基于OTDR 的電力通信光纖性能測(cè)量與數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究

張 閣，王曉峰，張之棟，王曉東，安 寧，劉 潔

（1.東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林長(zhǎng)春 130012；2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司東北分部，遼寧沈陽(yáng) 110000）

光時(shí)域反射儀（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）具備較好的靈敏度與線性度，其可識(shí)別具有更大帶寬且動(dòng)態(tài)復(fù)雜的機(jī)械和聲學(xué)事件。將OTDR 測(cè)量技術(shù)與電力通信光纜相結(jié)合，能夠?qū)χ車h(huán)境中不同類型的振動(dòng)源進(jìn)行高靈敏度感知，并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，從而完成對(duì)環(huán)境周邊的安全監(jiān)測(cè)。該技術(shù)在基礎(chǔ)建設(shè)中的電力通信線纜、輸油管道及隧道橋梁等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

基于OTDR 傳感器的信號(hào)檢測(cè)識(shí)別技術(shù)大致可分為兩類：1）基于圖像邊緣算子、小波變換（Wavelet Transform，WT）、希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang Transform，HHT）等方法，旨在提高傳感器信號(hào)的信噪比，并降低系統(tǒng)噪聲及環(huán)境干擾，從而消除噪聲對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響；2）基于特征提取，使用機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning，ML）算法從檢測(cè)信號(hào)中提取信息，進(jìn)而提高檢測(cè)信號(hào)信噪比的水平。

該文提出了一種多輸入多輸出（Multi Input Multi Output，MIMO）測(cè)量技術(shù)，其基于相干差分相位OTDR 技術(shù)，在發(fā)射器處對(duì)兩個(gè)探測(cè)序列進(jìn)行偏振復(fù)用（Polarization Division Multiplexing，PDM），而在相干接收器處完成了偏振分集檢測(cè)。該技術(shù)具有更高的靈敏度，且實(shí)驗(yàn)證明了測(cè)量方法的有效性。

1 基于OTDR的光纖響應(yīng)采集

在該文使用的基于OTDR 的光纖性能響應(yīng)系統(tǒng)中，發(fā)射器在單個(gè)偏振軸上，通過(guò)窄線寬激光器與接收器同步發(fā)送周期性脈沖。相干衰落與偏振衰落的影響導(dǎo)致對(duì)光纖的測(cè)量不夠準(zhǔn)確[1-4]。為進(jìn)一步提高空間分辨率與測(cè)量的最大范圍，文中使用編碼序列而非單個(gè)脈沖連續(xù)探測(cè)傳感器，其可在實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)帶寬的同時(shí)，保證完美的信道估計(jì)。雙偏振相干接收機(jī)也能用于檢測(cè)背向散射場(chǎng)的完整狀態(tài)，從而減輕偏振衰落影響。

1）將兩個(gè)相互正交的互補(bǔ)二進(jìn)制Golay 序列{Ga1,Gb1} 和{Ga2,Gb2} 映射到二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）符號(hào)。

2）第一對(duì){Ga1,Gb1} 調(diào)制電場(chǎng)的給定極化狀態(tài)（例如線性水平），第二對(duì){Ga2,Gb2} 調(diào)制與第一對(duì)正交的狀態(tài)（線性垂直）。則可得到一組互正交對(duì)為：Ga1=[1,-1,-1,-1],Gb1=[-1,1,-1,-1],Ga2=[-1,-1,1,-1],Gb2=[1,1,1,-1]。

3）通過(guò)使用步驟2）的互正交對(duì)進(jìn)行遞歸，則可以得到更長(zhǎng)的序列，由此獲得所需的探測(cè)長(zhǎng)度。在此基礎(chǔ)上，需對(duì)信號(hào)的相位加以估計(jì)，并進(jìn)行差分相位的提取。在接收端，來(lái)自第i段與時(shí)刻j的反向散射信號(hào)可由下式給出：Er=Hi,jEt。其中，Et是發(fā)射信號(hào)和Hi,j到分段的雙通通道響應(yīng)。

2 測(cè)量信號(hào)處理與分析

部署在實(shí)際環(huán)境中的OTDR 傳感器，除了受到環(huán)境噪聲的干擾外，還會(huì)存在系統(tǒng)誤差。因此必須對(duì)測(cè)量信號(hào)的處理進(jìn)行研究，從而降低測(cè)量信號(hào)的噪聲，并保證傳感器的正常工作[5-6]。

在傳統(tǒng)的OTDR 中，系統(tǒng)誤差由光纖上A 和B 兩個(gè)部分反向散射光信號(hào)的相位差給出，而兩部分之間的距離則可以由脈沖持續(xù)時(shí)間計(jì)算得到[7-10]：

式中，n是折射率，λ是光源波長(zhǎng)，ΔL(t)是由光纖中應(yīng)變引起的標(biāo)距長(zhǎng)度的變化，ξ是對(duì)光程長(zhǎng)度變化的校正。Δφ(t)和?≡?B-?A分別為激勵(lì)項(xiàng)和本征相位項(xiàng)。

但是，用于雙波長(zhǎng)測(cè)量的寬松n相約束是有代價(jià)的，這種技術(shù)大幅增加了測(cè)量的相對(duì)噪聲[11-12]。當(dāng)考慮噪聲時(shí)，每個(gè)單獨(dú)波長(zhǎng)（i=1,2）的實(shí)際測(cè)量差分相位為：

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2.1 雙波長(zhǎng)OTDR中的噪聲補(bǔ)償

文中使用一種簡(jiǎn)單有效的方法，來(lái)補(bǔ)償雙波長(zhǎng)OTDR 傳感器中的噪聲損失。通過(guò)利用不受n相約束的合成波長(zhǎng)測(cè)量來(lái)展開(kāi)單個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量。微分相位可表示為：

式（6）中第一項(xiàng)是理想結(jié)果，用于給出整數(shù)邊緣順序。第二項(xiàng)則是附加噪聲，為避免階次確定誤差，其應(yīng)小于±1/2。此外，還可將噪聲設(shè)置在3σ的限制內(nèi)，能夠確保式（6）在99.73%的范圍內(nèi)具有正確結(jié)果。在此情況下，每個(gè)波長(zhǎng)的允許噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差可由下式給出：

在實(shí)際部署中，要達(dá)到式（6）所要求的噪聲水平較為困難，尤其是在部署長(zhǎng)傳感光纖且需要良好空間分辨率的情況下。因此該文使用PPC-OPC(Physics Phase Conjugation-Optical Phase Conjugation)方法，使用匹配濾波器壓縮具有展寬光譜的脈沖，以提高測(cè)量的信噪比及空間分辨率。由此既減少了壓縮脈沖中的旁瓣，又簡(jiǎn)化了信號(hào)序列的生成與調(diào)整。除此之外，還通過(guò)減少序列中各個(gè)位的持續(xù)時(shí)間來(lái)增強(qiáng)脈沖壓縮以及空間分辨率。

2.2 衰減補(bǔ)償

OTDR 傳感器的另一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題則是由于脈沖長(zhǎng)度內(nèi)，反向散射信號(hào)相消干擾而導(dǎo)致的信號(hào)衰落。該種衰落概率遵循瑞利分布（Rayleigh Distribution），當(dāng)信號(hào)幅度小到被噪聲污染時(shí)，會(huì)破壞相位測(cè)量。因此，文中將對(duì)衰減進(jìn)行補(bǔ)償。

補(bǔ)償OTDR 傳感器設(shè)置中的衰落，最常用的方法是利用波長(zhǎng)分集來(lái)獲得幾個(gè)足夠不相關(guān)的測(cè)量值。為了適應(yīng)多個(gè)頻率的測(cè)量需求，需增加接收器與采集系統(tǒng)信號(hào)帶寬。若測(cè)量帶寬保持不變，則需付出衰減補(bǔ)償?shù)拇鷥r(jià)，且會(huì)導(dǎo)致空間分辨率的降低。

文中部署了一種利用PPC-OPC 的衰落補(bǔ)償方法，其實(shí)現(xiàn)方法更為簡(jiǎn)便。通過(guò)減少PPC 序列位的持續(xù)時(shí)間來(lái)提高測(cè)量的空間分辨率，若將位的持續(xù)時(shí)間減少一個(gè)整數(shù)因子N，則空間分辨率將增加N，相當(dāng)于再移動(dòng)光纖中的N個(gè)脈沖長(zhǎng)度窗口。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖1 所示。

用作載波與接收器側(cè)的本地振蕩器激光源具有75 Hz 線寬、在距離光源1 536 nm 處發(fā)射功率為11 dBm 的激光源。兩個(gè)BPSK 編碼序列通過(guò)雙極化馬赫曾德調(diào)制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM），以50 Mbaud/s 的速率調(diào)制載波。隨后，信號(hào)通過(guò)光放大器及循環(huán)器發(fā)送。兩種不同的光纖傳感器配置如下：第一種光纖傳感器包括兩個(gè)長(zhǎng)度分別為209 m和1 271 m 的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）線軸；第二種則是一個(gè)長(zhǎng)5 m，寬1 mm的緊密緩沖SMF將兩個(gè)線軸互連，且總傳感光纖長(zhǎng)度為1 485 m。而聲學(xué)擾動(dòng)通過(guò)位于其前方30 cm 處的揚(yáng)聲器施加在互連光纖上?；ミB光纖與揚(yáng)聲器在一個(gè)82.5 cm×84 cm×204 cm 大小的木箱中進(jìn)行聲學(xué)隔離，以減小周圍環(huán)境帶來(lái)的干擾，從而確保更可靠的測(cè)量。反向散射信號(hào)通過(guò)由兩個(gè)垂直光混合器組成的雙偏振相干混頻器發(fā)送。產(chǎn)生的光電流通過(guò)跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier，TIA）放大，并在12 位范圍內(nèi)以100 MSample/s 的速度加以采樣。最終，捕獲的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)上進(jìn)行離線處理。

3.1 靜態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

連續(xù)探測(cè)序列越長(zhǎng)，接收到信號(hào)的信噪比越高，但也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量覆蓋的帶寬減小。因此，探測(cè)序列長(zhǎng)度的選擇意味著在降噪效果與所需帶寬之間進(jìn)行權(quán)衡。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)著重研究序列長(zhǎng)度對(duì)靜態(tài)狀態(tài)下估計(jì)噪聲的影響。圖2 為測(cè)量的相位標(biāo)準(zhǔn)偏差與探測(cè)距離函數(shù)，探測(cè)序列以50 Mbaud/s的固定速率發(fā)送。

圖2 測(cè)量相位標(biāo)準(zhǔn)差

如圖2 所示，探測(cè)碼長(zhǎng)度越高，相位標(biāo)準(zhǔn)差越低。造成相位標(biāo)準(zhǔn)差峰值的原因如下：由于該文僅使用MIMO 數(shù)據(jù)獲取方案來(lái)解決極化衰落問(wèn)題，因此存在信號(hào)相干衰落。操作碼長(zhǎng)度的上限將由激光器的相干長(zhǎng)度決定，所以當(dāng)探測(cè)序列長(zhǎng)度超過(guò)該相干長(zhǎng)度時(shí)，相位標(biāo)準(zhǔn)差便會(huì)出現(xiàn)劣化。

3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)旨在評(píng)估檢測(cè)信號(hào)的能力。通過(guò)采用圖1 所示的光纖設(shè)置，并利用揚(yáng)聲器施加聲學(xué)擾動(dòng)。首先使用100～1 500 Hz 的頻率掃描，圖3 為擾動(dòng)位置處頻率掃描的功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）。

圖3 頻率掃描的功率譜密度

從圖3中可以看出，頻率響應(yīng)具有非線性的特點(diǎn)，是具有最大峰值及不同頻率的曲線，這是由擾動(dòng)光纖的具體配置決定的。在該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，在腔中緊密拉伸的光纖部分充當(dāng)諧振器。若考慮到隔音箱的共振，頻率模式將對(duì)應(yīng)于共振之間的耦合光纖與盒子。通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)中使用盒子的第一個(gè)頻率模式，可以看到圖4中的峰值對(duì)應(yīng)于這些模式下的共振。因此在進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量時(shí)，掌握被感測(cè)光纖周圍環(huán)境的影響是至關(guān)重要的。

圖4 峰值與共振關(guān)系展示

4 結(jié)束語(yǔ)

基于OTDR 技術(shù)，該文研究了電力通信光纖性能測(cè)量與數(shù)據(jù)分析方法，證明了文中系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)等聲波擾動(dòng)的檢測(cè)具有較強(qiáng)的可靠性。同時(shí)還驗(yàn)證了該方法對(duì)復(fù)雜環(huán)境下光纖信號(hào)的檢測(cè)能力。由于電力通信系統(tǒng)的電磁場(chǎng)污染嚴(yán)重，可能存在復(fù)雜地面環(huán)境干擾，給通信系統(tǒng)的光纖通信質(zhì)量提出了較高的要求。因此，未來(lái)的工作重點(diǎn)將研究干擾環(huán)境下對(duì)電力通信數(shù)據(jù)的分析。