長距離高精度的線性調頻光時域反射儀

王 強，任曉林，易水寒，喻杰奎，張 譜，李 蔚

（1.國網西藏電力有限公司，拉薩 850000； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205；3.華中科技大學 武漢光電國家實驗室，武漢 430074）

0 引 言

光時域反射儀（Optical Time Domain Reflectometry，OTDR）是光纖性能檢測和故障定位的常用儀器［1－2］。一般來說，可以通過增加注入光纖的探測光脈沖的能量來提高OTDR的動態范圍，但是這樣會引起非線性效應［3－4］，影響背向散射光的檢測。也有研究人員提出通過相干檢測來提高接收機的靈敏度［5］，但檢測距離受光源相干長度、相位噪聲和背向散射光的偏振態等因素的限制［6］；在文獻［7］中，作者提出了一種數字線性調頻OTDR（Digital Linear Frequency Modulation OTDR，DLFM－OTDR），它可以同時提高OTDR空間分辨率和動態范圍，但實驗中的DLFM－OTDR測試距離為100km，空間分辨率為30m，這樣的測試距離和分辨率不適合在西藏人煙稀少地區和單跨段傳輸距離很長的光纖傳輸鏈路中使用。

為了解決這個問題，本文提出一種用于提高DLFM－OTDR空間分辨率和測量距離的方法。該方法通過產生高調頻范圍和長脈寬的模擬線性調頻（Linear Frequency Modulation，LFM）信號，從而實現高的空間分辨率和大的探測距離。使用該方法在西藏地區的光纖傳輸鏈路中進行了實驗測試，實驗結果表明，該方法能夠在長度為240km的光纖鏈路上實現0.000 53km的空間分辨率。與相同測量參數的單脈沖OTDR相比，該方法的動態范圍提高了8.5dB。

1 原 理

在LFM OTDR中，背向散射光經過直接檢測和光／電轉換后的電流信號x（t）可以表示為

式中：Rd為常數，為光電探測器的響應率；!為卷積運算；當探測信號為沖擊函數時，背向散射光對探測信號的脈沖響應為 G（t）；Ps（t）為調制 信 號 為LFM信號時光強調制脈沖的功率，可以寫成：

式中：t為時間序列；P0為激光器的光功率；T為脈沖寬度；f0為LFM 探測脈沖的起始頻率；K 為LFM探測脈沖的調頻斜率；rect（·）為矩形窗函數。

在LFM OTDR中，不僅需要檢測LFM探測脈沖的強度，還需要檢測LFM探測脈沖隨時間的變化［7］。短時分數傅里葉變換（Short Time Fractional Fourier Transform，STFrFT）是一種加窗的傅里葉變換，用于檢測信號中LFM信號隨時間的變化［8］。因此，選擇STFrFT作為LFM OTDR的信號處理方法。在實際應用中，STFrFT的計算過程是將一個較長的時間信號分割成等長的較短的段，然后在每個較短的段上分別計算分數階傅里葉變換。

電流信號x（t）經過STFrFT之后的信號為［7］

式中，Sa（·）為sinc函數。

理論上，LFM OTDR的空間分辨率是由sinc函數的半高全寬（Full Width Half High，FWHM）決定的，可以表示為

式中：c為光在真空中的傳播速度；n為被測光纖的折射率；B＝KT為LFM脈沖的掃頻范圍。

2 模擬LFM信號

圖1和2分別給出了兩種不同的產生LFM信號的方法。圖1所示為基于現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和脈沖激光器生成強度調制DLFM信號的方法［7］。這種方法的優點是結構簡單，只需要一個FPGA、激光驅動器以及脈沖激光器；缺點是產生的DLFM信號的掃頻范圍受FPGA和激光驅動器帶寬的限制，不能產生大調頻范圍的LFM信號。在文獻［7］中，由于激光驅動器帶寬的限制，產生的DLFM信號的帶寬只有4MHz，根據式（4）計算出的對應的空間分辨率為26m。

圖1 基于FPGA和脈沖激光器生成DLFM信號的方法

圖2所示為基于任意波形發生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）和馬赫曾德爾調制器（Maher Zehnder Modulator，MZM）生成強度調制模擬LFM信號的方法。AWG用于產生一路大調頻范圍的LFM信號和一路同步觸發信號，其中大調頻范圍的LFM信號作為MZM的驅動信號，用于通過MZM對激光器產生的連續光進行強度調制；另一路同步觸發信號作為聲光調制器（Acoustic Optical Modulator，AOM）的開關信號，作用是產生LFM探測脈沖。使用AOM的好處是可以提高探測脈沖的消光比。該方法相當于采用外調制的技術，而圖1所示的方法相當于采用內調制的技術。圖2所示方法的優點是可以產生調頻范圍非常大的LFM信號，本文使用該方法生成了一個調頻范圍為200MHz的強度調制模擬LFM信號；缺點是需要的儀器比較多，結構相對要更加復雜一些。

圖2 基于AWG和MZM生成強度調制模擬LFM信號的方法

對大調頻范圍的模擬LFM信號經過STFrFT之后的結果進行了數值仿真，仿真使用的采樣率為1GHz。圖3所示為兩段相隔10ns的LFM信號，它們的參數是一樣的，即LFM脈沖寬度為20μs，起始頻率為50MHz，調頻范圍為200MHz。根據光在光纖中的傳輸速度和LFM信號相隔的時間差，可以計算這兩個LFM信號在光纖中傳輸時的距離差。假設光纖的折射率為1.5，光速為3×108m／s，可以得到這兩個相同參數的LFM信號在光纖中傳輸時的距離差為1m。

圖3 兩段相隔10ns的LFM信號

圖4所示為這兩段相隔10ns的LFM信號經過STFrFT后的結果。每一段LFM信號經過STFrFT后會產生一個尖峰，其中峰值的FWHM與LFM信號的調頻范圍成反比，即200MHz的調頻范圍對應的FWHM為5ns。根據式（4）換算成光纖中的距離為0.5m。由圖4可知，兩個峰值之間的時間間隔為10ns，對應的距離為1m。這個結果與圖3中兩段LFM信號的距離差一致，因此，可以使用大調頻范圍的模擬LFM信號來實現高精度的事件測量。

圖4 兩段相隔10ns的LFM信號經過STFrFT后的結果

3 實驗結果及分析

圖5所示為LFM OTDR的實驗框圖，用來演示使用強度調制模擬LFM信號作為探測信號的LFM OTDR的性能。根據已有的實驗條件，使用激光二極管、AWG、MZM和AOM來產生強度調制模擬LFM探測脈沖。如圖5所示，來自激光器的連續光的強度通過MZM被調制成LFM信號，MZM的驅動信號來自AWG產生的電LFM信號，同時AWG還發送與電LFM信號同步的觸發信號給AOM的驅動器，驅動器根據觸發信號控制AOM的開和關，通過AOM可以將連續的強度調制光信號轉換為探測脈沖光信號。本實驗中LFM探測脈沖的調頻范圍為50～250MHz（B＝200MHz）。探測脈沖光信號的峰值功率為5dBm。探測脈沖的持續時間為20μs，并且脈沖的重復周期由觸發信號的周期確定。在本文的實驗中，觸發信號的周期與電LFM信號同為3ms，對應探測距離為300km。通過光環行器，探測脈沖被耦合到被測光纖中。之后，背向散射光沿著光纖向后傳播并通過光環行器傳送到光探測器，光探測器將光強度轉換為電信號。實驗中使用的光探測器的接收靈敏度約為－40dBm。用數字采樣示波器來采集電信號，采樣率為1.25GSample／s。最后，利用離線的信號處理來恢復后向散射光所攜帶的光纖特性信息。

圖5 LFM OTDR的實驗框圖

基于該實驗方案在西藏阿里地區吉隆—查務雙回500kV線路、查務—雅上500kV線路的查務—多林段、多林變至查務—多林段500kV線路的兩回220kV對接線路和吉隆—薩嘎—仲巴—霍爾—巴爾單回220kV線路的新建線路長度約為2×125、2×150、3×80、96、220、216和156km 上進行了模擬實驗測試。

圖6所示為西藏地區實際的光纖傳輸鏈路上的測試結果，被測光纖總長度約為240km，由3段80km的光纖組成。分別測試了LFM OTDR和傳統單脈沖OTDR的性能。實線為累加4 096次后獲得的到LFM OTDR的測量曲線。虛線為累加4 096次后獲得的到單脈沖OTDR的測量曲線，其中單脈沖OTDR探測脈沖的持續時間為20μs，探測周期為3ms，與LFM OTDR的參數一樣。

圖6 3×80km的光纖鏈路測試結果

由圖6可知，單脈沖OTDR和LFM OTDR都能檢測到大約80km處的插入損耗。但是光纖末端的菲涅耳反射只有LFM OTDR能夠檢測到。從圖6中的放大圖可知，光纖末端反射峰的FWHM為0.000 53km，因此分辨率為0.000 53km，與由式（4）計算出的結果和上一節的仿真結果都一致。傳統的OTDR和LFM OTDR都沒有測量出大約在160km處的插入損耗，這是因為實驗的平均次數比較少，且插入損耗沒有一個強的反射信號，導致在160km處損耗事件的信噪比比較低。根據OTDR動態范圍的定義，可以看到單脈沖OTDR的動態范圍約為27dB，LFM OTDR的動態范圍約為35.5dB。所提出的改進LFM OTDR的動態范圍比單脈沖OTDR的動態范圍高8.5dB。因此，本文所提出的LFM OTDR特別適合在西藏這樣人煙稀少和單跨段很長的情況下，實現長距離高精度的光纖傳輸鏈路的監測。

4 結束語

為了對西藏人煙稀少地區和單跨段傳輸距離很長的光纖鏈路進行檢測，本文提出了一種用于提高DLFM－OTDR空間分辨率和測量距離的方法。該方法使用AWG和MZM生成強度調制模擬線性信號，這種方法的優點是可以產生調頻范圍非常大的LFM信號；缺點是需要的儀器比較多，結構更加復雜。使用本文提出的LFM OTDR在西藏地區長度為3×80km的實際光纖傳輸鏈路中進行了實驗測試，實驗結果表明，該方法能夠在長度為240km的光纖鏈路上實現0.000 53km的空間分辨率。與相同測量參數的單脈沖OTDR相比，該方法的動態范圍可以提高8.5dB。因此，本文提出的LFM OTDR特別適合在西藏人煙稀少地區和單跨段很長的情況下，實現長距離高精度的光纖傳輸鏈路的監測。