王英杰,邓大鹏,李 卫

(西安通信学院,西安 710106)

1 引 言

我国对于光缆线路的性能监测目前基本上还是采用OTDR(Optical Time Domain Reflectmeter)技术,这种技术较为成熟、简单,它是靠检测一个在光缆线路上传输的光脉冲在不同位置的后向瑞利散射信号和后向菲涅尔反射信号的相对强弱来实现对光缆线路的监测。但其存在一个致命的弱点,即要想增大动态范围,就必须增大脉冲的宽度,但增大脉冲宽度会使仪表的空间分辨率降低,因此对于那些既要有大的动态范围又要有高的空间分辨率的场合,如PON线路、长途光缆干线的测量等,用OTDR监测时就显得有些顾此失彼了。频率调制连续波(FMCW)技术常用于高精度雷达测距,用于光缆线路异常检测时,由于采用相干探测,具有较高的灵敏度和较大的动态范围,并且系统空间分辨率和动态范围之间没有制约关系,所以能够实现各种大动态范围的高精度检测[1-5],国外对此技术的研究已经比较成熟。在国内,由于受到激光器谱线宽度和激光信号调频技术的制约,基于FMCW光缆线路异常检测的研究多集中于一般性的分析和仿真,缺乏实验验证,为此,本文在理论研究的基础上搭建了实验平台,用实验数据验证FMCW技术对光缆线路异常检测的有效性及测量精度。

2 FMCW检测定位原理

频率调制连续波光纤反射计主要由线性扫频光源、迈克尔逊干涉仪、光电探测器和频谱分析仪(或信号处理单元)等组成,其系统结构图[2]如图1所示。

图1 FMCW光纤反射计系统结构图Fig.1 System structure of FMCW optical fiber reflectometry

线性扫频光源经三角波调制后发出线性扫频连续光。连续光进入耦合器后分为两束光:一束光注入参考光纤,经法拉第转镜反射后返回到光电探测器,称为参考光;另一束注入待测光纤,由于光纤存在瑞利散射,其中有一部分散射光沿着光纤向注入端返回,经耦合器后返回到光电探测器,设距光注入端X处的瑞利背向散射光为信号光。参考光和信号光分别为

式中,E01、E02分别为参考光和信号光的振幅,ω0为光源的中心角频率,0为光源的初始相位,γ=fmΔF为光源扫频速率,延时 τ=2nX/c。参考光和信号光混频后的光强可以表示如下:

由式(3)最后一项产生的中频信号可以得到信号光在待测光纤中的位置与中频信号频率的关系为

由以上分析可知,中频电流的频率和幅度分别和返回信号光的位置和强度相对应,所以,可以通过频谱分析仪或对采集的信号进行处理后在频域可以检测到沿光纤分布的各处的散射和衰减特性。

3 影响空间分辨率的因素

3.1 空间分辨率与光源扫频速率和接收机带宽的关系

FMCW光纤反射计的空间分辨率是指系统分辨两个待测光纤的测量点的能力,由公式(4)可知,FMCW光纤反射计系统最后测得的中频信号 fB的大小与待测光纤的测量点的具体位置有关。因此,空间分辨率可以对应为系统辨别两个待测光纤的测量点相对应的中频 fB的能力,而辨别 fB大小的能力与系统频谱分析仪的接收机带宽密切相关。所以,理论上分析得到FMCW光纤反射计的空间分辨率的计算公式可以表示如下:

由上式可以看出,在光源扫描速率一定的情况下,可以通过减小接收机的带宽ΔB来提高系统的空间分辨率。在FMCW光纤反射计系统中,噪声与接收机带宽成正比,接收机带宽ΔB的减小在提高系统空间分辨率的同时,会提高接收信号的信噪比,接收机的灵敏度也得到提升,这也是FMCW光纤反射计与OTDR相比的一个优点。实际上,由于中频信号都是在一定的频率扫描时间Tm范围内产生,所以FMCW光纤反射计的空间分辨率在理论上有一个最小值,如下式所示[6]:

所以,FMCW光纤反射计要得到一个高的空间分辨率则要求光源具有一个大的频率调制范围。

3.2 非线性扫频对空间分辨率的影响

以上得到的结论都是在假定光源线性扫频前提下得到的,在实际中应用的激光器由于受到温度、振动和电网电压的波动等都会引起光源谐振腔位置的变化,从而影响输出光波谱线的变化引起扫频的非线性。由公式(4)可以看出,对于光纤中某一位置X一定的情况下,光源扫频速率 γ的瞬时变化会造成中频信号fB波动,从而展宽FMCW光纤反射计产生的中频信号,降低系统的空间分辨率。由非线性扫频造成的频谱的展宽量可以用Δfnl表示,所以在非线性扫频影响下的空间分辨可以用以下公式表示[7]:

由公式(4)中可以看出,随着待测光纤长度 L(如图1)的增加,FMCW光纤反射计产生的中频信号的频谱受非线性扫频造成的频谱的展宽也会相应地增大,所以在测量长距离的光纤时必须考虑非线性扫频对系统空间分辨率的影响。

3.3 相干长度和相位噪声对分辨率的影响

以上的分析都是假定光源是单色的,参考光和信号光的初始相位相等或相位差保持不变,而实际的光源发出的光都是具有一定线宽的光,具有一定的相干度。当信号光与参考光之间的光程差大于光源的相干长度时,信号光和参考光的相位差是随机的,由此会引起相位噪声[8-9]。

设光源线宽为Δv0,对应的相干长度为Lc,为了便于分析光源相干长度Lc和相位噪声对系统的影响,这里只取两个信号:一个是参考光信号,另一个为待测光纤末端的菲涅耳反射光信号,反射率记为r,假设待测光纤长度为L,则参考光和信号光可以分别表示为

式中,τ0=2nL/c。根据光电检测器的平方率特性,则输出的光电流可以写为

式(10)的单边功率谱密度为

式中,τc为光源的相干时间,与光源相干长度的关系为Lc=τcc/n。式中第一项为探测信号中的直流部分;第二项为产生的中频信号,随着反射点距离接近相干长度,幅值以系数 τ0/τc呈指数急剧衰减;第三项是一个连续频率的函数,表示相位噪声对称分布在fB的两侧,而且越接近相干长度回波信号越强、噪声功率越大、影响范围越宽,且噪声大小与反射率r成正比。中频信号幅度的减小、噪声的增加,将严重降低中频信号的信噪比,影响空间分辨率。

4 实验验证

4.1 实验系统结构

为了充分利用光源的光功率,实验中对图1所示的系统结构作了适当的改进,改进后的FMCW光纤反射计实验系统结构如图2所示。

图2 FMCW光纤反射计实验系统结构Fig.2 Experimental setup of FMCW optical fiber reflectometry

系统采用一个输出波长为1 550 nm的DFB光源,光源的线宽为3 kHz,相应的在光纤中的相干长度为32 km。光源通过自带的电压调制实现对光源的扫频,光源的频率调制范围ΔF为200 MHz,调制信号由信号发生器提供。信号发生器输出频率fm为1 kHz的锯齿波信号,所以光源的扫描速率 γ为200GHz/s,光纤的折射率n为1.46,通过理论分析和实验比对,耦合器1的最佳分光比取80∶20,实验系统中的活动连接器均采用APC型光纤连接器(减小反射引起的噪声)。根据公式(4)信号光在待测光纤中的位置与系统产生的拍频信号频率的对应关系为0.513 7 km/MHz。经调制后光源输出的光波经隔离器后进入耦合器1,一路光注入到环形器1口,由2口进入待测光纤的功率约为2 dBm,由3口输出的后向散射信号光进入耦合器2;另一路光经偏振控制器(用于降低相干光波的偏振诱导衰落效应)后输出功率约为-2 dBm,参考光和信号光在耦合器2处混合。混合后的光波经一个带宽为40 GHz的均衡光电检测器检测后送至频谱分析仪进行分析,频谱分析仪的分辨率带宽设置为10 kHz,为了减小产生的频谱信号的波动,对检测的频谱信号进行100次平均。分别对长度为24.54 km和49.55 km普通单模光纤进行了检测。

4.2 结果分析

图4是对24.54 km单模光纤进行检测得到的频谱图,图中的横坐标可以与光纤的长度相互转化。从图中可以清楚地看到实验系统检测得到的待测光纤中的后向瑞利散射光和光纤末端的菲涅尔反射光强度。在FMCW光纤反射计中,通常用由光纤末端菲涅尔反射光信号产生的中频信号的3 dB带宽来确定系统对反射事件的空间分辨率。由图4中可以看出,实验系统对24.54 km单模光纤检测得到反射事件的空间分辨率为8.22 m。图5所示是对49.55 km的单模光纤进行检测得到的结果,实验得到反射事件的空间分辨率为11.32 m。图6所示是对49.55 km的单模光纤在25.670 km处弯曲时的频谱图。

图4 24.54 km单模光纤检测频谱图Fig.4 Spectrum diagram of 24.5 km single mode fiber

图5 49.55 km单模光纤检测频谱图Fig.5 Spectrum diagram of 49.55 km single mode fiber

图6 49.55 km单模光纤弯曲时检测频谱图Fig.6 Spectrum diagram while 49.55km single mode fiber bent

由公式(5)可知,实验系统的理论空间分辨率为5.14 m,和实验得到的结果有一定的出入,这主要是由于光源的非线性扫频和相位噪声造成的。所以,系统要得到一个较高空间分辨率,必须减小光源扫频的非线性效应和相位噪声,可以采用定时门频谱分析方法减小非线性扫频造成的频谱的展宽,尽可能减小被测链路中的菲涅尔反射,提高系统的空间分辨。

5 结束语

本文介绍了基于FMCW光缆线路异常检测的FMCW光纤反射计的基本原理,分析了系统空间分辨率与光源频率扫描速率和接收机带宽之间的关系,以及非线性扫频和相位噪声对系统空间分辨率的影响,最后利用一个窄线宽的DFB激光器搭建了FMCW光纤反射计实验系统。理论与实验表明:与OTDR相似,衰耗事件、反射事件等在FMCW光纤反射计的曲线中可清晰反映,虽然光源的扫频非线性、相位噪声会降低仪表的空间分辨率,但比起OTDR还是有明显的改善,对近50 km的光缆线路反射事件的分辨率可以优于12 m,这对测量PON等带分光器的线路的通断提供了极大的方便,不再需要像用OTDR测试一样,要求每个支路的光纤长度之差大于50 m以上,并且随着扫频非线性的改进和信号处理技术的提高,仪表的空间分辨率将会进一步得到改善。

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