一種遠距離高分辨率檢測光纖鏈路的方案

劉 晨，李文宏，袁一博,2，管 超，耿大和

(1.山東科技大學 海洋科學與工程學院，山東 青島 266000； 2.青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室，山東 青島 266000)

0 引 言

光纖傳感技術(shù)正在被廣泛應用在生活中，已成為光纖通信中的重要研究領(lǐng)域[1-3]。光時域反射儀(Optical Time Domain Reflectometry，OTDR)是光纖傳感技術(shù)的重要研究成果之一，被廣泛應用到無源光網(wǎng)絡(Passive Optical Network，PON)測溫和故障檢測等方面[4-6]。隨著PON的快速發(fā)展，其單跨距離巨大，經(jīng)常超過50 km，甚至達到100 km，因此，具有大動態(tài)范圍和高空間分辨率的OTDR方法對于其檢測至關(guān)重要[7-8]。文獻[9]提出了基于線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation，LFM)脈沖壓縮的光脈沖壓縮反射儀，解決了空間分辨率與動態(tài)范圍制約的問題，但實驗測量距離只有5.4 km，測量距離過?。晃墨I[10]對比了不同脈沖編碼方式在OTDR中的應用，在保持空間分辨率不變的情況下，提高了系統(tǒng)信噪比，但當待測光纖長度達到100 km以上時，入射光脈沖寬度需要達到幾百納秒來提高光功率，使得空間分辨率僅能達到幾十米甚至上百米；文獻[11-12]提出了數(shù)字LFM-OTDR技術(shù)，將測量范圍增加到100 km以上，但空間分辨率僅有30 m；文獻[13]提出頻分復用LFM-OTDR方案,提高了OTDR的動態(tài)范圍約11 dB，但空間分辨率較小。因此，在遠距離檢測光纖鏈路中，空間分辨率過低是OTDR現(xiàn)在面臨的問題。

為了解決這個問題，本文提出了LFM-Golay OTDR新方案。該方案通過LFM-Golay調(diào)制光信號，在檢測長度為200 km的待測光纖鏈路中，獲得了0.22 m空間分辨率，相比于單脈沖OTDR，動態(tài)范圍提高了約15 dB。

1 LFM-Golay OTDR原理

在LFM-Golay OTDR中，一組單極性序列LFM-Golay光信號經(jīng)光電檢測器后得到的后向瑞利散射光的電流信號ua(t)為

式中：L和ca分別為Golay編碼的長度和一組單極性序列；T為LFM光信號的一個周期，包含兩個碼元信號；x(t)為一個碼元信號產(chǎn)生的后向瑞利散射光信號；t為時間；j為復信號；i為一組序列光信號中碼元信號序號，取值為1～L；γ為光電探測器的響應系數(shù)；*為卷積運算；C(t)為檢測信號在LFM-Golay OTDR中的后向瑞利散射光沖激響應；P(t)為經(jīng)過LFM后的光信號的功率；P0為激光器輸出功率；f0和k分別為LFM光信號初始頻率和調(diào)頻斜率。

對信號ua(t)離散化，得到

式中：ts為開始生成LFM-Golay光脈沖信號的時間；xL-i為一組序列光信號中第L-i個碼元信號的后向瑞利散射；x為一組序列光信號的后向瑞利散射，其中包括L個碼元信號的后向瑞利散射。

離散信號ua(i)經(jīng)匹配濾波后得到

式中：wa(i)為信號ua(i)的解調(diào)結(jié)果；h(t)為匹配濾波器響應函數(shù)；y(t)為一個碼元信號經(jīng)匹配濾波后得到的信號函數(shù)；Z(t)為碼元信號自相關(guān)函數(shù)。理論上，LFM-Golay OTDR的空間分辨率z為函數(shù)Z(t)的半高全寬，即

式中:c為光在真空中的速度；n為待測光纖折射率；B為碼元光信號的調(diào)頻范圍。同理可求得，另外3組單極性序列信號wb(i)、wc(i)和wd(i)。

LFM-Golay OTDR系統(tǒng)在實際檢測光纖時會受到噪聲e的影響。在信號中疊加噪聲后，4組單極性序列信號兩兩相減求得兩組雙極性序列信號為

式中：wA(i)和wB(i)為雙極性序列信號，由4組單極性序列信號相減求得；A(i)和B(i)為Golay互補序列；e1(i)、e2(i)、e3(i)和e4(i)為4組單極性編碼光信號中的系統(tǒng)噪聲；yi(t)為光信號x(t)經(jīng)解調(diào)后的結(jié)果。

經(jīng)Golay解碼后得到

2 LFM-Golay OTDR信號

圖1所示為運用任意波形發(fā)生器(Arbitrary Waveform Generator，AWG)、馬赫-曾德爾干涉型調(diào)制器(Maher-Zehnder Modulator，MZM)、聲光調(diào)制器(Acoustic Optical Modulator，AOM)和脈沖發(fā)生器等器件生成LFM-Golay信號的流程圖。AWG生成LFM周期信號，其一個周期內(nèi)信號頻率先線性遞增再線性遞減，MZM將LFM信號作為驅(qū)動信號對連續(xù)光信號進行調(diào)制生成LFM光信號，脈沖發(fā)生器同時產(chǎn)生Golay序列信號和同步觸發(fā)信號，其中Golay序列信號作為AOM1的驅(qū)動信號，將LFM光信號調(diào)制成LFM-Golay光信號，同步觸發(fā)信號作為AOM2的開關(guān)信號，將連續(xù)調(diào)制LFM-Golay光信號轉(zhuǎn)換成光脈沖信號。

圖1 LFM-Golay信號生成流程圖

圖2所示為LFM-8階Golay光脈沖信號，參數(shù)設置如下：一個LFM周期光信號包含兩個碼元信號，周期為40 μs，頻率先遞增后遞減，半個周期內(nèi)調(diào)頻范圍為500 MHz；Golay編碼長度為8，LFM-Golay光信號持續(xù)時間為0.64 ms。

圖2 LFM-8階Golay光脈沖信號

圖3所示為一個周期內(nèi)的LFM光信號在時域和頻域的分布。由圖3(a)放大部分和3(b)可知，LFM光信號在一個周期內(nèi)頻率先由100 MHz線性增加到600 MHz，再線性減小至100 MHz,每個碼元信號調(diào)頻范圍都為500 MHz。

圖3 一個周期內(nèi)的LFM光信號在時域和頻域的分布

圖4所示為對LFM-8階Golay光脈沖信號進行匹配處理和Golay解碼后的結(jié)果圖。圖4(a)所示為一個碼元光信號經(jīng)匹配處理后得到的自相關(guān)函數(shù)圖，由圖可知，信號能量被集中在中間位置，信號得到大幅度增強；由放大圖可知，信號的尖峰對應的強度和半高全寬分別為73 dB和2 ns，根據(jù)理論計算可知，峰值的半高全寬2 ns對應于碼元信號的調(diào)頻范圍500 MHz，假設光在真空中速度c=3×108m/s，在光纖中的折射率n=1.5，可求得峰值的半高全寬對應光纖長度為0.2 m。圖4(b)所示為LFM-8階Golay光信號經(jīng)匹配處理和Golay解碼后得到的最終結(jié)果，信號峰值的強度為85 dB，相比一個碼元信號強度提高了12 dB，其中峰值的半高全寬為2 ns，對應光纖的長度為0.2 m。由此可得，LFM-Golay OTDR可以將空間分辨率的決定因素變成碼元信號調(diào)頻范圍，徹底解決了OTDR空間分辨率和動態(tài)范圍矛盾的問題，并利用Golay編碼增強了信號強度，提高了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

圖4 一個碼元光信號和LFM-8階Golay光脈沖信號經(jīng)處理后的結(jié)果

3 實驗驗證

圖5所示為驗證LFM-Golay OTDR性能的實驗設置框圖。實驗中使用激光器、AWG、MZM、AOM和脈沖發(fā)生器生成LFM-Golay光脈沖信號，光電探測器和示波器轉(zhuǎn)換采集后向散射LFM-Golay光脈沖信號。圖中MZM利用AWG生成的LFM周期信號對激光器發(fā)出的連續(xù)光進行調(diào)制，生成LFM光信號；AOM1將脈沖發(fā)生器生成的Golay序列信號作為驅(qū)動信號對LFM光信號進行調(diào)制，生成LFM-Golay光信號，同時脈沖發(fā)送器發(fā)出同步觸發(fā)信號到驅(qū)動器；驅(qū)動器利用觸發(fā)信號控制AOM2的開關(guān)，通過AOM2控制產(chǎn)生LFM-Golay光脈沖信號。LFM-Golay光脈沖信號在光纖中的后向瑞利散射信號經(jīng)光環(huán)行器進入光電探測器后被轉(zhuǎn)換成電信號，然后將通過示波器采集的數(shù)字信號發(fā)送到計算機，最后在軟件端運用匹配濾波Golay解碼等信號處理解調(diào)出攜帶待測光纖的特征信息的后向瑞利散射光曲線。

圖5 LFM-Golay OTDR性能實驗設置框圖

本次實驗設置LFM光信號周期為40 μs，其中包含兩個碼元信號，碼元信號的掃頻范圍為500 MHz，初始頻率為100 MHz，Golay編碼長度為256；LFM-Golay光信號脈沖持續(xù)時間為20.48 ms，發(fā)射周期為23 ms，累加平均次數(shù)為8 000；光電探測器的接收靈敏度為-41 dBm，待測光纖鏈路長度約為200 km，由兩條長100 km的光纖構(gòu)成。保持相同實驗設置，分別采用單脈沖OTDR、Golay碼OTDR、LFM OTDR和LFM-Golay OTDR 4種方案進行實驗，對比4種方案的待測光纖損耗曲線。

圖6和7所示分別為LFM OTDR和256位Golay碼OTDR與單脈沖OTDR的待測光纖損耗曲線對比結(jié)果。由圖6和7可知，單脈沖OTDR、256階Golay碼OTDR和LFM OTDR都可檢測到光纖鏈路在100 km處的連接損耗，但單脈沖OTDR無法檢測出光纖鏈路末端200 km處的菲涅爾反射。由圖6的局部放大圖可知，LFM OTDR測得光纖鏈路末端反射的半高全寬為0.24 m，即LFM OTDR的空間分辨率為0.24 m；由圖7的局部放大圖可知，256位Golay碼OTDR的空間分辨率為2 km。根據(jù)OTDR動態(tài)范圍定義，由圖6和7估算出單脈沖OTDR的動態(tài)范圍約為31 dB，LFM OTDR和Golay碼OTDR的動態(tài)范圍都約為40 dB，與單脈沖OTDR的動態(tài)范圍相比都高出了約9 dB，但Golay碼OTDR的空間分辨率由脈沖寬度決定，僅能達到2 km。

圖6 LFM OTDR與單脈沖OTDR損耗對比圖

圖7 Golay碼OTDR與單脈沖OTDR損耗對比圖

圖8所示為LFM-Golay OTDR與單脈沖OTDR的待測光纖損耗曲線對比結(jié)果。由圖可知，LFM-Golay OTDR的空間分辨率為0.22 m，相比LFM OTDR提高了0.02 m；LFM-Golay OTDR的動態(tài)范圍約為46 dB，相比單脈沖OTDR提升了15 dB，與LFM OTDR、Golay碼OTDR相比提高了6 dB。由此可知，基于LFM和Golay編碼的LFM-Golay OTDR系統(tǒng)解決了OTDR空間分辨率與動態(tài)范圍矛盾的問題，在200 km光纖鏈路中空間分辨率達到了0.22 m，與LFM OTDR和Golay碼OTDR系統(tǒng)相比動態(tài)范圍有了大幅度增加，實現(xiàn)了遠距離高分辨率的檢測光纖鏈路目標。

圖8 LFM-Golay OTDR與單脈沖OTDR損耗對比圖

4 結(jié)束語

為了解決OTDR檢測遠距離光纖鏈路時空間分辨率低的問題，本文提出了LFM-Golay OTDR方案。在200 km待測光纖鏈路中，該方案利用AWG、MZM和脈沖發(fā)生器調(diào)制生成LFM-Golay光脈沖信號，得到了0.22 m的空間分辨率，相同實驗條件下，比LFM OTDR空間分辨率高出了0.02 m，動態(tài)范圍提升了約6 dB，相比Golay碼OTDR動態(tài)范圍提升了約15 dB。因此，本文提出的LFM-Golay OTDR方案提高了在遠距離檢測光纖鏈路中OTDR的動態(tài)范圍和高空間分辨率。