长距离高精度的线性调频光时域反射仪

王 强，任晓林，易水寒，喻杰奎，张 谱，李 蔚

（1.国网西藏电力有限公司，拉萨 850000； 2.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205；3.华中科技大学 武汉光电国家实验室，武汉 430074）

0 引 言

光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometry，OTDR）是光纤性能检测和故障定位的常用仪器［1－2］。一般来说，可以通过增加注入光纤的探测光脉冲的能量来提高OTDR的动态范围，但是这样会引起非线性效应［3－4］，影响背向散射光的检测。也有研究人员提出通过相干检测来提高接收机的灵敏度［5］，但检测距离受光源相干长度、相位噪声和背向散射光的偏振态等因素的限制［6］；在文献［7］中，作者提出了一种数字线性调频OTDR（Digital Linear Frequency Modulation OTDR，DLFM－OTDR），它可以同时提高OTDR空间分辨率和动态范围，但实验中的DLFM－OTDR测试距离为100km，空间分辨率为30m，这样的测试距离和分辨率不适合在西藏人烟稀少地区和单跨段传输距离很长的光纤传输链路中使用。

为了解决这个问题，本文提出一种用于提高DLFM－OTDR空间分辨率和测量距离的方法。该方法通过产生高调频范围和长脉宽的模拟线性调频（Linear Frequency Modulation，LFM）信号，从而实现高的空间分辨率和大的探测距离。使用该方法在西藏地区的光纤传输链路中进行了实验测试，实验结果表明，该方法能够在长度为240km的光纤链路上实现0.000 53km的空间分辨率。与相同测量参数的单脉冲OTDR相比，该方法的动态范围提高了8.5dB。

1 原 理

在LFM OTDR中，背向散射光经过直接检测和光／电转换后的电流信号x（t）可以表示为

式中：Rd为常数，为光电探测器的响应率；!为卷积运算；当探测信号为冲击函数时，背向散射光对探测信号的脉冲响应为 G（t）；Ps（t）为调制 信 号 为LFM信号时光强调制脉冲的功率，可以写成：

式中：t为时间序列；P0为激光器的光功率；T为脉冲宽度；f0为LFM 探测脉冲的起始频率；K 为LFM探测脉冲的调频斜率；rect（·）为矩形窗函数。

在LFM OTDR中，不仅需要检测LFM探测脉冲的强度，还需要检测LFM探测脉冲随时间的变化［7］。短时分数傅里叶变换（Short Time Fractional Fourier Transform，STFrFT）是一种加窗的傅里叶变换，用于检测信号中LFM信号随时间的变化［8］。因此，选择STFrFT作为LFM OTDR的信号处理方法。在实际应用中，STFrFT的计算过程是将一个较长的时间信号分割成等长的较短的段，然后在每个较短的段上分别计算分数阶傅里叶变换。

电流信号x（t）经过STFrFT之后的信号为［7］

式中，Sa（·）为sinc函数。

理论上，LFM OTDR的空间分辨率是由sinc函数的半高全宽（Full Width Half High，FWHM）决定的，可以表示为

式中：c为光在真空中的传播速度；n为被测光纤的折射率；B＝KT为LFM脉冲的扫频范围。

2 模拟LFM信号

图1和2分别给出了两种不同的产生LFM信号的方法。图1所示为基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和脉冲激光器生成强度调制DLFM信号的方法［7］。这种方法的优点是结构简单，只需要一个FPGA、激光驱动器以及脉冲激光器；缺点是产生的DLFM信号的扫频范围受FPGA和激光驱动器带宽的限制，不能产生大调频范围的LFM信号。在文献［7］中，由于激光驱动器带宽的限制，产生的DLFM信号的带宽只有4MHz，根据式（4）计算出的对应的空间分辨率为26m。

图1 基于FPGA和脉冲激光器生成DLFM信号的方法

图2所示为基于任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）和马赫曾德尔调制器（Maher Zehnder Modulator，MZM）生成强度调制模拟LFM信号的方法。AWG用于产生一路大调频范围的LFM信号和一路同步触发信号，其中大调频范围的LFM信号作为MZM的驱动信号，用于通过MZM对激光器产生的连续光进行强度调制；另一路同步触发信号作为声光调制器（Acoustic Optical Modulator，AOM）的开关信号，作用是产生LFM探测脉冲。使用AOM的好处是可以提高探测脉冲的消光比。该方法相当于采用外调制的技术，而图1所示的方法相当于采用内调制的技术。图2所示方法的优点是可以产生调频范围非常大的LFM信号，本文使用该方法生成了一个调频范围为200MHz的强度调制模拟LFM信号；缺点是需要的仪器比较多，结构相对要更加复杂一些。

图2 基于AWG和MZM生成强度调制模拟LFM信号的方法

对大调频范围的模拟LFM信号经过STFrFT之后的结果进行了数值仿真，仿真使用的采样率为1GHz。图3所示为两段相隔10ns的LFM信号，它们的参数是一样的，即LFM脉冲宽度为20μs，起始频率为50MHz，调频范围为200MHz。根据光在光纤中的传输速度和LFM信号相隔的时间差，可以计算这两个LFM信号在光纤中传输时的距离差。假设光纤的折射率为1.5，光速为3×108m／s，可以得到这两个相同参数的LFM信号在光纤中传输时的距离差为1m。

图3 两段相隔10ns的LFM信号

图4所示为这两段相隔10ns的LFM信号经过STFrFT后的结果。每一段LFM信号经过STFrFT后会产生一个尖峰，其中峰值的FWHM与LFM信号的调频范围成反比，即200MHz的调频范围对应的FWHM为5ns。根据式（4）换算成光纤中的距离为0.5m。由图4可知，两个峰值之间的时间间隔为10ns，对应的距离为1m。这个结果与图3中两段LFM信号的距离差一致，因此，可以使用大调频范围的模拟LFM信号来实现高精度的事件测量。

图4 两段相隔10ns的LFM信号经过STFrFT后的结果

3 实验结果及分析

图5所示为LFM OTDR的实验框图，用来演示使用强度调制模拟LFM信号作为探测信号的LFM OTDR的性能。根据已有的实验条件，使用激光二极管、AWG、MZM和AOM来产生强度调制模拟LFM探测脉冲。如图5所示，来自激光器的连续光的强度通过MZM被调制成LFM信号，MZM的驱动信号来自AWG产生的电LFM信号，同时AWG还发送与电LFM信号同步的触发信号给AOM的驱动器，驱动器根据触发信号控制AOM的开和关，通过AOM可以将连续的强度调制光信号转换为探测脉冲光信号。本实验中LFM探测脉冲的调频范围为50～250MHz（B＝200MHz）。探测脉冲光信号的峰值功率为5dBm。探测脉冲的持续时间为20μs，并且脉冲的重复周期由触发信号的周期确定。在本文的实验中，触发信号的周期与电LFM信号同为3ms，对应探测距离为300km。通过光环行器，探测脉冲被耦合到被测光纤中。之后，背向散射光沿着光纤向后传播并通过光环行器传送到光探测器，光探测器将光强度转换为电信号。实验中使用的光探测器的接收灵敏度约为－40dBm。用数字采样示波器来采集电信号，采样率为1.25GSample／s。最后，利用离线的信号处理来恢复后向散射光所携带的光纤特性信息。

图5 LFM OTDR的实验框图

基于该实验方案在西藏阿里地区吉隆—查务双回500kV线路、查务—雅上500kV线路的查务—多林段、多林变至查务—多林段500kV线路的两回220kV对接线路和吉隆—萨嘎—仲巴—霍尔—巴尔单回220kV线路的新建线路长度约为2×125、2×150、3×80、96、220、216和156km 上进行了模拟实验测试。

图6所示为西藏地区实际的光纤传输链路上的测试结果，被测光纤总长度约为240km，由3段80km的光纤组成。分别测试了LFM OTDR和传统单脉冲OTDR的性能。实线为累加4 096次后获得的到LFM OTDR的测量曲线。虚线为累加4 096次后获得的到单脉冲OTDR的测量曲线，其中单脉冲OTDR探测脉冲的持续时间为20μs，探测周期为3ms，与LFM OTDR的参数一样。

图6 3×80km的光纤链路测试结果

由图6可知，单脉冲OTDR和LFM OTDR都能检测到大约80km处的插入损耗。但是光纤末端的菲涅耳反射只有LFM OTDR能够检测到。从图6中的放大图可知，光纤末端反射峰的FWHM为0.000 53km，因此分辨率为0.000 53km，与由式（4）计算出的结果和上一节的仿真结果都一致。传统的OTDR和LFM OTDR都没有测量出大约在160km处的插入损耗，这是因为实验的平均次数比较少，且插入损耗没有一个强的反射信号，导致在160km处损耗事件的信噪比比较低。根据OTDR动态范围的定义，可以看到单脉冲OTDR的动态范围约为27dB，LFM OTDR的动态范围约为35.5dB。所提出的改进LFM OTDR的动态范围比单脉冲OTDR的动态范围高8.5dB。因此，本文所提出的LFM OTDR特别适合在西藏这样人烟稀少和单跨段很长的情况下，实现长距离高精度的光纤传输链路的监测。

4 结束语

为了对西藏人烟稀少地区和单跨段传输距离很长的光纤链路进行检测，本文提出了一种用于提高DLFM－OTDR空间分辨率和测量距离的方法。该方法使用AWG和MZM生成强度调制模拟线性信号，这种方法的优点是可以产生调频范围非常大的LFM信号；缺点是需要的仪器比较多，结构更加复杂。使用本文提出的LFM OTDR在西藏地区长度为3×80km的实际光纤传输链路中进行了实验测试，实验结果表明，该方法能够在长度为240km的光纤链路上实现0.000 53km的空间分辨率。与相同测量参数的单脉冲OTDR相比，该方法的动态范围可以提高8.5dB。因此，本文提出的LFM OTDR特别适合在西藏人烟稀少地区和单跨段很长的情况下，实现长距离高精度的光纤传输链路的监测。