DK155238B - Fremgangsmaade ved signalbehandling af reflekteredeimpulser samt apparatur til udoevelse af fremgangsmaaden - Google Patents

Description

i

DK 155238 B

Opfindelsen vedrører en fremgangsmåde ved signalbehandling af reflekterede impulser for tidsmæssig lokalisering af disse, navnlig i forbindelse med reflektionsmåling, hvor der modtages mindst to reflekterede impulser, hvoraf 5 den første hidrører fra et forudbestemt referencepunkt, medens den anden hidrører fra et reflektionspunkt, hvis position ønskes bestemt.

Det nævnte reflektionspunkt kan være udtryk for et brudsted i en optisk fiber, men kan også være udtryk for 10 enden af fiberen, idet en nøjagtig bestemmelse af optiske fibres længde er vigtig i forbindelse med overvågning af den stress-påvirkning, som en optisk fiber kan være udsat for i forbindelse med kabling, kabeloptromling, nedlægning i marken eller mekaniske påvirkninger. End-15 videre benyttes målinger af længder og længdeændringer i udstrakt grad af fiberproducenter i forbindelse med konstruktion af de optiske fibre og optiske kabler.

Ovennævnte målinger har hidtil været udført ved at udsende en række lysimpulser i den optiske fiber og derefter 20 at måle tidsforskydningen mellem udsendelse af en impuls og modtagelse af den tilhørende reflekterede impuls.

Fra det norske fremlæggelsesskrift 143 117 kendes en fremgangsmåde til grov- og finbestemmelse af et refleksionspunkt på en transmissionslinie. Refleksionspunktets 25 beliggenhed bestemmes ved at sammenligne en impuls' udbredelsestid på den transmissionslinie, der undersøges, med en samtidigt afsendt impuls' udbredelsestid på en delay-linie.

Ved denne fremgangsmåde afsøges hele transmissionsled-30 ningen i ved siden af hinanden beliggende måleintervaller, indtil transmissionsledningen er afsøgt i hele sin længde. Dette kræver udsendelse af et stort antal

DK 155238 B

2 måleimpulser, hvilket medfører, at en undersøgelse efter denne fremgangsmåde er meget langsom.

Formålet med opfindelsen er at angive en fremgangsmåde af den ovenfor omhandlede art, ved hvilken det er muligt 5 at opnå en positionsbestemmelse for reflektionspunktet på en væsentligt hurtigere måde, end det hidtil har kunnet opnås.

Dette formål opnås ved, at fremgangsmåden udøves som angivet i krav 1's kendetegnende del. Hastighedsfor-10 bedringen opnås ved, at der kan modtages information fra flere intervaller, for hver impuls der sendes ud på transmissionsledningen, hvilket medfører en reduktion af signalbehandlingstiden samtidig med, at der kan benyttes langsommere og dermed billigere komponenter i det 15 apparat, som benyttes til udøvelse af fremgangsmåden.

For at opnå en så nøjagtig positionsbestemmelse som muligt er det vigtigt, at hele den reflekterede impuls bidrager til målingen, hvorfor fremgangsmåden fortrinsvis udøves som angivet i krav 2.

20 Opfindelsen angår endvidere et apparat til udøvelse af fremgangsmåden og af den i indledningen til krav 3 angivne art. Apparatet er ejendommeligt ved de i krav 3's kendetegnende del angivne foranstaltninger til udøvelse af fremgangsmåden, hvor de ved grovbestemmelsen 25 benyttede nabointervaller er repræsenteret ved adresser i det nævnte lager, og hvor de lagrede værdier i disse adresser er proportionale med refleksens intensitet i de pågældende intervaller, hvilket opnås ved et antal målinger.

30 De i krav 4 angivne foranstaltninger angiver foretrukne enkeltheder ved apparatet til opnåelse af den i krav 1 angivne fremgangsmåde, medens de i krav 5 og 6 angivne 3

DK 155238 B

foranstaltninger angiver foretrukne enkeltheder ved apparatet til udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 2.

Opfindelsen vil blive nærmere forklaret ved den følgende 5 beskrivelse af en foretrukken udførelsesform, idet der henvises til tegningen, hvor fig. 1 er en skitse af den måleopstilling, der benyttes ved udøvelsen af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, fig. 2a og 2b er en skematisk fremstilling af signalfor-10 løbet ved den i fig. 1 viste sender og modtager, fig. 3 er en skematisk fremstilling af den kendte eksem-plering af de i fig. 2b viste signaler, fig. 4 viser skematisk, hvorledes udbredelsesvejen opdeles i eksempleringsintervaller, 15 fig. 5 er en skematisk fremstilling af, hvorledes det i fig. 2b viste signal positionsbestemmes, med henblik på udlægning af et eksempleringsvindue, fig. 6 viser, hvorledes et eksempleringsvindue er udlagt omkring en reflekteret impuls, 20 fig. 7 viser, hvorledes et eksempleringsvindue forskydes, indtil det omslutter en reflekteret impuls, og fig. 8 er et blokdiagram for en foretrukken udførelsesform for den del af modtageren fra fig. 1, hvor eksemple-ringsintervallerne fastlægges og forskydes langs med 25 udbredelsesvejen, og hvor eksempleringsvinduet frembringes i afhængighed af positionsbestemmelsen af de reflekterede impulser.

DK 155238 B

4

Fig. 1 viser princippet for en måleopstilling, der anvendes ved udøvelsen af fremgangsmåden ifølge opfindelsen. En sender 1 udsender impulser 2, der overføres til en retningskobler 4. Retningskobleren 4 er ved en snit-5 flade 7 forbundet med en udbredelsesvej 5. Retningskoblerens øvrige porte er forbundet til en modtager 3 og en afslutning 6, hvilken afslutning er reflektionsfri. Ifølge en foretrukken anvendelse af fremgangsmåden og en foretrukken udførelsesform for den foreliggende opfin-10 delse afgiver senderen optiske impulser, og udbredelsesvejen er en optisk fiber, og den i fig. 1 viste opstilling er da et i og for sig kendt reflektometer.

Fig. 2a viser signalet fra senderen 1, hvilket signal er opbygget af et antal impulser 2. Fig. 2b viser det 15 signal, der overføres til modtageren 3. Dette signal indeholder et antal impulser, der er delvise reflektioner af de impulser, der frembringes af senderen, impulsen 8 hidrører fra reflektioner ved overgangen fra retnings-kobleren til udbredelsesvejen, og reflektionen 9 hidrø-20 rer fra den af udbredelsesvejens endeflader, der ikke er forbundet med retningskobleren 4.

Fig. 2b viser et forenkelt tilfælde, hvor det antages, at der kun fremkommer reflektioner fra to punkter på udbredelsesvejen. Hvis der findes andre diskontinuiteter 25 i udbredelsesvejen, da vil der også fremkomme reflektioner fra disse. Det har stor interesse at fastslå beliggenheden af reflektionskilderne i en udbredelsesvej. Med henblik på at fastslå reflektionskildernes beliggenhed i, eller deres bevægelser på, udbredelsesvejen, må man 30 kende impulsernes transittid, dvs. den tid der medgår til udbredelsen frem til reflektionspunktet og tilbage, med stor nøjagtighed.

En kendt fremgangsmåde til frembringelse af dette eksakte 5

DK 155238 B

kendskab til transittiden er at eksemplere det signal, der fremkommer, til modtageren i så langt et tidsrum og med så stor tæthed, at man opnår sikkerhed for, at samtlige reflektioner erkendes og positionsbestemmes.

5 Hvis denne eksemplering skal give brugbare resultater, skal der eksempleres i et langt tidsrum. Hvis f. eks. udbredelsesvejen er 16 km, og impulserne antages at udbrede sig med lysets hastighed, da vil eksemplering tage ca. 7 min. alene for at fastlægge reflektionernes 10 position.

Den foreliggende opfindelse hviler på den erkendelse, at der ved den oven for skitserede fremgangsmåde frembringes en alt for stor datamængde, der ikke indeholder nogen information. Ifølge den foreliggende opfindelse 15 tages der derfor skridt til at reducere denne store datamængde med henblik på at reducere måletiden, idet målenøjagtigheden dog opretholdes.

Fig. 3 viser skematisk, hvorledes der ifølge den kendte teknik eksempleres over hele udbredelsesvejen for at 20 fastlægge både reflektionernes position og form. Det fremgår heraf, at et stort antal eksempleringer ikke indeholder data.

Fig. 4 viser skematisk, hvorledes udbredelsesvejen ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen opdeles i et antal 25 eksempleringsintervaller, der hvert kan indeholde en reflekteret impuls. Ifølge opfindelsen afsøges hvert af disse intervaller først for at fastlægge, om der findes en impuls i intervallet eller ej. Når det således er fastslået, i hvilke eksempleringsintervaller der 30 findes en impuls, da eksempleres de enkelte impulser, men der eksempleres kun i de intervaller, der vides at indeholde impulser. På denne måde reduceres datamængden væsentligt og dermed den tid, der medgår til dataopsamlingen.

DK 155238 B

6

For yderligere at forøge dataopsamlingshastigheden sker bestemmelsen af, hvilke eksempleringsintervaller der indeholder impulser, ved afsøgning af Udbredelsesvejen på en sådan måde, at der afsøges et antal eksemplerings-5 intervaller for hver gang, der påtrykkes udbredelsesvejen en eksitationsimpuls.

Fig. 5 viser skematisk, hvorledes det eksempieringsinterval, der på et givet tidspunkt undersøges, "springer" med et forudbestemt antal eksempleringsintervaller langs 10 med udbredelsesvejen. Ved at forskyde det første eksemple-ringsinterval der undersøges med ét eksempleringsinter-val og gentage processen, indtil alle eksempleringsintervaller er undersøgt, afsøges udbredelsesvejen meget hurtigt. Dette er en væsentlig gevinst, da det er 15 nødvendigt at undersøge hele udbredelsesvejen et stort antal gange og summere undersøgelsesresultatet for hvert enkelt eksempieringsinterval med henblik på at opfange impulser, der ellers ville blive skjult af støj. Når det på den ovenfor beskrevne måde er bestemt, hvilke 20 eksempleringsintervaller der indeholder impulser, da udlægges der et eksempieringsvindue i de aktuelle eksempleringsintervaller. Der bestemmes normalt ikke et eksempi er ings interval for den impuls, der fremkommer som følge af reflektionen ved overgangen mellem retnings-25 kobleren 4 og udbredelsesvejen 5, da afstanden til dette punkt er kendt på forhånd, og denne afstand ikke ændrer sig, da den er bestemt af måleopstillingens fysiske dimensioner.

Fig. 6 viser, hvorledes et eksempleringsvindue er ud-30 lagt omkring en reflekteret impuls. I det viste eksempel er den reflekterede impuls helt indeholdt i eksemple-ringsvinduet. I det tilfælde, hvor den reflekterede impuls ikke er positionsbestemt med tilstrækkelig nøjagtighed, dvs. impulsen ligger delvis uden for eksempie- 7

DK 155238 B

ringsvinduet, forskydes eksempleringsvinduet, som det fremgår af fig. 7, på en sådan måde, at eksempleringsvinduet helt omslutter impulsen.

Når eksempleringsvinduet er udlagt således, at det helt 5 omslutter impulsen, da eksempleres impulsen på sædvanlig måde. Hvis der ved den indledende afsøgning af udbredelsesvejen lokaliseres mere end én reflekteret impuls, kan der udlægges et eksempleringsvindue omkring hver enkelt reflekteret impuls.

10 De data, der fremkommer ved eksempleringen af impulserne, anvendes til at beregne impulsernes "tyngdepunkt". Impulsernes transittid beregnes da som transittiden for deres "tyngdepunkter". Forskellen mellem impulsernes transittider beregnes da som forskellen mellem impul-15 sernes "tyngdepunkters" transittider.

Fig. 8 viser en foretrukken udførelsesform for den del af modtageren 2, der afsøger udbredelsesvejen for reflekterede impulser og udlægger eksempleringsvinduet/vindu-erne. Kredsløbet modtager på en indgang 10 et 100 Mhz 20 taktimpulssignal, der overføres til et firefaset dele- kredsløb 11. Dette delekredsløb frembringer fire faseforskudte udgangssignaler, hvis frekvens er 25 Mhz.

Et af disse udgangssignaler tilføres en binær deler 12 12, hvis deleforhold er 2 . Udgangssignalet fra dette 25 delekredsløb er et 6,10 Khz taktimpulssignal 13, der anvendes som aktiveringssignal for afgivelsen af eksita-tionsimpulser.

Aktiveringssignalet tilfører en 5 bit tæller 14. En anden tæller 16 aktiveres af en komparator 18's udgangs-30 signal 19, der synkroniseres med et af tællere 11's udgangssignaler i en flip-flop 20. Udgangssignalet fra tælleren 14 anvendes som mindst betydende bits i adres-

DK 155238 B

8 sen for et lager med tilfældig udgang 17, og tilføres også komparatoren 18 som de mindst betydende bits. Udgangssignalerne fra tælleren 16 anvendes som de mest betydende bits i adressen til lageret 17 og tilføres 5 komparatoren 18 som de mest betydende bits.

Komparatoren 18 er også forbundet til tælleren 12 og sammenligner tællerens tilstand med signalerne fra tællerne 16 og 14. Hvis der er overensstemmelse mellem udgangssignalerne fra tællerne og tællerstanden i tælle-10 ren 12, da afgiver komparatoren 18 et udgangssignal på ledningen 19. Dette udgangssignal overføres sammen med taktimpulsen, til en flip-flop 20, der på sin udgang frembringer et signal 21, der angiver et eksemple-ringsvindue.

15 Indgangen 22 påtrykkes signalet fra et kredsløb (ikke vist), der er indrettet til at detektere de impulser, der modtages fra udbredelsesvejen. Disse signaler overføres til et tærskelkredsløb 23, der afgør, om signalet på indgangen 22 er udtryk for, at der er detekteret 20 en impuls. Udgangssignalet fra kredsløbet 23, overføres til en flip-flop 24, der styres af det samme taktimpuls-signal som flip-floppen 20. Herved synkroniseres den impuls, der frembringes af kredsløbet 23 med de impulser fra flip-floppen 20, der angiver vinduesplaceringer, 25 således at de detekterede impulser derved knyttes til et eksempleringsvindue.

Signalet på flip-floppen 24's udgang lagres, når signalet 21 aktiveres, i en flip-flop 25. Flip-floppen 25's udgang 26 er forbundet til et additionskredsløb 21's 30 mindst betydende bit. Additionskredsløbet modtager på sine øvrige indgange indholdet af den lagercelle, der adresseres af tællerne 14 og 16, hvilken adresse svarer til det aktuelle eksempleringsinterval, der undersøges.

DK 155238 B

9

Signalet fra flip-floppen 26 adderes til indholdet i den omtalte lageradresse, og resultatet læses tilbage i lageret 17.

Når adderen 27 giver overløb, dvs. at indholdet i den 5 adresserede lagercelle har overskredet den maksimalt mulige værdi, overføres der over en ledning 29 et signal til en beregningsenhed 28.

Beregningsenheden 28 overtager efter at der er signaleret overløb i lageret den videre styring af apparatets 10 funktioner. Den til et eksempleringsvindue svarende adresse bestemmes ved at afsøge lageret 27 og fastslå hvilken eller hvilke celler, der indeholder en talværdi, der er større end en forudbestemt tærskelværdi. Adressen for denne eller disse lagerceller svarer da til positio-15 nen for et eller flere eksempleringsvinduer.

Den forskudte afsøgning af udbredelsesvejen fremkommer ved at tælleren 16 modtager udgangssignalet fra kompara-toren 18. Når der overensstemmelse mellem indgangssignalerne til komparatoren 18 og tælleren 12's tilstand, 20 da tæller tælleren "1" frem, herved ændres indgangssignalet til komparatoren 18, og udgangssignalet 19 optræder næste gang i tælleren 12's tilstand og indgangssignalerne til komparatoren 18 er identiske. Hver optælling af tælleren 16 giver et stort spring i adressen til 25 lageret 27 og komparatoren 18, da tælleren 16 angiver de mest betydende bits i adressen til kredsløbene 18 og 27. Optællingen af tælleren 14 giver derimod kun en lille forskydning af de af tælleren 16 frembragte spring, da tælleren 14 kun angiver adressens mindst 30 betydende bits.

Når beregningsenheden 28 har fastlagt, hvilke lageradresser der indeholder impulser, overføres disse adresser

DK 155238 B

10 successivt til komparatoren 18, der da frembringer et udgangssignal 19, når der er overensstemmelse mellem tælleren 12 og den fra beregningsenheden 28 udlæste adresse, hvilken adresse refererer til et eksempleringsin-5 terval. Når der fremkommer et signal 19, overføres dette til udgangen 21, der angiver eksempleringsvinduet. Signalet 21 overføres, når der fremkommer en 25 Mhz taktimpuls.

Eksempleringsfunktionen styres ved, at der frembrin-10 ges et referencesignal, der angiver begyndelsestidspunktet for et 40 nsek.'s eksempleringsvindue. Dette referencesignal fremkommer ved neddeling af 6,10 Khz taktimpuls-signalet i tællere 30 og 31.

Tælleren 31 er fire-faset tæller, og tælleren 31's fire 15 udgangssignaler overføres til et vælgerkredsløb 32, hvis udgangssignal anvendes som reference for eksempleringen.

Referencesignalets forkant angiver begyndelsen for et 40 nsek.'s eksempleringsvindue, og det fra fiberen re-20 flekterede signal eksempleres med denne forkant som tidsmæssig reference. Hvis det erkendes, at den reflekterede impuls ikke er tilstrækkelig omsluttet af eksempleringsvinduet, da styrer beregningsenheden en forskydning af eksempleringsvinduet ved, at forskyde forkanten 25 for den impuls 21, der angiver eksempleringsvinduet og forkanten for referencesignalet (udgangssignalet fra kredsløbet 32), der angiver begyndelsen af eksem-pleringsintervallet.

Denne forskydning fremkommer ved, at beregningsenheden 30 28 styrer vælgerkredsløbet 32, og et vælgerkredsløb 33, og eventuelt ændrer den adresse, der tilføres komparatoren 18. Vælgerkredsløbet 32 udvælger en af tælleren

DK 155238 B

11 31's fire faser, og vælgerkredsløbet 33 udvælger en af tælleren 11*s tilsvarende fire faser. Således forskydes eksempleringsvinduetog starttidspunktet samtidigt, og det undersøges på ny, om impulsen er omsluttet af 5 eksempleringsvinduet. Hvis impulsen er omsluttet, da påbegyndes eksempleringen, ellers udvælges der endnu en oscillatorfase og eventuelt ændres adressen til kompa-ratoren 18 på ny. Derefter undersøges det atter, om impulsen er omsluttet af eksempleringsvinduet. Denne 10 iterative proces forløber indtil det erkendes, at impulsen er omsluttet af eksempleringsvinduet.

Claims (6)

1. Fremgangsmåde ved signalbehandling af reflekterede impulser for tidsmæssig lokalisering af disse, navnlig i forbindelse med refleksionsmåling, med henblik på 5 positionsbestemmelse af refleksionspunkter langs en signaludbredelsesbane, hvor refleksionspunkterne bestemmes ved en række målinger med relativt stor usikkerhed i et antal måleintervaller, og derefter bestemmes med stor sikkerhed i et enkelt måleinterval på grund-10 lag af repetitive refleksionsmålinger, hvor et refleksionspunkt knyttes til et måleinterval, kendetegnet ved, at hver måling i nævnte række af målinger omfatter udsendelse af en impuls og omfatter undersøgelse af reflektioner af denne impuls inden for 15 to eller flere langs signaludbredelsesbanen jævnt fordelte, til målingen hørende måleintervaller.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at intervallernes position er forskydelig, og at positionerne forskydes, hvis et reflektionspunkt ligger 20 tæt på grænsen mellem to nabointervaller.

3. Apparat til bestemmelse af reflektionspunkters beliggenhed langs en impulsudbredelsesbane (5), hvilket apparat indeholder organer (1) til frembringelse af eksitations-impulser i afhængighed af et taktimpulssignal, organer 25 (3) til detektering af impulser, der reflekteres fra udbredelsesbanen (5) og organer til beregning af tidsafstanden mellem et reflektionspunkt og et referencepunkt (7), kendetegnet ved, at der findes et lager (17) med et antal lagerceller, der hver svarer til et 30 bestemt detektionsinterval langs udbredelsesbanen, og at detektionsorganerne (23, 24, 25) er indrettet til at modificere indholdet af netop den lagercelle, der svarer til det detektionsinterval, i hvilket der detek- DK 155238 B teres en reflekteret impuls, samt at der findes midler til afsøgning af lageret (28), hvilke midler er indrettet til at initiere en i og for sig kendt signalbehandling af det reflekterede signal i det interval, som svarer 5 til en lagercelle med et forudbestemt indhold.

4. Apparat ifølge krav 3, kendetegnet ved, at der til frembringelse af intervallernes adresser findes en første tæller (16), som er afhængig af taktim-pulssignalet, til bestemmelse af adressens mest betydende 10 del og findes en anden tæller (14), som er afhængig af taktimpulsignalet, til bestemmelse af adressens mindst betydende del, samt at detektororganerne (23, 24, 25) er afhængige af hele adressen.

5. Apparat ifølge krav 4, kendetegnet ved, 15 at nævnte i og for sig kendte signalbehandling omfatter eksemplering af de reflekterede signaler i et detektions-interval, og at der findes faseforskydningsmidler (33) til indbyrdes tidsforskydning af sammenhørende detektions-vinduer og -intervaller.

6. Apparat ifølge krav 5, kendetegnet ved, at der findes midler (28, 30 - 32) til at bestemme positionen for en reflekteret impuls i forhold til grænsen mellem to nabointervallet, hvilke midler er indrette til at styre faseforskydningsmidlerne (33).