簡介

光頻域反射計(jì)(OFDR)，因能應(yīng)用于各種范圍的高精度測量和具有大的動態(tài)范圍而吸引了研究者的興趣。OFDR系統(tǒng)需要的光源應(yīng)該為線性掃頻窄線寬單縱模激光器，所以對光源的要求很高，這也導(dǎo)致了國內(nèi)對OFDR研究的缺乏。由于OFDR能應(yīng)用于各種范圍的高精度測量和具有大的動態(tài)范圍，還是吸引了眾多研究者的興趣。隨著國內(nèi)光源調(diào)頻技術(shù)的日益成熟，其發(fā)展和應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。目前使用較多的是光時域反射計(jì)(OTDR)。OTDR是通過分析后向散射光的時間差和光程差進(jìn)行檢測。探測分辨率的提高依賴于探測脈沖寬度的減小，但是，在激光功率一定的條件下。會造成探測脈沖能量的降低和噪聲電平的增加，從而引起動態(tài)范圍的減小。為了解決這個問題，其他的時域反射方法也在不斷地研究中。

基本原理

光頻域反射計(jì)結(jié)構(gòu)包括線性掃頻光源、邁克爾遜干涉儀、光電探測器和頻譜儀(或信號處理單元)等，基于光外差探測，其原理可用下圖進(jìn)行分析。

以頻率為中心進(jìn)行線性掃頻的連續(xù)光，經(jīng)耦合器進(jìn)入邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)分成兩束。一束經(jīng)反射鏡返回，其光程是固定的，稱為參考光，另一束則進(jìn)入待測光纖。由于光纖存在折射率的微觀不均勻性，會產(chǎn)生瑞利散射。其中部分后向散射光滿足光纖數(shù)值孔徑而朝注入端返回，稱為信號光。如果傳播長度滿足光的相干條件，則信號光和參考光就會在光電探測器的光敏面上發(fā)生混頻。待測光纖上任一點(diǎn)X處的瑞利后向散射信號所對應(yīng)的光電流的頻率設(shè)置為0時，頻率大小則正比于散射點(diǎn)位置x。只要該頻率小于光電探測器的截止響應(yīng)頻率。光電探測器就會輸出相應(yīng)頻率的光電流，其幅度正比于光纖x處的后向散射系數(shù)和光功率的大小，從而得到沿待測光纖各處的散射衰減特性，同時可以通過測試頻率的最大值來推導(dǎo)出待測光纖的長度。

優(yōu)點(diǎn)

在光通信網(wǎng)絡(luò)檢測中包括了集成光路的診斷和光通信網(wǎng)絡(luò)故障的檢測等。前者一般只有厘米量級甚至毫米量級，后者的診斷一般使用波長為1.3或1.55的光源，量程則達(dá)到了公里級，大的量程就需要大的動態(tài)范圍和高的光源光功率。顯然，OTDR分辨率與動態(tài)范圍之間的矛盾不能很好地解決這個問題，而OFDR卻可以滿足，它具有高靈敏度和高的空間分辨率優(yōu)點(diǎn)。

高靈敏度

假設(shè)光電探測器的負(fù)載電阻為RI。，則光外差探測得到的差頻信號對應(yīng)的電功率。而OTDR是直接探測光纖的背向瑞利散射光信號，其輸出的光功率。由于參考光的光功率比較大，一般能達(dá)到幾十毫瓦。而光纖的背向瑞利散射光信號的功率很小。大約只是入射光的--45dB，從而可以得出結(jié)論。OFDR探測方式的靈敏度要遠(yuǎn)高于OTDR的探測方式。也就是說，在相同動態(tài)范圍的條件下，OFDR需要的光源光功率要小得多。

高空間分辨率

空間分辨率是指測量系統(tǒng)能辨別待測光纖上兩個相鄰測量點(diǎn)的能力?？臻g分辨率高意味著能辨別的測量點(diǎn)間距短，即光纖上能測量的信息點(diǎn)就多，更能反映整條待測光纖的特性。在OTDR系統(tǒng)中分辨率受探測光脈沖寬度的限制，探測光脈沖寬度窄，則分辨率高，同時光脈沖能量變小，信噪比減小。OFDR系統(tǒng)中的空間分辨率根據(jù)可以對應(yīng)為辨別待測光纖兩個相鄰測量點(diǎn)所對應(yīng)的中頻信號的能力，而辨別中頻信號的能力與系統(tǒng)中所使用的頻譜儀的接收機(jī)帶寬密切相關(guān)。很明顯，接收機(jī)帶寬越小，則辨別兩個不同頻率信號的能力越強(qiáng)，同時引入的噪聲電平也小，信噪比提高，故OFDR系統(tǒng)在得到高空間分辨率的同時也能得到很大的動態(tài)范圍。

限制因素

光源相位噪聲和相干性的限制

以上分析都是假定光源是單色的，而實(shí)際的信號源都會產(chǎn)生較大的相位噪聲并通過有限的頻譜寬度表現(xiàn)出來。該相位噪聲會減小空間分辨率并縮短光纖能夠可靠測量的長度，即光纖在一定長度之后測量到的數(shù)據(jù)就不能準(zhǔn)確反映出散射信號的大小，從而不能正確分析光纖的傳輸特性。

光源掃頻非線性的限制

實(shí)際使用的激光器由于受到溫度變化、器件的振動、電網(wǎng)電壓的波動等條件的影響，會引起光源諧振腔位置的變化從而影響輸出光波譜線的變化，引起掃頻的非線性，會展寬OFDR測量系統(tǒng)中差頻信號的范圍，這限制了OFDR方式的空間分辨率的大小。

光波的極化限制

由于OFDR方式采用的是相干檢測方案，很明顯，假如信號光和參考光在光電探測器的光敏面上的極化方向是正交的，則該信號光所對應(yīng)的光纖測量點(diǎn)的信息就會丟失。因此，必須保證光波極化的穩(wěn)定性。

發(fā)展現(xiàn)狀

為尋求OFDR系統(tǒng)的商業(yè)化，國外對采用半導(dǎo)體激光器作為光源的OFDR系統(tǒng)進(jìn)行了研究和探討。1990年Sorin等人用波長為1.32的ND：YAG激光器作為光源，得到了較長的相干時間，測量范圍達(dá)到了50km。分辨率達(dá)到了380m。1995年Tsuii等人用波長為1.55的Er-Yb激光器作為光源，使用摻Er光纖放大器，使測量量程達(dá)到30km，分辨率達(dá)到了50m。2000年Oberson等人利用壓電陶瓷調(diào)節(jié)得到的線寬為lOkHz的可調(diào)光纖激光器。在150m長度上得到16cm的分辨率，并有80dB的動態(tài)范圍。2007年Y.Koshikiya等人運(yùn)用SSB調(diào)制技術(shù)在量程大于5km時得到厘米級的高分辨率，這樣的分辨率已經(jīng)能夠滿足光纖通信網(wǎng)絡(luò)的檢測要求，國外已有相關(guān)的產(chǎn)品面世包括應(yīng)用于分布式光纖測溫領(lǐng)域的LIOS，然而國內(nèi)的研究比較少。