光频域反射计

简介

光频域反射计(OFDR)，因能应用于各种范围的高精度测量和具有大的动态范围而吸引了研究者的兴趣。OFDR系统需要的光源应该为线性扫频窄线宽单纵模激光器，所以对光源的要求很高，这也导致了国内对OFDR研究的缺乏。由于OFDR能应用于各种范围的高精度测量和具有大的动态范围，还是吸引了众多研究者的兴趣。随着国内光源调频技术的日益成熟，其发展和应用前景相当广阔。目前使用较多的是光时域反射计(OTDR)。OTDR是通过分析后向散射光的时间差和光程差进行检测。探测分辨率的提高依赖于探测脉冲宽度的减小，但是，在激光功率一定的条件下。会造成探测脉冲能量的降低和噪声电平的增加，从而引起动态范围的减小。为了解决这个问题，其他的时域反射方法也在不断地研究中。

基本原理

光频域反射计结构包括线性扫频光源、迈克尔逊干涉仪、光电探测器和频谱仪(或信号处理单元)等，基于光外差探测，其原理可用下图进行分析。

以频率为中心进行线性扫频的连续光，经耦合器进入迈克尔逊干涉仪结构分成两束。一束经反射镜返回，其光程是固定的，称为参考光，另一束则进入待测光纤。由于光纤存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射。其中部分后向散射光满足光纤数值孔径而朝注入端返回，称为信号光。如果传播长度满足光的相干条件，则信号光和参考光就会在光电探测器的光敏面上发生混频。待测光纤上任一点X处的瑞利后向散射信号所对应的光电流的频率设置为0时，频率大小则正比于散射点位置x。只要该频率小于光电探测器的截止响应频率。光电探测器就会输出相应频率的光电流，其幅度正比于光纤x处的后向散射系数和光功率的大小，从而得到沿待测光纤各处的散射衰减特性，同时可以通过测试频率的最大值来推导出待测光纤的长度。

优点

在光通信网络检测中包括了集成光路的诊断和光通信网络故障的检测等。前者一般只有厘米量级甚至毫米量级，后者的诊断一般使用波长为1.3或1.55的光源，量程则达到了公里级，大的量程就需要大的动态范围和高的光源光功率。显然，OTDR分辨率与动态范围之间的矛盾不能很好地解决这个问题，而OFDR却可以满足，它具有高灵敏度和高的空间分辨率优点。

高灵敏度

假设光电探测器的负载电阻为RI。，则光外差探测得到的差频信号对应的电功率。而OTDR是直接探测光纤的背向瑞利散射光信号，其输出的光功率。由于参考光的光功率比较大，一般能达到几十毫瓦。而光纤的背向瑞利散射光信号的功率很小。大约只是入射光的--45dB，从而可以得出结论。OFDR探测方式的灵敏度要远高于OTDR的探测方式。也就是说，在相同动态范围的条件下，OFDR需要的光源光功率要小得多。

高空间分辨率

空间分辨率是指测量系统能辨别待测光纤上两个相邻测量点的能力。空间分辨率高意味着能辨别的测量点间距短，即光纤上能测量的信息点就多，更能反映整条待测光纤的特性。在OTDR系统中分辨率受探测光脉冲宽度的限制，探测光脉冲宽度窄，则分辨率高，同时光脉冲能量变小，信噪比减小。OFDR系统中的空间分辨率根据可以对应为辨别待测光纤两个相邻测量点所对应的中频信号的能力，而辨别中频信号的能力与系统中所使用的频谱仪的接收机带宽密切相关。很明显，接收机带宽越小，则辨别两个不同频率信号的能力越强，同时引入的噪声电平也小，信噪比提高，故OFDR系统在得到高空间分辨率的同时也能得到很大的动态范围。

限制因素

光源相位噪声和相干性的限制

以上分析都是假定光源是单色的，而实际的信号源都会产生较大的相位噪声并通过有限的频谱宽度表现出来。该相位噪声会减小空间分辨率并缩短光纤能够可靠测量的长度，即光纤在一定长度之后测量到的数据就不能准确反映出散射信号的大小，从而不能正确分析光纤的传输特性。

光源扫频非线性的限制

实际使用的激光器由于受到温度变化、器件的振动、电网电压的波动等条件的影响，会引起光源谐振腔位置的变化从而影响输出光波谱线的变化，引起扫频的非线性，会展宽OFDR测量系统中差频信号的范围，这限制了OFDR方式的空间分辨率的大小。

光波的极化限制

由于OFDR方式采用的是相干检测方案，很明显，假如信号光和参考光在光电探测器的光敏面上的极化方向是正交的，则该信号光所对应的光纤测量点的信息就会丢失。因此，必须保证光波极化的稳定性。

发展现状

为寻求OFDR系统的商业化，国外对采用半导体激光器作为光源的OFDR系统进行了研究和探讨。1990年Sorin等人用波长为1.32的ND：YAG激光器作为光源，得到了较长的相干时间，测量范围达到了50km。分辨率达到了380m。1995年Tsuii等人用波长为1.55的Er-Yb激光器作为光源，使用掺Er光纤放大器，使测量量程达到30km，分辨率达到了50m。2000年Oberson等人利用压电陶瓷调节得到的线宽为lOkHz的可调光纤激光器。在150m长度上得到16cm的分辨率，并有80dB的动态范围。2007年Y.Koshikiya等人运用SSB调制技术在量程大于5km时得到厘米级的高分辨率，这样的分辨率已经能够满足光纤通信网络的检测要求，国外已有相关的产品面世包括应用于分布式光纤测温领域的LIOS，然而国内的研究比较少。