簡介

光頻域反射計(OFDR),，因能應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,，這也導致了國內(nèi)對OFDR研究的缺乏,。由于OFDR能應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)頻技術的日益成熟,，其發(fā)展和應用前景相當廣闊,。目前使用較多的是光時域反射計(OTDR)。OTDR是通過分析后向散射光的時間差和光程差進行檢測,。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

光頻域反射計結(jié)構包括線性掃頻光源、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，其原理可用下圖進行分析,。

以頻率為中心進行線性掃頻的連續(xù)光,，經(jīng)耦合器進入邁克爾遜干涉儀結(jié)構分成兩束。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X處的瑞利后向散射信號所對應的光電流的頻率設置為0時,，頻率大小則正比于散射點位置x。只要該頻率小于光電探測器的截止響應頻率,。光電探測器就會輸出相應頻率的光電流,，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出待測光纖的長度。

優(yōu)點

在光通信網(wǎng)絡檢測中包括了集成光路的診斷和光通信網(wǎng)絡故障的檢測等,。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,。

高靈敏度

假設光電探測器的負載電阻為RI。,，則光外差探測得到的差頻信號對應的電功率,。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的能力,。空間分辨率高意味著能辨別的測量點間距短,，即光纖上能測量的信息點就多,，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)可以對應為辨別待測光纖兩個相鄰測量點所對應的中頻信號的能力，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帶寬密切相關,。很明顯,，接收機帶寬越小，則辨別兩個不同頻率信號的能力越強,，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，則該信號光所對應的光纖測量點的信息就會丟失,。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,，國外對采用半導體激光器作為光源的OFDR系統(tǒng)進行了研究和探討,。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,，測量范圍達到了50km,。分辨率達到了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,，使測量量程達到30km，分辨率達到了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等人運用SSB調(diào)制技術在量程大于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)絡的檢測要求，國外已有相關的產(chǎn)品面世包括應用于分布式光纖測溫領域的LIOS,，然而國內(nèi)的研究比較少,。