基于gabor算法的otdr设计与研究-曾庆珠.pdf

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1、2017年第 12期 中文核心期刊基于Gabor算法的OTDR设计与研究Design and research of OTDR based on Gabor algorithmZENG Qingzhu1, XU Zhiyong2(1. Nanjing Vocational College of Information Technology, Nanjing 210023, China；2. PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)Abstract: OTDR has become an indispensa

2、ble optical communication network on-line line monitoring equip-ment. Based on Gabor algorithm, the test curve event point analysis is conducted to design the modularized high performance OTDR. The main indexes of OTDR were tested by optical communication network, and the feasibility and superiority

3、 of OTDR was verified.Key words: OTDR; test curve; analysis; algorithm曾庆珠1，徐智勇2（1.南京信息职业技术学院，南京210023；2.中国人民解放军理工大学，南京210007）摘要：OTDR已成为光通信网络在线线路监测的必备设备。 通过Gabor算法进行测试曲线事件点分析，设计了模块化高性能的OTDR；利用光通信网络对OTDR主要指标进行测试，验证了OTDR设计可行性和优越性。关键词：OTDR；测试曲线；分析；算法中图分类号：TN206 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2017）12-0037-04DOI：

4、10.13921/ki.issn1002-5561.2017.12.0100 引言光时域反射仪（OTDR）在光测试中得到了广泛的应用。 伴随光器件和信息技术发展，动态范围、盲区、测距精度(分辨率)、信号能量及处理算法、ADC 量化精度、信号处理速度和智能化程度等成为研究重点1，其中大动态范围和小盲区成为 OTDR 设计突破的重点和难点。 目前，光通信工程对盲区、分辨率和动态范围都有很高要求，需要对 OTDR 进行研究G80G81。 G82文G83要分G84 OTDR G85G86的G87G88，G89用Gabor 算法展G8A（G8BG8CG8D）分G84G8E件点，设计大G8F率、高分G90

5、率和G91G92态范围的OTDR。1 Gabor算法分析OTDR G93理G94G95G96G93理G97G98， G99G9AG9B Gabor 算法G8CG8D应用G9C OTDR 进行G9DG92G9EG9F分G84。 G93GA0G9EG9FGA1OTDR G9DG92GA2GA3GA4， 通GA5 Gabor 算法G8CG8D能G9DG92分G84GA6光GA7GA8GA9GAA点的GABGAC和G97GAD。1.1对事件点的分析GA1 OTDR 的G93理G99GAE，OTDR GAFGB0GB1到的信号中，GB2GB3分GB4GA1G9C Fresnel 反射GB5成的， GB6

6、GB2GB3分GB4Reyleigh GB7射GB5成的，GB8GB9，GA1OTDR GAFGBA到的光GBB中的GBCGBDGA9GAAG8E件分为反射G8E件和GBE反射G8E件24。 OT鄄DR GBF试G85G86GB4GB2GC0理GC1的、 GC2GC3了GB2GC4反射G8E件和GB2GC4GBE反射G8E件的G85G86，GC5GC6GC7GC8距GC9，GCAGC6GC7GC8GCBGCC信号的GCD度。 GCEGC0G85G86G99用GCFGD0GD1GD2GD3GC8G96：x（t）=f（t）+s（t）+r（t）+n（t） （1）其中，f（t）=Ae-t，GB4GD4

7、GD5GD6G9E，A0。 f（t）GB4 ReyleighGD7GCCGB7射的GD8GD9。 GB8为G82GDA目GAFGDBGDC的GB4算GDD，GAFG9AGDEGDF有精GE0GE1GC8GE2GBF试GD8GD9，GE3GB4GC8GE4GBF试GD8GD9的GB2GBDGE5GE6。 s（t）GE7GE8了GB2GC4反射G8E件，GE9GB4 Fresnel 反射GEAGEB的，G99能GB4GC4GECG92GEDGB0GEE，G8BGEFGB4GF0GF1光GBBGF2GB0时GF3GCF的GF4GF5，GF6G99能GB4光GBB的GF7GF8GD0。 r（t）GB4

8、GB2GC4GBEGF9射G8E件，GE9G99能GB4光GBB的GF2GB0点。 n（t）GC8GE2GD6GFA的GFBGFC，在GDA目中用高GFDGFEGFBGFCGD3GE7GE82,5。收稿日期：2017-07-14。基金项目：GFF苏省“青蓝工程”资助；2015年GFF苏省通信技术品牌专业GDA目（编号：PPZY2015A092）资助。作者简介：曾庆珠（1978-），男，副教授，G83要研究方GCC通信技术和通信工程。光器件輧輵訛万方数据2017年第 12期首先，根据 OTDR 采集的数据信号波形，我们对OTDR采集的数据进行Gabor 算法展开。Gabor 算法展开是分析暂态事

9、件的一种比较好的方法，Gabor 算法展开系数反映了 OTDR 数据的时频特性。 其次，经过Gabor 算法展开后的 OTDR 数据去除了 Reyleigh 散射f（t）这一背景噪声。 如果在 OTDR 数据中出现了事件点 s（t）或 r（t），对经 Gabor 算法变换后的数据再进行简单处理，则在该点的值将远大于 0，其它正常点的值与0接近或小于 0。最后，将最小描述长度G80则（MDL）G81G82于 Gabor 算法系数中G83G84事件点的G85G86 （G87G88MDL G89G8A了一种G83G8B Gabor 算法系数中是G8CG8DG8EG8FG90值点的方法）。1.2 OT

10、DR数据的Gabor算法展开OTDR G91G92G93G94G95G96G97G88G98G99， 描述事件点的G85G86；G9AG96G97G88信号G9BG9C。 G91G92G93G94中G9D接点（或G9EG93）G9FGA0GA1接GA2（或GA3GA4）的事件点的信GA5是GA6GA7GA8暂态信号。GA9 x（t）L2是一GAA时GABGACGAD信号，g（t）L2是一GAAGA6GAEGAF数，GB0GAF数G88 g（t）时，信号 x（t）的 Gabor 算法展开G88：x（t）=m,n=-移am,ngm,n（t）=m,n=-移am,ngm,n（t-n）exp j2 t-

11、n移 移移 移（2）其中，am,n=TNL-1k=0移fk(L)Vk*(L)exp-j2nkN移 移。OTDR 信号G88GA6GA7GA8暂态信号， GB1GB2 m=0； n G88OTDRGB3暂态信号的G85G86。 G88GB4GB5 x（t）的 am,n的GB6在，GB7=1，其中，g（t）GB8GB9GBAGBB一GBCGBDGBE，g（t）= 2姨 exp -t姨 移 t移移，GBFGC0GC1GC2大小， t移移G88GC3GC4GAF数。 GC5（2） 中信号经过 Gabor 算法展开后GC6GC7 Gabor 算法系数，系数GBF现出GC8的是 OTDR G91G92的G

12、9D接点（或G9EG93）G9FGA0GA1接GA2（或GA3GA4）GC9事件点。 GCA=0.5 时，Gabor 算法系数GCBGCC大于 0，GCD n 值GCE大GCFGCEGD0，GD1法GD2分事件点；GCA=0.02 时，L=32、N=32 G9F L=32、N=64 的GD3GD4数据GD5果GBFGD6：G93G94经过简单的GD7理后，在 n=10、28、29GD7数值GD8G88 0，其它GCBG88 0。 GD9GDAGDBGDC，GDDGDE信G91G92时GDFGE0GE1GE2信号， x（t）GE3GDBGB2GE4 Reyleigh 散射的背景噪声中G8EGE5

13、GE6GE7G99出GC8，GC1GC2大小的GDFGE0GE8GE9G83GEA的GEB度，GECGEDGEEGC1GC2大小与GDDGEFGF0GF1系数GF2GCA1,2,5。1.3 OTDR主要性能分析在 OTDR GA9GF3中，一GF4GDE过GF5GD0GF6G90的方法GC8G89GF7信噪比。 GA9数据GF8是经过GF9次GF5GD0GF6G90后的数据，在GFAGFB噪声方GFC的GFDGFEGFF，MDL 如GC5（3）GB1GC0，GC5中C=C（0）C（1）C（j）C（G-1），它是GD9 G 次G91GBAGB1GC6GC7的 G GAAGabor 算法系数向GB

14、AGB1组成的。 G 次G91GBA被认G88是统GF3独立的，C（j）RN是第 j 次G91GBAGB1GC6GC7的 Gabor 算法系数向GBA。 G84义（k）=EC是 C 的G90值，它包G8D k GAAGD8G88 0 的元素，然后找GC7使GC5（3）最小的 k 值，这样就GB9GDE过算子专（k）确G84 C 中哪些值G81该GB4留，哪些值强GBEG880，GE4GCFG83G8B出反射点的G85G86。GE4数据压缩的角度GC8看，GC5（3）只需在0N2之GAB寻找 k 值。MDL（k*）=min0kN23k2lnN+N2lnC -赞姨移k姨 移TH-1C -赞姨移k姨

15、 移 移 移（3）G84义信噪比（SNR）G88：SNR=10lg事件点的GB9GBA在事件GD7噪声的GB9GBA=10lgxTxET（4）其中，x 是事件点的抽样向GBA，是GCD机噪声向GBA，且服GE4正态分布 N0,2移 移I。 这样，OTDR 收集GC7任一数据G90GDBGBFGC0G88 y=x+r+，r是背向散射信号。GA9 P 是在事件点GD7抽样的GAA数，A G9F B 分别G88OTDR 信噪比在 95%G80确G9CGFF的最小值G9F最大值，y（j）=x（j）+（j），j=0，1，G-1，则GC5（4）变G88：210A10PxTxG210B10PxTx（5）大G

16、BAGD3GD4实验GBFGD6，经过 MDL G83GEA后的Gabor 算法系数除了在 n=10、29 两点外， 其余GB3点G90G88 0。 同时，OTDR 中 MDL 的GA1态范围很宽，GCA MDL 的G80确G9CGD8小于95%时，则A24dB、B260dB。在OTDR 中GED获GC6这么GF7的信噪比是很难的， GD9此GDBGDCGabor 算法变换的GDB执行性、GDB靠性G9F实G82性2,5。2 OTDR设计方案2.1 OTDR模块设计本文将变换后的 Gabor 算法引入 OTDR GA9GF3中，探索大G9BG9C、 较GF7分辨G9CG9F大GA1态范围的 O

17、TDR GA9GF3，OTDR 系统的组成如图1 GB1GC0。 OTDR 数据采集模块GD9数据采集单元G9F数据预GD7理与GDE信单元两GCC分组成。 数据采集单元包括GDD接GC2、信号G94性放大电路G9F模数转换电路。 数据预GD7理与GDE信单元包括存储、控GBE、预GD7理、GDE信G9FGDD脉冲产生，主GED工作是完成对GDDGEF背向瑞利散射信号的检G91与采集。曾庆珠，徐智勇：基于 Gabor算法的 OTDRGA9GF3与研G80光器件輧輶訛万方数据2017年第 12期 OTDR 由光发送部分、CPU、存储器、光接收部分、控制电路、A/D、数据传输接口和分光器等组成，其

18、中，光发送、分光器和光接收是 OTDR 设计的关键，OTDR数据采集模块的整体性能由这 3个部分决定。 光发送机的输出光功率和光接收机的灵敏度， 首先关系到OTDR数据采集模块动态范围，决定了最大测量距离；其次， 对 OTDR 数据采集模块的事件分辨率有影响。信号放大电路的设计主要包括前置放大电路和主放大电路两部分。 前置放大电路是以 SA5211 为主放大芯片的 TIA 前置放大电路， 该器件G80有G81G82的G83G84，其G85G86G87电G88G83G84G89度G8AG8B为 1.8pAHz姨， 放大器的 3dB G8CG8D为 180MHz，G8EG8FG90G91为 28k

19、；主放由G92G93G94G95放大器G96成，G94放G97G98了G99G9A度、G99G8CG8D、G82G83G84和G82G9BG9C的 MAX4107 G94G95放大器， 其 3dB G8CG8D为300MHz，输G9D电G9EG83G84为 0.75nVHz姨，G9FGA0G9A率GA1500V/s1,6,7。2.2 动态范围设计OTDR的光GA2GA3GA4采G98大功率的GA5GA6GA7光器。 GA8GA5G8D大功率的光GA5GA6是 OTDR 设计中GA9要GAAGABGAC决的GADGAE。OTDRGAF要GB0G99测GB1光GB2GB3度，GB4要GB0G99距

20、离分辨率，其光GA5GA6GB5GB6GB7GB8 10ns GB9GBAGBB电G88G99GA1 1A。GBCGBD设计了GA3GBEGBFGB8 MOSFET GC0动的G99G9AGA7光器GC0动电路，GC1GC2GC2GC3输出电G88GA5GA6G8D度GB7GB8 10ns，输出GC4GC5电G88大GB8 1A， 系GC6输出GA5GA6光GC4GC5功率GC7大GB8100nW。2.3 距离分辨率设计OTDR的GC8GA3GAA要GC9GCA是距离分辨率， GCBGCC接关系到测GB1GCDGCE对GCFGD0事件GAB的分辨能GD1。 距离分辨率GA9GA1到1m，系GC

21、6的数据采GD2G9A率GA9大GB8 100MHz，ADG9FGA0器GD3GD4GD5成数据采集， GD6GD7GD8G98FPGA GD9部集成的SEDES 模块，GC1GDA分辨率G99GA1 1.25ns 的GDBGCF功能。GDCGDDGDE定光GA5GA6GCFGDF，GE0整AD 采GD2GCFGDF，GE1GE0整光GA5GA6GE2GE3GE4GE5第GA3个采GD2GABGE6GE7的GE8GE7GE7GE9， GEAGEBGEC100MHz采GD2GD5成800MHz 等GED采GD2， GEE采GD2GC5GEF接，GD6GD7GF0GF1到G99分辨率的采GD2数据

22、。3 系统测试GBCGBDGCDGF2 OTDR G86GF3设计了GCFGF4的GF5GF6件系GC6，GF7GF8GF9了测GB1。 测GB1GD9GFA包括光GA2输出光GA5GA6测GB1、接收系GC6G83G84测GB1和系GC6性能测GB1。3.1 输出光脉冲测试GFBG9D光GB2中光GA5GA6的GC4GC5GE5G8D度GCC接关系到系GC6性能GFCGFD。 为了GFEGF1光GA5GA6的G9CGC1GFF状，GD6GD7设计了GA3个简易光电G9FGA0探头，GCC接探测了GA7光器的输出光信号， GAC决了普GDC示波器只能探测电信号的GADGAE。G98示波器观察

23、10ns、20ns、40ns、80ns、100ns 和 200ns的输出光GA5GA6波GFF图, GF0以看出OTDR 的输出光GA5GA6GC4GC5功率除10nsGE8略G82以外，其GCB光GA5GA6GC4GC5功率GBFGBC保持GA3致；单GA5GA6GE5GEBGA5GA6的GA5GA6GFF状及幅GC5GA3致性较GFC，GA1到了设计要求。3.2 接收系统噪声测试在OTDR 的接收机中，电G83G84是影响动态范围的关键因素。 OTDR 系GC6中存在电GA2G83G84、地线G83G84、电路G83G84以及模数信号干扰等因素。 系GC6设计GE8充分考虑了这些干扰因素，

24、GDCGDD电GA2和地线分割、模拟和数字电路GE9离及GB7信号屏蔽等G86法，G81大地降G82了接收系GC6G83G84。 此外，系GC6采G98动态数字滤波和GEBGEC累加平G85G94G95对信号GF8GF9处理， 使系GC6信G83比GF1到了GB0G99，GF8GA3步G90大了系GC6的动态范围。关闭 OTDR 的GA7光器，GD6GD7对 OTDR 采集系GC6产生的G83G84GF7分析。 系GC6G83G84未GEA动态数字滤波，GEBGEC累加平G85G94G95的系GC6G83G84GC4GC5GC7为 2.3mV，G85G86差GC7为 290V；系GC6G83G

25、84GEA 8192 GEC累加平G85G94G95的系GC6G83G84GC4GC5已降为 26V， G85G86差GC7为 3.4V，OTDR的动态范围GF0GB0G99GC7 9.7dB， GE5理论预期（9.8dB）GCF符。 在OTDR测GB1中，为了G90大系GC6的测GB1距离，在GB3距离测量GE8GA3GA4发送较大G8D度的光GA5GA6，此GE8系GC6所GA9的放大器G8CG8D也GCFGF4减GB7。 为了GF8GA3步降G82G83G84，系GC6在大量程测GB1GE8采G98了动态数字滤波技术，G87据不同的光GA5GA6G8D度及测GB1量程对采集数据GF8GF

26、9不同G8CG8D滤波。图 1 OTDR系统组成框图曾庆珠，徐智勇：GBFGB8 GaborG95法的 OTDR设计GE5研究光器件輧輷訛万方数据2017年第 12期3.3系统性能测试3.3.1 动态范围动态范围是 OTDR 系统的一个关键性能指标，它直接关系到 OTDR 系统待测光纤线路的长度。 本文采用4盘长距离光纤进行测试。 第1盘光纤的长度约为51km，后3盘光纤长度约为 25km。 光纤间采用活动连接方式。 发送脉冲宽度为 20s，测试时间为 20s。 测试曲线如图 2 所示， 背向散射曲线的起始点高度约为48.5dB， 噪声峰值点约为 7.5dB， 此时的动态范围为41dB。 当O

27、TDR 调整测试时间为 3min，则动态范围可提高约 2.4dB，而 SNR=1 时的动态范围比峰值法的动态范围大 2.8dB 左右， 因此， 系统的动态范围约为46.2dB，OTDR 动态范围有很大提高。3.3.2 盲区盲区总是与反射有关，当信G80G81 OTDR 的接G82G83G84G85时G86G87G88盲区。 接G82G83G84G85后G89G8A一G8B时间G8C能G8DG8E它的G8FG90度，G91G86G92G93信G94的G95G96。 盲区G97为G98G99盲区G85G9AG9B盲区G9CG9D，G98G99盲区后的反射G98G99可G9EG9FGA0GA1GA2

28、GA3GA4GA5GA6；G9AG9B盲区与脉宽、GA7长、接G82G83GA8宽G9EGA9反射有关。 GAAGAB OTDR GA6GAC，盲区GADGAEGADGAF。GB0GB1到的盲区测试曲线GB2G98G99盲区G85G9AG9B盲区GB3GB4GB5大， 如图 3 GB6GB4G9AG9BGB5大曲线所示，OTDR 的G9AG9B盲GB7区约为 21m，GB8GABGB3GB4有一个 10m GB9线（长度GBAGBB），所G9E系统的G9AG9B盲区约为 11m。 GBCGB4G98G99盲区GB5大曲线（23km GBD）如图 4 所示，GB8 3m GB9线G92G93的G

29、9C个反射峰可G9EGBEGBF区G97GC0，GB8GABG9C个连接GC1的反射GC2度GC3GC4，G92G93GC5宽GC3一GC6。 GC7GC8G98G99盲区的GC9GCA，可GB6GCBGCC为G9C个反射峰间距离的一GCDGCE为G98G99盲区。 因此，G98G99盲区GAEGAB2.5m。4 结束语GCFGD0GAAOTDR 测试曲线GD1GD2G85 Gabor GD3法GC5GC0GD4GD5的G97GD6，本文GD7GD8光脉冲、动态范围G85G97GA3GD9GDAOT鄄DR GDBGDCGDDGDE， GDFGD0光GCF信GE0GE1GE2GE3调试， GE4

30、GAEGAB10ns、100mW 的光脉冲GE5GA5时， GE6GE7GE8大动态范围G85高G97GA3GD9光时GE9反射信G80GEA测，GEBGECGE8光GCF信GEDGEE测试方法G85测试GDDGEF。参考文献：1 GF0GF1， GF2GF3GF4， GF5GF6. GF7GABGF8GF9式 OTDR的光GFAGE0GFB动GFC测系统J.光GCF信GD1GD2，2005（4）：50-53.2 GFDGFEGFF，文科，GF5GF6. OTDRG98G99GEA测G85GC9位GD3法J. 解GB5军理GED大学学报(GFB然科学版)，2004(5)：22-25.3 李兴慧

31、，申永军，武友德.GF7GAB重排 GaborGD3法GD4GD5G85 RadonGD4GD5的盲G97离GA9其应用J. 兰州理GED大学学报，2017，43(1)：39-44.4 周家雄，张国栋，尚帅.GF7GAB重排 GaborGD3法GD4GD5的高G97GA3GD9谱G97解J. 世界GA1质，2013,32(1)：153-157.5 申永军，张光GBE，杨绍普，GDA GF7GAB GaborGD3法GD4GD5的盲信G80G97离方法J. 振动与冲击， 2010，29(10)：166-169.6 陈广峰 GF7GAB RadonGD4GD5的GB7标主体信G80与微 动 信 G80 的 G97 离J.科学技术与GEDGEE，2013，13(20)：5811-5814.7 黄大欣，欧GB2华，刘永智. G81用互补码提高 OTDR测量动态范围的方法J. 电子科技大学学报，2005，34(3)：332-335.图 2 125km光纤测试曲线图 3近端衰减放大曲线图 4 远端事件放大曲线曾庆珠，徐智勇：GF7GAB GaborGD3法的 OTDRGDDGDE与GD1GD2光器件輨輮訛万方数据