[发明专利]一种提高光时域反射计动态范围的信号检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，特别涉及一种提高光时域反射计动态范围的信号检测装置及方法。

背景技术

光时域反射计(OTDR)是基于菲涅尔反射和瑞利后向散射的测量仪器，可测量光纤长度和光纤链路的衰减，同时能检测和定位光纤链路上的事件，如：断点、接头损耗、弯曲损耗等。瑞利散射是半径比光的波长小很多的微小颗粒对入射光束的散射。瑞利散射在整个空间中都有功率分布，其中存在沿着光纤轴向向前或向后的散射，通常称沿轴向向后的瑞利散射为瑞利后向散射，它提供了与光纤长度有关的连续衰减细节。菲涅尔反射是当光入射到折射率不同的两个媒质分界面处，一部分光被吸收。

随着光纤通信技术的发展，光纤的应用日益广泛，如波分复用(WDM)技术、光控相控阵雷达系统等，产生了形式复杂的光纤系统和拓扑结构，光纤接头繁多，链路结构复杂，对快速而准确地测量光纤特性、定位光纤中的故障点提出了更高的要求。OTDR是目前最普遍采用的光纤检测技术。1975年，Barnoski和Jensen首次提出后向散射理论^[1]。1976年，Personik进一步完善后向散射技术，通过实验建立了多模光纤的瑞利后向散射功率方程^[2]。1980年Brinkmeyer将后向散射技术应用于单模光纤，论证了后向散射功率方程不仅适用于多模光纤，也适用于单模光纤^[3]。

OTDR的技术指标包括动态范围、空间分辨率、损耗盲区和事件盲区、损耗分辨率等，这些指标中最关键的是动态范围。在高的动态范围下，较小的脉宽也能满足一定距离的测量要求，实现较高的空间分辨率；高的动态范围意味着较远距离处的噪声幅度较小，能够实现较高的损耗分辨率；高的动态范围也在一定程度上改善由于盲区带来的测量干扰。因此，提高OTDR的动态范围是提高OTDR性能指标的重要基础。通常情况下，菲尼尔反射的强度远大于瑞利后向散射的强度，如采用脉宽为100ns的脉冲时，菲涅尔反射的强度比瑞利后向散射的强度大约强40dB，对于脉冲宽度更短的情况，两者相差更多。菲涅尔反射信号的频率接近于系统测试脉冲的频率，相比于瑞利后向散射信号，为高频信号。可利用其不同的频率特性提高信号检测的动态范围。

参考文献：

[1]M.K.Barnoski，S.M.Jensen，Fiber waveguides：A novel technique for investigating attenuation characteristics，Appl.Opt，Vol.15，No.9，pp.2112-2115，1976.

[2]S.D.Personik，Photon probe-an optical-fiber time-domain reflectometer，Bell syst.Tech.J.，Vol.56，No.3，pp.355-3661977.

[3]E.Brinkmeyer，Backscattering in single-mode fibers，Electron.Lett，Vol.16，No.9，pp.329-330，1980.

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种提高光时域反射计动态范围的信号检测装置及方法，以利用菲涅尔反射和瑞利后向散射不同的频率特性，解决由于菲涅尔反射的强度远大于瑞利后向散射的强度限制检测系统的动态范围的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种提高光时域反射计动态范围的信号检测装置，该信号检测装置包括雪崩光电二极管1、跨阻放大器2、分频电路3、高电压放大电路4、低电压放大电路5、高模数转换器6、低模数转换器7、现场可编程门阵列10、数模转换器9和升压芯片8，其中，雪崩光电二极管1、跨阻放大器2和分频电路3依次连接，分频电路3分别连接于高电压放大电路4和低电压放大电路5，高电压放大电路4连接于高模数转换器6，低电压放大电路5连接于低模数转换器7，高模数转换器6和低模数转换器7均连接于现场可编程门阵列10，现场可编程门阵列10、数模转换器9和升压芯片8依次连接，且升压芯片8还连接于雪崩光电二极管1。

上述方案中，所述雪崩光电二极管1用于检测光纤瑞利后向散射和菲涅尔反射，其内部电流增益是通过调节反向偏压的大小来改变。

上述方案中，所述跨阻放大器2用于将雪崩光电二极管1输出的电流转换为电压信号。