0 引　言

相干光时域反射计（COTDR）是利用光时域反射技术和相干探测相结合的方法对被测光纤的断点进行诊断和定位^[1-2]，可以满足超长距离光纤通信线路的测量和监控需求，而其长度测量是否准确对海底通信光缆的检测和维修影响很大，因此COTDR的长度校准对保障超长距离光纤通信的畅通具有重要意义。此外，随着COTDR技术在光纤温度和应变传感领域的不断应用和发展，其中COTDR传感系统^[3-6]中的空间分辨率是一个非常重要的技术指标，因此COTDR的长度校准对保证COTDR传感系统测量准确性也具有重要意义。

然而目前针对COTDR校准技术的研究和报道很少，现有的校准装置远远无法满足COTDR的大量程校准要求。本文采用了一种光纤耦合器和光开关相结合的光纤环路法，并且结合光纤放大器对光纤环路中光功率进行放大，通过函数发生器控制输出脉冲的周期和脉宽来实现对长距离光纤的模拟^[7-10]，进而实现对COTDR长度的校准。

1 基本原理 1.1 COTDR探测原理

与传统OTDR相比，COTDR的最大优势是利用了相干探测技术，相干探测是把探测光信号的功率集中到某一相干中频上，通过解调相干中频信号的功率就可以得到光路中各个散射点处的散射光功率。假设背向散射光信号为：

本征光为：

其中， ${P_{\rm{s}}}$ 、 ${P_{{{L}}_0}}$ 、 ${f_0}$ 和 $f$ 分别为背向瑞利散射信号的功率、本征光的功率、激光器输出的频率以及声光调制器的频移量。二者相干的过程可表示为：

光电探测器输出的光电流 $i$ 可表示为：

COTDR系统采用平衡探测器的方式，并且采用交流耦合输出的方式，得到相干中频分量为：

其中， $\Re = \displaystyle\frac{{e\eta }}{{h{w_0}}}$ ，它是探测器的响应度。由式（5）可知，背向散射信号的功率就集中在相干中频信号f上，因此通过对中频信号进行带通滤波就可以滤除大部分的噪声功率，从而提高探测信号的灵敏度。

1.2 COTDR工作原理

COTDR的基本工作原理如图1所示，激光器发出的光通过扰偏器处理后经过光纤耦合器1分成两路，一路作为测试光信号进入被测光纤，另一路作为本征光信号。探测光脉冲在被测光纤中的背向瑞利散射信号经过耦合器2与本征信号光混合，两者相干产生中频信号由平衡探测器接收。平衡探测器输出的电信号经过放大器放大，并经过模数转换器变为数字信号，最后在显示屏上显示出探测曲线。其中扰偏器的作用是将输出光的偏振态打乱，从而抑制COTDR系统探测曲线的偏振噪声。声光调制器的作用是对信号光进行脉冲调制，使测试光信号分为探测光脉冲和填充光脉冲，掺铒光纤放大器（EDFA）的作用是对进入被测光路的信号光进行功率放大。常规的“标准光纤循环延迟线法”^[11]已经无法满足COTDR长度的校准要求。

2 实验装置

为解决COTDR的校准难题，本文提出了一种新型相干光时域反射计校准方法，其校准装置原理如图2所示。

校准装置主要由2×2光纤耦合器、单模光纤、掺饵光纤放大器、光隔离器、光开关以及函数发生器等组成。光纤耦合器选用Newport公司型号为F-CPL-L12351-P的耦合器，其分光比为1∶9；单模光纤选用长飞公司型号为G.652D的光纤；掺饵光纤放大器选用北京佰特光通科技有限公司型号为PB-EDFA-M-C-25-0-FC/APC的光放大器，其最大增益值为25 dBm；光隔离器选用Newport公司型号为ISU-1550-FCAPC的隔离器，其隔离度大于60 dB；光开关选用Thorlabs公司型号为SOA1013SXS的开关，其开断时间小于1ns；其函数发生器选用Agilent公司型号为33250A的发生器，其频率范围为1 μHz~50 MHz，脉冲宽度范围为8.0~1 999.9 ns。

利用函数发生器输出的脉冲信号来控制光在光纤环中转过的圈数，具体实现步骤：实验中光纤环中的光纤长度大约为151 km，普通单模光纤的损耗按照0.180 dB/km计算，可知光纤环中光纤引起的损耗大约为27 dB。而COTDR的最大输出功率为13 dBm，理论上经过光纤耦合器、光衰减器以及单模光纤后的光功率为−18 dBm，实验测得的实际功率值为−22 dBm，而光放大器的最小输入功率值为−20 dBm，由于光纤生产厂家的光纤盘最大长度只能做到50 km，因此单模光纤必须分成3段加入到光纤环中。通过OTDR分别对这3段光纤进行测量，其长度和为151.47 km的光纤产生的时间延迟为737.66 μs，所以光信号分别经过光纤环路第1次、第2次、第3次、第4次、第5次、第6次、第7次所用的时间分别为：737.66，1 475.32 ，2 212.98，2 950.64，3 688.32，4 425.96，5 163.62 μs。当设置函数发生器输出的脉冲信号周期为737 μs，脉冲宽度为1.3 μs，这样就可以控制光脉冲信号在光纤环路中转过1圈。同理，当设置脉冲信号周期为737 μs，脉冲宽度为1.9 μs，这样就可以控制光脉冲信号在光纤环路中转过2圈；分别设置脉冲信号宽度为2.5，3.3，3.8，4.5，5.2 μs。即可实现光脉冲信号在光纤环路中分别转3圈、4圈、5圈、6圈、7圈的效果，进而实现长度分别为151.47，302.94，454.41，605.88，757.35，908.82 ，1 060.29 km的光纤模拟。

3 实验结果与分析 3.1 实验验证方案

本文通过设计验证方案对COTDR长度校准装置进行侧面验证，其验证方案如图3所示，转过3圈后的示波器显示示意图如图4所示。

验证装置是由光源、2×2光纤耦合器、光衰减器、单模光纤、掺饵光纤放大器、光隔离器、光开关、函数发生器、光电探测器和示波器等组成。按照所述设置进行实验测试，可以得到转过不同圈数情况下的示波器的显示图。用装置对模拟距离进行重复性测试，测试结果如表1所示^[12-14]。

通过对表1的分析可以得到：随着模拟距离的增大，COTDR校准装置的标准偏差会不断变大，由150 km对应的0.4 m变为1 060 km对应的1.2 m。

3.2 校准装置扩展不确定度分析

针对COTDR校准装置的组成结构可知其不确定度来源主要包括校准装置的重复性引入的不确定度、单模光纤长度定标装置引入的不确定度、光开关的开断时间引入的不确定度、波长发生器信号上升时间引入的不确定度等。COTDR校准装置的测量不确定度如表2所示。

从各项不确定度来源来看，循环光纤的定标装置也就是单模光纤长度定标装置带来的不确定度所占的比重最大，这是因为定标装置的不确定度大小与被测光纤的长度有关系，被测光纤的长度越长其对应的不确定度越大。另外，COTDR校准装置的测量重复性也是一个较大的不确定度来源。COTDR校准装置的测量不确定度为7.0 m@1 000 km，而COTDR的长度测量准确度为±（10 m+0.5×10⁻⁶L），其中L为COTDR的测量距离，单位为m。通过对比可知，该COTDR校准装置可以满足COTDR的长度校准要求。

4 结束语

提出了一种新型的相干光时域反射计校准方法，通过光纤环路、1×1光开关和2×2光纤耦合器实现长距离光纤链路的模拟。与传统的通过上下光纤链路和EDFA来实现COTDR长度的校准相比，该方法具有光纤长度可调、操作过程简单、装置成本低等优点。实验结果表明，该方法的模拟距离达1 000 km，同时测量不确定度达7.0 m@1 000 km但此方法也存在着不足：实验发现，装置中光信号在光纤环路中只能转过7圈，即光纤链路最长模拟距离为1 050 km，将来可以通过实验优化来进一步提高光纤链路的模拟距离。