积聚，降低激光器寿命。
小动态OTDR一般测量120Km以下的距离，动态范围小于35dB。小动态OTDR采用的低功率激光半导体，即瞬间光功率输出小于20～60mW的激光器。如果采用低功率激光器设计的OTDR，动态范围就会变小。虽然不会发生严重的饱和现象，但如图3所示不能达到长距离测量的设计要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种光时域反射仪动态扩展方法，不仅降低成本；而且降低了对激光半导体二极管的功率要求，减小激光半导体二极管的发热问题，同时减小辐射伤害的风险；较小的输出功率只需较小的驱动电流，大大减小了电源对整体性能的扰动影响。
实现上述目的的技术方案是：
本发明一种光时域反射仪动态扩展方法，是把雪崩光电二极管的阴极端与偏置电压连接，雪崩光电二极管的阳极端与第一级放大器联接；所述第一级放大器通过跨阻电阻将来自雪崩光电二极管的电流转换成电压然后与第二级放大器连接，同时将所述电压作为小电压信号连接至信号混合器；所述第二级放大器将来自第一级放大器的电压信号再次放大作为大电压信号送入信号混合器；所述信号混合器将输入的小电压信号和大电压信号通过计算合并，同时通过信号控制端进行控制，然后通过信号输出端输出。
上述的光时域反射仪动态扩展方法，其中，所述偏置电压为经过滤波的偏置电压。
上述的光时域反射仪动态扩展方法，其中，所述第一放大器为第一级低噪声跨阻放大器。
上述的光时域反射仪动态扩展方法，其中，所述第二级放大器为第二级低噪声放大器。
上述的光时域反射仪动态扩展方法，其中，所述第二级放大器将来自第一级放大器的电压信号放大为原来的40倍。
本发明的有益效果是：本发明光时域反射仪动态扩展方法，采用低功率激光器,结合两级低噪声运算放大器产生的不同增益信号拼合技术，实现了在激光半导体二极管（APD）和三极管放大器非饱和情况下，达到原来大功率激光器的动态范围，即使用低功率激光器测量长距离（120Km以上）光纤，实现了采用小功率激光二极管达到原来只能采用大功率激光二极管的动态范围，至少可提高动态范围3-6dB，对应激光器功率2-4倍；而且小功率激光二极管价格较低，满足了不损失原有性能的前提下降低成本；因降低了对激光半导体二极管的功率要求，减小激光半导体二极管的发热问题，同时减小辐射伤害的风险；较小的输出功率只需较小的驱动电流，大大减小了电源对整体性能的扰动影响。
附图说明
图1是现有技术采用的OTDR前置的电路。
图2是光时域反射仪动态扩展方法的放大倍数过大发生饱和时的波形。
图3是光时域反射仪动态扩展方法的动态不足时测量的波形。
图4是本发明光时域反射仪动态扩展方法的OTDR前置电路。
图5是本发明光时域反射仪动态扩展方法的正常波形示意图。
图6是本发明的第一放大器放大后的一级放大未失真信号波形示意图。
图7是本发明的第二放大器放大后的二级放大失真信号波形示意图。
图8是图6和图7的信号叠加波形示意图。
图9是本发明的图8的信号叠加后的扩展信号波形示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图4，本发明的光时域反射仪动态扩展方法，是把雪崩光电二极管1的阴极端与偏置电压2连接，雪崩光电二极管1的阳极端与第一级放大器3联接；第一级放大器3通过跨阻电阻4将来自雪崩光电二极管1的电流转换成电压然后与第二级放大器5连接，同时将电压作为小电压信号6连接至信号混合器8；第二级放大器5将来自第一级放大器3的电压信号再次放大作为大电压信号7送入信号混合器8；信号混合器8将输入的小电压信号6和大电压信号7通过计算合并，同时通过信号控制端9进行控制，然后通过信号输出端10输出。
信号混合器8也称为信号混合电路，是一个高速的模拟开关和一些辅助电路。
偏置电压2为经过滤波的偏置电压。
第一放大器3最好为第一级低噪声跨阻放大器。
第二级放大器5最好为第二级低噪声放大器。
第二级放大器将来自第一级放大器的电压信号放大为原来的40倍，范围一般为20～40倍。
信号控制端9控制大电压信号7和输出信号端10链接，也可以控制小电压信号6和输出信号端10链接，实际处理的过程中根据程序设定交替工作。
光时域反射仪（OTDR）广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤传输衰减、接头衰减和故障定位等测量，主要利用光线在光纤中传输时的瑞利散射（Rayleigh）和菲涅尔反射(Fresnel)所产生的背向散射这个原理而开发的精密光电一体化仪表。瑞利背向散射通常比入射光小1000倍以上，实际测量过程中瑞利背向散射必须大于背景噪声才能准确的测出距离及相关参数，所以为了测量更长距离的光纤，就必须设计出动态范围更大的设备。
动态范围是一个重要的OTDR参数。一般建议选择动态范围比可能遇到的最大损耗高5DB以上的OTDR。例如，使用动态范围是35DB的单模OTDR就可以满足动态范围在30DB左右的需要。假定在1550NM上的典型光纤典型衰减为0.20DB/KM，在每2公里处熔接（每次熔接损耗0.1DB），这样的一个设备可以精确测算的距离最多120公里。最大距离可以使用光纤衰减除OTDR的动态范围而计算出近似值，用于确定设备能够达到光纤末端的最大范围。当然，光网络中损耗越多，需要的动态范围越大。在长距离测量时(超过120KM)由于光线衰减的原因，瑞利背向散射非常微弱，当信号落入背景噪声后就无法判断出准确的距离和其他相关参数。为了解决大动态长距离测量的需要，则需要使用更大的激光功率，目前普遍采用专用的大功率激光器件来提高脉冲的功率。
本发明如图4所示，本发明采用了一种新的思路，采用固定放大系数的前级放大电路，设计使用了两级放大电路，如果信号经过第一级放大器3放大和第二级放大器5放大后没有发生饱和现象，那么信号混合器8就直接将此真实的信号输出；如果第二级放大器5放大后的信号发生饱和而第一级放大器3放大后没有发生饱和现象，那么信号混合器8就将第二级放大器5输出饱和的部分用第一级放大器3输出的未饱和部分替代，混合后输出如图5所示。这样不会降低波形的分辨率，但能使低功率激光器达到大功率激光器的动态范围。
如图6所示是经过第一放大器3放大后的一级放大未失真信号示意图。图7是经过第二级放大器5后得到的没有饱和失真的信号波形示意图，这是一种可能，因为如果输入信号变大（菲涅尔反射引起饱和）则信号同样经过第一级放大器3和第二级放大器5后会出现失真波形。图8是图6和图7的信号叠加波形示意图，是一个经过两级放大后发生饱和失真的波形叠加过程。图9是本发明的图8的信号叠加后的扩展信号波形示意图，是一个没有失真的波形，这个波形是第一级放大器3输出的同频率同相位的波形；第二级放大器5饱和部分不能真实的反映线路状况，但是第一级放大器3的输出波形可以反映，所以就可以用第一级放大器3没有失真的部分替代第二级放大器5饱和失真的部分。这样第二级放大器5没有失真的部分保留了信号的细节信息，而饱和的部分由第一级放大器3的输出波形替代成真实信号，既保证了测量精度，又达到了动态扩展。
本发明通过新颖的电路设计和软件修正设计，至少可提高动态范围3-6DB，对应激光器功率2-4倍，从而降低对激光器的功率要求，减小激光器的发热问题，并有效的提高了动态范围。本发明通过利用低功率激光器，先经两级低噪声运算放大器产生不同的增益信号，再经混合器输出大小信号拼合技术，主要实现了低功率激光器在APD和放大器非饱和的情况下，达到原来大功率激光器的动态范围。此外，本发明不仅降低了成本，还减小了激光器的发热问题与其辐射伤害的风险，降低了激光器的驱动电流，因此减小了电源对整体性能的扰动影响。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种光时域反射仪动态扩展方法，其特征在于：所述光时域反射仪动态扩展方法是把雪崩光电二极管的阴极端与偏置电压连接，雪崩光电二极管的阳极端与第一级放大器联接；所述第一级放大器通过跨阻电阻将来自雪崩光电二极管的电流转换成电压然后与第二级放大器连接，同时将所述电压作为小电压信号连接至信号混合器；所述第二级放大器将来自第一级放大器的电压信号再次放大作为大电压信号送入信号混合器；所述信号混合器将输入的小电压信号和大电压信号通过计算合并，同时通过信号控制端进行控制，然后通过信号输出端输出。
2.根据权利要求1所述的光时域反射仪动态扩展方法，其特征在于：所述偏置电压为经过滤波的偏置电压。
3.根据权利要求1所述的光时域反射仪动态扩展方法，其特征在于：所述第一放大器为第一级低噪声跨阻放大器。
4.根据权利要求1所述的光时域反射仪动态扩展方法，其特征在于：所述第二级放大器为第二级低噪声放大器。
5.根据权利要求1所述的光时域反射仪动态扩展方法，其特征在于：所述第二级放大器将来自第一级放大器的电压信号放大为原来的40倍。
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