（光学工程专业论文）使用格雷互补序列提高otor测量动态范围的方法.pdf

摘要 传统的o t d r 使用单光脉冲作为o t d r 的探测信号，利用后向瑞利散射测量光 纤传输特性，通过提高光脉冲能量加大测量长度。由于激光器功率的限制，脉冲的 能量决定于脉冲的宽度，丽脉冲宽度的增加会带来探测分辨率的下降，因此测量的 分辨率和测量的距离不能兼顾，只有通过增加平均次数来提高动态范围。本论文深 入探讨了在光时域反射计( o t d r ) 中使用相关技术的方法，使用伪随机码作为探 测光脉冲，将得到的后向散射信号与发射的伪随机码做相关运算，得到光纤的特性。 伪随机码有很多种，其中的格雷互补序列具有良好的自相关特性，并且易于产生和 复制，非常适合作为o t d r 的探测脉冲。这种方法可以解决o t d r 测量分辨率和 测量距离的矛盾，并且减少了测量所需要的时间。 论文利用c p l d 发出格雷互补序列的电脉冲驱动o t d r 的激光器发射出格雷互 补序列的光脉冲耦合入光纤。通过高速a d 采样卡采集光纤的后向散射信号，与所 发射的格雷互补序列做相关运算，得出光纤的特性，其中包括损耗，接头，断点等。 仿真和试验表明，本论文提出的新方法可以有效的提高o t d r 测量的动态范围。 关键词：伪随机序列格雷互补序列自相关检测动态范围旁瓣 a b s t r a c t a b s t r a c t ： d e s p i t et h e i rw i d eu s a g ed u r i n gt h ep a s ts e v e r a ly e a r s ，f e wf u n d a m e n t a l c h a n g e si nt h ed e s i g no fp r a c t i c a lo p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r ( o t d r ) h a v eb e e ns e e n w h i l et h eu s eo fh i g h e rp o w e rl a s e r sa n dt h ei n c r e a s i n go f p a r a l l e la v e r a g i n gt i m e sh a v ep r o v i d e ds o m ei m p r o v e m e n t ，t h et r a d eo f f b e t w e e ns i g n a l t on o i s er a t i o ( w h i c hd e t e r m i n e sd y n a m i cr a n g ea n d m e a s u r e m e n tt i m e ) a n dr e s p o n s er e s o l u t i o nc a nn o tb es o l r e d a no t d ru s i n gc o r r e l a t i o nt e c h n i q u em a yh a sm u c hb e t t e r p e r f o r m a n c et h a n c o n v e n t i o n a lo t d r t h ea u t o c o r r e l a t i o no fg o l a ys e q u e n c eh a sl o ws i d e l o b e s ， s ow ec a nu s eg o l a ys e q u e n c ea sp r o b es i g n a l w i t ha u t o c o r r e l a t i o nt h ed y n a m i cr a n g eo fa no t d rc a nb ei n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l ya n dt h er e q u i r e dm e a s u r e m e n tt i m ec a nb er e d u c e dg r e a t l y w i t h o u ts a c r i f i c i n gt h em e a s u r e m e n tr e s o l u t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h i sm e t h o d o n l y u n i p o l a rc o d e sc a nb et r a n s f e r r e di nf i b e r s t h i sp a p e ra l s ot e l l st h ew a y t oc h a n g eb i p o l a rc o d e st ou n i p o l a rc o d e s k e yw o r d s ：p s e u d a r a n d o mc o d e s a u t o c o r r e l a t i o n g o l a yc o m p l e m e n t a r yc o d e s d y n a m i cr a n g es i d e l o b e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日期：年月曰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 皇王型茎盔堂堡主兰垡堡苎一 第一章绪论 1 1o t d r 在光纤通信系统中的应用 随着光纤技术和光通信技术的发展，光纤通信网大量铺设，光传输已成为现代 信息传输最为重要的方式。如何保证快速、稳定、可靠的信息传输就变得臼益重要。 为了实现这一目标，首先应保证光纤通信网的运行切实可靠，必须对光纤网实施有 效的在线监测，建立网络运行状态数据库，保证对光纤通信网实现及时、准确的维 护。 光时域反射计( o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r ) 是测量光纤传输特性 的测量仪器。o t d r 提供了沿光纤长度分布的衰减细节，即探测、定位和测量光纤光 缆链路上任何位置的事件( 事件是指因光纤链路中因为熔接、连接器、转接头、跳 线、弯曲或断裂等形成的缺陷等，其光传输特性的变化可以被测量) 。在光纤通信 网中，光纤传输链路的传输特性测试、故障定点都需要o t d r a 使用o t d r 测试是一种非常简便、实用的测量方法。它省时、方便而且具有非 破坏性。因而广泛地应用于光纤、光缆的生产、现场铺设、在线监测与维护中。随 着分布式光纤传感器技术的发展，o t d r 在光纤传感器中也得到了一定的应用。在近 几年，随着光纤通信网的大量建设，现代的信息大量的依靠光来传输，因此保证光 纤通信网的正常运行有着重要的意义。建立以o t d r 为中心的监测系统，不仅可以 建立光纤通信网的运行状态数据库，而且可以实现故障定点，方便维护，有利于保 证光纤通信网的正常运行。因此o t d r 是现代光纤与光通信技术中必不可少的测量 仪器。 对于不同的网络，对o t d r 的性能有不同的要求。”。在存在大量接头的光纤网 如局域网中，减小死区、提高分辨率是相当重要的。对光路、光路器件、d w d m 光传 输系统的测量时需要高分辨率的o t d r 。随着光纤接入网如分配式光纤c a t v 网的大 量发展，如何保证其正常的运行变的日益重要。对这样的光纤网进行监测必须进行 低功率测量，特别是进行在线监测时，必须进行功率限制，保证系统的信嗓比不受 影响。 对于长距离的光纤传输如骨干网甚至海底光缆，由于传输的距离非常远，往往 达到几百甚至上千公里，要求o t d r 具有非常大的动态范围，即要求o t d r 具有很高 的信号噪声比。这种情况下，对于测试分辨率的要求可以略微降低。 皇! 型垫盔兰翌主兰些堡苎 一一一 图卜i光纤通信网对o t d r 的要求 1 2o t d r 国内外发展动态 o t d r 是测试光纤传输链路特性的仪器，它以瑞利后向散射理论为基础。后向散 射理论由b a r n o s k i 和j e n s e n 于1 9 7 5 年首次提出“1 。1 9 7 6 年p e r s o n i k 对后向散 射技术作了进一步的研究与发展，并通过各种实验数据，建立了多模光纤的瑞利后 向散射功率方程0 1 。1 9 8 0 年b r i n k m e y e r 将后向散射技术应用于单模光纤，推导出 同样的关系，论证了瑞利后向散射功率方程不仅适用于多模光纤，也适用于单模光 纤。1 。1 9 8 4 年h h a r t o g 和m a r t i np g o l d 进一步从理论上对单模光纤的后向散射 理论进行了阐述，并论证了后向散射系数与光纤结构参数的关系o ”。 随着光纤与光通信技术的发展，o t d r 经历了由短波长( 0 8 5 u m ) 到长波长 ( 1 3 1 u m 、1 5 5 u m ) ，由多模光纤到单模光纤这一发展过程。目前由于光纤通信系 统无中继传输距离的增加以及密集波分复用光传输系统的实用化，光纤的损耗越来 越低，光纤传输网越来越复杂。国内外的o t d r 都向着高性能( 大动态范围、高分辨 率) 、新波长( 1 6 u m 带) 、新结构形式( 总线型、便携式) 、智能化、模块化等方向 发展。 单模光纤的后向散射功率要比多模光纤的后向散射光功率低l o - 1 5 d b ，而且长 波长探测器的灵敏度要比短波长的低 随着光纤通信系统的中继距离不断增加， o t d r 可以探测的功率越来越低，信噪比下降，只有增加o t d r 的动态范围，才能满 足日益发展的单模光纤通信系统的需要。增大动态范围在硬件上考虑通常采用两种 方法来实现： 一是增大入纤光功率方法：采用各种类型的大功率激光器来提商入纤光功率。 2 一 电子科技大学硕士学位论文 早期采用如n d ：y a g 激光器和e r ”：玻璃激光器，据报导g o l d 和h a r t o g 使用n d ： y a g 激光器，最大动态范围为4 1 d b 嗍；n a k a x a w a 和t o k u d a 使用e r “：玻璃激光器， 其动态范围为3 4 d b “。使用这一类激光器，其主要的缺点是激光器的体积大，有的 需要液氮冷却，不适合现场应用。近几年，随着半导体激光器的发展，特别是面向 o t d r 的半导体脉冲激光器( 连续功率5 0 8 0 m w ，峰值功率可达5 0 0 m w ) 的出现，因 此在成熟的o t d r 产品中均采用半导体激光器作为光源，并采用一定的探测后信号 处理技术如数字平均处理、数字滤波等，目前已有动态范围达4 5d b 的产品出现。 二是提高接收机的灵敏度：提高光接收机的灵敏度是增加o t d r 动态范围的另 一种有效方法。从探测方法上讲有光子计数n m 和光相干探测等方法，但更多的是采 用直接探测方法，再加上探测后信号处理方法，通过探测后信号处理进一步提高接 收机的接收灵敏度。这时常使用带致冷器的探测器、低通滤波器和高速数字平均处 理器等，通过降低探测器的暗电流和抑制系统噪声来提高接收机的信噪比，从而提 高整个系统的动态范围。 随着光纤区域网和分布式光纤传感器的发展，要求o t d r 具有极高的定位故障 的能力，就是要有很高的分辨率。提高o t d r 的空间分辨率，主要有三种方法：( 1 ) 窄 脉冲探测，( 2 ) 非线性探测，( 3 ) 低相干干涉测量。具报道窄脉冲( f = 4 6 p s ) ，空间 分辨率达到5 m m 。“。f o n t a i n 使用亚皮秒的窄脉冲和3 0 0 w 锁模激光器，通过非线性 探测获得1 5 u m 的空间分辨率。“。d a n i e l s o n 和w h i t t e n b e r g 使用低相干c w 光源进 行干涉测量，相干长度分别为5 0 h m 和1 3 0 h m 时，空间分辨率达到3 8 0 u m 和l u m 。“。 增加o t d r 动态范围传统的方法一是重复采样，取平均来提高分辨率，二是增 加发射信号的能量。重复采样要耗费更多的时间，而由于激光器的限制，功率不能 过大，只能增加发射信号的脉宽，而脉冲宽度的增加会降低距离分辨率。使用相关 技术可得到较为理想的结果。”。目前相关o t d r 技术也取得了一定的进展。 采用具有良好的白相关特性的数字序列作为探测脉冲，如纠错码序列、m 序列， 格雷互补序列等。周期性伪随机码如周期m 序列”、单周期格雷互补序列等具有理 想的自相关特性，并且没有旁瓣，可以提高o t d r 的测量动态范围。这些方法可以 大幅度的提高o t d r 的动态范围，达到3 0 d b 以上。h p 公司推出的使用这种技术的 o t d r 如h p 8 1 4 5 a 等距离分辨率达到1 m ，最大测试距离达到2 0 0 k m ，动态范围达到 2 8 d b ，并且测量时间比传统的o t d r 缩短了1 5 0 倍o ”。 由于密集波分复用技术的日益成熟，并逐渐商用化。在建立在线监测系统时最 好是使用1 6 u m 带的波长资源，这样可以不占用通信用的1 5 s u m 带的波长资源， 可以在通信的同时进行在线监测。国外开始了对1 6 u m 带的o t d r 技术研究。1 b u m 带的光在光纤中的传输损耗更大，要获得高性能的o t d r 的主要问题集中在如何产 生1 6 u m 带的高功率光源。1 9 9 8 年，t o s h i y as a t o 使用可调谐的拉曼光纤激光器 获得了2 2 5 d 8 的动态范围。 皇王型塾查兰堡主兰垡望苎一 现代的o t d r 要求与计算机要有高速率的数据交换能力，增强应用二次开发能 力。传统的o t d r 通常只提供r s 2 3 2 接口，数据传输率低，二次开发能力差。而具 有总线接口的o t d r ，不仅具有高的数据传输率，而且可将测量数据传给计算机，由 计算机作信号处理；同时计算机可对o t d r 进行控制，对o t d r 的测试条件、参数进 行设置，实现o t d r 的软件仿真，使o t d r 具有较强的二次开发能力。这也是目前的 o t d r 的发展方向。 o t d r 的价格一般都较为昂贵，并且随着动态范围的增加而大幅度增长，目前国 际著名的o t d r 生产厂商如e x f o ，安捷伦，h p ，安立等都为同一种机身设计了适应 不同动态范围要求的模块，可以很方便的更换。一些厂家还为不同的测试波长设计 不同的模块。 总之，大动态范围、商分辨率、多波长、模块化、智能化是o t d r 性能的发展 方向。为实现对d w d m 系统的在线监测，需要发展大动态范围、高分辨率o t d r ，以 满足光通信技术发展的需要。 1 3 本论文研究的目标与主要内容 传统的o t d r 的脉冲宽度一般都可以调节，以适应不同测量的需要，但是当为 进行长距离测量而选择较宽脉冲时，会带来分辨率的下降。传统的o t d r 很难做到 分辨率达到1 m 的同时测试距离达到上百公里的。因为分辨率达到1 m 需要非常高采 样速度，并且要求发射非常窄的脉冲，至少达到l o n s ，这么窄的光脉冲传递到上百 公里后已经非常微弱了，即使通过多次平均也很难提取出来。 采用编码信号代替单脉冲可以解决上述矛盾，此时，响应的分辨率取决于编码 序列的码员宽度，不取决于编码序列的总长度。然而，信号的能量取决于编码序列 的相关长度，其相关长度越长动态范围越大。本文研究的目标就是实现使用发射编 码信号的o t d r ，用相关技术来提高o t d r d 的性能。 o t d r 中采用的数字编码制式有两种：一种是纠错码序列，一种是伪随机序列。 纠错编码序列原本是数字通信系统中的一种具有检测错误能力的编码序列，其长度 有信息位和检测位组成。o t d r 中不是利用它的纠错能力，而是和伪随机序列一样， 利用它们的相关特性来提高其信噪比。 o t d r 的运算量非常大，传统的o t d r 为提高信号噪声比采用的信号处理方式一 般是平均运算，需要耗费大量的系统资源。使用伪随机序列的o t d r 采用相关运算， 大大减少了信号处理的量。 使用编码序列的o t d r 具有很高的信号噪声比，并且具有大的动态范围。完成 相同的测试任务，所需要的时间远小于传统的使用单脉冲的o t d r 。动态范围达到 5 0 d b 以上的o t d r 需要使用这种技术。 - 4 电子科技大学硕士学位论文 伪随机码相对于白噪声易于产生和重复，它的功率在很宽的频带内是均匀的， 而且自相关函数具有占函数的形状。伪随机码虽然有两个电平，但却具有类似白噪 声的相关特性。只是其幅度概率分布服从高颠分布。 我们可以利用伪随机序列的平衡特性和游程特性用计算机或逻辑电路很方便 的生成所需要的伪随机序列。并且可以在不改变硬件的前提下，根据具体的测量需 要，随时更改伪随机序列的长度。 伪随机序列具有良好的自相关特性，我们用o t d r 探测回的信号和本地发射的 信号作相关处理，根据相关结果的图形中的波峰所在的位置，判断出光纤的断点或 焊接所在的位置。 如果相关的图形中波峰旁有旁瓣，将带来定位精度的下降，所以，适合o t d r 使用的伪随机序列应没有旁瓣或者旁瓣很低。比较适合的有单周期的格雷互补序列 和周期性的m 序列等。格雷互补序列只需要发单周期就可以消除旁瓣，运算量较小 】， 激光器的负担也不大，而周期性的m 序列运算量比较大随3 ，本文重点讨论使用格雷 互补序列作为探测脉冲。 这些伪随机序列在雷达测距，超声波测距中已经有些使用。但值得注意的是， 在光纤中只能传输正的脉冲，因此，还需要一定的信号处理的方法才能在o t d r 的 探测中使用伪随机序列。 使用格雷互补序列o t d r 设计指标： x ：1 5 5 u m 动态范围：3 8 d b 空间分辨率；蜘 采样速率：2 0 m h z 码员宽度：1 0 n s 一2 u s ( 四种可选) 格雷互补序列长度：4 1 2 8 ( 四种可选) 5 - 皇王型苎查堂堡主兰垡笙茎 第二章o t d r 的原理与结构 2 1 0 t d r 工作的理论依据：后向散射理论 光在光纤中传输产生两种反射：一种是在光纤芯纵向上局部折射率跃变变化 产生的菲涅耳反射光；另一种是由于材料不均匀产生的瑞利散射光。 光纤本身的缺陷和掺杂组分的非均匀性，使得在光纤中传播的光脉冲发生瑞 利散射o “。散射在整个空问中都有功率分布。当然也存在沿着光纤轴向向前或向 后的散射，通常称沿轴向向后的瑞利散射为瑞利后向散射，它提供了与光纤长度 有关的衰减细节n 。 后向散射方法第一次由b a r n o s k i 和j e n s e n 在1 9 7 6 年提出，用来测量多模 光纤的衰减特性。尽管这种方法己得到多位学者的实验验证和进一步发展，但它 还不能用于对单模光纤后向散射分析，因为几何光学不适合对单模光纤的后向散 射进行描述。需要采用波动理论对单模光纤的瑞利后向散射作以分析，建立单模 光纤的后向散射功率方程，为单模光纤o t d r 的设计提供理论依据。 光脉冲在距离注入点为z 时的散射要在t = 2 z v 才返回注入点( v 为光纤中的 光速) 。光脉冲沿整个路径激发的瑞利散射到达接收器，形成一个连续的按时序 分布的强度信号，每一个时刻信号的强度都唯一对应着相应位置的瑞利散射强 度，o t d r 就是根据这一点得到光纤长度上每一点的信息的。 设注入光纤的光脉冲峰值功率为删，则光脉冲沿光纤传输到z 处，在光脉 冲输入端所得到后向散射功率为p 。，即是在注入光脉冲后，经过时间f ：丝，发 v g 射端接收得到的后向散射功率b 。o ) 就应为“： 尸。( f ) = 每- e ( o ) r a 。( = ) 占( z ) e x p ( - 2 ) ( 2 1 ) 占( z ) 为在z 点散射的光返回入射方向的百分比“3 雕) = 丽3m 斋耘( 华m 麟( 挑( 2 - 2 ) v 。为光纤中的群速度 p ( 0 ) 为峰值功率 f 为发射光脉冲宽度 电子科技大学硕士学位论文 ( z ) 为瑞利散射系数 口为光纤的损耗。 v单模光纤的归一化频率 a单模光纤的芯径 n 2 单模光纤的芯区和包层折射率 旯波长 w 模场宽度 令口= 去b ( z ) a ，v g ( ，) = p ( o ) 研e x p ( - 2 g 2 ) ( 2 - 3 ) 通常称卵为后向散射因子，单模光纤的玎为 o w j 左右“。从公式( 2 - 1 ) 到 公式( 2 - 3 ) 可以看出后向散射光功率与距离( 对应着时间) 的关系，这就是o t d r 被称为光时域反射计的原因。 后向散射功率的大小不仅与后向散射系数曰( z ) 或后向散射因予r 有关，而且 于入射的初始光功率晶、散射衰减系数口。、衰减系数口等有关。单模光纤的后 向散射功率方程是进行o t d r 设计的理论基础。 设注入光脉冲峰值功率为只，如果能够测得z 。、z z 处的瑞利散射光回传到光 脉冲注入端的光功率p ( z 。) 、p ( z ：) ，即可求得z t 和z z 间前后向传输的平均衰减 系数口 口= 去l o g 筹 c z a ， 在o t d r 测量中，与距离有关的信息是通过时间信息而得到，o t d r 发出的测 量脉冲与接收机接收的后向散射光的时间差，利用折射率i i 值将这一时域信息转 换成距离信息： ：旦 ( 2 5 ) c 真空中的光速( 3 1 0 8 m s ) 利用公式( 2 5 ) ，o t d r 可以进行准确的事件定点。o t d r 可以非常精确地测量 后向散射光功率，并通过公式( 2 4 ) 与公式( 2 - 5 ) 来测量沿光纤长度上任一点光纤 链路衰减特性的微小变化。光在不同折射率的两传输介质边界会发生菲涅耳反 射，菲涅耳反射光比瑞利后向散射光要强的多，o t d r 用此现象来准确地确定沿 电子科技大学硕士学位论文 光纤长度上不连续点的位置如断裂点等。 在光纤的测试端注入光脉冲，光脉冲传输过程中产生后向散射光，后向散射 光在光纤的导引下回到光脉冲的注入端，用光电探测器进行光电转换，经过一定 的信号处理，就可获得后向散射光所携带的光纤链路的传输特性信息 o t d r 接收的信号信噪比很差，背向瑞利散射信号淹没在噪声之中。要使用 先进的微弱信号处理技术如数字平均、数字滤波，相关等方式，提取信号。 分辨率决定了所能区分的两个故障点间的最小距离。信号噪声比决定了在 一定平均次数下所能测量的最大距离。测量的分辨率决定于脉冲宽度，脉冲越窄 分辨率越高。如单脉冲的o t d r 的脉冲持续时间f ，如果f = l g s ，即使在理想的条 件下分辨率也不可能大于1 0 0 m 。 另一方面，接收的信号能量和入射脉冲的能量成正比，激光器的峰值功率是 有限的，为了提高入射光脉冲的能量只能采用增加光脉冲宽度的方法，因此传统 的使用单脉冲的o t d r 的分辨率和信噪比( s n r ) 是相互制约的。 本文后面介绍的使用相关技术的o t d r 就是在注入脉冲和信号处理方面做一 些工作，在不大的改变o t d r 整体结构的前提下，大幅度提高o t d r 的性能。 2 2 o t d r 的技术指标及其提高途径 对o t d r 的性能参数的了解有助于o t d r 的设计和使用。o t d r 的性能参数包 括动态范围、分辨率、精度、盲区等，其中最为重要的是动态范围( 信噪比) 和 分辨率( 距离分辨率) 。在设计o t d r 时也主要考虑这两个参数，只有对其进行精 心设计才能获得高性能的o t d r 。 2 2 1 动态范围及其提高途径 动态范围是o t d r 主要的性能指标参数之一，它决定光纤的最大可测量长度。 动态范围越大，曲线线形越好，可测量的光纤链路的距离也越长。动态范围目前 还没有一个统一的标准计算方法，通常定义为：始端的后向散射功率与噪声的峰 值功率间的d b 差。”。 肚l x l o l g 【半 - 5 l g 牟) ( 2 _ 6 ) 只接收灵敏度 r 后向散射因子 式( 2 6 ) 中为给出单程的动态范围而引入了1 2 这个因子。这个公式是一较 为理论化的公式。为了体现探测后电信号处理得到动态范围的改善，o - - i n n 夕b - 电子科技大学硕士学位论文 个有实际意义的公式。”： r = 去【r 一一( + c ) + s n r ( 2 7 ) 二 r 光电二极管可探测的最小光功率 c在光接收机中的损耗包括耦合器中的损耗 s n r 光探测后信号处理提高的信噪比 l = - l o l o g ，o 【s 口；v 2 r v 2 传输损耗 公式( 2 7 ) 体现探测后的信号处理对o t d r 动态范围提高的贡献。从公式( 2 6 ) 和 ( 2 7 ) 可以看出，一般来讲，要获得大动态范围有三种途径： l ：提高入纤光脉冲峰值功率e 0 2 ：提高接收机的接收灵敏度； 3 ：数字信号处理； 在方法2 中常常通过降低光电二极管可探测的最小光功率r ；同时要使用探测 后的信号处理方法提高接收机的信噪比，还要对系统进行抗干扰设计，来提高系 统的动态范围。 在具体的设计过程中，首先就是设计光发射机、光路系统提高入纤光功率。 2 2 2 分辨率及其提高途径 分辨率是o t d r 的又一关键参数，o t d r 有四种主要分辨率指标：取样分辨率、 显示分辨率( 又叫读出分辨率) 、事件分辨率和距离分辨率。”。 取样分辨率是两取样点之间的最小距离，此指标决定了o t d r 定位事件的能 力。取样分辨率与脉冲宽度和距离范围的大小有关。 显示分辨率是仪器可显示的最小值。o t d r 通过微处理系统将每个取样的间 隔细分，使光标可在取样间隔间移动，光标移动的最短距离为水平显示分辨率、 所显示的晟小衰减量为垂直显示分辨率。 事件分辨率是指o t d r 对被测链路中事件点的分辨门限，o t d r 把小于这个阈 值的事件变化当作曲线中的均匀变化点来处理。事件分辨率由光电二极管的分辨 率决定。 距离分辨率指仪器所能分辩的两个相邻事件点间的最短距离，与脉冲宽度， 折射率参数等有关，是表征o t d r 性能中较为常用的参数。通常所说的分辨率就 是指距离分辨率，它和测量脉冲宽度、折射率参数有关。 ，：妻v 。r ( 2 - 8 ) 电子科技大学硕士学位论文 v 。群速度 f 脉宽 传统的o t d r 通常通过改变测量脉冲宽度来控制其分辨率，1 u s 宽的测量脉 冲对应着1 0 0 米的分辨率，因为l u s 时间内，光脉冲在光纤中传播的距离就有两百 米，考虑到o t d r 发射的光脉冲在光纤中是往复传播的，因此单程1 0 0 米以内是无 法分辩的；提高分辨率只能通过缩短( 2 8 ) 中的f ，要得到比( 2 8 ) 算得的更 小的分辨率，只能通过使用相关技术。 2 3o t d r 的结构 o t d r 的系统方案如图2 1 。 图2 一lo t d r 系统原理框图 图2 1 中的o t d r 原型中包含了所有的可以使用光电信号处理技术，光电探 测器将光信号转换为电信号，供后续电路对其进行硬件信号处理，经a d 采样后 由v c + + 进行软件信号处理。信号处理器则可能是数字平均器、滤波器或相关器 等，根据所采用的具体方案而定”“。 在上面的信号处理技术中，相干探测借助本地光光功率的提升( 在g 处将采 样回的光信号与本地信号相干) ，接收机的灵敏度可以达到散粒噪声极限o ”； 但相干探测对偏振的依赖性狠强，不容易得到实际的实用系统。 直接探测加数字平均的方法最为简单成熟，是o t d r 设计中使用较多的一种 方法：并且随着计算机技术和数字信号处理技术的发展，用数字平均加上数字滤 波的方式能够获得更好的测试系统“。 电子科技丈学硕士学位论文 o t d r 是一种峰值功率受限系统，在提高动态范围时会牺牲分辨率。这是使 用单脉冲o t d r 无法解决的问题。相关技术能较好地解决这种矛盾“卟。，同时还 能缩短测量时间，是一种有发展前途技术；由于光编码的特殊性( 无极性编码) ， 要找到一种好的编码序列和相应的信号处理算法较难，比较适合的有格雷互补序 列，周期m 序列，以及纠错码等。”。配合使用通过发射单极性码通过一定的信号 处理方法( 把双极性码的正、负码提取出来，分别发射) 可以得到发射双极性码的 效果。 在进行使用伪随机序列的o t d r 试验系统设计时，整个o t d r 测量的控制由计 算机通过v c + + 实现。探测脉冲的产生通过c p l d 实现。计算机通过a d 采样卡采 集电信号，使用v c + + 实现数字平均和数字滤波以及相关等信号处理，最后在计 算机显示器上显示出来。 2 4o t d r 的软件系统 o t d r 同时必须提供强有力的软件工具，构建虚拟仪器系统。软件主要完成 测量控制和信号处理以及显示的功能 测量控制包括发射脉冲宽度的选择，平均次数的选择等，如果使用相关技术， 还需要包括伪随机序列的长度选择等。还需要进行发射脉冲和信号采样的同步控 制。信号处理包括数字平均，数字滤波，相关等等。 接收机将接收到的光信号转换为电信号并进行后续处理后，输出，计算机通 过a d 采样卡( a d 采样卡要求有较高的速度和灵敏度，它的性能和o t d r 的性 能有很大的影响) 将信号读入计算机中，经过一定的信号处理后，在显示器上显 示出来，我们就可以根据图像上的一些特点了解到被测量光纤的情况了。 v c + + 构成的软件系统完成信号的处理的功能，并且把处理后的信息显示出 来。o t d r 的软件系统还应有分析数据的功能，可以自动分析被测光纤上事件发 生的距离，光线的损耗等。 电子科技大学硕士学位论文 第三章在0 t d r 中使用相关技术的方法 前文提到，o t d r 的测量分辨率和测量的动态范围之间存在着矛盾，也就 是说o t d r 最为重要的两个参数之间不能兼得。即使采用了很多方法，如提高 接收机灵敏度，增加对后向散射信号的平均次数等方法，对o t d r 性能的提高 总是有限的。 使用发射伪随机序列脉冲，并对光接收机接收的后向散射的信号和发射的 伪随机序列进行相关处理的方法可以解决这个矛盾。这样，测量的分辨率等于脉 冲序列的单个码员所对应的分辨率( 如前文所述，1 0 n s 的脉冲宽度对应l m 的分 辨率) ，而脉冲的能量增大为l 倍( l 为伪随机序列的长度) 。相应的动态范围也 增加了。 一些雷达测距和激光测距的方法中使用了相关的方法；发射伪随机码，并 对采样信号和本地信号相关，根据相关结果中波峰的位置判断测量距离“”。但是 单纯的测距对旁瓣的要求不高“”，o t d r 要给出沿整个光纤分布的特性，旁瓣会 影响o t d r 的性能。非周期的单极性序列的自相关函数都存在着旁瓣，不适合 在0 t d r 中使用。周期性的m 序列没有旁瓣，性能较好，在一些o t d r 中有所 应用，但是由于需要连续发射很多个周期的序列，对光发射机连续工作的能力要 求比较高，相关运算的计算量也比较大。 格雷互补序列除了具有伪随机码的特性外，它还具有没有旁瓣的特点，特别 适合在0 t d r 中使用。并且它的产生有规律可循，易于用门电路搭成产生电路。 采用c p l d 来实现这一功能。因为它灵活方便，可以在不改变硬件的前提下改变 发射脉冲的码形，完成多种测量需要。具体的设计在后面介绍。 格雷互补序列是双极性的。显而易见，光纤中不能传送负的脉冲，只有通过 一定的算法才可以通过传送正的光脉冲达到传送双极性脉冲的效果。”。 3 1 格雷互补序列 格雷互补序列的定义如下： 长为l 的对序列a k ，b k ，如果他们的自相关函数的和除了零位移外，处处为 零，那么说这两个序列为格雷互补序列。实际上，格雷互补序列中的一对序列都 存在着旁瓣，只不过相加后对消掉了。 a a + b r 十b = 2 l & 1 2 电子科技大学硕士学位论文 耻躲： 术为相关运算，两个序列x k 吵。的相关函数为 ( 3 1 ) l 一1 一k - t + l l x 彭卓y 女= x 删y 扰越= z 掰一i y 册( 3 2 ) m = om = b 如下图所示，以一组2 5 6 位格雷互补序列为例，图1 的两个曲线为格雷互补 序列的自相关函数。可见，格雷互补序列中的一个的自相关函数的峰值等于码的 个数( l ) ，旁瓣大约有峰值的1 0 左右，而当两组自相关函数相加后，峰值增 加为原来的二倍( 2 l ) 而旁瓣完全对消掉了。 ( 幅度) ( 幅度) ( 长度k m ) ( 长度k m ) 图3 - 1 ( a ) 第一码相关函数 图3 1 ( b ) 第二码相关函数 图3 1 格雷码自相关图像 ( 幅度) 【长胜k m ) 图3 - 2 相关函数之和 从图像中可见，通过相关运算，格雷互补序列的每一个码员都对峰值有贡献， 也就是说发射一组码长为l 的格雷互补序列，等于发射l 次单脉冲并将结果迭 加；旁瓣完全对消掉了。 这两点就是格雷互补序列应用于o t d r 的理论依据。 基 电子科技大学硕士学位论文 3 2 格雷互补序列的产生 实现发射格雷互补序列作为探测脉冲的相关技术的o t d r ，首先需要产生格 雷互补序列的电脉冲。格雷提出了多种产生格雷互补序列的方法。其中一种比较 常用的方法是附加法。它根据长度为l 的格雷互补序列产生长度为2 l 的格雷互 补序列，再根据长2 l 的序列产生长为4 l 的序列，依此类推。“。 g 卜雠) 否代表b 取反，即把1 变成1 。l 代表连接。a l b 就是把b 序列放在a 序 列的右边。下面给出长为2 、4 、8 的格雷互补序列的产生过程： g ) 一 ：】- 。 一r ；：i ，_ 1 ) l ， l ，1 - 1 ,l ，l - 1 , 1 l 【1 ， 1 ，1 ，一1 ，一1 ，一1 ，1 ， 一1 j 这个过程可以一直继续下去，产生1 6 、3 2 、6 4 等长度的伪随机序列。注意 到这种方式产生的格雷互补序列是双极性的( 值为土1 ) 。我们利用这种特性，可 以用c p l d 的可编程门阵列搭成电路，输出格雷互补序列。具体的方法将在下一 章中介绍。 3 3 在0 t d r 中使用相关技术的原理 相关技术能够使o t d r 在很短的时间内得到很好的测量结果。可以解决 o t d r 测量中测量分辨率和测量动态范围的矛盾。下面推导了相关技术应用于 o t d r 的理论依据。 设h 。为被测光纤的脉冲响应，a x , 取是耦合入光纤的一组格雷互补序列。则 a 。，b 。的响应分别为： x ：= a x 固h i x ：= b ；o 阮 ( 3 - 3 ) 卷积和相关符合分配律和结合律：将如，b 。的脉冲响应x ：，x ：与4 。，b 。相关， 得到的函数分别为 y ；= a x + 薯= a x * a x 。也( 3 4 ) y t = b x x ：= b t bk 圆h i 将两个相关函数相加 - 1 4 - 电子科技大学硕士学位论文 y = y ；+ y ：= 2 l & io h k ( 3 - 5 ) 光纤的脉冲响应曲线基本上是指数型的，指数衰减上迭加了接头断点非连续 反射等信息。可见，y 。中包含了光纤的脉冲响应函数的信息，根据y 。可以判断出 光纤的特性，包括损耗系数，缺陷，接头等等。 注意到重构的响应比数字脉冲响应k 大2 l 倍，信号增强了2 l 倍，有利于提 高0 t d r 的信噪比即动态范围。 3 4 在0 t d r 中使用双极- 眭格雷互补序列的方法 0 t d r 中只能传送正的光脉冲，因此，不能象在超声或微波测量距离的应用 中那样使用双极性的格雷互补序列。解决的办法是对0 t d r 发射的信号进行强度 调制。 具体的方法是偏置双极性的码到峰值的一半。把原来的两组双极性脉冲序列变成 四组单极性脉冲，用这四组脉冲序列去探测光纤，将响应与发射脉冲相关，最后 通过对这四组相关曲线的运算得到响应特性。 首先，把格雷互补序列a kb 。按照定的偏置规律分别分成u 。，瓦和 ，哌，p 为偏置常数。 u = 卢( 1 + a ) u 。= p o 一4 。) 玎名= f l ( 1 + b k ) = f l ( 1 一b x ) ( 3 - 6 ) 1 取偏置常数声2 专则 a = 1 a r = 一1 a = 一1 彳f = 1 b = 1 b f = - 1 nonlno = = = 瓦 畋 电子科技大学硕士学位论文 畈= 器 b k = 一1 b k = 1 注意到：a t = 1 时，u k = 1 ，u = 0 a = 一1 时，u = 0 ，u = 1 差u 斗 rr _ 下一 叫生一 ( 3 7 ) 0 ，1 ( 3 - 8 ) 图3 - 5 双极性格雷码变单极性格雷码示意图 由上图及公式可见，用两个单极性脉冲取代格雷互补序列中的一个脉冲 送入光纤，再将探测回的两组脉冲响应相减，可以得到了和一个双极性脉冲 相同的结果。具体的工作方法如下： l ：将按公式计算得出的四组单极性互补序列送入光纤，可见第一和第 二组序列相减得到格雷互补序列的第一码，第三和第四相减得到格雷序 列的第二码： 2 ：分别探测它们的后向散射信号：第一和第二组单极性互补序列的后 向散射信号相减，和格雷互补序列的第一码进行相关；第三和第四组单 极性互补序列的后向散射信号相减，和格雷互补序列的第二码进行关。 3 ：将两个相关得到结果相加，由此可以得到光纤的特性h 。 具体的证明如下： x r = ( h o “ 一h 0 瓦) 十a r - 1 6 一 和组两成分就 二畈 h 一 一 _ ：的如昧 一 醌 电子科技大学硕士学位论文 k = ( h 女圆w 女一h 女 瓦) $ 口f z = x r + k = h io ( 爿x a r + b k b k ) = 2 工以玩 ( 3 - 9 ) 最后的相关结果中包含了脉冲响应h 。，根据z ；可以得到对光纤特性的估 计。 3 5 信噪比分析及动态范围估计： 使用互补码的o t d r 发射四组脉冲，取回脉冲响应，第一组的脉冲响应减去 第二组的脉冲响应，第三组的脉冲响应减去第四组的脉冲响应，得到的两个结 果分别与格雷序列的两个码相关，最后将相关的结果相加。 格雷互补序列中的每一位都会产生一个独立的脉冲响应曲线，最后探测到 的响应曲线可以看作是这些曲线的叠加。使用相关的信号处理方法的实质就是 重新排列这些叠加在一起的信号，使这些曲线的时间轴重叠，相关的结果的峰 值增大为单脉冲响应曲线的l 倍( l 为格雷互补序列的位数) ，而分辨率仍为 单个脉冲的分辨率。 如发射长度为2 5 6 位的格雷码，得到的结果峰值为发射单个脉冲的2 5 6 倍， 而距离分辨率和单个脉冲一样，可以看作是重复发2 5 6 个单个脉冲，将响应结 果叠加，而所用时间并不增加。 由于 1 萝发射四组脉冲才能计算得到一个相关结果，也就是说，在使用相关 技术的o t d r 得到一个相关结果的时间内，使用单脉冲的o t d r 可得到 四组响应曲线； 2 相关运算所需的时间是远远大于平均运算的。但平均运算是线性的， 重复发这四组脉冲，分别取他们的平均，得到的效果和每次得到一个 相关结果再平均是一样的。这样，在平均次数较多的情况下，相关所 多用去的时间就不用考虑了。 所以，在平均次数比较多的情况下，得到相同的结果，使用互补码所需要 的 时间为使用单脉冲工作方式的4 l ( l 为格雷码的位数) 。也就是说，在相同的 时间内，使用互补码的o t d r 相当于比使用单脉冲的o t d r 多平均l 4 次。噪 声增强三2 倍，而信号增强了l 4 倍 竺竺：罂：宰 ( 3 1 0 ) s n r p v 一。了丽2 t 一1 7 电子科技大学硕士学位论文 可见使用互补序列的o t d r 的信噪比比使用单脉冲的o t d r 增强了z 2 倍 下面讨论动使用相关技术的o t d r 的动态范围的改善，首先考虑单脉冲无 平均的o t d r 的动态范围。信号为 y = e o r r ( 0 ) f ( 0 ) 噪声为 盯，= 矗( o ) 誓日忸 ( 3 1 1 ) ( 3 t 2 ) e o 为脉冲能量 f ( 0 ) 为初始散射 ”为耦合系数， r ( o ) 为直流传输阻抗。 为噪声等效功率 考虑长为l 的格雷互补序列连续发射n 次后，信号增强n l 倍，而噪声增 强 伍倍，因此使用相关技术的o t d r 的信噪比为 、n l _ e o f ( o ) e ： ( 3 1 3 ) d 一 取对数，使用互补码的o t d r 的动态范围为。” f ( o ) d b + e o l a b 一只口 a b + 1 5 d b ( n o 。+ 上。卜2 z c t d b k m 】 ( 3 - 1 4 ) 这个公式是o t d r 最重要的一个公式，可以用这个公式来描述使用相关技术 的0 t d r d = l 0 9 2 n l o = l 0 9 2 l ( 3 1 5 ) 可见，格雷互补序列的长度每增加一倍，o t d r 的动态范围就要增加