基于FMCW的光纜線路異常檢測方法

王英杰,鄧大鵬,李 衛(wèi)

(西安通信學(xué)院,西安 710106)

1 引 言

我國對于光纜線路的性能監(jiān)測目前基本上還是采用OTDR(Optical Time Domain Reflectmeter)技術(shù),這種技術(shù)較為成熟、簡單,它是靠檢測一個在光纜線路上傳輸?shù)墓饷}沖在不同位置的后向瑞利散射信號和后向菲涅爾反射信號的相對強弱來實現(xiàn)對光纜線路的監(jiān)測。但其存在一個致命的弱點,即要想增大動態(tài)范圍,就必須增大脈沖的寬度,但增大脈沖寬度會使儀表的空間分辨率降低,因此對于那些既要有大的動態(tài)范圍又要有高的空間分辨率的場合,如PON線路、長途光纜干線的測量等,用OTDR監(jiān)測時就顯得有些顧此失彼了。頻率調(diào)制連續(xù)波(FMCW)技術(shù)常用于高精度雷達測距,用于光纜線路異常檢測時,由于采用相干探測,具有較高的靈敏度和較大的動態(tài)范圍,并且系統(tǒng)空間分辨率和動態(tài)范圍之間沒有制約關(guān)系,所以能夠?qū)崿F(xiàn)各種大動態(tài)范圍的高精度檢測[1-5],國外對此技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟。在國內(nèi),由于受到激光器譜線寬度和激光信號調(diào)頻技術(shù)的制約,基于FMCW光纜線路異常檢測的研究多集中于一般性的分析和仿真,缺乏實驗驗證,為此,本文在理論研究的基礎(chǔ)上搭建了實驗平臺,用實驗數(shù)據(jù)驗證FMCW技術(shù)對光纜線路異常檢測的有效性及測量精度。

2 FMCW檢測定位原理

頻率調(diào)制連續(xù)波光纖反射計主要由線性掃頻光源、邁克爾遜干涉儀、光電探測器和頻譜分析儀(或信號處理單元)等組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[2]如圖1所示。

圖1 FMCW光纖反射計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of FMCW optical fiber reflectometry

線性掃頻光源經(jīng)三角波調(diào)制后發(fā)出線性掃頻連續(xù)光。連續(xù)光進入耦合器后分為兩束光:一束光注入?yún)⒖脊饫w,經(jīng)法拉第轉(zhuǎn)鏡反射后返回到光電探測器,稱為參考光;另一束注入待測光纖,由于光纖存在瑞利散射,其中有一部分散射光沿著光纖向注入端返回,經(jīng)耦合器后返回到光電探測器,設(shè)距光注入端X處的瑞利背向散射光為信號光。參考光和信號光分別為

式中,E01、E02分別為參考光和信號光的振幅,ω0為光源的中心角頻率,0為光源的初始相位,γ=fmΔF為光源掃頻速率,延時 τ=2nX/c。參考光和信號光混頻后的光強可以表示如下:

由式(3)最后一項產(chǎn)生的中頻信號可以得到信號光在待測光纖中的位置與中頻信號頻率的關(guān)系為

由以上分析可知,中頻電流的頻率和幅度分別和返回信號光的位置和強度相對應(yīng),所以,可以通過頻譜分析儀或?qū)Σ杉男盘栠M行處理后在頻域可以檢測到沿光纖分布的各處的散射和衰減特性。

3 影響空間分辨率的因素

3.1 空間分辨率與光源掃頻速率和接收機帶寬的關(guān)系

FMCW光纖反射計的空間分辨率是指系統(tǒng)分辨兩個待測光纖的測量點的能力,由公式(4)可知,FMCW光纖反射計系統(tǒng)最后測得的中頻信號 fB的大小與待測光纖的測量點的具體位置有關(guān)。因此,空間分辨率可以對應(yīng)為系統(tǒng)辨別兩個待測光纖的測量點相對應(yīng)的中頻 fB的能力,而辨別 fB大小的能力與系統(tǒng)頻譜分析儀的接收機帶寬密切相關(guān)。所以,理論上分析得到FMCW光纖反射計的空間分辨率的計算公式可以表示如下:

由上式可以看出,在光源掃描速率一定的情況下,可以通過減小接收機的帶寬ΔB來提高系統(tǒng)的空間分辨率。在FMCW光纖反射計系統(tǒng)中,噪聲與接收機帶寬成正比,接收機帶寬ΔB的減小在提高系統(tǒng)空間分辨率的同時,會提高接收信號的信噪比,接收機的靈敏度也得到提升,這也是FMCW光纖反射計與OTDR相比的一個優(yōu)點。實際上,由于中頻信號都是在一定的頻率掃描時間Tm范圍內(nèi)產(chǎn)生,所以FMCW光纖反射計的空間分辨率在理論上有一個最小值,如下式所示[6]:

所以,FMCW光纖反射計要得到一個高的空間分辨率則要求光源具有一個大的頻率調(diào)制范圍。

3.2 非線性掃頻對空間分辨率的影響

以上得到的結(jié)論都是在假定光源線性掃頻前提下得到的,在實際中應(yīng)用的激光器由于受到溫度、振動和電網(wǎng)電壓的波動等都會引起光源諧振腔位置的變化,從而影響輸出光波譜線的變化引起掃頻的非線性。由公式(4)可以看出,對于光纖中某一位置X一定的情況下,光源掃頻速率 γ的瞬時變化會造成中頻信號fB波動,從而展寬FMCW光纖反射計產(chǎn)生的中頻信號,降低系統(tǒng)的空間分辨率。由非線性掃頻造成的頻譜的展寬量可以用Δfnl表示,所以在非線性掃頻影響下的空間分辨可以用以下公式表示[7]:

由公式(4)中可以看出,隨著待測光纖長度 L(如圖1)的增加,FMCW光纖反射計產(chǎn)生的中頻信號的頻譜受非線性掃頻造成的頻譜的展寬也會相應(yīng)地增大,所以在測量長距離的光纖時必須考慮非線性掃頻對系統(tǒng)空間分辨率的影響。

3.3 相干長度和相位噪聲對分辨率的影響

以上的分析都是假定光源是單色的,參考光和信號光的初始相位相等或相位差保持不變,而實際的光源發(fā)出的光都是具有一定線寬的光,具有一定的相干度。當(dāng)信號光與參考光之間的光程差大于光源的相干長度時,信號光和參考光的相位差是隨機的,由此會引起相位噪聲[8-9]。

設(shè)光源線寬為Δv0,對應(yīng)的相干長度為Lc,為了便于分析光源相干長度Lc和相位噪聲對系統(tǒng)的影響,這里只取兩個信號:一個是參考光信號,另一個為待測光纖末端的菲涅耳反射光信號,反射率記為r,假設(shè)待測光纖長度為L,則參考光和信號光可以分別表示為

式中,τ0=2nL/c。根據(jù)光電檢測器的平方率特性,則輸出的光電流可以寫為

式(10)的單邊功率譜密度為

式中,τc為光源的相干時間,與光源相干長度的關(guān)系為Lc=τcc/n。式中第一項為探測信號中的直流部分;第二項為產(chǎn)生的中頻信號,隨著反射點距離接近相干長度,幅值以系數(shù) τ0/τc呈指數(shù)急劇衰減;第三項是一個連續(xù)頻率的函數(shù),表示相位噪聲對稱分布在fB的兩側(cè),而且越接近相干長度回波信號越強、噪聲功率越大、影響范圍越寬,且噪聲大小與反射率r成正比。中頻信號幅度的減小、噪聲的增加,將嚴(yán)重降低中頻信號的信噪比,影響空間分辨率。

4 實驗驗證

4.1 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了充分利用光源的光功率,實驗中對圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作了適當(dāng)?shù)母倪M,改進后的FMCW光纖反射計實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 FMCW光纖反射計實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Experimental setup of FMCW optical fiber reflectometry

系統(tǒng)采用一個輸出波長為1 550 nm的DFB光源,光源的線寬為3 kHz,相應(yīng)的在光纖中的相干長度為32 km。光源通過自帶的電壓調(diào)制實現(xiàn)對光源的掃頻,光源的頻率調(diào)制范圍ΔF為200 MHz,調(diào)制信號由信號發(fā)生器提供。信號發(fā)生器輸出頻率fm為1 kHz的鋸齒波信號,所以光源的掃描速率 γ為200GHz/s,光纖的折射率n為1.46,通過理論分析和實驗比對,耦合器1的最佳分光比取80∶20,實驗系統(tǒng)中的活動連接器均采用APC型光纖連接器(減小反射引起的噪聲)。根據(jù)公式(4)信號光在待測光纖中的位置與系統(tǒng)產(chǎn)生的拍頻信號頻率的對應(yīng)關(guān)系為0.513 7 km/MHz。經(jīng)調(diào)制后光源輸出的光波經(jīng)隔離器后進入耦合器1,一路光注入到環(huán)形器1口,由2口進入待測光纖的功率約為2 dBm,由3口輸出的后向散射信號光進入耦合器2;另一路光經(jīng)偏振控制器(用于降低相干光波的偏振誘導(dǎo)衰落效應(yīng))后輸出功率約為-2 dBm,參考光和信號光在耦合器2處混合。混合后的光波經(jīng)一個帶寬為40 GHz的均衡光電檢測器檢測后送至頻譜分析儀進行分析,頻譜分析儀的分辨率帶寬設(shè)置為10 kHz,為了減小產(chǎn)生的頻譜信號的波動,對檢測的頻譜信號進行100次平均。分別對長度為24.54 km和49.55 km普通單模光纖進行了檢測。

4.2 結(jié)果分析

圖4是對24.54 km單模光纖進行檢測得到的頻譜圖,圖中的橫坐標(biāo)可以與光纖的長度相互轉(zhuǎn)化。從圖中可以清楚地看到實驗系統(tǒng)檢測得到的待測光纖中的后向瑞利散射光和光纖末端的菲涅爾反射光強度。在FMCW光纖反射計中,通常用由光纖末端菲涅爾反射光信號產(chǎn)生的中頻信號的3 dB帶寬來確定系統(tǒng)對反射事件的空間分辨率。由圖4中可以看出,實驗系統(tǒng)對24.54 km單模光纖檢測得到反射事件的空間分辨率為8.22 m。圖5所示是對49.55 km的單模光纖進行檢測得到的結(jié)果,實驗得到反射事件的空間分辨率為11.32 m。圖6所示是對49.55 km的單模光纖在25.670 km處彎曲時的頻譜圖。

圖4 24.54 km單模光纖檢測頻譜圖Fig.4 Spectrum diagram of 24.5 km single mode fiber

圖5 49.55 km單模光纖檢測頻譜圖Fig.5 Spectrum diagram of 49.55 km single mode fiber

圖6 49.55 km單模光纖彎曲時檢測頻譜圖Fig.6 Spectrum diagram while 49.55km single mode fiber bent

由公式(5)可知,實驗系統(tǒng)的理論空間分辨率為5.14 m,和實驗得到的結(jié)果有一定的出入,這主要是由于光源的非線性掃頻和相位噪聲造成的。所以,系統(tǒng)要得到一個較高空間分辨率,必須減小光源掃頻的非線性效應(yīng)和相位噪聲,可以采用定時門頻譜分析方法減小非線性掃頻造成的頻譜的展寬,盡可能減小被測鏈路中的菲涅爾反射,提高系統(tǒng)的空間分辨。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于FMCW光纜線路異常檢測的FMCW光纖反射計的基本原理,分析了系統(tǒng)空間分辨率與光源頻率掃描速率和接收機帶寬之間的關(guān)系,以及非線性掃頻和相位噪聲對系統(tǒng)空間分辨率的影響,最后利用一個窄線寬的DFB激光器搭建了FMCW光纖反射計實驗系統(tǒng)。理論與實驗表明:與OTDR相似,衰耗事件、反射事件等在FMCW光纖反射計的曲線中可清晰反映,雖然光源的掃頻非線性、相位噪聲會降低儀表的空間分辨率,但比起OTDR還是有明顯的改善,對近50 km的光纜線路反射事件的分辨率可以優(yōu)于12 m,這對測量PON等帶分光器的線路的通斷提供了極大的方便,不再需要像用OTDR測試一樣,要求每個支路的光纖長度之差大于50 m以上,并且隨著掃頻非線性的改進和信號處理技術(shù)的提高,儀表的空間分辨率將會進一步得到改善。

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