一種基于0TDR的快速光纖檢測(cè)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(yáng)421002）

一種基于0TDR的快速光纖檢測(cè)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(yáng)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(guò)對(duì)鐵道通信光纖監(jiān)測(cè)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的OTDR系統(tǒng)是基于MCU架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，難以完成大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，帶來(lái)的測(cè)量誤差會(huì)累積到測(cè)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(wú)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(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的工程結(jié)構(gòu)連續(xù)監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)鐵道通信光纖監(jiān)測(cè)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(cè)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(lái)進(jìn)行測(cè)量。目前的光纖測(cè)量中，主要是要測(cè)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(zhǎng)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(cè)量所依據(jù)的主要是瑞利散射原理；光纖斷點(diǎn)的測(cè)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u(píng)m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(hào)強(qiáng)度與反射面狀況和傳輸光的功率相關(guān)。對(duì)于來(lái)自光纖上L點(diǎn)處的菲涅爾反射光，在光纖注入端測(cè)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(cè)距量原理為：首先OTDR發(fā)射一個(gè)光脈沖信號(hào)，這個(gè)光脈沖在遇到斷點(diǎn)、接頭、熔接點(diǎn)以后會(huì)反射回來(lái)，如果OTDR能夠精確的測(cè)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(chēng)為回波時(shí)間，f為采樣率，N為總采樣點(diǎn)數(shù)，為待測(cè)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(dòng)光源模塊產(chǎn)生光脈沖，經(jīng)方向耦合器射入待測(cè)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(huì)產(chǎn)生瑞利散射光，連同遇到不平整光纖端面會(huì)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(hào)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(cè)光纖反復(fù)發(fā)送光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

圖1　系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

2.1信號(hào)收發(fā)模塊

信號(hào)收發(fā)模塊包括脈沖控制器、激光器、光電探測(cè)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(hào)放大以驅(qū)動(dòng)LD模塊產(chǎn)生光脈沖；

激光器為L(zhǎng)D激光二極管，可發(fā)射1 310 nm、1 550 nm兩種波長(zhǎng)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(cè)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(huì)得到更為清晰的軌跡圖。但在長(zhǎng)距離測(cè)試時(shí)，1 550 nm有更小的單位衰減，具有更長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍，通常采用1 550 nm作為測(cè)試光波長(zhǎng)［2］。

光電探測(cè)器為光敏二極管，可將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)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(duì)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(hào)的多重發(fā)送和采集處理，因?yàn)殡S機(jī)噪聲會(huì)影響信號(hào)軌跡的信噪比，可用平均算法來(lái)處理，將通過(guò)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(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，采用串行的指令執(zhí)行方式，采樣點(diǎn)少會(huì)造成測(cè)量的較大誤差、采樣點(diǎn)多無(wú)法完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，且數(shù)據(jù)采集與處理速度慢，無(wú)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(huì)產(chǎn)生死機(jī)或程序跑飛等問(wèn)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(duì)數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)。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(hào)處理器處理后的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示出來(lái)。通過(guò)鍵盤(pán)獲得用戶(hù)要輸入的設(shè)置信息，并根據(jù)這些設(shè)置來(lái)控制信號(hào)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(guò)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(duì)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(hù)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(duì)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(lèi)，有Sigma_de1ta ADC，SAR ADC，流水線(xiàn)型ADC，閃存ADC。本設(shè)計(jì)中采用的ADC芯片屬于流水線(xiàn)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(jí)一樣的結(jié)構(gòu)串聯(lián)起來(lái)成為完整的架構(gòu)，每一級(jí)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(xiàn)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(hào)在/CS的下降沿進(jìn)行采樣，無(wú)流水線(xiàn)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(chǔ)與累加，軟件結(jié)構(gòu)采用四級(jí)流水線(xiàn)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(cè)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(chǔ)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(cè)試曲線(xiàn)與結(jié)果分析

在OTDR的測(cè)量結(jié)果曲線(xiàn)上，縱軸表示功率電平，橫軸表示測(cè)量距離。光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換為相對(duì)光功率的大小來(lái)衡量被測(cè)光纖上各事件的損耗大小；曲線(xiàn)的斜率表明光纖衰減系數(shù)，波長(zhǎng)為1 310 rim光脈沖的衰減系數(shù)在0.33 dB/km左右，波長(zhǎng)為1 550 nm光脈沖的衰減系數(shù)在0.19 dB/km左右。由圖可見(jiàn)，在光纖熔接和彎折處可導(dǎo)致光功率衰耗，但是沒(méi)有反射現(xiàn)像，而在活動(dòng)連接器、機(jī)械固定接頭和光纖斷裂處都會(huì)引起光信號(hào)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(xiàn)如圖3所示，采樣點(diǎn)距離和時(shí)鐘精度都會(huì)引起距離測(cè)量誤差，加大采樣點(diǎn)數(shù)可以減小測(cè)量誤差，本次設(shè)計(jì)測(cè)試光纖長(zhǎng)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(lái)形成最后顯示的測(cè)量曲線(xiàn)。測(cè)試結(jié)果如圖包括：被測(cè)光纖長(zhǎng)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(cè)試顯示圖

測(cè)試過(guò)程為首先通過(guò)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(zhǎng)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(chǔ)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(guò)串口發(fā)送給ARM，然后ARM把該數(shù)據(jù)在LCD上顯示出來(lái)。

圖4分別為10 s和3分鐘平均時(shí)間對(duì)應(yīng)的測(cè)試曲線(xiàn)。更長(zhǎng)的平均時(shí)間減少了OTDR的噪聲電平。當(dāng)平均次數(shù)無(wú)窮大時(shí)，隨機(jī)噪聲電平將趨于0，本系統(tǒng)測(cè)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(cè)試圖清晰可見(jiàn)。

圖4　光纖測(cè)試對(duì)比效果圖

5　結(jié)束語(yǔ)

文中基于OTDR相關(guān)測(cè)量原理，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種快速高可靠的光纖檢測(cè)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(duì)隨機(jī)噪聲采用了求平均算法處理，并且對(duì)樣品光纖實(shí)現(xiàn)了實(shí)際測(cè)量，試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)精確度高。

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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(hào)：201506128

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