基于OTDR 的電力通信光纖性能測量與數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究

張 閣，王曉峰，張之棟，王曉東，安 寧，劉 潔

（1.東北電力設(shè)計院有限公司，吉林長春 130012；2.國家電網(wǎng)有限公司東北分部，遼寧沈陽 110000）

光時域反射儀（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）具備較好的靈敏度與線性度，其可識別具有更大帶寬且動態(tài)復雜的機械和聲學事件。將OTDR 測量技術(shù)與電力通信光纜相結(jié)合，能夠?qū)χ車h(huán)境中不同類型的振動源進行高靈敏度感知，并實現(xiàn)準確定位，從而完成對環(huán)境周邊的安全監(jiān)測。該技術(shù)在基礎(chǔ)建設(shè)中的電力通信線纜、輸油管道及隧道橋梁等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

基于OTDR 傳感器的信號檢測識別技術(shù)大致可分為兩類：1）基于圖像邊緣算子、小波變換（Wavelet Transform，WT）、希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang Transform，HHT）等方法，旨在提高傳感器信號的信噪比，并降低系統(tǒng)噪聲及環(huán)境干擾，從而消除噪聲對檢測信號的影響；2）基于特征提取，使用機器學習（Machine Learning，ML）算法從檢測信號中提取信息，進而提高檢測信號信噪比的水平。

該文提出了一種多輸入多輸出（Multi Input Multi Output，MIMO）測量技術(shù)，其基于相干差分相位OTDR 技術(shù)，在發(fā)射器處對兩個探測序列進行偏振復用（Polarization Division Multiplexing，PDM），而在相干接收器處完成了偏振分集檢測。該技術(shù)具有更高的靈敏度，且實驗證明了測量方法的有效性。

1 基于OTDR的光纖響應(yīng)采集

在該文使用的基于OTDR 的光纖性能響應(yīng)系統(tǒng)中，發(fā)射器在單個偏振軸上，通過窄線寬激光器與接收器同步發(fā)送周期性脈沖。相干衰落與偏振衰落的影響導致對光纖的測量不夠準確[1-4]。為進一步提高空間分辨率與測量的最大范圍，文中使用編碼序列而非單個脈沖連續(xù)探測傳感器，其可在實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)帶寬的同時，保證完美的信道估計。雙偏振相干接收機也能用于檢測背向散射場的完整狀態(tài)，從而減輕偏振衰落影響。

1）將兩個相互正交的互補二進制Golay 序列{Ga1,Gb1} 和{Ga2,Gb2} 映射到二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）符號。

2）第一對{Ga1,Gb1} 調(diào)制電場的給定極化狀態(tài)（例如線性水平），第二對{Ga2,Gb2} 調(diào)制與第一對正交的狀態(tài)（線性垂直）。則可得到一組互正交對為：Ga1=[1,-1,-1,-1],Gb1=[-1,1,-1,-1],Ga2=[-1,-1,1,-1],Gb2=[1,1,1,-1]。

3）通過使用步驟2）的互正交對進行遞歸，則可以得到更長的序列，由此獲得所需的探測長度。在此基礎(chǔ)上，需對信號的相位加以估計，并進行差分相位的提取。在接收端，來自第i段與時刻j的反向散射信號可由下式給出：Er=Hi,jEt。其中，Et是發(fā)射信號和Hi,j到分段的雙通通道響應(yīng)。

2 測量信號處理與分析

部署在實際環(huán)境中的OTDR 傳感器，除了受到環(huán)境噪聲的干擾外，還會存在系統(tǒng)誤差。因此必須對測量信號的處理進行研究，從而降低測量信號的噪聲，并保證傳感器的正常工作[5-6]。

在傳統(tǒng)的OTDR 中，系統(tǒng)誤差由光纖上A 和B 兩個部分反向散射光信號的相位差給出，而兩部分之間的距離則可以由脈沖持續(xù)時間計算得到[7-10]：

式中，n是折射率，λ是光源波長，ΔL(t)是由光纖中應(yīng)變引起的標距長度的變化，ξ是對光程長度變化的校正。Δφ(t)和?≡?B-?A分別為激勵項和本征相位項。

但是，用于雙波長測量的寬松n相約束是有代價的，這種技術(shù)大幅增加了測量的相對噪聲[11-12]。當考慮噪聲時，每個單獨波長（i=1,2）的實際測量差分相位為：

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2.1 雙波長OTDR中的噪聲補償

文中使用一種簡單有效的方法，來補償雙波長OTDR 傳感器中的噪聲損失。通過利用不受n相約束的合成波長測量來展開單個波長的測量。微分相位可表示為：

式（6）中第一項是理想結(jié)果，用于給出整數(shù)邊緣順序。第二項則是附加噪聲，為避免階次確定誤差，其應(yīng)小于±1/2。此外，還可將噪聲設(shè)置在3σ的限制內(nèi)，能夠確保式（6）在99.73%的范圍內(nèi)具有正確結(jié)果。在此情況下，每個波長的允許噪聲標準偏差可由下式給出：

在實際部署中，要達到式（6）所要求的噪聲水平較為困難，尤其是在部署長傳感光纖且需要良好空間分辨率的情況下。因此該文使用PPC-OPC(Physics Phase Conjugation-Optical Phase Conjugation)方法，使用匹配濾波器壓縮具有展寬光譜的脈沖，以提高測量的信噪比及空間分辨率。由此既減少了壓縮脈沖中的旁瓣，又簡化了信號序列的生成與調(diào)整。除此之外，還通過減少序列中各個位的持續(xù)時間來增強脈沖壓縮以及空間分辨率。

2.2 衰減補償

OTDR 傳感器的另一個系統(tǒng)問題則是由于脈沖長度內(nèi)，反向散射信號相消干擾而導致的信號衰落。該種衰落概率遵循瑞利分布（Rayleigh Distribution），當信號幅度小到被噪聲污染時，會破壞相位測量。因此，文中將對衰減進行補償。

補償OTDR 傳感器設(shè)置中的衰落，最常用的方法是利用波長分集來獲得幾個足夠不相關(guān)的測量值。為了適應(yīng)多個頻率的測量需求，需增加接收器與采集系統(tǒng)信號帶寬。若測量帶寬保持不變，則需付出衰減補償?shù)拇鷥r，且會導致空間分辨率的降低。

文中部署了一種利用PPC-OPC 的衰落補償方法，其實現(xiàn)方法更為簡便。通過減少PPC 序列位的持續(xù)時間來提高測量的空間分辨率，若將位的持續(xù)時間減少一個整數(shù)因子N，則空間分辨率將增加N，相當于再移動光纖中的N個脈沖長度窗口。

3 實驗驗證

測試實驗環(huán)境如圖1 所示。

用作載波與接收器側(cè)的本地振蕩器激光源具有75 Hz 線寬、在距離光源1 536 nm 處發(fā)射功率為11 dBm 的激光源。兩個BPSK 編碼序列通過雙極化馬赫曾德調(diào)制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM），以50 Mbaud/s 的速率調(diào)制載波。隨后，信號通過光放大器及循環(huán)器發(fā)送。兩種不同的光纖傳感器配置如下：第一種光纖傳感器包括兩個長度分別為209 m和1 271 m 的標準單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）線軸；第二種則是一個長5 m，寬1 mm的緊密緩沖SMF將兩個線軸互連，且總傳感光纖長度為1 485 m。而聲學擾動通過位于其前方30 cm 處的揚聲器施加在互連光纖上。互連光纖與揚聲器在一個82.5 cm×84 cm×204 cm 大小的木箱中進行聲學隔離，以減小周圍環(huán)境帶來的干擾，從而確保更可靠的測量。反向散射信號通過由兩個垂直光混合器組成的雙偏振相干混頻器發(fā)送。產(chǎn)生的光電流通過跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier，TIA）放大，并在12 位范圍內(nèi)以100 MSample/s 的速度加以采樣。最終，捕獲的數(shù)據(jù)傳輸至計算機上進行離線處理。

3.1 靜態(tài)測量實驗

連續(xù)探測序列越長，接收到信號的信噪比越高，但也會導致測量覆蓋的帶寬減小。因此，探測序列長度的選擇意味著在降噪效果與所需帶寬之間進行權(quán)衡。第一個實驗著重研究序列長度對靜態(tài)狀態(tài)下估計噪聲的影響。圖2 為測量的相位標準偏差與探測距離函數(shù)，探測序列以50 Mbaud/s的固定速率發(fā)送。

圖2 測量相位標準差

如圖2 所示，探測碼長度越高，相位標準差越低。造成相位標準差峰值的原因如下：由于該文僅使用MIMO 數(shù)據(jù)獲取方案來解決極化衰落問題，因此存在信號相干衰落。操作碼長度的上限將由激光器的相干長度決定，所以當探測序列長度超過該相干長度時，相位標準差便會出現(xiàn)劣化。

3.2 動態(tài)測量實驗

動態(tài)測量實驗旨在評估檢測信號的能力。通過采用圖1 所示的光纖設(shè)置，并利用揚聲器施加聲學擾動。首先使用100～1 500 Hz 的頻率掃描，圖3 為擾動位置處頻率掃描的功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）。

圖3 頻率掃描的功率譜密度

從圖3中可以看出，頻率響應(yīng)具有非線性的特點，是具有最大峰值及不同頻率的曲線，這是由擾動光纖的具體配置決定的。在該實驗場景下，在腔中緊密拉伸的光纖部分充當諧振器。若考慮到隔音箱的共振，頻率模式將對應(yīng)于共振之間的耦合光纖與盒子。通過計算實驗中使用盒子的第一個頻率模式，可以看到圖4中的峰值對應(yīng)于這些模式下的共振。因此在進行聲學測量時，掌握被感測光纖周圍環(huán)境的影響是至關(guān)重要的。

圖4 峰值與共振關(guān)系展示

4 結(jié)束語

基于OTDR 技術(shù)，該文研究了電力通信光纖性能測量與數(shù)據(jù)分析方法，證明了文中系統(tǒng)對語音信號等聲波擾動的檢測具有較強的可靠性。同時還驗證了該方法對復雜環(huán)境下光纖信號的檢測能力。由于電力通信系統(tǒng)的電磁場污染嚴重，可能存在復雜地面環(huán)境干擾，給通信系統(tǒng)的光纖通信質(zhì)量提出了較高的要求。因此，未來的工作重點將研究干擾環(huán)境下對電力通信數(shù)據(jù)的分析。