基于OTDR 的电力通信光纤性能测量与数据分析技术研究

张 阁，王晓峰，张之栋，王晓东，安 宁，刘 洁

（1.东北电力设计院有限公司，吉林长春 130012；2.国家电网有限公司东北分部，辽宁沈阳 110000）

光时域反射仪（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）具备较好的灵敏度与线性度，其可识别具有更大带宽且动态复杂的机械和声学事件。将OTDR 测量技术与电力通信光缆相结合，能够对周围环境中不同类型的振动源进行高灵敏度感知，并实现准确定位，从而完成对环境周边的安全监测。该技术在基础建设中的电力通信线缆、输油管道及隧道桥梁等领域均有广泛应用。

基于OTDR 传感器的信号检测识别技术大致可分为两类：1）基于图像边缘算子、小波变换（Wavelet Transform，WT）、希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform，HHT）等方法，旨在提高传感器信号的信噪比，并降低系统噪声及环境干扰，从而消除噪声对检测信号的影响；2）基于特征提取，使用机器学习（Machine Learning，ML）算法从检测信号中提取信息，进而提高检测信号信噪比的水平。

该文提出了一种多输入多输出（Multi Input Multi Output，MIMO）测量技术，其基于相干差分相位OTDR 技术，在发射器处对两个探测序列进行偏振复用（Polarization Division Multiplexing，PDM），而在相干接收器处完成了偏振分集检测。该技术具有更高的灵敏度，且实验证明了测量方法的有效性。

1 基于OTDR的光纤响应采集

在该文使用的基于OTDR 的光纤性能响应系统中，发射器在单个偏振轴上，通过窄线宽激光器与接收器同步发送周期性脉冲。相干衰落与偏振衰落的影响导致对光纤的测量不够准确[1-4]。为进一步提高空间分辨率与测量的最大范围，文中使用编码序列而非单个脉冲连续探测传感器，其可在实现优化系统带宽的同时，保证完美的信道估计。双偏振相干接收机也能用于检测背向散射场的完整状态，从而减轻偏振衰落影响。

1）将两个相互正交的互补二进制Golay 序列{Ga1,Gb1} 和{Ga2,Gb2} 映射到二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）符号。

2）第一对{Ga1,Gb1} 调制电场的给定极化状态（例如线性水平），第二对{Ga2,Gb2} 调制与第一对正交的状态（线性垂直）。则可得到一组互正交对为：Ga1=[1,-1,-1,-1],Gb1=[-1,1,-1,-1],Ga2=[-1,-1,1,-1],Gb2=[1,1,1,-1]。

3）通过使用步骤2）的互正交对进行递归，则可以得到更长的序列，由此获得所需的探测长度。在此基础上，需对信号的相位加以估计，并进行差分相位的提取。在接收端，来自第i段与时刻j的反向散射信号可由下式给出：Er=Hi,jEt。其中，Et是发射信号和Hi,j到分段的双通通道响应。

2 测量信号处理与分析

部署在实际环境中的OTDR 传感器，除了受到环境噪声的干扰外，还会存在系统误差。因此必须对测量信号的处理进行研究，从而降低测量信号的噪声，并保证传感器的正常工作[5-6]。

在传统的OTDR 中，系统误差由光纤上A 和B 两个部分反向散射光信号的相位差给出，而两部分之间的距离则可以由脉冲持续时间计算得到[7-10]：

式中，n是折射率，λ是光源波长，ΔL(t)是由光纤中应变引起的标距长度的变化，ξ是对光程长度变化的校正。Δφ(t)和ϑ≡ϑB-ϑA分别为激励项和本征相位项。

但是，用于双波长测量的宽松n相约束是有代价的，这种技术大幅增加了测量的相对噪声[11-12]。当考虑噪声时，每个单独波长（i=1,2）的实际测量差分相位为：

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2.1 双波长OTDR中的噪声补偿

文中使用一种简单有效的方法，来补偿双波长OTDR 传感器中的噪声损失。通过利用不受n相约束的合成波长测量来展开单个波长的测量。微分相位可表示为：

式（6）中第一项是理想结果，用于给出整数边缘顺序。第二项则是附加噪声，为避免阶次确定误差，其应小于±1/2。此外，还可将噪声设置在3σ的限制内，能够确保式（6）在99.73%的范围内具有正确结果。在此情况下，每个波长的允许噪声标准偏差可由下式给出：

在实际部署中，要达到式（6）所要求的噪声水平较为困难，尤其是在部署长传感光纤且需要良好空间分辨率的情况下。因此该文使用PPC-OPC(Physics Phase Conjugation-Optical Phase Conjugation)方法，使用匹配滤波器压缩具有展宽光谱的脉冲，以提高测量的信噪比及空间分辨率。由此既减少了压缩脉冲中的旁瓣，又简化了信号序列的生成与调整。除此之外，还通过减少序列中各个位的持续时间来增强脉冲压缩以及空间分辨率。

2.2 衰减补偿

OTDR 传感器的另一个系统问题则是由于脉冲长度内，反向散射信号相消干扰而导致的信号衰落。该种衰落概率遵循瑞利分布（Rayleigh Distribution），当信号幅度小到被噪声污染时，会破坏相位测量。因此，文中将对衰减进行补偿。

补偿OTDR 传感器设置中的衰落，最常用的方法是利用波长分集来获得几个足够不相关的测量值。为了适应多个频率的测量需求，需增加接收器与采集系统信号带宽。若测量带宽保持不变，则需付出衰减补偿的代价，且会导致空间分辨率的降低。

文中部署了一种利用PPC-OPC 的衰落补偿方法，其实现方法更为简便。通过减少PPC 序列位的持续时间来提高测量的空间分辨率，若将位的持续时间减少一个整数因子N，则空间分辨率将增加N，相当于再移动光纤中的N个脉冲长度窗口。

3 实验验证

测试实验环境如图1 所示。

用作载波与接收器侧的本地振荡器激光源具有75 Hz 线宽、在距离光源1 536 nm 处发射功率为11 dBm 的激光源。两个BPSK 编码序列通过双极化马赫曾德调制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM），以50 Mbaud/s 的速率调制载波。随后，信号通过光放大器及循环器发送。两种不同的光纤传感器配置如下：第一种光纤传感器包括两个长度分别为209 m和1 271 m 的标准单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）线轴；第二种则是一个长5 m，宽1 mm的紧密缓冲SMF将两个线轴互连，且总传感光纤长度为1 485 m。而声学扰动通过位于其前方30 cm 处的扬声器施加在互连光纤上。互连光纤与扬声器在一个82.5 cm×84 cm×204 cm 大小的木箱中进行声学隔离，以减小周围环境带来的干扰，从而确保更可靠的测量。反向散射信号通过由两个垂直光混合器组成的双偏振相干混频器发送。产生的光电流通过跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier，TIA）放大，并在12 位范围内以100 MSample/s 的速度加以采样。最终，捕获的数据传输至计算机上进行离线处理。

3.1 静态测量实验

连续探测序列越长，接收到信号的信噪比越高，但也会导致测量覆盖的带宽减小。因此，探测序列长度的选择意味着在降噪效果与所需带宽之间进行权衡。第一个实验着重研究序列长度对静态状态下估计噪声的影响。图2 为测量的相位标准偏差与探测距离函数，探测序列以50 Mbaud/s的固定速率发送。

图2 测量相位标准差

如图2 所示，探测码长度越高，相位标准差越低。造成相位标准差峰值的原因如下：由于该文仅使用MIMO 数据获取方案来解决极化衰落问题，因此存在信号相干衰落。操作码长度的上限将由激光器的相干长度决定，所以当探测序列长度超过该相干长度时，相位标准差便会出现劣化。

3.2 动态测量实验

动态测量实验旨在评估检测信号的能力。通过采用图1 所示的光纤设置，并利用扬声器施加声学扰动。首先使用100～1 500 Hz 的频率扫描，图3 为扰动位置处频率扫描的功率谱密度（Power Spectral Density，PSD）。

图3 频率扫描的功率谱密度

从图3中可以看出，频率响应具有非线性的特点，是具有最大峰值及不同频率的曲线，这是由扰动光纤的具体配置决定的。在该实验场景下，在腔中紧密拉伸的光纤部分充当谐振器。若考虑到隔音箱的共振，频率模式将对应于共振之间的耦合光纤与盒子。通过计算实验中使用盒子的第一个频率模式，可以看到图4中的峰值对应于这些模式下的共振。因此在进行声学测量时，掌握被感测光纤周围环境的影响是至关重要的。

图4 峰值与共振关系展示

4 结束语

基于OTDR 技术，该文研究了电力通信光纤性能测量与数据分析方法，证明了文中系统对语音信号等声波扰动的检测具有较强的可靠性。同时还验证了该方法对复杂环境下光纤信号的检测能力。由于电力通信系统的电磁场污染严重，可能存在复杂地面环境干扰，给通信系统的光纤通信质量提出了较高的要求。因此，未来的工作重点将研究干扰环境下对电力通信数据的分析。