一种基于0TDR的快速光纤检测系统的设计

江丽，刘志斌

（湖南高速铁路职业技术学院机电系湖南衡阳421002）

一种基于0TDR的快速光纤检测系统的设计

江丽，刘志斌

（湖南高速铁路职业技术学院机电系湖南衡阳421002）

OTDR即光时域反射仪，可以远程监控光纤设备质量的好坏，本设计通过对铁道通信光纤监测系统的可靠性进行研究，设计实现一种基于OTDR技术的快速高可靠自动检测系统。传统的OTDR系统是基于MCU架构来实现的，难以完成大量实时数据采集，带来的测量误差会累积到测试结果。本设计的数据采集系统采用FPGA做数据处理，可以实现高速实时数据的采集。数据处理采用平均算法。随机噪声被平均后无限趋近于零。

OTDR；FPGA；高速；数据采集

与传统的电气通信相比，光纤传感技术具有成本低、抗电磁干扰、精度和灵敏度高、光纤传输损耗极低，传输距离远等突出优点。使得长达数十年的工程结构连续监测成为可能。但如何有效的保证光纤通信系统的可靠性，一直是一个有待解决的技术难题。本设计在光纤通信的基础之上，通过对铁道通信光纤监测系统的可靠性进行研究。以FPGA代替传统的MCU架构完成数据的采集和处理，实现纯硬件化设计、即便是在强电磁干扰和极其恶劣的工作环境中，都能完成高速的实时数据采集，工作可靠性高。

1　基于0　TDR测量原理

OTDR即光时域反射仪，主要基于瑞利散射和菲涅尔反射两种光学现象来进行测量。目前的光纤测量中，主要是要测量光纤的损耗和断点。瑞利散射是光纤材料本身固有的性质，由于光纤内部含有的杂质、纤核添加物等产生漫反射，其中部分向后散射形成瑞利背向散射，光纤整个长度上都呈现这种现象。而菲涅尔反射它只是发生在光纤接触到空气时或发生在诸如机械的连接接缝处。因此，光纤损耗的测量所依据的主要是瑞利散射原理；光纤断点的测量所依据的主要原理是菲涅尔反射［1］。

瑞利散射损耗可用下式进行近似计算：

上式中，λ以um为单位，A、B是与石英和掺杂材料有关的常数。

菲涅尔反射光的信号强度与反射面状况和传输光的功率相关。对于来自光纤上L点处的菲涅尔反射光，在光纤注入端测得的光功率Pf（L）为：

以上公式中，L为菲涅尔反射处距离光注入端的距离，R为光纤中L处的功率反射系数，为注入光纤的峰值功率，β为光纤衰减常数。

OTDR的测距量原理为：首先OTDR发射一个光脉冲信号，这个光脉冲在遇到断点、接头、熔接点以后会反射回来，如果OTDR能够精确的测量回波时间，就可以利用下面的公式计算出距离L。

其中，c为光速，t光脉冲从发射到接收的总时间，称为回波时间，f为采样率，N为总采样点数，为待测光纤的折射率［2］。

2　硬件设计

如图1所示为系统硬件设计原理图。由脉冲器产生的电脉冲，驱动光源模块产生光脉冲，经方向耦合器射入待测光纤。射入光纤的光脉冲，由于光纤材料本身固有的性质会产生瑞利散射光，连同遇到不平整光纤端面会产生菲涅尔反射光［3］，一起反射回方向耦合器、射至光电二极管，转换成电脉冲。转换后的电信号经由放大器和A/D转换处理后送入数据处理模块，由于此项反射光强度微弱，故需反复传送、收集并进行放大和平均处理。OTDR利用其激光光源向被测光纤反复发送光脉冲来实现测量。

图1　系统硬件实现框图

2.1信号收发模块

信号收发模块包括脉冲控制器、激光器、光电探测器、放大器、A/D转换器等。

脉冲控制器可将FPGA发出的脉冲信号放大以驱动LD模块产生光脉冲；

激光器为LD激光二极管，可发射1 310 nm、1 550 nm两种波长的激光脉冲，1 310 nm窗口的衰减值在0.33 dB/km左右，1 550 nm窗口的衰减值在0.19 dB/km左右。在短距离测试时，1 310 nm在熔接点或接头处有更高的损耗，产生的瑞利散射的光功率更强，因此在有熔接点事件和接头事件处，在OTDR接收端会得到更为清晰的轨迹图。但在长距离测试时，1 550 nm有更小的单位衰减，具有更长的动态测试范围，通常采用1 550 nm作为测试光波长［2］。

光电探测器为光敏二极管，可将光脉冲信号转换成电信号；转换后的电信号再送入运算放大器进行处理。

2.2数据处理模块

数据处理模块完成对数据的处理，由FPGA构成主控制器，在时域控制脉冲宽度，并且实现脉冲信号的多重发送和采集处理，因为随机噪声会影响信号轨迹的信噪比，可用平均算法来处理，将通过求得一定距离的数据点把它们加以平均，这样噪声被平均后将无限趋近于零，剩下的数据将更准确的反映背向散射和反射程度［3］。

传统的OTDR系统是基于MCU架构来实现的，采用串行的指令执行方式，采样点少会造成测量的较大误差、采样点多无法完成实时数据的采集与存储，且数据采集与处理速度慢，无法完成实时大量数据采集，且在强电磁干扰或恶劣的工作环境下还会产生死机或程序跑飞等问题。本数据采集系统采用FPGA做数据处理，代替传统的MCU系统，实现纯硬件化设计、即便是在强电磁干扰和极其恶劣的工作环境中，都能完成高速的实时数据采集，脉冲宽度可调范围为10～100 000 ns，采样点数可达100 000个。采用并行的数据处理方式，可实现对数据的高速实时采集与存储。数据平均次数可达10 000次。

2.3数据显示模块

数据显示部分就是将信号处理器处理后的数据以波形的形式显示出来。通过键盘获得用户要输入的设置信息，并根据这些设置来控制信号的收发和处理。

3　高速数据采集与数据处理

如图2所示为AD数据采集结构框图，实现高速实施数据的采集与处理，并将采集与处理后的数据通过数据输出串口发送到ARM控制器处理后进行显示。

图2　AD数据采集结构框图

FPGA为主控器件实现可调宽度脉冲输出，输出10～10 μs的可调节脉冲；同时要对数据进行采集并做平均处理；本设计中FPGA采用的芯片为EP2C25Q240C8。I/O分配如表1所示，EP3C25Q240C8有4608个逻辑单元（LE），66个M9K RAM总比特数为608 256，4个锁相环（PLL），66个18x18bits硬件乘法器，提供DSP功能，具有片上差分终端，输入输出模块（IOBS），最多215个用户可用I/O管脚，采用240_Pin PQFP封装。I/O供电电压支持多种，包括3.3伏，2.5伏等，支持LVDS接口，对LVDS电接口，875mb/s为最高速率。

本设计采用了ADI公司的AD转换芯片AD9214，按ADC芯片的架构分类，有Sigma_de1ta ADC，SAR ADC，流水线型ADC，闪存ADC。本设计中采用的ADC芯片属于流水线型ADC，其采样率达到Msps，目前大多数的高速ADC均采用这种架构。它由N级一样的结构串联起来成为完整的架构，每一级都包含一个T/H（保持/跟踪）电路、ADC和DAC以及最后的加法电路。流水线按照输入时钟一致的工作，可以实现非常高的采样速率。该芯片的主要技术指标为：10位分辨率j3.3 V电源供电，1MSPS的最高吞吐率，输入信号在/CS的下降沿进行采样，无流水线延迟［4］。

电源管理，手持设备使用锂电池供电，但系统所需电流比较大（2 A左右），所以需要设计一个5 V，3 A的电源模块。

采用两块SRAM完成数据的存储与累加，软件结构采用四级流水线处理方式，加速数据处理速度，FPGA先发一个脉冲，由LD产生的光脉冲注入到待测光纤，然后由AD采集N个数据，存入SRAM1，每次采集时与之前的结果累加，然后存储到SRAM2里，如此循环m次，最后再进行平均；

表1　FPGA I/0引脚分配

4　测试曲线与结果分析

在OTDR的测量结果曲线上，纵轴表示功率电平，横轴表示测量距离。光强度的变化转换为相对光功率的大小来衡量被测光纤上各事件的损耗大小；曲线的斜率表明光纤衰减系数，波长为1 310 rim光脉冲的衰减系数在0.33 dB/km左右，波长为1 550 nm光脉冲的衰减系数在0.19 dB/km左右。由图可见，在光纤熔接和弯折处可导致光功率衰耗，但是没有反射现像，而在活动连接器、机械固定接头和光纤断裂处都会引起光信号的损耗和反射，损耗的大小是由背向散射上反射峰的幅度所决定的。

先发送一个光脉冲，反射光形成的实际曲线如图3所示，采样点距离和时钟精度都会引起距离测量误差，加大采样点数可以减小测量误差，本次设计测试光纤长度为100 km，每1 m采样一个，采样点数为100 000个，将这些分离的采样点边接起来形成最后显示的测量曲线。测试结果如图包括：被测光纤长度、熔接点、接头和断点的位置；光纤衰减系数。

图3　光纤测试显示图

测试过程为首先通过ARM的人机界面向FPGA发送一些参数指令：选择脉冲宽度pu1se_width，采样点数N，平均次数m等，同时选择1 310 nm或者1 550 nm波长的激光；然后进入AD数据采集状态，这时FPGA先发一个脉冲，采集N个数据，每次采集时与之前的结果累加，然后存储到SRAM里，如此循环m次，最后再进行平均；AD数据采集处理完毕后，通过串口发送给ARM，然后ARM把该数据在LCD上显示出来。

图4分别为10 s和3分钟平均时间对应的测试曲线。更长的平均时间减少了OTDR的噪声电平。当平均次数无穷大时，随机噪声电平将趋于0，本系统测试时选择求平均次数为10 000次。平均噪声近似趋于0，测试图清晰可见。

图4　光纤测试对比效果图

5　结束语

文中基于OTDR相关测量原理，设计实现一种快速高可靠的光纤检测系统，在数据处理核心模块采用FPGA架构，可以实现大量实时数据采集与运算处理。对随机噪声采用了求平均算法处理，并且对样品光纤实现了实际测量，试验中得到的数据精确度高。

［1］张士文，殳国华.基于OTDR的光纤参数测量系统［J］.光通信技术，2005（2）：56_57.

［2］倪玉婷，吕辰刚，武星.基于OTDR的分布式光纤传感器原理及应用［J］.光纤与电缆及其用技术，2006（1）：1_4.

［3］曹俊忠，鲍振武，李树才.光缆光功率实时监测仪的设计和实现［J］.电子测量与仪器学报，200317（1）：23_27.

［4］Nakazawa M，Tokuuda M，Washio K.Marked Extension of Diagnosis Length in Optica1 Time_Domain Ref1ectometry Using 1.32μm YAG Laser［J］.E1ectron.Lett.，1980（17）：783.

［5］朱孟祥，唐普英，唐湘成，等.激光通信中DPPM调制解调技术的FPGA实现［J］.电子设计工程，2011（15）：142_144.

［6］徐轲，闫娟娟，郑铮.基于光纤通道的IEEE1394光信号传输系统设计［J］.电子设计工程，2011（5）：146_149.

［7］曾一凡，孙露露.侧面发光塑料光纤位移检测系统的设计［J］.电子设计工程，2015（20）：123_126.

［8］王轶锴，陈伟，杨振昊.光纤监测系统设计［J］.电子设计工程，2015（23）：113_115.

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稿件编号：201506128

江丽（1982—），女，瑶族，湖南邵阳人，硕士，讲师。研究方向：电路与系统。