CN113783607B - 一种双时钟错相位采样装置及其采样方法和光时域反射仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光时域反射仪技术领域，尤其涉及一种双时钟错相位采样装置及其采样方法和光时域反射仪，所述双时钟错相位采样装置包括光信号接收模块，数据采样模块，以及控制模块，所述包括控制模块主控单元，第一时钟锁相环单元，第二时钟锁相环单元；所述第一时钟锁相环单元发出的采样信号的频率与第二时钟锁相环单元发出的电脉冲信号的频率不同；不同频率的采样信号和电脉冲信号能够形成不同的相位差；所述控制模块获取数据采样模块在不同相位差下的多组采样数据；即可大大提高光时域反射仪的分辨率，提高光路中事件点的定位精度。

Description

一种双时钟错相位采样装置及其采样方法和光时域反射仪

技术领域

本发明涉及光时域反射仪技术领域，尤其涉及一种双时钟错相位采样装置及其采样方法和光时域反射仪。

背景技术

OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光时域反射仪)通过向被测光纤发射光脉冲，检测光纤中返回的瑞利散射和菲涅尔反射数值，得到被测光纤的长度及损耗等物理特性。并借助数据分析功能，精确定位光路中的事件点及故障点。OTDR主要用于光缆工程施工和光缆线路维护工作，主要用途有测量光纤长度，分析链路损耗及故障定位。分辨率，亦可称之为1点分辨率，是指OTDR的数据采样间隔，它确定了背向散射曲线上的事件点的定位精度。

光时域反射仪在测试时，沿光纤长度方向以固定的间隔进行数据采样，采样间隔越短，采样数据点越多，意味着定位精度越高。分辨率的主要影响因素包括抽样距离，时基准确性，折射率设置等。

在光纤折射率一定的情况下，为提高分辨率，传统方法一般采用提高AD芯片的采样频率来实现，即使用高采样率的AD芯片，但高采样率的AD芯片成本高，且易受政治因素影响，国内供货困难。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种双时钟错相位采样装置及其采样方法和光时域反射仪，以解决现有的光时域反射仪提高其分辨率的方案成本高，且使用的高采样率的芯片供货困难的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种双时钟错相位采样装置，包括：光信号接收模块，用于接收从待测光纤返回的光信号，并将其转换为对应的电信号；数据采样模块，对所述光信号接收模块的电信号进行采样并转换为数字信号；以及设有主控单元、第一时钟锁相环单元、第二时钟锁相环单元、电脉冲发射单元的控制模块，所述第一时钟锁相环单元向数据采样模块发送第一时钟信号；所述第二时钟锁相环单元向电脉冲发射单元发送第二时钟信号，所述电脉冲发射单元根据第二时钟信号发送电脉冲信号至脉冲发生器；所述第一时钟信号的频率与第二时钟信号的频率不同；所述第二时钟信号的频率跟电脉冲信号的频率相同；其中，不同频率的第一时钟信号和电脉冲信号能够形成不同的相位差，所述控制模块获取数据采样模块在不同相位差下的多组采样数据。

本发明的更进一步优选方案是：所述控制模块还包括用于调整第一时钟锁相环单元、第二时钟锁相环单元使两者时钟同步的时钟校准单元。

本发明的更进一步优选方案是：所述控制模块还包括用于对获取的采样数据处理形成数组的数据处理单元。

本发明的更进一步优选方案是：所述主控单元为FPGA芯片，所述第一时钟锁相环单元、第二时钟锁相环单元、电脉冲发射单元、时钟校准单元和数据处理单元均设置于FPGA芯片中。

本发明的更进一步优选方案是：所述第一时钟锁相环单元为分别与主控单元、时钟校准单元连接的时钟锁相环芯片；所述第二时钟锁相环单元为分别与主控单元、时钟校准单元连接的时钟锁相环芯片。

本发明的更进一步优选方案是：所述光信号接收模块包括用于接收从待测光纤返回的光信号的光检测器和放大器，所述光检测器将接收到的光信号转化为电信号并传输至放大器，电信号经所述放大器放大后传输至数据采样模块。

本发明还提供一种光时域反射仪，包括脉冲发射器、激光器、光方向耦合器和如以上任一项所述的双时钟错相位采样装置，所述双时钟错相位采样装置中的第二时钟锁相环单元向脉冲发生单元发送第二时钟信号，脉冲发生单元根据第二时钟信号向脉冲发生器发送电脉冲信号，脉冲发生器根据电脉冲信号控制激光器发射光信号至光方向耦合器，由光方向耦合器耦合至被测光纤并解耦被测光纤返回的光信号，将光信号传输至所述双时钟错相位采样装置的光信号接收模块。

本发明还提供一种双时钟错相位采样方法，应用于以上任一项所述的双时钟错相位采样装置中，包括步骤：

接收从待测光纤返回的光信号，并转换为对应的电信号；

设置第一时钟信号和电脉冲信号的频率，使第一时钟和电脉冲信号形成相位差；

对不同相位差下的多组数据进行采样；

获取采样数据。

本发明的更进一步优选方案是：所述双时钟错相位采样方法还包括步骤：对第一时钟信号和第二时钟信号进行时钟同步校准。

本发明的更进一步优选方案是：所述双时钟错相位采样方法还包括步骤：

将同一相位差下多次对电信号采样的数据处理成对应的一数组；

将不同相位差下的采样数据对应的数组数据进行插值操作，形成一新的数组。

本发明的有益效果在于，通过设置不同频率的电脉冲信号和第一时钟信号，其中电脉冲信号用于控制激光的测试出光，第一时钟信号用于控制数据采样模块进行采样，即可实现电脉冲信号和采样时钟的相位差；当设置合适的脉冲数后，即可在多次采样中实现相位差的不断变化，即可采集不同相位差的数据，大大提高光时域反射仪的分辨率，提高光路中事件点的定位精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的双时钟错相位采样装置的结构框图；

图2是本发明的双时钟错相位采样装置实施例一的具体结构框图；

图3是本发明的双时钟错相位采样装置实施例二的具体结构框图；

图4是本发明的光信号接收模块的结构框图；

图5是本发明的光时域反射仪的结构框图；

图6是本发明的双时钟错相位示意图；

图7是本发明的双时钟错相位采样方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提供一种双时钟错相位采样装置及其方法和光时域反射仪，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明较佳实施例的双时钟错相位采样装置，一并参见图1至图7，其包括光信号接收模块100、数据采样模块200、以及控制模块300；其中，所述光信号接收模块100用于接收从待测光纤返回的光信号，并将其转换为对应的电信号；所述数据采样模块200对所述光信号接收模块100的电信号进行采样并转换为数字信号；所述控制模块300包括主控单元310、第一时钟锁相环单元320、第二时钟锁相环单元330、电脉冲发射单元340；所述第一时钟锁相环单元320向数据采样模块200发送第一时钟信号；所述第二时钟锁相环单元330向电脉冲发射单元340发送第二时钟信号，所述电脉冲发射单元340根据第二时钟信号发送电脉冲信号至脉冲发生器400；所述第一时钟信号的频率与第二时钟信号的频率不同，所述第二时钟信号的频率跟电脉冲信号的频率相同；其中，不同频率的第一时钟信号和电脉冲信号能够形成不同的相位差，所述控制模块300获取数据采样模块200在不同相位差下的多组采样数据。

通过设置第一时钟锁相环单元320可用于向数据采样模块200输出第一时钟信号进行采样；通过第二时钟锁相环单元330和电脉冲发射单元340可用于向脉冲发生器400输出电脉冲信号控制激光器的出光，其中，第一时钟信号和电脉冲信号的频率不同，即可实现电脉冲信号和采样信号(第一时钟信号)的相位差；当设置合适的脉冲数后，即可在多次测试采样中实现相位差的不断变化，即可对不同相位差的数据进行采集，大大提高光时域反射仪的分辨率，从而提高光路中事件点的定位精度。

本实施例采用错相位的方式进行数据采集，无需采用高成本的高频率采样芯片，同样可以实现提高光时域反射仪的分辨率的效果，且生产的材料器件容易获取，具有生产成本低的特点。

其中，所述产生电脉冲信号的频率和第一时钟信号(采样信号)的频率是不同的，随着测试的进行，两者的相位差也在不断的变化。具体的，本实施例的电脉冲信号和第一时钟信号(采样信号)的频率是通过初期计算并设定好的，设置完成后不需要调整频率，即在后期的采样中也一直维持频率差不变；然后通过电脉冲发射单元340设置合适的脉冲周期，即可与采样时钟自发的每一次采样产生不同的相位差，方便采样的进行，有效的提高采样的效率。

进一步的，所述控制模块300还包括用于调整第一时钟锁相环单元320和第二时钟锁相环单元330，使第一时钟锁相环单元320和第二时钟锁相环单元330时钟同步的时钟校准单元350。本实施例中，所述第一时钟锁相环单元320、第二时钟锁相环单元330所发出的第一时钟信号和第二时钟信号分别由第一晶振321和第二晶振331产生，而第一晶振321和第二晶振331属于非同源时钟，两者的时钟频率之间存在误差，通过增加时钟校准单元350可对两个非同源时钟进行校准，即实现第一时钟锁相环单元320和第二时钟锁相环单元330的时钟同步，从而保证错相位的精度。

进一步的，请参照图2、图3，所述控制模块300还包括用于对获取的采样数据处理形成数组的数据处理单元360。具体地，所述数据处理单元360与数据采样模块200连接，获取数据采样模块200的采样数据，将同一相位差下多次对电信号采样的数据处理成对应的一数组；将不同相位差下的采样数据对应的数组数据进行插值操作，形成一新的数组，便于后续对光路中事件点和故障点的分析定位，提高定位精度。

其中，所述主控单元310和第一时钟锁相环单元320、第二时钟锁相环单元330、电脉冲发射单元340、时钟校准单元350、以及数据处理单元360可以是集成设置在一芯片中，也可以分别是独立的芯片。

一实施例中，参考图2，所述主控单元310、第一时钟锁相环单元320、第二时钟锁相环单元330、电脉冲发射单元340、时钟校准单元350、及数据处理单元360集成设置在同一芯片中，所述主控单元310采用FPGA芯片，所述第一时钟锁相环单元320、第二时钟锁相环单元330、电脉冲发射单元340、时钟校准单元350、及数据处理单元360设置于FPGA芯片中。外部的第一晶振321和第二晶振331分别发送信号输入至第一时钟锁相环单元320、第二时钟锁相环单元330，FPGA芯片配置调整电脉冲发射单元340、第一时钟锁相环单元320输出不同固定频率的电脉冲信号和第一时钟信号(采样信号)形成相位差，在不同的相位差下多次对转换后的电信号进行采样，获取不同采样相位差下被测光纤的测试值，增加光时域发射仪的曲线分析数据，大大提高光时域反射仪的分辨率，提高光路中事件点的定位精度。其中，时钟校准单元350用于调整第一时钟锁相环单元320、第二时钟锁相环单元330输出第二时钟信号和采样信号的时钟同步，从而保证错相位的精度。

另一实施例中，参考图3，当主控单元310、第一时钟锁相环单元320、第二时钟锁相环单元330、电脉冲发射单元340、时钟校准单元350、及数据处理单元360分别是单独的芯片时，所述第一时钟锁相环单元320为分别与主控单元310、时钟校准单元350连接的时钟锁相环芯片；所述第二时钟锁相环单元330为分别与主控单元310、时钟校准单元350连接的时钟锁相环芯片。所述主控单元310可以采用FPGA芯片。当然，在其他实施例中，主控单元310也可以采用CPU、GPU、ARM芯片等具有控制处理功能的芯片，均能实现配置第一时钟锁相环单元320输出第一时钟信号(采样信号)；配置第二时钟锁相环单元330和电脉冲发射单元340输出与采样信号频率不同的电脉冲信号的功能。由于电脉冲信号和采样信号的输出频率不同可形成相位差，且随着测试时间的变化，相位差也在不断的变化，在不同的相位差下多次对转换后的电信号进行采样，获取不同采样相位差下被测光纤的测试值，增加光时域发射仪的曲线分析数据，大大提高光时域反射仪的分辨率，提高光路中事件点的定位精度。其中，第一时钟锁相环单元320、第二时钟锁相环单元330均采用时钟锁相环芯片，独立于FPGA芯片，能避免由于FPGA芯片等原因造成的较大误差，进一步地提高双时钟错相位采样装置的精度。

其中，时钟锁相环芯片的型号可以是CD4046，MC145152，MC145162，或者CC046等，其具体型号可根据需要进行选择。

本实施例中，所述数据采样模块200为AD芯片，AD芯片对光信号对应的电信号进行采样，并将采样获取的电信号转换为数字信号。其中，所述AD芯片输出的时钟信号为第一时钟锁相环单元320输出的第一时钟信号(采样信号)，电脉冲发射单元340输出的电脉冲信号与第一时钟信号(采样信号)的频率差可形成错相位，且随着测试时间的变化，相位差也在不断变化，数据采样模块200在不同相位差下对转换后的电信号进行采样，将采样获取的电信号转换为数字信号，得到多个数据进行OTDR曲线分析，提高光路中事件点的定位精度。

进一步的，请参照图4，所述光信号接收模块100包括用于接收从待测光纤返回的光信号的光检测器110和放大器120，所述光检测器110将接收到的光信号转化为电信号并传输至放大器120，电信号经所述放大器120放大后传输至数据采样模块200，由数据采样模块200的AD芯片对电信号进行采样，并将采样后电信号转换为数字信号。

下面以采样时钟50MHZ，实现0.05m分辨率为例，对上述双时钟错相位采样装置的实施例进行详细说明。

双时钟错相位采样装置应用于光时域反射仪中，可计算出每一个CLK(时钟信号)对应的采样长度(分辨率)，其计算公式为：L＝C*T/(2*IOR)；其中，L每一个CLK(时钟信号)对应的采样长度(光时域反射仪的分辨率)；T为光信号发射后到接收到信号的时间；C为光在真空中的速度，约等于3X10⁸m/s；IOR为折射率，IOR＝C/V；此处光纤折射率约等于1.46。

故50Mhz采样率周期20ns时钟对应测试光脉冲反射的采样长度：

L＝3X10⁸m/s*20x10^-9s/(2*1.46)＝2.054m≈2m；

为实现0.05m分辨率，需要实现错相位次数2m/0.05m＝40(次)，假设发送脉冲时钟频率为X，可得：

如上实施例所示，取采样时钟频率为50Mhz，脉冲发送时钟为51.282Mhz，请参照图6，其中，n＝40，ΔT1＝0.5ns，ΔT2＝1ns，ΔT3＝1.5ns，ΔT4＝2ns……ΔT39＝19.5ns，ΔT40＝0ns。

假设第一次采样数据为【D11，D12，D13，D14，D15……D1N】，此处D11表示第一次采样第一个数据，D12表示第一次采样第二个数据，一次采集数据总长度为N；第二次采样数据为【D21，D22，D23，D24，D25……D2N】；第三次采样数据为【D31，D32，D33，D34，D35……D3N】；……则第40次采样数据为【D401，D402，D403，D404，D405……D40N】；再把40次采样数据进行插值操作，得出如下组合：

【[D11，D21，D31，D41，D51……D401]，[D12，D22，D32，D42，D52……D402]，[D13，D23，D33，D43，D53……D403]，……[D1N，D2N，D3N，D4N，D5N……D40N]】。

得出40*N的数列，即本实施例只需要50Mhz的采样时钟，通过错相位的采样方式将采样分辨率从2M提高到0.05M。

本发明还提供一种光时域反射仪的优选实施例。

请参照图2、图3、图5，所述光时域反射仪包括脉冲发射器400、激光器500、光方向耦合器600和如以上任一项所述的双时钟错相位采样装置，所述双时钟错相位采样装置中的第二时钟锁相环单元330向电脉冲发射单元340发送第二时钟信号，然后电脉冲发射单元340根据第二时钟信号向脉冲发生器400发送频率相同的电脉冲信号，脉冲发生器400根据电脉冲信号控制激光器500发射光信号至光方向耦合器600，由光方向耦合器600耦合至被测光纤并解耦被测光纤返回的光信号，将光信号传输至所述双时钟错相位采样装置的光信号接收模块100。基于上述的双时钟错相位采样装置，所述光时域反射仪能在不同相位差下多次对转换后的电信号进行采样，获取数据采样模块200的采样数据，无需采用高成本的高频采样芯片，通过错相位的采样方法，对被测光纤进行多次检测采样，大大提高光时域反射仪的分辨率，提高光路中事件点的定位精度。

本发明实施例还提供一种双时钟错相位采样方法，应用于以上任一项所述的双时钟错相位采样装置中，所述双时钟错相位采样方法包括步骤：

S10O、接收从待测光纤返回的光信号，并转换为对应的电信号；

S20O、设置第一时钟信号和电脉冲信号的频率，使第一时钟信号和电脉冲信号形成相位差；

S300、对第一时钟信号和第二时钟信号进行时钟同步校准；

S400、对不同相位差下的多组数据进行采样；

S500、获取采样数据。

通过设置不同频率的第一时钟信号(采样信号)和电脉冲信号，可使用采样信号和电脉冲信号形成相位差，且随着测试时间的增加，相位差也在不停不变化，再通过在不同的相位差下多次对电信号进行采样，无需采用高成本的采样芯片，能在不增加硬件成本的情况下，获取更多关于光纤的采样数据，大大提高光时域反射仪的分辨率，提高光路中事件点的定位精度。

进一步的，所述双时钟错相位采样方法还包括步骤：S300、对第一时钟信号和第二时钟信号进行时钟同步校准。所述第一时钟信号和第二时钟信号进行时钟同步后，可以有效的提高错相位的精度。

进一步的，所述双时钟错相位采样方法还包括步骤：

S600、将同一相位差下多次对电信号采样的数据处理成对应的一数组；

S700、将不同相位差下的采样数据对应的数组数据进行插值操作，形成一新的数组。

将获取的数据进行上述操作，便于后续对光路中事件点和故障点的分析定位，提高定位精度。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种双时钟错相位采样装置，用于光时域反射仪，其特征在于，包括：

光信号接收模块，用于接收从待测光纤返回的光信号，并将其转换为对应的电信号；

数据采样模块，对所述光信号接收模块的电信号进行采样并转换为数字信号；以及

控制模块，包括主控单元、第一时钟锁相环单元、第二时钟锁相环单元、以及电脉冲发射单元；所述第一时钟锁相环单元向数据采样模块发送第一时钟信号；所述第二时钟锁相环单元向电脉冲发射单元发送第二时钟信号，所述电脉冲发射单元根据第二时钟信号发送电脉冲信号至脉冲发生器；所述第一时钟信号的频率与第二时钟信号的频率不同；所述第二时钟信号的频率跟电脉冲信号的频率相同；

其中，不同频率的第一时钟信号和电脉冲信号能够形成不同的相位差，所述控制模块获取数据采样模块在不同相位差下的多组采样数据；

所述控制模块还包括用于调整第一时钟锁相环单元、第二时钟锁相环单元使两者时钟同步的时钟校准单元；

所述控制模块还包括用于对获取的采样数据处理形成数组的数据处理单元；所述主控单元为FPGA芯片，所述第一时钟锁相环单元、第二时钟锁相环单元、电脉冲发射单元、时钟校准单元、数据处理单元均设置于FPGA芯片中；

或者，所述第一时钟锁相环单元为分别与主控单元、时钟校准单元连接的时钟锁相环芯片；所述第二时钟锁相环单元为分别与主控单元、时钟校准单元连接的时钟锁相环芯片。

2.根据权利要求1所述的双时钟错相位采样装置，其特征在于，所述光信号接收模块包括用于接收从待测光纤返回的光信号的光检测器和放大器，所述光检测器将接收到的光信号转化为电信号并传输至放大器，电信号经所述放大器放大后传输至数据采样模块。

3.一种光时域反射仪，其特征在于，包括脉冲发射器、激光器、光方向耦合器和如权利要求1或2所述的双时钟错相位采样装置，所述双时钟错相位采样装置中的第二时钟锁相环单元向脉冲发生单元发送第二时钟信号，脉冲发生单元根据第二时钟信号向脉冲发生器发送电脉冲信号，脉冲发生器根据电脉冲信号控制激光器发射光信号至光方向耦合器，由光方向耦合器耦合至被测光纤并解耦被测光纤返回的光信号，将光信号传输至所述双时钟错相位采样装置的光信号接收模块。

4.一种双时钟错相位采样方法，其特征在于，应用于权利要求1或2所述的双时钟错相位采样装置中，包括步骤：

接收从待测光纤返回的光信号，并转换为对应的电信号；

设置第一时钟信号和电脉冲信号的频率，使第一时钟信号和电脉冲信号形成相位差；

对不同相位差下的多组数据进行采样；

获取采样数据。

5.根据权利要求4所述的双时钟错相位采样方法，其特征在于，所述双时钟错相位采样方法还包括步骤：对第一时钟信号和第二时钟信号进行时钟同步校准。

6.根据权利要求4所述的双时钟错相位采样方法，其特征在于，所述双时钟错相位采样方法还包括步骤：

将同一相位差下多次对电信号采样的数据处理成对应的一数组；

将不同相位差下的采样数据对应的数组数据进行插值操作，形成一新的数组。

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