引言

光纤具有高传输速率、低传输损耗和低误码率等优点，是远距离高速通信系统首选的传输介质。目前，世界范围内数亿公里的光纤、光缆线路构成了规模庞大的光纤通信网络；然而，这些采用架空、管道或直埋等方式铺设的光纤、光缆极易遭受自然灾害或人为活动引起的损伤而发生故障，进而导致一个地区大面积通信中断事件的发生。因此，如何快速、准确的进行光纤故障定位检测成为保障光纤网络畅通运行的关键维护环节；而光时域反射仪^[1](optical time-domain reflectometry, OTDR)是国际电信联盟推荐的用于光纤故障检测与维护的重要仪器。

目前，OTDR技术已发展出数种基于不同测量原理的类型：包括脉冲OTDR^[1-3]、光子计数OTDR(v-OTDR)^[4-5]、相干OTDR^[6-7](Ф-OTDR)和混沌OTDR^[8-11](COTDR)等多种检测原理。其中，混沌OTDR以其测量分辨率高、可在线检测等优点，近年来得到广泛研究。其工作原理是向被测光纤发射一组类似噪声的连续混沌激光信号，通过接收光纤断点处的反射信号，并使其与原始发射信号作互相关运算，根据相关峰来判别光纤故障位置、类型等参数。目前，我们利用混沌激光作为探测信号，在100 km测量范围内实现了与距离无关的cm级空间分辨率测量^[12]，极大改善了OTDR的定位准确性；同时，由于探测混沌光功率远小于通信信号功率，因此，COTDR还具备对工作状态下的光纤链路健康状况进行实时、在线监测^[13-15]。虽然COTDR具备上述优点，但是由于其采用连续光检测技术，无法对光纤中的后向瑞利散射进行有效测量，导致该技术尚无法检测光纤中的异常损耗事件(由光纤折射率改变引起)。

针对这一问题，研制了一种混沌-脉冲混合信号光时域反射仪(chaos & pulse OTDR, CPOTDR)，该仪器利用连续混沌光与离散脉冲光相结合的探测手段，解决了混沌OTDR无法测量光纤损耗故障的问题。所研制的CPOTDR在104 km测量范围内实现了与距离无关的35 cm空间分辨率测量，对损耗故障也有良好的检测效果。此外，还介绍了CPOTDR的测量原理，系统软、硬件构成，设计性能指标，并利用CPOTDR对光纤断点、损耗等常见故障进行了测量分析。

1   CPOTDR测量原理

CPOTDR的基本结构如图 1所示，其工作原理是利用混沌光与脉冲光分别对光纤中的菲涅尔反射与瑞利散射进行测量，最后对2次测量结果进行线性叠加，进而得到光纤故障测量曲线，具体步骤如下。

图  1  混沌-脉冲混合信号光时域反射仪原理图

Figure  1.  Schematic diagram of CPOTDR system

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首先，由双路选通开关选通混沌信号源，宽带混沌信号经驱动电路直接调制半导体激光器输出混沌激光，混沌光经99:1的光纤耦合器分成2路：其中，强度为1%的一路作为参考光直接经光电探测器1(APD1)转换为电信号，记为X(t)，而光强度为99%的一路作为探测光流经光纤环行器(OC)注入被测光纤。当探测光遇到光纤断点后发生菲涅尔反射，反射回的探测光经光电探测器2(APD2)转换为电信号，记为Y(t+τ)。经APD1和APD2转换的2路电信号经高速数据采集卡同步采样转换为2列数组，并在计算机内完成互相关运算得到光纤断点距离。具体计算过程为

式中：$ \otimes $表示相关运算；系数k是归一化系数；相关运算结果δ(τ)函数(相关峰)包含了探测光相对于参考光的延时时间τ，而该时间正是探测光在被测光纤内传播的双程走时。获取τ值后，再根据(2)式即可得到光纤断点事件的位置L。

式中:n代表光纤的折射率；c为光在真空中的速度。

接着，由双路选通开关选通脉冲信号源，脉冲信号源经驱动电路调制半导体激光器输出脉冲激光作为探测光，探测光经光纤耦合器、环行器后注入被测光纤，当探测光在光纤中传输时，由于光纤自身折射率的变化而产生瑞利散射，其中后向瑞利散射信号经光纤入射路径返回，经光电探测器(APD2)转换为电信号，并由高速数据采集卡记录。通过计算后向瑞利散射光的功率和返回时间，可以得到被测光纤的后向散射曲线，即光纤的衰减事件曲线。具体计算原理为

式中：距离L处的散射回波功率P_ec(L)；S代表后向散射系数；α_s是瑞利散射系数；W为发射脉冲持续时间；P_pe为其峰值功率；α为光纤衰减系数。通过获得的P_ec(L)曲线来分析光纤中的事件信息。

2   CPOTDR系统

本文研制的CPOTDR系统实物如图 2所示，其构成可分为硬件和软件2个部分，具体如图 3所示，以下对这2个部分进行分别介绍。

图  2  混沌-脉冲混合信号光时域反射仪样机实物与软件界面

Figure  2.  Prototype photo and software interface of CPOTDR

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图  3  系统框图

Figure  3.  System block diagram

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2.1   系统硬件

硬件部分主要包括信号源模块、光路模块、光电转换模块、采集处理模块和显示模块5大部分组成。

1) 信号源模块。负责产生测试所需的光信号，包括混沌信号源、脉冲信号源、激光器驱动电路^[16]、信号选通电路以及半导体激光器组成。其中，混沌、脉冲信号源及信号选通电路均在可编程逻辑电路CPLD芯片中实现，半导体激光器选用同轴封装的DFB激光器，波长为1 550 nm。图 4显示了信号源模块产生的混沌激光的时序、频谱和自相关曲线。混沌激光的自相关曲线呈δ函数型，其半高全宽(full width at half maximum, FWHM)为3.5 ns，如图 4(c)插图所示。

图  4  混沌光信号

Figure  4.  Chaotic optical signals

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2) 光路模块。包括耦合器和环形器。耦合器分光比采用99:1，以达到探测光功率最大化，而环形器保证探测信号和回波信号互不影响。

3) 光电转换模块。光电转换模块主要有2块相同特性的光电探测器组成，仪器选用型号为KG-APR-200M系列，带宽为200 MHz，转换效率为110 V/mW，灵敏度-45 dBm，有高增益、高灵敏度、增益平坦等特点，其内部集成了雪崩光电二极管、低噪放大器等模块。

4) 采集处理模块。采集处理模块主要有双通道数据采集卡PicoScope 3206D和PC机组成，采集卡负责采集数据、控制光路模块以及与PC机进行数据通信。数据采集卡2个通道的采样率为500 MSa/s，带宽为200 MHz，分辨率为8位，使用USB3.0高速通信接口与PC机进行数据传输。PC机端使用由可视化编程语言LabVIEW开发的CPOTDR检测软件对采集处理模块进行数据采集、存储和传输控制。

5) 显示模块。负责处理数据及处理后的显示，由LCD液晶显示器组成。软件主界面如图 2，视图区域主要分为菜单、设置区、曲线区和事件列表区。

2.2   系统软件

CPOTDR软件开发用LabVIEW实现，主要包括测量模式选择、数据采集处理和结果存储及显示3大部分。

1) 测量模式选择。CPOTDR设置了3种测量模式，分别是脉冲光、混沌光和混合光测量模式。在脉冲光测量模式下，CPOTDR产生脉冲宽度(10 ns~100 μs)和重复频率(667 Hz~20 kHz)可调谐的脉冲光对被测光纤进行探测，虽然可以同时获取光纤的后向瑞利散射和菲涅尔反射事件，但始终存在探测距离与空间分辨率无法同时提高的原理性矛盾^[9]。混沌光探测模式解决了上述矛盾，但是仅能感知菲涅尔反射事件。混合光测量模式则综合了上述2种测量模式，并将其测量结果进行线性叠加、拟合等算法处理，得到优化的光纤故障测量曲线。

2) 数据采集处理。在混沌光测量模式下，其数据处理加入了小波去噪^[17-18]、平均离散消除算法^[19-20]、拟合算法和分段迭代定位等算法；在脉冲光测量模式下，其数据处理中主要使用了小波去噪算法。其数据处理流程如图 5所示。

图  5  数据处理流程图

Figure  5.  Flow chart of data processing

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3) 结果存储及显示。保存时可选csv格式，excel表格和简化图像保存。显示界面在曲线调整区可以随意放大、缩小、拖动，方便用户对曲线操作。

在3大主功能外，还添加了一些辅助功能，方便用户更好的使用，主要有6项。

a) 测试校准。由于系统每次启动都有不同程度的系统噪声(主要由于APD对于温度的敏感)，特意设计了在软件中的系统校准，可有效减除测量时产生的误差;

b) 数据保存。保存时可选csv格式和曲线图像保存;

c) 曲线分析。对保存的曲线数据导入后进行分析;

d) 事件列表。对事件信息详细说明;

e) 帮助。包含软件使用说明和技术支持;

f) 远程控制。在IE浏览器上远程操控仪器，控制测量。

3   实验结果

3.1   CPOTDR性能指标

测量距离与空间分辨率是CPOTDR的2项重要指标，在混沌光测量模式下，光纤断点故障(菲涅尔反射事件)的理论测量距离L为

式中：P_pro表示探测光功率，约为6.44 dBm；P_APD表示APD的灵敏度，为-45 dBm；菲涅尔反射强度为14 dB；α是光纤衰减因子。计算可得CPOTDR理论最远探测距离约为104 km。

混沌光测量模式下，菲涅尔反射事件的空间分辨率由探测混沌光自相关曲线的FWHM决定，由图 4(c)插图可知，FWHM为3.5 ns；因此，CPOTDR的空间分辨率ΔR=υ·FWHM/2=35 cm，式中υ为混沌光在光纤中的传播速度，约为真空中光速的0.66倍。

以G.652.B单模光纤为测试对象，实验测得CPOTDR的技术指标如表 1所示。值得一提的是该分辨率仅受限于数据采集卡和光电探测器带宽(均为200 MHz)，若将其带宽提高至500 MHz，CPOTDR分辨率可进一步达到6 cm，具备cm级测量精度，完全满足光纤到户网络(FTTH)测量精度需求。对于光纤后向瑞利散射引起的损耗事件，目前CPOTDR的探测距离为50 km，其主要受限于所用脉冲激光器的低峰值功率(5 mW)。

表  1  CPOTDR技术参数

Table  1.  Technical parameters of CPOTDR

测试类型	技术参数(@200 MHz)
菲涅尔反射事件	距离:104 km
	空间分辨率:35 cm
瑞利散射事件	距离:50 km

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3.2   光纤测试实例

实验中制造了几种不同类型的光纤故障事件，用于测试CPOTDR对于这些事件的探测效果。其中，图 6(a)中使用1段10.056 695 km长的测试光纤，其末端为光纤连接头；图 6(b)中使用1段10.056 899 km长的测试光纤，其末端使用光纤刀斜切；图 6(c)中使用2段测试光纤，中间采用相匹配的光纤连接头连接；图 6(d)中使用2段测试光纤，中间采用不匹配的光纤连接头连接；图 6(e)中使用了1段约104 km长的光纤；图 6(f)为1段约49 km长的光纤。从图 6(a)~(d)中可以看出，光纤末端以及2端光纤连接处产生的菲涅尔反射峰清晰可见，表明对光纤断路故障有很好的检测性能，而图 6中光纤后向瑞利散射曲线斜率约在(0.173 22~0.221 46)dB/km之间，与光纤标称的损耗区间基本一致。图 6(e)为CPOTDR对于光纤断路事件和损耗事件的极限测量距离，前者为103.861 717 km，后者为48.770 29 km。

图  6  模拟不同类型测量实例

Figure  6.  Measurement examples of different fault types

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4   结论

研制了混沌-脉冲混合光时域反射仪，实现了光纤故障的高精度定位，对系统的硬件部分和软件部分做了详细阐述，并以G.652.B单模光纤为被测对象，对仪器的技术指标进行了测试分析。结果表明，该仪器在约104 km测量范围内，可实现与距离无关的35 cm空间分辨率恒定精度测量，对于光纤断点、不匹配连接点等常见菲涅尔反射事件(故障)有较好的检测效果，不足之处在于对瑞利散射事件或光纤损耗事件，仪器的测量距离仅为50 km。拟采用2种方法解决上述问题：1)使用20 mW蝶形封装DFB激光器取代目前使用的5 mW同轴激光器，提高仪器发射脉冲光的峰值功率；2)使用灵敏度更高或增益更大的APD。目前相关实验正在进行中。未来，随着光纤到户的发展，此技术在小型化密集分布的FTTH光网络检测中具有广泛的应用前景。