淺析OFDR光頻域反射技術(shù)的原理

光纖通信的發(fā)展對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到重要的作用。光纖通訊具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：傳輸頻寬帶、損失消耗較少。光纖通信的建設(shè)起始于二十世紀(jì)九十年代，并且得到大規(guī)模的發(fā)展。

光纖通信作為承載著很大信息量的傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)和不穩(wěn)定性，為了保證光纖通信的順利運(yùn)行和安全，需要開(kāi)發(fā)一種能精確測(cè)量出光纖通信特性的工具或者是儀器。光頻域反射能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出光纖通信特性，光頻域反射主要是分析光纖的散射光時(shí)間差、光程差來(lái)檢測(cè)光纖通訊的。

OFDR光頻域反射技術(shù)的原理介紹

1、光纖中的散射

當(dāng)光通過(guò)不均勻介質(zhì)時(shí)會(huì)向四面八方傳播，這就是光的散射，例如晴朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色，海水也是藍(lán)的，這都是太陽(yáng)光發(fā)生散射的結(jié)果（波長(zhǎng)較短的藍(lán)光被大氣微粒散射）。同樣的，當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中折射率分布不均勻，也會(huì)發(fā)生散射，主要有瑞利散射，布里淵散射與拉曼散射三種形式。

散射是光波與光纖介質(zhì)的粒子相互作用的結(jié)果。瑞利散射中，入射光被散射后，波長(zhǎng)、頻率并未發(fā)生變化，是一種彈性散射；布里淵散射中入射光與光纖中聲波場(chǎng)發(fā)生作用，會(huì)出現(xiàn)高于原入射光頻率的光和低于原入射光頻率的光。拉曼散射產(chǎn)生的結(jié)果與之類似，兩者都屬于非彈性散射。

分布式光纖傳感技術(shù)（DOFS）就是通過(guò)采集光纖中散射光的信息進(jìn)行測(cè)量的，可以分成如下幾類：

目前， OTDR 技術(shù)發(fā)展成熟，多用于集成光路的診斷和光通信網(wǎng)絡(luò)故障的檢測(cè)，但受探測(cè)光脈沖寬度及空間分辨率與動(dòng)態(tài)范圍之間矛盾的限制，難以同時(shí)滿足較大動(dòng)態(tài)范圍和較高空間分辨率，不適用于高精度測(cè)量領(lǐng)域。在溫度與應(yīng)變傳感領(lǐng)域，多使用基于布里淵散射的 BOTDR、BOTDA 及 BOFDA 技術(shù)，其中 BOFDA技術(shù)最高能實(shí)現(xiàn) 2cm 的空間分辨率，但整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)十分復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。

OFDR 技術(shù)是利用掃頻光源相干檢測(cè)技術(shù)對(duì)光纖中的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的一項(xiàng)技術(shù)，由于不受空間分辨率與動(dòng)態(tài)范圍之間矛盾的限制，其同時(shí)具備空間分辨率高（光學(xué)測(cè)量可達(dá) 10μm） ， 動(dòng)態(tài)范圍大， 測(cè)試靈敏度高等特點(diǎn)， 適用于短距離高精度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域如光器件內(nèi)部剖析、土木工程模擬試驗(yàn)、車輛結(jié)構(gòu)研究等。

2、光學(xué)相干檢測(cè)

光學(xué)相干檢測(cè)的基本原理和無(wú)線電波外差探測(cè)原理基本一致，故又稱光外差檢測(cè)。它是利用光的相干性將包含有被測(cè)信號(hào)的探測(cè)光和作為基準(zhǔn)的參考光在滿足一定條件下進(jìn)行混頻，輸出兩光波的差頻信號(hào)的一種檢測(cè)技術(shù)，其基本原理如下圖：

相干檢測(cè)是一種間接檢測(cè)技術(shù)，它把高頻光信號(hào)轉(zhuǎn)換到易于檢測(cè)的中頻信號(hào)上，具有轉(zhuǎn)換增益高、檢測(cè)能力強(qiáng)、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，在光通信、測(cè)量領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

3、 OFDR（光頻域反射技術(shù)） 原理

OFDR（光頻域反射技術(shù)）是一種基于光纖中瑞利散射的背向反射技術(shù)，光源發(fā)出的線性掃頻光經(jīng)耦合器分為兩路，一路進(jìn)入待測(cè)光纖中，在光纖各個(gè)位置上不斷地產(chǎn)生瑞利散射信號(hào)，信號(hào)光是背向的，與另一路參考光耦合到探測(cè)器上進(jìn)行相干混頻。 待測(cè)光纖不同位置，光頻率不同，信號(hào)光與參考光的頻差也不同。

通過(guò)頻率測(cè)量可以獲得待測(cè)光纖中各位置的光強(qiáng)。頻率對(duì)應(yīng)于光纖的位置，光強(qiáng)對(duì)應(yīng)于此位置的反射率和回?fù)p。

光在光纖中向前傳輸時(shí)，當(dāng)光纖中出現(xiàn)缺陷產(chǎn)生損耗時(shí)，不同位置處產(chǎn)生的瑞利散射信號(hào)便攜帶了這些損耗信息。 對(duì)瑞利散射信號(hào)光進(jìn)行頻率檢測(cè)，就能準(zhǔn)確定位光纖沿線出現(xiàn)的熔接點(diǎn)、彎曲、斷點(diǎn)等。 OFDR 技術(shù)就是通過(guò)上述原理實(shí)現(xiàn)光纖鏈路的診斷。

另一方面，當(dāng)待測(cè)光纖置于外界的溫度場(chǎng)或應(yīng)變場(chǎng)中，光纖受溫度或應(yīng)變影響，光纖內(nèi)部折射率分布會(huì)有變化，相應(yīng)的瑞利散射信號(hào)光的頻率也會(huì)有變化，通過(guò)瑞利散射信號(hào)光的頻率測(cè)量，可以對(duì)應(yīng)外界溫度場(chǎng)或應(yīng)變場(chǎng)的變化。從而實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感。

OFDR的發(fā)展現(xiàn)狀

OFDR主要有三種應(yīng)用：光通信網(wǎng)絡(luò)診斷、集成光路診斷和層析技術(shù)。這些應(yīng)用的差別在于它們對(duì)OFDR系統(tǒng)的要求不同。而其技術(shù)差別主要在于光源部分的調(diào)制方式不同。

在層析技術(shù)中應(yīng)用時(shí),要求測(cè)量量程為幾個(gè)毫米,測(cè)量精度為幾十個(gè)微米。

為尋求OFDR系統(tǒng)的商業(yè)化，國(guó)外許多研究單位對(duì)采用半導(dǎo)體激光器作為光源的OFDR系統(tǒng)進(jìn)行了研究和探討。他們嘗試用各種方法對(duì)半導(dǎo)體激光器光源進(jìn)行頻域調(diào)制，以達(dá)到OFDR系統(tǒng)的要求，比如采用電流注入法、溫度調(diào)制法、腔外光柵調(diào)制法或者腔外電光相位調(diào)制法等。

集成光路診斷需要比層析技術(shù)更大的測(cè)量量程。專家用磷化銦光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)得到了分辨率為50μm、測(cè)量范圍為25mm的OFDR系統(tǒng)。

當(dāng)調(diào)制光源時(shí),注入電流的變化、殘余振幅調(diào)制和非線性頻率調(diào)啾會(huì)使系統(tǒng)的分辨率變差。用頻率均衡器可以使頻率惆啾線性化，優(yōu)化系統(tǒng)的分辨率,使系統(tǒng)的分辨率達(dá)到1mm,并使測(cè)量量程達(dá)到1m。

光通信網(wǎng)絡(luò)的診斷需要使用波長(zhǎng)為1.3μm或1.55μm的光源，OFDR系統(tǒng)的測(cè)量量程必須大很多。用波長(zhǎng)為1.32μm的ND: YAG激光器作為光源，得到了較長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度，使測(cè)量范圍達(dá)到了50km,實(shí)驗(yàn)中的分辨率達(dá)到了380m。用波長(zhǎng)為1.55cm的Er-Yb激光器作為光源，并使用了摻Er光纖放大器，得到了50m的分辨率,測(cè)量量程則達(dá)到了30km。隨著光源調(diào)頻技術(shù)的日益成熟， OFDR的分辨率得到了很大的提高。運(yùn)用SSB調(diào)制技術(shù)在量程大于5km時(shí)成功地得到cm量級(jí)的分辨率。

光頻域反射計(jì)優(yōu)點(diǎn)

在光通信網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)中包括了集成光路的診斷和光通信網(wǎng)絡(luò)故障的檢測(cè)等。前者一般只有厘米量級(jí)甚至毫米量級(jí)，后者的診斷一般使用波長(zhǎng)為1.3μm或 1.55μm的光源，量程則達(dá)到了公里級(jí)，大的量程就需要大的動(dòng)態(tài)范圍和高的光源光功率。顯然。OTDR分辨率與動(dòng)態(tài)范圍之間的矛盾不能很好地解決這個(gè)問(wèn)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(diǎn)。

1、高的靈敏度

由于參考光的光功率比較大，一般能達(dá)到幾十毫瓦。而光纖的背向瑞利散射光信號(hào)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(cè)方式的靈敏度要遠(yuǎn)高于OTDR的探測(cè)方式。也就是說(shuō)，在相同動(dòng)態(tài)范圍的條件下，OFDR需要的光源光功率要小得多。

2、高的空間分辨率

空間分辨率是指測(cè)量系統(tǒng)能辨別待測(cè)光纖上兩個(gè)相鄰測(cè)量點(diǎn)的能力。空間分辨率高意味著能辨別的測(cè)量點(diǎn)間距短，即光纖上能測(cè)量的信息點(diǎn)就多，更能反映整條待測(cè)光纖的特性。在OTDR系統(tǒng)中分辨率受探測(cè)光脈沖寬度的限制，探測(cè)光脈沖寬度窄，則分辨率高，同時(shí)光脈沖能量變小，信噪比減小。

OFDR系統(tǒng)中的空間分辨率可以對(duì)應(yīng)為辨別待測(cè)光纖兩個(gè)相鄰測(cè)量點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)的能力，而辨別中頻信號(hào)的能力與系統(tǒng)中所使用的頻譜儀的接收機(jī)帶寬密切相關(guān)。很明顯，接收機(jī)帶寬越小，則辨別兩個(gè)不同頻率信號(hào)的能力越強(qiáng)，同時(shí)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(shí)也能得到很大的動(dòng)態(tài)范圍。

OFDR的限制因素與發(fā)展現(xiàn)狀

1、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(shí)際上的信號(hào)源都會(huì)產(chǎn)生較大的相位噪聲并通過(guò)有限的頻譜寬度表現(xiàn)出來(lái)。該相位噪聲會(huì)減小空間分辨率并縮短光纖能夠可靠測(cè)量的長(zhǎng)度即光纖在一定長(zhǎng)度之后測(cè)量到的數(shù)據(jù)就不能準(zhǔn)確反映出散射信號(hào)的大小，從而不能準(zhǔn)確分析光纖的傳輸特性。

2、光源掃頻非線性的限制

實(shí)際使用的激光器由于受到溫度變化、器件的振動(dòng)、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)等條件的影響，會(huì)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(huì)展寬OFDR測(cè)量系統(tǒng)中差頻信號(hào)的范圍，這限制了OFDR方式的空間分辨率的大小。

3、光波的極化限制

由于OFDR方式采用的是相干檢測(cè)方案，很明顯，假如信號(hào)光和參考光在光電探測(cè)器的光敏面上的極化方向是正交的，則該信號(hào)光所對(duì)應(yīng)的光纖測(cè)量點(diǎn)的信息就會(huì)丟失。因此，必須保證光波極化的穩(wěn)定性

光頻域反射儀（OFDR）在軍事裝備中的應(yīng)用

1、海上軍事裝備的應(yīng)用

美國(guó)海軍在80年代初就實(shí)施了開(kāi)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(shí)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(guó)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(kāi)發(fā)出了相應(yīng)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)已安裝在CG 47 級(jí)導(dǎo)彈巡洋艦、DDG 51級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、“喬治·華盛頓號(hào)”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(guó)“小石城號(hào)”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(lái)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(guó)在核動(dòng)力航空母艦“杜魯門號(hào)”（CVN75）上采用氣送光纖技術(shù)完成了光纖敷設(shè)。后來(lái)又成功地在“企業(yè)號(hào)”（CVN 65）上進(jìn)行了敷設(shè)。還計(jì)劃在“里根號(hào)”（CVN 76）、“尼米茲號(hào)”（CVN68）及“USSWasp”號(hào)（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(hào)”上所用光纖達(dá)67.58kM。

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(duì)這類網(wǎng)絡(luò)的可靠性檢測(cè)事關(guān)國(guó)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。OFDR可以有效的檢測(cè)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(cè)該鏈路中光器件的狀況。表明OFDR能夠有效地高精度檢測(cè)中短距離專用光纖網(wǎng)絡(luò)中光纖和器件的故障。

2、航空航天裝備的應(yīng)用

載人航天、大型飛機(jī)作為國(guó)家科技實(shí)力的標(biāo)志，得到迅速發(fā)展，我國(guó)也將之列入中長(zhǎng)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(duì)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(wú)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(guó)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(shì)，也為光纖通信技術(shù)開(kāi)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(cè)是一個(gè)沒(méi)能很好解決的問(wèn)題。這類網(wǎng)絡(luò)往往事關(guān)人的生命乃至國(guó)家安全，對(duì)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(cè)。

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(jí)、距離范圍能到數(shù)公里的光纖鏈路檢測(cè)設(shè)備，光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）顯然不能滿足上述測(cè)量要求，而OFDR則具備滿足這一應(yīng)用需求的能力。

目前國(guó)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(zhǎng)度，“N”表示兩個(gè)機(jī)箱之間的光纜長(zhǎng)度。

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(zhǎng)，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(lái)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(hào)處理方面的應(yīng)用主要是光纖延遲線信號(hào)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(hào)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(hào)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(cè)出是否有潛在故障。

光通信、層析技術(shù)和集成光學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越需要具有高空間分辨率的測(cè)量技術(shù)。OFDR作為一種具有廣泛應(yīng)用前景的高空間分辨率測(cè)量技術(shù)，正越來(lái)越受到研究者的重視。隨著國(guó)內(nèi)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)OFDR的研究必將會(huì)廣泛地被引起人們的重視并得以開(kāi)展。