一种相干光时域反射计长度校准方法研究

郑祥亮 沈倩 孙权社 王恒飞 赵发财

摘要：为满足相干光时域反射计（COTDR）在长距离通信状态监测中的长度校准需求，提出一种新型相干光时域反射计长度校准方法。该方法是利用光在光纤环中不断循环的原理，基于该原理研制COTDR长度校准装置，该装置是利用函数发生器发出的脉冲频率和脉冲宽度来控制光开关的开断时间，最终实现光在光纤环路中传播时间的控制。如果在光纤环路中加入光纤放大器，可以实现不同长度光纤链路的模拟，最终实现对相干光时域反射计长度的校准。实验结果表明：该装置中使用的光纤长度为150km，光脉冲在光纤环路中最多能转7圈，因此该装置能够实现相干光时域反射计长度校准的最大范围为1050km，其扩展不确定度为7.0m，其中包含因子k为2。该方法不仅可以促进相干光时域反射计技术的发展，也为COTDR的长度校准提供思路。

关键词：光纤环;相干光时域反射计;长度校准;光缆监测

中图分类号：TN247 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）09-0045-04

收稿日期：2019-04-10;收到修改稿日期：2019-05-07

基金项目：国防军工技术基础科研项目（JSJL2016210A003）

作者簡介：郑祥亮（1987-），男，山东肥城市人，工程师，硕士，主要从事光通信与光纤长度定标方面的研究。

0 引言

相干光时域反射计（COTDR）是利用光时域反射技术和相干探测相结合的方法对被测光纤的断点进行诊断和定位[1-2]，可以满足超长距离光纤通信线路的测量和监控需求，而其长度测量是否准确对海底通信光缆的检测和维修影响很大，因此COTDR的长度校准对保障超长距离光纤通信的畅通具有重要意义。此外，随着COTDR技术在光纤温度和应变传感领域的不断应用和发展，其中COTDR传感系统[3-6]中的空间分辨率是一个非常重要的技术指标，因此COTDR的长度校准对保证COTDR传感系统测量准确性也具有重要意义。

然而目前针对COTDR校准技术的研究和报道很少，现有的校准装置远远无法满足COTDR的大量程校准要求。本文采用了一种光纤耦合器和光开关相结合的光纤环路法，并且结合光纤放大器对光纤环路中光功率进行放大，通过函数发生器控制输出脉冲的周期和脉宽来实现对长距离光纤的模拟[7-10]，进而实现对COTDR长度的校准。

1 基本原理

1.1 COTDR探测原理

与传统OTDR相比，COTDR的最大优势是利用了相干探测技术，相干探测是把探测光信号的功率集中到某一相干中频上，通过解调相干中频信号的功率就可以得到光路中各个散射点处的散射光功率。假设背向散射光信号为：

本征光为：其中，P_s、P_L0、f₀和f分别为背向瑞利散射信号的功率、本征光的功率、激光器输出的频率以及声光调制器的频移量。二者相干的过程可表示为：

光电探测器输出的光电流i可表示为：

COTDR系统采用平衡探测器的方式，并且采用交流耦合输出的方式，得到相干中频分量为：其电，■=eη/hw₀，它是探测器的响应度。由式（5）可知，背向散射信号的功率就集中在相干中频信号厂上，因此通过对中频信号进行带通滤波就可以滤除大部分的噪声功率，从而提高探测信号的灵敏度。

1.2 COTDR工作原理

COTDR的基本工作原理如图1所示，激光器发出的光通过扰偏器处理后经过光纤耦合器1分成两路，一路作为测试光信号进入被测光纤，另一路作为本征光信号。探测光脉冲在被测光纤中的背向瑞利散射信号经过耦合器2与本征信号光混合，两者相干产生中频信号由平衡探测器接收。平衡探测器输出的电信号经过放大器放大，并经过模数转换器变为数字信号，最后在显示屏上显示出探测曲线。其中扰偏器的作用是将输出光的偏振态打乱，从而抑制COTDR系统探测曲线的偏振噪声。声光调制器的作用是对信号光进行脉冲调制，使测试光信号分为探测光脉冲和填充光脉冲，掺饵光纤放大器（EDFA）的作用是对进入被测光路的信号光进行功率放大。常规的“标准光纤循环延迟线法”[11]已经无法满足COTDR长度的校准要求。

2 实验装置

为解决COTDR的校准难题，本文提出了一种新型相干光时域反射计校准方法，其校准装置原理如图2所示。

校准装置主要由2×2光纤耦合器、单模光纤、掺饵光纤放大器、光隔离器、光开关以及函数发生器等组成。光纤耦合器选用Newport公司型号为F-CPL-L12351-P的耦合器，其分光比为1：9;单模光纤选用长飞公司型号为G.652D的光纤;掺饵光纤放大器选用北京佰特光通科技有限公司型号为PB-EDFA-M-C-25-0-FC/APC的光放大器，其最大增益值为25dBm;光隔离器选用Newport公司型号为ISU-1550-FCAPC的隔离器，其隔离度大于60dB;光开关选用Thorlabs公司型号为SOA1013SXS的开关，其开断时间小于Ins;其函数发生器选用Agilent公司型号为33250A的发生器，其频率范围为1μHz～50MHz，脉冲宽度范围为8.0～1999.9ns。

利用函数发生器输出的脉冲信号来控制光在光纤环中转过的圈数，具体实现步骤：实验中光纤环中的光纤长度大约为151km，普通单模光纤的损耗按照0.180dB/km计算，可知光纤环中光纤引起的损耗大约为27dB。而COTDR的最大输出功率为13dBm，理论上经过光纤耦合器、光衰减器以及单模光纤后的光功率为-18dBm，实验测得的实际功率值为-22dBm，而光放大器的最小输入功率值为-20dBm，由于光纤生产厂家的光纤盘最大长度只能做到50km，因此单模光纤必须分成3段加入到光纤环中。通过OTDR分别对这3段光纤进行测量，其长度和为151.47km的光纤产生的时间延迟为737.66μs，所以光信号分别经过光纤环路第1次、第2次、第3次、第4次、第5次、第6次、第7次所用的时间分别为：737.66，1475.32，2212.98，2950.64，3688.32，4425.96，5163.62μs。当设置函数发生器输出的脉冲信号周期为737μs，脉冲宽度为1.3μs，这样就可以控制光脉冲信号在光纤环路中转过1圈。同理，当设置脉冲信号周期为737μs，脉冲宽度为1.9μs，这样就可以控制光脉冲信号在光纤环路中转过2圈;分别设置脉冲信号宽度为2.5，3.3，3.8，4.5，5.2μs。即可实现光脉冲信号在光纤环路中分别转3圈、4圈、5圈、6圈、7圈的效果，进而实现长度分别为151.47，302.94，454.41，605.88，757.35，908.82，1060.29km的光纤模拟。

3 实验结果与分析

3.1 实验验证方案

本文通过设计验证方案对COTDR长度校准装置进行侧面验证，其验证方案如图3所示，转过3圈后的示波器显示示意图如图4所示。

验证装置是由光源、2×2光纤耦合器、光衰减器、单模光纤、掺饵光纤放大器、光隔离器、光开关、函数发生器、光电探测器和示波器等组成。按照所述设置进行实验测试，可以得到转过不同圈数情况下的示波器的显示图。用装置对模拟距离进行重复性测试，测试结果如表1所示[12-14]。

通过对表1的分析可以得到：随着模拟距离的增大，COTDR校准装置的标准偏差会不断变大，由150km对应的0.4m变为1060km对应的1.2m。

3.2 校准装置扩展不确定度分析

针对COTDR校准装置的组成结构可知其不确定度来源主要包括校准装置的重复性引入的不确定度、单模光纤长度定标装置引入的不确定度、光开关的开断时间引入的不确定度、波长发生器信号上升时间引入的不確定度等。COTDR校准装置的测量不确定度如表2所示。

从各项不确定度来源来看，循环光纤的定标装置也就是单模光纤长度定标装置带来的不确定度所占的比重最大，这是因为定标装置的不确定度大小与被测光纤的长度有关系，被测光纤的长度越长其对应的不确定度越大。另外，COTDR校准装置的测量重复性也是一个较大的不确定度来源。COTDR校准装置的测量不确定度为7.0m@1000km，而COTDR的长度测量准确度为±（10m+0.5×10^-6L），其中L为COTDR的测量距离，单位为m。通过对比可知，该COTDR校准装置可以满足COTDR的长度校准要求。

4 结束语

提出了一种新型的相干光时域反射计校准方法，通过光纤环路、1×1光开关和2×2光纤耦合器实现长距离光纤链路的模拟。与传统的通过上下光纤链路和EDFA来实现COTDR长度的校准相比，该方法具有光纤长度可调、操作过程简单、装置成本低等优点。实验结果表明，该方法的模拟距离达1000km，同时测量不确定度达7.0m@1000km但此方法也存在着不足：实验发现，装置中光信号在光纤环路中只能转过7圈，即光纤链路最长模拟距离为1050km，将来可以通过实验优化来进一步提高光纤链路的模拟距离。

参考文献

[1]张旭苹，张益昕，王峰，等.基于瑞利散射的超长距离分布式光纤传感技术[J].中国激光，2016，43（7）：8-21.

[2]SUMHDA M.Optical time domain reflectometry using an M-ary probe and coherent detection[J].Journal of LightwaveTechnology，1996，14（11）：2483-2491.

[3]饶云江.长距离分布式光纤传感技术研究进展[J].物理学报，2017，66（7）：139-157.

[4]SHIMIZU K，HORIGUCHI T，KOYAMADA Y.Measurement of Rayleigh backscattering in single-mode fibersbased on coherent OFDR employing a DFB laser diode[J].IEEE Photonics Technology Letters，1991，3（11）：1039-1041.

[5]SUMHDA M.OTDR performance enhancement using aquaternary FSK modulated probe and coherent detection[J].IEEE Photonics Technology Letters，1995，7（3）：336-338.

[6]IHDA H Y，KOSHIKIYA Y，ITO F，et al.High sensitivitycoherent optical time domain reflectometry employingfrequency division multiplexing[J].Journal of LightwaveTechnology，2012，30（8）：1121-1126.

[7]姜宏伟，吴远大.SOl基微环谐振可调谐滤波器[J].光电子·激光，2011，22（6）：813-815.

[8]贾东方，王衍勇，包焕民，等.双波长全光自动增益箝制EDFA实验研究[J].光电子激光，2007，18（3）：273-295.

[9]刘爱明，吴重庆，龚岩栋，等.基于SOA的双端口全光光开关[J].北京交通大学学报，2004，28（5）：28-31.

[10]赵焕东，池浩.时隙光分组交换网络中一种新的光缓存优化配置方案[J].光子学报，2004，33（4）：452-455.

[11]高业胜，郑光金.光时域反射计校准及其测量不确定度分析[J].宇航计测技术，2010，30（5）：73-78.

[12]刘伟，肖石林.一种改进的智能化EDFA设计[J].光通信技术，2008，10（5）：31-34.

[13]蒙红云，赵春柳，杨石泉，等.基于光纤环行镜的掺饵光纤放大器增益平坦化[J].中国激光，2002，29（9）：805-807.

[14]余巧燕，曹文华.基于EDFA的超短光脉冲放大技术及其进展[J].激光与红外，2009，39（7）：703-706.

（编辑：刘杨）