一種相干光時(shí)域反射計(jì)長(zhǎng)度校準(zhǔn)方法研究

鄭祥亮 沈倩 孫權(quán)社 王恒飛 趙發(fā)財(cái)

摘要：為滿足相干光時(shí)域反射計(jì)（COTDR）在長(zhǎng)距離通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的長(zhǎng)度校準(zhǔn)需求，提出一種新型相干光時(shí)域反射計(jì)長(zhǎng)度校準(zhǔn)方法。該方法是利用光在光纖環(huán)中不斷循環(huán)的原理，基于該原理研制COTDR長(zhǎng)度校準(zhǔn)裝置，該裝置是利用函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的脈沖頻率和脈沖寬度來控制光開關(guān)的開斷時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)光在光纖環(huán)路中傳播時(shí)間的控制。如果在光纖環(huán)路中加入光纖放大器，可以實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度光纖鏈路的模擬，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)相干光時(shí)域反射計(jì)長(zhǎng)度的校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置中使用的光纖長(zhǎng)度為150km，光脈沖在光纖環(huán)路中最多能轉(zhuǎn)7圈，因此該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)相干光時(shí)域反射計(jì)長(zhǎng)度校準(zhǔn)的最大范圍為1050km，其擴(kuò)展不確定度為7.0m，其中包含因子k為2。該方法不僅可以促進(jìn)相干光時(shí)域反射計(jì)技術(shù)的發(fā)展，也為COTDR的長(zhǎng)度校準(zhǔn)提供思路。

關(guān)鍵詞：光纖環(huán);相干光時(shí)域反射計(jì);長(zhǎng)度校準(zhǔn);光纜監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TN247 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）09-0045-04

收稿日期：2019-04-10;收到修改稿日期：2019-05-07

基金項(xiàng)目：國(guó)防軍工技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JSJL2016210A003）

作者簡(jiǎn)介：鄭祥亮（1987-），男，山東肥城市人，工程師，碩士，主要從事光通信與光纖長(zhǎng)度定標(biāo)方面的研究。

0 引言

相干光時(shí)域反射計(jì)（COTDR）是利用光時(shí)域反射技術(shù)和相干探測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)被測(cè)光纖的斷點(diǎn)進(jìn)行診斷和定位[1-2]，可以滿足超長(zhǎng)距離光纖通信線路的測(cè)量和監(jiān)控需求，而其長(zhǎng)度測(cè)量是否準(zhǔn)確對(duì)海底通信光纜的檢測(cè)和維修影響很大，因此COTDR的長(zhǎng)度校準(zhǔn)對(duì)保障超長(zhǎng)距離光纖通信的暢通具有重要意義。此外，隨著COTDR技術(shù)在光纖溫度和應(yīng)變傳感領(lǐng)域的不斷應(yīng)用和發(fā)展，其中COTDR傳感系統(tǒng)[3-6]中的空間分辨率是一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，因此COTDR的長(zhǎng)度校準(zhǔn)對(duì)保證COTDR傳感系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性也具有重要意義。

然而目前針對(duì)COTDR校準(zhǔn)技術(shù)的研究和報(bào)道很少，現(xiàn)有的校準(zhǔn)裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足COTDR的大量程校準(zhǔn)要求。本文采用了一種光纖耦合器和光開關(guān)相結(jié)合的光纖環(huán)路法，并且結(jié)合光纖放大器對(duì)光纖環(huán)路中光功率進(jìn)行放大，通過函數(shù)發(fā)生器控制輸出脈沖的周期和脈寬來實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離光纖的模擬[7-10]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)COTDR長(zhǎng)度的校準(zhǔn)。

1 基本原理

1.1 COTDR探測(cè)原理

與傳統(tǒng)OTDR相比，COTDR的最大優(yōu)勢(shì)是利用了相干探測(cè)技術(shù)，相干探測(cè)是把探測(cè)光信號(hào)的功率集中到某一相干中頻上，通過解調(diào)相干中頻信號(hào)的功率就可以得到光路中各個(gè)散射點(diǎn)處的散射光功率。假設(shè)背向散射光信號(hào)為：

本征光為：其中，P_s、P_L0、f₀和f分別為背向瑞利散射信號(hào)的功率、本征光的功率、激光器輸出的頻率以及聲光調(diào)制器的頻移量。二者相干的過程可表示為：

光電探測(cè)器輸出的光電流i可表示為：

COTDR系統(tǒng)采用平衡探測(cè)器的方式，并且采用交流耦合輸出的方式，得到相干中頻分量為：其電，■=eη/hw₀，它是探測(cè)器的響應(yīng)度。由式（5）可知，背向散射信號(hào)的功率就集中在相干中頻信號(hào)廠上，因此通過對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行帶通濾波就可以濾除大部分的噪聲功率，從而提高探測(cè)信號(hào)的靈敏度。

1.2 COTDR工作原理

COTDR的基本工作原理如圖1所示，激光器發(fā)出的光通過擾偏器處理后經(jīng)過光纖耦合器1分成兩路，一路作為測(cè)試光信號(hào)進(jìn)入被測(cè)光纖，另一路作為本征光信號(hào)。探測(cè)光脈沖在被測(cè)光纖中的背向瑞利散射信號(hào)經(jīng)過耦合器2與本征信號(hào)光混合，兩者相干產(chǎn)生中頻信號(hào)由平衡探測(cè)器接收。平衡探測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)過放大器放大，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，最后在顯示屏上顯示出探測(cè)曲線。其中擾偏器的作用是將輸出光的偏振態(tài)打亂，從而抑制COTDR系統(tǒng)探測(cè)曲線的偏振噪聲。聲光調(diào)制器的作用是對(duì)信號(hào)光進(jìn)行脈沖調(diào)制，使測(cè)試光信號(hào)分為探測(cè)光脈沖和填充光脈沖，摻餌光纖放大器（EDFA）的作用是對(duì)進(jìn)入被測(cè)光路的信號(hào)光進(jìn)行功率放大。常規(guī)的“標(biāo)準(zhǔn)光纖循環(huán)延遲線法”[11]已經(jīng)無法滿足COTDR長(zhǎng)度的校準(zhǔn)要求。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

為解決COTDR的校準(zhǔn)難題，本文提出了一種新型相干光時(shí)域反射計(jì)校準(zhǔn)方法，其校準(zhǔn)裝置原理如圖2所示。

校準(zhǔn)裝置主要由2×2光纖耦合器、單模光纖、摻餌光纖放大器、光隔離器、光開關(guān)以及函數(shù)發(fā)生器等組成。光纖耦合器選用Newport公司型號(hào)為F-CPL-L12351-P的耦合器，其分光比為1：9;單模光纖選用長(zhǎng)飛公司型號(hào)為G.652D的光纖;摻餌光纖放大器選用北京佰特光通科技有限公司型號(hào)為PB-EDFA-M-C-25-0-FC/APC的光放大器，其最大增益值為25dBm;光隔離器選用Newport公司型號(hào)為ISU-1550-FCAPC的隔離器，其隔離度大于60dB;光開關(guān)選用Thorlabs公司型號(hào)為SOA1013SXS的開關(guān)，其開斷時(shí)間小于Ins;其函數(shù)發(fā)生器選用Agilent公司型號(hào)為33250A的發(fā)生器，其頻率范圍為1μHz～50MHz，脈沖寬度范圍為8.0～1999.9ns。

利用函數(shù)發(fā)生器輸出的脈沖信號(hào)來控制光在光纖環(huán)中轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)步驟：實(shí)驗(yàn)中光纖環(huán)中的光纖長(zhǎng)度大約為151km，普通單模光纖的損耗按照0.180dB/km計(jì)算，可知光纖環(huán)中光纖引起的損耗大約為27dB。而COTDR的最大輸出功率為13dBm，理論上經(jīng)過光纖耦合器、光衰減器以及單模光纖后的光功率為-18dBm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際功率值為-22dBm，而光放大器的最小輸入功率值為-20dBm，由于光纖生產(chǎn)廠家的光纖盤最大長(zhǎng)度只能做到50km，因此單模光纖必須分成3段加入到光纖環(huán)中。通過OTDR分別對(duì)這3段光纖進(jìn)行測(cè)量，其長(zhǎng)度和為151.47km的光纖產(chǎn)生的時(shí)間延遲為737.66μs，所以光信號(hào)分別經(jīng)過光纖環(huán)路第1次、第2次、第3次、第4次、第5次、第6次、第7次所用的時(shí)間分別為：737.66，1475.32，2212.98，2950.64，3688.32，4425.96，5163.62μs。當(dāng)設(shè)置函數(shù)發(fā)生器輸出的脈沖信號(hào)周期為737μs，脈沖寬度為1.3μs，這樣就可以控制光脈沖信號(hào)在光纖環(huán)路中轉(zhuǎn)過1圈。同理，當(dāng)設(shè)置脈沖信號(hào)周期為737μs，脈沖寬度為1.9μs，這樣就可以控制光脈沖信號(hào)在光纖環(huán)路中轉(zhuǎn)過2圈;分別設(shè)置脈沖信號(hào)寬度為2.5，3.3，3.8，4.5，5.2μs。即可實(shí)現(xiàn)光脈沖信號(hào)在光纖環(huán)路中分別轉(zhuǎn)3圈、4圈、5圈、6圈、7圈的效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度分別為151.47，302.94，454.41，605.88，757.35，908.82，1060.29km的光纖模擬。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案

本文通過設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案對(duì)COTDR長(zhǎng)度校準(zhǔn)裝置進(jìn)行側(cè)面驗(yàn)證，其驗(yàn)證方案如圖3所示，轉(zhuǎn)過3圈后的示波器顯示示意圖如圖4所示。

驗(yàn)證裝置是由光源、2×2光纖耦合器、光衰減器、單模光纖、摻餌光纖放大器、光隔離器、光開關(guān)、函數(shù)發(fā)生器、光電探測(cè)器和示波器等組成。按照所述設(shè)置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以得到轉(zhuǎn)過不同圈數(shù)情況下的示波器的顯示圖。用裝置對(duì)模擬距離進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示[12-14]。

通過對(duì)表1的分析可以得到：隨著模擬距離的增大，COTDR校準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)不斷變大，由150km對(duì)應(yīng)的0.4m變?yōu)?060km對(duì)應(yīng)的1.2m。

3.2 校準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度分析

針對(duì)COTDR校準(zhǔn)裝置的組成結(jié)構(gòu)可知其不確定度來源主要包括校準(zhǔn)裝置的重復(fù)性引入的不確定度、單模光纖長(zhǎng)度定標(biāo)裝置引入的不確定度、光開關(guān)的開斷時(shí)間引入的不確定度、波長(zhǎng)發(fā)生器信號(hào)上升時(shí)間引入的不確定度等。COTDR校準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度如表2所示。

從各項(xiàng)不確定度來源來看，循環(huán)光纖的定標(biāo)裝置也就是單模光纖長(zhǎng)度定標(biāo)裝置帶來的不確定度所占的比重最大，這是因?yàn)槎?biāo)裝置的不確定度大小與被測(cè)光纖的長(zhǎng)度有關(guān)系，被測(cè)光纖的長(zhǎng)度越長(zhǎng)其對(duì)應(yīng)的不確定度越大。另外，COTDR校準(zhǔn)裝置的測(cè)量重復(fù)性也是一個(gè)較大的不確定度來源。COTDR校準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度為7.0m@1000km，而COTDR的長(zhǎng)度測(cè)量準(zhǔn)確度為±（10m+0.5×10^-6L），其中L為COTDR的測(cè)量距離，單位為m。通過對(duì)比可知，該COTDR校準(zhǔn)裝置可以滿足COTDR的長(zhǎng)度校準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

提出了一種新型的相干光時(shí)域反射計(jì)校準(zhǔn)方法，通過光纖環(huán)路、1×1光開關(guān)和2×2光纖耦合器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光纖鏈路的模擬。與傳統(tǒng)的通過上下光纖鏈路和EDFA來實(shí)現(xiàn)COTDR長(zhǎng)度的校準(zhǔn)相比，該方法具有光纖長(zhǎng)度可調(diào)、操作過程簡(jiǎn)單、裝置成本低等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法的模擬距離達(dá)1000km，同時(shí)測(cè)量不確定度達(dá)7.0m@1000km但此方法也存在著不足：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裝置中光信號(hào)在光纖環(huán)路中只能轉(zhuǎn)過7圈，即光纖鏈路最長(zhǎng)模擬距離為1050km，將來可以通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化來進(jìn)一步提高光纖鏈路的模擬距離。

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（編輯：劉楊）