張穎艷，孫小強，傅棟博，岳 蕾，劉 麗，李 然，楊 琨

（工業(yè)和信息化部電信研究院泰爾實驗室，北京　100191）

基于高斯光脈沖延遲技術(shù)的光纖長度精確測量方法

張穎艷，孫小強，傅棟博，岳 蕾，劉 麗，李 然，楊 琨

（工業(yè)和信息化部電信研究院泰爾實驗室，北京100191）

提出了一種基于高斯光脈沖延遲技術(shù)的無盲區(qū)、高精度光纖長度測量方法。借助光纖延遲環(huán)的作用，在高速示波器上可以觀察兩路具有相對時延的高斯脈沖序列。通過調(diào)節(jié)脈沖頻率可使兩路高斯脈沖完全重合，依據(jù)此時脈沖頻率可計算出光纖長度。脈沖未完全重合則會引入頻率測量的誤差，而利用脈沖時延與幅度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過脈沖幅度極大值的測量可以精確判斷脈沖是否重合。脈沖頻率的分辨力達到0.1 Hz，從而提高光纖長度測量的精確度。實驗中當(dāng)光源波長為1296nm時，該方法測量2284.34 m G.652單模光纖長度的不確定度為0.04 m，測量12726.57m的不確定度為0.24m。

計量學(xué)；光纖長度；高斯脈沖；延遲時間；脈沖頻率

1　引言

光纖長度測量常用的儀表為光時域反射計（OTDR）［1，2］。OTDR需要探測被測光纖中背向瑞利散射和菲涅爾反射等微弱光信號，存在測試盲區(qū)大和精度低等問題。目前實驗室常用的光纖長度測量方法為光脈沖延遲法［3-7］，該方法所采用的頻率計數(shù)器和示波器在頻率和時延上的量值溯源系統(tǒng)比較成熟和完善，英國國家物理實驗室（NPL）采用該方法進行光纖長度的定標(biāo)。光脈沖延遲法中影響測量精度的主要因素包括示波器帶寬、光波長漂移、脈沖抖動和頻率計數(shù)器準(zhǔn)確度等。

為抑制光脈沖延遲法中上述因素對測量精度的影響，提出了一種基于高斯光脈沖延遲技術(shù)的無盲區(qū)、高精度光纖長度測量方法。利用高斯型脈沖替代矩形脈沖，將脈沖時延測量轉(zhuǎn)換為幅度極值的測量，避免在辨別脈沖重合的過程中人為因素給測量結(jié)果帶來的影響。實驗中分別測量了在1296nm和1555nm波長下的單模光纖長度，辨別脈沖重合情況下的脈沖頻率分辨力達到0.1Hz，從而有效優(yōu)化光纖長度測量的不確定度，實現(xiàn)光纖長度的精確測量。

2　脈沖延遲法的基本原理

2.1實驗原理

利用脈沖延遲法測量光纖長度的基本原理如圖1所示。

圖1　脈沖延遲法測量光纖長度的原理框圖

具有周期特性的光脈沖經(jīng)過耦合器分為兩路，其中一路經(jīng)過由參考光纖和被測光纖組成的光纖延遲環(huán)，在耦合器輸出端口形成具有相對延遲的兩路光脈沖，延遲時間T可以表示為

式中：T0為參考光纖及環(huán)內(nèi)耦合器尾纖所引入的參考延遲時間；n為光纖的等效折射率；Lx為被測光纖長度；c為真空中的光速。

當(dāng)調(diào)節(jié)脈沖頻率，使兩路光脈沖的相對延遲恰好等于周期的整數(shù)倍時，即

則可使兩路光脈沖重合。經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，在高速示波器上便可依靠脈沖的重合來記錄對應(yīng)的脈沖頻率，進而計算出延遲時間和光纖長度。

為便于實驗操作，取N=1，則光脈沖初始頻率可設(shè)置為

取c=299792.458 km/s，n=1.46，依據(jù)環(huán)內(nèi)光纖的大致距離可粗略計算出光脈沖頻率的初始設(shè)置值f=205/L（單位為kHz，L單位為km）。在該頻率點處進行頻率微調(diào)，直至兩路脈沖恰好重合，則有

參考光纖的作用是消除耦合器尾纖等因素對測量結(jié)果的影響，并避免出現(xiàn)測量盲區(qū)。參考測量中需去掉被測光纖，根據(jù)兩路脈沖重合時的頻率值fref得到參考延遲時間

代入式（4）可計算出被測光纖的長度

2.2高斯脈沖幅度極值測量法

測量中最大的誤差來源為依靠目視辨別脈沖重合時低頻率分辨力產(chǎn)生的誤差。由于電光調(diào)制器非線性以及探測器響應(yīng)時間和噪聲對脈沖形狀的影響，在調(diào)節(jié)脈沖頻率的時候觀察脈沖重合的頻率分辨力在幾Hz的數(shù)量級，由頻率分辨力引入的距離測量不確定分量：

從而可發(fā)現(xiàn)能夠通過提高脈沖頻率的調(diào)節(jié)精度來降低長度測量的不確定度。

通常情況下利用矩形脈沖在示波器上的重合來判定脈沖頻率進而計算出光纖長度，由于非線性及噪聲等因素的影響，解調(diào)后示波器上顯示的脈沖形狀并非理想的矩形，噪聲嚴重且邊沿上升和下降時間較大，如圖2所示，難以完成脈沖重合狀態(tài)的判斷。實驗中將矩形脈沖換成窄脈寬的高斯脈沖如圖3所示，則在示波器上利用脈沖時延與幅度的轉(zhuǎn)換關(guān)系可尋找到脈沖重合時的幅度最大值，從而避免目視判斷所造成的低分辨力問題。

輸入高斯脈沖幅度表示為A（t）=A0exp（-t2/），其中t0為脈沖束腰寬度。合理選擇參考光纖長度，并調(diào)節(jié)偏振控制器，可以避免光脈沖相干疊加帶來的幅度擾動影響，則示波器上趨近重合的兩個高斯脈沖幅度表示為

圖2　利用矩形脈沖重合法標(biāo)定光纖長度

圖3　利用高斯脈沖重合法標(biāo)定光纖長度

式中：τ為相鄰兩個高斯脈沖的相對時延；β2為二階色散系數(shù)［8］（ps2/km）；A21和A22分別為光電探測器輸出后的兩個電脈沖的最大幅度。色散導(dǎo)致光纖延遲環(huán)輸出后的高斯脈沖發(fā)生脈沖展寬。式（8）表明在示波器上兩個高斯脈沖趨向重合的過程中，脈沖幅度極大值與脈沖相對時延有關(guān)。時延為零即脈沖重合時，示波器上可讀出脈沖幅度的最大值。因此調(diào)節(jié)脈沖頻率時可以利用脈沖最大幅度來決定是否為最佳頻率點，通過這種轉(zhuǎn)換后的測量方式能夠提高脈沖頻率的分辨力，達到0.1Hz，從而極大降低由頻率測量所引起的測量不確定度。

3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實驗驗證

搭建光纖長度測量實驗框圖如圖4所示，脈沖發(fā)生器（Stanford，DG645）產(chǎn)生的高斯脈沖由電光調(diào)制器（Anritsu，MG9001）加載到連續(xù)光后轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷}沖，脈沖發(fā)生器的頻率由式（3）估算出初始值，調(diào)節(jié)好的脈沖頻率由頻率計數(shù)器（Agilent，HP 53132A）讀取。頻率可調(diào)的高斯光脈沖經(jīng)30∶70的耦合器一部分（30％）直接進入光電探測器（Agilent，HP11982A），另一部分（70％）進入光纖延遲環(huán)后再進入光電探測器，在數(shù)字采樣示波器（Tektronix TDS7154B）上觀察到兩路脈沖。調(diào)節(jié)脈沖發(fā)生器的頻率，可看到脈沖逐漸靠近并重合。在判斷重合的過程中，利用示波器上顯示的脈沖幅度來進行辨別，當(dāng)幅度達到最大值時意味著兩路脈沖完全重合，記錄此時頻率計數(shù)器的頻率值，可計算出被測光纖和參考光纖共同引起的時間延遲。

將被測光纖從光纖環(huán)中移出，僅保留參考光纖，重復(fù)上述操作進行參考實驗，同樣可得到參考光纖引起的光脈沖延遲時間，根據(jù)兩次記錄的脈沖頻率值由式（6）算出該光波長下的被測光纖長度。

圖4　光纖長度測量的實際框圖

4　實驗結(jié)果及分析

實驗中高斯脈沖的束腰寬度設(shè)為3.2 ns，參考光纖長度約為2 km，被測光纖長度約為12.7 km，型號為G.652單模光纖。光源波長設(shè)為1296nm時，不同頻率對應(yīng)的脈沖時域波形圖如圖5所示，當(dāng)調(diào)節(jié)脈沖頻率為13759.6 Hz時可清晰看出兩個高斯脈沖具有一定時間間隔，當(dāng)頻率調(diào)節(jié)到f=13757.4 Hz時疊加后的脈沖幅度達到最大值，即Vmax=96.5 mV，表明兩個脈沖完全重合，記錄下頻率值。隨著頻率繼續(xù)變小到13756.6Hz時，兩個脈沖開始出現(xiàn)分離。接著移去被測光纖，僅保留參考光纖在光纖環(huán)內(nèi)進行參考實驗，得到脈沖重合所對應(yīng)的fref= 93381.0Hz，即被測光纖中Tx=61979.34 ns，取n= 1.46時該波長下Lx=12 726.57 m。同理可得1555nm波長下Lx=12732.01m。

圖5　不同頻率對應(yīng)的脈沖時域波形圖

為驗證脈沖幅度極值法對頻率分辨力的影響，測試了不同頻率偏差下的脈沖幅度極大值如圖6所示。當(dāng)頻率偏差為零，示波器上的脈沖幅度達到最大值，隨著頻率偏差絕對值逐漸變大，脈沖幅度逐漸變小，當(dāng)頻率偏差增加到一定值，即脈沖完全分離時，脈沖幅度將保持不變。仿真曲線由式（8）得到，測量結(jié)果與理論仿真曲線具有較好的匹配，也驗證頻率分辨力為0.1 Hz時可明顯區(qū)分脈沖疊加后的幅度變化，可進行光纖長度的精確測量。

圖6　脈沖幅度與頻率偏差的關(guān)系圖

針對頻率分辨力、波長漂移及示波器帶寬等因素對測量結(jié)果的影響，測試了波長為1 296nm和1555nm時的延遲時間和光纖長度，測量結(jié)果見表1，n=1.46。波長為1 296nm時，12 726.57 m和2284.34m光纖的測量不確定度分別為0.24 m和0.04m；波長為1555nm時，12732.01m和2285.17m光纖長度的測量不確定度分別為0.25 m和0.05 m（包含因子k=2）。表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)高準(zhǔn)確度的光纖長度測量。

表1　光纖長度測量結(jié)果

5　結(jié)論

利用脈沖發(fā)生器和示波器測量光脈沖延遲時間來獲取光纖長度的測量方法具有精度高、無盲區(qū)及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。方案中采用窄脈寬的高斯脈沖替代傳統(tǒng)的矩形脈沖，依據(jù)脈沖時延與幅度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用示波器上穩(wěn)定的幅度測量功能來減小人為因素所造成的誤差，從而優(yōu)化脈沖頻率的分辨力，增加光纖長度測量的準(zhǔn)確性，在2 km范圍內(nèi)將光纖長度測量不確定度降低到0.05m以內(nèi)。

［1］馬正先，熊建文，周篪聲，等.OTDR在光纖測量中的應(yīng)用［J］.激光雜志，1999，20（2）：1-9.

［2］梁恩干.光纖長度的準(zhǔn)確測量［J］.廣西通信技術(shù)，2002，（4）：35-38.

［3］賈波，錢松榮，華中一，等.全光纖干涉系統(tǒng)用于光纖長度測量實驗［J］.中國激光，2002，29（1）：1-3.

［4］李楚瑞，王超，肖倩.基于全光纖干涉的新型光纖長度測量系統(tǒng)［J］.儀器儀表學(xué)報，2011，32（2）：415-419.

［5］岳耀麗，徐明陽，呂宏偉.實驗室內(nèi)光纖長度的精確測量［C］//十三省市光學(xué)聯(lián)合年會論文集.江西南昌，2008.

［6］Bobo G，Bin Z.A novel fiber length measurement technologybasedonanasymmetricinterferometer incorporating an electron-optic modulator［C］// Optical Fiber Communication&Optoelectronic Exposition &Conference AOE 2008.Shanghai，China，2008.

［7］Katsuyama Y.In-service fiber line identification based on high-resolution fiber length measurement［J］.Journal of Lightwave Technology，1995，13（1）：6-13.

［8］任廣軍，姚建銓，張強，等.光纖傳輸?shù)拿}沖展寬研究［J］.激光雜志，2006，27（6）：6-7.

Precise Measurement Method of Optical Fiber Length Based on Gaussian Optical Pulse Delay Technique

ZHANG Ying-yan，SUN Xiao-qiang，F(xiàn)U Dong-bo，YUE Lei，LIU Li，LI Ran，YANG Kun

（Telecom Technology Lab，China Academy of Telecommunication Research，Ministry of Industry and Information Technology，Beijing 100191，China）

A precise and dead-zone-free method of optical fiber length measurement was proposed based on Gaussian optical pulses delay technique.Using optical fiber delay loop，two Gaussian pulses sequences with relative delay were observed in the high-speed oscilloscope.The two Gaussian pulses coincided with each other by adjusting the pulses frequency，and the optical fiber length could be calculated by the frequency.Frequency measurement errors would be induced if the two Gaussian pulses coincided incompletely.Complete coincidence could be judged by measuring the maximum amplitude according to delay-to-amplitude conversion.The frequency resolution achieved 0.1 Hz leading to high measurement accuracy.Experimental results showed that the uncertainty was 0.04m for 2284.34m G.652 single mode fiber （SMF），and 0.24m for 12726.57m SMF when wavelength of the optical source was 1296nm.

Metrology；Fiber length；Gaussian pulse；Delay time；Pulse frequency

TB921

A

1000-1158（2015）-01-0010-04

10.3969/j.issn.1000-1158.2015.01.03

2014-01-23；

2014-07-03

張穎艷（1963-），女，吉林通榆人，工業(yè)和信息化部電信研究院高級工程師，主要從事光纖參數(shù)測量的研究。zhangyingyan@catr.cn