基于OTDR技术的光纤分布式铁路周界安全监测系统

基于 OTDR 技术的光纤分布式铁路周界安全监测系统

周波

深圳市长龙铁路电子工程有限公司 广东省深圳 518000

摘要：中国高速铁路的快速发展，极大的促进了各地的经济发展和人员往来效率。同时也带来了很多的安全隐患，如：铁路设施被破坏、无视防护网直接穿过铁路线等情况时有发生，不仅有经济损失，还时常出现人身生命伤害。这就需要有一种产品能够在铁路沿线实施防护，并且需要克服铁路周界长、各地气候不同、干扰因素多等各种困难。而现有光纤应用技术的不足，尤其是针对原创性设备开发上存在的巨大缺失，开发具有完整自主知识产权、创新性的基于OTDR技术的光纤分布式铁路周界安全监测系统尤为重要。

关键词：铁路通信；铁路周界安全监测系统；铁路通信信号技术

一、.基于OTDR光时域反射技术主要研究方法

1.光子计数直接检测技术

光子计数直接检测技术的基本思想就是测量光电检测器接收到的光子数目,然后将它变换为相应的光功率值。工作原理如下当雪崩光电二极管(APD)工作在“Geiger”管计数模式时,将它的偏置电压调到稍微比它的击穿电压低一点。这样当单个载流子进入空间电荷区域时,就会产生击穿,击穿产生的脉冲通过鉴别比较器后,控制计数器计数,从而可以得到检测到的光功率值。即光子数乘以单个光子的能量。光子计数检测的灵敏度由下式给出。

式中:hv，为光子能量;η为量子效率;Rn。为噪声计数率;Na为加法平均次数:τ为脉冲宽度。光子计数OTDR是传统OTDR的一种数字形式,由原来的直接检测后向散射光功率改为以单位时间内检测到的光子数来构建柱状图的方式来反映光纤的物理特性,采用这种方法通过精确的时间测试可以达到极高的空间分辨率通常小于1mm,由测试原理可以看出,它的主要缺点是单次测试时间很长,不利于实时测试,同时,必须对测试数据进行修正,幸运的是,这种修正可通过极简单的方式实现。

2.相干检测技术

相干检测技术是把低电平的背向散射信号和高电平的本地信号本地振荡器产生同时加在平方率光电检测器上混合,然后从其输出响应中提取出所需信息。只要功率足够大,接收机灵敏度就可以达到量子极限水平光电检测器的输出信号正比于背向散射信号的幅度,而不是正比于直接检测中的功率,因而可以减小对接收机动态范围的要求。相干检测的这两个特点使得它在反射计的研究中有很大的吸引力。但是,采用相干检测方法时,光源必须有良好的时间相干性,这样才能使叉积就是式一中的交流分量信号的频率是稳定的。

在实际的相干系统中,激励和信号一般取自同一个源。若需要两个信号有不同的频率,可以使用内调制来移频。若信号与背向散射信号有相同的频率,叉积形式就在基带上,称为零拍检测；否则,叉积形式为射频波,成为外差检测。

3.偏振检测

采用偏振检测技术的OTDR称为P-OTDR,类似于传统OTDR,只是射入光纤的光为偏振光。由于石英玻璃光纤中瑞利散射光与入射激励光的偏振方向相同,若光纤中微小非匀介质包括光纤横截面形状即椭圆度的变化、微弯、或某点受到内在张力及应力等的影响,由于弹光效应会引起偏振状态的变化,只要探测出散射光偏振状态与时间的关系,即可获知光在被测光纤中传输时偏振特性的空间分布,同时获得光纤受应力的空间分布。P-OTDR仅适用于单模光纤或电介质波导管,由于它能测试光在被测光纤中传输时光的偏振特性的空间分布,故广泛应用于光纤光学技术,特别是对制约高速光纤传输因素的偏振模色散(PMD)的测试。

二、影响因素分析

1.大动态范围理论分析

动态范围反映了光时域反射计的测长能力,是光时域反射计中非常重要的指标之一。

提高注入光纤的功率及加大光脉冲宽度实际上就是要采用大功率的激光器以提高光纤中返回的瑞利散射信号强度而提高接收机的灵敏度,则要综合考虑提高光电探测器的响应度、减小暗电流、抑制信号噪声等以。

所以，提高光时域反射计的动态范围指标应主要考虑以下几方面:采用大功率、高速LD脉冲激光器，加大注入光纤的光脉冲宽度；以此提高有用信号强度；InGaAs雪崩光电二极管(APD)提高光接收灵敏度；宽带低噪声前置放大提高信噪比；采用高速数字信号平均处理及数字滤波抑制噪声，降低整机电源噪声。

2.空间分辨率

光时域反射计能分辨光纤中两事件点的距离越小，说明其空间分辨率越高。设光时域反射计中激光器输出的光脉冲信号为矩形脉冲，宽度设为:τ，当光脉冲注入到光纤链路后，设光在光纤中的传输速度为Vg，则对应的距离宽度为τ·Vg，再设光纤链路中有两个故障点，分别为故障点1和故障点2，两故障点间距离为L。

a表示光探测脉冲经过故障点1后产生的反射脉冲，传输方向相反，幅度减小。 b表示当探测脉冲的后沿经过故障点2时，故障点2处同样也产生反射脉冲，其前沿后向传输距离为τ·Vg，此时，故障点1处产生的反射脉冲的前沿向后传输的距离为τ·Vg+L。这时，光纤链路上就有两个反射脉冲，并后向传输，设两个反射脉冲之间的距离为ΔL，则:

式中，L表示两故障点之间的距离。若需光时域反射计能够区分两个反射脉冲，要求ΔL不小于O，则光时域反射计刚好可以分辨出光纤链路上两个故障点的最小空间距离为:

根据上式，由于τ为激光器输出的光脉冲宽度(单位ns)τ·Vg为光脉冲在光纤中对应的距离宽度(单位m)，因此，光时域反射计的空间分辨率的大小与注入光纤的脉冲宽度有着直接的关系:空间分辨率与注入光纤的光脉冲宽度成反比关系，即注入光纤的光脉冲宽度越宽，则测试光纤链路的空间分辨率越低，反之，注入光纤的光脉冲宽度越窄，则测试光纤链路的空间分辨率越高。

3.盲区

衰减盲区是指光时域反射计从检测到菲涅尔强反射信号到能正常测试后向瑞利散射信号所历经的时间。其测试方法定义为:测试前段后向散射电平的末端到经菲涅尔反射信号后，后段后向散射电平前O.5dB处之间的时间。无论是事件盲区，还是衰减盲区，都反映了光时域反射计对短距离光纤链路的测试能力。

事件盲区及衰减盲区的大小与注入光纤中的光脉冲宽度有关,脉宽越宽,则盲区越大。将光时域反射计的长度计算公式重写如下：

根据上述公式，取光在真空中的传输速度C = 3 X108m/s，纤芯折射率n=1.5；当Δt =IOns时，可得L=Im，即lOns的光脉冲宽度对盲区的影响为lm，以此类推，l0us的脉宽对盲区的影响可达到1000m。从盲区对分辨率的影响来看，当光脉冲的宽度为10u s时，如果光纤上的两个事件点距离小于1000m，光时域反射计将无法分辨出来。由上述可得出结论:光时域反射计中，激光器输出光脉冲宽度越窄，则整机的空间分辨率越高、事件盲区越小，但单程测试动态范围越小:反之，驱动脉冲越宽，整机的空间分辨率越低，但单程测试动态范围越大。 所以要从本质上提高空间分辨率和减小盲区，首先需要在窄脉宽技术上寻求突破。

参考文献：

[1] 廖俊.双Ｍ-Ｚ周界防护系统定位算法与模式识别技术研究.《西南交通大学》 2015年.621.38.

[2] 孟坚.基于光纤光栅传感技术的周界入侵报警系统.《武警湖北总队第二支队》2011年第6期.671-7570.

[3] 高岑.基于的周界入侵报警系统传感光缆特性的研究.《南京大学》2011年. TP391.

作者简介：周波；1981年09月；男；汉；湖北；硕士；电子技术高级工程师；研究方向：铁路通信信号系统的设计研发、铁路通信信号技术标准的制定