摘要：傳統(tǒng)的光纖檢測系統(tǒng)大都是基于MCU架構來實現(xiàn)的，雖然MCU系統(tǒng)或DSP處理器在數(shù)字信號處理方面功能強大，但難以完成大量實時數(shù)據(jù)的采集，因采樣點少帶來的測量誤差會累積到測試結果。本設計基于光纖系統(tǒng)的檢測原理，設計一種快速光纖檢測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用FPGA做數(shù)據(jù)處理，可以實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)的采集。
光纖通信是用光纖作為傳輸介質，以光波作為載波來實現(xiàn)信息傳輸，從而達到通信目的的一種新通信技術。與傳統(tǒng)的電氣通信相比，光纖傳感技術具有精度和靈敏度高、抗電磁干擾、壽命長、耐腐蝕、成本低、光纖傳輸損耗極低，傳輸距離遠等突出優(yōu)點。
雖然光纖通信具有以上突出的優(yōu)點，但本身存在的缺陷也不容忽視，比如：光纖的質地脆，容易斷裂、機械強度差，彎曲不能過小;供電困難;分路、耦合不靈活;光纖的切斷和連接需要特定的工具或設備等。城建施工、洪水侵襲、人為破壞、地殼運動等人為行為或者天災的破壞，都很容易造成光纖線路的故障。如何有效地保證光纖通信系統(tǒng)的可靠性，一直是一個有待解決的技術難題。本設計在光纖通信的基礎之上，通過對光纖通信監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性進行研究。以FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MCU架構完成數(shù)據(jù)的采集和處理，能完成高速的實時數(shù)據(jù)采集，測量誤差小，工作可靠性高。
1 光纖通信系統(tǒng)的測量原理
目前的光纖測量中，主要是要測量光纖的損耗和斷點。主要基于瑞利散射和菲涅爾反射兩種光學現(xiàn)象來進行測量。瑞利散射是光纖材料本身固有的性質，由于光纖內部含有的雜質、纖核添加物等產(chǎn)生漫反射，其中部分向后散射形成瑞利背向散射，光纖整個長度上都呈現(xiàn)這種現(xiàn)象。而菲涅爾反射它只是發(fā)生在光纖接觸到空氣時或發(fā)生在諸如機械的連接接縫處。因此，光纖損耗的測量所依據(jù)的主要是瑞利散射原理;光纖斷點的測量所依據(jù)的主要原理是菲涅爾反射。
瑞利散射損耗可用下式進行近似計算：
式(1)中，λ以um為單位，A、B是與石英和摻雜材料有關的常數(shù)。
菲涅爾反射光的信號強度與反射面狀況和傳輸光的功率相關。對于來自光纖上L點處的菲涅爾反射光，在光纖注入端測得的光功率Pf(L)為：
以上公式中，L為菲涅爾反射處距離光注入端的距離，R為光纖中L處的功率反射系數(shù)，P0為注入光纖的峰值功率，β為光纖衰減常數(shù)。
2 硬件設計
如圖1所示為系統(tǒng)硬件設計原理圖。由脈沖器產(chǎn)生的電脈沖，驅動光源模塊產(chǎn)生光脈沖，經(jīng)方向耦合器射入待測光纖。射入光纖的光脈沖，由于光纖材料本身固有的性質會產(chǎn)生瑞利散射光，連同遇到不平整光纖端面會產(chǎn)生菲涅爾反射光，一起反射回方向耦合器、射至光電二極管，轉換成電脈沖。轉換后的電信號經(jīng)由放大器和A/D轉換處理后送入數(shù)據(jù)處理模塊，由于此項反射光強度微弱，故需反復傳送、收集并進行放大和平均處理。OTDR利用其激光光源向被測光纖反復發(fā)送光脈沖來實現(xiàn)測量。
