一種基于0TDR的快速光纖檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江麗，劉志斌

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系湖南衡陽421002）

一種基于0TDR的快速光纖檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江麗，劉志斌

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系湖南衡陽421002）

OTDR即光時(shí)域反射儀，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控光纖設(shè)備質(zhì)量的好壞，本設(shè)計(jì)通過對鐵道通信光纖監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于OTDR技術(shù)的快速高可靠自動檢測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的OTDR系統(tǒng)是基于MCU架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，難以完成大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，帶來的測量誤差會累積到測試結(jié)果。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用FPGA做數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)處理采用平均算法。隨機(jī)噪聲被平均后無限趨近于零。

OTDR；FPGA；高速；數(shù)據(jù)采集

與傳統(tǒng)的電氣通信相比，光纖傳感技術(shù)具有成本低、抗電磁干擾、精度和靈敏度高、光纖傳輸損耗極低，傳輸距離遠(yuǎn)等突出優(yōu)點(diǎn)。使得長達(dá)數(shù)十年的工程結(jié)構(gòu)連續(xù)監(jiān)測成為可能。但如何有效的保證光纖通信系統(tǒng)的可靠性，一直是一個(gè)有待解決的技術(shù)難題。本設(shè)計(jì)在光纖通信的基礎(chǔ)之上，通過對鐵道通信光纖監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行研究。以FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MCU架構(gòu)完成數(shù)據(jù)的采集和處理，實(shí)現(xiàn)純硬件化設(shè)計(jì)、即便是在強(qiáng)電磁干擾和極其惡劣的工作環(huán)境中，都能完成高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，工作可靠性高。

1　基于0　TDR測量原理

OTDR即光時(shí)域反射儀，主要基于瑞利散射和菲涅爾反射兩種光學(xué)現(xiàn)象來進(jìn)行測量。目前的光纖測量中，主要是要測量光纖的損耗和斷點(diǎn)。瑞利散射是光纖材料本身固有的性質(zhì)，由于光纖內(nèi)部含有的雜質(zhì)、纖核添加物等產(chǎn)生漫反射，其中部分向后散射形成瑞利背向散射，光纖整個(gè)長度上都呈現(xiàn)這種現(xiàn)象。而菲涅爾反射它只是發(fā)生在光纖接觸到空氣時(shí)或發(fā)生在諸如機(jī)械的連接接縫處。因此，光纖損耗的測量所依據(jù)的主要是瑞利散射原理；光纖斷點(diǎn)的測量所依據(jù)的主要原理是菲涅爾反射［1］。

瑞利散射損耗可用下式進(jìn)行近似計(jì)算：

上式中，λ以um為單位，A、B是與石英和摻雜材料有關(guān)的常數(shù)。

菲涅爾反射光的信號強(qiáng)度與反射面狀況和傳輸光的功率相關(guān)。對于來自光纖上L點(diǎn)處的菲涅爾反射光，在光纖注入端測得的光功率Pf（L）為：

以上公式中，L為菲涅爾反射處距離光注入端的距離，R為光纖中L處的功率反射系數(shù)，為注入光纖的峰值功率，β為光纖衰減常數(shù)。

OTDR的測距量原理為：首先OTDR發(fā)射一個(gè)光脈沖信號，這個(gè)光脈沖在遇到斷點(diǎn)、接頭、熔接點(diǎn)以后會反射回來，如果OTDR能夠精確的測量回波時(shí)間，就可以利用下面的公式計(jì)算出距離L。

其中，c為光速，t光脈沖從發(fā)射到接收的總時(shí)間，稱為回波時(shí)間，f為采樣率，N為總采樣點(diǎn)數(shù)，為待測光纖的折射率［2］。

2　硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖。由脈沖器產(chǎn)生的電脈沖，驅(qū)動光源模塊產(chǎn)生光脈沖，經(jīng)方向耦合器射入待測光纖。射入光纖的光脈沖，由于光纖材料本身固有的性質(zhì)會產(chǎn)生瑞利散射光，連同遇到不平整光纖端面會產(chǎn)生菲涅爾反射光［3］，一起反射回方向耦合器、射至光電二極管，轉(zhuǎn)換成電脈沖。轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)由放大器和A/D轉(zhuǎn)換處理后送入數(shù)據(jù)處理模塊，由于此項(xiàng)反射光強(qiáng)度微弱，故需反復(fù)傳送、收集并進(jìn)行放大和平均處理。OTDR利用其激光光源向被測光纖反復(fù)發(fā)送光脈沖來實(shí)現(xiàn)測量。

圖1　系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

2.1信號收發(fā)模塊

信號收發(fā)模塊包括脈沖控制器、激光器、光電探測器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等。

脈沖控制器可將FPGA發(fā)出的脈沖信號放大以驅(qū)動LD模塊產(chǎn)生光脈沖；

激光器為LD激光二極管，可發(fā)射1 310 nm、1 550 nm兩種波長的激光脈沖，1 310 nm窗口的衰減值在0.33 dB/km左右，1 550 nm窗口的衰減值在0.19 dB/km左右。在短距離測試時(shí)，1 310 nm在熔接點(diǎn)或接頭處有更高的損耗，產(chǎn)生的瑞利散射的光功率更強(qiáng)，因此在有熔接點(diǎn)事件和接頭事件處，在OTDR接收端會得到更為清晰的軌跡圖。但在長距離測試時(shí)，1 550 nm有更小的單位衰減，具有更長的動態(tài)測試范圍，通常采用1 550 nm作為測試光波長［2］。

光電探測器為光敏二極管，可將光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電信號；轉(zhuǎn)換后的電信號再送入運(yùn)算放大器進(jìn)行處理。

2.2數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊完成對數(shù)據(jù)的處理，由FPGA構(gòu)成主控制器，在時(shí)域控制脈沖寬度，并且實(shí)現(xiàn)脈沖信號的多重發(fā)送和采集處理，因?yàn)殡S機(jī)噪聲會影響信號軌跡的信噪比，可用平均算法來處理，將通過求得一定距離的數(shù)據(jù)點(diǎn)把它們加以平均，這樣噪聲被平均后將無限趨近于零，剩下的數(shù)據(jù)將更準(zhǔn)確的反映背向散射和反射程度［3］。

傳統(tǒng)的OTDR系統(tǒng)是基于MCU架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，采用串行的指令執(zhí)行方式，采樣點(diǎn)少會造成測量的較大誤差、采樣點(diǎn)多無法完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與存儲，且數(shù)據(jù)采集與處理速度慢，無法完成實(shí)時(shí)大量數(shù)據(jù)采集，且在強(qiáng)電磁干擾或惡劣的工作環(huán)境下還會產(chǎn)生死機(jī)或程序跑飛等問題。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用FPGA做數(shù)據(jù)處理，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MCU系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)純硬件化設(shè)計(jì)、即便是在強(qiáng)電磁干擾和極其惡劣的工作環(huán)境中，都能完成高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，脈沖寬度可調(diào)范圍為10～100 000 ns，采樣點(diǎn)數(shù)可達(dá)100 000個(gè)。采用并行的數(shù)據(jù)處理方式，可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)采集與存儲。數(shù)據(jù)平均次數(shù)可達(dá)10 000次。

2.3數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示部分就是將信號處理器處理后的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示出來。通過鍵盤獲得用戶要輸入的設(shè)置信息，并根據(jù)這些設(shè)置來控制信號的收發(fā)和處理。

3　高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

如圖2所示為AD數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)框圖，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)施數(shù)據(jù)的采集與處理，并將采集與處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸出串口發(fā)送到ARM控制器處理后進(jìn)行顯示。

圖2　AD數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)框圖

FPGA為主控器件實(shí)現(xiàn)可調(diào)寬度脈沖輸出，輸出10～10 μs的可調(diào)節(jié)脈沖；同時(shí)要對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并做平均處理；本設(shè)計(jì)中FPGA采用的芯片為EP2C25Q240C8。I/O分配如表1所示，EP3C25Q240C8有4608個(gè)邏輯單元（LE），66個(gè)M9K RAM總比特?cái)?shù)為608 256，4個(gè)鎖相環(huán)（PLL），66個(gè)18x18bits硬件乘法器，提供DSP功能，具有片上差分終端，輸入輸出模塊（IOBS），最多215個(gè)用戶可用I/O管腳，采用240_Pin PQFP封裝。I/O供電電壓支持多種，包括3.3伏，2.5伏等，支持LVDS接口，對LVDS電接口，875mb/s為最高速率。

本設(shè)計(jì)采用了ADI公司的AD轉(zhuǎn)換芯片AD9214，按ADC芯片的架構(gòu)分類，有Sigma_de1ta ADC，SAR ADC，流水線型ADC，閃存ADC。本設(shè)計(jì)中采用的ADC芯片屬于流水線型ADC，其采樣率達(dá)到Msps，目前大多數(shù)的高速ADC均采用這種架構(gòu)。它由N級一樣的結(jié)構(gòu)串聯(lián)起來成為完整的架構(gòu)，每一級都包含一個(gè)T/H（保持/跟蹤）電路、ADC和DAC以及最后的加法電路。流水線按照輸入時(shí)鐘一致的工作，可以實(shí)現(xiàn)非常高的采樣速率。該芯片的主要技術(shù)指標(biāo)為：10位分辨率j3.3 V電源供電，1MSPS的最高吞吐率，輸入信號在/CS的下降沿進(jìn)行采樣，無流水線延遲［4］。

電源管理，手持設(shè)備使用鋰電池供電，但系統(tǒng)所需電流比較大（2 A左右），所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)5 V，3 A的電源模塊。

采用兩塊SRAM完成數(shù)據(jù)的存儲與累加，軟件結(jié)構(gòu)采用四級流水線處理方式，加速數(shù)據(jù)處理速度，F(xiàn)PGA先發(fā)一個(gè)脈沖，由LD產(chǎn)生的光脈沖注入到待測光纖，然后由AD采集N個(gè)數(shù)據(jù)，存入SRAM1，每次采集時(shí)與之前的結(jié)果累加，然后存儲到SRAM2里，如此循環(huán)m次，最后再進(jìn)行平均；

表1　FPGA I/0引腳分配

4　測試曲線與結(jié)果分析

在OTDR的測量結(jié)果曲線上，縱軸表示功率電平，橫軸表示測量距離。光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換為相對光功率的大小來衡量被測光纖上各事件的損耗大??；曲線的斜率表明光纖衰減系數(shù)，波長為1 310 rim光脈沖的衰減系數(shù)在0.33 dB/km左右，波長為1 550 nm光脈沖的衰減系數(shù)在0.19 dB/km左右。由圖可見，在光纖熔接和彎折處可導(dǎo)致光功率衰耗，但是沒有反射現(xiàn)像，而在活動連接器、機(jī)械固定接頭和光纖斷裂處都會引起光信號的損耗和反射，損耗的大小是由背向散射上反射峰的幅度所決定的。

先發(fā)送一個(gè)光脈沖，反射光形成的實(shí)際曲線如圖3所示，采樣點(diǎn)距離和時(shí)鐘精度都會引起距離測量誤差，加大采樣點(diǎn)數(shù)可以減小測量誤差，本次設(shè)計(jì)測試光纖長度為100 km，每1 m采樣一個(gè)，采樣點(diǎn)數(shù)為100 000個(gè)，將這些分離的采樣點(diǎn)邊接起來形成最后顯示的測量曲線。測試結(jié)果如圖包括：被測光纖長度、熔接點(diǎn)、接頭和斷點(diǎn)的位置；光纖衰減系數(shù)。

圖3　光纖測試顯示圖

測試過程為首先通過ARM的人機(jī)界面向FPGA發(fā)送一些參數(shù)指令：選擇脈沖寬度pu1se_width，采樣點(diǎn)數(shù)N，平均次數(shù)m等，同時(shí)選擇1 310 nm或者1 550 nm波長的激光；然后進(jìn)入AD數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，這時(shí)FPGA先發(fā)一個(gè)脈沖，采集N個(gè)數(shù)據(jù)，每次采集時(shí)與之前的結(jié)果累加，然后存儲到SRAM里，如此循環(huán)m次，最后再進(jìn)行平均；AD數(shù)據(jù)采集處理完畢后，通過串口發(fā)送給ARM，然后ARM把該數(shù)據(jù)在LCD上顯示出來。

圖4分別為10 s和3分鐘平均時(shí)間對應(yīng)的測試曲線。更長的平均時(shí)間減少了OTDR的噪聲電平。當(dāng)平均次數(shù)無窮大時(shí)，隨機(jī)噪聲電平將趨于0，本系統(tǒng)測試時(shí)選擇求平均次數(shù)為10 000次。平均噪聲近似趨于0，測試圖清晰可見。

圖4　光纖測試對比效果圖

5　結(jié)束語

文中基于OTDR相關(guān)測量原理，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種快速高可靠的光纖檢測系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)處理核心模塊采用FPGA架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算處理。對隨機(jī)噪聲采用了求平均算法處理，并且對樣品光纖實(shí)現(xiàn)了實(shí)際測量，試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)精確度高。

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［2］倪玉婷，呂辰剛，武星.基于OTDR的分布式光纖傳感器原理及應(yīng)用［J］.光纖與電纜及其用技術(shù)，2006（1）：1_4.

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［8］王軼鍇，陳偉，楊振昊.光纖監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2015（23）：113_115.

A Deslgn of qulck oPtlcal flber detectlon system based on 0TDR

JIANG Li，LIU Zhi_bin
（Hunan Technical College of Railway High·Speed，Hengyang 421001，China）

OTDR as we11 as Optica1 Time Domain Ref1ectometry，can imp1ement remoter monitoring of optica1 fiber equipment. In this paper，Based on the study on the re1iabi1ity of an optica1 fiber communications system，an automatica11y detecting system which is based on OTDR is designed and imp1emented，the system possess the quick and high1y re1iab1e capabi1ities.Most traditiona1 systems of OTDR are based on the MCU_architected，This is often a hard task to co11ect a series of data.The error measurement uncertainty impacts the re1iabi1ity of measurement resu1t.In this paper，The data co11ecting modu1e used FPGA processor can enhance the system's data_co11ecting capacity.The data averaging process are app1ied to this system.Ray1eigh noise and random dot_noise are trending to zero.

OTDR；FPGA；high speed；data acquisition

TN914.3

A

1674_6236（2016）10_0139_03

2015_06_12稿件編號：201506128

江麗（1982—），女，瑤族，湖南邵陽人，碩士，講師。研究方向：電路與系統(tǒng)。