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ADC和TDC采集卡用于OTDR测量

背景:

‍光在光纤中的传导通过高折射率材料和低折射率材料之间的边界层处的全内反射而发生沿波导的折射率变化会导致反射或散射效应,这是OTDR测量的基础。光纤的一个重要参数是光学衰减,即光传输过程中的光损耗。它是根据光纤起点的光功率与光纤末端的光功率之比计算得出的,单位为分贝(dB)。

光纤中光损失(散射和吸收)的原因在很大程度上取决于光纤的材料(即均匀性方面的玻璃质量)和结构。因此,散射损耗主要是由瑞利散射引起的,瑞利散射的起源是沿着光纤的折射率的不连续性。

例如,(强烈依赖于波长的)吸收是由各种物质与纤维介质的不期望的掺合物引起的。除了材料对光的衰减外,还有由耦合点和拼接点引起的额外衰减效应。这种类型的衰减被称为菲涅耳反射。因此,在评估OTDR测量时,了解衰减的可能原因至关重要。

为了优化光传输线以及定位和消除故障,正确分析光纤接头或连接器的衰减值的大小,并将其与材料引起的衰减(主要由瑞利散射引起)联系起来,这一点很重要。

现在,我们想介绍一下OTDR设备的基本结构:

OTDR测量基于两种光学效应:菲涅耳反射和瑞利散射两者都在OTDR测量中检测到。以下是这种测量的简化方案:

OTDR中使用的探测器主要是雪崩光电二极管。

对于OTDR设备,该解决方案描述了检测到的两个事件彼此之间的接近程度,并且仍然被检测为两个单独的事件。就数据采集而言,这是数据采集速率以及所用ADC采集卡(或TDC采集卡)特性发挥作用的地方。OTDR设备死区在测量长度上并不保持恒定,因此规范不能应用于所有测量设置。经过研究,出现死区有两种不同的原因:

强烈的反射会导致更大的事件死区,因为只有当反射衰减到某个值以下(下图中为1.5 dB)时,才能感知到后续脉冲。

1、事件死区

事件死区(EDZ)由不饱和反射事件的下降沿下降1.5dB的时间(转换为光纤距离…)表示这对应于线性范围内的FWHM。只有在这个死区之后才能检测到紧接着的反射。即使这两个事件都被检测到,它们各自的衰减也无法测量,或者只能以非常低的精度测量。为了测量两个事件的单独衰减,至少所谓的衰减死区(ADZ)必须位于两个事件之间。

2、衰减死区

由于检测器需要一定的时间来测量进一步的反向散射事件,因此每个反射事件后面的衰减死区的起源于检测到的脉冲反射能量。ADZ描述了两个反射事件之间的最小距离,以便仍然能够单独测量它们的衰减分量。它被定义为脉冲的上升沿与直线瑞利后向散射线(光纤衰减值的轨迹)偏差0.5dB之间的距离。然而,这种死区规范通常由制造商在理想情况下给出,例如尽可能短的脉冲宽度和理想的端口反射。然而,这些规范给人的印象是死区的最小可能距离,可以对死区进行精确的损耗测量。

所描述的两个死区的大小取决于脉冲宽度和反射强度。

OTDR测量具有使用不同波长和脉冲宽度的选项。短脉冲宽度提供了更高的空间分辨率,例如用于LAN区域(局域网)中的测量。然而,根据光纤、检测器的性质以及用于数据采集的ADC(或TDC)的性能,短脉冲宽度往往会导致较差的信噪比。由于这个原因,在MAN(城域网)和WAN(广域网)区域中的测量通常以更大的脉冲宽度(以及相关联的更高的动态性)来执行。

因此,动态范围是评估测量方法的一个重要参数。它是根据测量路径开始时的反向散射功率与测量设置的噪声之比计算的,并定义了可以使用该设置测量的最大可能路径长度。

如前所述,短脉冲提供了更好的分辨率,但它们的范围是有限的,因为脉冲功率可能根本不足以到达光纤的末端。如果用长脉冲抵消这种影响,则动态范围会增加,但测量的分辨率会降低。为了测量更大的距离,尽管测量脉冲的持续时间限制了分辨率,但可以增加测量时间。这使得平均(并因此使得测量曲线的平滑)成为可能。随着测量持续时间的延长,结果变得更加准确。现代OTDR设备在几秒钟的测量时间内进行数千次测量,并对接收到的测量值进行平均。

因此,参数波长、脉冲宽度、测量范围、动力学和曲线平均/测量时间必须仔细地适应每次测量的条件和测量部分。测试的光纤测量部分通常由相同光纤类型的引导光纤和接收光纤补充。前者用于使到要测量的第一连接器的距离足够大,从而可以在死区之外检测到这一点。接收光纤用于捕获死区之外的最后一个连接器。当用较长的脉冲宽度进行测量时,例如为了测量较长的光纤距离,会在测量中引入更多的能量。因此,死区也变得更长,因此需要更长的引线和接收光纤长度。

为了提高精度,如果物理上可能的话,光纤链路在所谓的环路中进行双向测量。在这种情况下,测量方向发生变化,从而使引导光纤成为接收光纤,反之亦然。

OTDR设备类别

理想的OTDR设备能够在宽的测量范围内使用尽可能小的采样间隔以非常高的分辨率来表示非常短的脉冲持续时间。后者描述了在测量仍然可以在可接受的精度限制内确定事件的条件下,测量设备和待测量事件之间可能发生的最大衰减。然而,关于测量范围,OTDR存在与系统相关的限制:短激光脉冲通常具有较大的带宽,光纤的色散会使带宽进一步加宽。这导致不可避免的空间分辨率下降,尤其是对于长途光纤链路。

例如,在使用高分辨率ADC的基于TCPSPC的OTDR中,克服了常见OTDR测量方法的这种限制,在某些情况下,高分辨率ADC被TDC取代,以使用宽度为几皮秒的时间信道。这里的目标是尽可能缩短监测越来越大的光纤网络的测量时间,并用远程测量取代人员密集型的现场测量。单光子探测器(SPD)的高灵敏度与TDC的高时间分辨率的组合为此类应用提供了更高的动态范围和更好的空间分辨率。

为了测量相对较短的距离,便携式光纤故障定位器已经用于OTDR已有几年了,它在显示器上显示与光纤长度相关的回波损耗。如今,测量是如此精确,以至于除了所述测量曲线的图形表示之外,还显示了纤维线的非常用户友好的可视化表示。即使非专家也可以使用这种测量设备对数据进行解释。