基于光频域反射仪的机载光缆连接检测技术

陈 典, 莫文静, 赵正大, 徐 馗

成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都 610031)

光纤总线通信技术，凭借其大带宽、低延迟、强抗干扰等优势，在航空电子设备通信中得到越来越广泛的应用。但光纤通信质量与光纤连接和铺设情况紧密相关，当光纤连接不良(如连接器处光纤端面污损和接触不紧密)或者光纤铺设不规范(如过度弯曲和被异物顶起压住)时都可能会增大插入损耗(Insertion Loss,IL)和减小回波损耗(Return Loss,RL)。其中，IL主要增大光通信链路中的功率损耗，降低接收机灵敏度；
RL主要影响发射机光源性能。因此机载光缆(多束光纤成缆)检查是飞机总装和试飞阶段的重要环节。

现阶段，机载光缆连接检测主要通过光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer,OTDR)完成，其性能可以满足大多数检测的需求[1-2]。但OTDR的缺陷在于空间分辨率差，商用OTDR最优仅为分米量级，且存在“死区”问题，即强反射后的一段光纤无法被检测，而机载光缆网络中存在相距仅为厘米量级的两个连接器，如果其中一个出现故障，OTDR无法正确区分和定位，为排除故障带来不便，影响进度。

光频域反射仪(Optical Frequency Domain Reflectometer,OFDR)的优势在于空间分辨率高，且不存在“死区”，因此OFDR理论上可用于机载光缆网络的连接检查中。但目前国内外的商用OFDR设备仍十分昂贵，例如美国LUNA公司的OBR系列设备的价格高达百万人民币，而且该设备空间分辨率最高可达100 μm，远超机载光缆检测所需，这造成巨大的成本和性能浪费。

因此，针对以上问题，本文通过研究OFDR原理和关键技术问题，根据机载光缆检测的实际指标需求，有针对性地进行OFDR系统开发，以实现低成本、高效率的机载光缆连接检测工作。

OFDR的系统基本结构如图1(a)所示。可调谐激光器产生线性调频的啁啾光，经过光纤耦合器1后一分为二，一路作为探测光，另一路作为本振光。探测光通过光纤环形器进入待测光纤，在前向传输过程中，不断产生瑞利背向散射光(Rayleigh Backscattering,RBS)，RBS再通过光纤环形器返回。本振光和RBS在光纤耦合器2中发生干涉，干涉信号在光电探测器中转为光电流信号，等待数据处理。

OFDR定位RBS产生距离的原理如图1(b)所示。本振光和探测光同源，是啁啾光；
瑞利散射为弹性散射，不改变光频率，所以RBS也是啁啾光。啁啾光之间干涉后转为的电信号为单频正弦波，频率ΔF与RBS时延T正相关，根据光速可以计算得到距离L，计算公式为

图1 OFDR的基本结构和定位原理

(1)

式中：c为光在真空中光速；
n为光纤纤芯折射率；
T为RBS时延；
γ为啁啾光扫频速度；
ΔF为正弦波频率。最后通过频谱分析，即可获得RBS的位置信息。空间分辨率是OFDR的关键指标，其由啁啾光总扫频范围F决定，计算公式为

(2)

式中：F为啁啾光总扫频范围。式(2)成立是建立在啁啾光完全线性扫频且没有相位噪声的基础上实现的。但实际中，激光器必然存在相位噪声，且扫频不是完全线性的，导致空间分辨率发生恶化。因此如何产生窄线宽、大扫频范围、高线性度的啁啾光，是OFDR的关键技术。

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目前产生啁啾光的方式主要有2种，一种为内调制，即直接改变激光器腔长来调谐激光波长，其优势在于调频范围大，缺点是激光器不稳定且相位噪声大、非线性严重；
另一种为外调制，即通过外部调制器改变入射激光的波长，优势在于调制过程不影响激光器自身性能、线性度好，缺点是受限于射频器件带宽、调频范围小。不论是内/外调制，都需要进一步减小相位噪声和扫频非线性，通过鉴相/频器测得激光器相位噪声和非线性后，一种处理方式为负反馈，即反向调节激光器的输出，直接抑制激光相位噪声和纠正非线性；
另一种方式为补偿算法，即在数字域对相位噪声和非线性进行补偿。代表性的案例有Roos等[3]使用电流调谐的内调制激光器，根据自外差干涉仪鉴频结果，计算反馈量反向调节激光器调谐频率，最终得到4.8 THz扫频范围，空间分辨率可达47 μm；
上海交通大学Wang等[4]使用窄线宽光纤激光器通过铌酸锂强度调制器，对高阶边带进行调频，最终得到25 GHz扫频范围，空间分辨率达到4.2 mm。

2.1 光电路系统

如第1节关键技术部分所述，OFDR设备昂贵的原因主要在于激光器成本，例如LUNA公司使用40 nm扫频范围的可调谐激光器，辅以补偿算法，实现了22 μm超高空间分辨率指标[5]，但其成本和性能远超机载光缆检测所需。考虑到机载光缆检测的实际工况，确定所需OFDR指标，最优空间分辨率需≥5 mm，光纤最大测量长度需≥50 m。因此为降低成本，激光器选择可通过电流内调制的分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser,DFB)，激光器静态线宽约为100 kHz；
再通过噪声抑制算法，解决激光相位噪声和非线性扫频问题，可以满足所需指标。相比于大范围机械扫频光源，或窄线宽光纤激光器加外部调制器方案，这是成本最低的设计方案，OFDR系统结构如图 2所示。

图2 OFDR系统结构图

DFB激光器的驱动信号由数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)产生。激光频率与驱动电压大小正相关，因此DAC产生线性变化的电压信号，经跨阻放大器转换为线性增长的电流信号，驱动激光频率调谐。目前常规驱动信号波形为锯齿波，如图 3中红线所示。本系统采用三角形电压调制，如图3中蓝线所示，其目的在于提高激光扫频速度，以减小相位噪声对OFDR的影响[6]。在信号处理时，截取前后半段信号分别处理，二者处理方式相同，最后结果平均以保持信噪比。

图3 DAC输出的驱动信号波形

由于啁啾光存在相位噪声和扫频非线性，本系统采用非平衡马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)作为鉴相器，MZI的输出用正交接收机接收，两路正交信号为

(3)

式中:τD为光纤延迟线的时延;θ(t)为激光相位噪声和扫频非线性引入的额外相位变化;K为幅度系数;C为相位常数。当激光相位噪声小、线性度较好时，可以不用正交接收机，只需uII(t)或uIQ(t)一路即可，通过希尔伯特变换获得对应正交量；
当激光相位噪声大、线性度差时，uII(t)和uIQ(t)不再是带通信号，具有较多低频成分，需要正交接收器获得正交量，且可以减少希尔伯特变换带来的额外运算量。

啁啾光经耦合器分为两路，一路作为本振光进入偏振分集接收机，另一路作为探测光进入待测光纤，产生的RBS再回到偏振分集接收机，输出的两路偏振正交信号为

(4)

2.2 数据处理

模数转换器(Analog-to-Digital Convertor,ADC)以采样率fs将式(3)和式(4)中4路模拟信号转换为数字离散序列，分别记为uII(k)、uIQ(k)、uRX(k)和uRY(k)，其中k=1,…,K，K为正整数。它们通过PXI总线传输至工控机进行数据处理。

利用欧拉公式，提取MZI输出信号的相位φI(k)为

φI(k)=arg{uII(k)+j·uIQ(k)}

(5)

式中：arg{·}为取括号内复数的相位值；
j为虚数单位。

(6)

同样受激光相位噪声和扫频非线性影响，uRX(k)和uRY(k)中不同频率正弦信号的相位增长都为非线性。由于探测光产生的RBS光和MZI中的光同源，因此可以根据k′(n)对uRX(k)和uRY(k)重采样，降低激光相位噪声和扫频非线性的影响，重采样结果为

(7)

式中：Φ(n)为式(8)的随机采样。

(8)

式(7)与式(4)相比，最大区别是额外相位变化θ(t)-θ(t-τR)降为Φ(t)。当τR=τD时，理论上可以完全消除激光相位噪声和扫频非线性导致的影响，但τR与τD相差越多，则补偿效果越差[7]。

所需求的空间分辨率指标为5 mm，根据式(2)可知，激光器扫频范围F应为20 GHz，但为了减小频谱泄露，系统选用汉宁窗函数，导致理论空间分辨率恶化了约一半，因此所需激光扫频范围F为40 GHz。选用的DFB激光器的电流调频效率约为0.003 nm/mA(换算为0.375 GHz/mA)，激光器驱动器的跨阻放大器系数为150 mA/V，因此DAC需要产生电压范围为0～0.72 V的三角波信号，即可实现约40 GHz扫频范围的激光，达到所需空间分辨率。为了尽可能减少相位噪声影响，扫频持续时间需缩短，但也要保持DFB激光器稳定工作，所以设置正扫频持续时间为10 ms，负扫频持续时间为10 ms，共计20 ms。为了增大信噪比，使用掺铒光纤放大器(EDFA)作为光放大器，将光峰值功率放大到23 dBm。

OFDR探测距离除了与信噪比有关外，还与接收机带宽有关。计算后的扫频速度约为4 THz/s，光在纤芯中传播速度约为2×108m/s，探测距离指标要求50 m，根据式(1)，系统中偏振分集接收机带宽约为2 MHz，将ADC每通道采样率设置为10 MS/s，并加入了2.5 MHz低通预滤波器。

MZI输出信号的功率谱在使用抑制算法之前，由于激光器相位噪声和扫频非线性，具有非常宽的频率成分，呈洛伦兹形，其半高全宽(Full Width at Half Maxima,FWHM)约为1 kHz，如图 4中红线所示。经过线性重构之后，被压缩为单频正弦信号，如图 4中蓝线所示。

图4 重采样前后MZI信号频谱图

待测光纤选用一段总长约42 m的单模光纤，连接器类型为FC/APC，OFDR测试结果如图 5(a)所示,末端菲涅尔峰距离在42 m附近，将菲涅尔峰的FWHM定义为空间分辨率。由于频谱分辨率不够，所以截取末端菲涅尔峰再做插值，增加曲线上点密度，如图 5(b)所示，纵坐标为线性坐标，峰高的一半对应的宽度即为FWHM，约为4.8 mm。由于光纤越长，空间分辨率受相位噪声影响恶化越严重，所以光纤末端处空间分辨率优于5 mm，则可以认为系统空间分辨率优于5 mm。测试结果显示系统指标符合设计要求。瑞利曲线无偏振衰落噪声，但存在相干衰落噪声(Interference Fading Noise)问题，可通过变频平均方法进行去除，以提高读取IL和RL的精度[9]。

图5 42 m光纤测试曲线和末端菲涅尔峰曲线

测试一段实际机载光缆，其组成示意图如图 6(a)所示，OFDR接10 dB固定衰减器，减小UPC接头回波损耗对接收机影响，再通过转接跳线与机载光缆中某根光纤连接，两段光缆通过气密插座连接，气密插座处有两个连接器，最后光缆末端通过转接跳线转为FC/APC接头，以减小UPC接头与空气直接接触导致的强菲涅尔反射，避免接收机饱和。

由于气密插座(实物图如图6(b)所示)处两接头相距仅为4 cm，目前使用的OTDR设备空间分辨率最优仅为10 cm，完全无法区分二者，为故障定位和排除带来较大困难。本文所做OFDR系统，空间分辨率达到5 mm，可以正确区分二者，如图 7(a)所示。为便于比较，故意降低OFDR空间分辨率，恶化为5 cm，用于模拟目前商用OTDR的水平，对同一根光纤进行测试，两个连接器的反射峰混在一起无法被区分，就像一个单反射峰一样，如图 7(b)所示。测试结果体现了利用OFDR进行高空间分辨率测试机载光缆的优势。

图6 待测光缆

图7 机载光缆气密插座处反射曲线

针对现有测试机载光缆方式空间分辨率差、无法精确定位光缆中故障位置，导致故障排除效率低下的问题，提出搭建低成本OFDR系统，以满足机载光缆检测实际所需。使用电流驱动的DFB激光器产生高速扫频光，尽量降低激光器相位噪声影响；
并使用MZI作为鉴相器，在数字域根据提取的相位信息，重构采集到的光电信号，有效抑制激光相位噪声和扫频非线性，最终实现空间分辨率5 mm、最大测试距离50 m的OFDR系统。使用该OFDR系统对实际机载光缆进行测试，可以完全区分两个相距仅4 cm的连接器，相比于现在使用的OTDR系统，具有更高的排故效率。