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提高 OTDR 系统信噪比的方法研究
赵明杰，赵同刚**
作者简介：赵明杰（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：光电信息处理
通信联系人：赵同刚（1971-），男，副教授，主要研究方向：光电信息处理
（北京邮电大学电子工程学院,北京 100876）
5 摘要：针对福建省某地区基于 OTDR 的边坡预警监测项目中，OTDR 系统测量结果信噪比
低的问题，提出了基于 C-S 复合码技术提高 OTDR 系统信噪比性能的方法。分析了 C-S 复
合码的产生方法，同时将其应用于 OTDR 系统中，并仿真验证了 C-S 复合编码技术可有效
提高 OTDR 系统信噪比。
关键词：通信；OTDR 系统；信噪比；C-S 复合码 10
中图分类号：
Research on improving Singal-to-Noise Ratio of OTDR
ZHAO Mingjie, ZHAO Tonggang
(School of Electronic Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 15
100876)
Abstract: In this paper, we propose a method to improve the signal-to-noise ratio (SNR)
performance of OTDR system based on C-S composite code for the problem of low
signal-to-noise ratio of OTDR system in the project of monitoring and monitoring of slope based
on OTDR in a certain area of Fujian Province. The C-S composite code generation method is 20
analyzed and applied to the OTDR system. Simulation results show that the C-S composite coding
technique can effectively improve the signal-to-noise ratio of the OTDR system.
Key words: communication；OTDR system；signal-to-noise ratio；C-S composite coding
0 引言 25
随着我国经济的快速发展，城镇化建设和高速公路建设等基础建设成为我国现代化建设
的核心内容，但由于我国特殊的地理分布状况，许多城镇和高速公路建立在山区之中，这就
需要考虑它们的安全健康状况，须在它们周围的山体上采取山体加固、边坡灌注等措施来预
防山体滑坡、泥石流等自灾害。但即使这样，也不能完全阻止这些自然灾害的发生，只能对
其监测预防来确保人民的生命财产安全。 30
目前，除少数重点高边坡工程实施了重点仪器监测外，大多数边坡在其设计、施工和运
行管理期间都没有布设相应的安全监测系统，观测物理量也没有制定相应的预警指标，难以
全面有效管控边坡安全风险。但随着光纤传感技术的发展，利用光时域反射(OTDR) 技术和
分布式光纤传感技术可以有效的对边坡的健康状况进行实时监测和预警。
1 传统 OTDR 监测 35
传统 OTDR 存在问题
光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer)简称 OTDR，利用分析光纤中后向散
射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起
的结构性损耗，当光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化，因此可通
过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息。这一技术40
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主要用于通信领域，可测量光纤损耗及光纤长度、检测光纤连接头和断点、进行光纤故障点
定位[1]。但对于传统的 OTDR，注入光功率大小恒定的情况下，脉冲宽度的大小决定光能量
的大小，光脉冲越宽光能量越大。同时，脉冲宽度的大小也直接决定了两个可辨别事件间的
最小距离，即事件分辨率。显然，脉冲宽度越窄，分辨率越高，反之，分辨率越低。如果保
持脉冲宽度固定不变，增大动态范围，可从两个方面来考虑：一是对系统进行降噪处理，减45
小带宽会使接收端的噪声得到一定的抑制，但同时也会导致信号的损耗，严重时会引起信号
失真，使得空间分辨率降低，因此这种方法有一定的局限性；二是数字平均来提高信噪比。
但该算法随着平均次数的增多，测量时间也将越长，降低了系统的实时性。
随着 OTDR 技术的不断完善及嵌入式技术的发展，将计算机数据处理单元、OTDR 光
电单元、ARM 及 DSP 等微处理器集成在一起，形成完整、独立的 OTDR 测量仪器，利用50
采样平均、数字滤波、脉冲编码等方法，提高 OTDR 的测量精度和探测范围，在工程上得
到广泛应用，可精确测量温度、结构应力等特征[2]。
基于传统 OTDR 监测系统的实际应用
在福建省某地区进行了传统 OTDR 预警监测实际应用，可监测到短距离的故障事件点，
但随着被测光纤距离的增长，由于传统 OTDR 的测量动态范围有限，对位于长距离的事件55
点因受到噪声扰动大而难以辨别[3]。为提高事件点的可分辨率，减少噪声对 OTDR 的扰动，
编码技术被引入 OTDR 系统。将光脉冲信号在注入被测光纤前进行序列编码，可提高 OTDR
系统的信噪比，增大 OTDR 测量动态范围[4]。目前较为成熟的脉冲编码技术有格雷互补码、
S 码、CCPONS 码等。但单独使用任意一种编码技术来提高 OTDR 系统的信噪比具有一定
的局限性。 60
因此，本文针对该项目中，OTDR 系统测量结果信噪比低的问题，提出了基于 C-S 复合
码(compound C-S code)技术提高 OTDR 系统信噪比的方法。
2 C-S 复合编码在 OTDR 系统中的应用模型
C-S复合码技术
S 码是在 Hadamard 矩阵基础上演变而来的，将 S 矩阵的每一行作为脉冲序列注入被测65
光纤，检测到的后向散射信号解码后得到输出响应，S 码系统较单脉冲系统的信噪比增益为：
( 1) / 2SG M M (1)
其中 M 为 S 码码长[5]。由式(1)可知，随着 S 码码长增加，S 码系统信噪比增益增大，但过
大的 S 码码长会对响应输出前的解码操作带来了很大计算量。
CCPONS 码是由 4 组双极性码组成，但光纤中只能传输正向光脉冲，因此，需要极性70
转换的方法，先将双极性序列转换为单极性正向序列[6]。经 CCPONS 编码后注入被测光纤，
对接收端检测到的后向散射信号进行相关性运算后，得到的响应信号是单脉冲工作方式下的
8L 倍，则系统的信噪比增益为：
/ 2CG L (2)
而对于 C-S 复合码序列脉冲的产生，需要先对 S 码和 CCPONS 码序列进行单极性转换。75
S 码是单极性码序列，不需要进行极性转换，则只需将双极性 CCPONS 编码转换得到 8 组
单极性 CCPONS 码序列。设 S 码码长为 M，CCPONS 码码长为 L，将 S 码中的元素 1 用
每路单极性 CCPONS 码替代，则 S 码中码字 1 转换为 L 个码字，再将元素 0 补成长度为 L、
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码字为 0 的序列，故每路复合码的码字总计为 M *L。按照上述构成，每路 CCPONS 码与 S
码结合生成 M 路 M*L 的 C-S 复合码。8 位码长的单极性 CCPONS 码为 80
11101101
00010010
11100010
00011101
11011110
00100001
00101110
11010001
U
U
U
U
U
U
U
U
K
K
K
K
K
K
K
K
A
A
B
B
C
C
D
D
3 阶 S 矩阵为
1 0 1
0 1 1
1 1 0
将第一路单极性 CCPONS 码
UK
A 置换 S 矩阵中的元素 1，将元素 0 置换为 8 个 0，即得到新
矩阵 1Q 。可表示为 85
1
1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1
1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
Q
同理可得 2 3 4 5 6 7 8, , , , , ,Q Q Q Q Q Q Q 。则码长为 3 的 S 码与码长为 8 的 CCPONS 码复合
成 24 路每路码字个数为 24 的 C-S 复合码。C-S 复合码的复合矩阵表示为
1 2 3 4 5 6 7 8; ; ; ; ; ; ;Q Q Q Q Q Q Q Q Q (3) 90
将上述 8 *M(M=3)路 C-S 复合码脉冲编码后的序列注入被测光纤，接收端将探测到的
8*M 路后向瑞利散射光和菲涅尔反射光回波信号分成 8 组，每 M 路回波信号为 1 组。分别
用 S 逆矩阵乘以每组回波信号，对其进行解码，得到每一路输出响应。但此时的输出响应中
依然包含 CCPONS 序列信息，因此再将得到的每一路输出响应中 CCPONS 码元素所对应
的响应移位相加，去除 CCPONS 序列的编码信息后，得到最终的输出响应，即为 OTDR 系95
统的 C-S 复合码响应[7]。图 1 是 C-S 复合码在 OTDR 系统中响应原理图。
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光纤
光纤
光纤
光纤
C1
Cm S解码
S解码
光纤
光纤
S解码
光纤
光纤
S解码
Cm+1
C2m
C6m+1
C7m
C7m+1
C8m
CCPONS序
列解码
第1大组C-S
复合码
第2大组C-S
复合码
第7大组C-S
复合码
第8大组C-S
复合码
图 1 C-S 复合系统响应原理图
Fig. 1 C-S composite system response diagram
C-S复合码系统结构 100
基于 C-S 编码的 OTDR 系统与常规的 OTDR 系统相比，区别在于增加了编码发生器及
解码器。在光发射器发出的光脉冲中加入由编码发生器产生的 C-S 复合码，含有 C-S 复合
码序列信息的光脉冲经由耦合器注入被测光纤，发送端光电探测器探测到返回的后向瑞利散
射信号和菲涅尔反射信号后，将其转换为电信号传入放大器，被放大的信号再经 A/D 采样
器转换为数字信号后传入 C-S 复合码解码器进行解码[8]。图 2 是基于 C-S 复合码的 OTDR105
系统结构图。
编码器 激光器 耦合器
采样器 探测器放大器
控制器
解码器
光纤
图 2 C-S 码系统结构图
Fig. 2 C-S code system structure
C-S复合码系统信噪比增益 110
返回的后向瑞利散射信号和菲涅尔反射信号经 S 解码后，系统的扰动噪声减小为
2 2/ SG ，
2 是光脉冲信号注入被测光纤中受到的噪声扰动均方值。再经过 CCPONS 解码，
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系统噪声扰动减小为 2 2/ ( )S CG G ，即为 C-S 复合码系统的噪声均方值。则 C-S 复合码系
统的信噪比增益为
( 1)
2 2
C S S C
M L
G G G
M
(4) 115
由式 4 可知，在注入的光脉冲信号功率不变的情况下，C-S 复合码系统的信噪比增大，
且大于单独使用 S 编码和 CCPONS 编码的系统信噪比[9]。
根据 S 码、CCPONS 码及 C-S 复合码系统的信噪比增益公式可得在不同码长下各系统
的信噪比增益值。如表 1，2，3 所示。
表 1 S 码系统信噪比增益 120
Tab. 1 S code system SNR gain
码长(M) 信噪比增益(DB)
3
6
9
表 2 CCPONS 码系统信噪比增益
Tab. 2 CCPONS code system SNR gain
码长(L) 信噪比增益(DB)
8
16
32
125
表 3 C-S 复合码系统信噪比增益
Tab. 3 C-S composite code system SNR gain
码长(M,L) 信噪比增益(DB)
3,8
6,16
9,32
3 实验仿真及结果对比分析
将一条长度为 5Km 的老旧光纤作为测量对象，在单脉冲信号输入下，仿真绘制出被测130
光纤衰减损耗沿长度的分布情况曲线图，如图 3。观察图 3 可知，该老旧光纤在长度为
处存在事件点，即故障点。在相同条件下，分别仿真得到了基于码长 M 为 9 的 S
码、码长 L 为 32 的 CCPONS 码和码长 M 为 9、码长 L 为 32 的 C-S 复合码的 OTDR 仿真曲
线，如图 4,5,6 所示。
135
图 3 单脉冲 OTDR 曲线
Fig. 3 Single pulse OTDR curve
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图 4 M=9 的 S 码 OTDR 曲线
Fig. 4 M = 9 C code OTDR curve 140
图 5 L=32 的 CCPONS 码 OTDR 曲线
Fig. 5 L = 32 CCPONS code OTDR curve
图 6 M=9、L=32 的 C-S 复合码 OTDR 曲线 145
Fig. 6 M = 9, L = 32 C-S composite code OTDR curve
对比观察图 3、4、5、6 的曲线，可清楚地看到，C-S 复合码系统的 OTDR 曲线即图 6
所示曲线的毛刺明显少于图 3、4、5 中曲线，事件点更加清晰，信号的噪声扰动明显降低。
在探测光脉冲光功率不变的情况下，OTDR 系统的信噪比明显提高，也即说明了 C-S 复合编
码技术大大提高了 OTDR 系统的信噪比性能。 150
4 结论
本文对传统 OTDR 存在的问题及 C-S 复合码技术做了介绍，理论分析了 C-S 复合码技
术在 OTDR 系统中可有效提高系统信噪比，并做了基于码长 M 为 9 的 S 码、码长 L 为 32
的 CCPONS 码及码长 M 为 9、码长 L 为 32 的 C-S 复合码的 OTDR 系统仿真，验证了基于
C-S 复合码的 OTDR 系统的噪声扰动小于单独使用 S 码或 CCPONS 码的系统，证明了 C-S155
复合编码技术可有效提高 OTDR 系统信噪比。
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