光纖尋障儀及其使用方法
【專利摘要】本發明涉及一種光纖尋障儀及其使用方法，所述光纖尋障儀包括依次相連的ARM控制器、現場可編程門陣列、法布里-珀羅脈沖激光器、光環行器，光環行器的第二個端口與待測光纖相連，光環行器的第三個端口與雪崩光電二極管、信號調理模塊、現場可編程門陣列依次相連。本發明便攜性好、定位精度高，能快速精確的檢測出光纖光纜故障點的位置。
【專利說明】光纖尋障儀及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光通信測試儀表領域，更確切的說，是涉及一種光纖尋障儀。
【背景技術】
[0002]伴隨著我國城市化的不斷推進，由道路和橋梁建設、管道鋪設以及人為破壞等因素導致的光纜故障越來越多，加之早期鋪設的光纜日益老化、故障頻發，傳統的故障定位方式耗時長、使用不便、定位精度低，通過對光纖網絡進行監測分析從而快速排查故障，縮短故障恢復時間，對電信業有著越來越高的價值。
[0003]光纖鏈路中不可避免的存在一些故障點，有些熔接點會帶來較大衰減；外界應力會引起光纖的過度彎曲導致模場不匹配，并損失光功率；活動連接器沒有充分對準也會帶來較大損耗；光纖中的斷裂面會導致折射率不匹配而產生較強的菲涅爾反射。光纜故障定位的原理是將高功率窄脈沖光信號注入到待測光纖光纜中，如果光纖中存在熔接點、活動連接器、斷裂面、彎曲或尾端時，就會產生背向散射并返回到輸入端，在光纖輸入端檢測到的回波脈沖信號出現的時刻與光纖中各個故障事件點的位置一一對應，因此故障事件點的位置可通過發送脈沖與接收脈沖的間隔時間求出。
[0004]目前被廣泛使用的OTDR(光時域反射儀)成本高、體積大，用戶難以承受，光纖尋障儀作為OTDR的簡化版在工程上有更廣闊的市場應用前景。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種便攜性好、定位精度高的長距離光纖尋障儀及其使用方法，本發明能通過強大的分析方法快速精確的檢測出光纖光纜故障點的位置。
[0006]為解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的:光纖尋障儀，包括依次相連的ARM控制器、現場可編程門陣列、法布里-珀羅脈沖激光器、光環行器，光環行器的第二個端口與待測光纖相連，光環行器的第三個端口與雪崩光電二極管、信號調理模塊、現場可編程門陣列依次相連。
[0007]所述的光纖尋障儀，信號調理模塊包括依次相連的前置放大電路、模數轉換電路，前置放大電路與雪崩光電二極管相連，模數轉換電路與現場可編程門陣列相連。
[0008]所述的光纖尋障儀，現場可編程門陣列與法布里-珀羅脈沖激光器之間接有激光器驅動電路，雪崩光電二極管接有偏壓控制電路。
[0009]所述的光纖尋障儀，ARM控制器接有液晶觸摸顯示屏。
[0010]所述的光纖尋障儀，整個光纖尋障儀由電源管理模塊提供電源。
[0011]所述的光纖尋障儀，現場可編程門陣列采用型號為EP4CE15F17C8N的芯片，其上設有RS232、AS (主動配置)、JTAG端口，并與ARM控制器(型號為STM32)和高速晶振(頻率50MHz)相連。
[0012]所述的光纖尋障儀，前置放大電路包括相連的光電轉換電路和微分電路，光電轉換電路與雪崩光電二極管相連，微分電路與模數轉換電路相連，模數轉換電路采用高速比較器。
[0013]所述的光纖尋障儀，激光器驅動電路包括相連的開關電路(芯片型號為IC-HK)和保護電路，開關電路與法布里-珀羅脈沖激光器相連。
[0014]光纖尋障儀的使用方法，現場可編程門陣列產生多種脈寬的電脈沖信號觸發激光器驅動電路，使法布里-珀羅脈沖激光器發出特定寬度的脈沖光，然后由環形器注入到待測光纖，經后向散射回來的光信號由雪崩光電二極管將光信號轉換為電信號，完成背向光信號的接收，電信號的電流經過光電轉換電路進行電流-電壓轉換，然后經過微分電路放大信號的突變，通過高速比較器將輸入的模擬信號轉換成回波脈沖數字信號供現場可編程門陣列檢測，現場可編程門陣列計算從發出脈沖至接收到回波脈沖的間隔時間，間隔時間對應著故障點的位置。
[0015]所述的方法，現場可編程門陣列確定故障點位置的方法包括:現場可編程門陣列根據信號回波脈沖出現時刻的重復性以及噪聲出現時刻的隨機性進行去噪處理，然后進行位置計算；
[0016]去噪處理的方法:現場可編程門陣列的高速計數器從其發送端發送電脈沖信號時開始計數，得到各個回波脈沖的延時，將檢測到的各個回波脈沖的延時存儲起來；然后再發送多次脈沖信號，重復多次之前的定時和存儲過程，假設某個故障點回波脈沖對應的延時區間出現的次數為C，而噪聲回波脈沖由于具有隨機性，所以出現的時刻分布非常零散，在對應的各個區間累加的結果遠小于C，根據這一方法去噪后提取出故障點的回波脈沖；
[0017]根據故障點回波脈沖計算故障位置的方法:設現場可編程門陣列的高速計數器每次計數的時間間隔為t，回波脈沖的雙向延時delay與脈沖檢測模塊的計數器的計數值Interval的關系按下式確定:
[0018]delay = t.Interval
[0019]則故障點的位置L與回波脈沖的雙向延時delay的關系如下式所示:
r c ■ del αν
[0020]L =--
2 η
[0021]式中c是光速，η是待測光纖折射率；
[0022]由此即得到故障點位置L。
[0023]本發明的優點在于:本發明的電源模塊具有鋰電池充電管理功能，儀器有更長的續航時間；動態范圍達到80km,能同時實現對反射和非反射故障事件的定位,定位精度高，性能可靠，重復性好，一鍵式操作，單次測量可檢測到多達8個故障點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的系統框圖。
[0025]圖2為本發明的電路框圖。
【具體實施方式】
[0026]本發明包括:ARM控制器、FPGA、法布里-珀羅脈沖激光器、雪崩光電二極管、信號調理模塊、液晶觸摸顯示屏、光環行器和電源管理模塊，所述FPGA產生窄脈寬周期性脈沖信號驅動法布里-珀羅脈沖激光器，經所述的光環行器注入待測光纖，由所述的雪崩光電二極管完成后向散射光的光電轉換，并經過所述的信號調理模塊對電信號進行放大、微分、模數轉換，并由所述FPGA完成對后向散射脈沖的采集和數據處理，將故障定位結果發送給所述ARM控制器，并由所述的液晶觸摸顯示屏完成人機交互。所述的電源模塊具有鋰電池充電管理功能，續航時間長。本發明通過法蘭與待測光纖連接，實現單端無損測量，多達八點顯示，測量速度快，攜帶方便，性能可靠，重復性好。
[0027]本發明的原理是:FPGA產生多種脈寬的電脈沖信號(脈寬有20ns、40ns、100ns、lusUOusUOOus)觸發脈沖激光器驅動電路，使法布里-珀羅脈沖激光器發出特定寬度的脈沖光，然后由環形器注入到待測光纖，經后向散射回來的光信號由APD雪崩光電二極管將光信號轉換為電信號，完成背向光信號的接收，光電流經過高帶寬光電轉換電路進行電流-電壓轉換，然后經過微分電路放大信號的突變，通過高速比較器將輸入的模擬信號轉換成數字信號供FPGA檢測，FPGA計算從發出脈沖至接收到回波脈沖的間隔時間，間隔時間對應著故障點的位置。
[0028]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細描述:
[0029]參見圖1，圖中的ARM控制器型號為低功耗高性能的STM32F103VCT6，本發明包括:ARM控制器、FPGA、法布里-珀羅脈沖激光器、APD雪崩光電二極管、信號調理模塊、液晶觸摸顯示屏、光環行器和電源模塊，FPGA產生不同脈寬的電脈沖信號(脈寬有20ns、40ns、100ns、lus、10us、100us)觸發1550nm脈沖激光器驅動電路，使法布里-珀羅脈沖激光器發出特定寬度的脈沖光，然后由光環行器注入到待測光纖，經后向散射回來的光信號由APD雪崩光電二極管將光信號轉換為電信號，完成背向光信號的接收，光電流經過高帶寬光電轉換電路進行電流-電壓轉換，然后經過微分電路放大信號的突變，通過高速比較器將輸入的模擬信號轉換成數字信號供FPGA檢測，FPGA計算從發出脈沖至接收到回波脈沖的間隔時間，間隔時間對應著故障點的位置。軟件部分進行去噪處理后得到故障點的有效位置信息，FPGA將測試結果通過串口發送給ARM控制器，ARM控制器通過液晶觸摸顯示屏將尋障結果顯不出來。
[0030]參見圖2，為使光纖尋障儀具有大動態范圍，法布里-珀羅脈沖激光器應輸出高峰值功率，本發明采用專用脈沖激光器驅動芯片調制法布里-珀羅脈沖激光器，使其光脈沖峰值功率高于70mW。從遠距離光纖反射回來的待探測信號非常微弱，該信號的脈寬最小僅為20ns，信號調理模塊具有大信噪比和高工作帶寬，微分電路的作用是放大背向散射光信號的突變，光纖尋障儀需要檢測的就是背向散射光強的突變，衰減事件對應著背向散射光強的突然減弱，反射事件則對應著背向散射光強的突然增強。FPGA采用Cyclone IV系列的EP4CE15F17C8N,內核工作頻率為200MHz，采樣間隔僅為5ns，保證不會出現“漏采集”，定位精度非常高。電源模塊采用鋰電池充電管理電路提高儀器的續航時間，并且更加節能環保。
[0031]為適應不同長度光纖鏈路的測試需求，我們采用FPGA輸出6種不同脈寬的光脈沖，分別為20ns、40ns、100ns、Ius、1us、10us。理論上使用高速定時器得到回波脈沖與發送脈沖的延時，就可以根據光纖長度與延時的關系計算得出故障事件點的位置信息，但是經過高速比較器數字化后輸出給FPGA檢測的信號除了信號回波脈沖，還有大量的噪聲回波脈沖，軟件部分去噪處理的思路是:向待測光纖注入多次光脈沖時，信號回波脈沖的出現的時刻具有重復性，而噪聲出現的時刻是完全隨機的。FPGA的高速計數器從發送端發送脈沖開始計數，得到各個回波脈沖的延時，將檢測到的各個回波脈沖的延時存儲起來。然后再發送255個光脈沖，重復255次之前的定時和存儲過程，假設某個信號回波脈沖對應的延時區間出現的次數為C，而噪聲回波脈沖由于具有隨機性，所以出現的時刻分布非常零散，在對應的各個區間累加的結果遠小于C，根據這一算法去噪后可提取出故障點的位置信息。
[0032]本發明已經成功完成了對多種不同長度G.652單模光纖的測試，測量范圍為15m?80km，性能可靠，重復性好，最多同時顯示8個故障點，使用者只需設置待測光纖折射率，測試結果一目了然。
[0033]最后所應說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.光纖尋障儀，其特征在于:包括依次相連的ARM控制器、現場可編程門陣列、法布里-珀羅脈沖激光器、光環行器，光環行器的第二個端口與待測光纖相連，光環行器的第三個端口與雪崩光電二極管、信號調理模塊、現場可編程門陣列依次相連。
2.根據權利要求1所述的光纖尋障儀，其特征在于:信號調理模塊包括依次相連的前置放大電路、模數轉換電路，前置放大電路與雪崩光電二極管相連，模數轉換電路與現場可編程門陣列相連。
3.根據權利要求1所述的光纖尋障儀，其特征在于:現場可編程門陣列與法布里-珀羅脈沖激光器之間接有激光器驅動電路，雪崩光電二極管接有偏壓控制電路。
4.根據權利要求1所述的光纖尋障儀，其特征在于:ARM控制器接有液晶觸摸顯示屏。
5.根據權利要求1所述的光纖尋障儀，其特征在于:整個光纖尋障儀由電源管理模塊提供電源。
6.根據權利要求1?5中任一項所述的光纖尋障儀，其特征在于:現場可編程門陣列采用型號為EP4CE15F17C8N的芯片，其上設有RS232、AS、JTAG端口，并與ARM控制器和高速晶振相連。
7.根據權利要求2所述的光纖尋障儀，其特征在于:前置放大電路包括相連的光電轉換電路和微分電路，光電轉換電路與雪崩光電二極管相連，微分電路與模數轉換電路相連，模數轉換電路采用高速比較器。
8.根據權利要求3所述的光纖尋障儀，其特征在于:激光器驅動電路包括相連的開關電路和保護電路，開關電路與法布里-珀羅脈沖激光器相連。
9.光纖尋障儀的使用方法，其特征在于:現場可編程門陣列產生多種脈寬的電脈沖信號觸發激光器驅動電路，使法布里-珀羅脈沖激光器發出特定寬度的脈沖光，然后由環形器注入到待測光纖，經后向散射回來的光信號由雪崩光電二極管將光信號轉換為電信號，完成背向光信號的接收，電信號的電流經過光電轉換電路進行電流-電壓轉換，然后經過微分電路放大信號的突變，通過高速比較器將輸入的模擬信號轉換成回波脈沖數字信號供現場可編程門陣列檢測，現場可編程門陣列計算從發出脈沖至接收到回波脈沖的間隔時間，間隔時間對應著故障點的位置。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，現場可編程門陣列確定故障點位置的方法包括:現場可編程門陣列根據信號回波脈沖出現時刻的重復性以及噪聲出現時刻的隨機性進行去噪處理，然后進行位置計算； 去噪處理的方法:現場可編程門陣列的高速計數器從其發送端發送電脈沖信號時開始計數，得到各個回波脈沖的延時，將檢測到的各個回波脈沖的延時存儲起來；然后再發送多次脈沖信號，重復多次之前的定時和存儲過程，假設某個故障點回波脈沖對應的延時區間出現的次數為C，而噪聲回波脈沖由于具有隨機性，所以出現的時刻分布非常零散，在對應的各個區間累加的結果遠小于C，根據這一方法去噪后提取出故障點的回波脈沖； 根據故障點回波脈沖計算故障位置的方法:設現場可編程門陣列的高速計數器每次計數的時間間隔為t，回波脈沖的雙向延時delay與脈沖檢測模塊的計數器的計數值Interval的關系按下式確定:
delay = t.Interval 則故障點的位置L與回波脈沖的雙向延時delay的關系如下式所示:T C'del ανL =--
2//式中C是光速，η是待測光纖折射率；由此即得到故障點位置L。
【文檔編號】H04B10/07GK104270192SQ201410484755
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】李恒超, 許昌平, 李曉磊, 錢銀博, 李嬪娉 申請人:武漢光谷互連科技有限公司