基于时域级联差分定位技术的OTDR空间分辨率突破

《Optical Fiber Technology》：Breakthrough on spatial resolution in OTDR using time-domain cascade differential positioning technique

　　

Hui Liu|Tong Zhao|Jinping Tian|Miaoqing Bai|Mingjiang Zhang

山西大学现代教育技术学院，中国太原030006

摘要

光时域反射仪（OTDR）是用于光纤链路检测的常用工具。由于受飞行时间原理的限制，其空间分辨率由光脉冲宽度决定，这就使得分辨率与检测范围之间存在固有的权衡关系。在本研究中，我们系统地研究了脉冲传播过程中反向散射信号的叠加特性及统计规律，为后续的信号解调框架奠定了坚实的理论基础。此外，我们还提出了一种基于OTDR的新型时域级联差分定位技术，该技术采用最简单的单探针结构，能够精确定位非反射区域。数值模拟结果表明，该技术的空间分辨率完全由系统采样率决定，从而有效规避了宽光脉冲所带来的传统分辨率限制。概念验证实验表明，在1微秒的脉冲宽度以及10吉萨/秒的采样率下，与传统单脉冲OTDR相比，其在相同工作条件下的空间分辨率可从100米提升至2厘米。因此，所提出的单脉冲OTDR架构能够同时实现光纤衰减分布的获取以及高空间分辨率的事件定位。

引言

光时域反射仪（OTDR）是用于测量光纤损耗分布及故障位置、分析故障成因的主要技术。它被广泛应用于光纤的生产与应用领域，包括光纤链路的衰减测量、光纤本身的质量检测，以及连接器与焊接点带来的损耗检测等[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。准确识别故障位置对于高效维护至关重要，因此提升空间分辨率对改善OTDR性能具有重要意义。

空间分辨率指的是系统在检测光纤沿线的故障信息时所能识别的最小空间单位[10]。OTDR的定位原理基于脉冲式的飞行时间法，而系统的空间分辨率则由脉冲宽度决定。然而，现有的大多数OTDR技术都致力于增加脉冲宽度以提高脉冲能量，从而实现更远的检测距离，但这不可避免地会导致空间分辨率下降。因此，基于脉冲飞行时间的OTDR技术在远距离检测与高空间分辨率之间存在着难以调和的矛盾[11]。

为了在保持监测距离的同时进一步提升OTDR的空间分辨率，研究人员提出了多种先进技术，主要包括脉冲编码OTDR[12]、[13]、[14]、[15]，数字线性频率调制OTDR（DLFM-OTDR）[16]、[17]、[18]，光子计数OTDR（PC-OTDR）[19]、[20]、[21]、[22]，以及相干OTDR（C-OTDR）[23]、[24]、[25]。脉冲编码OTDR通过使用简单码[12]、[13]、Golay码[13]、[14]以及互补相关普罗米修斯正交序列[15]，相当于在光纤中注入多个窄脉冲以增强脉冲能量，其空间分辨率仍由窄脉冲宽度决定，因此保持不变。不过，这种方法的编码和解码过程较为复杂，且当编码长度达到256比特时，编码增益不再有所提升[12]。DLFM-OTDR[16]、[17]、[18]通过将连续光调制为DLMF信号，并结合短时分数傅里叶变换进行数字信号处理和噪声过滤，从而获得较大的动态范围和高空间分辨率。其空间分辨率由DLMF信号的扫描频率范围决定，而非脉冲宽度，但信号发生器和调制器会增加系统的成本和复杂性。PC-OTDR[19]、[20]、[21]、[22]通过采用单光子检测技术，大大提升了弱信号检测能力，同时也实现了高空间分辨率和较大动态范围。然而，长检测时间以及探测器存在死区的限制，使得该技术难以大规模应用。C-OTDR[23]、[24]、[25]则用伪随机脉冲序列替代单个脉冲，探测器可同时获取参考信号和回波信号并对其进行互相关处理，通过相关峰值的延迟来确定故障位置。为了解决电子设备带宽不足的问题，还有研究用混沌激光替代伪随机脉冲[26]、[27]、[28]。此后，Dong等人将混沌激光与光脉冲相结合，弥补了混沌C-OTDR在衰减测量方面的不足[29]。该技术仅能实现反射事件的的高精度定位，而对于非反射事件，其空间分辨率仍然取决于脉冲宽度。不过，由外部因素引起的光纤非反射现象检测也是光纤故障检测领域中的重要指标。在我们之前的研究[30]中，通过基于相关性的方法实现了光纤中非反射事件的高空间分辨率定位，但该方法需要额外的参考路径，从而增加了硬件的复杂度和系统成本，而且仅适用于宽带光源，因此无法与传统的OTDR系统兼容。

在本文中，我们基于仅包含探测支路的传统OTDR架构，提出了一种时域级联差分定位技术，无需依赖脉冲宽度即可实现高精度的非反射事件区域定位。通过运用差分方法，分析了瑞利反向散射信号的叠加特性并将其消除。理论分析表明，空间分辨率仅与采样率有关。实验结构与参考文献[31]完全相同，后者只是通过用混沌脉冲光替代普通光源，从而提升了脉冲飞行定位OTDR的监测距离。实验在1微秒脉冲宽度以及10吉萨/秒采样率的条件下进行，最终获得了2厘米的空间分辨率，这一结果与理论分析一致。所提出的TDCD方案打破了脉冲宽度与空间分辨率之间的传统矛盾，能够在微秒级脉冲持续时间的情况下实现厘米级空间分辨率。值得注意的是，该TDCD方法也适用于采用常规脉冲源的OTDR系统，且仍能保持厘米级的空间分辨率，与光源类型无关。我们在这里选用混沌激光，是因为希望基于之前在参考文献[31]中的研究成果，进一步实现对光纤非反射事件的高精度定位。

需要指出的是，虽然参考文献[30]中也采用了二阶差分处理，但它与我们提出的方案有着本质区别。该文献中实现高空间分辨率的核心方法是基于混沌激光的相关性分析，主要侧重于混沌信号的相关特性。二阶差分处理被应用于混沌参考信号和反向散射信号上，用以提取非反射事件区域的混沌随机波动，然后将处理后的信号与经过差分处理的参考信号进行相关分析，通过利用两个超窄的相关峰值，实现了光纤中非反射事件的高空间分辨率定位。

相比之下，本研究的目标是在传统的基于脉冲的飞行时间OTDR系统中实现高空间分辨率。在这种系统中，由于瑞利反向散射信号的叠加效应，非反射事件的空间分辨率通常受到脉冲宽度的限制，一般在米级水平。在此研究中，我们采用二阶差分处理来提取每个空间点处的信号变化，因为非反射事件会在这些区域引发与其他区域相比的突变，从而实现精准定位。关键在于，这种方法的空间分辨率由采样率决定，而非脉冲宽度，这为根据实际需求平衡分辨率、检测时间以及其他性能指标提供了灵活性。此外，该方法对光源没有严格要求，即使是常规脉冲光也能实现高空间分辨率，而且不需要额外的参考路径组件，从而避免了硬件复杂度上升和实施成本增加的问题。

章节节选

瑞利反向散射信号的叠加特性

在基于脉冲的飞行时间法测量中，如果注入的光学脉冲可以近似为点源，那么脉冲的飞行时间与光纤上的对应空间位置就可以一一对应。但实际上，光学脉冲具有有限的持续时间，因此也具有有限的空间范围。这样一来，光纤输入端接收到的信号并非来自单一点的反向散射信号，而是多个反向散射信号的叠加结果

仿真验证

TDCD技术的核心在于沿着光纤逐点进行差分处理。因此，其理论上的空间分辨率由相邻采样点之间的最小间距决定，也就是采样率。在本节中，我们利用Matlab建立了仿真模型，以验证上述理论。

实验结果

TDCD技术的验证实验装置延续了之前论文[30]的结构，如图7所示。光源采用光反馈方式产生，中心波长约为1550纳米，光功率为0.2 dBm。混沌激光通过半导体光放大器（SOA，型号为OPEAK SOA220303）被调制为脉冲光，该器件同时具备调制器和放大器的功能。信号发生器则由任意信号发生器（ASG，品牌为CIQTEK）提供

结论

为了解决基于脉冲飞行时间法的空间分辨率存在的根本限制，我们提出了一种新型的TDCD定位方案，旨在基于最简单的OTDR架构实现高分辨率的非反射事件检测。该方案消除了反向散射信号的叠加效应，能够识别出被脉冲宽度覆盖的小规模事件区域，从而使空间分辨率不再受脉冲宽度的限制。通过仿真验证和概念验证

CRediT作者贡献说明

Hui Liu： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿撰写，研究工作，正式分析，数据整理。Tong Zhao： 文章撰写——审阅与编辑，研究方法，资金获取，正式分析。Jinping Tian： 文章撰写——审阅与编辑，研究指导。Miaoqing Bai： 文章撰写——审阅与编辑。Mingjiang Zhang： 文章撰写——审阅与编辑，研究方法，资金获取，正式分析。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们要感谢中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFF0715700）、国家自然科学基金（项目编号：62075151）以及山西省自然科学基金（项目编号：20210302123183）的支持。