CN111917463B - 一种嵌入式少模光时域反射仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式少模光时域反射仪，属于光纤特性测量技术领域，由脉冲信号发生模块、激光器模块、瑞利散射光测量模块、时间飞行法测量模块、光电探测模块及嵌入式数据处理模块组成；其中，脉冲信号发生模块的输出端口与激光器模块的一个输入端口相连接，激光器模块的输出端口与瑞利散射光测量模块和时间飞行法测量模块的输入端口相连接，瑞利散射光测量模块和时间飞行法测量模块的输出端口与光电探测模块的输入端口连接，光电探测模块与嵌入式数据处理模块连接。本发明可以实现故障定位、测量模式相关损耗、模式耦合、差分模式群时延。本发明具有体积合理、操作方便、系统稳定等优点。

Description

一种嵌入式少模光时域反射仪

技术领域

本发明属于光纤特性测量技术领域，具体涉及一种嵌入式少模光时域反射仪。

背景技术

在全球数据流量呈爆发式增长的背景下，发展新型传输技术是学术界和工业界竞相研究和角逐的热点。基于模分复用(Mode-Division Multiplexing,MDM)的少模光纤通信技术利用空间模式的正交性进行空间分集复用，能突破传统单模光纤通信系统的容量极限，极大地提升光纤通信系统的容量，是解决未来通信网“带宽危机”最具竞争力的扩容方案。

少模光纤作为空分复用的主要传输传输媒质之一，其系统损伤不同于普通单模光纤通信系统，因此发展少模光时域反射仪具有重要意义。然而目前已有的光时域反射仪是基于windows系统设计的，最终仪器设备的实现需要在内部安装Windows主机，但因此势必造成体积大、不易携带、且造成性能上的浪费等问题。

发明内容

为解决上述问题本发明在对原有结构优化的同时，采用嵌入式Linux系统代替windows系统。嵌入式系统是以具体需求为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适用于系统对功能性、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统，当嵌入式系统与具体需求相结合时会焕发出强大优势。其中嵌入式Linux系统支持广泛的计算机硬件,已经被移植到多种硬件平台,如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等。本发明以节约成本、减小体积为目的在硬件上采用体积小巧的ARM+FPGA工控板代替计算机主板，其优点是在保障计算能力的同时减少了仪器设备的体积；在软件上采用Qt Company开发的跨平台C++应用程序开发框架qt，其优点是可移植到嵌入式系统中。同时结合少模光时域反射仪的实际需求，对少模光时域反射仪的软件进行合理地剪裁，满足了系统的功能性、可靠性、成本等要求，提高了少模光时域反射仪的使用效率。该仪器的研制必将推动少模光纤通信的实用化进程，对大容量光通信网络的发展具有重要意义。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于ARM的少模光时域反射仪，其系统框图如图1所示，由脉冲信号发生模块1、激光器模块2、瑞利散射光测量模块3、时间飞行法测量模块4、光电探测模块5及嵌入式数据处理模块6组成，其中，脉冲信号发生模块1产生脉冲信号发送给激光器模块2与光电探测模块5，激光器模块2根据需要测量的少模光纤参数类型选择向瑞利散射光测量模块3或时间飞行法测量模块4中注入激光，光电探测模块5对瑞利散射光测量模块3或时间飞行法测量模块4测量到的数据进行采样，最终由嵌入式数据处理模块6对数据进行综合分析并显示测量结果。

进一步地，所述脉冲信号发生模块1产生信号频率为F(0.1-100KHz)的脉冲信号，脉冲功率为A(10-40mW)，脉冲宽度为D(10-1200ns)；所述脉冲信号发生模块1由FPGA及DAC组成，其原理图如图2所示，FPGA通过串口接收来自ARM芯片的控制命令并解析得到相应的幅值、频率、占空比控制字，这些控制字直接作用在基于数字频率合成器(DDS)的FPGA13上，从而设定FPGA13输出信号的幅度、频率、占空比，然后经过DAC控制模块14将两个通道的数据分别经由DAC驱动模块14写入DAC15中，DAC15即可输出对应的模拟电压信号。

进一步地，所述FPGA13为基于数字频率合成器(DDS)的FPGA13，所述数字频率合成器的原理图如图3所示，所述数字频率合成器(DDS)由相位累加器131、ROM132、DAC133及低通滤波器134组成；其中，所述相位累加器131由N位加法器与N位寄存器构成，每来一个时钟，加法器就将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的结果又反馈至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加；这样，相位累加器131在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加；即在每一个时钟脉冲输入时，相位累加器131便把频率控制字累加一次。相位累加器131输出的数据就是合成信号的相位；相位累加器131的溢出频率，就是DDS输出的信号频率；用相位累加器131输出的数据，作为ROM132中存储的波形数据表的相位采样地址，把存储在波形数据表里的波形采样值经查表找出，完成相位到幅度的转换；波形数据表的输出送到DA133，由DAC133和低通滤波器134将数字信号转换成模拟信号输出。

进一步地，所述激光器模块2为1550nm窄线宽激光光源配合驱动电路，设置1550nm窄线宽激光光源为外触发模式，接收来自FPGA的电脉冲信号可以输出脉冲宽度可调节，重复频率可调节,脉冲输出1功率可调节的光脉冲信号。因此省略了光电调制的步骤，不需要在少模光时域反射仪内部嵌入强度调制器，为设备节省了内部空间。

进一步地，所述瑞利散射光测量模块3如图4所示，包括环形器32、光子灯笼33及待测少模光纤34；所述脉冲信号发生模块1产生脉冲信号，传输至激光器模块2，激光器中的电光转换单元完成了电到光的转换，实现了脉冲信号在光信号上的调制；调制后的一束光脉冲信号经过环形器32注入光子灯笼33的某一个单模接口，不同的单模接口对应激发少模光纤中不同空间模式(如LP01模式，LP11模式，LP02模式等)；单一激发模式光通过光子灯笼33的多模接口334传输到待测少模光纤34；待测少模光纤34中单一激发模式的光能量会耦合到其他非激发模式(如果激发模式为LP01模式，那么其他非激发模式为LP11、LP21、LP02等。即除激发模式外，所有剩余少模光纤中存在的空间模式)中，光在光纤中传播会发生瑞利散射现象，其中激发模式和非激发模式的背向瑞利散射光会沿原路返回至光子灯笼33中；光子灯笼33按模式的不同将背向瑞利散射光发送到不同单模接口上(331、332、333)，此时光子灯笼的作用是模式解复用，再利用环形器的单向导通特性，背向瑞利散射光会从环形器32的2端口322输入，3端口323发出，因此从光源发送到环形器32的光脉冲信号不会影响到背向瑞利散射光；最终由光电探测模块5接受从环形器32的3端口323发出的光信号，再由嵌入式数据处理模块6对数据进行分析并进行人机交互。

进一步地，时间飞行法测量模块4如图5所示，主要包括分束器31、光子灯笼33、待测少模光纤34。脉冲信号发生模块1产生脉宽极小的脉冲信号发送给激光器模块2，激光器模块2产生对应的光脉冲信号，由分束器31将光脉冲信号平分成两路光脉冲信号，再同时接入光子灯笼33的两个单模接口，激发两种模式的光信号同时传输到少模光纤34中，此时光子灯笼的作用是模式复用；少模光纤34中不同空间模式的折射率存在一定的差异，致使不同空间模式在光纤中的传输速度各不相同，空间模式所承载的信号在少模光纤中传输一段距离后将会产生时延，因此少模光纤的另一端接入光电探测模块5，将采集到的数据传送给嵌入式数据处理模块5计算出两个脉冲的时间差即所求的差分模式群时延。

进一步地，所述光电探测模块5由光电探测器52和高采样率AD采集卡51组成，为直接探测，结构简单，使用方便。其中高采样率AD采集卡51设置为外触发模式，触发通道接收FPGA的电脉冲信号，脉冲信号为高电平时开始采集数据；当进行故障定位或测量少模光纤的模式耦合、模式相关损耗时，光电探测模块5对来自光子灯笼33的单模接口的背向瑞利散射信号进行光电转化；当测量少模光纤的差分模式群时延时，光电探测模块5对少模光纤34末端发送出的光信号进行光电转化。

进一步地，所述嵌入式数据处理模块6采用ARM体系架构，由ARM工控板组成，负责数据处理与人机交互；数据处理是指对光电探测模块5采集到的数据进行综合分析，当采集到的信号是背向瑞利散射信号时，ARM工控板61将采集到的数字信号进行滤波以抵消噪声的影响，经峰值检测判断光纤中可能存在的故障点，分别建立各模式背向散射功率与模式耦合系数、模式损耗之间的数学模型，计算出模式相关损耗、模式耦合。当采集到的信号来自少模光纤34末端时，ARM工控板首先对不同激发模式对应的峰值点进行定位，再计算峰值点之间的距离，计算两种激发模式之间的差分模式群时延；人机交互包括参数设置、绘制图形、反馈模式耦合、差分模式群时延、模式相关损耗、故障定位的计算结果；其中，参数设置包括脉冲频率、脉宽、振幅、平均次数，ARM工控板51根据人为设置的参数通过串口对FPGA下达指令。

本发明在软件上采用多线程技术。操作系统支持单个进程同时包含多个控制线程，以此提高操作系统内并发执行程序的速度，提高系统的吞吐量。对于少模光时域反射仪的操作界面当执行一个操作需要较长时间，此时程序就无法响应鼠标、键盘等操作，而多线程技术可以让耗时的操作运行在一个单独的线程中，操作界面继续对外界作出反应，从而提高了少模光时域反射仪的工作效率。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明提出一种嵌入式少模光时域反射仪，在满足少模光纤通信网络监测领域的技术需求和市场需求的同时，采用嵌入式linux系统并根据实际需要对系统进行合理地剪裁，满足少模光时域反射仪的功能性和可靠性，具有体积小、成本低、功耗低等优点。

附图说明

图1：所述少模光时域反射仪的系统结构示意图；

图2：脉冲信号发生模式结构示意图；

图3：DDS原理示意图；

图4：瑞利散射光测量模块示意图；

图5：时间飞行法测量模块示意图；

图6：故障定位、模式损耗、模式耦合测量结果图；

图7：模式时延测量结果图；

图中：脉冲信号发生模块1、激光器模块2、瑞利散射光测量模块3、时间飞行法测量模块4、光电探测模块5及嵌入式数据处理模块6、串口接收命令11、解析命令并输出相应控制字12、FPGA13、DAC控制模块14、AD9767型ADC15、相位累加器131、ROM132、DAC133、低通滤波器134、分束器31、环形器32、光子灯笼33、少模光纤34、环形器1端口321、环形器2端口322、环形器3端口323、光子灯笼单模接口(对应激发LP11)331、光子灯笼单模接口(对应激发LP21)332、光子灯笼单模接口(对应激发LP02)333、光子灯笼多模接口334、少模光纤34、AD采集卡51、光电探测器52、ARM工控板61。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例方案对本发明进行详细说明。

实施例1

一种基于ARM的少模光时域反射仪，其系统框图如图1所示，由脉冲信号发生模块1、激光器模块2、瑞利散射光测量模块3、时间飞行法测量模块4、光电探测模块5及嵌入式数据处理模块6组成，其中，脉冲信号发生模块1产生脉冲信号发送给激光器模块2与光电探测模块5，激光器模块2根据需要测量的少模光纤参数类型选择向瑞利散射光测量模块3或时间飞行法测量模块4中注入激光，光电探测模块5对瑞利散射光测量模块3或时间飞行法测量模块4测量到的数据进行采样，最终由嵌入式数据处理模块6对数据进行综合分析并显示测量结果。

进一步地，所述脉冲信号发生模块1产生信号频率为F(0.1-100KHz)的脉冲信号，脉冲功率为A(10-40mW)，脉冲宽度为D(10-1200ns)；所述脉冲信号发生模块1由FPGA、FPGA13、DAC控制模块14及DAC15组成，其原理图如图2所示，FPGA通过串口接收来自ARM芯片的控制命令并解析得到相应的幅值、频率、占空比控制字，这些控制字直接作用在基于数字频率合成器(DDS)的FPGA13上，从而设定FPGA13输出信号的幅度、频率、占空比，然后经过DAC控制模块14将两个通道的数据分别经由DAC驱动模块14写入DAC15中，DAC15即可输出对应的模拟电压信号。

进一步地，所述FPGA13为基于数字频率合成器(DDS)的FPGA13，所述数字频率合成器的原理图如图3所示，由相位累加器131、ROM132、DAC133及低通滤波器134组成；其中，所述相位累加器131由N位加法器与N位寄存器构成，每来一个时钟，加法器就将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的结果又反馈至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加；这样，相位累加器131在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加；即在每一个时钟脉冲输入时，相位累加器131便把频率控制字累加一次。相位累加器131输出的数据就是合成信号的相位；相位累加器131的溢出频率，就是DDS输出的信号频率；用相位累加器131输出的数据，作为ROM132中存储的波形数据表的相位采样地址，把存储在波形数据表里的波形采样值经查表找出，完成相位到幅度的转换；波形数据表的输出送到DA133，由DAC133和低通滤波器134将数字信号转换成模拟信号输出。

进一步地，所述激光器模块2为1550nm窄线宽激光光源配合驱动电路，设置1550nm窄线宽激光光源为外触发模式，接收来自FPGA的电脉冲信号可以输出脉冲宽度可调节，重复频率可调节,脉冲输出1功率可调节的光脉冲信号。因此省略了光电调制的步骤，不需要在少模光时域反射仪内部嵌入强度调制器，为设备节省了内部空间。

所述瑞利散射光测量模块3、时间飞行法测量模块4是为实现少模光时域反射仪的多参数测量而设计，测量参数主要包括模式耦合、差分模式群时延、模式相关损耗和故障点位置信息。不同的参数类型需要不同的测量方法。因此少模时域光反射仪内部集成了2个测量模块。瑞利散射光测量模块3是依据少模光纤各模式背向瑞利散射的标量理论，通过测量各个模式的背向瑞利散射功率，得到故障点位置及模式耦合和模式相关损耗两个参量；时间飞行法测量模块4是利用时间飞行法，依据不同模式的光信号在少模光纤中具有不同的传输速度，通过定量测量不同模式光信号到达光纤未端的时间差来计算少模光纤的差分模式群时延，最终实现少模光纤的多参量测量。

进一步地，所述瑞利散射光测量模块3如图4所示，包括环形器32、光子灯笼33及待测少模光纤34；所述脉冲信号发生模块1产生脉冲信号，传输至激光器模块2，激光器中的电光转换单元完成了电到光的转换，实现了脉冲信号在光信号上的调制；调制后的一束光脉冲信号经过环形器32注入光子灯笼33的某一个单模接口，不同的单模接口对应激发少模光纤中不同空间模式(如LP01模式，LP11模式，LP02模式等)；单一激发模式光通过光子灯笼33的多模接口334传输到待测少模光纤34；待测少模光纤34中单一激发模式的光能量会耦合到其他非激发模式(如果激发模式为LP01模式，那么其他非激发模式为LP11、LP21、LP02等。即除激发模式外，所有剩余少模光纤中存在的空间模式)中，光在光纤中传播会发生瑞利散射现象，其中激发模式和非激发模式的背向瑞利散射光会沿原路返回至光子灯笼33中；光子灯笼33按模式的不同将背向瑞利散射光发送到不同单模接口上(331、332、333)，此时光子灯笼的作用是模式解复用，再利用环形器的单向导通特性，背向瑞利散射光会从环形器32的2端口322输入，3端口323发出，因此从光源发送到环形器32的光脉冲信号不会影响到背向瑞利散射光；最终由光电探测模块5接受从环形器32的3端口323发出的光信号，再由嵌入式数据处理模块6对数据进行分析并进行人机交互。

进一步地，时间飞行法测量模块4如图5所示，主要包括分束器31、光子灯笼33、待测少模光纤34。脉冲信号发生模块1产生脉宽极小的脉冲信号发送给激光器模块2，激光器模块2产生对应的光脉冲信号，由分束器31将光脉冲信号平分成两路光脉冲信号，再同时接入光子灯笼33的两个单模接口，激发两种模式的光信号同时传输到少模光纤34中，此时光子灯笼的作用是模式复用；少模光纤34中不同空间模式的折射率存在一定的差异，致使不同空间模式在光纤中的传输速度各不相同，空间模式所承载的信号在少模光纤中传输一段距离后将会产生时延，因此少模光纤的另一端接入光电探测模块5，将采集到的数据传送给嵌入式数据处理模块5计算出两个脉冲的时间差即所求的差分模式群时延。

所述分束器31是可将一束光分成两束光或多束光的光学装置。本发明中为同时激发多个模式，需要将激光器模块2产生的一束光接入分束器31中，由分束器31分成多束光注入到光子灯笼33中。

所述少模光纤环形器32有数个端口的非可逆光学器件。比如：从1端口输入信号，信号只能从2端口输出，同样，从2端口输入的信号只能从3端口输出，以此类推，故称作环行器。本发明中采用具有3个端口且允许存在多个空间模式的少模光纤环形器。

所述光子灯笼33是一种连接单个多模波导与多个单模波导的低损耗器件,一般通过低折射玻璃管约束多根单模光纤熔融拉锥制作。在这种结构中,光子灯笼的一端是一根满足特定模式条件的多模光纤,另一端则是数根单模光纤。因光纤光子灯笼器件结构与灯笼相近,故称之为光子灯笼。本设计中分束器31产生的多束光经多根少模光纤接入光子灯笼33的单模接口(331、332、333)进行空间模式转换，得到对应的激发模式(LP11模式、LP21模式、LP02模式)。受激模式由光子灯笼33的另一端多模接口334注入少模光纤34中，此时完成模式复用。根据光路可逆性原理，光子灯笼33对少模光纤34中的背向瑞利散射光信号进行模式解复用，不同的激发模式光信号经相应单模接口(331、332、333)输出。

所述少模光纤34一端连接光子灯笼33的多模接口334，另一端连接光电探测模块4。少模光纤支持多个模式并行传输，不同的模式可以视为一个独立传输信息的信道。在理想条件下，各个模式之间是相互正交的。但是在实际传输过程中，少模光纤由于制作工艺不完美，导致折射率分布不均匀；在传输过程中产生的光纤的微弯等外界干扰使得模式之间不再正交，因此模式之间会发生耦合。通过研究任意单个模式的少模光纤背向瑞利散射的功率随着传输距离的变化曲线，计算曲线的斜率可以获得少模光纤的衰减信息；通过计算不同模式的衰减，可以获得模式相关损耗，计算不同模式的群速度可以获得差分模式群时延，计算不同模式之间的背向瑞利散射的功率比值可以获得少模光纤的模式耦合。

进一步地，所述光电探测模块5由光电探测器52和高采样率AD采集卡51组成，为直接探测，结构简单，使用方便。其中高采样率AD采集卡51设置为外触发模式，触发通道接收FPGA的电脉冲信号，脉冲信号为高电平时开始采集数据；当进行故障定位或测量少模光纤的模式耦合、模式相关损耗时，光电探测模块5对来自光子灯笼33的单模接口的背向瑞利散射信号进行光电转化；当测量少模光纤的差分模式群时延时，光电探测模块5对少模光纤34末端发送出的光信号进行光电转化。

所述嵌入式数据处理模块6采用ARM体系架构，由ARM工控板组成，负责数据处理与人机交互；数据处理是指对光电探测模块5采集到的数据进行综合分析，当采集到的信号是背向瑞利散射信号时，ARM工控板51将采集到的数字信号进行滤波以抵消噪声的影响，经峰值检测判断光纤中可能存在的故障点，分别建立各模式背向散射功率与模式耦合系数、模式损耗之间的数学模型，计算出模式相关损耗、模式耦合。当采集到的信号来自少模光纤34末端时，ARM工控板首先对不同激发模式对应的峰值点进行定位，再计算峰值点之间的距离，计算两种激发模式之间的差分模式群时延；人机交互包括参数设置、绘制图形、反馈模式耦合、差分模式群时延、模式相关损耗、故障定位的计算结果；其中，参数设置包括脉冲频率、脉宽、振幅、平均次数，ARM工控板51根据人为设置的参数通过串口对FPGA下达指令。

应对ARM工控板进行嵌入式系统裁剪，因为对于嵌入式系统资源有限，不可能像PC那样兼容并包，嵌入式系统应该根据其专门的使用场景，进行合理的裁剪,以满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。Linux的裁剪主要包括：内核的裁剪、linux库的裁剪、应用程序的裁剪。其中内核的裁剪是通过make menuconfig生成裁剪与配置界面，选择需要使用的功能编译进内核；linux库的裁剪是在文件编译阶段使用静态链接的方式，把软件运行时需要的库函数代码全部静态地链接到文件中，根据软件地需要，确定所需的库函数；应用程序的裁剪是使用有“瑞士军刀”著称的busybox制作跟文件系统，它对linux的许多根据和命令进行了集成和压缩，其特点就是短小精悍，特别适合对尺寸很敏感的嵌入式系统。

实施例2

本发明建立了一个6模式的嵌入式少模光时域反射仪，如图1所示。少模时域反射仪采用了模块化的设计，分为脉冲信号发生模块、激光器模块、瑞利散射光测量模块、时间飞行法测量模块、光电探测模块和嵌入式数据处理模块组成。本实例中，脉冲信号发生模块采用FPGAFPGA；光源模块采用1550nm窄线宽激光光源；瑞利散射光测量模块和时间飞行法测量模块采用分束器、光子灯笼、环形器、少模光纤；光电探测模块采用光电探测器和高采样率AD采集卡实现对信号的接收；嵌入式数据处理模块采用ARM体系架构，软件采用qt编程开发，具体包括参数设置、图形绘制、计算结果反馈、数据保存。

本实例对6模5km少模光纤进行测量。所述6模光纤可支持LP01、LP11a、LP11b、LP02、LP21a、LP21b六种传输模式。

在本实施例中，选用烽火通信科技股份有限公司的6模光纤作为被测光纤，所测光纤长度约为6km，衰减系数在1550nm波段小于0.25dB/km(LP01模式)，1550nm波段的归一化截止频率V＝4.769，可支持LP01、LP11a、LP11b、LP02、LP21a、LP21b六种模式的传输。

实施例1所需的单频激光光源为飞博源1550nm窄线宽激光光源。光源输出重复频率为1KHz-100KHz可调，脉冲宽度为10ns-1200ns可调，输出脉冲功率最高为40mW。在本实例中，重复频率设定为3KHz，脉宽设定为200ns，功率设定为40mW。选用光子灯笼作为模式转换器和解复用器，光子灯笼是OLKIN OPTICS公司的全光纤Six-Mode选择性多路复用器，可支持LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02六个模式的模式转换。选用上海瀚宇光纤通信技术有限公司特制的1550nm波段的3端口少模光纤环形器，可支持6个传输模式。

在本实施例中，对6模光纤的LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02六个传输模式的传输特性进行了测量。本实例测量模式耦合、模式相关损耗、差分模式群时延、故障定位。

连接方式如下所述：

ARM工控板61的输出端与FPGA 11的输入端相连，FPGA 11的输出端分别与窄线宽光源21的输入端、高速AD采集卡触发通道相连，窄线宽光源21的输出端与分束器31的输入端相连，分束器31的输出端与环形器32的1端口321相连，环形器32的2端口322与光子灯笼33的单模光纤接口331、332、333相连，光子灯笼33的少模光纤尾端334与少模光纤34相连，光电探测器的输入端分别与环形器32的3端口323与少模光纤34未端相连，光电探测器的输出端与AD采集卡的输入端相连，AD采集卡的输出端与ARM工控板的输入端相连。

具体工作流程如下：

首先通过软件的参数设置界面设定脉冲信号的频率、脉冲宽度、平均时间/次数等参数。然后系统将这些参数发送到FPGA，由FPGA实现的脉冲FPGA输出参数可调电脉冲信号，可调电脉冲信号发送给窄线宽光源产生光脉冲信号；光脉冲信号经光子灯笼空间模式转换注入待测少模光纤，待测少模光纤背向瑞利散射光返回光子灯笼并进行有效模式分离，然后对各个模式的背向散射光进行探测，最后对少模光纤各模式传输特性以及不同模式之间的相互作用特性进行分析，将最终结果以图形和数值形式呈现出来。

本实例使用脉冲FPGA、窄线宽激光器得到调制光信号的输出。实现方法为：脉冲FPGA产生系统所需的脉冲信号，输入到窄线宽激光器的输入端口，通过改变初始参数的设置，可以得到不同频率、不同占空比的脉冲光信号；其中任意波形发生器是使用FPGA基于DDS原理实现的。窄线宽激光器的内部调制电路根据接收到的射频信号，产生对应的脉冲光信号。

本实例的瑞利散射光测量模块采用的是少模环形器32+光子灯笼33+少模光纤34的方法，其中，光子灯笼33为模式复用解复用器。基本工作过程如下：窄线宽激光器输出的调制信号经环形器接入光子灯笼33的一个单模接口，在光子灯笼33的内部发生空间模式转换，对应激发模式后注入少模光纤34中，背向瑞利散射信号沿原路返回至光子灯笼33进行模式分离。

本实例的时间飞行法测量模块采用的是分束器31+光子灯笼33+少模光纤34的方法.基本工作过程如下：窄线宽激光器输出的调制信号经分束器31平分为两束光，再接入光子灯笼33的两个单模接口，在光子灯笼33的内部发生空间模式转换，对应激发两种模式后注入少模光纤中，不同空间模式的折射率存在一定的差异，致使不同空间模式在光纤中的传输速度各不相同。

本实例采用直接探测方式接收信号。对每路输出信号(LP01、LP11a、LP11b、LP02、LP21a、LP21b)在输出端口(Output1、Output2、Output3、Output4、Output5、Output6)连接在光电探测器的各个端口上即可实现。

本实例的嵌入式数据处理模块由ARM工控板组成。高速AD采集卡的输入端口接收光电探测器输出端口的电信号，并且将采集到的电信号进行AD转换，存入采集卡的缓存中。在开始采集时，ARM工控板读取高速AD采集卡缓存中的数据，并且实现数据波形的绘制，同时对数据进行数据处理，计算少模光纤的模式耦合，差分模式群时延和模式相关损耗。并且通过峰值检测进行故障定位。

图6给出了瑞利散射光测量模块结果，包括6个模式LP01模、LP11a模、LP11b模、LP02模、LP21a模和LP21b模的背向瑞利散射功率随着传输距离的变化曲线。在下面列表中显示出了测量的具体数值，给出了少模光纤的长度、故障位置的数值、少模光纤的衰减数值、模式相关损耗的测量数值、模式耦合系数。图7给出了时间飞行法测量模块结果，主要显示定量测量不同模式光信号到达光纤未端的时间差来计算少模光纤的差分模式群时延。

对本发明所述的少模时域反射仪进行了详细的介绍，以上的介绍主要是为了用于对本发明的方法及其核心思想进一步的理解；同时，对于本领域的一般技术人员，根据本发明的思想，再具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下，对其进行的各种显而易见的改变(如脉冲信号的产生，模式转换器和解复用器类型的改变，被测少模光纤的模式数量，直接探测)都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于ARM的少模光时域反射仪，其特征在于，由脉冲信号发生模块(1)、激光器模块(2)、瑞利散射光测量模块(3)、时间飞行法测量模块(4)、光电探测模块(5)及嵌入式数据处理模块(6)组成，其中，脉冲信号发生模块(1)产生脉冲信号发送给激光器模块(2)与光电探测模块(5)，激光器模块(2)根据需要测量的少模光纤参数类型选择向瑞利散射光测量模块(3)或时间飞行法测量模块(4)中注入激光，光电探测模块(5)对瑞利散射光测量模块(3)或时间飞行法测量模块(4)测量到的数据进行采样，最终由嵌入式数据处理模块(6)对数据进行综合分析并显示测量结果；

所述瑞利散射光测量模块(3)包括环形器(32)、光子灯笼(33)及待测少模光纤(34)；所述脉冲信号发生模块(1)产生脉冲信号，传输至激光器模块(2)，激光器中的电光转换单元完成了电到光的转换，实现了脉冲信号在光信号上的调制；调制后的一束光脉冲信号经过环形器(32)注入光子灯笼(33)的某一个单模接口，不同的单模接口对应激发少模光纤中不同空间模式；单一激发模式光通过光子灯笼(33)的多模接口(334)传输到待测少模光纤(34)；待测少模光纤(34)中单一激发模式的光能量会耦合到其他非激发模式中，光在光纤中传播会发生瑞利散射现象，其中激发模式和非激发模式的背向瑞利散射光会沿原路返回至光子灯笼(33)中；光子灯笼(33)按模式的不同将背向瑞利散射光发送到不同单模接口上，此时光子灯笼的作用是模式解复用，再利用环形器的单向导通特性，背向瑞利散射光会从环形器(32)的2端口(322)输入，3端口(323)发出，因此从光源发送到环形器(32)的光脉冲信号不会影响到背向瑞利散射光；最终由光电探测模块(5)接受从环形器(32)的3端口(323)发出的光信号，再由嵌入式数据处理模块(6)对数据进行分析并进行人机交互；

所述时间飞行法测量模块(4)包括分束器(31)、光子灯笼(33)、待测少模光纤(34)；脉冲信号发生模块(1)产生脉宽极小的脉冲信号发送给激光器模块(2)，激光器模块(2)产生对应的光脉冲信号，由分束器(31)将光脉冲信号平分成两路光脉冲信号，再同时接入光子灯笼(33)的两个单模接口，激发两种模式的光信号同时传输到待测少模光纤(34)中，此时光子灯笼的作用是模式复用；待测少模光纤(34)中不同空间模式的折射率存在一定的差异，致使不同空间模式在光纤中的传输速度各不相同，空间模式所承载的信号在少模光纤中传输一段距离后将会产生时延，因此少模光纤的另一端接入光电探测模块(5)，将采集到的数据传送给嵌入式数据处理模块(6)计算出两个脉冲的时间差即所求的差分模式群时延。

2.如权利要求1所述的一种基于ARM的少模光时域反射仪，其特征在于，所述脉冲信号发生模块(1)产生信号频率为0.1-100KHz的脉冲信号，脉冲功率为10-40mW，脉冲宽度为10-1200ns；所述脉冲信号发生模块(1)由FPGA及DAC组成，FPGA通过串口接收来自ARM芯片的控制命令并解析得到相应的幅值、频率、占空比控制字，这些控制字直接作用在基于数字频率合成器(DDS)的FPGA(13)上，从而设定FPGA(13)输出信号的幅度、频率、占空比，然后经过DAC控制模块(14)将两个通道的数据分别经由DAC控制模块(14)写入DAC(15)中，DAC(15)即可输出对应的模拟电压信号。

3.如权利要求2所述的一种基于ARM的少模光时域反射仪，其特征在于，所述FPGA(13)为基于数字频率合成器(DDS)的FPGA(13)，所述数字频率合成器(DDS)由相位累加器(131)、ROM(132)、DAC(133)及低通滤波器(134)组成；其中，所述相位累加器(131)由N位加法器与N位寄存器构成，每来一个时钟，加法器就将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的结果又反馈至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加；这样，相位累加器(131)在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加；即在每一个时钟脉冲输入时，相位累加器(131)便把频率控制字累加一次。

4.如权利要求1所述的一种基于ARM的少模光时域反射仪，其特征在于，所述激光器模块(2)为1550nm窄线宽激光光源配合驱动电路，设置1550nm窄线宽激光光源为外触发模式，接收来自FPGA的电脉冲信号可以输出脉冲宽度可调节，重复频率可调节,脉冲输出功率可调节的光脉冲信号。

5.如权利要求1所述的一种基于ARM的少模光时域反射仪，其特征在于，所述光电探测模块(5)由光电探测器(52)和高采样率AD采集卡(51)组成，其中高采样率AD采集卡(51)设置为外触发模式，触发通道接收FPGA的电脉冲信号，脉冲信号为高电平时开始采集数据；当进行故障定位或测量少模光纤的模式耦合、模式相关损耗时，光电探测模块(5)对来自光子灯笼(33)的单模接口的背向瑞利散射信号进行光电转化；当测量少模光纤的差分模式群时延时，光电探测模块(5)对待测少模光纤(34)末端发送出的光信号进行光电转化。

6.如权利要求1所述的一种基于ARM的少模光时域反射仪，其特征在于，所述嵌入式数据处理模块(6)采用ARM体系架构，由ARM工控板组成，负责数据处理与人机交互；数据处理是指对光电探测模块(5)采集到的数据进行综合分析，当采集到的信号是背向瑞利散射信号时，ARM工控板(61)将采集到的数字信号进行滤波以抵消噪声的影响，经峰值检测判断光纤中可能存在的故障点，分别建立各模式背向散射功率与模式耦合系数、模式损耗之间的数学模型，计算出模式相关损耗、模式耦合；当采集到的信号是由时间飞行法测量模块(4)所测得时，ARM工控板(61)将采集到的数据经峰值检测，计算出少模光纤的差分模式群时延。

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