光時(shí)域反射法在民航飛機(jī)光纖通信系統(tǒng)中的檢測(cè)技術(shù)與分析

黃選紅，胡 炎，張德銀

(中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢 618307)

光纖通信在最新一代民航客機(jī)上已得到廣泛應(yīng)用。例如，空客公司最新的A380飛機(jī)的“航空電子全雙向交換以太網(wǎng)(ADFX)”采用高容量光纖配線網(wǎng)絡(luò)，敷設(shè)的光纖總長達(dá)到2 400 m［1］。相比傳統(tǒng)的航空銅芯或鋁芯導(dǎo)線，光纖通信優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在傳輸頻帶寬、抗電磁干擾(EMI)、質(zhì)量更輕等［2-3］方面。民用光纖網(wǎng)絡(luò)一般采用傳統(tǒng)的光時(shí)域反射法(OTDR)檢測(cè)線路缺陷，基于瑞利散射和菲涅爾反射產(chǎn)生背向散射的原理［4-5］。相比民用光纖，民航飛機(jī)的通信光纖線程更短，要求檢測(cè)儀器具有更高的采樣分辨率并能精確檢測(cè)到厘米級(jí)的缺陷點(diǎn)，以便及時(shí)維修或更換，保證系統(tǒng)工作的可靠性和航空器的持續(xù)安全。

1 光纖通信與ODTR

1.1 光纖通信傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)

光在光纖中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生瑞利散射和菲涅爾反射，光的全反射原理是光纖通信傳輸?shù)幕A(chǔ)。根據(jù)菲涅爾定律，光產(chǎn)生全反射的條件為［6］:

式(1)、(2)中:θ1為光入射角;θc為臨界反射角;n1為光密介質(zhì)折射率;n2為光疏介質(zhì)折射率。

光只有在光纖內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)的全反射才能不間斷地進(jìn)行信號(hào)傳輸。根據(jù)菲涅爾定律，光產(chǎn)生連續(xù)全反射的條件為

式(3)中:θi為光入射角;θmax為最大入射角。

1.2 光纖通信傳輸?shù)幕炯軜?gòu)

光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的通信方式，基本架構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，電端機(jī)的電信號(hào)在發(fā)信機(jī)中調(diào)制激光二極管(LD)或發(fā)光二極管(LED)等光源器件發(fā)出的光信號(hào)之后，耦合進(jìn)入光導(dǎo)纖維，攜帶特征信號(hào)的光載波在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行連續(xù)全反射。收信機(jī)中的光電二極管(PIN或APD)檢測(cè)電路再將光載波信號(hào)耦合并解調(diào)為電信號(hào)送至下游電端機(jī)，實(shí)現(xiàn)“電-光-光-電”的光纖通信傳輸［7］。

圖1 光纖信號(hào)傳輸?shù)幕炯軜?gòu)

2 光纖檢測(cè)技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)OTDR檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)OTDR利用光脈沖在光纖中傳播時(shí)的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射原理，通過測(cè)量發(fā)送與接收光脈沖之間的時(shí)差和幅度，量化處理后得到背向瑞麗散射光功率，并將其以曲線的形式顯示在示波器上，用于分析檢測(cè)光纖長度、查找缺陷和定位缺陷點(diǎn)。由于光電器件響應(yīng)的遲豫特性會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)OTDR存在過大的測(cè)試盲區(qū)，所以檢測(cè)精度不能滿足飛機(jī)短線程光纖的檢測(cè)要求。因傳統(tǒng)OTDR的檢測(cè)理論和技術(shù)應(yīng)用已較成熟［8-12］，這里不再贅述。

2.2 PC-ODTR檢測(cè)技術(shù)

基于光子計(jì)數(shù)法的光時(shí)域反射法(PC-OTDR)是檢測(cè)現(xiàn)代民航飛機(jī)光纖缺陷最可靠和最準(zhǔn)確的一種方法［5］。與傳統(tǒng)OTDR檢測(cè)相比，這種方法特別適合短線程光纖的檢測(cè)，可精確定位光纖鏈路中的缺陷點(diǎn)，檢測(cè)精度達(dá)到厘米級(jí)別。PC-OTDR檢測(cè)技術(shù)的原理是利用光電計(jì)數(shù)方式測(cè)量光的輻射通量，當(dāng)菲涅爾反射光束照射在探測(cè)器上時(shí)，探測(cè)器吸收光子而產(chǎn)生光電子，再通過信號(hào)放大、脈沖整形和計(jì)數(shù)電路檢測(cè)光子數(shù)量，并將其處理成軌跡曲線后在顯示器上用于檢測(cè)分析，檢測(cè)基本原理如圖2所示［13］。

圖2 PC-OTDR檢測(cè)原理

民航飛機(jī)光纖檢測(cè)中的PC-OTDR技術(shù)是基于單光子延時(shí)分布計(jì)數(shù)方法，應(yīng)用了光的量子特性和Poisson統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)理論。當(dāng)光能(信號(hào))恒定時(shí)，可檢光子符合Poisson分布，在一定時(shí)間間隔內(nèi)其可檢概率為

式(4)中:n為單位時(shí)間內(nèi)輻射光子的平均數(shù)量;T為檢測(cè)間隔時(shí)間;k為被檢光子數(shù)量。

當(dāng)光輻能量隨時(shí)間變化或式(4)中的n不再為常數(shù)時(shí)，在一定時(shí)間間隔內(nèi)光子可檢概率為

探測(cè)器吸收光子的能量產(chǎn)生光電子，光電子用作信號(hào)處理。在某一時(shí)刻光電子的匹配概率為

3 民航飛機(jī)通信系統(tǒng)常見光纖缺陷與PCOTDR技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 常見缺陷

隨著材料技術(shù)和工藝制造水平的提升，民航飛機(jī)短線程通信光纖的本征信號(hào)衰減已接近理論損耗極限。在最新的空客A380飛機(jī)上，包括駕駛艙顯示系統(tǒng)CDS、抬頭顯示器HUD、機(jī)載機(jī)場導(dǎo)航系統(tǒng)OANS、滑行應(yīng)急攝像系統(tǒng)TACS、集中多路視頻系統(tǒng)CMV、座艙視頻監(jiān)視系統(tǒng)CVMS、駕駛艙地板監(jiān)控系統(tǒng)CDSS、機(jī)載娛樂系統(tǒng)IFE等均采用了光纖鏈路進(jìn)行信號(hào)傳輸。民用飛機(jī)的光纖通信主要采用波長為0.85 μm和1.30 μm的近紅外波，纖芯直徑約為62.5 μm，采用多模傳輸，其光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，造成民航飛機(jī)光纖信號(hào)傳輸故障的主要原因包括:安裝和維護(hù)不規(guī)范造成的意外破損、過緊或過彎、以及光纖端面污染等，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減或失真;光纖在某處發(fā)生異常斷裂，導(dǎo)致整個(gè)傳輸信號(hào)中斷;光纖在某處有過度扭曲或受到了飛機(jī)振動(dòng)的影響，從而使信號(hào)傳輸呈間歇性特征。

圖3 A380飛機(jī)光纖結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)

3.2 PC-OTDR技術(shù)應(yīng)用分析

3.2.1 PC-ODTR主要技術(shù)參數(shù)及測(cè)量方法

動(dòng)態(tài)范圍、分辨率和盲區(qū)是ODTR檢測(cè)應(yīng)用中的3項(xiàng)主要技術(shù)參數(shù)［6］。動(dòng)態(tài)范圍是指從OTDR端口的背向散射降到本底噪聲水平時(shí)OTDR所能解析的最大光損耗。它是端口處最大瑞利散射與本底噪聲之間的值差，如圖4所示。分辨率和盲區(qū)是短距光纖檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)。分辨率與OTDR檢測(cè)過程中的背向散射信號(hào)采樣頻寬、軌跡曲線平滑程度和顯示數(shù)據(jù)的可讀性相關(guān)，針對(duì)具體某段光纖的檢測(cè)，可在OTDR上選擇“自動(dòng)模式”進(jìn)行分辨率自動(dòng)適配。OTDR的盲區(qū)包括衰減盲區(qū)和事件盲區(qū)。衰減盲區(qū)是指出現(xiàn)菲涅耳反射(圖5中A點(diǎn))到反射回到比光纖的背向散射級(jí)別高0.5 dB(圖5中B點(diǎn))時(shí)，PC-OTDR所檢測(cè)到的長度尺寸，表示OTDR能準(zhǔn)確測(cè)量連續(xù)事件損耗的最小距離;事件盲區(qū)為從反射峰值點(diǎn)降1.5 dB后在軌跡曲線水平方向上相交2點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光纖長度尺寸，如圖5中的C點(diǎn)和D點(diǎn)。

圖4 PC-OTDR的動(dòng)態(tài)范圍

圖5 PC-OTDR盲區(qū)

3.2.2 PC-OTDR在民航飛機(jī)光纖檢測(cè)中的適用性

波長λ、頻率f和光速c有以下關(guān)系

光子計(jì)數(shù)法能檢測(cè)到的最小光功率為

式(7)、(8)中:hν為光子能量;η為探測(cè)器量子效率;Rd為暗電流計(jì)數(shù)率;N為平均次數(shù);τ為脈寬(時(shí)間)。根據(jù)式(7)可計(jì)算出A380飛機(jī)通信系統(tǒng)中波長分別為0.85 μm和1.30 μm的光纖頻率分別為3.53×1014Hz和2.30×1014Hz。結(jié)合式(8)，假設(shè) η =0.1，N=1 000，Rd=400 S-1，已知某型號(hào)PC-OTDR的脈沖寬度τ=1 ns，可概算出該設(shè)備的最小可檢測(cè)功率為8.4×1014W。數(shù)據(jù)表明:該P(yáng)C-OTDR具有較高的檢測(cè)靈敏度，針對(duì)MMF 62.5 μm型光纖，該型號(hào)PC-OTDR的采樣分辨率可達(dá)2.5 cm(250 ps)。國內(nèi)某航空公司根據(jù)A380飛機(jī)線路標(biāo)準(zhǔn)施工手冊(cè)中的檢測(cè)程序(ESPM-20-52-25)，運(yùn)用PC-OTDR對(duì)光纖鏈路進(jìn)行了多次檢測(cè)，證明該方法完全滿足民航飛機(jī)光纖的檢測(cè)要求。

3.3 PC-OTDR光纖檢測(cè)技術(shù)分析

運(yùn)用PC-OTDR進(jìn)行檢測(cè)前，首先應(yīng)查找飛機(jī)線路圖手冊(cè)AWM，獲知可疑光纖的件號(hào)和尺寸規(guī)格等基本信息，用于PC-ODTR參數(shù)預(yù)設(shè);再遵照線路標(biāo)準(zhǔn)施工手冊(cè)相關(guān)程序(ESPM-20-52-25)進(jìn)行檢測(cè)。光纖鏈路一般包括接頭、拼接管、彎曲、支撐和固定等。識(shí)別和理解這些部位的曲線波形特征是應(yīng)用PC-ODTR做出準(zhǔn)確缺陷判定的基礎(chǔ)。經(jīng)測(cè)試分析，總結(jié)出光纖鏈路軌跡曲線的波形特征(如圖6所示)，結(jié)論如下:

1)在接頭處能直觀反映菲涅耳反射和耦合情況，接頭狀況良好時(shí)，軌跡呈階躍突尖，再下行至與端口處噪聲值約相等的“近水平”狀態(tài)，如圖6中C1和C2處;

2)若接頭處有污染，軌跡除仍有階躍突尖特征外，信號(hào)有較明顯的下降。這表明該處有過大的插入損耗，如圖6中C3處;

3)在光纖彎曲處反映出信號(hào)的插入損耗，軌跡略微下滑后，再呈近水平狀態(tài)，如圖6中B處;

4)在鏈路拼接管處，軌跡特征與正常彎曲處近似，如圖6中S處;

5)在光纖末端，軌跡呈階躍突尖，再下行至本底噪聲值，如圖6中E處;

6)光纖異常斷裂處的軌跡特征與末端E處相似。

圖6 PC-OTDR檢測(cè)軌跡波形特征

4 結(jié)束語

由于光纖網(wǎng)絡(luò)的諸多優(yōu)點(diǎn)，光纖通信必將在今后的民航飛機(jī)上得到更為廣泛的應(yīng)用。飛機(jī)維修技術(shù)人員應(yīng)在學(xué)習(xí)光纖通信的理論基礎(chǔ)上，深刻理解PC-ODTR的檢測(cè)原理，統(tǒng)計(jì)分析更多檢測(cè)軌跡的波形特征，熟練掌握儀器的操作方法，才能更準(zhǔn)確高效地做出檢測(cè)判定。同時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照飛機(jī)各類技術(shù)手冊(cè)的程序要求進(jìn)行維修操作，避免對(duì)光纖造成人為損傷或?qū)е缕湫盘?hào)傳輸品質(zhì)下降，確保航空器持續(xù)安全運(yùn)行。

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