一種提高光時域反射計動態范圍的信號檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于測量儀器技術領域，特別涉及一種提高光時域反射計動態范圍的信號檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]光時域反射計(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，同時能檢測和定位光纖鏈路上的事件，如:斷點、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的連續衰減細節。菲涅爾反射是當光入射到折射率不同的兩個媒質分界面處，一部分光被吸收。
[0003]隨著光纖通信技術的發展，光纖的應用日益廣泛，如波分復用(WDM)技術、光控相控陣雷達系統等，產生了形式復雜的光纖系統和拓撲結構，光纖接頭繁多，鏈路結構復雜，對快速而準確地測量光纖特性、定位光纖中的故障點提出了更高的要求。OTDR是目前最普遍采用的光纖檢測技術。1975年，Barnoski和Jensen首次提出后向散射理論[1]。1976年，Personik進一步完善后向散射技術，通過實驗建立了多模光纖的瑞利后向散射功率方程[2]。1980年Brinkmeyer將后向散射技術應用于單模光纖，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的技術指標包括動態范圍、空間分辨率、損耗盲區和事件盲區、損耗分辨率等，這些指標中最關鍵的是動態范圍。在高的動態范圍下，較小的脈寬也能滿足一定距離的測量要求，實現較高的空間分辨率；高的動態范圍意味著較遠距離處的噪聲幅度較小，能夠實現較高的損耗分辨率；高的動態范圍也在一定程度上改善由于盲區帶來的測量干擾。因此，提尚OTDR的動態范圍是提尚OTDR性能指標的重要基礎。通常情況下，非尼爾反射的強度遠大于瑞利后向散射的強度，如采用脈寬為10ns的脈沖時，菲涅爾反射的強度比瑞利后向散射的強度大約強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態范圍。
[0005]參考文獻:
[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.
【發明內容】
[0009](一 )要解決的技術問題
[0010]有鑒于此，本發明的主要目的是提供一種提高光時域反射計動態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度遠大于瑞利后向散射的強度限制檢測系統的動態范圍的問題。
[0011](二)技術方案
[0012]為達到上述目的，本發明提供了一種提高光時域反射計動態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、高模數轉換器6、低模數轉換器7、現場可編程門陣列10、數模轉換器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連接于高模數轉換器6，低電壓放大電路5連接于低模數轉換器7，高模數轉換器6和低模數轉換器7均連接于現場可編程門陣列10，現場可編程門陣列10、數模轉換器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，其內部電流增益是通過調節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輸出的電流轉換為電壓信號。
[0015]上述方案中，所述分頻電路3根據系統需要設計不同階次的分頻電路，將跨阻放大器2轉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度遠小于菲涅爾反射強度，因此低電壓放大電路5的增益應遠大于高電壓放大電路4的增益。
[0017]上述方案中，所述高模數轉換器6和所述低模數轉換器7是根據系統需要來選擇相同或不同型號的模數轉換器，高模數轉換器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，低模數轉換器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，且高模數轉換器6與低模數轉換器7的時鐘信號同步。
[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，并且調節雪崩光電二極管I的內部電流增益，其輸出電壓由數模轉換器9輸出的模擬電壓信號決定。
[0019]上述方案中，所述數模轉換器9由現場可編程門陣列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的內部電流增益。
[0020]上述方案中，所述現場可編程門陣列10為數模轉換器9提供控制信號，為高模數轉換器6和低模數轉換器7提供同步時鐘，同時對高模數轉換器6和低模數轉換器7采集的數據進行數據合并處理。
[0021]為達到上述目的，本發明還提供了一種應用所述的信號檢測裝置提高光時域反射計動態范圍的信號檢測方法，該方法由現場可編程門陣列10控制數模轉換器9的輸出模擬電壓信號，數模轉換器9的輸出模擬電壓信號控制升壓芯片8的輸出電壓，從而調節雪崩光電二極管I的反向偏壓，改變雪崩光電二極管I內部電流增益，進而提高雪崩光電二極管I檢測光信號的動態范圍。
[0022]上述方案中，該方法在檢測較小瑞利后向散射產生的光信號時，設定較大的內部電流增益，輸出較大的電流信號，并且以達到有很高的系統對信噪比的要求。檢測較大菲涅爾反射產生的光信號時，設定較小的內部電流增益，增益倍數比檢測瑞利后向散射時低數十dB，使其輸出電流信號在APD的線性響應范圍之內。
[0023]上述方案中，經過分頻電路3分頻后的高頻模擬信號和低頻模擬信號分別由高模數轉換器6和低模數轉換器7采集，由現場可編程門陣列10提供同步時鐘信號，并對采集的數據進行數據處理，合成高頻信號和低頻信號的采集結果，得到OTDR測試結果。
[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度遠大于瑞利后向散射信號的強度，通常前者大于后者數十dB，因此高電壓放大電路4的增益倍數應遠大于低電壓放大電路5的增益倍數。
[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轉換的電壓信號分為兩路，一路為高頻模擬信號