一种抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量装置及方法与流程

1.本发明涉及光纤测量技术领域，特别是涉及一种抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量装置及方法。


背景技术：

2.现有技术的光纤时延测量方法主要有脉冲测量法、相位测量法和光干涉测量法，其中脉冲测量法可以利用的成熟的tof(飞行时间)测量技术中的时间数字转换电路，使得测量装置简单、成本低，光发射机的脉冲调制信号作为时间数字转换电路的“开始”信号，从被测光纤末端光反射器反射回来的光脉冲信号经光接收机放大后，简单地由比较放大器进行再生，然后作为时间数字转换电路的“停止”信号，比较放大器的比较阈值固定，不随光脉冲信号电平的变化而变化，当被测光纤的衰减有较大变化时，导致“停止”信号的脉冲上升沿不稳定，进行时间测量时出现较大误差。当需要对长达100km的光纤传输线路进行自动、快速、实时、在线方式的光纤时延测量时，由于光纤传输线路衰减是不断随时间、环境发生变化的，接收到的光脉冲测量信号电平也随之变化，导致再生后的脉冲信号上升沿的时间位置不准确，严重制约对光纤传输线路进行光纤时延测量的精度。
3.因此，有必要改进当前使用的方案，使用较小的成本代价，提高时间测量的精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量装置及方法，可提高光纤时延的测量精度。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量装置，所述抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量装置包括：
7.脉冲发射器，用于产生开始脉冲信号；
8.时钟发生器，用于产生时钟信号；
9.光发射机，与所述脉冲发射器连接，用于根据所述开始脉冲信号，产生光脉冲信号；
10.光方向耦合器，设置在所述光脉冲信号的光路上，并与被测光纤的一端连接，用于将所述光脉冲信号耦合至所述被测光纤，并接收被测光纤输出的反射光信号；
11.电控光衰减器，设置在所述反射光信号的光路上，用于对所述反射光信号进行衰减，得到衰减光信号；
12.光接收机，设置在所述衰减光信号的光路上，用于将所述衰减光信号转换为电信号，并进行放大，得到放大电信号；
13.比较放大器，与所述光接收机连接，用于对比较所述放大电信号和比较阈值的电平高低，进行信号再生，得到停止脉冲信号；
14.时间数字转换电路，分别与所述脉冲发射器、所述时钟发生器及所述比较放大器
连接，用于根据所述开始脉冲信号、所述时钟信号及所述停止脉冲信号，进行时间计数，并转换为时间数字信号；
15.控制单元，分别与所述光接收机、所述电控光衰减器、所述比较放大器及所述时间数字转换电路连接，用于对所述放大电信号进行采样，得到所述放大电信号的幅度值，并根据所述幅度值调整所述电控光衰减器的衰减值及比较放大器的比较阈值，以及根据所述时间数字信号，确定光纤时延值。
16.可选地，所述光发射机包括：
17.激光器脉冲电流驱动电路，与所述脉冲发射器连接，用于根据所述开始脉冲信号，产生驱动电流；
18.激光器组件，与所述激光器脉冲电流驱动电路连接，用于根据所述驱动电流产生光脉冲信号。
19.可选地，所述光发射机还包括：
20.激光器温度控制电路，与所述激光器组件连接，用于控制所述激光器组件的温度。
21.可选地，所述光接收机包括：
22.光电探测器，设置在所述衰减光信号的光路上，用于将所述衰减光信号转换为电信号；
23.前置放大器，与所述光电探测器连接，用于对所述电信号进行放大，得到第一放大电信号；
24.主放大器，与所述前置放大器连接，用于对所述第一放大电信号进行放大，得到放大电信号。
25.可选地，所述前置放大器为互阻放大器。
26.可选地，所述控制单元包括：
27.模数转换电路，与所述光接收机连接，用于将所述放大电信号转换为数字信号；
28.幅度计算模块，与所述模数转换电路连接，用于对所述数字信号采样，得到所述放大电信号的幅度值；
29.控制器，分别与所述幅度计算模块及所述电控光衰减器连接，用于在所述幅度值小于最低幅度阈值时，减小所述电控光衰减器的衰减值，在所述幅度值大于最高幅度阈值时，增大所述电控光衰减器的衰减值，直至所述幅度值大于或等于所述最低幅度阈值且小于或等于所述最高幅度阈值，并根据所述幅度值及设定的比值，确定比较阈值数字信号；
30.数模转换电路，分别与所述控制器及所述比较放大器连接，用于将所述比较阈值数字信号转换为模拟信号，并发送至所述比较放大器，作为比较阈值。
31.可选地，所述光方向耦合器为光环形器或平面波导型均分的1x2光分路器。
32.可选地，所述抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量装置还包括：
33.光反射器，与被测光纤的另一端连接，用于反射所述被测光纤另一端输出的光信号，并通过所述被测光纤输出反射光信号。
34.为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
35.一种抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量方法，所述抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量方法包括：
36.通过脉冲发射器产生开始脉冲信号，时钟发生器产生时钟信号；
37.通过光发射机根据所述开始脉冲信号发射光脉冲信号；
38.通过光方向耦合器将所述光脉冲信号耦合至被测光纤的一端，并接收被测光纤输出的反射光信号；
39.通过电控光衰减器对所述反射光信号进行衰减，得到衰减光信号；
40.通过光接收机将所述衰减光信号转换为电信号，并进行放大，得到放大电信号；
41.通过控制单元对所述放大电信号采样，得到放大电信号的幅度值，并根据幅度值调整所述电控光衰减器的衰减值及比较放大器的比较阈值；
42.通过比较放大器比较所述放大电信号和比较阈值的电平高低，进行信号再生，得到停止脉冲信号；
43.通过时间数字转换电路根据所述开始脉冲信号、所述时钟信号及所述停止脉冲信号，进行时间计数，并转换为时间数字信号；
44.通过控制单元根据所述时间数字信号，确定光纤时延值。
45.可选地，所述通过控制单元对所述放大电信号采样，得到放大电信号的幅度值，并根据幅度值调整所述电控光衰减器的衰减值及比较放大器的比较阈值，具体包括：
46.通过模数转换电路将所述放大电信号转换为数字信号；
47.通过幅度计算模块对所述数字信号采样，得到放大电信号的幅度值；
48.判断幅度值是否小于最低幅度阈值，若所述幅度值小于最低幅度阈值，则减小电控光衰减器的衰减值，直至所述幅度值大于或等于所述最低幅度阈值；
49.判断幅度值是否大于最高幅度阈值，若所述幅度值大于最高幅度阈值，则增大电控光衰减器的衰减值，直至所述幅度值小于或等于所述最高幅度阈值；
50.通过控制器根据所述幅度值及设定的比值，确定比较阈值数字信号，通过数模转换电路将所述比较阈值数字信号转换为模拟信号并发送至比较放大器，作为比较阈值。
51.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：通过脉冲发射器产生开始脉冲信号，并通过光发射机发射光脉冲信号，光方向耦合器将光脉冲信号耦合至被测光纤，并接收被测光纤输出的反射光信号，电控光衰减器对反射光信号进行衰减，光接收机将衰减光信号转换为电信号，并进行放大，比较放大器对放大电信号进行信号再生，得到停止脉冲信号，控制单元根据放大电信号的幅度值调整电控光衰减器的衰减值，以及比较放大器的比较阈值，使幅度值与比较阈值的比例为预设的固定值，保证了被测光纤反射回来的脉冲信号被再生后上升沿稳定，不随被测光纤的线路衰减发生变化而变化，提高了光纤时延测量的准确性。
附图说明
52.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
53.图1为本发明抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量装置的结构示意图。
54.符号说明：
55.脉冲发射器-1，时钟发生器-2，光发射机-3，激光器脉冲电流驱动电路-31，激光器
组件-32，激光器温度控制电路-33，光方向耦合器-4，电控光衰减器-5，光接收机-6，光电探测器-61，前置放大器-62，主放大器-63，比较放大器-7，时间数字转换电路-8，控制单元-9，光反射器-10，被测光纤-11。
具体实施方式
56.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.本发明的目的是提供一种抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量装置及方法，通过脉冲发射器产生开始脉冲信号，并通过光发射机发射光脉冲信号，光方向耦合器将光脉冲信号耦合至被测光纤，并接收被测光纤输出的反射光信号，电控光衰减器对反射光信号进行衰减，光接收机将衰减光信号转换为电信号，并进行放大，比较放大器对放大电信号进行信号再生，得到停止脉冲信号，控制单元根据放大电信号的幅度值调整电控光衰减器的衰减值，以及比较放大器的比较阈值，使幅度值与比较阈值的比例为预设的固定值，保证了被测光纤反射回来的脉冲信号被再生后上升沿稳定，不随被测光纤的线路衰减发生变化而变化，光纤时延测量的准确性。
58.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
59.如图1所示，本发明抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量装置包括：脉冲发射器1、时钟发生器2、光发射机3、光方向耦合器4、电控光衰减器5、光接收机6、比较放大器7、时间数字转换电路8及控制单元9。
60.其中，所述脉冲发射器1用于产生开始脉冲信号。
61.所述时钟发生器2用于产生时钟信号。在本实施例中，所述时钟发生器2采用ecs inc.international公司的ecoc-2522-100.000-3-h-c芯片、一个2分频电路和一个8分频电路构成。ecoc-2522-100.000-3-h-c芯片提供100mhz的高稳定时钟信号，经2分频电路后送给控制单元9，经8分频电路后送给时间数字转换电路8。
62.所述光发射机3与所述脉冲发射器1连接，所述光发射机3用于根据所述开始脉冲信号，产生光脉冲信号。
63.所述光方向耦合器4设置在所述光脉冲信号的光路上，并与被测光纤11的一端连接，所述光方向耦合器4用于将所述光脉冲信号耦合至所述被测光纤11，并接收被测光纤11输出的反射光信号。在本实施例中，所述光方向耦合器4为光环形器或平面波导型均分的1x2光分路器。具体地，光方向耦合器4的输入端连接到光发射机3，光方向耦合器4的公共端连接到被测光纤11的一端，光方向耦合器4的输出端连接到电控光衰减器5的输入。
64.优选地，所述被测光纤11的长度范围为20m至100km，1550nm窗口处100km被测光纤11总衰减小于30db。
65.所述电控光衰减器5设置在所述反射光信号的光路上，所述电控光衰减器5用于对所述反射光信号进行衰减，得到衰减光信号。在本实施例中，所述电控光衰减器5的可变衰减取值范围在0db至60db。
66.所述光接收机6设置在所述衰减光信号的光路上，所述光接收机6用于将所述衰减光信号转换为电信号，并进行放大，得到放大电信号。在本实施例中，所述光接收机6的带宽大于50mhz。需要说明的是，所述反射光信号、衰减光信号、放大电信号均为脉冲信号。
67.所述比较放大器7与所述光接收机6连接，所述比较放大器7用于比较所述放大电信号和比较阈值的电平高低，进行信号再生，得到停止脉冲信号。优选地，所述比较放大器7采用可控的比较阈值，比较阈值与输入脉冲信号的幅度值的比值k为预设定值，k的取值范围为0.1至0.9，典型取值为0.5。比较放大器7采用ti公司tlv3501芯片。
68.所述时间数字转换电路8分别与所述脉冲发射器1、所述时钟发生器2及所述比较放大器7连接，所述时间数字转换电路8用于根据所述开始脉冲信号、所述时钟信号及所述停止脉冲信号，进行时间计数，并转换为时间数字信号。在本实施例中，时间数字转换电路tdc采用ti公司的tdc7201芯片。
69.所述控制单元9分别与所述光接收机6、所述电控光衰减器5、所述比较放大器7及所述时间数字转换电路8连接，所述控制单元9用于对所述放大电信号进行采样，得到所述放大电信号的幅度值，并根据所述幅度值调整所述电控光衰减器5的衰减值及比较放大器7的比较阈值，以及根据所述时间数字信号，确定光纤时延值。具体地，所述时间数字信号存储在时间数字转换电路中的结果寄存器中，同时，结果寄存器中还存储时钟频率值。根据时间数字信号计算光纤时延值的计算方法采用现有公知的计算方法即可。可根据不同的时间数字转换电路芯片提供的计算公式以及时间数字转换电路tdc中的结果寄存器存储的数据计算。
70.所述控制单元9采用arm或dsp或fpga电路，或三者的任意组合，本实施例采用arm和fpga电路。所述控制单元9还与所述时钟发生器2连接。
71.具体地，所述光发射机3包括激光器脉冲电流驱动电路31和激光器组件32。
72.所述激光器脉冲电流驱动电路31与所述脉冲发射器1连接，所述激光器脉冲电流驱动电路31用于根据所述开始脉冲信号，产生驱动电流。
73.所述激光器组件32与所述激光器脉冲电流驱动电路31连接，所述激光器组件32用于根据所述驱动电流产生光脉冲信号。
74.进一步地，所述光发射机3还包括激光器温度控制电路33。所述激光器温度控制电路33与所述激光器组件32连接，所述激光器温度控制电路33用于控制所述激光器组件32的温度。激光器温度控制电路33采用maxim公司的max1978芯片。
75.更进一步地，所述激光器组件32包括半导体激光器、热敏电阻和半导体制冷器。在本实施例中，半导体激光器为分布反馈半导体激光器dfb-ld。半导体激光器的波长处于1310nm和1550nm窗口。半导体激光器的输出的光脉冲信号峰-峰值功率取值范围为10dbm至25dbm，典型值为15dbm。半导体激光器输出的光脉冲信号的宽度取值范围为10ns至200ns，典型值为50ns。半导体激光器的光脉冲重复频率取值范围为1khz至500hz，典型值为500hz。
76.所述热敏电阻设置在所述半导体激光器上，所述热敏电阻用于检测所述半导体激光器的温度，并发送至所述激光器温度控制电路33。
77.所述半导体制冷器设置在所述激光器上，并与所述激光器温度控制电路33连接，所述激光器温度控制电路33通过驱动所述半导体制冷器进行制冷。
78.所述光接收机6包括：光电探测器61、前置放大器62和主放大器63。
79.其中，所述光电探测器61设置在所述衰减光信号的光路上，所述光电探测器61用于将所述衰减光信号转换为电信号。优选地，所述光电探测器61为pin光电探测器61或apd光电探测器61。
80.所述前置放大器62与所述光电探测器61连接，所述前置放大器62用于对所述电信号进行放大，得到第一放大电信号。在本实施例中，所述前置放大器62为互阻放大器。互阻放大器采用ti公司的opa858芯片，互阻20kω。
81.所述主放大器63与所述前置放大器62连接，所述主放大器63用于对所述第一放大电信号进行放大，得到放大电信号。主放大器63采用ti公司的ths4520芯片，主放大器63的增益为10。
82.进一步地，所述控制单元9包括：模数转换电路、幅度计算模块、控制器及数模转换电路。
83.其中，所述模数转换电路与所述光接收机6连接，所述模数转换电路用于将所述放大电信号转换为数字信号。模数转换电路adc采用ti公司ads4142芯片，取样速率为50msps。
84.所述幅度计算模块与所述模数转换电路连接，所述幅度计算模块用于对所述数字信号采样，得到所述放大电信号的幅度值。具体地，幅度计算模块采用能够采集脉冲信号幅度值的电路即可。
85.所述控制器分别与所述幅度计算模块及所述电控光衰减器5连接，所述控制器用于在所述幅度值小于最低幅度阈值时，减小所述电控光衰减器5的衰减值，在所述幅度值大于最高幅度阈值时，增大所述电控光衰减器5的衰减值，直至所述幅度值大于或等于所述最低幅度阈值且小于或等于所述最高幅度阈值，并根据所述幅度值及设定的比值，确定比较阈值数字信号。在本实施例中，最低幅度阈值为0.1v，最高幅度阈值为0.5v。
86.所述数模转换电路分别与所述控制器及所述比较放大器7连接，所述数模转换电路用于将所述比较阈值数字信号转换为模拟信号，并发送至所述比较放大器7，作为比较阈值。数模转换电路dac采用ti公司dac124s085芯片。
87.更进一步地，所述控制单元9还包括时间位置确定模块。所述时间位置确定模块与所述模数转换电路连接，所述时间位置确定模块用于对所述数字信号采样，得到所述放大电信号的时间位置。具体地，时间位置确定模块采用现有技术中能够采集脉冲信号的时间位置值的电路即可。
88.所述控制器还与所述时间数字转换电路8连接，所述控制器还用于根据所述时间位置，设置时间数字转换电路8的计数窗口参数。
89.优选地，本发明抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量装置还包括光反射器10。所述光反射器10与被测光纤11的另一端连接，所述光反射器10用于反射所述被测光纤11另一端输出的光信号，并通过所述被测光纤11输出反射光信号。
90.所述光反射器10的反射系数取值范围为0db至-5db，典型值为-1db。
91.本发明使用时间数字转换电路8，并以光时域反射仪otdr技术、光源波长稳定电路和高稳定时钟振荡器电路作为辅助，通过电控的光衰减器对光纤线路衰减变化进行自动均衡，并且在光脉冲信号再生过程中，对比较放大器7的比较阈值进行自动调节，使光脉冲信号幅度与比较放大器7的比较阈值之比例为固定值，使再生后的脉冲信号上升沿位置不随输入的光脉冲信号电平的变化而改变，保证了光纤时延的测量精度。
92.本发明抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量装置在测量被测光纤11的时延时，具体采用如下步骤：
93.1)预测被测光纤末端反射回来的脉冲信号的幅度值及时间位置：脉冲发射器产生开始脉冲信号，并控制光发射机发射一个光脉冲信号，光接收机接收从被测光纤返回的反射信号，放大后将其输出到控制单元中的模数转换电路，对该反射信号进行取样，控制单元获取反射信号中被测光纤末端光反射器反射回来的脉冲信号的幅度值及时间位置。
94.2)调整电控光衰减器的衰减值，使被测光纤末端光反射器反射回来的脉冲信号幅度值在0.1v至0.5v范围内：如果在步骤1)中获得的脉冲信号幅度值《0.1v，控制单元控制减小电控光衰减器的衰减值，然后重复步骤1)，最终使脉冲信号幅度值在0.1v至0.5v范围内。如果脉冲信号幅度值》0.5v，控制单元控制增大电控光衰减器的衰减值，然后重复步骤1)，最终使脉冲信号幅度值在0.1v至0.5v范围内。
95.3)调整脉冲再生所需要的比较放大器的比较阈值：控制单元根据步骤1)、2)所获得的脉冲信号幅度值，作为进行光纤时延测量时的脉冲信号幅度预测值，控制数模转换电路输出一个电压给比较放大器，作为比较阈值，比较阈值与脉冲幅度值的比值k为预先设定的值，k的取值范围为0.1～0.9，典型取值为0.5。
96.4)设置时间数字转换电路tdc的工作参数：控制单元根据步骤1中获得的被测光纤末端光反射器反射回来的脉冲信号的时间位置，向时间数字转换电路tdc发送计数窗口参数。
97.5)进行时间数字转换：脉冲发射器向光发射机和时间数字转换电路tdc发射一个开始脉冲信号，该开始脉冲信号作为光发射机的脉冲调制信号和时间数字转换电路tdc的“开始”信号。光接收机接收从被测光纤末端光反射器反射回来的反射光信号，放大后将其输出到比较放大器的输入端，进行脉冲信号再生，并将该再生脉冲信号送到时间数字转换电路tdc，作为时间数字转换电路tdc的“停止”信号。时间数字转换电路tdc对“开始”信号至“停止”信号之间的时间进行时间计数，并完成时间数字转换，计数结果存储在时间数字转换电路tdc中的结果寄存器内；
98.6)控制单元向时间数字转换电路tdc获取结果寄存器中的计数结果，根据时间数字转换电路tdc生产厂商提供的公式，根据时钟频率值、计数结果，计算出光纤时延值。
99.本发明通过一个模数转换电路adc对光接收机接收到的信号进行取样，控制单元获取取样信号后计算预测被测光纤末端光反射器反射回来的光脉冲信号的幅度值，然后先控制电控光衰减器，初步均衡被测光纤线路衰减变化，然后再控制数模转换电路dac的输出，精细调节比较放大器的比较阈值，使光脉冲信号幅度值与比较阈值之比例为预设的固定值，保证了被测光纤末端光反射器反射回来的脉冲信号被再生后上升沿稳定，不随被测光纤线路衰减发生变化而变化，使“停止”信号的脉冲上升沿稳定，进行时间测量时误差小。
100.本发明抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量方法包括：
101.通过脉冲发射器产生开始脉冲信号，时钟发生器产生时钟信号。
102.通过光发射机根据所述开始脉冲信号发射光脉冲信号。
103.通过光方向耦合器将所述光脉冲信号耦合至被测光纤的一端，并接收被测光纤输出的反射光信号。
104.通过电控光衰减器对所述反射光信号进行衰减，得到衰减光信号。
105.通过光接收机将所述衰减光信号转换为电信号，并进行放大，得到放大电信号。
106.通过控制单元对所述放大电信号采样，得到放大电信号的幅度值，并根据幅度值调整所述电控光衰减器的衰减值及比较放大器的比较阈值。
107.通过比较放大器比较所述放大电信号和比较阈值的电平高低，进行信号再生，得到停止脉冲信号。
108.通过时间数字转换电路根据所述开始脉冲信号、所述时钟信号及所述停止脉冲信号，进行时间计数，并转换为时间数字信号。
109.通过控制单元根据所述时间数字信号，确定光纤时延值。
110.具体地，通过控制单元对所述放大电信号采样，得到放大电信号的幅度值，并根据幅度值调整所述电控光衰减器的衰减值及比较放大器的比较阈值，具体包括：
111.通过模数转换电路将所述放大电信号转换为数字信号。
112.通过幅度计算模块对所述数字信号采样，得到放大电信号的幅度值。
113.判断幅度值是否小于最低幅度阈值，若所述幅度值小于最低幅度阈值，则减小电控光衰减器的衰减值，直至所述幅度值大于或等于所述最低幅度阈值。
114.判断幅度值是否大于最高幅度阈值，若所述幅度值大于最高幅度阈值，则增大电控光衰减器的衰减值，直至所述幅度值小于或等于所述最高幅度阈值。
115.通过控制器根据所述幅度值及设定的比值，确定比较阈值数字信号，通过数模转换电路将所述比较阈值数字信号转换为模拟信号并发送至比较放大器，作为比较阈值。
116.相对于现有技术，本发明抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量方法与上述抗光纤线路衰减变化的光纤时延测量系统的有益效果相同，在此不再赘述。
117.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
118.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。