高精度光纤传输延迟定位装置及延迟定位方法

摘要

本发明涉及一种高精度光纤传输延迟定位装置，由本地单元、远程单元组成；被测光纤链路处于本地单元与远程单元之间；本地单元位于系统中心主机端，包括本地单元光脉冲发射装置和本地单元光脉冲接收装置；光脉冲发射装置是计时信号的起始点；远程单元位于分系统端；远程单元包括远程单元光脉冲接收装置和远程单元光脉冲发射装置。本发明高精度光纤传输延迟定位装置，本装置采用高精度窄脉冲产生技术、返回脉冲信号精确恢复技术、时差数字转换技术、一体化壳体设计技术等多种设计思想构建完成，实现高精度、小型化、便捷式光纤传输延迟定位测量的技术目的。

说明书

技术领域

本发明涉及电信号传输领域，具体的说，是涉及一种高精度光纤传输延迟定位装置。

背景技术

采用光纤进行信号传输时与电信号传输一样，也存在传输延迟问题，在一般的传输系统中对信号传输延迟可以忽略不计，但在重要通讯系统中要求收发分置，站点间距不小于50公里，属长距离光纤信号传输，且该系统对信号传输时延要求很高，偏差不超过20ns，如果超出，则会导致收发波束错乱，系统无法正常工作，须将收发站点的传输延迟精确测量出来，提供给主机由主机进行时序修正。

光时域反射技术工作原理类似于雷达，光时域反射仪对光纤链路发出脉冲信号，信号在光纤链路中遇到连接器、接合点、断点、或其它类似事件时产生散射和反射。其中反射信号返回到发射端，光时域反射仪测算返回信号与发射信号的时间差，并重复进行，然后将结果进行平均并以轨迹的形式显示出来，这个轨迹就描绘了整段光纤链路的时延以及距离信息；其中距离信息是通过以下公式计算获得。

d＝c×t/2η

其中：c是光在真空中的速度；

t是发射信号和接收信号的总时延；

η是被测光纤折射率(一般由光纤生产商来标明)。

现有技术解决方案是通过光时域反射技术，其主要用于光缆线路工程施工或光缆线路维护工作中，存在技术复杂、体积大，不能在线监测、不满足特殊通讯环境使用要求的问题。

采用光时域反射技术存在以下几个缺点：

(1)体积过大，不能便携式应用；

(2)不能实现连续在线测试功能。

(3)测量精度不够，不能满足系统要求。

(4)环境适应性差。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种体积小巧、能在线测试、测量精度高，环境适应性强的高精度光纤传输延迟定位装置。

本发明所采取的技术方案是：

一种高精度光纤传输延迟定位装置，

由本地单元、远程单元组成；

被测光纤链路处于本地单元与远程单元之间；

本地单元位于系统中心主机端，包括本地单元光脉冲发射装置和本地单元光脉冲接收装置；

光脉冲发射装置是计时信号的起始点；

光脉冲发射装置包括：脉冲发生电路、脉冲整形电路、激光驱动电路、激光器和波分复用器；；

光脉冲接收装置包括：脉冲放大电路、脉冲触发电路、脉冲整形电路、时间数字转换电路、微控制器和通讯电路；

远程单元位于分系统端；

远程单元包括远程单元光脉冲接收装置和远程单元光脉冲发射装置；

光脉冲接收装置包括：波分复合器、探测器、脉冲放大电路、脉冲整形电路和脉冲发生电路；

光脉冲接收装置包括：脉冲整形电路、激光驱动电路和激光器和波分复合器。

一种高精度光纤传输延迟定位方法，本地单元脉冲发生电路产生激励脉冲提供给激光发射电路，同时提供给数字转换电路，作为启动计时信号；

发射光信号经波分复用器耦合进传输光纤，传输到远程单元后，经波分复用器耦合进远程单元接收端；

远程单元接收端接收信号，由远程单元电光转换电路转换成光信号，经波分复用器再次耦合进传输光纤，返回本地单元；

本地单元接收电路完成光电转换后，触发微控制器中断，微控制器给出停止信号，时间间隔测量完成；

微控制器将时间数字转换电路的转换结果读出，通过通讯接口将测量结果输出给系统主机。

所述远程单元完成光脉冲信号的接收和回传工作；

远程单元接收到光脉冲信号后，首先转换成电信号，该电信号经差分放大并转换成单端信号，单端信号经放大、整形后送给窄脉冲产生电路，用于触发恢复窄脉冲信号，窄脉冲信号经放大整形后由转换芯片完成单端到差分的转换，再由高速激光驱动芯片完成光脉冲的发射回传。

脉冲发生电路采用高精度窄脉冲产生方法产生；

脉冲发生电路包括四个三极管，四个三极管分别为：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4；

电路中包括四个调节电阻，四个调节电阻分别为：第一调节电阻R

第一调节电阻R

第一调节电阻R

第二调节电阻R

第三调节电阻R

第四调节电阻R

包括四个跨接电阻，四个跨接电阻分别为第一跨接电阻R

第三跨接电阻R

第一跨接电阻R

第二跨接电阻R

第三跨接电阻R

第四跨接电阻R

包括四个接地电阻，四个接地电阻分别为第一接地电阻R

第一接地电阻R

第一接地电阻R

第二接地电阻R

第二接地电阻R

第三接地电阻R

第三接地电阻R

第四接地电阻R

第四接地电阻R

包括四个储能电容，四个储能电容分别为第一储能电容C1、第二储能电容C2、第三储能电容C3、第四储能电容C4；

第一储能电容C1一端接地，另一端与第一三极管Q1的集电极相连接；

第二储能电容C2一端与第一三极管Q1的发射极相连接，另一端与第二三极管Q2的集电极相连接；

第三储能电容C3一端与第二三极管Q2的发射极相连接，另一端与第三三极管Q3的集电极相连接；

第四储能电容C4一端与第三三极管Q3的发射极相连接，另一端与第四三极管Q4的集电极相连接；

电阻R

包括四个信号耦合电容，四个信号耦合电容分别为第一信号耦合电容Ci1；第二信号耦合电容Ci2、第三信号耦合电容Ci3和第四信号耦合电容Ci4；

第一信号耦合电容Ci1一端与第一三极管Q1的基极相连接，另一端与输入信号V

第二信号耦合电容Ci2一端与第二三极管Q2的基极相连接，另一端与输入信号V

第三信号耦合电容Ci3一端与第三三极管Q3的基极相连接，另一端与输入信号V

第四信号耦合电容Ci4一端与第四三极管Q4的基极相连接，另一端与输入信号V

负载电阻RL一端与第四三极管Q4的发射极相连接，另一端接地。

电阻R

R

储能电容C1左端与地连接，右端与Q1集电极相连；

C2左端与Q1发射极连接，右端与Q2集电极相连；

C3左端与Q2发射极连接，右端与Q3集电极相连；

C4左端与Q3发射极连接，右端与Q4集电极相连；

耦合电容Ci1上端与Q1基极相连，Ci2上端与Q2基极相连，Ci3上端与Q3基极相连，Ci4上端与Q4基极相连；

Ci1、Ci2、Ci3、Ci4下端同时与V

电阻R

R

R

R

电阻R

R

R

R

R

负载电阻RL上端与Q4发射极连接，下端接地。

当触发脉冲信号V

高精度窄脉冲产生电路是利用三极管工作在雪崩区的雪崩倍增效应，结合并行充电串行放电来实现；

电路中上端四个电阻用于调节各三极管的静态工作点，使每个管子都偏置在临界雪崩状态；

当各三极管基极同时加载触发脉冲信号后，各三极管基极电流增加使得工作点发生变化，引起各三极管同时雪崩击穿，产生极速增加的雪崩电流，各储能电容C所储存的电荷迅速通过Q1、Q2、Q3、Q4和负载电阻RL放电，在负载电阻RL上形成一个正极性的窄脉冲；

由于整个电路的引线电感和三极管内部分布电容的存在，使得雪崩电流逐渐增大，增大的电流形成输出脉冲的前沿，当电流增大到一定值后，电容C上的电荷越来越小，放电电流越来越小，此电流形成输出脉冲的后沿。

返回脉冲信号采用精确恢复方法；

返回脉冲信号电路包括第十一电阻R11和第十五电阻R15；

第十一电阻R11和第十五电阻R15一端并联后与输入信号V

第十一电阻R11另一端与第十二电阻R12和第十一电容C11相连接；

第十二电阻R12另一端接地；

第十一电容C11另一端与第十三电阻R3一端和比较器U的P2端相连；

第十三电阻R13另一端与参考电压Vref相连接；

第十五电阻R15另一端与第十一电容C11一端、电阻R14一端及比较器U的P3端同时相连接；

第十一电容C11和第十四电阻R14另一端接地；

比较器U的P2端相连；

比较器U的P2端为信号输入负向端，P3端为信号输入正向端，P4端为接地端，P6端为比较信号输出端，P7端为电源端；

信号V

电阻R1左端与输入信号V

比较器U的P2端为信号输入负向端，P3端为信号输入正向端，P4端为接地端，P6端为比较信号输出端，P7端为电源端。

返回脉冲信号是通过设置定比例时点比较器实现，信号输入后分成两路，其中一路经过衰减变小，另一路则不经衰减，经过一段时间延迟，分别送入电压比较器的正、负输入端；

比较器的转态发生于正、负输入端信号相对大小改变的时刻，转态时点不受输入信号幅度变化的影响，始终保持于输入信号达到某一固定高度比例时发生；

设V

V

由于输入信号的上升时间极短，且接近线性，故在V

当比例(L

所述时间数字转换电路采用时差数字转换方法；

所述时差数字转换方法为：通过计算起始、终止信号的时延，从而得到被测光路传输延迟；

以信号通过内部门电路的传输延时来进行高精度时间间隔测量的；

测量过程中，通过计算出开始信号和结束信号之间所经过的逻辑门的个数，从而精确的计算出Start信号与Stop信号之间的时间间隔；

时间间隔测量由Start信号触发而开始,接收到Stop信号而停止；

由粗值计数器的计数值计算出Start信号和Stop信号之间的时间间隔；

时间间隔测量中，门电路的延时时间受到电源电压、环境温度等因素变化的影响，并且其影响具有不确定性和不重复性；

在每次测量前，利用微控制器对电源电压、环境温度进行采集，然后测量一个已知的时间间隔，测量完成后修订补偿参数，利用该补偿参数对后续测量结果进行补偿修正，从而获得准确的测量结果。

本发明相对现有技术的有益效果：

本发明高精度光纤传输延迟定位装置，本装置采用高精度窄脉冲产生技术、返回脉冲信号精确恢复技术、时差数字转换技术、一体化壳体设计技术等多种设计思想构建完成，实现高精度、小型化、便捷式光纤传输延迟定位测量的技术目的。

本发明高精度光纤传输延迟定位装置，在光接口上采用FC插拔式结构，插拔方便而且不会出错，平时不用时可将FC光纤连接器取下；该装置在电信号及电源接口上均采用标准USB接口形式，使用便捷。

附图说明

图1是高精度光纤传输延迟定位装置的本地单元工作原理框图；

图2是高精度光纤传输延迟定位装置的远程单元工作原理框图；

图3是高精度光纤传输延迟定位装置的高精度窄脉冲产生电路图

图4是高精度光纤传输延迟定位装置的比例比较电路图；

图5是高精度光纤传输延迟定位装置的定比例信号示意图；

图6是高精度光纤传输延迟定位装置的绝对时间测量系统框架；

图7是高精度光纤传输延迟定位装置的本地单元壳体效果图；

图8是高精度光纤传输延迟定位装置的远程单元壳体效果图。

附图中主要部件符号说明：

图中：

11、本地单元盖板 12、本地单元通信口

13、本地单元壳体 14、本地单元光口

21、远程单元盖板

23、远程单元壳体

24、远程单元光口

25、远程单元电源口。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明：

附图1-8可知，一种高精度光纤传输延迟定位装置，

由本地单元、远程单元组成；

被测光纤链路处于本地单元与远程单元之间；

本地单元位于系统中心主机端，包括本地单元光脉冲发射装置和本地单元光脉冲接收装置；

光脉冲发射装置是计时信号的起始点；

光脉冲发射装置包括：脉冲发生电路、脉冲整形电路、激光驱动电路、激光器和波分复用器；

光脉冲接收装置包括：脉冲放大电路、脉冲触发电路、脉冲整形电路、时间数字转换电路、微控制器和通讯电路；

远程单元位于分系统端；

远程单元包括远程单元光脉冲接收装置和远程单元光脉冲发射装置；

光脉冲接收装置包括：波分复合器、探测器、脉冲放大电路、脉冲整形电路和脉冲发生电路；

光脉冲接收装置包括：脉冲整形电路、激光驱动电路和激光器和波分复合器。

一种高精度光纤传输延迟定位方法，本地单元脉冲发生电路产生激励脉冲提供给激光发射电路，同时提供给数字转换电路，作为启动计时信号；

发射光信号经波分复用器耦合进传输光纤，传输到远程单元后，经波分复用器耦合进远程单元接收端；

远程单元接收端接收信号，由远程单元电光转换电路转换成光信号，经波分复用器再次耦合进传输光纤，返回本地单元；

本地单元接收电路完成光电转换后，触发微控制器中断，微控制器给出停止信号，时间间隔测量完成；

微控制器将时间数字转换电路的转换结果读出，通过通讯接口将测量结果输出给系统主机。

所述远程单元完成光脉冲信号的接收和回传工作；

远程单元接收到光脉冲信号后，首先转换成电信号，该电信号经差分放大并转换成单端信号，单端信号经放大、整形后送给窄脉冲产生电路，用于触发恢复窄脉冲信号，窄脉冲信号经放大整形后由转换芯片完成单端到差分的转换，再由高速激光驱动芯片完成光脉冲的发射回传。

脉冲发生电路采用高精度窄脉冲产生方法产生；

脉冲发生电路包括四个三极管，四个三极管分别为：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4；

电路中包括四个调节电阻，四个调节电阻分别为：第一调节电阻R

第一调节电阻R

第一调节电阻R

第二调节电阻R

第三调节电阻R

第四调节电阻R

包括四个跨接电阻，四个跨接电阻分别为第一跨接电阻R

第三跨接电阻R

第一跨接电阻R

第二跨接电阻R

第三跨接电阻R

第四跨接电阻R

包括四个接地电阻，四个接地电阻分别为第一接地电阻R

第一接地电阻R

第一接地电阻R

第二接地电阻R

第二接地电阻R

第三接地电阻R

第三接地电阻R

第四接地电阻R

第四接地电阻R

包括四个储能电容，四个储能电容分别为：第一储能电容C1、第二储能电容C2、第三储能电容C3和第四储能电容C4；

包括四个储能电容，四个储能电容分别为第一储能电容C1、第二储能电容C2、第三储能电容C3、第四储能电容C4；

第一储能电容C1一端接地，另一端与第一三极管Q1的集电极相连接；

第二储能电容C2一端与第一三极管Q1的发射极相连接，另一端与第二三极管Q2的集电极相连接；

第三储能电容C3一端与第二三极管Q2的发射极相连接，另一端与第三三极管Q3的集电极相连接；

第四储能电容C4一端与第三三极管Q3的发射极相连接，另一端与第四三极管Q4的集电极相连接；

电阻R

包括四个信号耦合电容，四个信号耦合电容分别为第一信号耦合电容Ci1；第二信号耦合电容Ci2、第三信号耦合电容Ci3和第四信号耦合电容Ci4；

第一信号耦合电容Ci1一端与第一三极管Q1的基极相连接，另一端与输入信号V

第二信号耦合电容Ci2一端与第二三极管Q2的基极相连接，另一端与输入信号V

第三信号耦合电容Ci3一端与第三三极管Q3的基极相连接，另一端与输入信号V

第四信号耦合电容Ci4一端与第四三极管Q4的基极相连接，另一端与输入信号V

负载电阻RL一端与第四三极管Q4的发射极相连接，另一端接地。

电阻R

R

储能电容C1左端与地连接，右端与Q1集电极相连；

C2左端与Q1发射极连接，右端与Q2集电极相连；

C3左端与Q2发射极连接，右端与Q3集电极相连；

C4左端与Q3发射极连接，右端与Q4集电极相连；

耦合电容Ci1上端与Q1基极相连，Ci2上端与Q2基极相连，Ci3上端与Q3基极相连，Ci4上端与Q4基极相连；

Ci1、Ci2、Ci3、Ci4下端同时与V

电阻R

R

R

R

电阻R

R

R

R

R

负载电阻RL上端与Q4发射极连接，下端接地。

当触发脉冲信号V

高精度窄脉冲产生电路是利用三极管工作在雪崩区的雪崩倍增效应，结合并行充电串行放电来实现；

电路中上端四个电阻用于调节各三极管的静态工作点，使每个管子都偏置在临界雪崩状态；

当各三极管基极同时加载触发脉冲信号后，各三极管基极电流增加使得工作点发生变化，引起各三极管同时雪崩击穿，产生极速增加的雪崩电流，各储能电容C所储存的电荷迅速通过Q1、Q2、Q3、Q4和负载电阻RL放电，在负载电阻RL上形成一个正极性的窄脉冲；

由于整个电路的引线电感和三极管内部分布电容的存在，使得雪崩电流逐渐增大，增大的电流形成输出脉冲的前沿，当电流增大到一定值后，电容C上的电荷越来越小，放电电流越来越小，此电流形成输出脉冲的后沿。

返回脉冲信号采用精确恢复方法；

返回脉冲信号电路包括第十一电阻R11和第十五电阻R15；

第十一电阻R11和第十五电阻R15一端并联后与输入信号V

第十一电阻R11另一端与第十二电阻R12和第十一电容C11相连接；

第十二电阻R12另一端接地；

第十一电容C11另一端与第十三电阻R3一端和比较器U的P2端相连；

第十三电阻R13另一端与参考电压Vref相连接；

第十五电阻R15另一端与第十一电容C11一端、电阻R14一端及比较器U的P3端同时相连接；

第十一电容C11和第十四电阻R14另一端接地；

比较器U的P2端相连；

比较器U的P2端为信号输入负向端，P3端为信号输入正向端，P4端为接地端，P6端为比较信号输出端，P7端为电源端；

信号V

电阻R1左端与输入信号V

比较器U的P2端为信号输入负向端，P3端为信号输入正向端，P4端为接地端，P6端为比较信号输出端，P7端为电源端。

返回脉冲信号是通过设置定比例时点比较器实现，信号输入后分成两路，其中一路经过衰减变小，另一路则不经衰减，经过一段时间延迟，分别送入电压比较器的正、负输入端；

比较器的转态发生于正、负输入端信号相对大小改变的时刻，转态时点不受输入信号幅度变化的影响，始终保持于输入信号达到某一固定高度比例时发生；

设V

V

由于输入信号的上升时间极短，且接近线性，故在V

当比例(L

所述时间数字转换电路采用时差数字转换方法；

所述时差数字转换方法为：通过计算起始、终止信号的时延，从而得到被测光路传输延迟；

以信号通过内部门电路的传输延时来进行高精度时间间隔测量的；

测量过程中，通过计算出开始信号和结束信号之间所经过的逻辑门的个数，从而精确的计算出Start信号与Stop信号之间的时间间隔；

时间间隔测量由Start信号触发而开始,接收到Stop信号而停止；

由粗值计数器的计数值计算出Start信号和Stop信号之间的时间间隔；

时间间隔测量中，门电路的延时时间受到电源电压、环境温度等因素变化的影响，并且其影响具有不确定性和不重复性；

在每次测量前，利用微控制器对电源电压、环境温度进行采集，然后测量一个已知的时间间隔，测量完成后修订补偿参数，利用该补偿参数对后续测量结果进行补偿修正，从而获得准确的测量结果。

本发明高精度光纤传输延迟定位装置，本装置采用高精度窄脉冲产生技术、返回脉冲信号精确恢复技术、时差数字转换技术、一体化壳体设计技术等多种设计思想构建完成，实现高精度、小型化、便捷式光纤传输延迟定位测量的技术目的。

本发明高精度光纤传输延迟定位装置，在光接口上采用FC插拔式结构，插拔方便而且不会出错，平时不用时可将FC光纤连接器取下；该装置在电信号及电源接口上均采用标准USB接口形式，使用便捷。

本产品采用全金属结构，力学性能、散热性能好，包含本地和远程两个单元，结构紧凑，体积小巧，同时进行了军品级环境性能设计，环境适应性好，整个壳体通过铣切加工而成，美观、精致。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案范围内。