有源反射式光测距器的制作方法

专利名称：有源反射式光测距器的制作方法
技术领域：
本发明涉及确定电缆长度的测量系统。
传统上建筑内的用作计算机数据通信应用的布线系统均是设计得满足每一特定计算机系统的技术规范的。也就是说，出自一供货者的系统常常无法以为另一供货系统所设计的布线工作。许多情况中，即使是来自同一供应者的不同系统也完全需要不同的布线系统。因而需要在每次在老的数据系统被替换或修改时需要替换布线以适应新系统的新协议，这要花费巨大时间和成本。
过去数年中全世界许多标准组织，包括美国通信工业协会(TIA)和电子工业协会(EIA)，均颁布了用于在商用建筑中安装数据布线系统的标准。当前的设计和安装标准例如有TIA和EIA的TIA/EIA-558A，加拿大标准化协会(CSA)的CAN/CSA-T529-M91，和国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)的ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3IS 11801，它们在这里被用作参考。尽管这些标准之间存在着一些不同，但它们基本上是类似的。由于TIA/EIA在美国得到普遍认可，所以在说明具体细节时将对之作进一步的引用。结合采用铜线和光纤电缆的布线标准的基本目标之一，是要使得建筑用通信布线系统能在应用中几乎普遍适用。这些标准规定电缆特点，例如最大衰减、最大长度、和最大频率。从而布线提供者、布线部件、数据通信产品、和电信产品也要保证它们的特定产品和系统能支持这些标准。这缓和了每次计算机系统或通信系统改变时更换现有电缆的需要，这还提供几乎可应用于所有通信需要，包括声音、数据和图象的布线系统。局域网，电话系统，ASCⅡ终端和图象传输系统均可采用被设计得符合这些标准的布线系统。
所有这三个标准所指定的一个电缆特性是最大电缆长。当前被认可的测量光纤电缆长度的技术需要利用一光学时域反射计(OTDR)。OTDR被连接到被试电缆的一端并由一端发射光脉冲到电缆中。OTDR然后检测在脉冲返回到它的发出端时的脉冲反射信号。光纤的长度根据光脉冲由OTDR进行到光纤的远距端并返回到OTDR所需的经过时间计算。光纤的长度通过光脉冲从OTDR行进到远端再返回到OTDR所需的时间来计算。光纤的长度被计算成光在真空中的速度乘以光在光纤中相对传播的速度再乘以所需的时间。然后将结果除以2因为此脉冲二次穿行光缆的长度。由于电缆中的缺陷，在电缆长度方向其他地点可能发生另外的反射，这经常导致电缆长的错误显示。除此以外，送进电缆的光仅一小部分作为来自电缆端的回射返回。因而要求高功率激光器来提供能适用于在反射后进行检测的足够强的光脉冲。因电缆的多重反射而产生的干扰与返回信号电平相比较可能很高，使得很难(如果不是不可能的话)正确地确定电缆的长度。而且为了能确定电缆长度，OTDR还需要复杂的电子线路。
由于通常的OTDR仅接触光纤的一端，由OTDR检测的光必须由OTDR通过光纤行进到所考虑的场所例如另一端，而后微弱的回射或反射的剩余光必须沿同一检测通路返回到OTDR。光经受同一通路的两次衰减而成为很微弱。而且OTDR必须检测一般小于在光纤上传送的光功率的0.1％的回射的光。这些因素导致到达OTDR的很弱的信号从而OTDR需要应用昂贵的雪崩光电二极管和一复杂的高速数字均衡器来进行相当正确的测量。另外一般还需要人类对OTDR波形的分析，而在一些情况中结果可能很模糊而导致错误的分析。
TIA/EIA-568-A测试标准(TIS/EIA-568-A附录H)仅需要测试衰减，或信号损失。衰减是影响光纤电缆性能的最重要的因素。这一通常称之为损失测试的测试利用安装在电缆一端的光源和安装在电缆另一端测量来自光源的光的衰减的光功率计来进行。可测得的衰减基于电缆长、被试电缆的类型、和用于测试的光的频率，如EIA/TIA-568-A附录H中所概述的。如果电缆损失测试不合格，则原因常常是电缆缺陷，连接器安装不合适或太长。
虽然EIA/TIA-568-A规定最大电缆长，但它未具体要求长度测试。不过电缆和布线部件许多供应者对由他们授权的安装人员安装的布线系统提供担保并经常要求安装人员在他们提供保证范围之前进行长度测试。
布线标准指定两种基本布线类别水平和主干。水平布线将一工作区(附属设备如电话或个人计算机的位置)连接到通信分接箱，后者是用于水平电缆的集中连接点。主干布线连接多个通信分接箱。一般不伸出建筑之外的水平布线最大安装长90m，而在建筑之间运行的主干布线则可具有高达3000m的最大长。TIA/EIA-568-A附录H规定水平光纤布线可容许的衰减为在波长为850nm或1300nm小于2dB。对干线布线的允许衰减根据如下的关系最大允许电缆衰减(dB)=衰减系数(dB/km)×长度(km)，式中，衰减系数对指定的受试光纤电缆类型和所用的测试频率具有规定值。为能获得正确的损失测试正确的长度测量十分重要。
因此，所希望的是能有一不取决于人类对结果做分析的确定光纤电缆长度的简单价廉测试系统。
本发明为克服前述现有技术的缺点，提供包含产生第一信号的第一电路和产生第二信号的第二电路的测量系统。一具有第一端和第二端的传输线，其中第一端与第一电路相互连接以便接收第一信号。第二电路远离传输线的第一端并与传输线第二端相连以便检测第一信号。第二电路响应对第一信号的检测产生由传输线第二端接收的第二信号。第一电路检测第二信号并相应地确定传输线的长度。第一信号和第二信号最好具有不同的频率而传输线最好为光纤电缆。
此测量系统直接由电缆一端检测发送进电缆的另一端的信号，因此信号仅必须行经电缆的一个长度，此信号要强得多，因而无需雪崩光电二极管和复杂的信号均衡。此测量系统还直接测量光通过电缆由一端至另一端的行进时间。这种配置无需作复杂的信号分析或人类的解释，且不管电缆路径如何复杂均能得到明确的结果。而且第一电路和第二电路最好不检测他们自己发射的信号且因此不会错误地响应电缆中的反射。
结合附图研究下面对发明的详细说明将会容易地理解本发明的前述以及其他目的、特征和优点。


图1为本发明反射系统的典型实施例的方框图，其中包含适宜于测量电缆长度的电缆相互连接的主单元和从单元；图2为适用于图1的主单元和从单元的二极管式光发射器；图3为适用于图1的主和从单元的过滤气体放电管光发射器；图4为适用于将图1的主单元和从单元连接到电缆的体效应光学耦合器；图5为适用于将图1的主单元和从单元连接到电缆的熔凝双锥度光纤耦合器；图6为图1的主单元的方框图；图7为图1的从单元的方框图；图8为图1的主单元的替换方框图；图9为图1的从单元的替换方框图；图10为图1所示从光发射器的示例图；图11为图1所示主光发射器的示例图；图12为图1所示从接收器的示例图；图13为图1所示主接收器的典型实施例；图14为图7所示重复失步定时器的典型实施例；和图15为图1所示主定时和控制单元的典型实施例。
参看图1，测量系统，这里称之为反射系统，包含一连接主单元10和从单元12的光纤电缆18。应理解，此电缆可以是任何适应的传输线，例如铜连线，扭绞双股电缆，或an2光纤电缆。主单元10包含一主定时和控制单元34，它触发主光发射器14发射具有一被称之为主单元波长的特定波长的光脉冲。另外，此主单元波长可以是任何适宜的波长范围或多波长中的选择。耦合器16将来自主光发射器14的光耦合到电缆18的端部17。来自主单元10的光在电缆18内传输到电缆18的另一端19。从单元12包含由电缆18端头接收入射光的耦合器20。从单元12中接收到的光由带通滤波器22或其他适当的滤波器滤波，以滤除与主单元波长不同波长的光。从接收器24检测来自滤波器22的光并向从控制电路单元26报告检测到光脉冲。作为响应，从控制电路单元26触发一从光发射器28发射一具有被称之为从单元波长的特定波长的光脉冲。另外，此从单元波长可以是任何适应的波长范围，或多波长中的选择。耦合器20将来自从光发射器28的光耦合到电缆18的端头19。来自从单元12的光在电缆18内部传输，由耦合器16接收并传送到一带通滤波器30或者其他合适的滤波器以便滤除波长与从单元波长不同的光。主接收器32检测来自滤波器30的光并向主定时和控制单元34报告检测到光脉冲。滤波器22和30的主要目的是剔除任何额外的反射光，例如主单元10自身的主单元波长和从单元自身的从单元波长。按这种方式，从单元12仅对具有主单元波长的光敏感而主单元仅对具有从单元波长的光敏感。而且电缆18内传送的光的额外的反射将不会提供错误的指示。最好主单元波长与从单元波长不同。不过如果希望的话主单元波长与从单元波长可以相同。应当理解的是，其他适应于特定电缆的例如电压和电流信号的脉冲也可以应用。
主定时和控制单元34包含有一毫微秒分辨率的定时器，测量自发射主单元波长脉冲开始至从单元波长脉冲到达所经过的时间。主单元10和从单元12被校准以计及测量系统中的固定的时延，从而能得到光在电缆中的实际行进时间(TOF)。知道TOF和光的电缆18中的传播速度就能计算电缆18的长度。采用下列关系l=ct/2n式中l为欲确定的长度，c为真空中的光速，2.9979×108m/s，t为光在电缆中行进的测量得的时间，和n为光纤的折射率，材料特性。
此反射系统利用一主单元10和一从单元12，各自连接到电缆18的不同端且相互间远离隔开来进行测距，这大大减轻了现有装置如OTDR设备所要求的对光电子和信号处理系统的要求。由于普通OTDR仅接触光纤一端，被OTDR检测的光必须由OTDR通过光纤传输到关键部位如另一端，然后微弱地回射或反射的剩余光必须沿原路返回到OTDR。这样来自OTDR的光经受一通路的二次衰减而大大减弱。此OTDR还必须检测通常小于发射到光纤的光功率0.1％的回射光。这些因素导致到达OTDR的信号非常微弱而需要利用昂贵的雪崩光电二极管和复杂的高速数字均衡器，如前面已说过的。因为本发明的反射系统直接由光纤18的一端测量发射进其另一端的光，光仅需行经电缆18的一个长度，所以信号强得多而无需雪崩光电二极管和复杂的信号均衡。此外，通常的OTDR必须分析回射信号来推导光纤端头的位置。这一光纤端的推导需要复杂的软件或熟练的操作人员。相反，本反射系统直接测量光由一端到另一端通过光纤的光的行进时间。这种配置无需复杂的信号分析或人类的分析，且不管电缆路径如何复杂均能得到明确的结果。光纤中的多重反射特性也可能对光信号带来“回波”效应，对此通常的OTDR很难分析而有时会导致确定光纤端头位置的失误。在此反射系统中，主、从单元最好不检测它们自己发射的光而因此不会错误地响应光纤维内部的反射。而且，现行的TIA/EIA-568-A附录H测试规范要求安装人员由电缆18的二端进行损失测试，从而由电缆18的二端测量电缆18的长度很少或者不会造成额外的负担。
参看图2，优选的主光发射器14和从光发射器28是电一光转换器，例如激光二极管或发光二极管。参看图3，主光发射器14和从光发射器28可替换为过滤气体放电管，例如一后随有让所希望的光波长(如主单元波长或从单元波长)通过的光带通滤波器52的短弧闪光灯50。
用于检测特定波长的光的优选主接收器32或从接收器24为一快速光一电转换器，例如光电二极管。或者，主接收器32或从接收器24也可以是一光电管，例如一光电倍增管。
参看图4，优选的耦合器16是一具有主单元波长的波长滤波器的微型体效应光学设备。具有从单元波长的光即被主接收器32检测。由主光发射器14发射的光射入耦合器16的端口60。来自端口60的主单元波长的光通过一光束分离器62并被聚焦进一共用端口64。电缆18的端头17被连接到共用端口64以接收入射光。由从单元12入射到共用端口64的具有从单元波长的光由耦合器16接收。接收到的具有从单元波长的光则被光束分离器62反射到端口66。与具有主单元波长的光不同，具有从单元波长的光不通过光束分离器62，因为光束分离器62为一对主单元波长的光为可穿透但反射从单元波长的光的分光镜。于是具有从单元波长的光被主接收器32检测。任何可由电缆18入射到共同端口64的具有主单元波长的光均将通过光束分离器62因而不会入射到端口66也不会被主接收器32检测。耦合器16提供为保持耦合器对来自电缆18的具有从单元波长的光敏感而对来自电缆18的主单元波长的光不敏感的所要求的波长分离功能。同样，耦合器20具有对来自电缆18的主单元波长的光敏感而对来自电缆18的从单元波长的光不敏感的光束分离器。
参看图5，耦合器16的替代实施例为一熔凝双锥度光纤耦合器，例如波长分割复用器(WDM)或宽带耦合器。此WDM110为一个三光纤端口装置。共用端口112是对主、从单元波长两者共用的，被连接到电缆18。端口114仅将来自主光发射器14的主单元波长连接到共用端口112。共用端口112仅将来自电缆18的从单元波长的光耦合到端口116。端口114和端口116被分别连接到主光发射器14和主接收器32。图5中所示耦合器16同样提供为保持耦合器对来自电缆18的从单元波长的光敏感和对来自电缆18的主单元波长的光不敏感所要求的波长分离特性。同样地，耦合器20对来自电缆18的主单元波长的光敏感而对来自电缆18的从单元波长的光不敏感。
参看图6，主定时和控制单元34包含一提供周期地触发单个脉冲发生电路72的信号的振荡器70。脉冲发生电路72的输出被一驱动器74放大以提供电流给电-光转换器(主光发生器14)，例如激光二极管或发光二极管76。与由脉冲发生电路72发射单个脉冲同时，一定时器电路78开始测量经过的时间。当一光-电转换器(主接收器32)如光电二极管80检测到具有适当波长的返回光脉冲时，此信号被放大器82放大且定时器电路78停止计时器递增。这时定时器电路78具有由主单元信号发时到电缆开始至来自电缆的从单元信号的返回为止所经过时间的记录，其中包含有电子电路所产生的附加延迟。定时器电路78可以是任一适当的电路，例如，一后随有模/数转换器的模拟时间/振幅转换器，或一由基准时钟振荡器84所驱动的数字计数器。定时器的分辨率，可利用插值法或者采用结合均衡的与电光驱动振荡器不相关的时钟振荡器的技术，达到较之由基准时钟振荡器84产生的时钟周期更为精细。由于搜索时钟的起动与计数器基准振荡器时钟的起动是不相关的，所以基准振荡器时钟的相位相对于起动搜索脉冲随机地改变。计数器仅能计数整数，因此如果被测得的周期不是一整数的基准振荡器时钟周期，计数器将随机地输出对应于有时大于实际测得周期的和有时小于实际所测得周期的次数的数值。发生此二计数值的统计分布是实际测得周期的函数。例如，假定测得周期准确地为计数器基准振荡器时钟的1.5个周期。如果进行了1000000次测量，将读得约近500000个1的计数值和约近500000个2的计数值。这些计数的平均为1.500。量化噪声随平均数的均方根降低，所以1000000个平均将得到准确性至小数点3位的结果。时间的计数、平均和显示可由一单片微控制器来完成。
参看图7，从控制电路单元26包含一光-电转换器，如光电二极管90，检测入射光脉冲。光电二极管90的输出经放大器92的放大触发两个单脉冲发生电路，即重复失步定时器94和脉冲发生器电路96。在触发后，脉冲发生器电路96立即产生一短脉冲，该脉冲由驱动器98放大以提供电流给一电-光转换器如激光二极管或发光二极管100。重复失步定时器94产生消除脉冲发生器96作用的延迟脉冲，以便阻止另一光脉冲一设定的时间。这是一种不采用滤波器时防止从单元12响应它自己的光脉冲的反射的方法。采用从重复失步定时器94也能省除从带通滤波器22。
参看图8，也可采用相同的光学装置作为主单元10中的光发射器和检测器。参看图9，也可样用相同的光学装置作为从单元12中的光发射器和检测器。例如，当被适当的波长的光照亮时激光二极管或发光二极管也可在一外部电路中产生电流。
图10～15为图1中的示实际装置的典型实施例的简图。
在前面的说明中所采用的措词和表述在此是用于描述而不是限定，这些措词和表述并无排除所示和描述的特征或它们的部分的等同物的意图，应当理解本发明的范围仅由所附的权利要求所规定和限制。
权利要求
1．一种测量系统，包括有(a)产生第一信号的第一电路；(b)具有一第一端和一第二端的传输线，所述传输线的所述第一端与所述第一电路相连接以便接收所述第一信号；(c)位于远离所述传输线的所述第一端的一第二电路，所述第二电路与所述传输线的所述第二端相连接以便检测所述第一信号；(d)所述第二电路响应对所述第一信号的检测产生一第二信号；(e)所述传输线的所述第二端与所述第二电路相连接以便接收所述第二信号；(f)所述第一电路与所述传输线的所述第一端相连接以便检测所述第二信号；和(g)所述第一电路响应对所述第二信号的检测确定所述传输线的长度。
2．权利要求1所述的测量系统，其特征是所述第一信号和所述第二信号的至少一个为光脉冲。
3．权利要求2所述的测量系统，其特征是所述第一信号和所述第二信号的至少一个是一波长范围。
4．权利要求1所述的测量系统，其特征是所述传输线为光纤电缆。
5．权利要求1所述的测量系统，其特征是所述传输线为导电连线。
6．权利要求1所述的测量系统，其特征是所述传输线是双胶绞合线。
7．权利要求1所述的测量系统，其特征是所述第一信号的频率与所述第二信号的频率不同。
8．权利要求1所述的测量系统，其特征是所述第一信号的频率与所述第二信号的频率相同。
9．权利要求1所述的测量系统，其特征是所述长度按照从发送所述第一信号开始到接收所述第二信号为止所经过的时间进行计算。
10．权利要求1所述的测量系统，其特征是所述第一电路包含一连接到所述传输线的所述第一端的耦合器，所述耦合器使得所述第一电路所产生的所述第一信号能进到所述传输线，所述耦合器使得由所述第二电路产生的所述第二信号能被一检测器所接收，和所述耦合器阻止所述传输线中所述第一信号的任何反射被所述检测器所接收。
11．权利要求10所述的测量系统，其特征是所述耦合器包含一光束分离器。
12．权利要求10所述的测量系统，其特征是所述耦合器包含一熔凝双园锥体光纤耦合器。
13．权利要求1所述的测量系统，其特征是所述第一电路包含产生所述第一信号的发射器和接收所述第二信号的接收器，所述发射器和所述接收器为同样的电子装置。
14．权利要求13所述的测量系统，其特征是所述发射器和所述接收器是二极管和电子管的至少一个。
15．测量传输线长度的方法，其特征是包括步骤(a)由一第一电路产生第一信号；(b)由与所述第一电路相连接的传输线的第一端接收所述第一信号；(c)位于远离所述第一电路的第二电路从所述传输线的第二端检测所述第一信号；(d)所述第二电路按照对所述第一信号的所述检测产生一第二信号；(e)由所述传输线的所述第二端接收所述第二信号；(f)所述第一电路检测来自所述传输线的第一端检测所述第二信号；和(g)按照所述第二信号的所述检测确定所述传输线的长度。
16．权利要求15所述的方法，其特征是所述第一信号的频率与所述第二信号的频率不同。
17．权利要求15所述的方法，其特征是所述第一信号的频率与所述第二信号的频率相同。
全文摘要
一测量系统包含有产生第一信号的第一电路。传输线具有第一端和第二端,其中第一端与第一电路相连接以接收第一信号。第二电路位于远距传输线的第一端的地点并与传输线的第二端相连接以检测第一信号。第二电路按照对第一信号的检测产生由传输线的第二端所接收的第二信号。第一电路检测第二信号而相应地确定传输线的长度。第一信号与第二信号最好具有不同频率,而传输线最好为光纤电缆。
文档编号G01B11/02GK1218901SQ9810185
公开日1999年6月9日 申请日期1998年5月12日 优先权日1997年5月12日
发明者帕特里克·科里根, 乌尔里克·休格尔 申请人:艾克蒂弗莱克斯公司