什么是光頻域反射技術(shù)？光頻域反射技術(shù)的原理和應(yīng)用

01概述

光頻域反射（Optical Frequency Domain Reflectometry，簡稱OFDR）技術(shù)通過測量被調(diào)制的探測光產(chǎn)生的瑞利散射信號頻率來對散射信號進行定位的，具有極高的空間分辨率和傳感精度，具有很高的市場應(yīng)用價值和發(fā)展前景。自O(shè)FDR技術(shù)由Eickhoff于1981年首次提出以來，國內(nèi)外學(xué)者對OFDR系統(tǒng)的研究和應(yīng)用表現(xiàn)出極大興趣，持續(xù)對系統(tǒng)進行研究和改進，追求更高的空間分辨率和傳感精度。

02OFDR設(shè)備原理

光頻域反射儀是基于光連續(xù)調(diào)頻波的相干探測技術(shù)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由激光器發(fā)出線性掃頻光，被耦合器分為兩路，其中一路光進入測量光纖，在經(jīng)過測量光纖后會不斷產(chǎn)生瑞利散射光沿原路返回；另一路光進入?yún)⒖脊饫w，在經(jīng)過尾端反射鏡后沿路返回，兩路背向散射光經(jīng)耦合器耦合后進入光電探測器中，兩路光滿足相干條件發(fā)生相干混頻，由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

圖1 OFDR系統(tǒng)原理

激光器的頻率可表示為，其中為起始光頻，為掃頻斜率。則激光器輸出光信號相位為：

其中為光源初始相位。

光源發(fā)出的光信號可以表示為：

其中為光源光信號強度。

測試光纖上距離耦合器處的瑞利散射光信號拍頻信號頻率可以表示為：

其中為測量信號從處返回到耦合器時延，n為測試光纖折射率。

圖2 拍頻信號頻率

設(shè)測試光纖的瑞利散射系數(shù)為，則在光電探測器中進行混頻后得到的電流可表示為：

其中相位差，拍頻頻率為。由拍頻頻率公式可知，頻率與測試光纖上散射位置時延呈正比，使用頻譜儀分析拍頻信號頻譜，可以直接獲得光信號在光纖中位置及強度信息，從而得到OFDR距離域和反射率曲線。

圖3 OFDR曲線（距離-反射率）

03OFDR技術(shù)應(yīng)用

OFDR技術(shù)可以獲得整根光纖的瑞利散射分布信息，基于OFDR技術(shù)的高分辨光學(xué)鏈路診斷儀，空間分辨率高達10μm，單次測量可實現(xiàn)從器件到鏈路的全范圍診斷。用戶可借助OFDR設(shè)備查找并判別光纖鏈路中的宏彎、連接點和斷點，并精確測量回損、插損和光譜等參數(shù)。

OFDR技術(shù)主要應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域，如用于光學(xué)鏈路診斷，光器件、光模塊測量，光纖長度精確測量，硅光芯片測量，Y波導(dǎo)損耗測量等。OFDR技術(shù)還可以用于光纖傳感領(lǐng)域，以單模光纖作為傳感器，進行高分辨、分布式的應(yīng)變溫度測量，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，復(fù)合材料疲勞檢測，新能源汽車電池溫度監(jiān)測等。

來源：大話光纖傳感

審核編輯：湯梓紅