智能化光时域反射仪的设计研究.docx

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智能化光时域反射仪的设计研究

学号：

题目类型：

论文

（设计、论文、报告）

桂林理工大学

GUILINUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

本科毕业设计（论文）

题目：

智能化光时域反射仪的设计研究

（本论文版权为学校所有，若要引用，请注明出处）

学院：

信息科学与工程学院

专业（方向）：

信息检测

班级：

电信08-3班

学生：

屠晨晨

指导教师：

陆绮荣

2012年5月14日

摘要

光纤通信是以光波作载波以光纤为传输媒介的通信方式。

光纤通信有传输频宽，通信容量大，传输距离远，损耗小，抗电磁干扰能力强等优点而成为现代主要的通信方式之一。

随着光纤通信的迅猛发展，光纤测试技术也成为光纤通信中很重要的一项技术。

其中光时域反射仪是光纤测试领域使用频率很多的一块仪表，由于它可以测量光纤的长度，光纤的链路衰减以及故障点的准确定位，具有测试时间短，速度快，准确度高等优点而广泛的使用于光缆线路的施工和维护中。

然而现在的光时域反射仪都是专用仪表，价格昂贵，功能单一，扩展性差。

利用虚拟仪器技术可以很好地解决这些问题。

本文采用虚拟仪器技术对光时域反射仪进行设计研究。

研究的内容有：

光时域反射仪工作原理，硬件电路设计，虚拟仪器程序设计，瑞利散射，菲涅尔反射以及光在光纤中传输时产生的背向散射光来获取衰减信息的基本原理。

通过设计研究得出结论：

基于虚拟仪器技术的光时域反射仪的精度可以达到很高，满足光纤通信系统的测试。

另外，由于虚拟仪器技术基于计算机平台，可以很方便的扩展各种功能，可以实现采集信息的处理、存储以及网络传输，体现了光时域反射仪智能化的特点。

关键词：

光时域反射仪；虚拟仪器；瑞利散射；菲涅尔反射

Designandreseachofintelligentopticaltimedomainreflectometer

Student:

TUChen-chenTeacher:

LUQi-rong

Abstract：

Opticalfibercommunicationbasedonlightwavesforthecarrierandtheopticalfiberasthetransmissionmediumofcommunication.Theadvantagesofopticalfibercommunicationiswidetransmissionfrequencybandwidth,largetransmissioncapacity,longtransmissiondistance,lowlossandstrongabilityofanti-electromagneticinterferencetobecomeoneofthemodernmajorcommunication.Withtherapiddevelopmentofopticalfibercommunication,fiberoptictestingtechnologyhasalsobecomeaveryimportanttechnologyintheopticalfibercommunication.Amongthis,theOTDRhashighusingfrequencyinthefieldoffiberoptictest,asitcanmeasurethelengthoftheopticalfiber,opticalfiberlinkattenuationandtheexactlocationofthepointoffailureandhastheadvantagesofshorttesttime,fasttestspeed,hightestaccuracy,soithaswidelyusedintheconstructionandmaintenanceoffiberopticcableline.However,theOTDRarespecialinstruments,theyareexpensive,singlefunction,poorscalability.Thevirtualinstrumenttechnologycansolvetheseproblems.

ThispaperisdesigningandstudyingtheOTDRwithvirtualinstrumenttechnology.ThecontentofthestudyhasOTDRworkstudy,hardwarecircuitdesign,virtualinstrumentprogramdesign,Rayleighscattering,Fresnelreflectionandthebackwardscatteredthatgeneratedinthetransmissionoflightinopticalfiberstoobtaintheattenuationinformation'swork.Concludedthroughtheresearch:

theOTDR'saccuracycanreachveryhighbaseonvirtualinstrumenttechnology,meetthetestofopticalfibercommunicationsystem.Inaddition,thevirtualinstrumenttechnologybasedoncomputerplatform,caneasilyexpandthevariousfunctions,canachievecollectionofinformationprocessing,storageandnetworktransmission,reflectingtheintelligentfeaturesoftheOTDR.

Keywords：

OTDR;Virtualinstrument;Rayleighscattering;Fresnelreflection

目次

摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract…………………………………………………………………………………Ⅱ

1引言…………………………………………………………………………………1

2瑞利散射和菲涅尔反射……………………………………………………………3

2.1瑞利散射……………………………………………………………………3

2.2菲涅尔反射…………………………………………………………………3

2.3背向散射……………………………………………………………………5

3光时域反射仪的工作原理…………………………………………………………6

3.1光纤中的散射与反射………………………………………………………6

3.2测试光波长…………………………………………………………………7

3.3脉冲宽度与脉冲周期………………………………………………………7

3.4动态范围……………………………………………………………………8

3.5采样分辨率…………………………………………………………………8

4硬件电路设计………………………………………………………………………9

4.1脉冲产生电路………………………………………………………………9

4.2激光器电路…………………………………………………………………10

4.2.1半导体激光器介绍…………………………………………………10

4.2.2激光器电路设计……………………………………………………10

4.2.3电压跟随器…………………………………………………………12

4.3光环型器……………………………………………………………………12

4.4光电检测器……………………………………………………………………13

4.4.1PIN光电二极管……………………………………………………13

4.4.2前置放大器…………………………………………………………14

4.4.3光电检测器电路设计………………………………………………14

4.4.4接收机的动态范围…………………………………………………17

5虚拟仪器设计………………………………………………………………………19

5.1虚拟仪器介绍………………………………………………………………19

5.2虚拟仪器数据采集卡………………………………………………………19

5.3虚拟仪器程序设计…………………………………………………………19

5.3.1数字滤波器设计……………………………………………………19

5.3.2公式节点……………………………………………………………20

5.3.3数据捆绑……………………………………………………………21

5.3.4属性节点……………………………………………………………22

5.3.5虚拟仪器整体设计……………………………………………………23

5.4光时域反射仪信号仿真……………………………………………………25

6总结…………………………………………………………………………………28

致谢……………………………………………………………………………………29

参考文献………………………………………………………………………………30

1引言

光纤通信作为现代通信技术的主要通信方式之一，有着传输距离远、频带宽、容量大、抗电磁干扰能力强等优点。

随着光纤通信技术的不断成熟，设备成本的不断降低，光纤通信将会全面取代现有的以金属导线为媒介的通信方式成为有线通信的主流。

所以如何在生产、施工、使用和维护中对光纤测试正成为一项重要的技术。

目前，对光纤测试常用仪表有光功率计、稳定光源、光万用表、光时域反射仪（OTDR）和光故障定位仪。

而光时域反射仪则是光纤测试技术中使用频率很多的一块仪表，它可测量光纤长度、光纤的链路衰减、接头衰减和故障定位，具有测试时间短、速度快、精度高等优点。

所以光时域反射仪是光纤通信的重要仪表，在科研、生产、施工、维护等光通信邻域发挥着至关重要的作用。

然而，光时域反射仪都是专用的仪表，价格比较昂贵，功能单一，扩展新差。

而虚拟仪器技术有如下的优点：

1）性能高

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以它具有PC技术的优点，包括强大的处理器和文件管理，既能够实时的进行复杂的数学计算，又能够快速的进行文件的存储。

此外，得益于互联网技术的快速发展，虚拟仪器可以将采集的数据信息通过互联网快速的传输的各个电脑，也可以实现远程操控。

体现了虚拟仪器智能化的发展方向。

2）扩展性强

NI公司出品的虚拟仪器是将软件和硬件分开，硬件部分负责信号的放大和模数转换，软件部分负责信号的处理和分析，数据采集卡则是软件和硬件的桥梁，它负责将采集到的信号进行模数转换送给软件进行分析。

通过将软硬件分开，使得虚拟仪器具有很强的灵活性。

如果硬件电路性能不高，只需更改硬件电路；如果软件设计的功能不是很多，信号处理的算法不是很完善，那么只需对软件进行更改就行了，而无需调整硬件电路，使虚拟仪器的扩展性非常强。

3）开发时间少

首先，NI公司的labview使用的是图形化的编程语言，使用起来很方便，无需编写大量的程序，只需将几个图形化的控件和函数连接起来就可以实现相同的功能，极大的缩短了研发人员的编程时间。

又由于虚拟仪器扩展性强，只需更改相应的部分就能够使系统进行升级，也极大地缩短了研发人员的研发时间。

所以虚拟仪器具有开发时间少的优点。

4）无缝集成

由于现在产品的功能越来越多，趋向于复杂化，如果只是对专用的仪器进行功能的扩展，那么就要花费的大量的时间重新定制软件和硬件结构。

而NI的虚拟仪器软件平台为硬件电路提供了多个标准的I/O接口，能够将多个测量设备连接到一个虚拟仪器平台中，使虚拟仪器功能的扩展简单快捷，达到了无缝集成的效果。

以上这些优点，解决了现有光时域反射仪的不足之处，同时也使光时域反射仪具备了计算机智能化的特点。

本文采用虚拟仪器技术对光时域反射仪进行设计研究。

对光时域反射仪的设计研究分为三个部分，一个部分为工作原理的研究，一部分为硬件电路设计，一部分为虚拟仪器程序设计。

此外，论文还分析了瑞利散射，菲涅尔反射以及光在光纤中传输时产生的背向散射光来获取衰减信息的基本原理。

硬件电路设计包括光时域反射仪的脉冲产生电路，半导体激光器，光耦合器，光电检测器和信号放大电路。

虚拟仪器程序设计包括光时域反射仪的模数转换模块，信号处理模块和显示模块。

2瑞利散射和菲涅尔反射

2.1瑞利散射

当光通过不均匀介质时，它会偏离原来的方向而向四周传播，这种现象称为光的散射。

有很多原因造成介质的光学均匀性不均匀，一种是在空间中悬浮的质点，如烟、雾、灰尘，它们使光产生散射；一种是介质中分子密度的不均匀性导致介质折射率的变化，从而产生光的散射[1]。

散射分为两种，一种是线性散射，一种是非线性散射。

线性散射指的是入射光经过介质发生散射时没有新频率的散射光产生。

而非线性散射指的是散射光除了入射光的频率外，还有新的频率的散射光产生。

瑞利散射就属于线性散射，它散射的粒子的大小在1/5~1/10光波长以下。

在光纤通信中，瑞利散射是最强的自发散射的过程，它是由于光纤在制造的过程中造成的局部密度不均匀性和成分不均匀性引起的，由于这些不均匀性的尺寸要比光波长要小，所以产生瑞利散射。

瑞利散射具有如下的主要特点：

a.散射光强与入射光波长四次方成反比，即

（3-1）

上式就是瑞利散射定律公式。

b.散射光强随观察方向而改变，散射光强与观察方向之间的关系为

（3-2）

式中θ为观察方向与入射方向之间的夹角，

是垂直于入射方向上即ψ=π/2时散射光的强度[1]。

由公式（3-2）可知，当θ=-π时，即为背向散射。

它为

光强度的两倍。

2.2菲涅尔反射

当光线从一种介质入射到另一种介质时，会产生反射光和折射光。

当光线入射到两个介质的分界面时，有一部分光会被反射，回到原来的介质中传播，叫做光的反射。

而光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生偏折，叫做光的折射。

假设光线由介质n1入射到介质n2中（n1>n2），θ1为入射光与法线的夹角，θ2为折射光与法线的夹角，θ3为反射光与法线的夹角，光的折射与反射示意图如图1所示。

可以得出光的折射公式

（3-3）

图1光的折射与反射示意图

从图中可以看出：

当光线从光密介质n1入射到光疏介质n2时，折射角比入射角大。

当θ2=π/2时，θ1即为一临界角

。

当入射角θ1大于临界角

时，那么入射光就会在两个介质的分界面产生全反射，而没有折射光产生。

光纤就是通过这一原理使光在光纤中传输，由于入射光发生全反射时能量损耗非常的微小，所以光在光纤中传输的距离非常远。

菲涅尔反射指的是反射/折射与入射光之间的关系。

简单的讲，就是入射光垂直于表面时，反射较弱，而当入射光非垂直表面时，夹角越小，反射越明显。

在真实世界中，除了金属之外，其它物质均有不同程度的“菲涅尔效应”。

菲涅尔反射强度与两种媒质的相对折射率的平方成正比。

一束能量为P0的光，由媒质1（折射率为nl）进入媒质2（折射率为n2）产生的反射光光强为P1，则菲涅尔反射光强有如下关系式

（3-4）

根据公式（3-4）可知，当光线入射到折射率不同的两个介质时，会发生菲涅尔反射。

两个介质的折射率偏差越大，那么菲涅尔反射越强。

2.3背向散射

引起光纤损耗的原因有很多，大体可以分为两类。

一类为光纤材料引起的，主要有吸收损耗和散射损耗。

吸收损耗主要有红外和紫外吸收损耗，OH离子吸收损耗，金属离子吸收损耗。

散射损耗主要有瑞利散射损耗，波导散射损耗和非线性散射损耗。

一类为光纤在使用过程中弯曲造成的，当光纤的弯曲度大于一定的曲率半径时就会有一部分光从光纤中泄露出来引起损耗。

吸收损耗和散射损耗为光纤损耗的主要因素，它们都使入射光进行了不同程度的衰减。

假设入射光Pi经过距离为L的介质后，透射光的光功率为Po。

其中α为光纤的衰减系数，那么入射光与透射光的关系为

（3-5）

当入射光Po由光纤端口注入到距离为L的光纤后，产生瑞利散射，其中产生的背向散射反向传输回到光纤端口，此时的背向散射光功率为Pb。

假设此光纤的背向散射系数为S，光纤的衰减系数为α，那么背向散射光功率与入射光功率的关系为[2]

（3-6）

“2”指的是入射光经瑞利背向散射返回到光纤端口之间走过的距离为2L。

对Pb取对数作为光纤链路图纵坐标，单位为dBm。

光信号从光纤端口进入，经距离为L的光纤后产生背向散射回到光纤端口的时间t和距离L之间的关系为[2]

（3-7）

其中，c：

光在真空中的传播速度（3×108m/s）。

N：

光纤纤芯折射率，通常为1.4682。

t：

一束光由注入端开始到回到起点的时间。

根据公式（3-7）可知，当对光纤端口发出一个很短的光脉冲，并在此刻开始记录背向散射光的时间，就可以知道背向散射光功率对应的光纤的距离，作为光纤链路图的横坐标，从而可以显示该光纤的背向散射曲线。

3光时域反射仪的工作原理

光时域反射仪的英文名称为OpticalTimeDomainReflectometer，简写为OTDR。

光时域反射仪用到的光学理论主要有瑞利散射和菲涅尔反射，这种测量方法由M.Barnoskim和M.Jensen在1976年发明的。

当光时域反射仪工作时，首先发出一个很窄的脉冲信号，脉冲信号由激光器变换成光脉冲经光耦合器注入到光纤中。

由于光纤在制造过程中存在局部密度不均匀性和成分不均匀性，而这些不均匀性会对光脉冲产生瑞利散射，其中背向散射光会返回光纤的初始端口经光耦合器送到光电检测器。

光电检测器将光信号转换成微弱的电信号经放大器放大处理和模数转换后，将数字信号输送给信号处理单元进行信号处理和分析，然后将曲线和分析的结果显示在显示器上。

由于一次测量产生的误差比较大，通常都是由脉冲信号发生器发出多个脉冲，对光纤进行多次测量求平均值来消减随机误差从而使测量精度满足要求[3]。

OTDR原理框图如图2。

图2OTDR原理框图

在测试中，一些参数也影响着光时域反射仪的性能。

它们有瑞利散射和菲涅尔反射，测试光波长，脉冲宽度，动态范围和采样分辨率。

3.1光纤中的散射与反射

由于光纤中存在瑞利散射和菲涅尔反射，所以光时域反射仪能将反射回来的光功率记录下来形成光纤链路图。

瑞利背向散射光能量级别很低，又由于光纤内部杂质的散射和吸收使瑞利背向散射光不断地衰减，所以在OTDR轨迹中显示为倾斜向下的直线。

由菲涅尔反射公式（3-4）可知，当光到达折射率突变的位置时，有很大一部分光被反射回去，产生菲涅尔反射。

在光纤中产生菲涅尔反射的原因是由于在光纤中存在连接器、机械接头、光纤断裂或打开的连接器。

菲涅尔反射光要比瑞利背向散射光的能级高得多，在OTDR轨迹中以尖峰的形式表现出来。

所以菲涅尔反射通常用来检测光纤链路的事件点。

图3说明了产生菲涅尔反射的不同连接。

图3

（1）机械接头、

（2）光纤适配器和（3）打开的连接器产生的菲涅尔反射

3.2测试光波长

在OTDR中，测试光波长通常为1310nm和1550nm。

根据瑞利散射公式（3-1）可知：

波长越短，瑞利散射的光功率就越强，所以1310nm波长的曲线会比1550nm波长的曲线高，动态范围好。

但是在测试长距离光纤时，由于1310nm产生的瑞利散射比较大，衰减也随之变大，形成的曲线就不清晰。

所以在长距离测试的时候宜采用1550nm作为测试波长，普通的短距离测试选取1310nm为宜[4]。

3.3脉冲宽度与脉冲周期

脉冲宽度指的是激光所发出的光脉冲的宽度。

它是由脉冲信号发生器来决定的。

通常脉冲宽度与激光的能量成正比。

激光的脉冲宽度越宽，激光所携带的能量就越大，那么激光传输的距离就越远，测量的曲线就越清晰，适合于检测长距离的光纤。

而激光的脉冲宽度越窄，那么激光所携带的能量就越小，经过长距离的传输后产生的背向散射就会衰减很多，很容易淹没到噪声当中使曲线模糊不清，所以窄的脉冲宽度不适合于测试长距离的光纤，但是窄的脉冲宽度的激光会使事件盲区和衰减盲区减小，使测试结果更加精确，所以在测量短距离的光纤时，应选用窄的脉冲宽度。

脉冲周期要比脉冲宽度的时间要长的多。

根据公式（3-7）可知，当时间t为一定值时，对应的的测量长度也就固定了。

如果t为脉冲周期，那么测量长度就是光时域反射仪最大测量量程。

因为如果光纤大于这一长度时，背向散射光还没有完全返回到光纤初始端时，就有下一个光脉冲入射到光纤中，会对背向散射光产生极大地干扰，使测量的数据与真实值有很大的区别。

所以脉冲周期决定了光时域反射仪的最大量程。

3.4动态范围

光纤链路图的动态范围指的是在一次测量中背向散射开始与噪声峰值间的功率损耗比。

目前有两种定义动态范围的方法：

1.峰值法：

它由背向散射开始测到噪声的峰值。

2.SNR=1法：

这里动态范围测到噪声的均方根值为止，显然这种测量方法的动态范围要比峰值法要高。

光时域反射仪的动态范围指的是光接收机的动态范围。

光接收机的动态范围是指光接收机最小输入光功率和最大允许光功率之间的变化范围。

由公式（3-6）可以看出，当光接收机的动态范围越大，测量光纤的距离也就越长。

3.5采样分辨率

采样分辨率指的是两个连续采样点之间的距离。

采样分辨率是由模数转换器的采样速率决定的。

模数转换器的采样速率越高，采样分辨率越好。

当采样分辨率越高时，两个连续采样点之间的距离也就越小，描绘的光纤链路图的信息也就越丰富，可以从光纤链路图中察看到距离很小的事件点，使光时域反射仪的故障查找能力大大提高。

图4显示了不同采样分辨率的图形。

a）b）

图4不同采样分辨率的图形：

a）5米分辨率，b）15米分辨率。

4硬件电路设计

4.1脉冲产生电路

脉冲产生电路由AT89S52单片机电路构成。

单片机电路产生周期为1ms的脉冲信号，脉冲宽度为1us。

此时，此时光时域反射仪的最大测量时间为1ms，设定光纤纤芯折射率n=1.4682，由公式（3-7）可得，光时域反射仪最大量程约为100km。

脉冲信号如图5。

图5脉冲信号

脉冲产生电路如图6。

该单片机电路采用24MHz晶振，一个机器周期为0.5us，可满足设计要求。

开关S1控制单片机工作，当按下开关S1时，单片机启动，P2.7脚向激光器电路发出周期性的脉冲，同时P2.6脚向虚拟仪器接口发出启动电平，让虚拟仪器开始工作，记录此时的光功率及对应的时间。

当P2.7脚不再产生脉冲信号时，那么P2.6脚向虚拟仪器发出停止电平，使虚拟仪器停止工作。

图6脉冲产生电路

4.2激光器电路