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試點國家實驗室，山東 青島 266000)

0 引 言

光纖傳感技術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域[1-3]。光時域反射儀(Optical Time Domain Reflectometry，OTDR)是光纖傳感技術的重要研究成果之一，被廣泛應用到無源光網絡(Passive Optical Network，PON)測溫和故障檢測等方面[4-6]。隨著PON的快速發展，其單跨距離巨大，經常超過50 km，甚至達到100 km，因此，具有大動態范圍和高空間分辨率的OTDR方法對于其檢測至關重要[7-8]。文獻[9]提出了基于線性調頻(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范圍制約的問題，但實驗測量距離只有5.4 km，測量距離過小；文獻[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]提出了數字LFM-OTDR技術，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；*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)經匹配濾波后得到

式中：wa(i)為信號ua(i)的解調結果；h(t)為匹配濾波器響應函數；y(t)為一個碼元信號經匹配濾波后得到的信號函數；Z(t)為碼元信號自相關函數。理論上，LFM-Golay OTDR的空間分辨率z為函數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噪聲；yi(t)為光信號x(t)經解調后的結果。

經Golay解碼后得到

2 LFM-Golay OTDR信號

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

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，半個周期內調頻范圍為500 MHz；Golay編碼長度為8，LFM-Golay光信號持續時間為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,每個碼元信號調頻范圍都為500 MHz。

圖3 一個周期內的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解碼后的結果圖。圖4(a)所示為一個碼元光信號經匹配處理后得到的自相關函數圖，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，根據理論計算可知，峰值的半高全寬2 ns對應于碼元信號的調頻范圍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光信號經匹配處理和Golay解碼后得到的最終結果，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頻范圍，徹底解決了OTDR空間分辨率和動態范圍矛盾的問題，并利用Golay編碼增強了信號強度，提高了系統的動態范圍。

圖4 一個碼元光信號和LFM-8階Golay光脈沖信號經處理后的結果

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和脈沖發生器生成LFM-Golay光脈沖信號，光電探測器和示波器轉換采集后向散射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出的連續光進行調制，生成LFM光信號；AOM1將脈沖發生器生成的Golay序列信號作為驅動信號對LFM光信號進行調制，生成LFM-Golay光信號，同時脈沖發送器發出同步觸發信號到驅動器；驅動器利用觸發信號控制AOM2的開關，通過AOM2控制產生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光環行器進入光電探測器后被轉換成電信號，然后將通過示波器采集的數字信號發送到計算機，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光信號脈沖持續時間為20.48 ms，發射周期為23 ms，累加平均次數為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OTDR動態范圍定義，由圖6和7估算出單脈沖OTDR的動態范圍約為31 dB，LFM OTDR和Golay碼OTDR的動態范圍都約為40 dB，與單脈沖OTDR的動態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系統解決了OTDR空間分辨率與動態范圍矛盾的問題，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系統相比動態范圍有了大幅度增加，實現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和脈沖發生器調制生成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，動態范圍提升了約6 dB，相比Golay碼OTDR動態范圍提升了約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的動態范圍和高空間分辨率。