一种远距离高分辨率检测光纤链路的方案

刘 晨，李文宏，袁一博,2，管 超，耿大和

(1.山东科技大学 海洋科学与工程学院，山东 青岛 266000； 2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266000)

0 引 言

光纤传感技术正在被广泛应用在生活中，已成为光纤通信中的重要研究领域[1-3]。光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometry，OTDR)是光纤传感技术的重要研究成果之一，被广泛应用到无源光网络(Passive Optical Network，PON)测温和故障检测等方面[4-6]。随着PON的快速发展，其单跨距离巨大，经常超过50 km，甚至达到100 km，因此，具有大动态范围和高空间分辨率的OTDR方法对于其检测至关重要[7-8]。文献[9]提出了基于线性调频(Linear Frequency Modulation，LFM)脉冲压缩的光脉冲压缩反射仪，解决了空间分辨率与动态范围制约的问题，但实验测量距离只有5.4 km，测量距离过小；文献[10]对比了不同脉冲编码方式在OTDR中的应用，在保持空间分辨率不变的情况下，提高了系统信噪比，但当待测光纤长度达到100 km以上时，入射光脉冲宽度需要达到几百纳秒来提高光功率，使得空间分辨率仅能达到几十米甚至上百米；文献[11-12]提出了数字LFM-OTDR技术，将测量范围增加到100 km以上，但空间分辨率仅有30 m；文献[13]提出频分复用LFM-OTDR方案,提高了OTDR的动态范围约11 dB，但空间分辨率较小。因此，在远距离检测光纤链路中，空间分辨率过低是OTDR现在面临的问题。

为了解决这个问题，本文提出了LFM-Golay OTDR新方案。该方案通过LFM-Golay调制光信号，在检测长度为200 km的待测光纤链路中，获得了0.22 m空间分辨率，相比于单脉冲OTDR，动态范围提高了约15 dB。

1 LFM-Golay OTDR原理

在LFM-Golay OTDR中，一组单极性序列LFM-Golay光信号经光电检测器后得到的后向瑞利散射光的电流信号ua(t)为

式中：L和ca分别为Golay编码的长度和一组单极性序列；T为LFM光信号的一个周期，包含两个码元信号；x(t)为一个码元信号产生的后向瑞利散射光信号；t为时间；j为复信号；i为一组序列光信号中码元信号序号，取值为1～L；γ为光电探测器的响应系数；*为卷积运算；C(t)为检测信号在LFM-Golay OTDR中的后向瑞利散射光冲激响应；P(t)为经过LFM后的光信号的功率；P0为激光器输出功率；f0和k分别为LFM光信号初始频率和调频斜率。

对信号ua(t)离散化，得到

式中：ts为开始生成LFM-Golay光脉冲信号的时间；xL-i为一组序列光信号中第L-i个码元信号的后向瑞利散射；x为一组序列光信号的后向瑞利散射，其中包括L个码元信号的后向瑞利散射。

离散信号ua(i)经匹配滤波后得到

式中：wa(i)为信号ua(i)的解调结果；h(t)为匹配滤波器响应函数；y(t)为一个码元信号经匹配滤波后得到的信号函数；Z(t)为码元信号自相关函数。理论上，LFM-Golay OTDR的空间分辨率z为函数Z(t)的半高全宽，即

式中:c为光在真空中的速度；n为待测光纤折射率；B为码元光信号的调频范围。同理可求得，另外3组单极性序列信号wb(i)、wc(i)和wd(i)。

LFM-Golay OTDR系统在实际检测光纤时会受到噪声e的影响。在信号中叠加噪声后，4组单极性序列信号两两相减求得两组双极性序列信号为

式中：wA(i)和wB(i)为双极性序列信号，由4组单极性序列信号相减求得；A(i)和B(i)为Golay互补序列；e1(i)、e2(i)、e3(i)和e4(i)为4组单极性编码光信号中的系统噪声；yi(t)为光信号x(t)经解调后的结果。

经Golay解码后得到

2 LFM-Golay OTDR信号

图1所示为运用任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator，AWG)、马赫-曾德尔干涉型调制器(Maher-Zehnder Modulator，MZM)、声光调制器(Acoustic Optical Modulator，AOM)和脉冲发生器等器件生成LFM-Golay信号的流程图。AWG生成LFM周期信号，其一个周期内信号频率先线性递增再线性递减，MZM将LFM信号作为驱动信号对连续光信号进行调制生成LFM光信号，脉冲发生器同时产生Golay序列信号和同步触发信号，其中Golay序列信号作为AOM1的驱动信号，将LFM光信号调制成LFM-Golay光信号，同步触发信号作为AOM2的开关信号，将连续调制LFM-Golay光信号转换成光脉冲信号。

图1 LFM-Golay信号生成流程图

图2所示为LFM-8阶Golay光脉冲信号，参数设置如下：一个LFM周期光信号包含两个码元信号，周期为40 μs，频率先递增后递减，半个周期内调频范围为500 MHz；Golay编码长度为8，LFM-Golay光信号持续时间为0.64 ms。

图2 LFM-8阶Golay光脉冲信号

图3所示为一个周期内的LFM光信号在时域和频域的分布。由图3(a)放大部分和3(b)可知，LFM光信号在一个周期内频率先由100 MHz线性增加到600 MHz，再线性减小至100 MHz,每个码元信号调频范围都为500 MHz。

图3 一个周期内的LFM光信号在时域和频域的分布

图4所示为对LFM-8阶Golay光脉冲信号进行匹配处理和Golay解码后的结果图。图4(a)所示为一个码元光信号经匹配处理后得到的自相关函数图，由图可知，信号能量被集中在中间位置，信号得到大幅度增强；由放大图可知，信号的尖峰对应的强度和半高全宽分别为73 dB和2 ns，根据理论计算可知，峰值的半高全宽2 ns对应于码元信号的调频范围500 MHz，假设光在真空中速度c=3×108m/s，在光纤中的折射率n=1.5，可求得峰值的半高全宽对应光纤长度为0.2 m。图4(b)所示为LFM-8阶Golay光信号经匹配处理和Golay解码后得到的最终结果，信号峰值的强度为85 dB，相比一个码元信号强度提高了12 dB，其中峰值的半高全宽为2 ns，对应光纤的长度为0.2 m。由此可得，LFM-Golay OTDR可以将空间分辨率的决定因素变成码元信号调频范围，彻底解决了OTDR空间分辨率和动态范围矛盾的问题，并利用Golay编码增强了信号强度，提高了系统的动态范围。

图4 一个码元光信号和LFM-8阶Golay光脉冲信号经处理后的结果

3 实验验证

图5所示为验证LFM-Golay OTDR性能的实验设置框图。实验中使用激光器、AWG、MZM、AOM和脉冲发生器生成LFM-Golay光脉冲信号，光电探测器和示波器转换采集后向散射LFM-Golay光脉冲信号。图中MZM利用AWG生成的LFM周期信号对激光器发出的连续光进行调制，生成LFM光信号；AOM1将脉冲发生器生成的Golay序列信号作为驱动信号对LFM光信号进行调制，生成LFM-Golay光信号，同时脉冲发送器发出同步触发信号到驱动器；驱动器利用触发信号控制AOM2的开关，通过AOM2控制产生LFM-Golay光脉冲信号。LFM-Golay光脉冲信号在光纤中的后向瑞利散射信号经光环行器进入光电探测器后被转换成电信号，然后将通过示波器采集的数字信号发送到计算机，最后在软件端运用匹配滤波Golay解码等信号处理解调出携带待测光纤的特征信息的后向瑞利散射光曲线。

图5 LFM-Golay OTDR性能实验设置框图

本次实验设置LFM光信号周期为40 μs，其中包含两个码元信号，码元信号的扫频范围为500 MHz，初始频率为100 MHz，Golay编码长度为256；LFM-Golay光信号脉冲持续时间为20.48 ms，发射周期为23 ms，累加平均次数为8 000；光电探测器的接收灵敏度为-41 dBm，待测光纤链路长度约为200 km，由两条长100 km的光纤构成。保持相同实验设置，分别采用单脉冲OTDR、Golay码OTDR、LFM OTDR和LFM-Golay OTDR 4种方案进行实验，对比4种方案的待测光纤损耗曲线。

图6和7所示分别为LFM OTDR和256位Golay码OTDR与单脉冲OTDR的待测光纤损耗曲线对比结果。由图6和7可知，单脉冲OTDR、256阶Golay码OTDR和LFM OTDR都可检测到光纤链路在100 km处的连接损耗，但单脉冲OTDR无法检测出光纤链路末端200 km处的菲涅尔反射。由图6的局部放大图可知，LFM OTDR测得光纤链路末端反射的半高全宽为0.24 m，即LFM OTDR的空间分辨率为0.24 m；由图7的局部放大图可知，256位Golay码OTDR的空间分辨率为2 km。根据OTDR动态范围定义，由图6和7估算出单脉冲OTDR的动态范围约为31 dB，LFM OTDR和Golay码OTDR的动态范围都约为40 dB，与单脉冲OTDR的动态范围相比都高出了约9 dB，但Golay码OTDR的空间分辨率由脉冲宽度决定，仅能达到2 km。

图6 LFM OTDR与单脉冲OTDR损耗对比图

图7 Golay码OTDR与单脉冲OTDR损耗对比图

图8所示为LFM-Golay OTDR与单脉冲OTDR的待测光纤损耗曲线对比结果。由图可知，LFM-Golay OTDR的空间分辨率为0.22 m，相比LFM OTDR提高了0.02 m；LFM-Golay OTDR的动态范围约为46 dB，相比单脉冲OTDR提升了15 dB，与LFM OTDR、Golay码OTDR相比提高了6 dB。由此可知，基于LFM和Golay编码的LFM-Golay OTDR系统解决了OTDR空间分辨率与动态范围矛盾的问题，在200 km光纤链路中空间分辨率达到了0.22 m，与LFM OTDR和Golay码OTDR系统相比动态范围有了大幅度增加，实现了远距离高分辨率的检测光纤链路目标。

图8 LFM-Golay OTDR与单脉冲OTDR损耗对比图

4 结束语

为了解决OTDR检测远距离光纤链路时空间分辨率低的问题，本文提出了LFM-Golay OTDR方案。在200 km待测光纤链路中，该方案利用AWG、MZM和脉冲发生器调制生成LFM-Golay光脉冲信号，得到了0.22 m的空间分辨率，相同实验条件下，比LFM OTDR空间分辨率高出了0.02 m，动态范围提升了约6 dB，相比Golay码OTDR动态范围提升了约15 dB。因此，本文提出的LFM-Golay OTDR方案提高了在远距离检测光纤链路中OTDR的动态范围和高空间分辨率。