劉 晨，李文宏，袁一博,2，管 超，耿大和

(1.山東科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266000； 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266000)

0 引 言

光纖傳感技術(shù)正在被廣泛應(yīng)用在生活中，已成為光纖通信中的重要研究領(lǐng)域[1-3]。光時(shí)域反射儀(Optical Time Domain Reflectometry，OTDR)是光纖傳感技術(shù)的重要研究成果之一，被廣泛應(yīng)用到無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network，PON)測(cè)溫和故障檢測(cè)等方面[4-6]。隨著PON的快速發(fā)展，其單跨距離巨大，經(jīng)常超過50 km，甚至達(dá)到100 km，因此，具有大動(dòng)態(tài)范圍和高空間分辨率的OTDR方法對(duì)于其檢測(cè)至關(guān)重要[7-8]。文獻(xiàn)[9]提出了基于線性調(diào)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(dòng)態(tài)范圍制約的問題，但實(shí)驗(yàn)測(cè)量距離只有5.4 km，測(cè)量距離過??；文獻(xiàn)[10]對(duì)比了不同脈沖編碼方式在OTDR中的應(yīng)用，在保持空間分辨率不變的情況下，提高了系統(tǒng)信噪比，但當(dāng)待測(cè)光纖長(zhǎng)度達(dá)到100 km以上時(shí)，入射光脈沖寬度需要達(dá)到幾百納秒來提高光功率，使得空間分辨率僅能達(dá)到幾十米甚至上百米；文獻(xiàn)[11-12]提出了數(shù)字LFM-OTDR技術(shù)，將測(cè)量范圍增加到100 km以上，但空間分辨率僅有30 m；文獻(xiàn)[13]提出頻分復(fù)用LFM-OTDR方案,提高了OTDR的動(dòng)態(tài)范圍約11 dB，但空間分辨率較小。因此，在遠(yuǎn)距離檢測(cè)光纖鏈路中，空間分辨率過低是OTDR現(xiàn)在面臨的問題。

為了解決這個(gè)問題，本文提出了LFM-Golay OTDR新方案。該方案通過LFM-Golay調(diào)制光信號(hào)，在檢測(cè)長(zhǎng)度為200 km的待測(cè)光纖鏈路中，獲得了0.22 m空間分辨率，相比于單脈沖OTDR，動(dòng)態(tài)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(hào)經(jīng)光電檢測(cè)器后得到的后向瑞利散射光的電流信號(hào)ua(t)為

式中：L和ca分別為Golay編碼的長(zhǎng)度和一組單極性序列；T為L(zhǎng)FM光信號(hào)的一個(gè)周期，包含兩個(gè)碼元信號(hào)；x(t)為一個(gè)碼元信號(hào)產(chǎn)生的后向瑞利散射光信號(hào)；t為時(shí)間；j為復(fù)信號(hào)；i為一組序列光信號(hào)中碼元信號(hào)序號(hào)，取值為1～L；γ為光電探測(cè)器的響應(yīng)系數(shù)；*為卷積運(yùn)算；C(t)為檢測(cè)信號(hào)在LFM-Golay OTDR中的后向瑞利散射光沖激響應(yīng)；P(t)為經(jīng)過LFM后的光信號(hào)的功率；P0為激光器輸出功率；f0和k分別為L(zhǎng)FM光信號(hào)初始頻率和調(diào)頻斜率。

對(duì)信號(hào)ua(t)離散化，得到

式中：ts為開始生成LFM-Golay光脈沖信號(hào)的時(shí)間；xL-i為一組序列光信號(hào)中第L-i個(gè)碼元信號(hào)的后向瑞利散射；x為一組序列光信號(hào)的后向瑞利散射，其中包括L個(gè)碼元信號(hào)的后向瑞利散射。

離散信號(hào)ua(i)經(jīng)匹配濾波后得到

式中：wa(i)為信號(hào)ua(i)的解調(diào)結(jié)果；h(t)為匹配濾波器響應(yīng)函數(shù)；y(t)為一個(gè)碼元信號(hào)經(jīng)匹配濾波后得到的信號(hào)函數(shù)；Z(t)為碼元信號(hào)自相關(guān)函數(shù)。理論上，LFM-Golay OTDR的空間分辨率z為函數(shù)Z(t)的半高全寬，即

式中:c為光在真空中的速度；n為待測(cè)光纖折射率；B為碼元光信號(hào)的調(diào)頻范圍。同理可求得，另外3組單極性序列信號(hào)wb(i)、wc(i)和wd(i)。

LFM-Golay OTDR系統(tǒng)在實(shí)際檢測(cè)光纖時(shí)會(huì)受到噪聲e的影響。在信號(hào)中疊加噪聲后，4組單極性序列信號(hào)兩兩相減求得兩組雙極性序列信號(hào)為

式中：wA(i)和wB(i)為雙極性序列信號(hào)，由4組單極性序列信號(hào)相減求得；A(i)和B(i)為Golay互補(bǔ)序列；e1(i)、e2(i)、e3(i)和e4(i)為4組單極性編碼光信號(hào)中的系統(tǒng)噪聲；yi(t)為光信號(hào)x(t)經(jīng)解調(diào)后的結(jié)果。

經(jīng)Golay解碼后得到

2 LFM-Golay OTDR信號(hào)

圖1所示為運(yùn)用任意波形發(fā)生器(Arbitrary Waveform Generator，AWG)、馬赫-曾德爾干涉型調(diào)制器(Maher-Zehnder Modulator，MZM)、聲光調(diào)制器(Acoustic Optical Modulator，AOM)和脈沖發(fā)生器等器件生成LFM-Golay信號(hào)的流程圖。AWG生成LFM周期信號(hào)，其一個(gè)周期內(nèi)信號(hào)頻率先線性遞增再線性遞減，MZM將LFM信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)連續(xù)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制生成LFM光信號(hào)，脈沖發(fā)生器同時(shí)產(chǎn)生Golay序列信號(hào)和同步觸發(fā)信號(hào)，其中Golay序列信號(hào)作為AOM1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將LFM光信號(hào)調(diào)制成LFM-Golay光信號(hào)，同步觸發(fā)信號(hào)作為AOM2的開關(guān)信號(hào)，將連續(xù)調(diào)制LFM-Golay光信號(hào)轉(zhuǎn)換成光脈沖信號(hào)。

圖1 LFM-Golay信號(hào)生成流程圖

圖2所示為L(zhǎng)FM-8階Golay光脈沖信號(hào)，參數(shù)設(shè)置如下：一個(gè)LFM周期光信號(hào)包含兩個(gè)碼元信號(hào)，周期為40 μs，頻率先遞增后遞減，半個(gè)周期內(nèi)調(diào)頻范圍為500 MHz；Golay編碼長(zhǎng)度為8，LFM-Golay光信號(hào)持續(xù)時(shí)間為0.64 ms。

圖2 LFM-8階Golay光脈沖信號(hào)

圖3所示為一個(gè)周期內(nèi)的LFM光信號(hào)在時(shí)域和頻域的分布。由圖3(a)放大部分和3(b)可知，LFM光信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)頻率先由100 MHz線性增加到600 MHz，再線性減小至100 MHz,每個(gè)碼元信號(hào)調(diào)頻范圍都為500 MHz。

圖3 一個(gè)周期內(nèi)的LFM光信號(hào)在時(shí)域和頻域的分布

圖4所示為對(duì)LFM-8階Golay光脈沖信號(hào)進(jìn)行匹配處理和Golay解碼后的結(jié)果圖。圖4(a)所示為一個(gè)碼元光信號(hào)經(jīng)匹配處理后得到的自相關(guān)函數(shù)圖，由圖可知，信號(hào)能量被集中在中間位置，信號(hào)得到大幅度增強(qiáng)；由放大圖可知，信號(hào)的尖峰對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度和半高全寬分別為73 dB和2 ns，根據(jù)理論計(jì)算可知，峰值的半高全寬2 ns對(duì)應(yīng)于碼元信號(hào)的調(diào)頻范圍500 MHz，假設(shè)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(duì)應(yīng)光纖長(zhǎng)度為0.2 m。圖4(b)所示為L(zhǎng)FM-8階Golay光信號(hào)經(jīng)匹配處理和Golay解碼后得到的最終結(jié)果，信號(hào)峰值的強(qiáng)度為85 dB，相比一個(gè)碼元信號(hào)強(qiáng)度提高了12 dB，其中峰值的半高全寬為2 ns，對(duì)應(yīng)光纖的長(zhǎng)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(hào)調(diào)頻范圍，徹底解決了OTDR空間分辨率和動(dòng)態(tài)范圍矛盾的問題，并利用Golay編碼增強(qiáng)了信號(hào)強(qiáng)度，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

圖4 一個(gè)碼元光信號(hào)和LFM-8階Golay光脈沖信號(hào)經(jīng)處理后的結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖5所示為驗(yàn)證LFM-Golay OTDR性能的實(shí)驗(yàn)設(shè)置框圖。實(shí)驗(yàn)中使用激光器、AWG、MZM、AOM和脈沖發(fā)生器生成LFM-Golay光脈沖信號(hào)，光電探測(cè)器和示波器轉(zhuǎn)換采集后向散射LFM-Golay光脈沖信號(hào)。圖中MZM利用AWG生成的LFM周期信號(hào)對(duì)激光器發(fā)出的連續(xù)光進(jìn)行調(diào)制，生成LFM光信號(hào)；AOM1將脈沖發(fā)生器生成的Golay序列信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)LFM光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，生成LFM-Golay光信號(hào)，同時(shí)脈沖發(fā)送器發(fā)出同步觸發(fā)信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)器利用觸發(fā)信號(hào)控制AOM2的開關(guān)，通過AOM2控制產(chǎn)生LFM-Golay光脈沖信號(hào)。LFM-Golay光脈沖信號(hào)在光纖中的后向瑞利散射信號(hào)經(jīng)光環(huán)行器進(jìn)入光電探測(cè)器后被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后將通過示波器采集的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，最后在軟件端運(yùn)用匹配濾波Golay解碼等信號(hào)處理解調(diào)出攜帶待測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)置框圖

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置LFM光信號(hào)周期為40 μs，其中包含兩個(gè)碼元信號(hào)，碼元信號(hào)的掃頻范圍為500 MHz，初始頻率為100 MHz，Golay編碼長(zhǎng)度為256；LFM-Golay光信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間為20.48 ms，發(fā)射周期為23 ms，累加平均次數(shù)為8 000；光電探測(cè)器的接收靈敏度為-41 dBm，待測(cè)光纖鏈路長(zhǎng)度約為200 km，由兩條長(zhǎng)100 km的光纖構(gòu)成。保持相同實(shí)驗(yàn)設(shè)置，分別采用單脈沖OTDR、Golay碼OTDR、LFM OTDR和LFM-Golay OTDR 4種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比4種方案的待測(cè)光纖損耗曲線。

圖6和7所示分別為L(zhǎng)FM OTDR和256位Golay碼OTDR與單脈沖OTDR的待測(cè)光纖損耗曲線對(duì)比結(jié)果。由圖6和7可知，單脈沖OTDR、256階Golay碼OTDR和LFM OTDR都可檢測(cè)到光纖鏈路在100 km處的連接損耗，但單脈沖OTDR無法檢測(cè)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(cè)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(jù)OTDR動(dòng)態(tài)范圍定義，由圖6和7估算出單脈沖OTDR的動(dòng)態(tài)范圍約為31 dB，LFM OTDR和Golay碼OTDR的動(dòng)態(tài)范圍都約為40 dB，與單脈沖OTDR的動(dòng)態(tài)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(dá)到2 km。

圖6 LFM OTDR與單脈沖OTDR損耗對(duì)比圖

圖7 Golay碼OTDR與單脈沖OTDR損耗對(duì)比圖

圖8所示為L(zhǎng)FM-Golay OTDR與單脈沖OTDR的待測(cè)光纖損耗曲線對(duì)比結(jié)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(dòng)態(tài)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(tǒng)解決了OTDR空間分辨率與動(dòng)態(tài)范圍矛盾的問題，在200 km光纖鏈路中空間分辨率達(dá)到了0.22 m，與LFM OTDR和Golay碼OTDR系統(tǒng)相比動(dòng)態(tài)范圍有了大幅度增加，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離高分辨率的檢測(cè)光纖鏈路目標(biāo)。

圖8 LFM-Golay OTDR與單脈沖OTDR損耗對(duì)比圖

4 結(jié)束語

為了解決OTDR檢測(cè)遠(yuǎn)距離光纖鏈路時(shí)空間分辨率低的問題，本文提出了LFM-Golay OTDR方案。在200 km待測(cè)光纖鏈路中，該方案利用AWG、MZM和脈沖發(fā)生器調(diào)制生成LFM-Golay光脈沖信號(hào)，得到了0.22 m的空間分辨率，相同實(shí)驗(yàn)條件下，比LFM OTDR空間分辨率高出了0.02 m，動(dòng)態(tài)范圍提升了約6 dB，相比Golay碼OTDR動(dòng)態(tài)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(yuǎn)距離檢測(cè)光纖鏈路中OTDR的動(dòng)態(tài)范圍和高空間分辨率。