（光学工程专业论文）高性能pcotdr技术研究.pdf

学科专业：光学工程 论文题目： 高性能p c o t d r 技术研究 y3 6 5 8 1 9 硕士生：代志勇导师：刘永智 摘要 本文深入探讨具有i s a 总线接口1 5 s u m 单模光纤o t d r 的设计方法。 采用脉冲半导体激光器组件，低噪声、低温p i n f e t 组件，使用数字平 均结合数字滤波的信号处理方法，最大限度地抑制接收机的噪声：用y 型光纤分路器，降低前端反射，提高接收机的灵敏度和信噪比，使 p c - o t d r 获得大动态范围。脉冲发生器设计成输出脉宽可选择，通过编 程选择以适应各种应用对分辨率的不同要求。改变了传统o t d r 结构形 式，p c - o t d r 通过i s a 总线接口增强了与计算机的数据交换的能力，实 现用软件进行信号处理，提高其动态范围。并最终实现p c o t d r 的虚拟 仪器系统，提出参数优化测试思想。p c o t d r 更适用于光纤通信网的在线 监测系统，并且更容易组建其它测试系统。 f 利用设计和制作的接收机、a d 转换器、总线接1 3 、系统软件组建 了实验系统；经实验表明，p c - o t d r 的动态范围可达到3 8 d b ，空间分辨 率可达1 0 米。系统能够实现板卡集成和总线型结构( i s a ) ；通过在 v c + + 6 0 下开发的软件，可以建立p c o t d r 的虚拟仪器系统。广 关键词：光时域反射计 s a 总线虚拟仪器数字平均 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t saa p p r o a c ht od e s i g na15 5 u r ns i n g l e m o d ef i b e r o p t i c a l t i m e d o m a i nr e f l e c t o m e t e rw i t hp c b u si n t e 血c ef p c o t d r ) t h e a p p r o a c h u s e sa p u l s e d s e m i c o n d u c t o r l a s e r s ，a l o w 。n o i s ea n d l o w - t e m p e r a t u r e r e c e i v e rw i t hap i nd i o d e d e t e c t o ra n df e t t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e rt o g e t h e r , a n d m e a n so fd i g i t a l a v e r a g i n ga n d d i g i t a l f i l t e r i n gs i g n a lp r o c e s s i n g ，t o r e d u c et h er e c e i v e r sn o i s et oa m i n i m u mi tu s e say t y p ef i b e rd i s t r i b u t o rt or e d u c e t h er e f l e c t i o nf o r mt h e f r o n to ft e s t e df i b e rt o o b ye n h a n c i n g t h er e c e i v e r s s e n s i t i v i t y a n d s i g n a l n o i s er a t i ow ec a ne n l a r g et h ed y n a m i cr a n g eo f p c o t d rg r e a t l y t h ew i d t ho fp u l s ec a nb es e l e c t e db yp r o g r a m m i n gt oe n s u r et h es p a t i a l r e s o l u t i o nf o ra l lk i n d so f a p p l i c a t i o nc h a n g e d t h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r e ，t h e p c o t d ro b t a i nm o r es t r o n g e ra b i l i t yo fe x c h a n g i n gd a t aw i t hc o m p u t e r s oi tc a nu s es o f tt o p r o c e s ss i g n a l t o i m p r o v et h ed y n a m i cr a n g e o f p c o t d r a g a i nw e o b t a i nav i r t u a l i n s t r u m e n ts y s t e ma n d p r e s e n tt h ei d e a o n t e s t i n gp a r a m e t e ro p t i m i z e d t h ep c o t d rf i tt h e a p p l i c a t i o n o f i n s e r v i c em o n i t o r i n gs y s t e mf o ro p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si t s t r u c t u r ea n o t h e rt e s t i n gs y s t e me a s y b ym e a n so fr e c e i v e r , a dc o n v e r t e r , p c b u si n t e r f a c e ，s y s t e m s o f t d e s i g n e d a n dm a d e ，w es t r u c t u r e e x p e r i m e n ts y s t e m ap c o t d rw i t h d y n a m i cr a n g e o f3 8 d b 1 0 - m s p a t i a l r e s o l u t i o ni sd e m o n s t r a t e d b y e x p e r i m e n tr e s u l t s t h es y s t e mw i t hp c b u ss t r u c t u r ec a nb ei n t e g r a t e di n o n ec a r d u s i n gs o f td e v e l o p e du n d e rv c + + 6 0 ，av i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m c a nb eo b t a i n e d k e y w o r d ：o t d r z i s a b u s v i r t u a l - - i n s t r u m e n t d i g i t a l a v e r a g i n g 2 电子科授大学矾士论文 第一章绪论 1 1o t d r 技术的发展 光时域反射计( o p t i c a l t i m ed o m a i nr e ( e l c t o m e t r yo t d r ) 是表 征光纤传输特性的测量仪器。o t d r 可测量整个光纤链路的衰减并提供与 长度有关的衰减细节，具体表现为探测、定位和测量光纤链路上任何位 置的事件( 事件是指因光纤链路中熔接、连接器、弯曲或断裂等形成的 缺陷，其光传输特性的变化可以被测量) 。o t d r 测试是一种非常简便、实 用的测量方法，它不但省时、测量方便而且具有非破坏性。因而广泛地 应用于光纤、光缆的生产、现场铺设中。随着分布式光纤传感器技术的 发展，o t d r 在光纤传感器中也得到了一定的应用。在近几年，随着光纤 通信网的大量建设，现代信息的传播主要依靠光传输系统来传输，因此 保证光纤通信网的正常运行有重要意义。建立以o t d r 为中心的在线监测 系统，不仅可以建立光纤通信网的运行状态数据库，而且可以实现故障 定点，方便维护，有利于保证光纤通信网的正常运行。因此o t i ) r 是光纤 与光通信技术中必不可少的测量仪器。 o t d r 以瑞利后向散射理论为基础，用以测量光纤链路传输特性的测 试仪器。后向散射理论由b a r n o s k i 和j e n s e n 于1 9 7 5 年首次提出“1 。1 9 7 6 年p e r s o n i k 对后向散射技术作了进一步的研究与发展，并通过各种实验 数据，建立了多模光纤的瑞利后向散射功率方程0 1 。1 9 8 0 年b r i n k m e y e r 将后向散射技术应用于单模光纤，推导出同样的关系，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 。1 9 8 4 年h h a r t o g 和m a r t i np ( ；o l d 进一步从理论上对单模光纤的后向散射理论进行了阐 述，分析了后向散射系数与光纤结构参数的关系”1 。 随着光纤与光通信技术的发展，o t d r 经历了由短波长( 0 8 5 u m ) 的 多模光纤到长波长( 1 。3 1 i j i l l 、】5 5 u r n ) 单模光纤这一发展过程。目前为 适应光纤通信系统无中继距离的增加，密集波分复用光传输系统的实用 化，国内外的o t d r 都向着高性能( 大动态范围、高分辨率) 、新波长( 1 6 u m 电于科技大学硕士论文 带) 、新结构形式( 总线型、便携式) 等方向发展。 单模光纤的后向散射光功率要比多模光纤的后向散射光功率低 】o l5 d b ，而且长波长探测器的灵敏度要比短波长的低；随着光纤通信系 统的中继距离不断增加，只有增加o t d r 的动态范围，才能满足日益发展 的单模光纤通信系统的需要。增大动态范围通常采用两种方法来实现： ( d 增大入纤光功率；( 2 ) 提高接收机的灵敏度。 方法( j ) 常采用各种类型的大功率激光器来提高入纤光功率。早期使 用如n d ：y a g 激光器和e r ”：玻璃激光器，据报导g o l d 和h a r t o g 使用 n d ：y a g 激光器，最大动态范围为4 1 d b “1 ；n a k a x a w a 和t o k u d a 使用e r ”： 玻璃激光器，其动态范围为3 4 d b ”。使用这一类激光器，其主要的缺点 是激光器的体积大，有的需要液氮冷却，不适合现场应用。近几年，随 着半导体激光器的发展，特别是面向o t d r 的半导体脉冲激光器( 连续功 率5 0 - 8 0 m w ，峰值功率可达5 0 0 m w ) 的出现，因此在成熟的o t d r 产品中 均采用半导体激光器作为光源，并采用定的探测后信号处理技术如数 字平均、数字滤波等，目前已有动态范围达4 5 d b 的产品出现。 提高光接收机的灵敏度是增加o t d r 动态范围的另一种有效方法。从 探测方法上讲有光子计数”h 63 和光相干探测”。2 “等方法，并且建立实验 系统，取得了一定的进展。据报道采用光子计数，动态范围为分别为2 0 d b ( = 1 3 u m ) “3 和1 2 5 d b ( = 1 5 5 u m ) “。采用光相干技术，动态范围 分别为2 4 d b ( = 1 3 u m ) 和2 8 d b ( = 1 5 5 u m ) 1 2 6 1 a 但更多的是采用直 接探测加上探测后信号处理的方法，通过探测后信号处理改善接收机 的接收灵敏度。通常使用低噪声探测器、低通滤波器和数字平均处理器， 通过降低探测器的暗电流和抑制系统噪声来提高接收机的信噪比，从而 提高整个系统的动态范围。 随着光纤区域网和分布式光纤传感器的发展，要求o t d r 具有极高的 分辨率，为提高o t i ) r 的空间分辨率，主要有三种方法来实现。( 1 ) 窄脉 冲探测，( 2 ) 非线性探测，( 3 ) 低相干干涉测量。据报道窄脉冲( f = 4 6 p s ) 空间分辨率达到5 m m “。f o n t a i n 使用亚皮秒的窄脉冲和3 0 0 w 锁模激光 2 电予科技久学硕士论文 器，通过非线性探测获得i 5 u m 的空问分辨率”“。队n i e ls o n 和 w h it t e n b e r g 使用低相干光源进行干涉测量，相干长度分别为5 0 n m 和 】3 0 n m 时，空间分辨率达到3 8 0 u m 和1 u m ”“。o t d r 通常是峰值功率受限系 统，为提高动态范围常需要增大脉冲宽度，但往往又会降低分辨率，使 用相关技术可得到较为理想的结果。目前相关0 t d r ”技术也取得了一 定的进展。 由于密集波分复用技术的目益成熟，并逐渐商用化。在建立在线监 测系统时为了不占用通信用的1 5 5 u m 带的波长资源，最好是使用1 s u m 带的波长资源。国外开始了对1 6 u m 带的o t d r 技术研究”“”“，并有相应 的产品出现。1 6 u m 带的光在光纤中传输损耗更大，要获得高性能的o t d r 的主要问题集中在如何产生i 6 u m 带的高功率光源。1 9 9 8 年，t o s h i y a s a t o 使用可调谐的拉曼光纤激光器获得2 2 5 d b 的动态范围“。 总之，大动态范围、高分辨率是o t d r 性能的发展方向。提高o t d r 与计算机数据交换和二次开发能力，满足在线监测系统的需要，变得日 益迫切。随着d w d m 技术的实用化，为实现对d w d m 系统的在线监测，应 尽快开发1 6 u m 带大动态范围、高分辨率o t d r ，满足光通信技术发展的 需要。 1 2o t d r 在光纤通信网中的应用 在近几年，随着光纤技术与光通信技术的发展，光纤通信网的大量 铺设，光传输已成为现代信息传输最为重要的方式，因此如何保证快速、 稳定、可靠的信息传输就变得日益重要。为了实现这一目标，首先应保 证光纤通信网的运行切实可靠，即必须对光纤网实施有效的在线监测， 建立网络运行状态数据库，保证对光纤通信网实现及时、准确的维护。 在众多的在线监测技术中，以o t d r 、计算机为中心组建系统的思想，因 具有光缆故障定点的特有优点，最为切实可行“”“，如图1 1 所示就是 一种光纤通信网的在线监测系统方案。 从监测系统方案可以看出以o t d r 、计算机为中心的在线监测系统可 实现对光纤通信网的实时动态监测，保证网络的正常运行。但在这样的 1 电予科技大学硕士论文 监测系统中对o t d r 提出了新的要求，即要适应不同的网络需要。 图】- 1 在线监测系统方案 ( 1 ) 不同的光纤通信网络，对o t i ) r 的性能有不同的要求，其情况如图1 2 所示。在光纤通信网中，光纤传输链路传输特性的测试、故障定点都需 要o t d r ，但对o t d r 的参数指标要求不一样。在有大量接头的光纤网如局 域网中，减小死区、提高分辨率是相当重要的。对光路、光路器件、d w d m 光传输系统的测量时需要高分辨率的o t d r 。随着光纤接入网如分配式光 纤c a t v 网的大量发展，如何保证其正常运行变得日益重要。但对这样的 光纤网进行监测必须进行低功率测量，特别是进行在线监测时，必须进 行功率限制，保证系统的信噪比不受影响“。 ( 2 ) o t d r 与计算机要有高速率的数据交换能力，要有面向应用的二次开发 能力。传统的o t d r 通常只提供r s 2 3 2 接口，数据传输率低，二次开发能 电子科技大学硕士论文 力差。而具有总线接口的【】1 d j ，不仅具有高的数据传输率，而且 阮嘲 一 图1 2光纤通信网对o t d r 的要求 可将测量的数据传给计算机，由计算机作信号处理；同时计算机对o t j r 进行控制，可对o t d r 的测试条件、参数迸行设置，实现o t d r 的软件仿 真，使o t d r 具有较强的二次开发能力。因此开发总线型的p c o t d r 对光 纤通信网在线监测系统的实现有重要意义。 1 3p c - o t d r 的研究目标 为满足光纤通信和光纤通信网的发展，o t d r 不仅应具有大动态范围、 高分辨率等高性能，还必须与计算机有较强的数据交换能力，具有适应 多种测试要求的能力。总线结构的p c - o t d r 与计算机有较强数据交换能 力，减少了大量的硬件，降低了系统的成本；同时通过编程实现多种测 试要求，并能实现测试参数的自动优化，有广阔的市场前景。为此我们 开发了p c 一0 t d r ( 具有i s a 总线结构的o t d r ) 。 在开发过程中，致力于达到三个目标： ( j ) 大动态范围、商分辨率。 ( 2 ) 具有i s a 总线结构实现板卡集成。 电子科技大学硕士论文 ( ： ) 提供仿真测试软件，构建p c - 0 3 i ) r 虚拟仪器系统。 p c o t d r 的参数设计指标： 入：1 5 5 u m 动态范围：3 8 d b ( 1 u s ) 空间分辨率：l o m 采样速率：4 0 m l i z 脉冲宽度：l o o n s - - 2 u s ( 四种可选) 结构型式：总线型 总之，本文就发展1 5 5 u m 高性能的p c o t d r ( 总线型o t d r ) 进行介绍， 并就p c o t d r 的系统设计，接收机的优化设计，数字平均信号处理技术， 总线接口设计技术，系统的抗干扰设计，以及建立p c o t d r 的虚拟仪器 系统等进行了深入的探讨。 6 电予科技大学硕士论文 第二章高性能o t d r 设计 2 1后向散射理论 由于光纤本身的缺陷和掺杂组分的非均匀性，使得在光纤中传播的 光脉冲发生瑞利散射。一部分散射光沿着光脉冲传输相反的方向传输， 就将这种现象称为瑞利后向散射，它提供了与光纤长度有关的衰减细节。 后向散射方法第次由b a r n o s k i 和j e n s e n 在1 9 7 6 年提出”，用来测量 多模光纤的衰减特性。尽管这种方法已得到多位学者的实验验证和进一 步发展，但它还不能用于对单模光纤后向散射分析，因为几何光学不适 合用来对单模光纤的后向散射进行描述。需要采用波动理论对单模光纤 的瑞利后向散射作以分析，建立单模光纤的后向散射功率方程，为单模 光纤o t d r 的设计提供理论依据。 设注入光纤的光脉冲峰值功率为只，则光脉冲沿光纤传输到的 ：= ：。处，在光脉冲输入端所得到后向散射功率为p ；，即在注入光脉冲后， 经过时间t 得到的后向散射功率p ；应为： 只( ，) = 妄口。比蛾e - m r r s ( 2 一1 ) 其中：s 后向散射系数 s = 瓣3z 斋舞( 华) z 0 0 3 8 ( 2 n , w ) 2 壮丽丽2 瓦。两矿( r 净 r脉冲宽度 口光纤的衰减系数 o - 。光纤的散射衰减系数 v 单模光纤的归一化频率 a 单模光纤的芯径 1 3 。、h 。单模光纤的芯区和包层折射率 五波长 h ，模场宽度 ，。 群速度 令7 7 = 去- 、t 哎”。 ，：( ，) = r r ，e x p ( 一，) ( 2 2 ) 通常称叩为后向散射因子，单模光纤的叩通常为l o w j 左右1 。从公 式( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 可以看出后向散射功率与时间的关系，这就是o t d r 称为 光时域反射计的原因。由于光脉冲传输的距离z 与时间t 的关系为 ：= 去v 。，这里的l 2 是考虑光在光纤中往还两次出传输，后向散射功 率方程可改写为与距离有关的方程。】： 只( ：) = 只r q e x p ( 一2 凹) ( 2 3 ) 到此就得到单模光纤后向散射功率方程与时间或者与距离有关的两 种表达式。后向散射功率的大小不仅与后向散射系数s 或后向散射因子卵 有关，而且与入射的初始光功率咒、散射衰减系数口。、衰减系数g l 等有 关。单模光纤的后向散射功率方程是进行o t d r 设计的理论基础。 设注入光脉冲峰值功率为只，如果能够测得z ，、z ? 处的瑞利后向散 射光回传到光脉冲注入端的光功率尸( ：) 、p ( z ：) ，即可求得z ，和z t 问前 后向传输的平均衰减系数口“： a = 者崦剽 a ， 在o t d r 测量中，与距离有关的信息是通过时间信息而得到，o t d r 测量发出脉冲与接收后向散射光的时间差，利用折射率n 值将这一时域 信息转换成距离z 。 ：= 昙 ( 2 5 ) c 真空中的光速( 3 1 08 埘s ) 利用公式( 2 - 5 ) ，o t d r 可以进行准确的事件定点。o t d r 可以非常精 确地测贯后向散射光功率，并通过公式( 2 - 4 ) 与公式( 2 5 ) 来测量沿光纤 电予科技大学母! 士论文 长度上任一点光纤链路哀减特性的微小变化。光在不同折射率的两传输 介质边界会发生菲涅耳反射，菲涅耳反射光比后向散射光要强的多，o t d r 用此现象来准确地确定沿光纤长度上不连续点的位置如断裂点等。 在光纤的测试端注入光脉冲，光脉冲传输过程中产生后向散射现象， 后向散射光在光纤的导引下回到光脉冲的注入端，用光电探测器进行光 电转换，经过一定的信号处理，就可获得后向散射光所携带的光纤链路 的传输特性信息。其系统方案”如图2 1 。 图2 1o t d r 系统原理框图 图2 - 1 中的o t d r 原型中包含了所有可以使用光电信号处理技术，( ；1 和g 2 光信号处理器光电探测器将光信号转换为电信号，供后续电路对 其进行处理。当使用相干探测时l 0 为本地光。电信号处理器则可能是数 字平均器、滤波器或相关器等，根据所采用的具体方案而定。 在上面的信号处理技术中，相干探测借助本地光光功率的提升，接 收机的灵敏度可以达到散粒噪声极限“。2 “；但在相干探测必须解决相干 探测的固有缺点( 对偏振的依赖性) ，才能得到实际的实用系统。o t d r 是 一种峰值功率受限系统，在提高动态范围时会牺牲分辨率，相关技术能 较好地解决这种矛盾”7 ”“，同时还能缩短测量时间，是一种有发展前途 技术。但由于光编码的特殊性( 无极性编码) ，要找到一种好的编码序列 和相应的信号处理算法比较难，目前还不成熟。直接探i i i i 数字平均处 理的方法最为简单成熟，是o t i ) r 设计中使用较多的一种方法；并且随着 计算机技术和数字信号处理技术的发展，用数字平均加上数字滤波的方 9 电子科技大学硕士论文 式能够获得更好的测试系统。 在进行p c - o t i ) r 系统设计时，为了将整个系统能集成一块卡上，使用 直接探测方法，采用数字平均结合数字滤波的方法进行信号处理”“。系 统可使用软件实现数字平均和数字滤波，不需要用另外的硬件来制作数 字平均处理器和滤波器，有利于系统体积的缩小，实现板卡集成。最终 得到新颖的总线结构，并实现探测后的数字平均和数字滤波信号处理。 2 2p c o t d r 系统设计总体方案 在p c o t d r 的系统设计中，其新颖处就是减小系统的体积，实现系 统的板卡集成，得到i s a 总线结构；其次是保证o t d r 的高性能，特别是 要有高的动态范围和分辨率；同时还必须提供强有力的软件工具，构建 p c o t l r 的虚拟仪器系统。因此必须对光发射机和光接收机进行优化设 计，对系统进行抗干扰设计，提高系统的性能；采用可编器件c p l d 来实 现总线控制逻辑，减小系统体积以便能实现总线结构。p c - o t d r 系统结构 总体方案如图2 - 2 所示。 图2 - 2p c - o t d r 的系统原理图 1 0 电子科技大学硕士论文 其具体的设计方案如下： 1 采用1 5 5 u m 的脉冲激光器组件作为光源； 2 采用低噪声、带致冷器的l n g a h s n pp i n 为探测器进行直接探测， 前置放大器与探测器封装成一体化器件； ：j 用y 型光纤分路器作方向耦合器； 4 使用数字平均和数字滤波等信号处理方法作探钡0 后信号处理，并由软 件实现； 5 采用i s a 总线结构，使用软件查询或d m a 数据传输方式； 6 控制逻辑由可编程器件c p l d 实现，用v h d l 进行功能描述： 7 用v c + + 6 0 作为软件开发平台，实现虚拟仪器功能。 2 3o t d r 的大动态范围设计 o t d r 的性能参数包括动态范围、分辨率、精度、盲区等，但通常只 考虑其动态范围和分辨率( 距离分辨率) 。在进行p c o t d r 设计时也主要 考虑这两个参数，对其进行精心设计以获得高性能的p c o t d r 。 2 3 1 动态范围 动态范围是o t d r 主要的性能参数指标之一，它决定光纤的最大可测 量范围。动态范围越大，获得的曲线线形越好，可测量的光纤链路的距 离也越长。动态范围目前还没有一个统一的标准计算方法，通常定义为： 始端的后向散射功率与噪声的峰值功率间的d b 差“。 肚l x l o i g 掣 - 5 1 9 ( 竿) 6 ) 只接收灵敏度 ，7后向散射因子 式( 2 - 6 ) 中为给出单程的动态范围而引入了1 2 这个因子。这个公式 是一较为理论化的公式。为了体现探测后电信号处理得到动态范围的改 善，可用另外一个有实际意义的公式”“， r = 【只，一屹一( l + ( 1 ) + s n r 】 ( 2 - 7 ) 电子科技大学硕士论文 尸n 光电二极管可探测的最小光功率 c在光接收机中的损耗包括耦合器中的损耗 s n r 光探测后信号处理提高的信噪比 l = l o i o g l 。 s a ，v ，w 2 传输损耗 公式( 2 7 ) 体现探测后信号处理对o t d r 动态范围提高的贡献。 从公式( 2 - 6 ) 和( 2 7 ) 可以看出，要获得大动态范围有两种途径：( 1 ) 提高入纤有效光功率只；( 2 ) 提高接收机的接收灵敏度。在方法( 2 ) 中常 常通过降低光电二极管可探测的最小光功率r ；同时要使用探测后的 信号处理方法提高接收机的信噪比；还要对系统进行抗干扰设计，通过 抑制系统噪声来提高系统的动态范围。 在具体的设计过程中，首要是设计光发射机、光路系统提高入纤光 功率。而光接收机的优化设计，以及抗干扰设计对提高接收灵敏度尤为 重要。 2 3 2 光发射机设计 p c - o t d r 的光发射机设计就是要把一定脉宽的电脉冲转变成光脉 冲，耦合进光纤进行传输。仅有光源是不能构成光发射机，还应包括激 光器的驱动电路、激光器自动功率控制( a p c ) 电路、温度控制( a t c ) 电路、 告警电路和其它的辅助电路，这样才能构成一个完整的发射机。在设计 中为获得高的入纤光功率，而又不增大系统的体积，采用方案：( 1 ) 使用 较大功率的脉冲激光器组件，使得入纤的有效光功率为l o m w ；( 2 ) 激光 器的驱动电压设计成3 v 、5 v 可选择，以保证在远距离测量时获得较高 的激光功率输出。 1 激光器的驱动电路 如附录2 中发射机原理图所示，激光器的驱动电路把由c p l d 组成 的脉冲发生器产生的脉冲调制成光脉冲。脉冲的幅度分3 v 和5 v 两种可 选，对于短距离光纤测量选用3 v 脉冲，减小光纤注入端的菲涅耳反射 以避免造成探测器饱和，同时减小死区；对于长距离的光纤选取5 v 脉 冲，以提高入纤的光脉冲峰值功率，增加动态范围。脉冲幅度的选择通 l2 电子科技大学硕士论文 过光耦合器件与继电器来实现，提高系统抗干扰能力。 2 激光器工作电路 ( ”激光器及其偏置电路 p c o t d r 选用脉冲激光器组件包括：1 监测用光电二极管p i n 、致冷器、热敏电阻 和尾纤。l d 光源的特性曲线如图2 - 3 所示， 根据其闽值电流( 3 5 r 以) ，将偏置电流设置 为3 0 m a 。 这样设置偏置电流的优点是：激光 器便于高速工作，其p n 结电容不需反复充 电，激光器的延迟时间减至最小；激光 器的导通和截止功耗接近，不需要考虑由 于结温对特性曲线产生的影响；偏置电 流是一个准静态电流，用低速反馈电路就 5 5 u m 的脉冲激光器、光功率 可控制，保持预期的光输出功率的稳定。图2 - 3 激光器的输出特性 在发射机原理图中，激光器的偏置电流是通过调节w l 改变d 1 和d 2 的静态工作电流来设置的。 ( 2 ) 激光器a p c 电路 激光器组件中的光电二极管p i n 用来对激光器实现自动功率控制 ( a p c ) 。当由于温度或激光器的“老化”，使激光器的输出功率发生变 化时，p i n 光电二极管通过后向光监测到光功率发生变化，使发射机原 理图中的运算放大器n 1 的输出发生变化，相应的d 1 和d 2 静态工作电 流也发生变化，最后导致偏置电流向相反的方向变化，以保持激光器输 出的稳定。激光器输出功率的稳定有助于定标后p c - o t d r 的测量结果保 持稳定。 ( 3 ) 激光器a t c 电路 半导体激光器的输出特性受温度影响很大，当温度发生变化时，l d 的p i 特性和光谱特性都要发生变化，对于长波长的i n g a a s p 器件，这 1 1 电子科技大学硕士论文 种输出特性对温度的依赖关系更为严重，因此在光发射机中需要有自动 温度控制电路以保证激光器在恒定温度下工作。在实用化的半导体激光 器封装中，都带有半导体致冷器和能够监测激光器芯片温度变化的热敏 电阻。p c o t d r 采用如发射机原理图中所示的电路来实现对激光器工作 温度的稳定，以保证其输出光功率和频率的稳定。在热平衡时，控制电 路为致冷器z e 提供一个恒定的电流，该电流用于补偿半导体激光器注 入电流引起热沉温度升高，结果使温度保持恒定。当热敏电阻r t 探测 到热沉温度升高时，感温电桥产生一个误差信号，该信号经放大后使控 制电路增大致冷器的工作电流，致冷面温度下降从而使热沉温度下降， 恢复到原来的工作温度；反之，当温度下降时，控制电路可使致冷器工 作电流降低，保证激光器工作在设定温度上，获得稳定激光功率输出。 ( 4 ) 激光器的保护 为了防止激光器受到反向冲击电流或电压的破坏，在激光器的两端 反向并联一只肖特基二极管d 4 ，由于肖特基二极管结电容小，反向恢 复的时间短，当反向冲击电流出现时，二极管迅速导通泄放，从而使 l d 得到保护。此外在激光器两端并联一只三极管d 3 ，主要起到激光器 过流保护作用，正常工作条件，三极管不导通，对激光器无影响，当流 过激光器的电流太大，电阻r 8 上的压降增大，当其值大于一定值时， 三极管d 3 导通，分去一部分的电流，保护激光器不因电流过大而损坏。 2 3 3 方向耦合器 在o t d r 的设计中，由于菲涅耳反射功率比瑞利后向散射功率强， 为了能使接收机在不饱和的情况下工作，必 须使光纤前端面的菲涅耳反射减至最小，选 择恰当的耦合方式优为重要。通常使用声光 偏转器作为方向耦合器，将光脉冲耦合进被 测光纤。但声光偏转器需要驱动电路进行驱 动，并且驱动信号的频率通常较高，不仅增图2 - 4y 型分路器示意图 加了系统的体积，还引入了噪声。采用y 型光纤分路器能有效地降低菲 1 4 电子科技大学硕士论文 涅耳反射，但会 j i a 3 0 b 的损耗。如图2 - 4 所示，a 、b 、c 三端分别通 过f c 连接器与激光器，探测器及被测光纤连接起来，该y 型分路器由 一段芯径( 1 0 12 5 u m ) 的阶跃型光纤和两段芯径( 1 0 1 2 s u m ) 渐变型光 纤在端熔炼而成，损耗约3 d b 。由于该y 型分路器的隔离度达4 5 d b 以上，同端干扰脉冲不会引起检测器饱和与零线漂移，可使光纤前端菲 涅耳反射光和其它杂散光得到有效的克服。同时使用y 型光纤分路器省 却了繁杂的光路调整，调节对准方便，既稳定、可靠又价格低廉。实物 如图2 - 5 所示。 图2 - 5y 型光纤分路器实物照片 y 型光纤分路器实物体积较小，有利于系统的板卡集成。因此在 p c - o t d r 的设计中，使用y 型光纤分路器作为方向耦合器。 2 3 4 光接收机设计 光接收机就是接收后向散射光，实现光电转换，然后对信号进行放 大，供后续电路进行信号处理。在增大o t d r 动态范围的两种途径中， 最有效的方法就是提高光接收机的接收灵敏度。因为增大注入光纤的光 功率，同时也增大光纤前端面的菲涅耳反射光功率，达到定程度就造 成光接收机的饱和，无法探测到瑞利后向散射信号，因此在高性能o t d r 系统设计中，其关键技术就是接收机的最佳化设计，方面要提高接收 机的灵敏度，另一方面是提高接收机的信噪比，通过这两方面的精心设 le 电子科技大学硕士论文 计来提高系统的动态范围。在p c o t d r 设计中，还要通过最佳化设计来 减小系统的体积，以便实现系统的板卡集成。 1 接收机的噪声分析 在光电探测器和前置放大器中存在各种噪声源，它们限制了光接收 机接收灵敏度的提高，以至 于影响o t d r 的动态范围的 提高。使用高阻抗或互阻抗 前置放大器，都可获得低噪 声的光接收。但由于互阻抗 前嚣放大器有较大的动态 范围，更适合用来放大后向 散射信号，因此在设计图2 - 6光接收机的主要噪声源 中使用互阻抗放大方式作为接收机的前置放大。主放大器对前放的输出 信号进一步放大，以得到适合a d 转换器的信号电压。如图2 - 6 所示为 p i n 光电二极管接至f e t 互阻抗放大器主要的噪声源。 图中等效噪声源为：i 。一反馈电阻r 热噪声；i 。一探测器暗电流1 。 产生的散粒噪声；v 3 一f e t 的热噪声。各种噪声频谱密度如下“： 墨，= 4 k t r( a2 h ：) ( 2 7 ) s ，2 = 2 e 1 4( a2 h ：) ( 2 8 ) = 等( 纠 ( 2 - 9 ) 式中k 为波尔兹曼常数1 3 8 x 1 0 j k ，t 为绝对温度2 9 3 k ，e 为电子电 荷，g 为放大器的跨导。如将放大器的热噪声用噪声电流i 。来表示，则 其频谱密度为： s ，3 ：2 8 k t c o2 c ? ( 爿z ：) ( 2 - 】o ) g f 式中甜为角频率，g 接收机总输入电容，s ，。以6 d b 倍频程的速率随频 率增加，由噪声频谱密度的表达式可得到各种噪声源为“： 电子科技大学硕士论文 弘竿) 虬= j 竿( 爿) = 2 e l 。b ( a2 )或i ：= 2 e ，一日( 爿) ，；：2 s k _ t o o 一：c ) b 一2 s k i ( ，2 r c ) 2 c ) b s ( a2 ) ，? = 一 j 。 3 9 。5 9 。 鲋，2 那j 等 ( 2 - 1 1 ) 式中b 为接收机带宽。可以看出噪声源的影响，仅能在确定带宽下 进行比较，由于大动态范围o t d r 通常有l o o m 的分辨率就足够了，故接 收机所需要带宽约5 0 0 k h z 。在设计计算中可采用b = 5 0 0k h z 。 2 接收机的优化 从公式( 2 - 1 1 ) 中看出i ，由c ? g 。而定，因此选择低输入电容和 高跨导的放大器，并使用小面积探测器减小它对输入电容的影响，就 能使噪声减至最小。对于p i n f e t 组件，c ，= s p f ，g 。，= 5 1 0 。3 q ， 取带宽b = 5 0 0 k h z ，代入上式，可得到放大器的热噪声电流为“： ，3 = 2 以，曰、| 2 3 8 占k 。t ，b = 1 5 剐 ( 2 1 2 ) 从( 2 - 1 1 ) 式中可以看出，增大反馈电阻，可减小反馈电阻的热噪 声。但由于接收机带宽为： b = 一! 一 ( 2 - 1 3 ) 2 x r c , 式中a 为放大器的开环增益，r 为反馈电阻。因此增大反馈电阻，则降 低接收机的带宽，为保持一定的带宽，a 和n 必须成比例增加，选择反 馈电阻为5 0 0 m q ，代入式( 2 - 1j ) 可得反馈电阻的热噪声电流为： f 1 ：，塑：，盟塑型兰塑攀旦业。4 剐 ，】。v r 2 1 f 荪i 再一训州 ( 2 - 1 4 ) 由于放大器开环电压增益约为2 0 0 0 0 ，则接收机的带宽由公式( 2 - 13 ) 电子科技大学硕士论文 可得约为8 0 0 k t z ，满足大动态范围的o t d r 的接收机所需带宽。 从式( 2 11 ) 中可以看出探测器的散粒噪声随着暗电流降低而减小 在2 0 。c 的室温时，探测器暗电流为5 n a ，产生的噪声电流为： p 邪= 厄而百可忑而丐而= 2 8 p a ( 2 15 ) 可见i ，值比，、i 、值大得多，为减小暗 电流，在p i n 组件中装入致冷器，使p i n 工 作在温度为oo c 左右，根据如图2 7 探测器 的暗电流与温度的关系曲线，暗电流可减小 到1 6 n a ，此时产生的噪声电流则降至 1 6 p a 。 此时接收机总的等效噪声电流 为： ： 。 h 山 甘 的 n 3 0 吨0 - 1 0t 凡1 02 0 3 0 图2 - 7i 。一t 关系曲线 i = 行砑= 再可丽= 2 3 p a ( 2 - 1 6 ) i n g a a s l n pp i n 光电二极管的响应度为p = o 8 a w 。根据接收机的 信噪比计算公式为： s n r ：土：擘 ( 2 17 ) 盯仃。 其中：p ；。为输入到探测器上的光功率 盯2 为噪声功率 在o t d r 这样的系统中，只要由输入光转换的电信号比噪声大，即 s n r 1 就能实现信号的有效探测，因此可以认为当s n r = i 时的输入光功 率为接收机的接收灵敏度。可以计算出p 。为只= 2 8 p w 。 由此可见，通过对接收机的优化设计：选取具有低输入电容和高跨 导的p i n - f e t 组件；选取大的反馈电阻组成互阻抗前置放大器；并对 i r 电子科技大学硕士论文 p i n - f e t 组件中的p 1 n 光电二极管加致冷器等，可使光接收机的灵敏度 达到2 8 p w 。 假设测量3 0 k m 长的光纤，在光纤始端接收到的瑞利后向散射功率， 根据公式( 2 3 ) 可计算出。( 只= 1 0 m w ，f = 1 u s ) 只( 5 0 ) = 1 1 0 。8 1 0 p = 2 4 7 ( p w ) ( 2 1 8 ) 可以看出优化后的接收机完全可以探测到3 0 k m 处的后向散射信号。 3 接收机优化后的动态范围 当激光器偏黄电流与脉冲电流之和为7 0 m a 时，由激光器的特性曲 线可查出激光器输出的平均功率p = l o m w ，则该大动态范围p c o t d r 在进 行数字平均处理前的动态范围可利用公式( 2 6 ) 计算出， 只一s l 。g ( 挈 = 5 1 。g ( 等铲卜舢砌， 4 接收机电路设计 图2 8p i n f e t 与前置放大器封装原理图 接收机电路如附录2 中的接收机原理图所示，该电路设计除了在元 器件的选用上要注意外，另外一个重要原则就是要降低电源引入的噪 声，特别是计算机的电源是开关电源，如不采取有效的措施就会引入极 f 9 电子科技大学硕士论文 大的电源噪声，降低系统的信噪比。因此在设计中解决两个问题：( 1 ) 探 测信号的放大，( 2 ) 接收机的抗干扰设计。 p c - - o t d r 使用i n g 批s i n pp i n f e t 组件进行光电转换，并且将前置 放大器与该组件封装在一起，整个器件封装成一块1 4 脚的双列直插芯 片，其原理图如图2 8 所示，封装实物如图2 - 9 所示。使用一体化封装 增强了系统抗干扰能力，减小了系统体积，实现对后向散射信号的低噪 声放大。 图2 - 9 探测器组件体化封装实物照片 在前置放大器后使用宽带低噪声仪表放大器作为主放大器。 p c - o t d r 中使用仪表放大器a d 6 2 4 ，管脚功能如图2 - 1 0 所示，a d 6 2 4 是 一款高性能的仪表放大器。 ( 1 ) 低噪声、低线形误差； ( 2 ) 高共模抑制比，最小值1 3 0 d b ； ( 3 ) 增益带宽乘积2 5 m h z ； ( 4 ) 低输入失调电压、低输入失调电压漂移； ( 5 ) 引脚设置增益l 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 p c - o t d r 使用a d 6 2 4 对信号进一步放大；图2 1 0a d 6 2 4 管脚图 由于a d 6 2 4 具有引脚设嚣增益功能，可用计算机实现程控放大，使信号 幅度适合a d 转换器的输入要求，并且使a d 转换器在各种测量条件下 2 0 电子科技大学硕士论文 都尽可能地获得较大的信号输入，以得到较高的转换分辨率。1 、2 脚信 号输入；r g 。与r g 。、g 1 0 0 、g 2 0 0 、g 5 0 0 、g 1 0 0 0 分别连接可得到不同的 增益输出。由于a d 6 2 4 高性能，可让信号进行低噪声的再次放大，有助 于提高系统的性能。 2 4o t d r 的高分辨率设计 分辨率是o t d r 又一关键参数，o t d r 主要有四种分辨率：取样分辨 率、显示分辨率、事件分辨率和距离分辨率。取样分辨率是两取样点之 间的最小距离，它决定o t d r 定位事件的能力，