光纖熱敏感性對遠距離傳感解調穩定性的影響

摘要：本文探討了光纖溫度敏感性對長距離傳感系統解調穩定性的重要影響。通過觀察長距離傳感系統的解調結果隨時間發生偏移的現象，發現引起偏移的主要原因是光纖受環境溫度變化的影響。由于光纖的溫度敏感特性為40ps/km/K，因此在500km光纖往返傳輸過程中，環境溫度每變化1℃，系統接收到的光信號就會偏移40ns，從而降低了解調信號的準確性和穩定性。針對當前解調系統采用的定時采樣機制，提出了一種溫度補償方法來穩定光纖傳輸延時，在500km級聯傳輸系統中通過試驗驗證了該方法有效地消除了解調結果的時間漂移，信號解調結果波動不超過0.2dB，滿足了工程實用要求。

關鍵詞：光纖傳感；熱敏感性；遠距離；解調穩定性

光纖水聽器是一種利用光纖干涉儀將水聲信號轉換為光相位信息，并通過光纖傳輸的聲信號傳感器，它具有單元易復用、易構成大規模陣列、提供大孔徑水聲探測能力、可靠性高等優點，它是海洋水聲探測系統中的重要組成部分，也是現代海軍反潛作戰、水下武器試驗和海洋地震物探的重要手段[1]。

自2002年挪威國防研究局報道了其進行的32單元光纖水聽器陣列海上試驗結果以來，光纖水聽器陣列技術在國際上得到了快速發展[2]。2003年，美國和英國聯合完成了一個數千元水下光纖水聽器陣列的布置[3-4]，陣列離岸距離3km，標志著光纖水聽器陣列邁入實用。2004年，英國報道了基于16時分和8波分技術的兩條48基元構成的96基元陣列試驗結果，陣列離岸距離達到了40km[5]。2008年，光纖水聽器被用來進行海底油氣探測，作用范圍達到了100km以上[6]。2011年，英 國Stingray Geophysical聯 合 南安普敦大學開展了500km級聯傳輸試驗[7]。試驗使用康寧的SMF-28單模光纖作為傳輸光纖，盤長125km， 256元陣列通過一對光纖引導。傳輸后的光信噪比為23dB。入纖光功率為7.5dBm。傳輸后的噪聲水平在30至100Hz范圍內一直在-80dB左右。

我國在光纖水聽器關鍵技術上也取得了較大進展[8-10]。早在2013年，無中繼技術使陣列具備了離岸200km的能力[11-12]。隨后，國防科大在2014年報道了其離岸400km傳輸噪聲試驗及其結果[13]，1kHz處的噪聲水平達到了-97dB。

然而，目前對長距離光纖傳感系統的解調結果溫度穩定性的影響仍缺乏深入研究。

本文首次揭示了級聯傳輸系統的解調結果受到環境溫度影響的機制，并通過分析發現光纖熱敏性是引起系統出現偏差的主要因素。針對現有時分解調方案，提出了一種自動延時校準方法，建立受溫度影響的延時模型，完善和實現基于FPGA的參考脈沖觸發采樣技術，針對當前數據定時采樣機制易受溫度影響的缺陷，提出了一種自動延時校準來補償光纖溫度敏感性的方法，使采樣時刻受脈沖事件驅動，而非定時驅動。通過離岸500km級聯傳輸試驗，驗證了溫度補償方法的可行性。

一、級聯傳輸試驗系統

500km級聯傳輸系統如圖1所示。

16波長窄線寬光源經調制后形成光詢問脈沖，經放大后進入500km傳輸鏈路。鏈路由6個75km光纖和1個50km光纖以及光放大器構成。經7級中繼放大傳輸至十六波分十六時分陣，陣列返回光又經另一組500km光纖級聯放大后回傳至信號接收機并進行解調。盡管試驗中的解調系統采用外差解調算法[14]，但光纖溫度敏感性同樣適用于其他解調算法，包括3×3解調[15]和PGC解調[16]。整個試驗在實驗室內進行，光纖、光放大器、陣列和干端機都裝置于隔震臺上。室內溫度未進行控制。

然而，筆者發現，當系統連續工作數小時后，解調結果一致性有較大偏差。脈沖延時會發生數十ns的偏移。當前的采集系統的采集時刻是固定的。在系統搭建完成后先對所有波長進行延時校準，有效數據點的位置在一個周期內是固定的，如圖2所示。這樣的采集系統有一個前提，就是傳輸光纖的長度是不變的。但光纖本身是易受環境溫度影響的，如果傳輸延時足夠大，那么原先做好延時校準的系統會發生采樣偏差，解調結果會有較大的變化。因此，有必要確認延時偏差的原因，補償溫度引起的長距離光纖長度的變化來達到穩定解調的效果。

二、普通光纖的溫度敏感性

根據文獻[17]，普通單模光纖的熱致傳輸時延（thermal coefficient of delay， TCD）可表示為：

（1）

式中，L是光纖長度，c是空氣中光速，ng是群折射率，α是光纖熱膨脹系數，D是光纖色散，Δλ是中心波長的變化，ΔT是溫度變化。

由式（1）可知，光纖的熱敏感性可分為兩類，一類是熱膨脹，一類是溫度引起的傳播速度的變化。石英玻璃的熱膨脹系數很小（5×10-7/K），往往被用在熱不敏感的應用上。光纖的熱光系數也是不可忽略的，熱光效應引起的傳輸時延約為40ps/km/K[17]，包括光纖纖芯折射率變化引起的，約為38ps/km/K，以及光纖自身延長引起約為2ps/km/K。

光纖水聽器在海底工作時性能會受到海底水溫的影響。根據南海觀測網數據，我國南海海底全年溫度變化在0.23℃[18]。這種溫差對長距離系統的性能影響可能不大，但是，東海海底水溫全年變化可達10℃。根據文獻[19]，在舟山海域，春季海底水溫最低，在17℃左右，夏季海底水溫最高，可達27℃左右。如果500km的傳感系統要在東海使用，按照1000km光纖長度來計算，在東海地區，1年內溫度變化近10℃，傳輸時間變化約為400NS，在接收端時序會被偏移約2.5 個脈沖，需要重新設定采樣基準時刻。換句話說，海底水溫變化不能使傳輸時延超過半個詢問脈沖。

三、溫漂補償方法

當前的預處理采集系統中， 模數轉換（ADC）連續采集數據并送至FPGA， FPGA接收每一幀時序中固定時刻的采樣點數據。當溫度引起光纖傳輸延時達到半個脈寬后，解調結果將出現較大偏差。

為了避免光纖的溫度敏感性對系統噪聲的影響，需要在大跨距光纖傳輸中采用溫度補償技術。針對溫度變化對光路系統帶來的延時效應，建立受溫度影響的延時模型，找出輸入變量、需要校正的輸出變量、受溫度因數影響的干擾變量，根據輸出反饋量對輸入做出反饋校正，建立系統模型和系統傳遞函數框圖如圖3所示。其中，Xi（t）為光纖水聽器解調系統輸入延時，XO（t）為實際輸出的延時偏移，T（t）為受溫度影響帶來的延時干擾信號，通過對輸出信號的反饋和校正行程閉環系統使得實際輸出及時調整來應對溫度干擾帶來的影響。

四、試驗結果

在500km傳輸系統中，對補充干涉儀施加100Hz的信號后進行約2個小時的解調穩定性試驗。在未進行溫度補償時，在1個小時內，16個時分的結果一致性較好。1個小時后，溫度計顯示溫度變化0.5℃左右，延時變化了27ns，解調結果開始發散，如圖4所示，各波長解調結果差異超過25dB，系統完全跑偏。通過溫度補償后，延時系統能夠在溫度擾動條件后500ms內校準延時點。圖5為自動延時校準后的近7小時的拷機結果。由圖可見，溫度補償后，16個波長的解調結果在長時間內能夠穩定，7個小時內的結果誤差不超過0.2dB。

可見，通過采集端對采樣時刻進行補償，提升了大跨度系統的穩健性，對遠距離傳輸降噪有重要的意義。

五、結束語

本文通過觀察長距離系統的解調結果隨時間發生偏移的現象，發現引起偏移的主要原因是光纖受環境溫度變化的影響，光纖具有較強的溫度敏感性，會隨著溫度的變化發生伸縮導致光遠距離傳輸的脈沖時延問題。光纖的溫度敏感特性為40ps/km/K， 在500km光纖往返傳輸過程中，環境溫度每變化1℃，系統接收到的光信號會偏移40ns，采樣點的不準確會嚴重影響噪聲解調結果的準確性和穩定性。

為了提高長距離傳輸中噪聲解調結果的穩定性，本文針對當前數據定時采樣機制易受溫度影響的缺陷，提出了一種溫度補償方法來穩定光纖傳輸延時，使采樣時刻受脈沖事件驅動，而非定時驅動。試驗結果表明，溫度補償后，500km跨距的系統解調結果誤差不超過0.2dB，滿足了工程實用要求。

作者單位：陳緒興 上海傲世控制科技股份有限公司

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陳緒興（1982.08-），男，漢族，江蘇鎮江，博士，高級工程師，研究方向：光傳感及光電器件研究。