一種提高光時(shí)域反射計(jì)動(dòng)態(tài)范圍的信號檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種提高光時(shí)域反射計(jì)動(dòng)態(tài)范圍的信號檢測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)是基于菲涅爾反射和瑞利后向散射的測量儀器，可測量光纖長度和光纖鏈路的衰減，同時(shí)能檢測和定位光纖鏈路上的事件，如:斷點(diǎn)、接頭損耗、彎曲損耗等。瑞利散射是半徑比光的波長小很多的微小顆粒對入射光束的散射。瑞利散射在整個(gè)空間中都有功率分布，其中存在沿著光纖軸向向前或向后的散射，通常稱沿軸向向后的瑞利散射為瑞利后向散射，它提供了與光纖長度有關(guān)的連續(xù)衰減細(xì)節(jié)。菲涅爾反射是當(dāng)光入射到折射率不同的兩個(gè)媒質(zhì)分界面處，一部分光被吸收。
[0003]隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖的應(yīng)用日益廣泛，如波分復(fù)用(WDM)技術(shù)、光控相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)等，產(chǎn)生了形式復(fù)雜的光纖系統(tǒng)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，光纖接頭繁多，鏈路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對快速而準(zhǔn)確地測量光纖特性、定位光纖中的故障點(diǎn)提出了更高的要求。OTDR是目前最普遍采用的光纖檢測技術(shù)。1975年，Barnoski和Jensen首次提出后向散射理論[1]。1976年，Personik進(jìn)一步完善后向散射技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)建立了多模光纖的瑞利后向散射功率方程[2]。1980年Brinkmeyer將后向散射技術(shù)應(yīng)用于單模光纖，論證了后向散射功率方程不僅適用于多模光纖，也適用于單模光纖[3]。
[0004]OTDR的技術(shù)指標(biāo)包括動(dòng)態(tài)范圍、空間分辨率、損耗盲區(qū)和事件盲區(qū)、損耗分辨率等，這些指標(biāo)中最關(guān)鍵的是動(dòng)態(tài)范圍。在高的動(dòng)態(tài)范圍下，較小的脈寬也能滿足一定距離的測量要求，實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率；高的動(dòng)態(tài)范圍意味著較遠(yuǎn)距離處的噪聲幅度較小，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的損耗分辨率；高的動(dòng)態(tài)范圍也在一定程度上改善由于盲區(qū)帶來的測量干擾。因此，提尚OTDR的動(dòng)態(tài)范圍是提尚OTDR性能指標(biāo)的重要基礎(chǔ)。通常情況下，非尼爾反射的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于瑞利后向散射的強(qiáng)度，如采用脈寬為10ns的脈沖時(shí)，菲涅爾反射的強(qiáng)度比瑞利后向散射的強(qiáng)度大約強(qiáng)40dB，對于脈沖寬度更短的情況，兩者相差更多。菲涅爾反射信號的頻率接近于系統(tǒng)測試脈沖的頻率，相比于瑞利后向散射信號，為高頻信號。可利用其不同的頻率特性提高信號檢測的動(dòng)態(tài)范圍。
[0005]參考文獻(xiàn):
[0006][1]M.K.Barnoski, S.M.Jensen, Fiber waveguides:A novel technique forinvestigating attenuat1n characteristics，App1.0pt，Vol.15，N0.9，pp.2112—2115，1976.
[0007][2] S.D.Personik，Photon probe-an optical-f iber time-domainreflectometer? Bell syst.Tech.J.，Vol.56，N0.3，pp.355-3661977.
[0008][3]E.Brinkmeyer，Backscattering in single-mode fibers，Electron.Lett，Vol.16，N0.9，pp.329-330，1980.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009](一 )要解決的技術(shù)問題
[0010]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種提高光時(shí)域反射計(jì)動(dòng)態(tài)范圍的信號檢測裝置及方法，以利用菲涅爾反射和瑞利后向散射不同的頻率特性，解決由于菲涅爾反射的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于瑞利后向散射的強(qiáng)度限制檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍的問題。
[0011](二)技術(shù)方案
[0012]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種提高光時(shí)域反射計(jì)動(dòng)態(tài)范圍的信號檢測裝置，該信號檢測裝置包括雪崩光電二極管1、跨阻放大器2、分頻電路3、高電壓放大電路4、低電壓放大電路5、高模數(shù)轉(zhuǎn)換器6、低模數(shù)轉(zhuǎn)換器7、現(xiàn)場可編程門陣列10、數(shù)模轉(zhuǎn)換器9和升壓芯片8，其中，雪崩光電二極管1、跨阻放大器2和分頻電路3依次連接，分頻電路3分別連接于高電壓放大電路4和低電壓放大電路5，高電壓放大電路4連接于高模數(shù)轉(zhuǎn)換器6，低電壓放大電路5連接于低模數(shù)轉(zhuǎn)換器7，高模數(shù)轉(zhuǎn)換器6和低模數(shù)轉(zhuǎn)換器7均連接于現(xiàn)場可編程門陣列10，現(xiàn)場可編程門陣列10、數(shù)模轉(zhuǎn)換器9和升壓芯片8依次連接，且升壓芯片8還連接于雪崩光電二極管I。
[0013]上述方案中，所述雪崩光電二極管I用于檢測光纖瑞利后向散射和菲涅爾反射，其內(nèi)部電流增益是通過調(diào)節(jié)反向偏壓的大小來改變。
[0014]上述方案中，所述跨阻放大器2用于將雪崩光電二極管I輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。
[0015]上述方案中，所述分頻電路3根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)不同階次的分頻電路，將跨阻放大器2轉(zhuǎn)換的電壓信號分為兩路，一路為高頻模擬信號，一路為低頻模擬信號。
[0016]上述方案中，所述高電壓放大電路4用來放大分頻電路3分頻之后的高頻模擬信號，該高頻模擬信號為菲涅爾反射信號；所述低電壓放大電路5用來放大分頻電路3分頻之后的低頻模擬信號，該低頻模擬信號為瑞利后向散射信號。由于瑞利后向散射信號強(qiáng)度遠(yuǎn)小于菲涅爾反射強(qiáng)度，因此低電壓放大電路5的增益應(yīng)遠(yuǎn)大于高電壓放大電路4的增益。
[0017]上述方案中，所述高模數(shù)轉(zhuǎn)換器6和所述低模數(shù)轉(zhuǎn)換器7是根據(jù)系統(tǒng)需要來選擇相同或不同型號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，高模數(shù)轉(zhuǎn)換器6中前端耦合電路的頻率范圍包含菲涅爾反射信號的頻率范圍，低模數(shù)轉(zhuǎn)換器7中前端耦合電路的頻率范圍包含瑞利后向散射的頻率范圍，且高模數(shù)轉(zhuǎn)換器6與低模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的時(shí)鐘信號同步。
[0018]上述方案中，所述升壓芯片8為雪崩光電二極管I正常工作提供高反向偏壓，并且調(diào)節(jié)雪崩光電二極管I的內(nèi)部電流增益，其輸出電壓由數(shù)模轉(zhuǎn)換器9輸出的模擬電壓信號決定。
[0019]上述方案中，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器9由現(xiàn)場可編程門陣列10控制，其輸出模擬電壓信號控制升壓芯片8的輸出電壓，從而決定雪崩光電二極管I的內(nèi)部電流增益。
[0020]上述方案中，所述現(xiàn)場可編程門陣列10為數(shù)模轉(zhuǎn)換器9提供控制信號，為高模數(shù)轉(zhuǎn)換器6和低模數(shù)轉(zhuǎn)換器7提供同步時(shí)鐘，同時(shí)對高模數(shù)轉(zhuǎn)換器6和低模數(shù)轉(zhuǎn)換器7采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)合并處理。
[0021]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用所述的信號檢測裝置提高光時(shí)域反射計(jì)動(dòng)態(tài)范圍的信號檢測方法，該方法由現(xiàn)場可編程門陣列10控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器9的輸出模擬電壓信號，數(shù)模轉(zhuǎn)換器9的輸出模擬電壓信號控制升壓芯片8的輸出電壓，從而調(diào)節(jié)雪崩光電二極管I的反向偏壓，改變雪崩光電二極管I內(nèi)部電流增益，進(jìn)而提高雪崩光電二極管I檢測光信號的動(dòng)態(tài)范圍。
[0022]上述方案中，該方法在檢測較小瑞利后向散射產(chǎn)生的光信號時(shí)，設(shè)定較大的內(nèi)部電流增益，輸出較大的電流信號，并且以達(dá)到有很高的系統(tǒng)對信噪比的要求。檢測較大菲涅爾反射產(chǎn)生的光信號時(shí)，設(shè)定較小的內(nèi)部電流增益，增益倍數(shù)比檢測瑞利后向散射時(shí)低數(shù)十dB，使其輸出電流信號在APD的線性響應(yīng)范圍之內(nèi)。
[0023]上述方案中，經(jīng)過分頻電路3分頻后的高頻模擬信號和低頻模擬信號分別由高模數(shù)轉(zhuǎn)換器6和低模數(shù)轉(zhuǎn)換器7采集，由現(xiàn)場可編程門陣列10提供同步時(shí)鐘信號，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，合成高頻信號和低頻信號的采集結(jié)果，得到OTDR測試結(jié)果。
[0024]上述方案中，所述高電壓放大電路4和所述低電壓放大電路5分別放大菲涅爾反射信號和瑞利后向散射信號，由于菲涅爾反射信號的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于瑞利后向散射信號的強(qiáng)度，通常前者大于后者數(shù)十dB，因此高電壓放大電路4的增益倍數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)大于低電壓放大電路5的增益倍數(shù)。
[0025]上述方案中，該方法選擇不同階次的分頻電路3，將跨阻放大器2轉(zhuǎn)換的電壓信號分為兩路，一路為高頻模擬信號