簡(jiǎn)介

光頻域反射計(jì)(OFDR)，因能應(yīng)用于各種范圍的高精度測(cè)量和具有大的動(dòng)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(duì)光源的要求很高，這也導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)對(duì)OFDR研究的缺乏。由于OFDR能應(yīng)用于各種范圍的高精度測(cè)量和具有大的動(dòng)態(tài)范圍，還是吸引了眾多研究者的興趣。隨著國(guó)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(shí)域反射計(jì)(OTDR)。OTDR是通過(guò)分析后向散射光的時(shí)間差和光程差進(jìn)行檢測(cè)。探測(cè)分辨率的提高依賴于探測(cè)脈沖寬度的減小，但是，在激光功率一定的條件下。會(huì)造成探測(cè)脈沖能量的降低和噪聲電平的增加，從而引起動(dòng)態(tài)范圍的減小。為了解決這個(gè)問(wèn)題，其他的時(shí)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(cè)器和頻譜儀(或信號(hào)處理單元)等，基于光外差探測(cè)，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(cè)光纖。由于光纖存在折射率的微觀不均勻性，會(huì)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(hào)光。如果傳播長(zhǎng)度滿足光的相干條件，則信號(hào)光和參考光就會(huì)在光電探測(cè)器的光敏面上發(fā)生混頻。待測(cè)光纖上任一點(diǎn)X處的瑞利后向散射信號(hào)所對(duì)應(yīng)的光電流的頻率設(shè)置為0時(shí)，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(cè)器的截止響應(yīng)頻率。光電探測(cè)器就會(huì)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(cè)光纖各處的散射衰減特性，同時(shí)可以通過(guò)測(cè)試頻率的最大值來(lái)推導(dǎo)出待測(cè)光纖的長(zhǎng)度。

優(yōu)點(diǎn)

在光通信網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)中包括了集成光路的診斷和光通信網(wǎng)絡(luò)故障的檢測(cè)等。前者一般只有厘米量級(jí)甚至毫米量級(jí)，后者的診斷一般使用波長(zhǎng)為1.3或1.55的光源，量程則達(dá)到了公里級(jí)，大的量程就需要大的動(dòng)態(tài)范圍和高的光源光功率。顯然，OTDR分辨率與動(dòng)態(tài)范圍之間的矛盾不能很好地解決這個(gè)問(wèn)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(cè)器的負(fù)載電阻為RI。，則光外差探測(cè)得到的差頻信號(hào)對(duì)應(yīng)的電功率。而OTDR是直接探測(cè)光纖的背向瑞利散射光信號(hào)，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(hào)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(cè)方式的靈敏度要遠(yuǎn)高于OTDR的探測(cè)方式。也就是說(shuō)，在相同動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)能辨別待測(cè)光纖上兩個(gè)相鄰測(cè)量點(diǎn)的能力?？臻g分辨率高意味著能辨別的測(cè)量點(diǎn)間距短，即光纖上能測(cè)量的信息點(diǎn)就多，更能反映整條待測(cè)光纖的特性。在OTDR系統(tǒng)中分辨率受探測(cè)光脈沖寬度的限制，探測(cè)光脈沖寬度窄，則分辨率高，同時(shí)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(duì)應(yīng)為辨別待測(cè)光纖兩個(gè)相鄰測(cè)量點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)的能力，而辨別中頻信號(hào)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(gè)不同頻率信號(hào)的能力越強(qiáng)，同時(shí)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(shí)也能得到很大的動(dòng)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(hào)源都會(huì)產(chǎn)生較大的相位噪聲并通過(guò)有限的頻譜寬度表現(xiàn)出來(lái)。該相位噪聲會(huì)減小空間分辨率并縮短光纖能夠可靠測(cè)量的長(zhǎng)度，即光纖在一定長(zhǎng)度之后測(cè)量到的數(shù)據(jù)就不能準(zhǔn)確反映出散射信號(hào)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(dòng)、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)等條件的影響，會(huì)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(huì)展寬OFDR測(cè)量系統(tǒng)中差頻信號(hào)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(cè)方案，很明顯，假如信號(hào)光和參考光在光電探測(cè)器的光敏面上的極化方向是正交的，則該信號(hào)光所對(duì)應(yīng)的光纖測(cè)量點(diǎn)的信息就會(huì)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(guó)外對(duì)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(zhǎng)為1.32的ND：YAG激光器作為光源，得到了較長(zhǎng)的相干時(shí)間，測(cè)量范圍達(dá)到了50km。分辨率達(dá)到了380m。1995年Tsuii等人用波長(zhǎng)為1.55的Er-Yb激光器作為光源，使用摻Er光纖放大器，使測(cè)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(zhǎng)度上得到16cm的分辨率，并有80dB的動(dòng)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(shí)得到厘米級(jí)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(cè)要求，國(guó)外已有相關(guān)的產(chǎn)品面世包括應(yīng)用于分布式光纖測(cè)溫領(lǐng)域的LIOS，然而國(guó)內(nèi)的研究比較少。