基于通信編解碼的POTDR性能增強(qiáng)技術(shù)研究.pdf

1、光時(shí)域反射儀（Optical time domain reflectometry, OTDR）因其方便實(shí)用大量應(yīng)用于光纖參數(shù)測(cè)量中。其系統(tǒng)信噪比取決于光脈沖峰值功率，光脈沖寬度以及光探測(cè)器性能。因此，往往在光脈沖峰值功率以及光探測(cè)器性能無(wú)法實(shí)現(xiàn)低成本的提升情況下，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，系統(tǒng)的信噪比提升往往通過(guò)增大探測(cè)光脈沖寬度完成。但隨著光脈沖寬度的變大，系統(tǒng)分辨率也隨之惡化。為了在不犧牲系統(tǒng)分辨率的前提下提高系統(tǒng)信噪比，傳統(tǒng)的光時(shí)域反射儀以

2、及基于光時(shí)域反射儀技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)中應(yīng)用了多樣化的通信編碼技術(shù)。傳統(tǒng)光時(shí)域發(fā)射儀利用雙正交碼后信噪比提升至9.04dB，分布式拉曼溫度傳感器與分布式布里淵溫度傳感器也運(yùn)用了編碼去噪技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了7dB的信噪比增益。
　　在偏振光時(shí)域反射儀（Polarization optical time domain reflectometry, POTDR）系統(tǒng)中，由于光纖制造缺陷以及外界因素影響，光纖雙折射沿光纖鏈路隨機(jī)分布，進(jìn)而造

3、成光纖中傳播信號(hào)光偏振態(tài)沿光纖鏈路隨機(jī)分布。雖然偏振光時(shí)域反射儀受到與傳統(tǒng)光時(shí)域反射儀同樣的低信噪比困擾問(wèn)題，由于光信號(hào)偏振態(tài)測(cè)量與光脈沖編碼類(lèi)型及光脈沖寬度有關(guān)，編解碼技術(shù)遲遲沒(méi)有出現(xiàn)在偏振光時(shí)域反射儀系統(tǒng)中。在實(shí)際運(yùn)用中，由于瑞利背向散射信號(hào)弱以及信號(hào)光偏振度的下降，系統(tǒng)的偏振測(cè)量性能受到較大制約。為了提升偏振光時(shí)域反射儀的動(dòng)態(tài)范圍，需要在保證系統(tǒng)背向散射光偏振度（degree of polarization，DOP）不降低的前提下

4、提高系統(tǒng)整體信噪比。
　　本論文中首次提出并實(shí)現(xiàn)利用了簡(jiǎn)單編碼技術(shù)（Simplex code）的偏振光時(shí)域反射儀系統(tǒng)，主要工作如下：
　　（1）推導(dǎo)出偏振光時(shí)域反射儀中動(dòng)態(tài)范圍與信號(hào)光偏振度和系統(tǒng)整體性能的定量關(guān)系，得出高偏振度與高動(dòng)態(tài)范圍正相關(guān)的結(jié)論，為選擇合適的編解碼方案提供了依據(jù)；
　?。?）基于斯托克斯矢量和密勒矩陣方法，利用光纖波片級(jí)聯(lián)模型進(jìn)行數(shù)值仿真，定量研究了背向散射信號(hào)光偏振度與編碼長(zhǎng)度以及脈沖寬度的關(guān)

5、系。仿真實(shí)驗(yàn)證明在應(yīng)用了Simplex Code的POTDR系統(tǒng)中，背向散射信號(hào)偏振度與編碼長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，而增大碼元寬度即脈沖寬度會(huì)導(dǎo)致消偏振效應(yīng)。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)較長(zhǎng)碼長(zhǎng)、較窄碼元寬度的Simplex Code可以在不造成消偏振效應(yīng)的前提下提升系統(tǒng)信噪比并且不會(huì)造成空間分辨率的惡化。從而解決解決系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍與分辨率的矛盾。
　　（3）搭建了基于Simplex Code的POTDR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了7至511階Simplex Code對(duì)P

6、OTDR系統(tǒng)性能的提升作用，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的編碼增益與理論值相符合，511階實(shí)Simplex Code實(shí)現(xiàn)了POTDR系統(tǒng)信噪比10.125dB的編碼增益。基于高階編碼所具有的高偏振度及高信噪比特性，無(wú)需任何平均去噪過(guò)程，實(shí)驗(yàn)中利用511階Simplex Code成功精確定位光纖鏈路中偏振控制器模擬擾動(dòng)點(diǎn)造成的雙折射變化。這一結(jié)果證明了基于編解碼方案的POTDR技術(shù)的實(shí)用價(jià)值，為POTDR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的擾動(dòng)與振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)量與定位指明了方向