光纖熱敏感性對(duì)遠(yuǎn)距離傳感解調(diào)穩(wěn)定性的影響

摘要：本文探討了光纖溫度敏感性對(duì)長(zhǎng)距離傳感系統(tǒng)解調(diào)穩(wěn)定性的重要影響。通過(guò)觀察長(zhǎng)距離傳感系統(tǒng)的解調(diào)結(jié)果隨時(shí)間發(fā)生偏移的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)引起偏移的主要原因是光纖受環(huán)境溫度變化的影響。由于光纖的溫度敏感特性為40ps/km/K，因此在500km光纖往返傳輸過(guò)程中，環(huán)境溫度每變化1℃，系統(tǒng)接收到的光信號(hào)就會(huì)偏移40ns，從而降低了解調(diào)信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。針對(duì)當(dāng)前解調(diào)系統(tǒng)采用的定時(shí)采樣機(jī)制，提出了一種溫度補(bǔ)償方法來(lái)穩(wěn)定光纖傳輸延時(shí)，在500km級(jí)聯(lián)傳輸系統(tǒng)中通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法有效地消除了解調(diào)結(jié)果的時(shí)間漂移，信號(hào)解調(diào)結(jié)果波動(dòng)不超過(guò)0.2dB，滿足了工程實(shí)用要求。

關(guān)鍵詞：光纖傳感；熱敏感性；遠(yuǎn)距離；解調(diào)穩(wěn)定性

光纖水聽(tīng)器是一種利用光纖干涉儀將水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為光相位信息，并通過(guò)光纖傳輸?shù)穆曅盘?hào)傳感器，它具有單元易復(fù)用、易構(gòu)成大規(guī)模陣列、提供大孔徑水聲探測(cè)能力、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，它是海洋水聲探測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分，也是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)、水下武器試驗(yàn)和海洋地震物探的重要手段[1]。

自2002年挪威國(guó)防研究局報(bào)道了其進(jìn)行的32單元光纖水聽(tīng)器陣列海上試驗(yàn)結(jié)果以來(lái)，光纖水聽(tīng)器陣列技術(shù)在國(guó)際上得到了快速發(fā)展[2]。2003年，美國(guó)和英國(guó)聯(lián)合完成了一個(gè)數(shù)千元水下光纖水聽(tīng)器陣列的布置[3-4]，陣列離岸距離3km，標(biāo)志著光纖水聽(tīng)器陣列邁入實(shí)用。2004年，英國(guó)報(bào)道了基于16時(shí)分和8波分技術(shù)的兩條48基元構(gòu)成的96基元陣列試驗(yàn)結(jié)果，陣列離岸距離達(dá)到了40km[5]。2008年，光纖水聽(tīng)器被用來(lái)進(jìn)行海底油氣探測(cè)，作用范圍達(dá)到了100km以上[6]。2011年，英 國(guó)Stingray Geophysical聯(lián) 合 南安普敦大學(xué)開(kāi)展了500km級(jí)聯(lián)傳輸試驗(yàn)[7]。試驗(yàn)使用康寧的SMF-28單模光纖作為傳輸光纖，盤(pán)長(zhǎng)125km， 256元陣列通過(guò)一對(duì)光纖引導(dǎo)。傳輸后的光信噪比為23dB。入纖光功率為7.5dBm。傳輸后的噪聲水平在30至100Hz范圍內(nèi)一直在-80dB左右。

我國(guó)在光纖水聽(tīng)器關(guān)鍵技術(shù)上也取得了較大進(jìn)展[8-10]。早在2013年，無(wú)中繼技術(shù)使陣列具備了離岸200km的能力[11-12]。隨后，國(guó)防科大在2014年報(bào)道了其離岸400km傳輸噪聲試驗(yàn)及其結(jié)果[13]，1kHz處的噪聲水平達(dá)到了-97dB。

然而，目前對(duì)長(zhǎng)距離光纖傳感系統(tǒng)的解調(diào)結(jié)果溫度穩(wěn)定性的影響仍缺乏深入研究。

本文首次揭示了級(jí)聯(lián)傳輸系統(tǒng)的解調(diào)結(jié)果受到環(huán)境溫度影響的機(jī)制，并通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)光纖熱敏性是引起系統(tǒng)出現(xiàn)偏差的主要因素。針對(duì)現(xiàn)有時(shí)分解調(diào)方案，提出了一種自動(dòng)延時(shí)校準(zhǔn)方法，建立受溫度影響的延時(shí)模型，完善和實(shí)現(xiàn)基于FPGA的參考脈沖觸發(fā)采樣技術(shù)，針對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)定時(shí)采樣機(jī)制易受溫度影響的缺陷，提出了一種自動(dòng)延時(shí)校準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償光纖溫度敏感性的方法，使采樣時(shí)刻受脈沖事件驅(qū)動(dòng)，而非定時(shí)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)離岸500km級(jí)聯(lián)傳輸試驗(yàn)，驗(yàn)證了溫度補(bǔ)償方法的可行性。

一、級(jí)聯(lián)傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)

500km級(jí)聯(lián)傳輸系統(tǒng)如圖1所示。

16波長(zhǎng)窄線寬光源經(jīng)調(diào)制后形成光詢問(wèn)脈沖，經(jīng)放大后進(jìn)入500km傳輸鏈路。鏈路由6個(gè)75km光纖和1個(gè)50km光纖以及光放大器構(gòu)成。經(jīng)7級(jí)中繼放大傳輸至十六波分十六時(shí)分陣，陣列返回光又經(jīng)另一組500km光纖級(jí)聯(lián)放大后回傳至信號(hào)接收機(jī)并進(jìn)行解調(diào)。盡管試驗(yàn)中的解調(diào)系統(tǒng)采用外差解調(diào)算法[14]，但光纖溫度敏感性同樣適用于其他解調(diào)算法，包括3×3解調(diào)[15]和PGC解調(diào)[16]。整個(gè)試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，光纖、光放大器、陣列和干端機(jī)都裝置于隔震臺(tái)上。室內(nèi)溫度未進(jìn)行控制。

然而，筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)工作數(shù)小時(shí)后，解調(diào)結(jié)果一致性有較大偏差。脈沖延時(shí)會(huì)發(fā)生數(shù)十ns的偏移。當(dāng)前的采集系統(tǒng)的采集時(shí)刻是固定的。在系統(tǒng)搭建完成后先對(duì)所有波長(zhǎng)進(jìn)行延時(shí)校準(zhǔn)，有效數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置在一個(gè)周期內(nèi)是固定的，如圖2所示。這樣的采集系統(tǒng)有一個(gè)前提，就是傳輸光纖的長(zhǎng)度是不變的。但光纖本身是易受環(huán)境溫度影響的，如果傳輸延時(shí)足夠大，那么原先做好延時(shí)校準(zhǔn)的系統(tǒng)會(huì)發(fā)生采樣偏差，解調(diào)結(jié)果會(huì)有較大的變化。因此，有必要確認(rèn)延時(shí)偏差的原因，補(bǔ)償溫度引起的長(zhǎng)距離光纖長(zhǎng)度的變化來(lái)達(dá)到穩(wěn)定解調(diào)的效果。

二、普通光纖的溫度敏感性

根據(jù)文獻(xiàn)[17]，普通單模光纖的熱致傳輸時(shí)延（thermal coefficient of delay， TCD）可表示為：

（1）

式中，L是光纖長(zhǎng)度，c是空氣中光速，ng是群折射率，α是光纖熱膨脹系數(shù)，D是光纖色散，Δλ是中心波長(zhǎng)的變化，ΔT是溫度變化。

由式（1）可知，光纖的熱敏感性可分為兩類，一類是熱膨脹，一類是溫度引起的傳播速度的變化。石英玻璃的熱膨脹系數(shù)很小（5×10-7/K），往往被用在熱不敏感的應(yīng)用上。光纖的熱光系數(shù)也是不可忽略的，熱光效應(yīng)引起的傳輸時(shí)延約為40ps/km/K[17]，包括光纖纖芯折射率變化引起的，約為38ps/km/K，以及光纖自身延長(zhǎng)引起約為2ps/km/K。

光纖水聽(tīng)器在海底工作時(shí)性能會(huì)受到海底水溫的影響。根據(jù)南海觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)，我國(guó)南海海底全年溫度變化在0.23℃[18]。這種溫差對(duì)長(zhǎng)距離系統(tǒng)的性能影響可能不大，但是，東海海底水溫全年變化可達(dá)10℃。根據(jù)文獻(xiàn)[19]，在舟山海域，春季海底水溫最低，在17℃左右，夏季海底水溫最高，可達(dá)27℃左右。如果500km的傳感系統(tǒng)要在東海使用，按照1000km光纖長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算，在東海地區(qū)，1年內(nèi)溫度變化近10℃，傳輸時(shí)間變化約為400NS，在接收端時(shí)序會(huì)被偏移約2.5 個(gè)脈沖，需要重新設(shè)定采樣基準(zhǔn)時(shí)刻。換句話說(shuō)，海底水溫變化不能使傳輸時(shí)延超過(guò)半個(gè)詢問(wèn)脈沖。

三、溫漂補(bǔ)償方法

當(dāng)前的預(yù)處理采集系統(tǒng)中， 模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）連續(xù)采集數(shù)據(jù)并送至FPGA， FPGA接收每一幀時(shí)序中固定時(shí)刻的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度引起光纖傳輸延時(shí)達(dá)到半個(gè)脈寬后，解調(diào)結(jié)果將出現(xiàn)較大偏差。

為了避免光纖的溫度敏感性對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響，需要在大跨距光纖傳輸中采用溫度補(bǔ)償技術(shù)。針對(duì)溫度變化對(duì)光路系統(tǒng)帶來(lái)的延時(shí)效應(yīng)，建立受溫度影響的延時(shí)模型，找出輸入變量、需要校正的輸出變量、受溫度因數(shù)影響的干擾變量，根據(jù)輸出反饋量對(duì)輸入做出反饋校正，建立系統(tǒng)模型和系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖3所示。其中，Xi（t）為光纖水聽(tīng)器解調(diào)系統(tǒng)輸入延時(shí)，XO（t）為實(shí)際輸出的延時(shí)偏移，T（t）為受溫度影響帶來(lái)的延時(shí)干擾信號(hào)，通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)的反饋和校正行程閉環(huán)系統(tǒng)使得實(shí)際輸出及時(shí)調(diào)整來(lái)應(yīng)對(duì)溫度干擾帶來(lái)的影響。

四、試驗(yàn)結(jié)果

在500km傳輸系統(tǒng)中，對(duì)補(bǔ)充干涉儀施加100Hz的信號(hào)后進(jìn)行約2個(gè)小時(shí)的解調(diào)穩(wěn)定性試驗(yàn)。在未進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，在1個(gè)小時(shí)內(nèi)，16個(gè)時(shí)分的結(jié)果一致性較好。1個(gè)小時(shí)后，溫度計(jì)顯示溫度變化0.5℃左右，延時(shí)變化了27ns，解調(diào)結(jié)果開(kāi)始發(fā)散，如圖4所示，各波長(zhǎng)解調(diào)結(jié)果差異超過(guò)25dB，系統(tǒng)完全跑偏。通過(guò)溫度補(bǔ)償后，延時(shí)系統(tǒng)能夠在溫度擾動(dòng)條件后500ms內(nèi)校準(zhǔn)延時(shí)點(diǎn)。圖5為自動(dòng)延時(shí)校準(zhǔn)后的近7小時(shí)的拷機(jī)結(jié)果。由圖可見(jiàn)，溫度補(bǔ)償后，16個(gè)波長(zhǎng)的解調(diào)結(jié)果在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能夠穩(wěn)定，7個(gè)小時(shí)內(nèi)的結(jié)果誤差不超過(guò)0.2dB。

可見(jiàn)，通過(guò)采集端對(duì)采樣時(shí)刻進(jìn)行補(bǔ)償，提升了大跨度系統(tǒng)的穩(wěn)健性，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸降噪有重要的意義。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)觀察長(zhǎng)距離系統(tǒng)的解調(diào)結(jié)果隨時(shí)間發(fā)生偏移的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)引起偏移的主要原因是光纖受環(huán)境溫度變化的影響，光纖具有較強(qiáng)的溫度敏感性，會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生伸縮導(dǎo)致光遠(yuǎn)距離傳輸?shù)拿}沖時(shí)延問(wèn)題。光纖的溫度敏感特性為40ps/km/K， 在500km光纖往返傳輸過(guò)程中，環(huán)境溫度每變化1℃，系統(tǒng)接收到的光信號(hào)會(huì)偏移40ns，采樣點(diǎn)的不準(zhǔn)確會(huì)嚴(yán)重影響噪聲解調(diào)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

為了提高長(zhǎng)距離傳輸中噪聲解調(diào)結(jié)果的穩(wěn)定性，本文針對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)定時(shí)采樣機(jī)制易受溫度影響的缺陷，提出了一種溫度補(bǔ)償方法來(lái)穩(wěn)定光纖傳輸延時(shí)，使采樣時(shí)刻受脈沖事件驅(qū)動(dòng)，而非定時(shí)驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度補(bǔ)償后，500km跨距的系統(tǒng)解調(diào)結(jié)果誤差不超過(guò)0.2dB，滿足了工程實(shí)用要求。

作者單位：陳緒興 上海傲世控制科技股份有限公司

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陳緒興（1982.08-），男，漢族，江蘇鎮(zhèn)江，博士，高級(jí)工程師，研究方向：光傳感及光電器件研究。