CN1681227A - 光时域反射仪的光模块及光时域反射仪以及光纤测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光时域反射仪的光模块及光时域反射仪以及光纤测试方法，所述光时域反射仪的光模块包括脉冲激光器和光接收转换器；所述脉冲激光器用于发射具有恒定光功率的激光脉冲；所述光接收转换器包括用于将光信号转换成电信号的光电转换器、用于对前述电信号进行放大的放大电路和用于将电信号采样转换成数字信号的模数转换器；所述放大电路具有至少两个放大档位和档位切换器，用于实现电信号的动态范围分段放大。本发明可以实现大动态范围的光纤测试。

Description

光时域反射仪的光模块及光时域反射仪以及光纤测试方法

技术领域

本发明涉及光纤测试技术，特别是涉及一种光时域反射仪及其光模块及应用于所述光时域反射仪的光纤测试方法。

背景技术

随着光纤通讯技术的发展，从80年代以来，网络的光纤化一直是世界各国网络发展的主要趋势之一。当前各国的通信网络的构成主要是以光纤网络作为传输基础，而在建设和维护光缆线路时，都要用OTDR(Optical Time DomainReflectometer，光时域反射仪)来进行光纤特性的测试，OTDR也是光纤网络的在线监测***中的核心技术，其动态范围越大，则可监测的距离和范围越大，有利于光缆线路的快速查障和除障。

OTDR工作的基本原理是通过检测脉冲激光在光纤线路上的背向散射光随时间(距离)的能量分布曲线来分析得到光纤的长度、衰减、故障等传输特性，即向被测光纤输入一个光脉冲，当光脉冲沿着光纤线路向前传播的同时，会散射和反射回部分信号，连续高速采样出此信号可得出反映光纤的衰减、故障等特性的曲线。

由于光脉冲信号在传输的过程中要衰减，同时散射和反射回的信号也要衰减，这样光纤的前端由于光传输的距离短，散射回的信号大，光传输的距离越长，散射和反射回的信号就越小。如要研制一个动态范围高达35dB的OTDR，则由于被检测的光脉冲在光纤线路里面传输了一个来回，其衰减实际是双倍的，因此需检测的信号范围至少为70dB，加上光纤起始端连接器有一个大的菲涅耳反射信号等，需测量信号范围一般为80dB以上。要在一定时间内完成这样大动态范围信号的检测，有很高的技术难度。另外，由于目前大功率脉冲激光器可发射最大脉冲宽度一般不能超过20微秒，峰值功率一般不超过200毫瓦，在发射最大光功率条件下，根据瑞利散射计算公式可计算出光纤中散射回的光信号功率最大值约为-30dBm，减去70dB后，则要检测的最小光信号功率约为-100dBm，要检测如此微弱的光信号，也有很高的技术难度。

一种现有技术可以参阅申请人为华为技术有限公司、专利申请号为00107854.2、公告日为2003年7月2日、名称为“用于高动态范围的光时域反射仪的光模块”的发明专利(图1参照)。

所述现有技术通过控制脉冲激光发射器发射的激光脉冲能量大小，以及对光纤实现分段测量的方法来实现OTDR高动态范围的测试。所述脉冲激光发射器由顺序连接的放大器11、可分别选择导通的若干组模拟开关12和脉冲激光产生器13组成。在测量离OTDR距离较近的整个光纤的前面段时，由于其散射和反射回来的信号较强这时控制脉冲激光器中的若干组模拟开关12里的开关a导通，发射较小能量的激光脉冲进行测试；在测量离OTDR距离适中的整个光纤的中间段时，由于其散射和反射回来的信号强度适中，这时控制若干组模拟开关12里的开关a、b导通，发射中等能量的激光脉冲进行测试；而在测量离OTDR距离较远的整个光纤的后面段时，就控制若干组模拟开关12里的开关a，b，c都导通，以便发射最大激光脉冲能量进行测试，尽可能地提高其散射和反射回来的信号强度。最后，将上述三段分别测试的结果拼接起来，即可得到整个光纤的传输特性。

所述现有技术可以用于高动态范围的OTDR，但是其不足之处在于测试结果的利用率较低，间接地降低了动态范围。由于现有技术通过发射不同能量的光脉冲得到三个测试结果，最后将三段测试结果进行拼接，使得每个测试结果只利用到了原来的1/3的有效数据。从OTDR原理来讲，就是测试的平均次数被降低到原来的1/3。而这个测试平均次数与动态范围密切相关。平均次数(平均时间)与信噪比提高量之间的关系可用下式表示：

$\mathrm{Gain}=51g\sqrt{\frac{N_2}{N_1}}$

N1和N2分别为不同的平均次数，因而，由于测试的平均次数被降低到原来的1/3，导致动态范围被减小。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种提高平均次数以实现高动态范围光纤测试的光时域反射仪的光模块及光时域反射仪以及光纤测试方法。

为此，本发明解决技术问题的技术方案是：提供一种光时域反射仪的光模块，包括脉冲激光器和光接收转换器；所述光接收转换器包括用于将光信号转换成电信号的光电转换器、用于对前述电信号进行放大的放大电路和用于将电信号采样转换成数字信号的模数转换器；所述脉冲激光器用于发射具有恒定光功率的激光脉冲；所述放大电路具有至少两个放大档位和档位切换器，用于实现电信号的动态范围分段放大。

其中，所述档位切换器是可分别选择导通的若干组开关。

其中，所述放大电路包括电流电压转换电路和电压放大电路。

其中，所述放大电路还包括模数转换器的缓存器。

其中，所述至少两个放大档位是第一脉宽放大档位、第二脉宽第一电流放大档位和第二脉宽第二电流放大档位。

本发明还提供一种光时域反射仪，包括前述的光模块、控制单元和数据处理单元；所述控制单元用于控制光模块的放大电路的档位切换器；所述光模块用于向待测试光纤发射激光脉冲并接收从待测试光纤返回的光信号，在控制单元控制下采用不同的放大档位将所述光信号分段放大并转换为数字信号；所述数据处理单元用于接收光模块输出的数字信号，并根据所述数字信号分析待测试光纤的特性。

其中，所述控制单元和数据处理单元集成为一体。

本发明还提供一种光纤测试方法，应用于前述光时域反射仪；包括步骤：

1)脉冲激光器向待测试光纤发射恒定光功率的激光脉冲；

2)光接收转换器的光电转换器接收所述激光脉冲在待测试光纤内传输时返回的光信号，将其转换为电流信号；

3)光接收转换器的放大电路将前述电流信号转换成电压信号，并放大所述电压信号；

4)光接收转换器的模数转换器将前述电压信号采样转换成数字信号；

5)判断是否达到换档点，如果是，则进入步骤6)；如果否，不做任何操作；

6)控制单元控制档位切换器的动作，切换放大电路的放大档位，并返回步骤2)；

7)数据处理单元接收光接收转换器输出的数字信号并生成测试曲线，将包括换档点前后所有数据的测试曲线进行分段拼接，得到完整的测试结果。

其中，所述步骤7)具体包括：采用最小二乘法进行曲线拟合；生成换档前后的换档增量值；将换档后的数据减去换档增量值；生成完整的测试曲线。

其中，还包括控制单元配置分段段数和换档点位置的步骤。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：由于本发明的脉冲激光器始终发射恒定光功率的激光脉冲，每个测试结果可以利用全部的有效数据，因此在最通用的3分钟测试情况下，由于平均次数比现有技术提高3倍，可以提高动态范围1.2dB，能够测试更长距离的光纤。其次，由于针对信号特征进行频率分段和动态范围分段放大，可以使光时域反射仪完成大动态范围的测试。

附图说明

图1是一种现有技术的光时域反射仪的光模块的激光发射器的框图；

图2是本发明光时域反射仪的原理框图；

图3是本发明中的脉冲激光器的组成框图；

图4是本发明中的光接收放大器的原理框图；

图5是图4所示光接收放大器的实施例的组成框图；

图6是本发明光纤测试方法的流程图；

图7是由原始测试数据组成的光纤特性曲线图；

图8是对图7所示曲线进行拼接的示意图；

图9是完整的光纤特性曲线图。

具体实施方式

请参阅图2，是本发明光时域反射仪的原理框图。所述光时域反射仪包括光模块100、数据处理单元200和控制单元300；其中，所述光模块100包括用于通过耦合器30向待测试光纤20发射激光脉冲的脉冲激光器110、用于通过耦合器30接收从待测试光纤20散射和反射回来的光信号并转换成数字信号的光接收转换器120；所述控制单元300用于控制光接收转换器120的档位切换；所述数据处理单元200接收光接收转换器120输出的数字信号并据此对待测试光纤20的特性进行分析。

一般来说，由于光时域反射仪的测试脉冲宽度范围从10ns到20us，其信号频带是从直流到几十兆赫兹；而要使光时域反射仪的动态范围达到40dB，则光接收转换器120中处理的电流的动态范围将达到160dB，也就是说，光接收转换器120处理的电流信号是一个宽频带、大动态范围的信号，必须具有多个放大档位，根据信号特征进行频率分段和动态范围分段放大。

控制单元300可以根据当前光时域反射仪的测试参数(测试范围，测试脉宽，测试精度)以及光接收转换器120的参数，选择分段的段数及各分段点的位置。所述控制单元300既可以采用分立的电路元件组成，也可以采用固化在芯片中的固化软件实现，通过控制接口(如可编程逻辑阵列的寄存器)对换档分段的段数及位置点进行配置。启动测试后，根据控制接口配置的数据，进行光接收转换器120放大档位的动态切换。

需要说明的是，所述控制单元300和数据处理单元200可以采用分立的器件，也可以集成为一体。

请参阅图3，所述脉冲激光器110始终发射恒定的光功率，包括放大器111、MOS管112和脉冲激光产生器113。为了提升平均次数，所述脉冲激光器110优选恒定发射最大的光功率。

其中，MOS管112选用驱动电流大且高速的器件，满足驱动10ns宽度的脉冲，并保证脉冲激光器110能发出最大功率的光。放大器111选用高速、轨到轨输出运放，满足10ns脉冲的带宽和驱动MOS管112的开关。由于各种脉冲激光产生器113的驱动电流不一样，可以通过调整放大器111的放大倍数来调整。

本发明的一个实施例中，放大器111选用TI公司的OPA642，并且在放大器111中设置用于调节其放大倍数的电位器；MOS管112选用IRF7465。

请参阅图4，所述光接收转换器120包括光电转换器121、电流电压转换电路122、电压放大电路123和模数转换器124。所述光电转换器121用于将光信号转换成电流信号；所述电流电压转换器122用于将所述电流信号转换成电压信号；所述电压放大电路123用于对前述电压信号进行放大；所述模数转换器124用于将模拟电压信号转换成数字信号并输入到数据处理单元200进行处理。

所述电流电压转换器122和电压放大电路123组成放大电路，图4所示实施方式中，所述放大电路通过档位切换器切换放大档位，将频率分成窄脉宽信号和宽脉宽信号两段放大，将宽脉宽信号也分成两段放大。

请参阅图5，是光接收转换器120的一个实施例，其中，光电转换器121选用高灵敏度的APD(雪崩光电二极管)探测器；电流电压转换器122选用跨组运放(如OPA655)组成，将APD输出的电流信号转换为电压信号；电压放大电路123选用运放AD8067组成；此外，还采用运放AD8138作为模数转换器124的缓存器，在运放AD8138的输入端加一个电压偏置将信号调整到模数转换器124的输入范围内，该电压偏置值由模数转换器124的输入电平中心值决定。

为了根据信号特征进行频率分段和动态范围分段放大，采用档位切换器(如图5所示的若干组可分别选择导通的开关1231、1232和1233，其中开关1232和1233可以是同一器件)切换电流电压转换器122和电压放大电路123的档位。本实施例中，所述档位分为窄脉宽信号(第一脉宽)放大档、宽脉宽小信号(第二脉宽第一电流)放大档和宽脉宽大信号(第二脉宽第二电流)放大档。其中，窄脉宽信号放大带宽设计为20MHz，宽脉宽放大带宽设计为500KHz；采用宽脉冲测试，但APD转换电流小于100nA时，采用宽脉宽小信号放大档，反之，大于100nA时，采用宽脉宽大信号放大档。所述开关1231、1232和1233可以采用模拟开关。

请参阅图6，是本发明光纤测试方法的流程图。

首先，实施步骤S1，光模块100的脉冲激光器110发射激光脉冲，通过耦合器30耦合进待测试光纤20。

步骤S2，光模块100的光接收转换器120对从待测试光纤20返回的光信号进行处理并输出数字信号。具体包括：所述激光脉冲在待测试光纤20内传输的过程中散射和反射回来的光信号通过耦合器30输入光模块100的光电转换器121，光电转换器121将光信号转换成电流信号；所述电流信号经电流电压转换电路122和电压放大电路123输入到高速模数转换器124，模数转换器124对输入的电压信号进行采样并转换为数字信号。

判断是否达到换档点，如是，则进入步骤S3；如否，则不进行任何操作。

步骤S3，为了实现光时域反射仪高动态范围的测试，本发明采用控制单元300在换档点对电流电压转换电路122和电压放大电路123的放大档位进行切换。

控制单元300可以根据当前光时域反射仪的测试参数(测试范围，测试脉宽，测试精度)以及光接收转换器120的参数，选择分段的段数及各换档点的位置。

换档点的位置采用它距离起始位置的数据点数目来表示，换档点的距离L(单位：米)与换档点距离起始位置的数据点数目M(单位：个)之间的关系为：

L＝Res×M

$\mathrm{Res}=\frac{c\×\frac{\mathrm{DS}}{10000}\×{10}^{-10}}{\frac{\mathrm{GI}}{100000}}=\frac{C\×\mathrm{DS}}{\mathrm{GI}\×{10}^9}$

其中，C代表光在真空中的传播速率(299792458米/秒)；DS代表SR4731协议中的Data Spacing字段(SR-4731 Issuel，February 2000，TelcordiaTechnologies，Inc)，表示10000个数据点的光传播时间，单位为100pSec，即10^-10秒；GI代表SR4731协议中的Group Index字段，表示光纤的折射率，扩大了100000倍，例如当GI为146800时，相当于光纤的折射率为1.46800；Res代表测试精度，表示测试数据的采样点间隔的距离。

步骤S4，数据处理单元200收集光接收转换器120输出的数字信号，将包括换档前后所有数据的一条测试结果曲线进行分段拼接，得到完整的测试结果。

请参阅图7，所示曲线是选用了具有三档选择的放大电路，数据处理单元200采集到的原始数据，可以看出，数据在点A与点B处发生了跳变。跳变的原因是测试过程中，在采样点A，B处切换了放大电路的档位。

根据放大电路的换档延时特征，数据处理单元200能够知道从换档点开始的多少个数据点内，数据是不可靠的。例如，放大电路换档延时需要Delay(单位ns)，则不可靠的数据点数N为：

$\frac{10000}{\mathrm{DS}\×{10}^{-10}}=\frac{N}{\mathrm{Delay}\×{10}^{-9}}\⇒N=\frac{\mathrm{Delay}\×{10}^5}{\mathrm{DS}}$

参阅图8，当得到换档点距起始点的数据点数M，不可靠数据点数N后，进行数据拼接。

在M点前选择Z个数据点，Z的大小为本次测试数据的衰减盲区所拥有的点数。根据最小二乘法拟合曲线的原理，得到拟合线L1。

在M+N点后选择Z个点，同样，根据最小二乘法拟合曲线的原理，得到拟合线L2。

界定起始点M，不可靠点结束位置M+N，用直线标出，分别为图8中的L3，L5。并且界定出L3，L5的中间线L4。

在L3，L4区间内的不可靠点，依据L1的线性关系，生成新的预期值，它在C点处的预期值为ExpC。

在L4，L5区间内的不可靠点，依据L2的线性关系，生成新的预期值，它在D点处的预期值为ExpD。

计算出C，D两点处的预期值ExpC与ExpD的差DeltaCD。DeltaCD即为放大电路的换档增量值。

将数据点A之后的所有数据的值减去DeltaCD。

对于存在多个换档点的数据，进行多次处理即可完成。

拟合拼接后的数据曲线图如图9所示，即为高动态范围的测量曲线。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种光时域反射仪的光模块，包括脉冲激光器和光接收转换器；所述光接收转换器包括用于将光信号转换成电信号的光电转换器、用于对前述电信号进行放大的放大电路和用于将电信号采样转换成数字信号的模数转换器；其特征在于：所述脉冲激光器用于发射具有恒定光功率的激光脉冲；所述放大电路具有至少两个放大档位和档位切换器，用于实现电信号的动态范围分段放大。

2、根据权利要求1所述的光时域反射仪的光模块，其特征在于：所述档位切换器是可分别选择导通的若干组开关。

3、根据权利要求2所述的光时域反射仪的光模块，其特征在于：所述放大电路包括电流电压转换电路和电压放大电路。

4、根据权利要求3所述的光时域反射仪的光模块，其特征在于：所述放大电路还包括模数转换器的缓存器。

5、根据权利要求1所述的光时域反射仪的光模块，其特征在于：所述至少两个放大档位是第一脉宽放大档位、第二脉宽第一电流放大档位和第二脉宽第二电流放大档位。

6、一种光时域反射仪，其特征在于：包括如权利要求1至5任一项所述的光模块、控制单元和数据处理单元；所述控制单元用于控制光模块的放大电路的档位切换器；所述光模块用于向待测试光纤发射激光脉冲并接收从待测试光纤返回的光信号，在控制单元控制下采用不同的放大档位将所述光信号分段放大并转换为数字信号；所述数据处理单元用于接收光模块输出的数字信号，并根据所述数字信号分析待测试光纤的特性。

7、根据权利要求6所述的光时域反射仪，其特征在于：所述控制单元和数据处理单元集成为一体。

8、一种光纤测试方法，应用于前述光时域反射仪；其特征在于，包括步骤：

1)脉冲激光器向待测试光纤发射恒定光功率的激光脉冲；

2)光接收转换器的光电转换器接收所述激光脉冲在待测试光纤内传输时返回的光信号，将其转换为电流信号；

3)光接收转换器的放大电路将前述电流信号转换成电压信号，并放大所述电压信号；

4)光接收转换器的模数转换器将前述电压信号采样转换成数字信号；

5)判断是否达到换档点，如果是，则进入步骤6)；如果否，不做任何操作；

6)控制单元控制档位切换器的动作，切换放大电路的放大档位，并返回步骤2)；

7)数据处理单元接收光接收转换器输出的数字信号并生成测试曲线，将包括换档点前后所有数据的测试曲线进行分段拼接，得到完整的测试结果。

9、根据权利要求8所述的光纤测试方法，其特征在于，所述步骤7)具体包括：采用最小二乘法进行曲线拟合；生成换档前后的换档增量值；将换档后的数据减去换档增量值；生成完整的测试曲线。

10、根据权利要求8所述的光纤测试方法，其特征在于，还包括控制单元配置分段段数和换档点位置的步骤。

Images