光頻域反射計(OFDR)是20世紀90年代以來的一個新技術，能套用於各種範圍的高精度測量和具有大的動態範圍。
基本介紹
- 中文名：光頻域反射計
- 外文名：OFDR
- 時間：20世紀90年代
- 套用於：各種範圍的高精度測量等
簡介,基本原理,優點,高靈敏度,高空間解析度,限制因素,發展現狀,
簡介
光頻域反射計(OFDR)，因能套用於各種範圍的高精度測量和具有大的動態範圍而吸引了研究者的興趣。OFDR系統需要的光源應該為線性掃頻窄線寬單縱模雷射器，所以對光源的要求很高，這也導致了國內對OFDR研究的缺乏。由於OFDR能套用於各種範圍的高精度測量和具有大的動態範圍，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，其發展和套用前景相當廣闊。目前使用較多的是光時域反射計(OTDR)。OTDR是通過分析後向散射光的時間差和光程差進行檢測。探測解析度的提高依賴於探測脈衝寬度的減小，但是，在雷射功率一定的條件下。會造成探測脈衝能量的降低和噪聲電平的增加，從而引起動態範圍的減小。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、麥可遜干涉儀、光電探測器和頻譜儀(或信號處理單元)等，基於光外差探測，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光，經耦合器進入麥可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。由於光纖存在折射率的微觀不均勻性，會產生瑞利散射。其中部分後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生混頻。待測光纖上任一點X處的瑞利後向散射信號所對應的光電流的頻率設定為0時，頻率大小則正比於散射點位置x。只要該頻率小於光電探測器的截止回響頻率。光電探測器就會輸出相應頻率的光電流，其幅度正比於光纖x處的後向散射係數和光功率的大小，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。
優點
在光通信網路檢測中包括了集成光路的診斷和光通信網路故障的檢測等。前者一般只有厘米量級甚至毫米量級，後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範圍和高的光源光功率。顯然，OTDR解析度與動態範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解析度優點。
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 。由於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於OTDR的探測方式。也就是說，在相同動態範圍的條件下，OFDR需要的光源光功率要小得多。
高空間解析度
空間解析度是指測量系統能辨別待測光纖上兩個相鄰測量點的能力。空間解析度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系統中解析度受探測光脈衝寬度的限制，探測光脈衝寬度窄，則解析度高，同時光脈衝能量變小，信噪比減小。OFDR系統中的空間解析度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中所使用的頻譜儀的接收機頻寬密切相關。很明顯，接收機頻寬越小，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系統在得到高空間解析度的同時也能得到很大的動態範圍。
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並通過有限的頻譜寬度表現出來。該相位噪聲會減小空間解析度並縮短光纖能夠可靠測量的長度，即光纖在一定長度之後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
實際使用的雷射器由於受到溫度變化、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測量系統中差頻信號的範圍，這限制了OFDR方式的空間解析度的大小。
光波的極化限制
由於OFDR方式採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定性。
發展現狀
為尋求OFDR系統的商業化，國外對採用半導體雷射器作為光源的OFDR系統進行了研究和探討。1990年Sorin等人用波長為1.32 的ND：YAG雷射器作為光源，得到了較長的相干時間，測量範圍達到了50km。解析度達到了380m。1995年Tsuii等人用波長為1.55 的Er-Yb雷射器作為光源，使用摻Er光纖放大器，使測量量程達到30km，解析度達到了50m。2000年Oberson等人利用壓電陶瓷調節得到的線寬為lOkHz的可調光纖雷射器。在150m長度上得到16cm的解析度，並有80dB的動態範圍。2007年Y.Koshikiya等人運用SSB調製技術在量程大於5km時得到厘米級的高解析度，這樣的解析度已經能夠滿足光纖通信網路的檢測要求，國外已有相關的產品面世包括套用於分散式光纖測溫領域的LIOS，然而國內的研究比較少。
