CN110649964A - 一种光纤时延测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤时延测量装置，所述装置为包括CU控制单元和与CU控制单元连接的TDC时间数字转换电路、限幅比较放大器、D/A转换电路、A/D转换电路和光发射机，光发射机通过光环行器连接光接收机，光接收机与限幅比较放大器连接、光接收机通过A/D转换电路连接CU控制单元，D/A转换电路、A/D转换电路也与限幅比较放大器连接，光环行器的公共端连接2x2光分路器的一个端口，2x2光分路器的另外3个端口分别连接第一光反射器、第二光反射器和被测光纤的一端，被测光纤的另一端连接第三光反射器。本发明还公开了一种光纤时延测量的方法。这种装置成本低、实用性好。这种测量方法操作方便，能提高光纤时延测量的精度。

Description

一种光纤时延测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及光纤测量技术，具体是一种光纤时延测量装置和测量方法。

背景技术

目前光纤时延测量方法主要有脉冲测量法、相位测量法和光干涉测量法，其中脉冲测量法可以利用的成熟的ToF（飞行时间）测量技术中的时间数字转换电路，使得测量装置简单、成本低，但测量精度相对较差。在使用ToF（飞行时间）测量技术的脉冲测量法中，其时间测量精度取决于时间数字转换电路的参数；除此之外，所使用的光发射机和光接收机的带宽影响光脉冲信号的上升时间响应，也会严重制约时间测量精度，但是如果使用高带宽的光发射机和光接收机，又会带来过高的成本。因此，有必要改进当前的方案，使用较小的成本代价，获得更好的时间测量精度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种光纤时延测量装置和测量方法。这种装置成本低、实用性好。这种测量方法操作方便，能提高光纤时延测量的精度。

实现本发明目的的技术方案是：

一种光纤时延测量装置，与现有技术不同的是，包括，如由FPGA或ARM处理器或其它商用的微处理器构成CU控制单元和与CU控制单元连接的如由美国德州仪器公司的TDC7201或德国ACAM公司的TDC-GPX系列或者其它商用的时间数字转换电路构成的TDC时间数字转换电路、限幅比较放大器、D/A转换电路、A/D转换电路和光发射机，光发射机通过光环行器连接光接收机，光接收机与限幅比较放大器连接、光接收机通过A/D转换电路连接CU控制单元，D/A转换电路、A/D转换电路也与限幅比较放大器连接，光环行器的公共端连接2x2光分路器的一个端口，2x2光分路器的另外3个端口分别连接第一光反射器、第二光反射器和被测光纤的一端，被测光纤的另一端连接第三光反射器。

所述2x2光分路器分光比为A:(100-A)，A的取值范围为1-10。

所述第一光反射器的反射系数为： - 10 dB - - 40 dB。

所述第二光反射器、第三光反射器的反射系数均为：0 - - 1dB。

所述限幅比较放大器采用可控的比较阈值，比较阈值为脉冲信号幅度值的1/2。

一种光纤时延测量的方法，包括上述的装置，所述方法包括如下步骤：

1） 预测脉冲的幅度值及时间位置：CU控制单元控制光发射机发射一个脉冲信号，光接收机接收脉冲信号序列，放大后将其输出到A/D转换电路，由A/D转换电路和CU控制单元对该脉冲信号序列进行取样，CU控制单元获取脉冲信号序列中各个脉冲的幅度值及其时间位置；

2）CU控制单元控制光发射机发射一个脉冲信号，光接收机接收脉冲信号放大后将其输出到限幅比较放大器的输入端；

3）在进行步骤2的同时，CU控制单元根据步骤1所获得的脉冲幅度及时间位置的预测值，控制D/A转换电路在预测脉冲出现的时间段内，CU控制单元控制D/A转换电路输出一个电压给限幅比较放大器，作为比较阈值，比较阈值为脉冲幅度预测值的1/2；

4）CU控制单元从限幅比较放大器送来的脉冲信号中，选择第一个脉冲作为“开始”脉冲信号，第N+1个脉冲作为“结束”脉冲信号，将“开始”脉冲信号和“结束”脉冲信号送给TDC时间数字转换电路，其中N≥1；

5）根据“开始”和“结束”脉冲信号，TDC时间数字转换电路得出光信号多次往返被测光纤的时间值，该值被时间数字转换电路转换为数字信号送给CU控制单元。

本技术方案的工作原理是：现有技术光纤时延测量方案中采用脉冲测量法中，光脉冲信号只是在进入和离开被测光纤时产生两个脉冲信号作为时间测量的开始和结束时刻的触发信号，在时间测量的开始和结束时刻之间，光信号只是一次经过或往返被测光纤，假设被测光纤长度为L，光信号一次往返于被测光纤，那么光信号在被测光纤长度中往返传输所需时间为 2L/V ，V为被测光纤中的光速，测量电路的时间测量误差为σ，被测光纤的时延测量结果T =(2L/V ± σ)/2 ，在这种情况下，被测光纤的时延测量误差为σ/2；

在本技术方案，选择让光信号N次往返被测光纤，假设被测光纤长度为L，光信号N次往返于被测光纤长度所需时间为 2NL/V ，V为被测光纤中的光速，测量电路的时间测量误差为σ，被测光纤的时延测量结果T = ( 2NL/V ± σ) / 2N 。在这种情况下，被测光纤的时延测量误差为σ/2N；

如果N值较大，在测量电路的时间测量误差相同的情况下，可以大幅度降低被测光纤的时延测量误差。

在本技术方案中，采用两个光反射镜即光反射器2和光反射器3，让被测光纤处于这两个光反射镜之间，光脉冲信号在这光反射器2和光反射器3之间被来回多次反射，光脉冲信号多次往返于被测光纤，而且光脉冲信号每往返一次被测光纤，便会产生一个光脉冲信号输出，因此，当光发射机向被测光纤发出一个光脉冲测试信号，光接收机会接收到一个脉冲间隔相同的信号序列，选择测量第一个和第N+1个光脉冲信号出现的时间差，便可以得到光脉冲信号N次往返被测光纤的时间，该时间除以2N，结果便是光信号在被测光纤中的传输时延。

如上所述，光脉冲信号在光反射器2和光反射器3之间被多次反射，多次往返于被测光纤，每往返一次被测光纤，便会产生一个光脉冲信号输出，最终光接收机接收到一个脉冲间隔时间相同的信号序列，由于光反射器2、光反射器3、被测光纤和装置中的其它光学部件，均会对光信号产生不同程度的衰减，光信号每往返一次被测光纤，便被衰减一次，这样的话，光接收机接收到的光脉冲信号序列中的脉冲，其幅度值是逐步减小的，幅度变化的梯度跟被测光纤和装置中的光学部件对光信号的衰减大小有关，即使是被测光纤和测量装置之间的光纤连接器的损耗发生变化，也会直接改变光脉冲信号幅度变化的梯度。

光接收机将上述接收到的光脉冲信号序列进行放大，然后送给限幅器比较放大器，限幅比较放大器对其进行限幅比较放大，限幅放大后的脉冲信号成为“0”、“1”型数字脉冲信号，被送到CU控制单元；CU控制单元对其进行选择，其中的第一个脉冲信号变成 “开始”脉冲信号，后续的其中一个脉冲信号变成“结束”脉冲信号，将“开始”和“结束”脉冲信号送给时间数字转换电路；时间数字转换电路根据“开始”和“结束”脉冲信号，得出光信号多次往返于被测光纤的时间值，该时间值被时间数字转换电路转换为数字信号送给CU控制电路单元。

在上述过程中，由于光接收机接收到的输入光脉冲信号的幅度是变化的，其输出幅度也是变化的，而且光接收机输出脉冲信号的前后沿有一定的斜度，限幅比较放大器对其进行限幅比较放大时，不能使用固定的比较阈值，否则会严重影响到时间测量精度，为此，在本技术方案中，对限幅比较放大器采用可控的比较阈值，针对不同的脉冲，采用不同的比较阈值进行限幅比较放大，比较阈值为脉冲信号幅度值的1/2，如此一来，在对脉冲信号进行限幅比较放大之前，需要对光接收机所接收到的脉冲信号的幅度进行预测。

在本技术方案中，在对被测光纤进行时延测量之前，先发射一个脉冲信号，光接收机接收脉冲信号序列后将其输出到A/D转换电路，由A/D转换电路和CU控制单元对该脉冲信号序列进行取样，CU控制单元获取脉冲信号序列中各个脉冲的幅度值及其大致的时间位置，进行后续被测光纤时延测量时，这些脉冲的幅度值和时间位置参数作为对脉冲信号序列中各个脉冲的幅度值及时间位置的预测值。

对某个脉冲进行限幅比较放大时，根据其幅度和时间位置的预测，在预测脉冲出现的时间段内，CU控制单元控制D/A转换电路，输出电压值，比如脉冲幅度预测值的1/2作为限幅比较放大器的比较阈值。

这种装置成本低、实用性好。这种测量方法操作方便，能提高光纤时延测量的精度。

附图说明

图1为实施例中光纤时延测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种光纤时延测量装置，包括CU控制单元和与CU控制单元连接的TDC时间数字转换电路、限幅比较放大器、D/A转换电路、A/D转换电路和光发射机，光发射机通过光环行器连接光接收机，光接收机与限幅比较放大器连接、光接收机通过A/D转换电路连接CU控制单元，D/A转换电路、A/D转换电路也与限幅比较放大器连接，光环行器的公共端连接2x2光分路器的一个端口，2x2光分路器的另外3个端口分别连接第一光反射器、第二光反射器和被测光纤的一端，被测光纤的另一端连接第三光反射器。

本例CU控制单元由ARM处理器构成。

本例TDC时间数字转换电路采用美国德州仪器公司的TDC7201。

所述2x2光分路器分光比为A:(100-A)，A的取值范围为1-10。

所述第一光反射器的反射系数为： - 10 dB - - 40 dB。

所述第二光反射器、第三光反射器的反射系数均为0 - - 1dB。

所述限幅比较放大器采用可控的比较阈值，比较阈值为脉冲信号幅度值的1/2。

一种光纤时延测量的方法，包括上述的装置，所述方法包括如下步骤：

1） 预测脉冲的幅度值及时间位置：CU控制单元控制光发射机发射一个脉冲信号，光接收机接收脉冲信号序列，放大后将其输出到A/D转换电路，由转换A/D电路和CU控制单元对该脉冲信号序列进行取样，CU控制单元获取脉冲信号序列中各个脉冲的幅度值及其时间位置；

2）CU控制单元控制光发射机发射一个脉冲信号，光接收机接收脉冲信号放大后将其输出到限幅比较放大器的输入端；

3）在进行步骤2的同时，CU控制单元根据步骤1所获得的脉冲幅度及时间位置的预测值，控制D/A转换电路在预测脉冲出现的时间段内，CU控制单元控制D/A转换电路输出一个电压给限幅比较放大器，作为比较阈值，比较阈值为脉冲幅度预测值的1/2；

4）CU控制单元从限幅比较放大器送来的脉冲信号中，选择第一个脉冲作为“开始”脉冲信号，第N+1个脉冲作为“结束”脉冲信号，将“开始”脉冲信号和“结束”脉冲信号送给TDC时间数字转换电路，其中N≥1；

5）根据“开始”和“结束”脉冲信号，TDC时间数字转换电路得出光信号多次往返被测光纤的时间值，该值被时间数字转换电路转换为数字信号送给CU控制单元。

本技术方案的工作原理是：现有技术光纤时延测量方案中采用脉冲测量法中，光脉冲信号只是在进入和离开被测光纤时产生两个脉冲信号作为时间测量的开始和结束时刻的触发信号，在时间测量的开始和结束时刻之间，光信号只是一次经过或往返被测光纤，假设被测光纤长度为L，光信号一次往返于被测光纤，那么光信号在被测光纤长度中往返传输所需时间为 2L/V ，V为被测光纤中的光速，测量电路的时间测量误差为σ，被测光纤的时延测量结果T =(2L/V ± σ)/2 ，在这种情况下，被测光纤的时延测量误差为σ/2；

在本技术方案，选择让光信号N次往返被测光纤，假设被测光纤长度为L，光信号N次往返于被测光纤长度所需时间为 2NL/V ，V为被测光纤中的光速，测量电路的时间测量误差为σ，被测光纤的时延测量结果T = ( 2NL/V ± σ) / 2N 。在这种情况下，被测光纤的时延测量误差为σ/2N；

如果N值较大，在测量电路的时间测量误差相同的情况下，可以大幅度降低被测光纤的时延测量误差。

在本技术方案中，采用两个光反射镜即光反射器2和光反射器3，，让被测光纤处于这两个光反射镜之间，光脉冲信号在这光反射器2和光反射器3之间被来回多次反射，光脉冲信号多次往返于被测光纤，而且光脉冲信号每往返一次被测光纤，便会产生一个光脉冲信号输出，因此，当光发射机向被测光纤发出一个光脉冲测试信号，光接收机会接收到一个脉冲间隔相同的信号序列，选择测量第一个和第N+1个光脉冲信号出现的时间差，便可以得到光脉冲信号N次往返被测光纤的时间，该时间除以2N，结果便是光信号在被测光纤中的传输时延。

如上所述，光脉冲信号在光反射器2和光反射器3之间被多次反射，多次往返于被测光纤，每往返一次被测光纤，便会产生一个光脉冲信号输出，最终光接收机接收到一个脉冲间隔时间相同的信号序列，由于光反射器2、光反射器3、被测光纤和装置中的其它光学部件，均会对光信号产生不同程度的衰减，光信号每往返一次被测光纤，便被衰减一次，这样的话，光接收机接收到的光脉冲信号序列中的脉冲，其幅度值是逐步减小的，幅度变化的梯度跟被测光纤和装置中的光学部件对光信号的衰减大小有关，即使是被测光纤和测量装置之间的光纤连接器的损耗发生变化，也会直接改变光脉冲信号幅度变化的梯度。

光接收机将上述接收到的光脉冲信号序列进行放大，然后送给限幅器比较放大器，限幅比较放大器对其进行限幅比较放大，限幅放大后的脉冲信号成为“0”、“1”型数字脉冲信号，被送到控制单元；控制单元对其进行选择，其中的第一个脉冲信号变成 “开始”脉冲信号，后续的其中一个脉冲信号变成“结束”脉冲信号，将“开始”和“结束”脉冲信号送给时间数字转换电路；时间数字转换电路根据“开始”和“结束”脉冲信号，得出光信号多次往返于被测光纤的时间值，该时间值被时间数字转换电路转换为数字信号送给控制电路单元。

在上述过程中，由于光接收机接收到的输入光脉冲信号的幅度是变化的，其输出幅度也是变化的，而且光接收机输出脉冲信号的前后沿有一定的斜度，限幅比较放大器对其进行限幅比较放大时，不能使用固定的比较阈值，否则会严重影响到时间测量精度，为此，在本技术方案中，对限幅比较放大器采用可控的比较阈值，针对不同的脉冲，采用不同的比较阈值进行限幅比较放大，比较阈值为脉冲信号幅度值的1/2，如此一来，在对脉冲信号进行限幅比较放大之前，需要对光接收机所接收到的脉冲信号的幅度进行预测。

在本技术方案中，在对被测光纤进行时延测量之前，先发射一个脉冲信号，光接收机接收脉冲信号序列后将其输出到A/D转换电路，由A/D转换电路和CU控制单元对该脉冲信号序列进行取样，CU控制单元获取脉冲信号序列中各个脉冲的幅度值及其大致的时间位置，进行后续被测光纤时延测量时，这些脉冲的幅度值和时间位置参数作为对脉冲信号序列中各个脉冲的幅度值及时间位置的预测值。

对某个脉冲进行限幅比较放大时，根据其幅度和时间位置的预测，在预测脉冲出现的时间段内，CU控制单元控制D/A转换电路，输出电压值，比如脉冲幅度预测值的1/2作为限幅比较放大器的比较阈值。

在光发射机中，光源使用单纵模半导体激光器，例如DFB-LD；并且最好是能够使用自动温度控制电路，使得激光器的温度稳定，可以降低激光器波长变化对光纤时延测量精度的影响。

Claims (6)

1.一种光纤时延测量装置，其特征是，包括CU控制单元和与CU控制单元连接的TDC时间数字转换电路、限幅比较放大器、D/A转换电路、A/D转换电路和光发射机，光发射机通过光环行器连接光接收机，光接收机与限幅比较放大器连接、光接收机通过A/D转换电路连接CU控制单元，D/A转换电路、A/D转换电路也与限幅比较放大器连接，光环行器的公共端连接2x2光分路器的一个端口，2x2光分路器的另外3个端口分别连接第一光反射器、第二光反射器和被测光纤的一端，被测光纤的另一端连接第三光反射器。

2.根据权利要求1所述的光纤时延测量装置，其特征是，所述2x2光分路器分光比为A:(100-A)，A的取值范围为1-10。

3.根据权利要求1所述的光纤时延测量装置，其特征是，所述第一光反射器的反射系数为： - 10 dB - - 40 dB。

4.根据权利要求1所述的光纤时延测量装置，其特征是，所述第二光反射器、第三光反射器的反射系数均为0 - - 1dB。

5.根据权利要求1所述的光纤时延测量装置，其特征是，所述限幅比较放大器采用可控的比较阈值，比较阈值为脉冲信号幅度值的1/2。

6.一种光纤时延测量的方法，其特征是，包括权1-权4任意一项所述的装置，所述方法包括如下步骤：

1） 预测脉冲的幅度值及时间位置：CU控制单元控制光发射机发射一个脉冲信号，光接收机接收脉冲信号序列，放大后将其输出到A/D转换电路，由A/D转换电路和CU控制单元对该脉冲信号序列进行取样，CU控制单元获取脉冲信号序列中各个脉冲的幅度值及其时间位置；

2）CU控制单元控制光发射机发射一个脉冲信号，光接收机接收脉冲信号放大后将其输出到限幅比较放大器的输入端；

3）在进行步骤2的同时，CU控制单元根据步骤1所获得的脉冲幅度及时间位置的预测值，控制D/A转换电路在预测脉冲出现的时间段内，CU控制单元控制D/A转换电路输出一个电压给限幅比较放大器，作为比较阈值，比较阈值为脉冲幅度预测值的1/2；

4）CU控制单元从限幅比较放大器送来的脉冲信号中，选择第一个脉冲作为“开始”脉冲信号，第N+1个脉冲作为“结束”脉冲信号，将“开始”脉冲信号和“结束”脉冲信号送给TDC时间数字转换电路，其中N≥1；

5）根据“开始”和“结束”脉冲信号，TDC时间数字转换电路得出光信号多次往返被测光纤的时间值，该值被时间数字转换电路转换为数字信号送给CU控制单元。