CN103969027A - 一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位方法及装置，包括：一个同步信号发生模块、一个光电探测器和一个时钟信号发生模块，同步信号发生模块的输出接口分别与光源驱动模块及模数转换器的控制接口相连，此光源驱动模块的输出接口分别连接有光源及隔点差分模块的控制接口；光电探测器的输出接口依次连接有模数转换器、平均降噪模块、隔点差分模块和极值判断与定位模块；时钟信号发生模块的时钟输出接口分别连接至模数转换器、平均降噪模块、隔点差分模块和极值判断与定位模块的时钟输入接口；极值判断与定位模块的输出作为整个装置的数据输出接口，光源的输出作为整个装置的光输出接口，光电探测器的输入作为整个装置的光输入接口。

Description

一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位方法及装置

技术领域

本发明是一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位方法及装置，涉及光纤测量技术领域以及信号处理领域。

背景技术

光纤由于具有通信容量大、传送信息质量高、传输距离远、性能稳定、防电磁干扰、抗腐蚀能力强、对振动和温度等物理量敏感等优点，在通信和传感领域得到了广泛的应用。近年来，随着人们对带宽业务的不断需求，光网络技术得到大力的发展。但与此同时，光纤的维护与管理问题也日渐突出，随着网上光纤数量的增加以及早期铺设的光纤的老化，光纤线路的故障次数在不断增加。传统的光纤线路维护方法，排障时间长、设备成本高，严重影响通信网的正常工作。因而，每年因光纤故障而造成的经济损失巨大。

传统的光纤内部损耗/反射点检测与定位信号处理方法主要有两点法和最小二乘法相结合的方法以及Gabor变换和小波变换。两点法和最小二乘法相结合的方法根据背向散射曲线相邻点的斜率变换来判断光纤内部损耗/反射事件，并采用最小二乘法来计算事件损耗，虽然算法简单，实现方便，但存在信噪比低，对噪声敏感，以及容易误检测等缺点；Gabor变换是通过信号的时间平移和频率调制形式来建立非平稳信号的联合时间频率函数，然后对事件频率平面进行采样划分，将时频平面转换成另外两个离散采样网格参数的平面，在二维平面上表征非平稳信号，Gabor变换可以达到时频局部化的目的：它能够在整体上提供信号的全部信息而又能提供在任一局部时间内信号变化剧烈程度的信息，故Gabor变换可以用来检测光纤背向散射曲线上的突变点；小波变换是一个时间和频域的局域变换，利用联合的时间-尺度函数分析非平稳信号，能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对信号进行多分辨率细化分析，从而从光纤背向散射曲线中分析确定故障点，同时利用小波变换的空间局部化特性，可以实现曲线奇异点的定位与性质描述。

然而不论是Gabor变换还是小波变换，都具有算法复杂、资源占用多和处理时间长等缺点，此外，基于Gabor变换和小波变换的信号处理算法往往需借助于专用的数字信号处理器，增加了开发难度和系统的成本。

发明内容

本发明提供一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位方法及装置，本发明采用了平均降噪、隔点差分、极值判断等一系列信号处理方法，实现了光纤内部损耗/反射点的检测与定位，与传统的光纤内部损耗/反射点检测与定位方法相比，本发明具有信噪比高、算法复杂度低、计算量小、占用资源少，成本低等优点。

本发明采用如下技术方案：

一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位方法，同步信号发生模块依次连续产生Q个触发信号至光源驱动模块和模数转换器，Q的取值为2⁰，2¹，2²，...，2^a，a为小于20的正整数，且相邻的两个触发信号的上升沿之间的时间间隔为T，

光源驱动模块接收到所述的触发信号后，产生宽度为τ的电脉冲信号，且所述电脉冲信号上升沿的相位与所述触发信号上升沿的相位相同，再将所述电脉冲信号输出到光源，由光源产生宽度为τ的光脉冲信号，所述光脉冲信号上升沿的相位与所述电脉冲信号上升沿的相位相同，且τ满足0.1μs≤τ≤10μs，

光电探测器将捕获的外界背向散射光信号P(t)转换成背向散射电信号V(t)，并输出至所述的模数转换器，其中V(t)与P(t)满足如下关系：

V(t)＝G×α×P(t)

α和G分别为所述的光电探测器的光电转换系数和跨阻增益，t为时刻，所述的模数转换器接收到所述的第i个触发信号后产生一列数字背向散射信号A_i(n)，并输出至平均降噪模块，其中A_i(n)与V(t)满足如下关系：

A_i(n)＝V((i-1)×T+n×S)

i为所述的触发信号的序数并取值为1，2，3，...，Q，n为所述的数字背向散射信号的序数并取值为0，1，2，...，Z-1，Z为所述的模数转换器在所述的相邻的两个触发信号上升沿之间的时间间隔T内的采样长度，Z与T满足：

$Z=\frac{T}{S}$

S为所述的模数转换器的采样周期，且满足10ns≤S≤100ns，所述的平均降噪模块对所述的Q列数字背向散射信号进行平均处理，产生一列低噪声数字背向散射信号B(n)，并输出至隔点差分模块，其中B(n)为

$B\left(n\right)=\frac{1}{Q}\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\left(n\right)$

所述的隔点差分模块产生一列差分数字背向散射信号C(m)，并输出至极值判断与定位模块，其中C(m)为

C(m)＝B(N_d(m+1)+m)-B(N_dm+m)

m为所述差分数字背向散射信号的序数，满足且m为自然数，N_d为差分间隔点数，所述的极值判断与定位模块输出三列等长的数据P₁，P₂和P₃，所述的三列数据的第j个数据，和分别表示所述的差分数字背向散射信号的第j个极值的类型、幅度和位置，j的取值为1，2，3，...，光纤内部第j个损耗或反射事件发生的位置Y^j与所述的第j个极值位置满足如下关系：

$Y^j=\frac{v_g}{2}{N}_{d}S{P}_3^j$

v_g表示光在纤芯中的传播速度，

时钟信号发生模块为所述的模数转换器、平均降噪模块、隔点差分模块和极值判断与定位模块提供统一的工作时钟。

所述的隔点差分模块的差分间隔点数N_d与所述的光源驱动模块发出的电脉冲信号宽度τ满足如下关系：

$N_d=\frac{\mathrm{\τ}}{S}.$

所述的同步信号发生模块产生信号的周期T与待测光纤的长度L满足如下关系：

$T>\frac{2L}{v_g}.$

所述的极值判断与定位模块输出的P₁的第j个数据为极小值时，表示光纤内部的第j个事件为损耗事件；P₁的第j个数据为极大值时，表示光纤内部的第j个事件为反射事件。

一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位装置，包括：一个同步信号发生模块、一个光电探测器和一个时钟信号发生模块，

所述的同步信号发生模块的输出接口连接有光源驱动模块和模数转换器，且分别与所述的光源驱动模块的控制接口及所述的模数转换器的控制接口相连接，所述的光源驱动模块的输出接口连接有光源和隔点差分模块，且分别与所述的光源的控制接口及所述的隔点差分模块的控制接口相连接；

所述的光电探测器的输出接口连接有所述的模数转换器，且与所述的模数转换器的数据输入接口相连，所述的模数转换器的数据输出接口连接有平均降噪模块，且与所述的平均降噪模块的数据输入接口相连，所述的平均降噪模块的数据输出接口与所述的隔点差分模块的数据输入接口相连，所述的隔点差分模块的数据输出接口连接有极值判断与定位模块，且与所述的极值判断与定位模块的数据输入接口相连；

所述的时钟信号发生模块的时钟输出接口分别连接至所述的模数转换器、平均降噪模块、隔点差分模块和极值判断与定位模块的时钟输入接口；

所述的极值判断与定位模块的输出作为整个装置的数据输出接口，所述的光源的输出作为整个装置的光输出接口，所述的光电探测器的输入作为整个装置的光输入接口。

所述的隔点差分模块的差分间隔点数N_d与所述的光源驱动模块发出的电脉冲信号宽度τ满足如下关系：

$N_d=\frac{\mathrm{\τ}}{S}.$

所述的同步信号发生模块产生信号的周期T与待测光纤的长度L满足如下关系：

$T>\frac{2L}{v_g}.$

所述的极值判断与定位模块输出的P₁的第j个数据为极小值时，表示光纤内部的第j个事件为损耗事件；P₁的第j个数据为极大值时，表示光纤内部的第j个事件为反射事件。

所述的光电探测器包括芯片U1、电阻R1和用于光电转换的PIN管PD1，芯片U1为高速运算放大器MAX4104，电阻R1的阻值是200K欧姆，芯片U1的2号管脚分别连接至PIN管PD1的负极和电阻R1的一端，芯片U1的3号管脚接地，7号管脚连接至5V电源信号VCC5，4号管脚及PIN管PD1的正极都与-5V电源信号VEE-5相连接，芯片U1的6号管脚作为所述的光电探测器的输出，且与电阻R1的另一端相连，

所述的模数转换器包括芯片U2、芯片U3和电阻R6，芯片U3为12位高速模数转换芯片AD9236，芯片U2为用于将单端信号转换为差分信号的高性能模数转换驱动芯片AD8138，电阻R6的一端与所述的光电探测器的输出端口相连，电阻R6的另一端分别与电阻R7的一端及芯片U2的8号管脚相连，电阻R7的另一端与芯片U2的5号管脚相连，芯片U2的1号管脚分别连接至电阻R8的一端及电阻R9的一端，电阻R8的另一端接地，电阻R9的另一端与芯片U2的4号管脚相连，芯片U2的3号与4号管脚分别连接至电源信号VCC5与VEE-5，2号管脚与电压信号ADC_VOCM连接，其中电压信号ADC_VOCM为3V电源信号VCC_3V经电阻R2与电阻R3分压所得，芯片U3的2号管脚连接至电压信号ADC_MODE，其中电压信号ADC_MODE由VCC_3V经电阻R4和电阻R5分压所得，芯片U2的3号管脚、8号管脚、11号管脚及23号管脚接地，7号管脚与12号管脚与电源信号VCC_3V相连接，14号管脚串联电阻R10后接地，24号管脚接3.3V电源信号VCC_3V3，芯片U3的15、16、17、18、19、20、21、22、25、26、27和28号管脚作为所述的模数转换器的数据输出接口，所述的电阻R2和R3的阻值为1K欧姆，所述的电阻R4和R5的阻值分别为2K欧姆和1K欧姆，所述的电阻R6、R7、R8和R9的阻值均为499欧姆，所述的电阻R10的阻值为5K欧姆，

所述的同步信号发生模块、平均降噪模块、隔点查分模块、极值判断与定位模块和时钟信号发生模块均在现场可编程门阵列(FPGA)芯片U4中实现，芯片U4的型号为XC6SLX100T-2FGG900，芯片U4的管脚W29接外部100M时钟信号CLK，芯片U4的AA3、T1、R1、P1、N1、M1、L1、K1、J1、H1、G1、F1及E1号管脚分别与所述的芯片U3的13、15、16、17、18、19、20、21、22、25、26、27和28号管脚相连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明通过平均降噪、隔点差分以及极值判断等信号处理方法实现了光纤内部损耗/反射事件的检测与定位。

本发明采用的平均降噪方法中的平均次数为2的指数幂，所以可以使用移位操作替代除法运算，算法简单，计算量小，资源占用少，实现方便。

本发明采用的隔点差分算法根据光源输出光脉冲宽度和模数转换器的采样周期之比决定差分间隔点数，使得光纤内部损耗/反射事件能够以最大的信号幅度反映出来，信噪比得到大幅提高；此外本发明不需要对数据作最小二乘拟合，算法更加简单。

本发明中的隔点差分模块和极值判断与定位模块采用差分法，和阈值判断法，仅需作减法和比较运算，算法复杂度大大降低，由于不使用乘除法运算，使得本发明计算量小，资源占用少，算法实现简单，且不需要专用的数字信号处理器，降低了开发难度和系统成本，提高了系统稳定性。

附图说明

图1为本发明提出的光纤内部损耗/反射事件点检测与定位装置的结构图；

图2为光电探测器的硬件电路图；

图3为模数转换器的硬件电路图；

图4为现场可编程门阵列(FPGA)的I/OBANK0的硬件电路图；

图5为现场可编程门阵列(FPGA)的I/OBANK1的硬件电路图；

图6为现场可编程门阵列(FPGA)的I/OBANK2的硬件电路图；

图7为现场可编程门阵列(FPGA)的I/OBANK3的硬件电路图；

图8为现场可编程门阵列(FPGA)的I/OBANK4的硬件电路图；

图9为现场可编程门阵列(FPGA)的I/OBANK5的硬件电路图；

图10为现场可编程门阵列(FPGA)的电源接口硬件电路图；

图11为现场可编程门阵列(FPGA)的接地接口硬件电路图；

图12为现场可编程门阵列(FPGA)的GTP接口硬件电路图；

图13为现场可编程门阵列(FPGA)的NC接口硬件电路图；

图14为本发明中的平均降噪模块在现场可编程门阵列中的实现框图；

图15为本发明中的隔点差分模块在现场可编程门阵列中的实现框图；

图16为本发明中的极值判断与定位模块在现场可编程门阵列中的实现框图；

图17为本发明提出的隔点差分算法与一种传统的小波变换算法的乘除法运算次数随光纤长度变化关系的一个对比图；

图18为本发明中的隔点差分模块输出的差分数字背向散射信号的信噪比及本发明最小定位误差随差分间隔点数N_d的变化关系图；

图19给出了本发明中的模数转换器输出的数字背向散射信号随光纤长度的变化关系图；

图20给出了本发明中的隔点差分模块输出的差分数字背向散射信号随光纤长度的变化关系图。

具体实施方式

实施例1

一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位方法，同步信号发生模块1依次连续产生Q个触发信号至光源驱动模块2和模数转换器5，Q的取值为2⁰，2¹，2²，...，2^a，a为小于20的正整数，且相邻的两个触发信号的上升沿之间的时间间隔为T，

光源驱动模块2接收到所述的触发信号后，产生宽度为τ的电脉冲信号，且所述电脉冲信号上升沿的相位与所述触发信号上升沿的相位相同，再将所述电脉冲信号输出到光源3，由光源3产生宽度为τ的光脉冲信号，所述光脉冲信号上升沿的相位与所述电脉冲信号上升沿的相位相同，且τ满足0.1μs≤τ≤10μs，

光电探测器4将捕获的外界背向散射光信号P(t)转换成背向散射电信号V(t)，并输出至所述的模数转换器5，其中V(t)与P(t)满足如下关系：

V(t)＝G×α×P(t)

α和G分别为所述的光电探测器4的光电转换系数和跨阻增益，t为时刻，所述的模数转换器5接收到所述的第i个触发信号后产生一列数字背向散射信号A_i(n)，并输出至平均降噪模块6，其中A_i(n)与V(t)满足如下关系：

A_i(n)＝V((i-1)×T+n×S)

i为所述的触发信号的序数并取值为1，2，3，...，Q，n为所述的数字背向散射信号的序数并取值为0，1，2，...，Z-1，Z为所述的模数转换器5在所述的相邻的两个触发信号上升沿之间的时间间隔T内的采样长度，Z与T满足：

$Z=\frac{T}{S}$

S为所述的模数转换器5的采样周期，且满足10ns≤S≤100ns，所述的平均降噪模块6对所述的Q列数字背向散射信号进行平均处理，产生一列低噪声数字背向散射信号B(n)，并输出至隔点差分模块7，其中B(n)为

$B\left(n\right)=\frac{1}{Q}\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\left(n\right)$

所述的隔点差分模块7产生一列差分数字背向散射信号C(m)，并输出至极值判断与定位模块8，其中C(m)为

C(m)＝B(N_d(m+1)+m)-B(N_dm+m)

m为所述差分数字背向散射信号的序数，满足且m为自然数，N_d为差分间隔点数，所述的极值判断与定位模块8将所述的差分数字背向散射信号C(m)与两个阈值信号Tr_max和Tr_min分别逐一作比较，所有大于阈值Tr_max的点为极大值点，小于阈值Tr_min的点为极小值点，并输出三列等长的数据P₁，P₂和P₃，所述的三列数据的第j个数据，和分别表示所述的差分数字背向散射信号C(m)的第j个极值的类型、幅度和位置，j的取值为1，2，3，...，光纤内部第j个损耗或反射事件发生的位置Y^j与所述的第j个极值位置满足如下关系：

$Y^j=\frac{v_g}{2}{N}_{d}S{P}_3^j$

v_g表示光在纤芯中的传播速度，

时钟信号发生模块9为所述的模数转换器5、平均降噪模块6、隔点差分模块7和极值判断与定位模块8提供统一的工作时钟。

所述的隔点差分模块7的差分间隔点数N_d与所述的光源驱动模块2发出的电脉冲信号宽度τ满足如下关系：

$N_d=\frac{\mathrm{\τ}}{S}.$

所述的同步信号发生模块1产生信号的周期T与待测光纤的长度L满足如下关系：

$T>\frac{2L}{v_g}.$

所述的极值判断与定位模块8输出的P₁的第j个数据为极小值时，表示光纤内部的第j个事件为损耗事件；P₁的第j个数据为极大值时，表示光纤内部的第j个事件为反射事件。

实施例2

一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位装置，包括：一个同步信号发生模块1、一个光电探测器4和一个时钟信号发生模块9，

所述的同步信号发生模块1的输出接口连接有光源驱动模块2和模数转换器5，且分别与所述的光源驱动模块2的控制接口及所述的模数转换器5的控制接口相连接，所述的光源驱动模块2的输出接口连接有光源3和隔点差分模块7，且分别与所述的光源3的控制接口及所述的隔点差分模块7的控制接口相连接；

所述的光电探测器4的输出接口连接有所述的模数转换器5，且与所述的模数转换器5的数据输入接口相连，所述的模数转换器5的数据输出接口连接有平均降噪模块6，且与所述的平均降噪模块6的数据输入接口相连，所述的平均降噪模块6的数据输出接口与所述的隔点差分模块7的数据输入接口相连，所述的隔点差分模块7的数据输出接口连接有极值判断与定位模块8，且与所述的极值判断与定位模块8的数据输入接口相连；

所述的时钟信号发生模块9的时钟输出接口分别连接至所述的模数转换器5、平均降噪模块6、隔点差分模块7和极值判断与定位模块8的时钟输入接口；

所述的极值判断与定位模块8的输出作为整个装置的数据输出接口，所述的光源3的输出作为整个装置的光输出接口，所述的光电探测器4的输入作为整个装置的光输入接口。

所述的隔点差分模块7的差分间隔点数N_d与所述的光源驱动模块2发出的电脉冲信号宽度τ满足如下关系：

$N_d=\frac{\mathrm{\τ}}{S}.$

所述的同步信号发生模块1产生信号的周期T与待测光纤的长度L满足如下关系：

$T>\frac{2L}{v_g}.$

所述的极值判断与定位模块8输出的P₁的第j个数据为极小值时，表示光纤内部的第j个事件为损耗事件；P₁的第j个数据为极大值时，表示光纤内部的第j个事件为反射事件。

所述的光电探测器4包括芯片U1、电阻R1和用于光电转换的PIN管PD1，芯片U1为高速运算放大器MAX4104，电阻R1的阻值是200K欧姆，芯片U1的2号管脚分别连接至PIN管PD1的负极和电阻R1的一端，芯片U1的3号管脚接地，7号管脚连接至5V电源信号VCC5，4号管脚及PIN管PD1的正极都与-5V电源信号VEE-5相连接，芯片U1的6号管脚作为所述的光电探测器4的输出，且与电阻R1的另一端相连，

所述的模数转换器5包括芯片U2、芯片U3和电阻R6，芯片U3为12位高速模数转换芯片AD9236，芯片U2为用于将单端信号转换为差分信号的高性能模数转换驱动芯片AD8138，电阻R6的一端与所述的光电探测器4的输出端口相连，电阻R6的另一端分别与电阻R7的一端及芯片U2的8号管脚相连，电阻R7的另一端与芯片U2的5号管脚相连，芯片U2的1号管脚分别连接至电阻R8的一端及电阻R9的一端，电阻R8的另一端接地，电阻R9的另一端与芯片U2的4号管脚相连，芯片U2的3号与4号管脚分别连接至电源信号VCC5与VEE-5，2号管脚与电压信号ADC_VOCM连接，其中电压信号ADC_VOCM为3V电源信号VCC_3V经电阻R2与电阻R3分压所得，芯片U3的2号管脚连接至电压信号ADC_MODE，其中电压信号ADC_MODE由VCC_3V经电阻R4和电阻R5分压所得，芯片U2的3号管脚、8号管脚、11号管脚及23号管脚接地，7号管脚与12号管脚与电源信号VCC_3V相连接，14号管脚串联电阻R10后接地，24号管脚接3.3V电源信号VCC_3V3，芯片U3的15、16、17、18、19、20、21、22、25、26、27和28号管脚作为所述的模数转换器5的数据输出接口，所述的电阻R2和R3的阻值为1K欧姆，所述的电阻R4和R5的阻值分别为2K欧姆和1K欧姆，所述的电阻R6、R7、R8和R9的阻值均为499欧姆，所述的电阻R10的阻值为5K欧姆，

所述的同步信号发生模块1、平均降噪模块6、隔点查分模块7、极值判断与定位模块8和时钟信号发生模块9均在现场可编程门阵列(FPGA)芯片U4中实现，芯片U4的型号为XC6SLX100T-2FGG900，芯片U4的管脚W29接外部100M时钟信号CLK，芯片U4的AA3、T1、R1、P1、N1、M1、L1、K1、J1、H1、G1、F1及E1号管脚分别与所述的芯片U3的13、15、16、17、18、19、20、21、22、25、26、27和28号管脚相连接。

图14给出了平均降噪模块6在现场可编程门阵列中的实现框图。所述的模数转换器5输出的数字背向散射信号分别传送至平均降噪模块6中加法器61的一个数据输入端口6101和计数器64的数据输入端口，

所述的计数器64记录所述的模数转换器5输出数据的个数，并控制1×2数据分配器63的数据输出，当计数器64计数值小于等于Z时，所述的1×2数据分配器63的一个数据输出端口6301输出的数据都为0，并传输至所述的加法器61的另一个数据输入端口6102，且与所述的加法器61的一个数据输入端口6101中的数据相加，所述的加法器61的数据输出端口输出相加后的数据至队列62的数据输入端口，并依次存入所述的队列62，当所述的计数器64计数至Z时，队列62中依次存放的一列数据为所述的A₁(n)；所述的计数器64继续计数，当计数值小于等于2Z时，所述的计数器64控制所述的1×2数据分配器63的一个数据输出端口6301与数据输入端口连通，并依次输出所述的队列62中的数据至所述的加法器61的另一个数据输入端口6102，且与所述的加法器61的一个数据输入端口6101中的数据相加，同时，所述的加法器61的数据输出端口依次输出相加后的数据至所述队列62，当计数器64计数至2Z时，所述的队列62中依次存放的一列数据为A₁(n)与A₂(n)的和；以此类推，直到计数器64计数至QZ，所述的队列62中依次存放的一列数据为A₁(n)、A₂(n)、...、A_Q(n)的和；此时计数器64控制所述的1×2数据分配器63的另一个数据输出端口6302与数据输入端口连通，并将所述的队列62中的数据依次输出至总线移位器65的数据输入端口，由于所述的平均次数为2的指数幂，故所述的总线移位器65只需对所述的队列62的数据作相应的移位操作便可得到一列平均后的数据，所述的总线移位器65的输出作为所述的平均降噪模块6的数据输出接口。

图15给出了隔点差分模块7在现场可编程门阵列中的实现框图。所述的平均降噪模块6输出的一列低噪声数字背向散射信号分别传输至所述的隔点差分模块7中的减法器71的一个数据输入端口7101、寄存器72的数据输入端口和计数器73的数据输入端口，

所述的计数器73记录所述的低噪声数字背向散射信号的数据个数，并根据计数值控制所述的减法器71与所述的寄存器72的操作，当所述的计数器73计数值为1时，所述的计数器73控制所述的寄存器72存入一个数据，当所述的计数器73计数至N_d+1时，所述的寄存器72将数据输出至所述的减法器71的另一个数据输入端口7102，所述的减法器71对两个输入端口中的数据作减法运算，并将结果输出，同时所述的计数器73清零；所述的计数器73重新开始计数，并重复执行上述操作，直至所述的平均降噪模块6所有数据全部输出。所述的减法器71的输出作为所述的隔点差分模块7的数据输出接口。

图16给出了极值判断与定位模块8在现场可编程门阵列中的实现框图。所述的隔点差分模块7输出的一列差分数字背向散射信号分别传输至所述的极值判断与定位模块8中的比较器81的一个数据输入端口8101和计数器82的数据输入端口，阈值发生器83产生两个阈值信号Tr_max和Tr_min，并输出至所述的比较器81的另一个数据输入端口8102，

所述的比较器81对所述的差分数字背向散射信号与阈值信号Tr_max和Tr_min分别逐一作比较，确定大于阈值Tr_max的点为极大值点，小于阈值Tr_min的点为极小值点，并输出所有极值点的类型和幅度，同时控制所述的计数器82输出相应极值点的位置。所述的比较器81和所述的计数器82的输出作为所述的极值判断与定位模块8的数据输出接口。

在本实施案例中，同步信号发生模块1输出的两个相邻的触发信号上升沿之间的时间间隔T为160μs，光源驱动模块2输出的电信号脉冲宽度与光源3输出的光脉冲宽度τ为1μs，待测光纤长度L为14.6km，模数转换器5的采样周期S为20ns，在时间间隔T内的采样长度Z为8000，平均降噪模块6的平均次数Q为128，隔点差分模块7的差分间隔点数N_d为50，极值判断与定位模块8中的两个阈值信号Tr_max和Tr_min分别为60和-40。图17为本发明提出的隔点差分算法与一种传统的小波变换算法乘除法运算次数的一个对比，从中可以看出，传统的小波变换算法随着光纤长度的增加，乘除法运算次数不断增加，而本发明提出的隔点差分算法不需要作乘除法运算，大大节省了资源消耗，效率高，成本低；图18给出了本发明中的隔点差分模块7输出的差分数字背向散射信号的信噪比及本发明的最小定位误差随差分间隔点数N_d的变化关系，其中信噪比定义为差分数字背向散射信号的最小信号幅度与最大噪声幅度之比，从图18可以看出，随着差分间隔点数N_d的增加，信噪比随之增大，但当差分间隔点数N_d达到50时，继续增加差分间隔点数，此时信噪比不再有明显增大，而本发明的最小定位误差随着差分间隔点数N_d的增大不断变大，故综合考虑，选取差分间隔点数N_d为50，即为光脉冲宽度τ与采样周期S之比；图19给出了本发明中的模数转换器5输出的数字背向散射信号随光纤长度的变化关系；图20给出了本发明中的隔点差分模块7输出的差分数字背向散射信号随光纤长度的变化关系，从图20中可以明显看出，光纤内部各处损耗/反射事件都被检测出来，据此，可由极值判断与定位模块8判断出光纤内部各事件类型，并计算出各事件在光纤内部发生的位置。

Claims (9)

1.一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位方法，其特征在于，同步信号发生模块(1)依次连续产生Q个触发信号至光源驱动模块(2)和模数转换器(5)，Q的取值为2⁰，2¹，2²，...，2^a，a为小于20的正整数，且相邻的两个触发信号的上升沿之间的时间间隔为T，

光源驱动模块(2)接收到所述的触发信号后，产生宽度为τ的电脉冲信号，且所述电脉冲信号上升沿的相位与所述触发信号上升沿的相位相同，再将所述电脉冲信号输出到光源(3)，由光源(3)产生宽度为τ的光脉冲信号，所述光脉冲信号上升沿的相位与所述电脉冲信号上升沿的相位相同，

光电探测器(4)将捕获的外界背向散射光信号P(t)转换成背向散射电信号V(t)，并输出至所述的模数转换器(5)，其中V(t)与P(t)满足如下关系：

V(t)＝G×α×P(t)

α和G分别为所述的光电探测器(4)的光电转换系数和跨阻增益，t为时刻，所述的模数转换器(5)接收到所述的第i个触发信号后产生一列数字背向散射信号A_i(n)，并输出至平均降噪模块(6)，其中A_i(n)与V(t)满足如下关系：

A_i(n)＝V((i-1)×T+n×S)

i为所述的触发信号的序数并取值为1，2，3，...，Q，n为所述的数字背向散射信号的序数并取值为0，1，2，...，Z-1，Z为所述的模数转换器(5)在相邻的两个触发信号上升沿之间的时间间隔T内的采样长度，Z与T满足：

$Z=\frac{T}{S}$

S为所述的模数转换器(5)的采样周期，且满足10ns≤S≤100ns，所述的平均降噪模块(6)对所述的Q列数字背向散射信号进行平均处理，产生一列低噪声数字背向散射信号B(n)，并输出至隔点差分模块(7)，其中B(n)为

$B\left(n\right)=\frac{1}{Q}\underset{i=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\left(n\right)$

所述的隔点差分模块(7)产生一列差分数字背向散射信号C(m)，并输出至极值判断与定位模块(8)，其中C(m)为

C(m)＝B(N_d(m+1)+m)-B(N_dm+m)

m为所述差分数字背向散射信号的序数，满足且m为自然数，N_d为差分间隔点数，所述的极值判断与定位模块(8)输出三列等长的数据P₁，P₂和P₃，所述的三列数据的第j个数据，和分别表示所述的差分数字背向散射信号的第j个极值的类型、幅度和位置，j的取值为1，2，3，...，光纤内部第j个损耗或反射事件发生的位置Y^j与所述的第j个极值位置满足如下关系：

$Y^j=\frac{v_g}{2}{N}_{d}S{P}_3^j$

v_g表示光在纤芯中的传播速度。

2.根据权利要求1所述的一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位方法，其特征在于，所述的隔点差分模块(7)的差分间隔点数N_d与所述的光源驱动模块(2)发出的电脉冲信号宽度τ满足如下关系：

$N_d=\frac{\mathrm{\τ}}{S}.$

3.根据权利要求1所述的一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位方法，其特征在于，所述的同步信号发生模块(1)产生信号的周期T与待测光纤的长度L满足如下关系：

$T>\frac{2L}{v_g}.$

4.根据权利要求1所述的一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位方法，其特征在于，所述的极值判断与定位模块(8)输出的P₁的第j个数据为极小值时，表示光纤内部的第j个事件为损耗事件；P₁的第j个数据为极大值时，表示光纤内部的第j个事件为反射事件。

5.一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位装置，其特征在于，包括：一个同步信号发生模块(1)、一个光电探测器(4)和一个时钟信号发生模块(9)，

所述的同步信号发生模块(1)的输出接口连接有光源驱动模块(2)和模数转换器(5)，且分别与所述的光源驱动模块(2)的控制接口及所述的模数转换器(5)的控制接口相连接，在所述的光源驱动模块(2)的输出接口上连接有光源(3)和隔点差分模块(7)，且分别与所述的光源(3)的控制接口及所述的隔点差分模块(7)的控制接口相连接；

所述的光电探测器(4)的输出接口连接有所述的模数转换器(5)，且与所述的模数转换器(5)的数据输入接口相连，所述的模数转换器(5)的数据输出接口连接有平均降噪模块(6)，且与所述的平均降噪模块(6)的数据输入接口相连，所述的平均降噪模块(6)的数据输出接口与所述的隔点差分模块(7)的数据输入接口相连，所述的隔点差分模块(7)的数据输出接口连接有极值判断与定位模块(8)，且与所述的极值判断与定位模块(8)的数据输入接口相连；

所述的时钟信号发生模块(9)的时钟输出接口分别连接至所述的模数转换器(5)、平均降噪模块(6)、隔点差分模块(7)和极值判断与定位模块(8)的时钟输入接口；

所述的极值判断与定位模块(8)的输出作为整个装置的数据输出接口，所述的光源(3)的输出作为整个装置的光输出接口，所述的光电探测器(4)的输入作为整个装置的光输入接口。

6.根据权利要求5所述的一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位装置，其特征在于，所述的隔点差分模块(7)的差分间隔点数N_d与所述的光源驱动模块(2)发出的电脉冲信号宽度τ满足如下关系：

$N_d=\frac{\mathrm{\τ}}{S}.$

7.根据权利要求5所述的一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位装置，其特征在于，所述的同步信号发生模块(1)产生信号的周期T与待测光纤的长度L满足如下关系：

$T>\frac{2L}{v_g}.$

8.根据权利要求5所述的一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位装置，其特征在于，所述的极值判断与定位模块(8)输出的P₁的第j个数据为极小值时，表示光纤内部的第j个事件为损耗事件；P₁的第j个数据为极大值时，表示光纤内部的第j个事件为反射事件。

9.根据权利要求5所述的一种光纤内部损耗/反射点简易检测与定位装置，其特征在于，所述的光电探测器(4)包括芯片U1、电阻R1和用于光电转换的PIN管PD1，芯片U1为高速运算放大器MAX4104，电阻R1的阻值是200K欧姆，芯片U1的2号管脚分别连接至PIN管PD1的负极和电阻R1的一端，芯片U1的3号管脚接地，7号管脚连接至5V电源信号VCC5，4号管脚及PIN管PD1的正极都与-5V电源信号VEE-5相连接，芯片U1的6号管脚作为所述的光电探测器(4)的输出，且与电阻R1的另一端相连，

所述的模数转换器(5)包括芯片U2、芯片U3和电阻R6，芯片U3为12位高速模数转换芯片AD9236，芯片U2为用于将单端信号转换为差分信号的高性能模数转换驱动芯片AD8138，电阻R6的一端与所述的光电探测器(4)的输出端口相连，电阻R6的另一端分别与电阻R7的一端及芯片U2的8号管脚相连，电阻R7的另一端与芯片U2的5号管脚相连，芯片U2的1号管脚分别连接至电阻R8的一端及电阻R9的一端，电阻R8的另一端接地，电阻R9的另一端与芯片U2的4号管脚相连，芯片U2的3号与4号管脚分别连接至电源信号VCC5与VEE-5，2号管脚与电压信号ADC_VOCM连接，其中电压信号ADC_VOCM为3V电源信号VCC_3V经电阻R2与电阻R3分压所得，芯片U3的2号管脚连接至电压信号ADC_MODE，其中电压信号ADC_MODE由VCC_3V经电阻R4和电阻R5分压所得，芯片U2的3号管脚、8号管脚、11号管脚及23号管脚接地，7号管脚与12号管脚与电源信号VCC_3V相连接，14号管脚串联电阻R10后接地，24号管脚接3.3V电源信号VCC_3V3，芯片U3的15、16、17、18、19、20、21、22、25、26、27和28号管脚作为所述的模数转换器(5)的数据输出接口，所述的电阻R2和R3的阻值为1K欧姆，所述的电阻R4和R5的阻值分别为2K欧姆和1K欧姆，所述的电阻R6、R7、R8和R9的阻值均为499欧姆，所述的电阻R10的阻值为5K欧姆，

所述的同步信号发生模块(1)、平均降噪模块(6)、隔点查分模块(7)、极值判断与定位模块(8)和时钟信号发生模块(9)均在现场可编程门阵列(FPGA)芯片U4中实现，芯片U4的型号为XC6SLX100T-2FGG900，芯片U4的管脚W29接外部100M时钟信号CLK，芯片U4的AA3、T1、R1、P1、N1、M1、L1、K1、J1、H1、G1、F1及E1号管脚分别与所述的芯片U3的13、15、16、17、18、19、20、21、22、25、26、27和28号管脚相连接。