放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及光纤传感技术领域，具体的说是一种针对现有OTDR系统中反射光信号强度随光纤长度增加而减弱的问题提出的能够实时动态分段调节放大倍数，进而提高采样精度的放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样系统及方法，其特征在于设有光敏元件、两个以上的运算放大器、包含两个以上的模数转换电路ADC的ADC组以及FPGA控制器，其中光敏元件接收待测光路系统输出的光信号后向两个以上的运算放大器输出电信号；两个以上的运算放大器的输出端分别与两个以上的模数转换电路ADC的输入端一一对应连接，模数转换电路ADC的输出端向FPGA控制器输出数字信号，FGPA控制器为模数转换电路ADC组提供采样时钟信号，同时FPGA控制器还为待测光路系统中的激光器提供触发脉冲信号。光路系统中的激光器提供触发脉冲信号。

【技术实现步骤摘要】
放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样系统及方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，具体的说是一种针对现有OTDR系统中反射光信号强度随光纤长度增加而减弱的问题提出的能够实时动态分段调节放大倍数，进而提高采样精度的放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样系统及方法。
技术背景
[0002]OTDR(光时域反射技术)系统是以光纤作为传感部件，较传统的感器具有本征无源、抗电磁干扰、监测距离长、灵敏度高等优势，应用领域广泛,可用于测量光纤温度及应力等参数。OTDR系统在具有光纤传感器优势的同时，还可实现对振动事件的定位，特别适用于油气管线、国防边界、铁路边界、国防光缆等安全监测。
[0003]OTDR的基本原理是通过分析光纤中脉冲光的后向散射光或前向散射光的方法，测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗。当光脉冲在光纤内传输，光纤某一点受到温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化，因此通过探测器测量返回的有用信息，就可以判断检测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息，而且可以用发射信号到返回信号所用的时间来确定光在光纤中传播的距离。但是随着脉冲光在光纤中传播距离的增加，探测器接收到的后向散射光幅值会随之衰减。当探测距离较长时，近距离光纤反射光信号较强，需要探测器有较大的量程，远距离光纤反射光较弱，需要更高的探测精度，这就形成了一种矛盾，既要保证测量范围大，又要保证探测精度高。

技术实现思路

[0004]针对上述OTDR系统中反射光信号强度随光纤长度增加而减弱，无法同时兼顾采样系统的采样范围及采样精度的情况，本专利技术提出一种根据OTDR采样系统采集数据的分析结果来选择运算放大模块放大倍数的采样系统，实时动态的调节OTDR采样系统放大倍数，以兼顾采样系统的范围及采样精度。
[0005]本专利技术通过以下措施达到：
[0006]一种放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样系统，其特征在于设有光敏元件、两个以上的运算放大器、包含两个以上的模数转换电路ADC的ADC组以及FPGA控制器，其中光敏元件接收待测光路系统输出的光信号后向两个以上的运算放大器输出电信号；两个以上的运算放大器的输出端分别与两个以上的模数转换电路ADC的输入端一一对应连接，模数转换电路ADC的输出端向FPGA控制器输出数字信号，FGPA控制器为模数转换电路ADC组提供采样时钟信号，同时FPGA控制器还为待测光路系统中的激光器提供触发脉冲信号；所述采样时钟信号与触发脉冲信号保持同步；所述FPGA控制器中设有用于对采集到的n组ADC数据进行超量程百分比计算进而确定最佳基准信号的基准信号确定模块；所述FPGA控制器中设有用于对确定好的基准信号进行分段处理的分段平均计算模块；所述FPGA控制器中还设有用于根据分段平均计算模块计算结果进行不同放大倍数选择的放大倍数选择模块；所述FPGA控制器中还设有用于对根据不同放大倍数进行不同放大倍数放大运算放大模块；所述
FPGA控制器中还设有用于对运算放大模块放大的多段数据进行拼接的数据拼接模块。
[0007]本专利技术还设有与FPGA控制器相连的上位机。
[0008]本专利技术FPGA控制器中设有n个与ADC组中n个模数转换电路一一对应的运算放大模块，以满足放大倍数多组可选的要求。
[0009]本专利技术还提出了一种放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样方法，其特征在于包括以下步骤：
[0010]步骤1：FPGA控制器向OTDR系统的光源输出触发脉冲信号，同时向包括两个以上的模数转换电路的ADC组输出采样时钟信号；
[0011]步骤2：光敏元件从OTDR系统光路中采集n路数据，n≥
……
，OTDR系统光路的后向散射光由光敏元件转变成电信号，通过运算放大模块放大后输入ADC进行模数转换，最后由FPGA采集ADC输出的数字信号，对该模拟信号进行分析计算；
[0012]步骤3：选择基准信号，再根据对基准信号的分段求平均数值与设定值进行比较，根据比较结果来选择运算放大模块的放大倍数，对OTDR信号进行分段放大采样，从而在散射光信号较强的位置选择低放大倍数的运算放大模块，在散射光信号较弱的地方选择高放大倍数的运算放大模块；
[0013]步骤4：通过FPGA控制器内部的数据拼接模块，对步骤计算结果来选择不同放大倍数的信号段拼接成完整的OTDR数据，最后将采集拼接好的信号上传到上位机进行进一步处理。
[0014]本专利技术步骤3中FPGA控制器中的运算放大模块工作时，当激光器接收到FPGA控制器提供的触发信号就会发出脉冲光，将其打入OTDR系统的光路中，随后其后向散射光信号被光敏器件转变为电信号，由运算放大模块1及多路运算放大模块n对(n＝1.2.3
……
)其进行放大，这n个运算放大模块的放大倍数是从Q～2
n-1
×
Q分n阶设定的,其中Q的值是由硬件电路决定的，其放大倍数是按照运算放大模块的序号增序排列的，两个以上的运算放大模块同时对光敏器件发出的电信号进行放大，并将放大信号发送给ADC进行模数转换，同时送入FPGA并由其对采集到的n组OTDR数据进行分析处理。
[0015]本专利技术所述的ADC的采样速率为10M～100MSPS可调，便于应对不同的空间分辨率要求，这样的ADC共有和运算放大模块相同数量n个，且规格型号相同，其共同组成ADC组，同时对n路运算放大模块进行模数转换并将数据传输给FPGA。
[0016]本专利技术步骤1中采样时钟信号及激光器触发时钟信号的同步处理方法是通过使用FPGA控制器中的PLL模块生成一个高频时钟，其频率为ADC采样时钟频率及激光器触发时钟频率两者的公倍数，用该时钟进行计数操作，当计数值达到高频时钟频率及ADC采样时钟频率比值的二分之一时，由FPGA对ADC发出一个差分取反跳变信号；同理，按照数值达到高频时钟频率及激光器触发时钟频率的比值的二分之一作为计数值，向激光器发出取反跳变信号，另外激光器对接收到的触发时钟有脉冲宽度方面的要求，所以在这个跳变信号的上升沿时进行计时，计时脉冲同样来自于PLL模块生成的高频时钟，计时数为需要的脉冲宽度时间乘以高频时钟频率。这样就可以得到同步的ADC采样时钟和激光器触发脉冲时钟。
[0017]本专利技术步骤3中基准信号选择方法如下：对OTDR系统采集到的数据进行分析处理，首先要保证强的信号不会被放大的超出系统采样量程，使用FPGA控制器中的LPM_COMPARE IP核，将这n组LPM_COMPARE IP核中的“datab[]”参数设定为ADC量程值，“dataa[]”参数为
n组采集到的数据，将比较方式选择为“dataa[]>datab[]”，每当满足这个条件时，就计数加1，最后计算计数值与本条数据数量的比值，如果这个比值比上位机设定配置给FPGA控制器的超量程百分比小，则选择这组数据，最后选择符合该百分比条件的放大倍数最大的即运算放大模块序号最大的一组运算放大模块采集到的OTDR信号作为基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样系统，其特征在于设有光敏元件、两个以上的运算放大器、包含两个以上的模数转换电路ADC的ADC组以及FPGA控制器，其中光敏元件接收待测光路系统输出的光信号后向两个以上的运算放大器输出电信号；两个以上的运算放大器的输出端分别与两个以上的模数转换电路ADC的输入端一一对应连接，模数转换电路ADC的输出端向FPGA控制器输出数字信号，FGPA控制器为模数转换电路ADC组提供采样时钟信号，同时FPGA控制器还为待测光路系统中的激光器提供触发脉冲信号；所述采样时钟信号与触发脉冲信号保持同步；所述FPGA控制器中设有用于对采集到的n组ADC数据进行超量程百分比计算进而确定最佳基准信号的基准信号确定模块；所述FPGA控制器中设有用于对确定好的基准信号进行分段处理的分段平均计算模块；所述FPGA控制器中还设有用于根据分段平均计算模块计算结果进行不同放大倍数选择的放大倍数选择模块；所述FPGA控制器中还设有用于对根据不同放大倍数进行不同放大倍数放大运算放大模块；所述FPGA控制器中还设有用于对运算放大模块放大的多段数据进行拼接的数据拼接模块。2.根据权利要求1所述的一种放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样系统，其特征在于还设有与FPGA控制器相连的上位机。3.根据权利要求1所述的一种放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样系统，其特征在于FPGA控制器中设有n个与ADC组中n个模数转换电路一一对应的运算放大模块，以满足放大倍数多组可选的要求。4.一种放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：FPGA控制器向OTDR系统的光源输出触发脉冲信号，同时向包括两个以上的模数转换电路的ADC组输出采样时钟信号；步骤2：光敏元件从OTDR系统光路中采集n路数据，n≥
……
，OTDR系统光路的后向散射光由光敏元件转变成电信号，通过运算放大模块放大后输入ADC进行模数转换，最后由FPGA采集ADC输出的数字信号，对该模拟信号进行分析计算；步骤3：选择基准信号，再根据对基准信号的分段求平均数值与设定值进行比较，根据比较结果来选择运算放大模块的放大倍数，对OTDR信号进行分段放大采样，从而在散射光信号较强的位置选择低放大倍数的运算放大模块，在散射光信号较弱的地方选择高放大倍数的运算放大模块；步骤4：通过FPGA控制器内部的数据拼接模块，对步骤计算结果来选择不同放大倍数的信号段拼接成完整的OTDR数据，最后将采集拼接好的信号上传到上位机进行进一步处理。5.根据权利要求4所述的一种放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样方法，其特征在于步骤3中FPGA控制器中的运算放大模块工作时，当激光器接收到FPGA控制器提供的触发信号就会发出脉冲光，将其打入OTDR系统的光路中，随后其后向散射光信号被光敏器件转变为电信号，由运算放大模块1及多路运算放大模块n对(n＝1.2.3
……
)其进行放大，这n个运算放大模块的放大倍数是从Q～2
n-1
×
Q分n阶设定的,其中Q的值是由硬件电路决定的，其放大倍数是按照运算放大模块的序号增序排列的，两个以上的运算放大模块同时对光敏器件发出的电信号进行放大，并将放大信号发送给ADC进行模数转换，同时送入FPGA并由其对采集到的n组OTDR数据进行分析处理。6.根据权利要求4所述的一种放大倍数实时动态分段调节的OTDR采样方法，其特征在于所述的ADC组采样速率为10M～100MSPS可调，便于应对不同的空间分辨率要求，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓岩，刘仁杰，梁军伟，王秀亮，沙文广，张永臣，张凯，
申请(专利权)人：威海北洋光电信息技术股份公司，
类型：发明
国别省市：