CN105136429A - 一种提高光时域反射计动态范围的信号检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高光时域反射计动态范围的信号检测装置及方法，该信号检测装置包括雪崩光电二极管、跨阻放大器、分频电路、高电压放大电路、低电压放大电路、高模数转换器、低模数转换器、现场可编程门阵列、数模转换器和升压芯片。经过分频电路分频后的高频模拟信号和低频模拟信号分别由高模数转换器和低模数转换器采集，由现场可编程门阵列提供同步时钟信号，并对采集的数据进行数据处理，合成高频信号和低频信号的采集结果，得到测试结果。本发明利用菲涅尔反射和瑞利后向散射不同的频率特性，解决了由于菲涅尔反射的强度远大于瑞利后向散射的强度限制检测系统的动态范围的问题。
Description
技术领域
本发明属于测量仪器技术领域，特别涉及一种提高光时域反射计动态范围的信号检测装置及方法。
背景技术
光时域反射计(OTDR)是基于菲涅尔反射和瑞利后向散射的测量仪器，可测量光纤长度和光纤链路的衰减，同时能检测和定位光纤链路上的事件，如：断点、接头损耗、弯曲损耗等。瑞利散射是半径比光的波长小很多的微小颗粒对入射光束的散射。瑞利散射在整个空间中都有功率分布，其中存在沿着光纤轴向向前或向后的散射，通常称沿轴向向后的瑞利散射为瑞利后向散射，它提供了与光纤长度有关的连续衰减细节。菲涅尔反射是当光入射到折射率不同的两个媒质分界面处，一部分光被吸收。
随着光纤通信技术的发展，光纤的应用日益广泛，如波分复用(WDM)技术、光控相控阵雷达系统等，产生了形式复杂的光纤系统和拓扑结构，光纤接头繁多，链路结构复杂，对快速而准确地测量光纤特性、定位光纤中的故障点提出了更高的要求。OTDR是目前最普遍采用的光纤检测技术。1975年，Barnoski和Jensen首次提出后向散射理论[1]。1976年，Personik进一步完善后向散射技术，通过实验建立了多模光纤的瑞利后向散射功率方程[2]。1980年Brinkmeyer将后向散射技术应用于单模光纤，论证了后向散射功率方程不仅适用于多模光纤，也适用于单模光纤[3]。
OTDR的技术指标包括动态范围、空间分辨率、损耗盲区和事件盲区、损耗分辨率等，这些指标中最关键的是动态范围。在高的动态范围下，较小的脉宽也能满足一定距离的测量要求，实现较高的空间分辨率；高的动态范围意味着较远距离处的噪声幅度较小，能够实现较高的损耗分辨率；高的动态范围也在一定程度上改善由于盲区带来的测量干扰。因此，提高OTDR的动态范围是提高OTDR性能指标的重要基础。通常情况下，菲尼尔反射的强度远大于瑞利后向散射的强度，如采用脉宽为100ns的脉冲时，菲涅尔反射的强度比瑞利后向散射的强度大约强40dB，对于脉冲宽度更短的情况，两者相差更多。菲涅尔反射信号的频率接近于系统测试脉冲的频率，相比于瑞利后向散射信号，为高频信号。可利用其不同的频率特性提高信号检测的动态范围。
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发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种提高光时域反射计动态范围的信号检测装置及方法，以利用菲涅尔反射和瑞利后向散射不同的频率特性，解决由于菲涅尔反射的强度远大于瑞利后向散射的强度限制检测系统的动态范围的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，该信号检测装置包括雪崩光电二极管1、跨阻放大器2、分频电路3、高电压放大电路4、低电压放大电路5、高模数转换器6、低模数转换器7、现场可编程门阵列10、数模转换器9和升压芯片8，其中，雪崩光电二极管1、跨阻放大器2和分频电路3依次连接，分频电路3分别连接于高电压放大电路4和低电压放大电路5，高电压放大电路4连接于高模数转换器6，低电压放大电路5连接于低模数转换器7，高模数转换器6和低模数转换器7均连接于现场可编程门阵列10，现场可编程门阵列10、数模转换器9和升压芯片8依次连接，且升压芯片8还连接于雪崩光电二极管1。
上述方案中，所述雪崩光电二极管1用于检测光纤瑞利后向散射和菲涅尔反射，其内部电流增益是通过调节反向偏压的大小来改变。
上述方案中，所述跨阻放大器2用于将雪崩光电二极管1输出的电流转换为电压信号。
上述方案中，所述分频电路3根据系统需要设计不同阶次的分频电路，将跨阻放大器2转换的电压信号分为两路，一路为高频模拟信号，一路为低频模拟信号。
上述方案中，所述高电压放大电路4用来放大分频电路3分频之后的高频模拟信号，该高频模拟信号为菲涅尔反射信号；所述低电压放大电路5用来放大分频电路3分频之后的低频模拟信号，该低频模拟信号为瑞利后向散射信号。由于瑞利后向散射信号强度远小于菲涅尔反射强度，因此低电压放大电路5的增益应远大于高电压放大电路4的增益。
上述方案中，所述高模数转换器6和所述低模数转换器7是根据系统需要来选择相同或不同型号的模数转换器，高模数转换器6中前端耦合电路的频率范围包含菲涅尔反射信号的频率范围，低模数转换器7中前端耦合电路的频率范围包含瑞利后向散射的频率范围，且高模数转换器6与低模数转换器7的时钟信号同步。
上述方案中，所述升压芯片8为雪崩光电二极管1正常工作提供高反向偏压，并且调节雪崩光电二极管1的内部电流增益，其输出电压由数模转换器9输出的模拟电压信号决定。
上述方案中，所述数模转换器9由现场可编程门阵列10控制，其输出模拟电压信号控制升压芯片8的输出电压，从而决定雪崩光电二极管1的内部电流增益。
上述方案中，所述现场可编程门阵列10为数模转换器9提供控制信号，为高模数转换器6和低模数转换器7提供同步时钟，同时对高模数转换器6和低模数转换器7采集的数据进行数据合并处理。
为达到上述目的，本发明还提供了一种应用所述的信号检测装置提高光时域反射计动态范围的信号检测方法，该方法由现场可编程门阵列10控制数模转换器9的输出模拟电压信号，数模转换器9的输出模拟电压信号控制升压芯片8的输出电压，从而调节雪崩光电二极管1的反向偏压，改变雪崩光电二极管1内部电流增益，进而提高雪崩光电二极管1检测光信号的动态范围。
上述方案中，该方法在检测较小瑞利后向散射产生的光信号时，设定较大的内部电流增益，输出较大的电流信号，并且以达到有很高的系统对信噪比的要求。检测较大菲涅尔反射产生的光信号时，设定较小的内部电流增益，增益倍数比检测瑞利后向散射时低数十dB，使其输出电流信号在APD的线性响应范围之内。
上述方案中，经过分频电路3分频后的高频模拟信号和低频模拟信号分别由高模数转换器6和低模数转换器7采集，由现场可编程门阵列10提供同步时钟信号，并对采集的数据进行数据处理，合成高频信号和低频信号的采集结果，得到OTDR测试结果。
上述方案中，所述高电压放大电路4和所述低电压放大电路5分别放大菲涅尔反射信号和瑞利后向散射信号，由于菲涅尔反射信号的强度远大于瑞利后向散射信号的强度，通常前者大于后者数十dB，因此高电压放大电路4的增益倍数应远大于低电压放大电路5的增益倍数。
上述方案中，该方法选择不同阶次的分频电路3，将跨阻放大器2转换的电压信号分为两路，一路为高频模拟信号，一路为低频模拟信号。
上述方案中，经分频电路3分频后的信号，分别由高电压放大电路4和低电压放大电路5放大，经高电压放大电路4和低电压放大电路5放大后的信号分别高模数转换器6和低模数转换器7采集；其中高模数转换器6与低模数转换器7的时钟是同步的，由现场可编程门阵列10提供同步时钟信号。
上述方案中，高模数转换器6和低模数转换器7采集的数据由现场可编程门阵列10处理；由于高模数转换器6和低模数转换器7的时钟是同步的，现场可编程门阵列10根据采样时间将同一时间采集到的数据进行合成，得到同时含有高频分量和低频分量的光时域反射计测试结果。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
第一，程控雪崩光电二极管的内部电流增益，检测瑞利后向散射产生的光信号时，设定内部电流增益以达到系统对信噪比的要求。检测菲涅尔反射产生的光信号时，设定内部电流增益，增益倍数比检测瑞利后向散射时低数十dB，使其输出电流信号在APD的线性响应范围之内。
第二，经过分频电路分频，高频通路检测菲涅尔反射信号，低频通路检测瑞利后向散射信号，后者放大电路的增益远大于前者，提高了检测的动态范围。
第三，通过数模转换器输出的电压控制雪崩光电二极管的内部电路增益，通过分频电路分别设定菲涅尔反射信号和瑞利后向散射信号的增益，整个系统不需可变电阻，避免了可变电阻引入噪声，系统有更好的信噪比。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明作进一步说明，其中：
图1是依照本发明实施例的提高OTDR动态范围的信号检测装置的示意图。
图2是依照本发明实施例的提高OTDR动态范围的信号检测方法的示意图。
图3是不同阶次的分频电路的原理图，其中，C1、C2、C3、C4、C5、C6为电容，L1、L2、L3、L4、L5、L6为电感。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1所示，图1是依照本发明实施例的提高OTDR动态范围的信号检测装置的示意图，该信号检测装置包括雪崩光电二极管(APD)1、跨阻放大器2、分频电路3、高电压放大电路4、低电压放大电路5、高模数转换器(HADC)6、低模数转换器(LADC)7、现场可编程门阵列(FPGA)10、数模转换器(DAC)9和升压芯片8。其中，雪崩光电二极管1、跨阻放大器2和分频电路3依次连接，分频电路3分别连接于高电压放大电路4和低电压放大电路5，高电压放大电路4连接于高模数转换器6，低电压放大电路5连接于低模数转换器7，高模数转换器6和低模数转换器7均连接于现场可编程门阵列10，现场可编程门阵列10、数模转换器(DAC)9和升压芯片8依次连接，且升压芯片8还连接于雪崩光电二极管1。
雪崩光电二极管1作为光电探测器件，是基于电离碰撞效应的，有很高的内部电流增益，工作时其两端加上高反向偏压，通过调节反向偏压的大小可以调节其内部电流增益。雪崩光电二极管1用于检测光纤瑞利后向散射和菲涅尔反射，其内部电流增益可以通过调节反向偏压的大小改变。
跨阻放大器2将雪崩光电二极管1输出的电流转换为电压信号，其增益根据系统设计。分频电路3根据系统需要设计不同阶次的分频电路并计算其参数。高电压放大电路4用来放大分频之后的高频信号，即菲涅尔反射信号，根据系统需要设计其增益，低电压放大电路5用来放大分频之后的低频信号，即瑞利后向散射信号，根据系统需要设计其增益。由于瑞利后向散射信号强度远小于菲涅尔反射强度，因此低电压放大电路5的增益应远大于高电压放大电路4的增益。
高模数转换器6和低模数转换器7可以根据系统需要选择相同或不同型号的ADC，高模数转换器6的前端耦合电路相应的频率范围要包含菲涅尔反射信号的频率范围，低模数转换器7的前端耦合电路相应的频率范围要包含瑞利后向散射的频率范围。高模数转换器6和低模数转换器7的时钟信号必须同步。
升压芯片8为雪崩光电二极管1正常工作提供高反向偏压，并且调节雪崩光电二极管1的内部电流增益，其输出电压由数模转换器9输出的模拟电压信号决定。数模转换器9由FPGA10控制，其输出模拟电压信号控制升压芯片8的输出电压，从而决定雪崩光电二极管1的内部电流增益。FPGA10为数模转换器9提供控制信号，为高模数转换器6和低模数转换器7提供同步时钟，同时对高模数转换器6和低模数转换器7采集的数据进行数据合并处理。
雪崩光电二极管1的输出电流通过跨阻放大器2被转换为电压信号，该电压信号经分频电路3后被分为两路，一路为高频模拟信号，一路为低频模拟信号。分频电路3可根据系统需要设计不同阶次的分频电路并确定电流参数，如图3。高频模拟信号进入高电压放大电路4，被高电压放大电路4放大后进入高模数转换器6，被高模数转换器6模数转换后得到高频数字信号；低频模拟信号进入低电压放大电路5，被低电压放大电路5放大后进入低模数转换器7，被低模数转换器7模数转换后得到低频数字信号。高频数字信号和低频数字信号被输入FPGA10，FPGA10提供高模数转换器6和低模数转换器7的同步时钟信号，并对自高模数转换器6和低模数转换器7输入的高频数字信号和低频数字信号进行处理，将高频数字信号和低频数字信号进行数据合成，得到同时含有高频分量和低频分量的信号检测结果。
FPGA10通过自身PROM中的程序来控制数模转换器9的模拟输出电压。数模转换器9控制升压芯片8的输出电压。升压芯片8的输出电压为雪崩光电二极管1提供高反向偏压。
请参阅图2所示，图2是依照本发明实施例的提高OTDR动态范围的信号检测方法的示意图。由FPGA10控制数模转换器9的输出模拟电压信号，数模转换器9的输出模拟电压信号控制升压芯片8的输出电压，从而调节雪崩光电二极管1的反向偏压，改变其内部电流增益。根据测试信号的范围程控雪崩光电二极管1的内部电流增益，从而提高雪崩光电二极管1检测光信号的动态范围。检测瑞利后向散射产生的光信号时，设定内部电流增益以达到系统对信噪比的要求。检测菲涅尔反射产生的光信号时，设定内部电流增益，增益倍数比检测瑞利后向散射时低数十dB，使其输出电流信号在APD的线性响应范围之内。
经过分频电路3分频后的高频模拟信号和低频模拟信号分别由高模数转换器6和低模数转换器7采集，由FPGA10提供同步时钟信号，并对采集的数据进行数据处理，合成高频信号和低频信号的采集结果，得到OTDR测试结果。一阶、二阶、三阶分频电路如图3。
高电压放大电路4和低电压放大电路5分别放大菲涅尔反射信号和瑞利后向散射信号，由于菲涅尔反射信号的强度远大于瑞利后向散射信号的强度，通常前者大于后者数十dB。因此，高电压放大电路4的增益倍数应远大于低电压放大电路5的增益倍数，可根据系统具体测试要求设计二者的增益。
根据测试信号的范围，由FPGA10中的程序设定数模转换器9的输出模拟电压信号的大小，数模转换器9的输出模拟电压信号控制升压芯片8的输出电压，从而调节雪崩光电二极管1的反向偏压，改变其内部电流增益。检测瑞利后向散射产生的光信号时，设定内部电流增益比检测菲涅尔反射产生的光信号大数十dB，使其输出电流信号在雪崩光电二极管1的线性响应范围之内。进一步地，本发明提供的提高OTDR动态范围的信号检测方法，可选择不同阶次的分频电路3，将信号分为高频分量和低频分量。
经分频电路3分频后的信号，分别由高电压放大电路4和低电压放大电路5放大，其增益不同，高电压放大电路4的增益倍数应远大于低电压放大电路5的增益倍数，可根据系统具体测试要求设计二者的增益。
经高电压放大电路4和低电压放大电路5放大后的信号分别高模数转换器6和低模数转换器7采集。其中，高模数转换器6和低模数转换器7的时钟是同步的，由FPGA10提供同步时钟信号。
高模数转换器6和低模数转换器7采集的数据由FPGA10处理。由于高模数转换器6和低模数转换器7的时钟是同步的，FPGA10根据采样时间将同一时间采集到的数据进行合成，得到同时含有高频分量和低频分量的OTDR测试结果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，其特征在于，该信号检测装置包括雪崩光电二极管(1)、跨阻放大器(2)、分频电路(3)、高电压放大电路(4)、低电压放大电路(5)、高模数转换器(6)、低模数转换器(7)、现场可编程门阵列(10)、数模转换器(9)和升压芯片(8)，其中，雪崩光电二极管(1)、跨阻放大器(2)和分频电路(3)依次连接，分频电路(3)分别连接于高电压放大电路(4)和低电压放大电路(5)，高电压放大电路(4)连接于高模数转换器(6)，低电压放大电路(5)连接于低模数转换器(7)，高模数转换器(6)和低模数转换器(7)均连接于现场可编程门阵列(10)，现场可编程门阵列(10)、数模转换器(9)和升压芯片(8)依次连接，且升压芯片(8)还连接于雪崩光电二极管(1)。
2.根据权利要求1所述的提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管(1)用于检测光纤瑞利后向散射和菲涅尔反射，其内部电流增益是通过调节反向偏压的大小来改变。
3.根据权利要求1所述的提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，其特征在于，所述跨阻放大器(2)用于将雪崩光电二极管(1)输出的电流转换为电压信号。
4.根据权利要求1所述的提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，其特征在于，所述分频电路(3)根据系统需要设计不同阶次的分频电路，将跨阻放大器(2)转换的电压信号分为两路，一路为高频模拟信号，一路为低频模拟信号。
5.根据权利要求1所述的提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，其特征在于，所述高电压放大电路(4)用来放大分频电路(3)分频之后的高频模拟信号，该高频模拟信号为菲涅尔反射信号；所述低电压放大电路(5)用来放大分频电路(3)分频之后的低频模拟信号，该低频模拟信号为瑞利后向散射信号。
6.根据权利要求5所述的提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，其特征在于，由于瑞利后向散射信号强度远小于菲涅尔反射强度，因此低电压放大电路(5)的增益应远大于高电压放大电路(4)的增益。
7.根据权利要求1所述的提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，其特征在于，所述高模数转换器(6)和所述低模数转换器(7)是根据系统需要来选择相同或不同型号的模数转换器，高模数转换器(6)中前端耦合电路的频率范围包含菲涅尔反射信号的频率范围，低模数转换器(7)中前端耦合电路的频率范围包含瑞利后向散射的频率范围，且高模数转换器(6)与低模数转换器(7)的时钟信号同步。
8.根据权利要求1所述的提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，其特征在于，所述升压芯片(8)为雪崩光电二极管(1)正常工作提供高反向偏压，并且调节雪崩光电二极管(1)的内部电流增益，其输出电压由数模转换器(9)输出的模拟电压信号决定。
9.根据权利要求1所述的提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，其特征在于，所述数模转换器(9)由现场可编程门阵列(10)控制，其输出模拟电压信号控制升压芯片(8)的输出电压，从而决定雪崩光电二极管(1)的内部电流增益。
10.根据权利要求1所述的提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，其特征在于，所述现场可编程门阵列(10)为数模转换器(9)提供控制信号，为高模数转换器(6)和低模数转换器(7)提供同步时钟，同时对高模数转换器(6)和低模数转换器(7)采集的数据进行数据合并处理。
11.一种应用权利要求1至10中任一项所述的信号检测装置提高光时域反射计动态范围的信号检测方法，其特征在于，该方法由现场可编程门阵列(10)控制数模转换器(9)的输出模拟电压信号，数模转换器(9)的输出模拟电压信号控制升压芯片(8)的输出电压，从而调节雪崩光电二极管(1)的反向偏压，改变雪崩光电二极管(1)内部电流增益，进而提高雪崩光电二极管(1)检测光信号的动态范围。
12.根据权利要求11所述的信号检测方法，其特征在于，
该方法在检测瑞利后向散射产生的光信号时，设定的内部电流增益比检测法菲涅尔反射产生的光信号时大数十dB，以满足系统对信噪比的要求，同时满足输出电流信号在APD的线性响应范围之内。
13.根据权利要求11所述的信号检测方法，其特征在于，经过分频电路(3)分频后的高频模拟信号和低频模拟信号分别由高模数转换器(6)和低模数转换器(7)采集，由现场可编程门阵列(10)提供同步时钟信号，并对采集的数据进行数据处理，合成高频信号和低频信号的采集结果，得到OTDR测试结果。
14.根据权利要求11所述的信号检测方法，其特征在于，所述高电压放大电路(4)和所述低电压放大电路(5)分别放大菲涅尔反射信号和瑞利后向散射信号，由于菲涅尔反射信号的强度远大于瑞利后向散射信号的强度，通常前者大于后者数十dB，因此高电压放大电路(4)的增益倍数应远大于低电压放大电路(5)的增益倍数。
15.根据权利要求11所述的信号检测方法，其特征在于，该方法选择不同阶次的分频电路(3)，将跨阻放大器(2)转换的电压信号分为两路，一路为高频模拟信号，一路为低频模拟信号。
16.根据权利要求15所述的信号检测方法，其特征在于，经分频电路(3)分频后的信号，分别由高电压放大电路(4)和低电压放大电路(5)放大，经高电压放大电路(4)和低电压放大电路(5)放大后的信号分别高模数转换器(6)和低模数转换器(7)采集；其中高模数转换器(6)与低模数转换器(7)的时钟是同步的，由现场可编程门阵列(10)提供同步时钟信号。
17.根据权利要求16所述的信号检测方法，其特征在于，高模数转换器(6)和低模数转换器(7)采集的数据由现场可编程门阵列(10)处理；由于高模数转换器(6)和低模数转换器(7)的时钟是同步的，现场可编程门阵列(10)根据采样时间将同一时间采集到的数据进行合成，得到同时含有高频分量和低频分量的光时域反射计测试结果。
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|---|---|
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