光纖/光纜斷點(diǎn)、光衰點(diǎn)、故障點(diǎn)精準(zhǔn)定位-光頻域反射儀（OFDR）

一、應(yīng)用背景概述

在國外，光纖技術(shù)軍事應(yīng)用正形成高潮。以美國為例，三軍光纖技術(shù)開發(fā)活動(dòng)的計(jì)劃項(xiàng)目就包括了五大部分：有源和無源光元件、傳感器、輻射效應(yīng)、點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2010年，美國國防部已把"光子學(xué)、光電子學(xué)"和"點(diǎn)對點(diǎn)通信"列為十大國防技術(shù)中的兩項(xiàng)，其中光纖技術(shù)占據(jù)著舉足輕重的地位。一個(gè)典型的例子是，在使用了單模光纜的光纖局域網(wǎng)后，美國"小石城號"軍艦上的雷達(dá)數(shù)據(jù)總線傳輸容量就達(dá)到了1Gb／S，原來使用同軸電纜時(shí)90噸的重量也降到了0.5噸。
隨著光纖應(yīng)用面的擴(kuò)大，一個(gè)很重要的問題隨之產(chǎn)生：如何在日常維護(hù)保養(yǎng)中對基于光纖技術(shù)的裝備或系統(tǒng)進(jìn)行有效的檢測。目前市場上比較常用的代表性技術(shù)有：基于瑞利散射的用于干線光纜故障檢測的OTDR；基于布里淵散射的用于分布式應(yīng)力測量的BOTDR；基于拉曼散射的用于分布式溫度測量的ROTDR。它們的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)難度相對低、測量距離長（百公里級），但距離分辨率有限。而OFDR是一種基于頻域分析的后向反射測量技術(shù)，從原理上克服了OTDR在距離分辨率上的不足，可實(shí)現(xiàn)高距離分辨率、高靈敏度、中等距離的測量。
90年代初，受美國海軍和波音公司的委托，美國LUNA公司開始研發(fā)檢測距離中等、分辨率毫米級的OFDR，主要用于專用光纖網(wǎng)絡(luò)的日常維護(hù)檢測、飛機(jī)船舶等機(jī)身構(gòu)件的嵌入式無損監(jiān)測（智能蒙皮）、光纖陀螺的偏振態(tài)分析等。2006年，LUNA公司推出了全球第一款OFDR產(chǎn)品OBR4600。

1.1、海上軍事裝備的應(yīng)用

美國海軍在80年代初就實(shí)施了開發(fā)大型新艦船用光纖區(qū)域網(wǎng)作為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線的計(jì)劃（AEGIS（宇斯盾）計(jì)劃），他們意識到了將艦艇中的同軸電纜更換為光纜的巨大價(jià)值。1986年初，美國海軍海洋系統(tǒng)司令部又在此基礎(chǔ)上成立了SAFENET（能抗毀的自適應(yīng)光纖嵌入網(wǎng)）委員會(huì)。并于1987年成立工作組指導(dǎo)制定了SAFENET－I和SAFENE-II兩套標(biāo)準(zhǔn)并開發(fā)出了相應(yīng)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)已安裝在CG 47 級導(dǎo)彈巡洋艦、DDG 51級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、"喬治·華盛頓號"航空母艦等艦艇上。隨后實(shí)施的高速光網(wǎng)（HSON）原型計(jì)劃，在實(shí)現(xiàn)了1.7Gb/S的第一階段目標(biāo)后，美國"小石城號"軍艦上的雷達(dá)數(shù)據(jù)總線傳輸容量就達(dá)到了1Gb/S，并使原來重量達(dá)90噸的同軸電纜被0.5噸重的單模光纜所代替。1997年11月，美國在核動(dòng)力航空母艦"杜魯門號"（CVN75）上采用氣送光纖技術(shù)完成了光纖敷設(shè)。后來又成功地在"企業(yè)號"（CVN 65）上進(jìn)行了敷設(shè)。還計(jì)劃在"里根號"（CVN76）、"尼米茲號"（CVN68）及"USSWasp"號（LHD－1）上用氣送光纖技術(shù)敷設(shè)光纖系統(tǒng)。其中"杜魯門號"上所用光纖達(dá)67.58kM。
潛艇方面，美國海軍推出了高級水下作戰(zhàn)系統(tǒng)（SUBACS），SUBACS是美國海軍最大的艦載水下光纖通信計(jì)劃項(xiàng)目，該項(xiàng)目計(jì)劃在所有的"洛杉磯"688級攻擊型核潛艇和新型"三叉戟"彈道導(dǎo)彈潛艇中裝備光纖數(shù)據(jù)總線，將傳感器與火控系統(tǒng)接入分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)，從而大大提高潛艇的數(shù)據(jù)處理能力。此外，光纖制導(dǎo)魚雷和桅桿式光電觀測裝置也采用了光纖技術(shù)，光纖制導(dǎo)魚雷中的制導(dǎo)載體為光纜；桅桿式光電觀測裝置由光電桅桿和光學(xué)潛望鏡組成，而其中光電桅桿的可回轉(zhuǎn)多傳感器頭與艇內(nèi)操縱控制臺(tái)之間的信息就由光纜進(jìn)行傳輸。在上述艦載高速光纖網(wǎng)、采用光纖制導(dǎo)的武器彈藥或使用光纖傳輸信息的局部裝置中，存在著大量的光纖連接頭或光纖彎曲等現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光器件數(shù)目多；網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境惡劣、溫度變化大、振動(dòng)沖擊嚴(yán)重；對這類網(wǎng)絡(luò)的可靠性檢測事關(guān)國家安全，需要在維護(hù)檢修時(shí)具備很高的故障分辨率并能定位到器件內(nèi)部。OTDR技術(shù)顯然不能滿足上述要求，而OFDR則具備滿足這一應(yīng)用需求的能力。下圖為LUNA 公司用OFDR和OTDR對一段包含多個(gè)光器件的光纖鏈路的測試結(jié)果?？梢姡琌FDR可以有效的檢測出鏈路內(nèi)各個(gè)光器件的反射及損耗特性，OTDR則因距離分辨率低而難以有效檢測該鏈路中光器件的狀況。表明OFDR能夠有效地高精度檢測中短距離專用光纖網(wǎng)絡(luò)中光纖和器件的故障。

圖1.1 OFDR和OTDR的光纖鏈路檢測性能比較

此外，光纖水聽器系統(tǒng)（全光纖水聽器拖曳陣列、全光纖海底聲吶監(jiān)視系統(tǒng)、海洋環(huán)境噪聲及安靜型潛艇噪聲測量等）、光纖陀螺等采用光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)某種功能的器件，為了提高器件本身的精度和靈敏度，需要有針對性的改善制作過程。以光纖陀螺為例，偏振態(tài)耦合是影響其精度的主要原因，而陀螺芯繞制中產(chǎn)生的光纖應(yīng)力是導(dǎo)致偏振態(tài)耦合的主要因素。傳統(tǒng)的光偏振分析設(shè)備只能測試光信號經(jīng)光纖傳輸后最終輸出的偏振特性，而無法測得光在光纖中傳輸時(shí)偏振惡化的過程和具體位置，難以有針對性地進(jìn)行性能的改進(jìn)和提高。為此，迫切需要能夠分布式測量光纖偏振耦合特性的技術(shù)，從而分析導(dǎo)致偏振態(tài)耦合的起因，有針對性地改善制作過程，從根本上提高光纖陀螺的精度和靈敏度。而OFDR是目前唯一被報(bào)道的能夠?qū)崿F(xiàn)這一測試目的的技術(shù)手段。

圖1.2 基于OFDR的分布式光纖偏振耦合測試

1.2、航空航天裝備的應(yīng)用

載人航天、大型飛機(jī)作為國家科技實(shí)力的標(biāo)志，得到迅速發(fā)展，我國也將之列入中長期科技發(fā)展規(guī)劃重大專項(xiàng)和重大科學(xué)工程。大型飛機(jī)、載人航天的發(fā)展，必然對其內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量、抗干擾能力以及體積重量等提出新的要求，光纖以其傳輸帶寬、抗電磁干擾能力、以及質(zhì)量輕、體積小、抗腐蝕、無火災(zāi)隱患等獨(dú)特優(yōu)越性，使其成為支持該發(fā)展需求的最佳技術(shù)選擇。美國自1995年波音777首次成功使用光纖局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)之后，就提出了"航空電子光纖統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)"的概念，掀起了航空電子光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的熱潮。構(gòu)建基于光纖技術(shù)的內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，成為這類專用通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，也為光纖通信技術(shù)開辟了新型的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，這類網(wǎng)絡(luò)的可靠性檢測是一個(gè)沒能很好解決的問題。這類網(wǎng)絡(luò)往往事關(guān)人的生命乃至國家安全，對網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性要求極高，必須進(jìn)行嚴(yán)格細(xì)致的檢測。網(wǎng)絡(luò)的鏈路距離短（幾十米至數(shù)公里），結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光器件數(shù)目多，要求故障精確定位到器件的內(nèi)部。因此，需要定位精度能夠達(dá)到毫米量級、距離范圍能到數(shù)公里的光纖鏈路檢測設(shè)備，光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）顯然不能滿足上述測量要求，而OFDR則具備滿足這一應(yīng)用需求的能力。

目前國內(nèi)軍機(jī)的通信系統(tǒng)普遍采用了"1+N+1"的模式，"1"表示交換機(jī)機(jī)箱內(nèi)的多模光纖長度，"N"表示兩個(gè)機(jī)箱之間的光纜長度.

此外，美國空軍、彈道導(dǎo)彈防御局和NASA已經(jīng)將光纖傳感器陣列和其他傳感器植入到復(fù)合材料蒙皮中，這種智能蒙皮可用于天基防御系統(tǒng)的表面和軍用飛機(jī)的制造，在設(shè)備的全壽命周期內(nèi)，實(shí)時(shí)測量結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)變應(yīng)力、溫度、裂紋、形變等參數(shù)，探測疲勞損傷和攻擊損傷。未來的天基平臺(tái)將利用智能蒙皮對環(huán)境威脅（如隕石、空間老化）和攻擊損傷進(jìn)行自診斷和損傷評估?？臻g站和大型空間在軌觀測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)探測由于交會(huì)對接的碰撞、隕石撞擊或其他因素引起的損傷，并對損傷進(jìn)行評估，以解決在軌空間系統(tǒng)長期實(shí)時(shí)監(jiān)測和維護(hù)問題。除此之外，對于固體導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)、運(yùn)載火箭助推器復(fù)合材料殼體同樣可以進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測。而OFDR在距離分辨率上的優(yōu)勢，在上述分布式應(yīng)力測量中得到進(jìn)一步體現(xiàn)。美國科學(xué)家比較了Luna公司的OFDR和基于布里淵散射的BOTDR在構(gòu)件應(yīng)變測試性能上的差異，如下圖所示：

圖1.3 OFDR和BOTDR分布式應(yīng)力測試性能比較圖示結(jié)果可知，BOTDR技術(shù)不僅距離分辨率低，而且，出現(xiàn)應(yīng)力在距離上的平均效應(yīng)，導(dǎo)致檢測靈敏度下降。而OFDR無論在距離分辨能力和檢測靈敏度上均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。表明OFDR比BOTDR技術(shù)更有效地用于智能蒙皮等構(gòu)件的健康狀況監(jiān)測。
1.3、陸地軍事裝備的應(yīng)用

在陸上的軍事通信應(yīng)用中的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)通信的遠(yuǎn)程系統(tǒng)、基地間通信的局域網(wǎng)等因?yàn)楣饫|通信距離較長，不需要用到高分辨率的OFDR。
由于光纖傳輸損耗低、頻帶寬等固有的優(yōu)點(diǎn)，光纖在雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用首先用于連接雷達(dá)天線和雷達(dá)控制中心，從而可使兩者的距離從原來用同軸電纜時(shí)的300m以內(nèi)擴(kuò)大到2～ 5km。用光纖作傳輸媒體，其頻帶可覆蓋X波段（8～ 12.4GHz）或Ku波段（12.4～18GHZ）。光纖在微波信號處理方面的應(yīng)用主要是光纖延遲線信號處理。先進(jìn)的高分辨率雷達(dá)要求損耗低、時(shí)間帶寬積大的延遲器件進(jìn)行信號處理。傳統(tǒng)的同軸延遲線、聲表面波（SAW）延遲線、電荷耦合器件（CCD）等均已不能滿足要求。光纖延遲線不僅能達(dá)到上述要求，而且能封裝進(jìn)一個(gè)小型的封裝盒。用于相控陣?yán)走_(dá)信號處理的大多是多模光纖構(gòu)成的延遲線。
在上述的中短距離的應(yīng)用中，特別是封裝在小盒里的光纖延遲線，維護(hù)時(shí)只有使用高分辨率的OFDR才能檢測出是否有潛在故障。

此外、光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、光纖系繩武器、新式的夜視裝置中的光纖元件都可以使用OFDR進(jìn)行高精度檢測。