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。隨著國內光源調頻技術的日益成熟，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，經耦合器進入邁克爾遜干涉儀結構分成兩束。一束經反射鏡返回，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，會產生瑞利散射。其中部分后向散射光滿足光纖數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

在光通信網絡檢測中包括了集成光路的診斷和光通信網絡故障的檢測等。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生較大的相位噪聲并通過有限的頻譜寬度表現出來。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據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節(jié)得到的線寬為lOkHz的可調光纖激光器。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，這樣的分辨率已經能夠滿足光纖通信網絡的檢測要求，國外已有相關的產品面世包括應用于分布式光纖測溫領域的LIOS，然而國內的研究比較少。