基于高斯光脉冲延迟技术的光纤长度精确测量方法

张颖艳，孙小强，傅栋博，岳 蕾，刘 丽，李 然，杨 琨

（工业和信息化部电信研究院泰尔实验室，北京　100191）

基于高斯光脉冲延迟技术的光纤长度精确测量方法

张颖艳，孙小强，傅栋博，岳 蕾，刘 丽，李 然，杨 琨

（工业和信息化部电信研究院泰尔实验室，北京100191）

提出了一种基于高斯光脉冲延迟技术的无盲区、高精度光纤长度测量方法。借助光纤延迟环的作用，在高速示波器上可以观察两路具有相对时延的高斯脉冲序列。通过调节脉冲频率可使两路高斯脉冲完全重合，依据此时脉冲频率可计算出光纤长度。脉冲未完全重合则会引入频率测量的误差，而利用脉冲时延与幅度的转换关系，通过脉冲幅度极大值的测量可以精确判断脉冲是否重合。脉冲频率的分辨力达到0.1 Hz，从而提高光纤长度测量的精确度。实验中当光源波长为1296nm时，该方法测量2284.34 m G.652单模光纤长度的不确定度为0.04 m，测量12726.57m的不确定度为0.24m。

计量学；光纤长度；高斯脉冲；延迟时间；脉冲频率

1　引言

光纤长度测量常用的仪表为光时域反射计（OTDR）［1，2］。OTDR需要探测被测光纤中背向瑞利散射和菲涅尔反射等微弱光信号，存在测试盲区大和精度低等问题。目前实验室常用的光纤长度测量方法为光脉冲延迟法［3-7］，该方法所采用的频率计数器和示波器在频率和时延上的量值溯源系统比较成熟和完善，英国国家物理实验室（NPL）采用该方法进行光纤长度的定标。光脉冲延迟法中影响测量精度的主要因素包括示波器带宽、光波长漂移、脉冲抖动和频率计数器准确度等。

为抑制光脉冲延迟法中上述因素对测量精度的影响，提出了一种基于高斯光脉冲延迟技术的无盲区、高精度光纤长度测量方法。利用高斯型脉冲替代矩形脉冲，将脉冲时延测量转换为幅度极值的测量，避免在辨别脉冲重合的过程中人为因素给测量结果带来的影响。实验中分别测量了在1296nm和1555nm波长下的单模光纤长度，辨别脉冲重合情况下的脉冲频率分辨力达到0.1Hz，从而有效优化光纤长度测量的不确定度，实现光纤长度的精确测量。

2　脉冲延迟法的基本原理

2.1实验原理

利用脉冲延迟法测量光纤长度的基本原理如图1所示。

图1　脉冲延迟法测量光纤长度的原理框图

具有周期特性的光脉冲经过耦合器分为两路，其中一路经过由参考光纤和被测光纤组成的光纤延迟环，在耦合器输出端口形成具有相对延迟的两路光脉冲，延迟时间T可以表示为

式中：T0为参考光纤及环内耦合器尾纤所引入的参考延迟时间；n为光纤的等效折射率；Lx为被测光纤长度；c为真空中的光速。

当调节脉冲频率，使两路光脉冲的相对延迟恰好等于周期的整数倍时，即

则可使两路光脉冲重合。经过光电转换后，在高速示波器上便可依靠脉冲的重合来记录对应的脉冲频率，进而计算出延迟时间和光纤长度。

为便于实验操作，取N=1，则光脉冲初始频率可设置为

取c=299792.458 km/s，n=1.46，依据环内光纤的大致距离可粗略计算出光脉冲频率的初始设置值f=205/L（单位为kHz，L单位为km）。在该频率点处进行频率微调，直至两路脉冲恰好重合，则有

参考光纤的作用是消除耦合器尾纤等因素对测量结果的影响，并避免出现测量盲区。参考测量中需去掉被测光纤，根据两路脉冲重合时的频率值fref得到参考延迟时间

代入式（4）可计算出被测光纤的长度

2.2高斯脉冲幅度极值测量法

测量中最大的误差来源为依靠目视辨别脉冲重合时低频率分辨力产生的误差。由于电光调制器非线性以及探测器响应时间和噪声对脉冲形状的影响，在调节脉冲频率的时候观察脉冲重合的频率分辨力在几Hz的数量级，由频率分辨力引入的距离测量不确定分量：

从而可发现能够通过提高脉冲频率的调节精度来降低长度测量的不确定度。

通常情况下利用矩形脉冲在示波器上的重合来判定脉冲频率进而计算出光纤长度，由于非线性及噪声等因素的影响，解调后示波器上显示的脉冲形状并非理想的矩形，噪声严重且边沿上升和下降时间较大，如图2所示，难以完成脉冲重合状态的判断。实验中将矩形脉冲换成窄脉宽的高斯脉冲如图3所示，则在示波器上利用脉冲时延与幅度的转换关系可寻找到脉冲重合时的幅度最大值，从而避免目视判断所造成的低分辨力问题。

输入高斯脉冲幅度表示为A（t）=A0exp（-t2/），其中t0为脉冲束腰宽度。合理选择参考光纤长度，并调节偏振控制器，可以避免光脉冲相干叠加带来的幅度扰动影响，则示波器上趋近重合的两个高斯脉冲幅度表示为

图2　利用矩形脉冲重合法标定光纤长度

图3　利用高斯脉冲重合法标定光纤长度

式中：τ为相邻两个高斯脉冲的相对时延；β2为二阶色散系数［8］（ps2/km）；A21和A22分别为光电探测器输出后的两个电脉冲的最大幅度。色散导致光纤延迟环输出后的高斯脉冲发生脉冲展宽。式（8）表明在示波器上两个高斯脉冲趋向重合的过程中，脉冲幅度极大值与脉冲相对时延有关。时延为零即脉冲重合时，示波器上可读出脉冲幅度的最大值。因此调节脉冲频率时可以利用脉冲最大幅度来决定是否为最佳频率点，通过这种转换后的测量方式能够提高脉冲频率的分辨力，达到0.1Hz，从而极大降低由频率测量所引起的测量不确定度。

3　系统结构及实验验证

搭建光纤长度测量实验框图如图4所示，脉冲发生器（Stanford，DG645）产生的高斯脉冲由电光调制器（Anritsu，MG9001）加载到连续光后转变为光脉冲，脉冲发生器的频率由式（3）估算出初始值，调节好的脉冲频率由频率计数器（Agilent，HP 53132A）读取。频率可调的高斯光脉冲经30∶70的耦合器一部分（30％）直接进入光电探测器（Agilent，HP11982A），另一部分（70％）进入光纤延迟环后再进入光电探测器，在数字采样示波器（Tektronix TDS7154B）上观察到两路脉冲。调节脉冲发生器的频率，可看到脉冲逐渐靠近并重合。在判断重合的过程中，利用示波器上显示的脉冲幅度来进行辨别，当幅度达到最大值时意味着两路脉冲完全重合，记录此时频率计数器的频率值，可计算出被测光纤和参考光纤共同引起的时间延迟。

将被测光纤从光纤环中移出，仅保留参考光纤，重复上述操作进行参考实验，同样可得到参考光纤引起的光脉冲延迟时间，根据两次记录的脉冲频率值由式（6）算出该光波长下的被测光纤长度。

图4　光纤长度测量的实际框图

4　实验结果及分析

实验中高斯脉冲的束腰宽度设为3.2 ns，参考光纤长度约为2 km，被测光纤长度约为12.7 km，型号为G.652单模光纤。光源波长设为1296nm时，不同频率对应的脉冲时域波形图如图5所示，当调节脉冲频率为13759.6 Hz时可清晰看出两个高斯脉冲具有一定时间间隔，当频率调节到f=13757.4 Hz时叠加后的脉冲幅度达到最大值，即Vmax=96.5 mV，表明两个脉冲完全重合，记录下频率值。随着频率继续变小到13756.6Hz时，两个脉冲开始出现分离。接着移去被测光纤，仅保留参考光纤在光纤环内进行参考实验，得到脉冲重合所对应的fref= 93381.0Hz，即被测光纤中Tx=61979.34 ns，取n= 1.46时该波长下Lx=12 726.57 m。同理可得1555nm波长下Lx=12732.01m。

图5　不同频率对应的脉冲时域波形图

为验证脉冲幅度极值法对频率分辨力的影响，测试了不同频率偏差下的脉冲幅度极大值如图6所示。当频率偏差为零，示波器上的脉冲幅度达到最大值，随着频率偏差绝对值逐渐变大，脉冲幅度逐渐变小，当频率偏差增加到一定值，即脉冲完全分离时，脉冲幅度将保持不变。仿真曲线由式（8）得到，测量结果与理论仿真曲线具有较好的匹配，也验证频率分辨力为0.1 Hz时可明显区分脉冲叠加后的幅度变化，可进行光纤长度的精确测量。

图6　脉冲幅度与频率偏差的关系图

针对频率分辨力、波长漂移及示波器带宽等因素对测量结果的影响，测试了波长为1 296nm和1555nm时的延迟时间和光纤长度，测量结果见表1，n=1.46。波长为1 296nm时，12 726.57 m和2284.34m光纤的测量不确定度分别为0.24 m和0.04m；波长为1555nm时，12732.01m和2285.17m光纤长度的测量不确定度分别为0.25 m和0.05 m（包含因子k=2）。表明该方法能够实现高准确度的光纤长度测量。

表1　光纤长度测量结果

5　结论

利用脉冲发生器和示波器测量光脉冲延迟时间来获取光纤长度的测量方法具有精度高、无盲区及结构简单等优点。方案中采用窄脉宽的高斯脉冲替代传统的矩形脉冲，依据脉冲时延与幅度的转换关系，利用示波器上稳定的幅度测量功能来减小人为因素所造成的误差，从而优化脉冲频率的分辨力，增加光纤长度测量的准确性，在2 km范围内将光纤长度测量不确定度降低到0.05m以内。

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［4］李楚瑞，王超，肖倩.基于全光纤干涉的新型光纤长度测量系统［J］.仪器仪表学报，2011，32（2）：415-419.

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

ZHANG Ying-yan，SUN Xiao-qiang，FU 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

张颖艳（1963-），女，吉林通榆人，工业和信息化部电信研究院高级工程师，主要从事光纤参数测量的研究。zhangyingyan@catr.cn