基于混沌信號的光時域反射儀

王云才　張建國　徐航　王安幫

摘要： 研制了基于混沌信號相關(guān)測距技術(shù)的光時域反射儀樣機(jī)。介紹了該儀器的混沌光源設(shè)計，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件算法流程設(shè)計。以G.652.B單模光纖為被測對象，對該儀器檢測光纖故障的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析測試。測試結(jié)果表明，在102 km內(nèi)可實現(xiàn)與距離無關(guān)的50 cm空間分辨率，比現(xiàn)有飛行時間測量技術(shù)提高了約兩個數(shù)量級，可實現(xiàn)對光纖不同類型反射事件的識別，完全滿足無源光網(wǎng)絡(luò)中的故障檢測。

關(guān)鍵詞： 光時域反射儀； 混沌激光； 相關(guān)； 半導(dǎo)體激光器

中圖分類號： TH 74文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.016

引言

光時域反射儀（optical time domain reflectometer，OTDR）在光纖光纜線路施工、維護(hù)測試及搶修過程中是必不可少的專用測試儀器。它采用時域測量方法，將光脈沖發(fā)射入待測光纖，通過觀測光纖后向瑞利散射信號，探測光纖沿傳播方向的衰減特性，進(jìn)而檢測、判斷鏈路中的異常。隨著小型光纖網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，如建筑物內(nèi)的光纖入戶網(wǎng)絡(luò)及大型飛行器系統(tǒng)內(nèi)的光纖鏈路，OTDR正面臨新的挑戰(zhàn)，如更高的空間分辨率和測量精度等。傳統(tǒng)單脈沖OTDR[1]通過向被測光纖中發(fā)射一個光脈沖并探測其回波脈沖的到達(dá)時間和功率，檢測光纖鏈路的故障點及光纖的衰減特性。其測量精度取決于脈沖寬度，同時也受到計時誤差的影響，通常為米量級，且隨距離增大而降低。采用超短光脈沖或者其他光學(xué)技術(shù)可以提高測量精度和信噪比[2-3]，但都無法克服測量精度和測量距離不能同時提高的矛盾。相關(guān)法光時域反射儀（correlation optical time domain reflectometer，correlation-OTDR）[3-4]利用一定碼長的隨機(jī)光脈沖序列作為探測光，通過對后向瑞利散射信號和隨機(jī)碼進(jìn)行相關(guān)計算實現(xiàn)光纖檢測。該方法可通過增加碼長的方式，增大測量距離，且不會影響空間分辨率。然而受限于電子帶寬瓶頸，與單脈沖OTDR相比，correlation-OTDR的空間分辨率并未得到明顯改善。此外，有限的碼長也限制了其動態(tài)范圍或測量距離的進(jìn)一步增加。半導(dǎo)體激光器在光反饋或光注入時可持續(xù)產(chǎn)生強(qiáng)度隨機(jī)變化的混沌激光，其帶寬取決于激光器的弛豫振蕩而達(dá)到數(shù)吉赫（GHz）[6]，而且自發(fā)輻射噪聲的影響加上混沌的初值敏感性，使得混沌激光的波形是一種物理層的隨機(jī)信號，不存在偽隨機(jī)序列的周期循環(huán)問題。即混沌激光波形具有與偽隨機(jī)碼相似但性能更優(yōu)的相關(guān)曲線[7]。研究表明，借鑒隨機(jī)碼相關(guān)法提出的混沌光時域反射儀（chaotic optical time domain reflectometer，COTDR）[8]具有如下優(yōu)點：（1）混沌激光的帶寬突破電子瓶頸，可達(dá)到厘米級的測量精度；（2）利用混沌激光的內(nèi)稟性，可實現(xiàn)長距離的等精度測量，克服了傳統(tǒng)OTDR的測量精度隨測量距離增大而降低的矛盾；（3）利用混沌激光的隨機(jī)性，突破了correlation-OTDR中無模糊測量受碼長的限制；（4）結(jié)構(gòu)簡單。實現(xiàn)高精度測量的超寬帶混沌激光，其產(chǎn)生無需超短脈沖激光器，也無需高速偽隨機(jī)碼發(fā)生器和外調(diào)制器。本文介紹了自行研制的COTDR的系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)成和參量，并用該樣機(jī)對光纖斷點故障進(jìn)行了測試，對整個系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析測試。

1COTDR系統(tǒng)

1.1技術(shù)原理

COTDR的技術(shù)原理如圖1所示。半導(dǎo)體激光器和外反射鏡構(gòu)成一個非線性動力學(xué)系統(tǒng)，其輸出狀態(tài)取決于半導(dǎo)體激光器的偏置電流、反饋光的強(qiáng)度和相位。在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下，外光反饋半導(dǎo)體激光器構(gòu)成混沌激光源，輸出強(qiáng)度隨機(jī)變化的寬帶混沌激光?；煦缂す庥神詈掀鞣譃樘綔y光和參考光。探測光經(jīng)過光環(huán)形器入射到被測光纖中，經(jīng)故障點反射后返回發(fā)射端。故障點的回波信號與參考信號由兩個性能相同的快速光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，由相關(guān)器或單片機(jī)處理實現(xiàn)互相關(guān)運算；通過測定相關(guān)曲線峰值的延遲時間計算出故障點的位置。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

研制的COTDR樣機(jī)實物如圖2所示。整體樣機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，其總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。下面分別對硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)功能進(jìn)行描述。

1.2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要由激光器、光反饋系統(tǒng)、激光器監(jiān)控、光接收系統(tǒng)、中央處理和存儲器以及數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)等部分組成。硬件系統(tǒng)中的激光器、外光反饋系統(tǒng)和激光器監(jiān)控共同組成混沌激光源，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。選擇輸出波長為1 550 nm，輸出功率為10 mW的分布反饋式半導(dǎo)體激光（DFB-LD）作為光源，由激光器監(jiān)控系統(tǒng)為半導(dǎo)體激光器提供驅(qū)動電流和控制溫度，并實時監(jiān)測其輸出功率和工作溫度；選擇光纖反射鏡提供反饋光，反饋光的強(qiáng)度由可調(diào)光衰減器調(diào)節(jié)，反饋光的偏振匹配由偏振控制器控制。最后，光放大器對混沌激光進(jìn)行放大。

硬件系統(tǒng)設(shè)計中的探測端口（FC/PC型光纖連接器）用于連接被測試光纖，發(fā)射探測光并接收反射點回波，探測功率為17.8 dBm；選擇帶寬120 MHz，靈敏度-37 dBm，效率0.16 V/mW的PIN+TIA型的兩個光電探測器作為光接收系統(tǒng)將探測回波和參考光轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)前置放大后輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。選擇工控機(jī)作為中央處理器，控制激光器驅(qū)動和監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)3個單元。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至內(nèi)部存儲器；處理器調(diào)取內(nèi)存中數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運算，并將結(jié)果由觸摸液晶屏顯示。

1.2.2軟件系統(tǒng)設(shè)計

COTDR軟件系統(tǒng)設(shè)計中，主要基于Visual Basic平臺設(shè)計了配套軟件。該軟件系統(tǒng)包括激光器監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集存儲和相關(guān)運算及顯示三大模塊。激光器監(jiān)控模塊主要完成激光器偏置電流設(shè)置、電流及工作溫度監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)采集存儲模塊完成對采集系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)存儲功能。采集參數(shù)可在顯示界面內(nèi)設(shè)置，其默認(rèn)值為雙通道模式、帶寬125 MHz、采樣率500 MS/s、存儲深度16 kB、靈敏度10 mV/div。相關(guān)運算及顯示模塊實現(xiàn)測量控制，相關(guān)運算，平均次數(shù)設(shè)置，剩余次數(shù)顯示，相關(guān)曲線實時顯示、縮放、保存，故障點位置顯示等功能。數(shù)據(jù)采集與處理的流程如圖5所示。由于混沌信號的隨機(jī)性，混沌信號相關(guān)曲線的固有噪聲不可避免。所以在數(shù)據(jù)處理中特意設(shè)計了平均離散消除方法[9]，對相關(guān)運算結(jié)果進(jìn)行后處理，可以顯著提高信噪比。本質(zhì)上，多次測量取平均等效于增大探測信號的能量，從而提高信噪比。平均運算之后，再進(jìn)行離散消除法降低混沌信號相關(guān)曲線的固有噪聲，信噪比進(jìn)一步被提高，原來淹沒在噪聲中的弱反射響應(yīng)也可被清晰探測。

2實驗結(jié)果

2.1混沌激光

當(dāng)反饋腔長為5.3 m、反饋強(qiáng)度為-9.2 dB時，混沌激光源產(chǎn)生混沌信號的時序、相圖、功率譜和自相關(guān)曲線如圖6所示。圖6（a）表明混沌信號的波形呈現(xiàn)快速隨機(jī)起伏；功率譜顯示其頻譜寬而平坦，能量可延伸至10 GHz?；煦缧盘柕淖韵嚓P(guān)曲線具有δ函數(shù)形式，其半高全寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）如圖6（c）中的插圖所示為5 ns。注意該值受限于125 MHz的采集帶寬，F(xiàn)WHM的理論值可以小于0.1 ns。

2.2光纖斷點測量實例

下面給出以光纖斷點為反射事件對象的測量實例。圖7為雙反射事件的測量顯示界面（單次測量），背景界面為采集信號的控制和顯示界面，其中的上下兩條曲線分別顯示了混沌參考信號和回波信號的波形。中間小界面（可拖動、放大）直觀地給出了相關(guān)曲線，并在峰值處顯示距離，兩個峰值清晰地顯示故障點分別位于10 120.6 m和34 051.4 m處；右邊控件部分可設(shè)置量程、平均次數(shù)，并顯示斷點個數(shù)及相應(yīng)的位置。

驗測試中設(shè)計了不同的光纖斷點類型，以檢驗COTDR對不同特征反射事件的辨別能能力。利用光纖連接器將3段不同長度的光纖連接在一起，其中第三段光纖的尾端利用光纖刀斜切，構(gòu)成斜切斷點。圖8（a）是斜切斷點的檢測結(jié)果，其位置為210.4 m。圖中另外3個峰值分別代表包括發(fā)射端在內(nèi)的3個光纖連接頭的反射，由其位置可以測量出3段光纖的長度。測量結(jié)果是以斷點反射峰值進(jìn)行歸一化的。進(jìn)一步，在此切斷點前約2 m處將光纖折斷，結(jié)果如圖8（b）所示，折斷點的位置為208.6 m。對比兩圖所示結(jié)果，折斷點的反射強(qiáng)度遠(yuǎn)低于切斷點，由此可以區(qū)別不同反射事件的類型。

2.3系統(tǒng)性能指標(biāo)測試

以G.652.B單模光纖為被試對象，得到利用混沌光時域反射儀進(jìn)行光纖斷點檢測的技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。由技術(shù)指標(biāo)可見，采用帶寬為120 MHz的數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，對光纖斷點檢測可在102 km內(nèi)實現(xiàn)與距離無關(guān)的50 cm空間分辨率，如圖9所示。該值受限于采集卡的帶寬而無法充分利用混沌激光的高帶寬實現(xiàn)更高精度的測量。若采用帶寬為500 MHz的數(shù)字示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則空間分辨率可提高至6 cm[10]，比目前技術(shù)提高約兩個數(shù)量級，完全滿足無源光網(wǎng)絡(luò)中的故障檢測。

指標(biāo)參數(shù)說明空間分辨率/cm6@0.5 GHz，50@0.12 GHz與測量距離無關(guān)的等精度測量精度/cm±3@0.5 GHz，±25@0.12 GHz與測量距離無關(guān)的等精度測量動態(tài)范圍/dB20最大測距范圍/km102-30 dB回波的斷點

3結(jié)論

研制了利用寬帶混沌半導(dǎo)體激光器作為光源的COTDR，實現(xiàn)對光纖網(wǎng)絡(luò)故障點的探測與定位。對該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件功能和流程進(jìn)行了詳細(xì)描述，并以G.652.B單模光纖為被試對象，對利用該儀器實現(xiàn)光纖斷點檢測的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析測試。測量結(jié)果表明，該儀器可在102 km探測范圍內(nèi)實現(xiàn)50 cm的空間分辨率，且空間分辨率與反射事件位置無關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

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2實驗結(jié)果

2.1混沌激光

當(dāng)反饋腔長為5.3 m、反饋強(qiáng)度為-9.2 dB時，混沌激光源產(chǎn)生混沌信號的時序、相圖、功率譜和自相關(guān)曲線如圖6所示。圖6（a）表明混沌信號的波形呈現(xiàn)快速隨機(jī)起伏；功率譜顯示其頻譜寬而平坦，能量可延伸至10 GHz?；煦缧盘柕淖韵嚓P(guān)曲線具有δ函數(shù)形式，其半高全寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）如圖6（c）中的插圖所示為5 ns。注意該值受限于125 MHz的采集帶寬，F(xiàn)WHM的理論值可以小于0.1 ns。

2.2光纖斷點測量實例

下面給出以光纖斷點為反射事件對象的測量實例。圖7為雙反射事件的測量顯示界面（單次測量），背景界面為采集信號的控制和顯示界面，其中的上下兩條曲線分別顯示了混沌參考信號和回波信號的波形。中間小界面（可拖動、放大）直觀地給出了相關(guān)曲線，并在峰值處顯示距離，兩個峰值清晰地顯示故障點分別位于10 120.6 m和34 051.4 m處；右邊控件部分可設(shè)置量程、平均次數(shù)，并顯示斷點個數(shù)及相應(yīng)的位置。

驗測試中設(shè)計了不同的光纖斷點類型，以檢驗COTDR對不同特征反射事件的辨別能能力。利用光纖連接器將3段不同長度的光纖連接在一起，其中第三段光纖的尾端利用光纖刀斜切，構(gòu)成斜切斷點。圖8（a）是斜切斷點的檢測結(jié)果，其位置為210.4 m。圖中另外3個峰值分別代表包括發(fā)射端在內(nèi)的3個光纖連接頭的反射，由其位置可以測量出3段光纖的長度。測量結(jié)果是以斷點反射峰值進(jìn)行歸一化的。進(jìn)一步，在此切斷點前約2 m處將光纖折斷，結(jié)果如圖8（b）所示，折斷點的位置為208.6 m。對比兩圖所示結(jié)果，折斷點的反射強(qiáng)度遠(yuǎn)低于切斷點，由此可以區(qū)別不同反射事件的類型。

2.3系統(tǒng)性能指標(biāo)測試

以G.652.B單模光纖為被試對象，得到利用混沌光時域反射儀進(jìn)行光纖斷點檢測的技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。由技術(shù)指標(biāo)可見，采用帶寬為120 MHz的數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，對光纖斷點檢測可在102 km內(nèi)實現(xiàn)與距離無關(guān)的50 cm空間分辨率，如圖9所示。該值受限于采集卡的帶寬而無法充分利用混沌激光的高帶寬實現(xiàn)更高精度的測量。若采用帶寬為500 MHz的數(shù)字示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則空間分辨率可提高至6 cm[10]，比目前技術(shù)提高約兩個數(shù)量級，完全滿足無源光網(wǎng)絡(luò)中的故障檢測。

指標(biāo)參數(shù)說明空間分辨率/cm6@0.5 GHz，50@0.12 GHz與測量距離無關(guān)的等精度測量精度/cm±3@0.5 GHz，±25@0.12 GHz與測量距離無關(guān)的等精度測量動態(tài)范圍/dB20最大測距范圍/km102-30 dB回波的斷點

3結(jié)論

研制了利用寬帶混沌半導(dǎo)體激光器作為光源的COTDR，實現(xiàn)對光纖網(wǎng)絡(luò)故障點的探測與定位。對該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件功能和流程進(jìn)行了詳細(xì)描述，并以G.652.B單模光纖為被試對象，對利用該儀器實現(xiàn)光纖斷點檢測的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析測試。測量結(jié)果表明，該儀器可在102 km探測范圍內(nèi)實現(xiàn)50 cm的空間分辨率，且空間分辨率與反射事件位置無關(guān)。

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2實驗結(jié)果

2.1混沌激光

當(dāng)反饋腔長為5.3 m、反饋強(qiáng)度為-9.2 dB時，混沌激光源產(chǎn)生混沌信號的時序、相圖、功率譜和自相關(guān)曲線如圖6所示。圖6（a）表明混沌信號的波形呈現(xiàn)快速隨機(jī)起伏；功率譜顯示其頻譜寬而平坦，能量可延伸至10 GHz?；煦缧盘柕淖韵嚓P(guān)曲線具有δ函數(shù)形式，其半高全寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）如圖6（c）中的插圖所示為5 ns。注意該值受限于125 MHz的采集帶寬，F(xiàn)WHM的理論值可以小于0.1 ns。

2.2光纖斷點測量實例

下面給出以光纖斷點為反射事件對象的測量實例。圖7為雙反射事件的測量顯示界面（單次測量），背景界面為采集信號的控制和顯示界面，其中的上下兩條曲線分別顯示了混沌參考信號和回波信號的波形。中間小界面（可拖動、放大）直觀地給出了相關(guān)曲線，并在峰值處顯示距離，兩個峰值清晰地顯示故障點分別位于10 120.6 m和34 051.4 m處；右邊控件部分可設(shè)置量程、平均次數(shù)，并顯示斷點個數(shù)及相應(yīng)的位置。

驗測試中設(shè)計了不同的光纖斷點類型，以檢驗COTDR對不同特征反射事件的辨別能能力。利用光纖連接器將3段不同長度的光纖連接在一起，其中第三段光纖的尾端利用光纖刀斜切，構(gòu)成斜切斷點。圖8（a）是斜切斷點的檢測結(jié)果，其位置為210.4 m。圖中另外3個峰值分別代表包括發(fā)射端在內(nèi)的3個光纖連接頭的反射，由其位置可以測量出3段光纖的長度。測量結(jié)果是以斷點反射峰值進(jìn)行歸一化的。進(jìn)一步，在此切斷點前約2 m處將光纖折斷，結(jié)果如圖8（b）所示，折斷點的位置為208.6 m。對比兩圖所示結(jié)果，折斷點的反射強(qiáng)度遠(yuǎn)低于切斷點，由此可以區(qū)別不同反射事件的類型。

2.3系統(tǒng)性能指標(biāo)測試

以G.652.B單模光纖為被試對象，得到利用混沌光時域反射儀進(jìn)行光纖斷點檢測的技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。由技術(shù)指標(biāo)可見，采用帶寬為120 MHz的數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，對光纖斷點檢測可在102 km內(nèi)實現(xiàn)與距離無關(guān)的50 cm空間分辨率，如圖9所示。該值受限于采集卡的帶寬而無法充分利用混沌激光的高帶寬實現(xiàn)更高精度的測量。若采用帶寬為500 MHz的數(shù)字示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則空間分辨率可提高至6 cm[10]，比目前技術(shù)提高約兩個數(shù)量級，完全滿足無源光網(wǎng)絡(luò)中的故障檢測。

指標(biāo)參數(shù)說明空間分辨率/cm6@0.5 GHz，50@0.12 GHz與測量距離無關(guān)的等精度測量精度/cm±3@0.5 GHz，±25@0.12 GHz與測量距離無關(guān)的等精度測量動態(tài)范圍/dB20最大測距范圍/km102-30 dB回波的斷點

3結(jié)論

研制了利用寬帶混沌半導(dǎo)體激光器作為光源的COTDR，實現(xiàn)對光纖網(wǎng)絡(luò)故障點的探測與定位。對該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件功能和流程進(jìn)行了詳細(xì)描述，并以G.652.B單模光纖為被試對象，對利用該儀器實現(xiàn)光纖斷點檢測的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析測試。測量結(jié)果表明，該儀器可在102 km探測范圍內(nèi)實現(xiàn)50 cm的空間分辨率，且空間分辨率與反射事件位置無關(guān)。

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