RU2214583C1 - Optical reflectometer - Google Patents
Optical reflectometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2214583C1 RU2214583C1 RU2002109444A RU2002109444A RU2214583C1 RU 2214583 C1 RU2214583 C1 RU 2214583C1 RU 2002109444 A RU2002109444 A RU 2002109444A RU 2002109444 A RU2002109444 A RU 2002109444A RU 2214583 C1 RU2214583 C1 RU 2214583C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- microcontroller
- pulse
- analog
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, техники связи и оптоэлектроники и может быть использовано в электротехнической промышленности, промышленности средств связи при производстве оптических волокон и волоконно-оптических кабелей, а также при прокладывании и эксплуатации волоконно-оптических трактов. The invention relates to the field of measurement technology, communication technology and optoelectronics and can be used in the electrical industry, communications industry in the production of optical fibers and fiber optic cables, as well as in the laying and operation of fiber optic paths.
Известно устройство для диагностики волоконно-оптических трактов, включающее импульсный источник оптического излучения, оптический направленный ответвитель, фотоприемник, усилитель измерительных сигналов, устройство обработки, осциллографический регистратор [1]. A device for diagnosing fiber optic paths, including a pulsed optical radiation source, an optical directional coupler, a photodetector, an amplifier for measuring signals, a processing device, an oscillographic recorder [1].
Работа устройства заключается в том, что на вход контролируемого волоконно-оптического тракта подают короткий оптический импульс и измеряют параметры импульсных сигналов на выходе фотоприемника, установленного на выходе ответвителя таким образом, что этот фотоприемник принимает оптический сигнал обратного рассеяния. Величина отраженной оптической мощности от неоднородностей определяется амплитудой импульсов оптического сигнала, отраженного от места их расположения. О расстоянии до неоднородности можно судить по величине задержки оптического сигнала. Чем короче измерительный импульс, тем точнее можно определить место расположения локальной неоднородности. С другой стороны, при уменьшении длительности зондирующих импульсов увеличивается их частотный спектр. При увеличении широкополосности узлов устройства уменьшается динамический диапазон измерений и увеличивается сложность и стоимость устройства. Устройство имеет небольшой динамический диапазон измерений и невысокую точность измерения расстояний до локальных неоднородностей. The operation of the device lies in the fact that a short optical pulse is fed to the input of the controlled fiber optic path and the parameters of the pulse signals are measured at the output of the photodetector installed at the output of the coupler in such a way that this photodetector receives an optical backscattering signal. The magnitude of the reflected optical power from the inhomogeneities is determined by the amplitude of the pulses of the optical signal reflected from their location. The distance to the heterogeneity can be judged by the magnitude of the delay of the optical signal. The shorter the measuring pulse, the more accurately you can determine the location of a local heterogeneity. On the other hand, with a decrease in the duration of the probe pulses, their frequency spectrum increases. With an increase in the broadband of the device nodes, the dynamic range of measurements decreases and the complexity and cost of the device increases. The device has a small dynamic measurement range and low accuracy of measuring distances to local inhomogeneities.
Известно устройство диагностики волоконно-оптических трактов, наиболее близкое по своей технической сущности к изобретению [2]. Устройство позволяет измерять величину локальных неоднородностей, расстояние до локальных неоднородностей и потери на отражение. Устройство содержит:
- два микроконтроллера;
- формирователь импульсов;
- полупроводниковый источник излучения;
- оптический ответвитель;
- два оптических соединителя;
- два фотоприемника;
- коммутатор;
- программируемый аттенюатор;
- компаратор;
- расширитель импульсов;
- аналого-цифровой преобразователь;
- пульт управления;
- цифровой индикатор;
- перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство.A known device for diagnosing fiber optic paths, the closest in its technical essence to the invention [2]. The device allows you to measure the value of local inhomogeneities, the distance to local inhomogeneities and reflection loss. The device contains:
- two microcontrollers;
- pulse shaper;
- semiconductor radiation source;
- optical coupler;
- two optical connectors;
- two photodetectors;
- switch;
- programmable attenuator;
- comparator;
- pulse expander;
- analog-to-digital converter;
- Remote Control;
- digital indicator;
- reprogrammable read only memory.
Недостатком устройства является: невысокая разрешающая способность и точность измерений, ограниченные временем выполнения одной операции микроконтроллера, обнаруживающего сигнал на выходе компаратора. Наличие сигнала на выходе компаратора определяется следующей последовательностью инструкций:
РR1: SNB $06.0; тест бита 0 (порта "В"), пропуск следующей инструкции, если сигнал есть;
JMP PR1; переход на метку PR1.The disadvantage of this device is: low resolution and accuracy, limited by the time it takes to perform one operation of the microcontroller that detects a signal at the output of the comparator. The presence of a signal at the output of the comparator is determined by the following sequence of instructions:
PR1: SNB $ 06.0; test bit 0 (port "B"), skip the following instructions, if there is a signal;
JMP PR1; Go to label PR1.
Эта последовательность инструкций занимает три машинных цикла. Если использовать в качестве микроконтроллера, обнаруживающего сигнал, отраженный от неоднородностей, микроконтроллер фирмы Scenix Semiconductor SX18AC, работающий на частоте 150 МГц, с конвейерным выполнением команд, то неоднозначность определения момента прихода очередного импульса, отраженного от неоднородности, составит время выполнения трех машинных циклов, то есть 3•6,7 нс=20,1 нс. С учетом коэффициента преломления сердцевины оптического волокна 1,47 неоднозначность определения расстояния до места расположения неоднородности составит около 4 м. This sequence of instructions takes three machine cycles. If we use a Scenix Semiconductor SX18AC microcontroller operating at a frequency of 150 MHz with pipelined execution of instructions as a microcontroller that detects a signal reflected from inhomogeneities, then the ambiguity in determining the moment of arrival of the next pulse reflected from the inhomogeneity will be the execution time of three machine cycles, then there are 3 • 6.7 ns = 20.1 ns. Taking into account the refractive index of the core of the optical fiber 1.47, the ambiguity in determining the distance to the location of the heterogeneity will be about 4 m.
Предложенное устройство решает задачу повышения разрешающей способности и точности измерения расстояния до места расположения локальных неоднородностей в волоконно-оптическом тракте. The proposed device solves the problem of increasing the resolution and accuracy of measuring the distance to the location of local inhomogeneities in the fiber optic path.
Сущность изобретения заключается в том, что введены два электронных цифровых ключа, один электронный аналоговый ключ, линия задержки, программируемый счетчик-делитель частоты, причем шина данных программируемого счетчика-делителя частоты соединена с выходами первого микроконтроллера, управляющая шина с выходами второго микроконтроллера, счетный вход с выходом компаратора, дополнительный выход подключен к управляющему входу аналогового ключа, основной выход подключен к входу линии задержки, к входу второго микроконтроллера и к выходу первого электронного цифрового ключа, вход которого соединен с выходом линии задержки и входом второго электронного цифрового ключа, выход которого соединен с входом формирователя импульсов, а управляющие входы первого и второго электронных ключей соединены с одним из выводов второго микроконтроллера, аналоговый электронный ключ включен между выходом аттенюатора и входом расширителя импульсов, входы компаратора и аттенюатора подключены к выходу аналогового коммутатора. The essence of the invention lies in the fact that two electronic digital keys, one electronic analog key, a delay line, a programmable counter frequency divider are introduced, the data bus of a programmable counter frequency divider connected to the outputs of the first microcontroller, a control bus with the outputs of the second microcontroller, a counting input with the output of the comparator, an additional output is connected to the control input of the analog key, the main output is connected to the input of the delay line, to the input of the second microcontroller and to the output the first electronic digital key, the input of which is connected to the output of the delay line and the input of the second electronic digital key, the output of which is connected to the input of the pulse shaper, and the control inputs of the first and second electronic keys are connected to one of the terminals of the second microcontroller, an analog electronic key is connected between the output of the attenuator and the input of the pulse expander, the inputs of the comparator and attenuator are connected to the output of the analog switch.
На чертеже (см. фиг.1) изображена структурная схема рефлектометра. The drawing (see figure 1) shows the structural diagram of the reflectometer.
Устройство состоит из последовательно установленных формирователя импульсов 1, полупроводникового источника излучения 2, оптического ответвителя 3, оптического соединителя 4, подключенного к измеряемому волоконно-оптическому тракту 5, второго оптического соединителя 6, оптически связанного с фотоприемником 7, второго фотоприемника 8, установленного на втором выходе ответвителя 3, аналогового коммутатора 9, входы которого подключены к выходам фотоприемников 7 и 8, а выход подключен к входам компаратора 10 и программируемого аттенюатора 11, двух микроконтроллеров 12 и 13, программируемого счетчика-делителя частоты 14, двух цифровых ключей 15 и 16, аналогового ключа 17, расширителя импульсов 18, линии задержки 19, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 20, индикатора 21, пульта управления 22, перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства 23. The device consists of sequentially installed
Рефлектометр работает следующим образом. OTDR operates as follows.
Рефлектометр измеряет потери на отражение, отраженную оптическую мощность и расстояние до места расположения локальных неоднородностей волоконно-оптического тракта. Для измерения потерь на отражение предварительно необходима калибровка. В режиме калибровки измеряется оптическая мощность на выходном полюсе измеряемого волоконно-оптического тракта. Измерительным сигналом в этом случае является последовательность оптических импульсов, формируемых формирователем импульсов 1 и полупроводниковым источником излучения 2 из меандра вырабатываемого микроконтроллером 12. The OTDR measures the reflection loss, reflected optical power and the distance to the location of the local heterogeneities of the fiber optic path. To measure reflection losses, calibration is required first. In calibration mode, optical power is measured at the output pole of the measured fiber optic path. The measuring signal in this case is a sequence of optical pulses generated by a
В режиме измерений микроконтроллер 12 формирует при помощи формирователя 1 и полупроводникового источника излучения 2 одиночный оптический импульс, который вводится в волоконно-оптический тракт 5. Оптические импульсы, отраженные от локальных неоднородностей тракта, через соединитель 4 и ответвитель 3 направляются на оптический вход фотоприемника 8. Фотоприемник преобразует оптические импульсы в электрические. За счет положительной обратной связи устанавливается режим автогенерации. Положительная обратная связь состоит из следующей цепи: оптический соединитель 4, ответвитель 3, фотоприемник 8, коммутатор 9, компаратор 10, счетчик-делитель 14, линия задержки 19, электронный ключ 16, формирователь 1, источник излучения 2. В зависимости от длины тракта импульс может быть задержан в линии задержки n раз. Это необходимо для того, чтобы новый измерительный импульс не наложился на отраженные импульсы от предыдущего измерительного сигнала. Частота автоколебаний зависит от времени распространения импульса по волоконно-оптическому тракту и постоянных задержек в узлах рефлектометра и однозначно определяет расстояние до места расположения неоднородности. Основным преимуществом предложенного устройства по сравнению с устройством прототипа является отсутствие в цепи обратной связи микроконтроллера, вносящего неопределенность при обнаружении появления измерительного импульса. In the measurement mode, the microcontroller 12 generates a single optical pulse using a former 1 and a
Амплитудное значение импульсных измерительных сигналов пропорционально мощности, отраженной от неоднородностей с постоянным коэффициентом преобразования. Кроме расстояния до места расположения неоднородностей и величины отраженной оптической мощности, рефлектометр может рассчитать потери на отражение от выбранной неоднородности по формуле:
αo = -10•lgPi/Po (дБ), (1)
где αo - потери на отражение от выбранной неоднородности,
Рi - мощность, отраженная от i-ой локальной неоднородности,
Ро - мощность оптического излучения в выходном полюсе волоконно-оптического тракта, полученная при калибровке.The amplitude value of the pulse measuring signals is proportional to the power reflected from the inhomogeneities with a constant conversion coefficient. In addition to the distance to the location of the inhomogeneities and the magnitude of the reflected optical power, the reflectometer can calculate the reflection loss from the selected heterogeneity according to the formula:
α o = -10 • logP i / P o (dB), (1)
where α o - reflection loss from the selected heterogeneity,
P i - power reflected from the i-th local heterogeneity,
P about - the power of optical radiation in the output pole of the fiber optic path obtained during calibration.
При измерении только отраженной оптической мощности от локальных неоднородностей и расстояния до места расположения неоднородностей режим калибровки не используется. When measuring only reflected optical power from local inhomogeneities and the distance to the location of the inhomogeneities, the calibration mode is not used.
Управление узлами рефлектометра, выбор измеряемой неоднородности, количество повторов фиксированной задержки, расчет искомых характеристик осуществляется при помощи двух микроконтроллеров: быстродействующего микроконтроллера 12 и более медленного, но имеющего значительно более широкий набор команд (инструкций) микроконтроллера 13. OTDR nodes are controlled, the heterogeneity to be measured, the number of repetitions of the fixed delay, the calculation of the desired characteristics is carried out using two microcontrollers: a high-speed microcontroller 12 and a slower one, but having a much wider set of commands (instructions) of the microcontroller 13.
В резидентную память программ микроконтроллеров записываются инструкции (пользовательские программы). При включении питания рефлектометра инструкции, записанные в памяти программ микроконтроллеров 12 и 13, начинают выполняться. Алгоритм основной программы микроконтроллера 12 представлен на фиг. 2а, подпрограммы обработки внешнего прерывания - на фиг.2б, основной программы микроконтроллера 13 - на фиг.3а, алгоритма обработки внутреннего прерывания - на фиг.3б. Эпюры сигналов в различных узлах рефлектометра в режиме калибровки представлены на фиг.4а, в режиме измерения - на фиг.4б. Instructions (user programs) are written to the resident memory of microcontroller programs. When you turn on the power of the OTDR, the instructions recorded in the memory of the programs of microcontrollers 12 and 13 begin to be executed. The main program algorithm of the microcontroller 12 is shown in FIG. 2a, the external interrupt processing routines are shown in FIG. 2b, the main program of the microcontroller 13 is shown in FIG. 3a, the internal interrupt processing algorithm is shown in FIG. 3b. Plots of signals in various nodes of the OTDR in the calibration mode are presented in Fig. 4a, in the measurement mode - in Fig. 4b.
Микроконтроллер 12 более быстродействующий. Он первым заканчивает инициализацию. Во время инициализации микроконтроллер настраивает свои выводы (порты) на ввод либо вывод информации, настраивает параметры внешнего прерывания и специальные регистры. После инициализации контроллер переходит в режим ожидания команд от микроконтроллера 13. The microcontroller 12 is faster. He is the first to complete the initialization. During initialization, the microcontroller adjusts its outputs (ports) to input or output information, adjusts external interrupt parameters and special registers. After initialization, the controller goes into standby mode of commands from the microcontroller 13.
Микроконтроллер 13 после инициализации рабочих и специальных регистров, настройки портов на ввод или вывод осуществляет диалог с оператором. Оператор задает следующие параметры измерений:
- один из следующих режимов работы:
измерение расстояния до места расположения неоднородностей и потерь на отражение (в этом режиме должны быть доступны оба полюса волоконно-оптического тракта);
измерение расстояния до места расположения неоднородностей и величины отраженной оптической мощности (в этом режиме достаточно иметь доступ к одному полюсу волоконно-оптического тракта);
- коэффициент преломления сердцевины оптического волокна (по умолчанию устанавливается коэффициент преломления плавленого кварца 1,44778);
- максимальное значение длины волоконного тракта, если длина тракта неизвестна, то устанавливается длина по умолчанию (максимально возможная длина тракта);
- диапазон локальных неоднородностей, характеристики которых необходимо измерить (по умолчанию устанавливается максимально возможное количество неоднородностей);
- количество усреднений (по умолчанию устанавливается количество усреднений, соответствующее времени измерений, не превышающему трех минут).The microcontroller 13 after initializing the working and special registers, setting up ports for input or output, carries out a dialogue with the operator. The operator sets the following measurement parameters:
- one of the following operating modes:
measuring the distance to the location of inhomogeneities and reflection losses (in this mode, both poles of the fiber optic path should be accessible);
measuring the distance to the location of inhomogeneities and the magnitude of the reflected optical power (in this mode, it is enough to have access to one pole of the fiber optic path);
- refractive index of the core of the optical fiber (by default, the refractive index of fused silica is 1.44778);
- the maximum value of the length of the fiber path, if the path length is unknown, then the default length is set (the maximum possible path length);
- the range of local heterogeneities whose characteristics must be measured (by default, the maximum possible number of heterogeneities is set);
- the number of averages (the default is the number of averages corresponding to the measurement time, not exceeding three minutes).
После ввода параметров и подключения контролируемого волоконно-оптического тракта к оптическим соединителям оператор вводит команду "ПРОВЕСТИ ИЗМЕРЕНИЕ". After entering the parameters and connecting the monitored fiber-optic path to the optical connectors, the operator enters the "CONDUCT MEASUREMENT" command.
После того как микроконтроллер 13 запоминает параметры измерений и принимает команду "ПРОВЕСТИ ИЗМЕРЕНИЕ", он настраивает встроенный таймер на определенное время, зависящее от заданного количества усреднений. After the microcontroller 13 memorizes the measurement parameters and receives the command “MEASURE MEASUREMENT”, it sets the built-in timer for a certain time, depending on a given number of averagings.
Если необходим режим калибровки, то микроконтроллер 13:
- устанавливает на шине данных счетчика-делителя частоты код для выделения второй неоднородности;
- производит подключение при помощи аналогового коммутатора 9 выхода фотоприемника 7 на входы компаратора 8 и аттенюатора;
- производит передачу команды о калибровке в микроконтроллер 12;
- запрещает прерывания от встроенного таймера;
- выполняет подпрограмму чтения результата преобразования АЦП, которая включает следующие операции:
пуск АЦП;
задержку на время преобразования;
анализ результата преобразования;
увеличение затухания аттенюаторов, если сигнал выше нормы;
уменьшение затухания аттенюатора, если сигнал ниже нормы;
сброс расширителя импульсов;
если сигнал был ниже или выше нормы, то возврат в начало подпрограммы, если сигнал в пределах нормы, то выход из подпрограммы;
- производит аппаратный сброс микроконтроллера 12;
- разрешает прерывания от встроенного таймера и переходит к отработке режима измерений.If calibration mode is necessary, then microcontroller 13:
- sets a code on the data bus of the counter-divider frequency to highlight the second heterogeneity;
- connects using the analog switch 9 of the output of the photodetector 7 to the inputs of the comparator 8 and the attenuator;
- transmits a calibration command to the microcontroller 12;
- prohibits interruptions from the built-in timer;
- performs a subroutine for reading the result of the conversion of the ADC, which includes the following operations:
ADC start-up;
delay for the conversion time;
analysis of the result of the conversion;
increase attenuator attenuation if the signal is above normal;
attenuator attenuation reduction if the signal is below normal;
resetting the pulse expander;
if the signal was lower or higher than normal, then return to the beginning of the subprogram, if the signal is within the normal range, then exit the subprogram;
- produces a hardware reset of the microcontroller 12;
- allows interrupts from the built-in timer and proceeds to refine the measurement mode.
В режиме проведения измерения:
- устанавливает на шине данных счетчика-делителя частоты код первой неоднородности из заданного списка измеряемых неоднородностей;
- производит подключение при помощи аналогового коммутатора 9 выхода фотоприемника 8 на входы компаратора и аттенюатора;
- производит расчет повторов фиксированной задержки и производит передачу команд и данных в микроконтроллер 12;
- переходит к ожиданию сигнала "ПУСК" от микроконтроллера 12.In measurement mode:
- sets the code of the first heterogeneity from a given list of measured inhomogeneities on the data bus of the counter-frequency divider;
- connects using the analog switch 9 of the output of the photodetector 8 to the inputs of the comparator and attenuator;
- calculates the repetitions of a fixed delay and transmits commands and data to the microcontroller 12;
- proceeds to waiting for the signal "START" from the microcontroller 12.
Микроконтроллер 12, принимая команду калибровки, производит следующие действия:
- записывает в счетчик-делитель частоты 14 код выставленный микроконтроллером 13, разрешает счет и формирование импульсов переполнения;
- зацикливается, вырабатывая на входе формирователя импульсов 1 меандр;
- при поступлении сигнала аппаратного сброса повторяет инициализацию и ожидает команд и данных от микроконтроллера 13.The microcontroller 12, taking the calibration command, performs the following actions:
- writes the code set by the microcontroller 13 to the counter-frequency divider 14, allows the counting and formation of overflow pulses;
- Loops, generating 1 meander at the input of the pulse shaper;
- upon receipt of a hardware reset signal, it repeats the initialization and waits for commands and data from the microcontroller 13.
Принимая команду "ПРОВЕСТИ ИЗМЕРЕНИЕ" микроконтроллер 12:
- принимает и запоминает в регистре повторов значение количества повторов фиксированной задержки;
- записывает в счетчик-делитель частоты 14 код выставленный микроконтроллером 13 на шину данных счетчика-делителя;
- открывает ключ 15 и закрывает ключ 16;
- разрешает счет и сигнал переполнения счетчика-делителя частоты 14;
- вырабатывает на входе формирователя импульсов однократный импульс, одновременно являющийся сигналом "ПУСК" для микроконтроллера 13;
- ожидает появления сигнала на основном выходе счетчика-делителя частоты 14;
- после обнаружения сигнала на выходе счетчика-делителя 14:
блокирует счетчик-делитель частоты 14;
проверяет содержимое регистров повтора фиксированной задержки;
если регистр повторов не обнулился, то микроконтроллер производит его декремент, переходит к ожиданию сигнала на выходе линии задержки, после прихода сигнала возвращается к анализу содержимого регистра повторов;
если регистр повторов обнулился, то микропроцессор открывает ключ 16, закрывает ключ 15,
разрешает счет и сигналы переполнения счетчика-делителя 14;
производит инкремент регистров накопителей;
вновь переходит к ожиданию сигнала на выходе счетчика-делителя 14.Accepting the command "PERFORM MEASUREMENT" microcontroller 12:
- receives and stores in the repetition register the value of the number of repetitions of a fixed delay;
- writes the code set by the microcontroller 13 to the data bus of the counter-divider into the counter-frequency divider 14;
- opens the key 15 and closes the key 16;
- allows the count and signal overflow counter-divider frequency 14;
- generates a single pulse at the input of the pulse shaper, which at the same time is the "START" signal for the microcontroller 13;
- expects the appearance of a signal at the main output of the counter-divider frequency 14;
- after detecting the signal at the output of the counter-divider 14:
blocks the counter-divider frequency 14;
checks the contents of fixed delay retry registers;
if the repeat register has not been reset, the microcontroller decrements it, proceeds to wait for the signal at the output of the delay line, after the signal arrives, returns to the analysis of the contents of the repeat register;
if the repeat register is reset, the microprocessor opens the key 16, closes the key 15,
allows the count and overflow signals of the counter-divider 14;
increments drive registers;
again proceeds to waiting for the signal at the output of the counter-divider 14.
Принимая сигнал "ПУСК", микроконтроллер 13 производит следующие действия:
- запускает встроенный таймер;
- выполняет подпрограмму чтения АЦП;
- анализирует наличие команды "СТОП" от оператора, если команда поступила, возвращается в режим диалога для корректировки параметров измерения;
- если команда "СТОП" отсутствует, проверяет флаг окончания цикла, если флаг сброшен, возвращается к анализу команды "СТОП";
- если флаг установлен, производит его сброс;
- анализирует, все ли неоднородности, заданные оператором, обработаны, если измерены параметры всех неоднородностей, то производит аппаратный сброс микроконтроллера 12, переходит к обработке базы измеренной информации, рассчитывает потери на отражение, значение отраженной мощности, расстояния до места расположения для всех неоднородностей, переходит к диалогу с оператором и выводу информации на индикатор;
- если не все заданные неоднородности обработаны, то формирует новые данные для микроконтроллера 12, выставляет модифицированный код на входах счетчика-делителя частоты 14;
- производит аппаратный сброс микроконтроллера 12.Receiving the signal "START", the microcontroller 13 performs the following actions:
- starts the built-in timer;
- Performs the ADC reading routine;
- analyzes the presence of the "STOP" command from the operator; if a command is received, it returns to the dialogue mode to adjust the measurement parameters;
- if the “STOP” command is absent, checks the flag for the end of the cycle, if the flag is cleared, returns to the analysis of the “STOP” command;
- if the flag is set, it is reset;
- analyzes whether all the heterogeneities specified by the operator are processed, if the parameters of all the heterogeneities are measured, then performs a hardware reset of the microcontroller 12, proceeds to the processing of the measured information base, calculates the reflection loss, the reflected power value, the distance to the location for all heterogeneities, goes to dialogue with the operator and displaying information on the indicator;
- if not all the specified heterogeneities are processed, it generates new data for the microcontroller 12, sets a modified code at the inputs of the counter-divider frequency 14;
- produces a hardware reset of the microcontroller 12.
При отработке таймером заданного интервала времени устанавливается соответствующий флаг, вызывающий прерывание основной программы микропроцессора 13. При этом микропроцессор:
- формирует сигнал внешнего прерывания микроконтроллера 12;
- производит чтение накопительных регистров микроконтроллера 12, в которых хранится количество импульсов, отраженных от заданной неоднородности, накопленных за заданный таймером интервал времени;
- устанавливает флаг окончания цикла;
- восстанавливает содержимое регистров встроенного таймера;
- возвращается в основную программу.When the timer works out the specified time interval, the corresponding flag is set, causing the main program of the microprocessor 13 to be interrupted. In this case, the microprocessor:
- generates an external interrupt signal of the microcontroller 12;
- reads the accumulative registers of the microcontroller 12, which stores the number of pulses reflected from a given heterogeneity, accumulated over a specified time interval;
- sets the flag to end the cycle;
- restores the contents of the registers of the built-in timer;
- returns to the main program.
Микропроцессор 12 при поступлении сигнала внешнего прерывания переходит к подпрограмме его обработки:
- блокирует счетчик-делитель частоты 14;
- передает содержимое накопительных регистров в микроконтроллер 13;
- переходит в режим малого энергопотребления.The microprocessor 12 upon receipt of an external interrupt signal proceeds to its processing subroutine:
- blocks the counter-divider frequency 14;
- transfers the contents of the accumulation registers to the microcontroller 13;
- goes into low power mode.
Эпюры сигналов в узлах устройства представлены на фиг.4а (для режима калибровки) и 4б (для режима измерений). В режиме калибровки микропроцессор 12 формирует меандр, направляемый на вход формирователя импульсов 1, который укорачивает передний фронт и формирует короткий импульс тока накачки полупроводникового источника излучения 2. Короткие оптические импульсы, пройдя ответвитель 3, вводятся при помощи соединителя 4 в волоконно-оптический тракт (ВОТ) и при помощи соединителя 6 выводятся на оптический вход фотоприемника 7. Фотоприемник преобразует их в электрические импульсы, которые через аналоговый коммутатор 9 поступают одновременно на компаратор 10 и аттенюатор 11. Переключение аналогового коммутатора 9 производится микроконтроллером 13. Компаратор 10 преобразует уровень импульсов в стандартное значение (КМОП либо ТТЛ) и направляет их на вход счетчика-делителя частоты 14. Счетчик-делитель частоты представляет собой набор двоичных счетчиков, имеющих входы для предварительной записи данных и срабатывающих по спаду напряжения на счетном входе. Основным выходом счетчика-делителя частоты является выход переполнения последнего двоичного счетчика. Дополнительным выходом счетчика-делителя 14 является выход многовходового элемента "И" (входящего в состав счетчика-делителя), подключенного к двоичным счетчикам таким образом, что его выход активизируется за один импульс до появления сигнала переполнения. В режиме калибровки в двоичные счетчики, в регистры данных, записывается код, при котором сигнал переполнения появляется при каждом втором счетном импульсе. Дополнительный выход счетчика-делителя 14 подключен к управляющему входу аналогового ключа 17. Как следует из эпюр на фиг.4а, в режиме калибровки ключ 17 выделяет каждый второй импульс, который поступает на вход расширителя импульсов от фотоприемника 7. Расширитель импульсов снижает требования по быстродействию аналого-цифрового преобразователя 20, преобразующего амплитуду импульса в цифровой код. Амплитуда импульсов пропорциональна оптической мощности на выходном полюсе волоконно-оптического тракта (с учетом затухания, вносимого аттенюатором 11). Значение мощности на выходном полюсе необходимо для расчета потерь на отражение по формуле (1). Plots of signals in the nodes of the device are presented in figa (for calibration mode) and 4b (for measurement mode). In calibration mode, microprocessor 12 forms a meander directed to the input of pulse former 1, which shortens the leading edge and forms a short pulse of the pump current of the
В режиме измерений при помощи микроконтроллера 12, формирователя 1 и источника излучения 2 формируется одиночный оптический импульс (сигнал "ПУСК"), направляемый в ВОТ. Излучение обратного рассеяния из волоконно-оптического тракта при помощи ответвителя 3 направляется на оптический вход фотоприемника 8. При помощи аналогового коммутатора 9 микроконтроллер 13 подключает выход фотоприемника 8 к входам компаратора 10 и аттенюатора 11. На эпюрах, представленных на фиг.4б, рассмотрен пример, в котором на фотоприемник 8 поступают отраженные импульсы от входного торца, двух локальных неоднородностей и от выходного торца ВОТ. Счетчик-делитель 14 настроен на выделение третьего по порядку импульса (с учетом того, что первый импульс всегда отражается от входного торца ВОТ, выделяется импульс от второй локальной неоднородности). Дополнительный выход счетчика-делителя 14 подключен к управляющему входу аналогового ключа 17. Как следует из эпюр, ключ открывается задним фронтом импульса от предыдущей неоднородности и закрывается задним фронтом импульса от измеряемой неоднородности. При этом сигнал, отраженный от измеряемой неоднородности, пропускается через ключ на вход расширителя импульсов 18. На выходе расширителя импульсов при помощи АЦП 20 производится измерение его амплитуды. Импульс на основном выходе счетчика-делителя частоты обнаруживается микроконтроллером 12 в течение трех машинных тактов. После обнаружения импульса на основном выходе счетчика-делителя микроконтроллер блокирует счетчик-делитель частоты 14, запрещая режим счета. Затем анализирует, куда этот импульс направить. Если возможны появления других импульсов от неоднородностей волоконно-оптического тракта, вызванные сигналом "ПУСК", то этот импульс задерживается в линии задержки 19, для этого ключ 16 должен быть закрыт, а ключ 15 открыт. Количество повторов прохождения линии задержки 19 определяется содержимым регистра повторов, которое задается микроконтроллером 13, и зависит от длины ВОТ (должна быть больше удвоенного значения времени распространения сигнала по волоконно-оптическому тракту). После того как необходимый интервал времени задержки достигнут, микроконтроллер 12:
- открывает ключ 16 для прохождения сигнала на вход формирователя импульсов 1 для формирования нового измерительного оптического импульса;
- разрешает режим счета счетчика-делителя частоты 14 для приема следующей партии отраженных импульсов;
- производит инкремент регистров накопителей импульсов от заданной неоднородности ВОТ;
- переходит в режим ожидания нового импульса на основном выходе счетчика-делителя частоты 14.In the measurement mode using the microcontroller 12, the
- opens the key 16 for the passage of the signal to the input of the
- allows the counting mode of the counter-divider frequency 14 to receive the next batch of reflected pulses;
- produces an increment of the registers of pulse accumulators from a given heterogeneity of the BOT;
- goes into standby mode of a new pulse at the main output of the counter-divider frequency 14.
Итак, процесс измерения волоконно-оптического тракта состоит из следующих стадий:
1. Настройка на локальную неоднородность из заданного диапазона.So, the process of measuring the fiber optic path consists of the following stages:
1. Tuning for local heterogeneity from a given range.
2. Инициализация автоколебательного процесса. Период автоколебаний определяется квазипостоянной задержкой измерительного сигнала в узлах устройства: фотоприемнике 8, коммутаторе 9, компараторе 10, счетчике-делителе частоты 14, линии задержки 19 (n раз), ключе 15 (n-1 раз), ключе 16, формирователе импульсов 1, источнике излучения 2, в подводящих оптических шнурках, соединяющих выход источника излучения 1, ответвитель 3, оптический вход фотоприемника 8 и оптический соединитель 4 и переменной величиной задержки, связанной со временем распространения измерительного оптического сигнала до места локальной неоднородности. Период автоколебательного процесса, таким образом, определяет расстояние до места расположения неоднородности. 2. Initialization of the self-oscillating process. The self-oscillation period is determined by the quasi-constant delay of the measuring signal in the device nodes: photodetector 8, switch 9,
3. В каждом периоде автоколебательного процесса происходит измерение сигнала на выходе расширителя импульсов 19, определяющего сигнал френелевского отражения от места расположения неоднородности. 3. In each period of the self-oscillating process, a signal is measured at the output of the pulse expander 19, which determines the Fresnel reflection signal from the location of the inhomogeneity.
4. После срабатывания таймера, определяющего период накопления, в накопительных регистрах содержится информация о месте расположения неоднородности. Выходной сигнал АЦП определяет потери на отражение от неоднородности и уровень отраженной оптической мощности. 4. After the timer is activated, which determines the accumulation period, the accumulation registers contain information about the location of the heterogeneity. The ADC output determines the reflection loss from the heterogeneity and the level of reflected optical power.
5. Если заданный диапазон неоднородностей обработан не полностью, то происходит настройка на следующую неоднородность из заданного диапазона. 5. If the specified heterogeneity range is not fully processed, then the next heterogeneity from the specified range is tuned.
6. Если все неоднородности обработаны, то производится вывод информации на индикатор в диалоговом режиме с оператором. 6. If all the heterogeneities are processed, then the information is displayed on the indicator in dialogue with the operator.
Произведем оценку характеристик предложенного устройства. We evaluate the characteristics of the proposed device.
Как было отмечено ранее, период автоколебательного процесса при обработке каждой неоднородности состоит из двух составляющих:
T = ty+2•τ, (2)
где ty - задержка оптического сигнала в узлах устройства;
τ - задержка оптического сигнала в измеряемом ВОТ.As noted earlier, the period of the self-oscillating process during the processing of each heterogeneity consists of two components:
T = t y + 2 • τ, (2)
where t y is the delay of the optical signal in the nodes of the device;
τ is the delay of the optical signal in the measured BOT.
Известно, что задержка оптического сигнала в волокне определяет его длину по формуле:
L = c•τ/nc, (3)
где с - скорость света в вакууме;
nc - показатель преломления сердцевины волокна оптического кабеля ВОТ.It is known that the delay of the optical signal in the fiber determines its length according to the formula:
L = c • τ / n c , (3)
where c is the speed of light in vacuum;
n c is the refractive index of the fiber core of the optical fiber cable.
Перепишем формулу (2) в следующем виде:
Подставляя формулу (4) в (3), получим:
Таким образом, по периоду следования импульсов автоколебаний можно рассчитать расстояние до места неоднородности. Эту задачу решает микроконтроллер 13.We rewrite formula (2) as follows:
Substituting the formula (4) in (3), we obtain:
Thus, by the period of the self-oscillation pulses, the distance to the place of heterogeneity can be calculated. This problem is solved by the microcontroller 13.
Исходными данными для расчета периода автоколебаний являются следующие данные:
- число накопленных импульсов в накопительных регистрах микроконтроллера 12 в момент срабатывания встроенного в микроконтроллер 13 таймера;
- период времени, на который настроен таймер Тн.The initial data for calculating the period of self-oscillations are the following data:
- the number of accumulated pulses in the accumulation registers of the microcontroller 12 at the time of operation of the timer built into the microcontroller 13;
- the period of time for which the timer T n .
За время накопления Тн, на которое настроен таймер, будет зарегистрировано N импульсов.During the accumulation time T n , for which the timer is configured, N pulses will be registered.
Период следования импульсов можно найти из формулы:
T=Tн/N (6).The pulse repetition period can be found from the formula:
T = T n / N (6).
С учетом (6) перепишем формулу (4) в следующем виде:
.In view of (6), we rewrite formula (4) as follows:
.
Произведем оценку разрешающей способности измерения расстояния до места расположения неоднородности. Приращение задержки оптического сигнала, соответствующее увеличению числа накопленных импульсов на один импульс, можем найти из формулы:
С учетом (3) разрешение по расстоянию можно найти из формулы
где с - скорость света в вакууме;
nc - показатель преломления сердцевины оптического волокна;
Тн - период накопления;
N - количество накопленных импульсов.Let us evaluate the resolution of measuring the distance to the location of the heterogeneity. The delay increment of the optical signal corresponding to the increase in the number of accumulated pulses per pulse can be found from the formula:
Taking into account (3), the distance resolution can be found from the formula
where c is the speed of light in vacuum;
n c is the refractive index of the core of the optical fiber;
T n - accumulation period;
N is the number of accumulated pulses.
Подставим значения параметров в формулу (9) для конкретного примера. Для этого зададимся следующими значениями:
- длина оптического волокна L=2 км;
- время задержки сигнала в узлах устройства должно быть больше удвоенного значения времени распространения сигнала по волоконно-оптическому тракту, пусть ty=25 мкс;
- показатель преломления сердцевины оптического волокна nс=1,4561;
- время накопления Тн=30 с.We substitute the parameter values into formula (9) for a specific example. To do this, we set the following values:
- the length of the optical fiber L = 2 km;
- the delay time of the signal in the nodes of the device should be more than double the value of the propagation time of the signal along the fiber optic path, let t y = 25 μs;
- the refractive index of the core of the optical fiber n with = 1.4561;
- accumulation time T n = 30 s.
Пусть коэффициент преломления сердцевины оптического волокна nc=1,4561, тогда задержка оптического сигнала в волокне будет равна τ=2L/(с•nc)= 4000/(3•108•1,5)=9,15688025 мкс.Let the refractive index of the core of the optical fiber be n c = 1.4561, then the delay of the optical signal in the fiber will be τ = 2L / (s • n c ) = 4000 / (3 • 10 8 • 1.5) = 9.15688025 μs.
Период следования импульсов Т= (9,15688025+25)мкс=34,15688025 мкс. За время Тн=30 с будет накоплено N=Тн/Т=878300 импульсов.The pulse repetition period T = (9.15688025 + 25) μs = 34.15688025 μs. During the time T n = 30 s, N = T n / T = 878300 pulses will be accumulated.
Если регистры-накопители зарегистрируют на один импульс больше, т.е. 878301 импульсов, то это будет соответствовать периоду следования, равному Т= Тн/N= 34,15685511 мкс. Отсюда приращение задержки сигнала в оптическом волокне составит Δτ=0,00002514 мкс, что соответствует длине волокна - 0,0528 м. Таким образом, разрешающая способность предложенного измерителя при длине оптического волокна 2000 м составит - 5,28 см.If the drive registers register one more pulse, i.e. 878301 pulses, then this will correspond to the repetition period equal to T = T n / N = 34.15685511 μs. Hence, the delay increment of the signal in the optical fiber will be Δτ = 0.00002514 μs, which corresponds to a fiber length of 0.0528 m. Thus, the resolution of the proposed meter with an optical fiber length of 2000 m will be 5.28 cm.
Точность измерения расстояния до места расположения оптических неоднородностей будет определяться стабильностью значения показателя преломления по длине оптического волокна, стабильностью кварцевых тактовых генераторов и задержек сигналов в узлах рефлектометра. С учетом возможных погрешностей параметров формулу (7) для расчета задержки оптического сигнала в оптическом волокне можем представить следующим образом:
Отсюда можно выделить выражение для погрешности времени задержки оптического сигнала в оптическом волокне:
Определим значения параметров для рассмотренного выше примера, задаваясь стабильностью кварцевых тактовых генераторов δ=10-8 и нестабильностью задержки в микросхемах, равной 0,2 нс. Будем также учитывать отсутствие корреляционной связи между нестабильностью кварцевых генераторов микроконтроллеров 12 и 13 и нестабильностью задержек в узлах рефлектометра. Можно показать, что для рассмотренного случая погрешность измерения времени задержки составит 0,2 нс, что соответствует длине оптического волокна 40 см.The accuracy of measuring the distance to the location of optical inhomogeneities will be determined by the stability of the refractive index along the length of the optical fiber, the stability of quartz clock oscillators and signal delays at the nodes of the reflectometer. Taking into account possible parameter errors, formula (7) for calculating the delay of an optical signal in an optical fiber can be represented as follows:
From this we can single out the expression for the error in the delay time of the optical signal in the optical fiber:
We determine the parameter values for the example considered above, setting the stability of the crystal oscillators δ = 10 -8 and the instability of the delay in microcircuits equal to 0.2 ns. We will also take into account the absence of a correlation between the instability of the crystal oscillators of microcontrollers 12 and 13 and the instability of delays at the nodes of the OTDR. It can be shown that for the case under consideration, the error in measuring the delay time will be 0.2 ns, which corresponds to an optical fiber length of 40 cm.
Источники информации
1. Метод и устройство для оптической рефлектометрии волокон во временной области. GB патент 2167261 А, G 01 S 17/10, G 02 B 6/00, 16.11.84.Sources of information
1. Method and device for optical reflectometry of fibers in the time domain. GB Patent 2167261 A, G 01 S 17/10, G 02
2. Положительное решение по заявке 2000127248 от 31.10.2000. 2. A positive decision on the application 2000127248 from 10.31.2000.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002109444A RU2214583C1 (en) | 2002-04-12 | 2002-04-12 | Optical reflectometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002109444A RU2214583C1 (en) | 2002-04-12 | 2002-04-12 | Optical reflectometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2214583C1 true RU2214583C1 (en) | 2003-10-20 |
Family
ID=31989020
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002109444A RU2214583C1 (en) | 2002-04-12 | 2002-04-12 | Optical reflectometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2214583C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2446476C2 (en) * | 2006-12-29 | 2012-03-27 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Fail-safe distributed fibre-optic intrusion detection |
RU2742215C1 (en) * | 2020-06-18 | 2021-02-03 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет» | Anti-interference fibre-optic information transmission system with a reflectometric system of attenuation diagnostics |
-
2002
- 2002-04-12 RU RU2002109444A patent/RU2214583C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2446476C2 (en) * | 2006-12-29 | 2012-03-27 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Fail-safe distributed fibre-optic intrusion detection |
US8947232B2 (en) | 2006-12-29 | 2015-02-03 | Schlumberger Technology Corporation | Fault-tolerant distributed fiber optic intrusion detection |
RU2742215C1 (en) * | 2020-06-18 | 2021-02-03 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет» | Anti-interference fibre-optic information transmission system with a reflectometric system of attenuation diagnostics |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6381011B1 (en) | Optical fault locator | |
WO1988005531A1 (en) | Otdr testing of optical fiber | |
JPH0263176B2 (en) | ||
RU2214583C1 (en) | Optical reflectometer | |
JP2840682B2 (en) | Method and apparatus for measuring strain or temperature of optical waveguide | |
US5801818A (en) | Active reflex optical range finder | |
RU2339929C1 (en) | Optical reflectometer | |
RU136660U1 (en) | OPTICAL REFLECTOMETER | |
RU2357220C2 (en) | Optical reflectometre | |
RU2180436C1 (en) | Device for diagnostics of fiber-optic channels | |
US6912046B2 (en) | Instrument measuring chromatic dispersion in optical fibers | |
JPH0512657B2 (en) | ||
RU2364838C2 (en) | Method for measurement of parametre, action of which at optical sensitive element provides for variation of light intensity, and facility for its realisation | |
JP2757638B2 (en) | Inter-vehicle distance detection device | |
US6989892B2 (en) | Optical fiber propagation time measurement | |
RU44389U1 (en) | OPTICAL INTEGRATING REFLECTOMETER | |
GB2211605A (en) | Optical fibre distributor sensor | |
RU2069335C1 (en) | Method of measuring distance to damaged area of fibre-optic light guide | |
CN215984388U (en) | XOR logic digital optical fiber length measuring system | |
SU1619417A2 (en) | Device for locating damaged point of fibre-optics cable | |
WO2002016901A2 (en) | Instrument measuring chromatic dispersion in optical fibers | |
SU1390807A1 (en) | Device for measuring attenuation of optical cable | |
SU1101766A1 (en) | Device for measuring distance to fibrous light guide damage location | |
EP0514747A2 (en) | Instrument for measuring optical fibre length | |
RU63928U1 (en) | FIBER OPTICAL SENSOR FOR REMOTE MEASUREMENT |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120413 |