光(guang)頻域反射(she)計(ji)(OFDR)，因能應(ying)用于(yu)各種范圍(wei)的(de)(de)(de)(de)高(gao)精度(du)測(ce)(ce)(ce)量(liang)和(he)(he)(he)(he)具(ju)有大的(de)(de)(de)(de)動(dong)態范圍(wei)而吸(xi)引(yin)了研(yan)究(jiu)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)興趣。OFDR系統需要的(de)(de)(de)(de)光(guang)源(yuan)應(ying)該為線性掃頻窄線寬單(dan)縱模激光(guang)器，所以對(dui)(dui)光(guang)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)要求很高(gao)，這也導致了國內對(dui)(dui)OFDR研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)(de)缺(que)乏(fa)。由(you)于(yu)OFDR能應(ying)用于(yu)各種范圍(wei)的(de)(de)(de)(de)高(gao)精度(du)測(ce)(ce)(ce)量(liang)和(he)(he)(he)(he)具(ju)有大的(de)(de)(de)(de)動(dong)態范圍(wei)，還是吸(xi)引(yin)了眾多研(yan)究(jiu)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)興趣。隨著國內光(guang)源(yuan)調頻技術的(de)(de)(de)(de)日(ri)益(yi)成(cheng)熟，其(qi)(qi)發(fa)展(zhan)和(he)(he)(he)(he)應(ying)用前景相當廣(guang)闊。目前使(shi)用較多的(de)(de)(de)(de)是光(guang)時域反射(she)計(ji)(OTDR)。OTDR是通過分(fen)析后向散(san)射(she)光(guang)的(de)(de)(de)(de)時間差(cha)和(he)(he)(he)(he)光(guang)程差(cha)進行檢測(ce)(ce)(ce)。探測(ce)(ce)(ce)分(fen)辨率的(de)(de)(de)(de)提高(gao)依(yi)賴于(yu)探測(ce)(ce)(ce)脈沖(chong)寬度(du)的(de)(de)(de)(de)減小，但是，在激光(guang)功(gong)率一定的(de)(de)(de)(de)條件(jian)下。會造(zao)成(cheng)探測(ce)(ce)(ce)脈沖(chong)能量(liang)的(de)(de)(de)(de)降低和(he)(he)(he)(he)噪(zao)聲(sheng)電平的(de)(de)(de)(de)增加(jia)，從而引(yin)起動(dong)態范圍(wei)的(de)(de)(de)(de)減小。為了解(jie)決這個問題，其(qi)(qi)他的(de)(de)(de)(de)時域反射(she)方法也在不(bu)斷地研(yan)究(jiu)中。
光(guang)(guang)頻(pin)域反射計結構(gou)包括線性(xing)掃頻(pin)光(guang)(guang)源、邁克爾遜干涉儀、光(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)器和頻(pin)譜儀(或信號處理(li)單元(yuan))等，基(ji)于光(guang)(guang)外(wai)差(cha)探測(ce)(ce)，其原理(li)可用下圖進行分析。
以(yi)頻(pin)(pin)率(lv)為(wei)中(zhong)心進(jin)行線性(xing)(xing)掃頻(pin)(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)連續光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，經(jing)耦合器進(jin)入邁克(ke)爾遜干涉儀結(jie)構(gou)分成兩束。一束經(jing)反(fan)射(she)鏡返(fan)回，其光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)程是固定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)，稱為(wei)參考光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，另一束則(ze)進(jin)入待(dai)測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)。由(you)于(yu)(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)存在(zai)折射(she)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)微觀不均勻性(xing)(xing)，會(hui)產生瑞(rui)利散(san)(san)射(she)。其中(zhong)部分后(hou)向(xiang)散(san)(san)射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)滿(man)足光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)數值孔徑而朝注入端返(fan)回，稱為(wei)信號光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)。如果傳(chuan)播長度(du)滿(man)足光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)干條(tiao)件(jian)，則(ze)信號光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)和參考光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)就(jiu)會(hui)在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)(ce)器的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏面上(shang)發生混頻(pin)(pin)。待(dai)測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)上(shang)任一點(dian)X處的(de)(de)(de)(de)(de)瑞(rui)利后(hou)向(xiang)散(san)(san)射(she)信號所對(dui)應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)設置為(wei)0時(shi)，頻(pin)(pin)率(lv)大(da)小則(ze)正比(bi)(bi)于(yu)(yu)散(san)(san)射(she)點(dian)位(wei)置x。只要(yao)該頻(pin)(pin)率(lv)小于(yu)(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)(ce)器的(de)(de)(de)(de)(de)截止響(xiang)應(ying)頻(pin)(pin)率(lv)。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)(ce)器就(jiu)會(hui)輸出相(xiang)應(ying)頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)流(liu)，其幅度(du)正比(bi)(bi)于(yu)(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)x處的(de)(de)(de)(de)(de)后(hou)向(xiang)散(san)(san)射(she)系數和光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)功率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)大(da)小，從而得(de)到沿(yan)待(dai)測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)各處的(de)(de)(de)(de)(de)散(san)(san)射(she)衰(shuai)減特性(xing)(xing)，同時(shi)可以(yi)通過測(ce)(ce)(ce)試頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)最大(da)值來推導(dao)出待(dai)測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)長度(du)。
在(zai)光(guang)(guang)通(tong)信(xin)網絡檢測中包括了集成光(guang)(guang)路的(de)(de)(de)診斷和光(guang)(guang)通(tong)信(xin)網絡故障的(de)(de)(de)檢測等。前者一般只(zhi)有(you)厘米量(liang)級甚至毫米量(liang)級，后(hou)者的(de)(de)(de)診斷一般使用波長為1.3或1.55的(de)(de)(de)光(guang)(guang)源，量(liang)程則達到了公里級，大的(de)(de)(de)量(liang)程就(jiu)需要大的(de)(de)(de)動態范圍和高(gao)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)源光(guang)(guang)功率(lv)(lv)。顯然，OTDR分辨(bian)率(lv)(lv)與(yu)動態范圍之間的(de)(de)(de)矛(mao)盾不能很好地解決這個問(wen)題，而OFDR卻可以滿足，它具(ju)有(you)高(gao)靈敏度和高(gao)的(de)(de)(de)空間分辨(bian)率(lv)(lv)優點。
假設光(guang)電(dian)探(tan)(tan)測器的(de)(de)(de)負載(zai)電(dian)阻為(wei)RI。，則光(guang)外差(cha)探(tan)(tan)測得(de)到(dao)的(de)(de)(de)差(cha)頻信號(hao)對應的(de)(de)(de)電(dian)功(gong)(gong)率(lv)。而(er)(er)OTDR是直接(jie)探(tan)(tan)測光(guang)纖的(de)(de)(de)背向瑞(rui)利散(san)射光(guang)信號(hao)，其輸出(chu)的(de)(de)(de)光(guang)功(gong)(gong)率(lv)。由于參(can)考(kao)光(guang)的(de)(de)(de)光(guang)功(gong)(gong)率(lv)比(bi)較大，一般能達到(dao)幾十毫瓦。而(er)(er)光(guang)纖的(de)(de)(de)背向瑞(rui)利散(san)射光(guang)信號(hao)的(de)(de)(de)功(gong)(gong)率(lv)很小。大約只是入射光(guang)的(de)(de)(de)--45dB，從而(er)(er)可以得(de)出(chu)結論。OFDR探(tan)(tan)測方(fang)式的(de)(de)(de)靈敏(min)度要遠高于OTDR的(de)(de)(de)探(tan)(tan)測方(fang)式。也(ye)就是說(shuo)，在相同動態范圍(wei)的(de)(de)(de)條件下(xia)，OFDR需要的(de)(de)(de)光(guang)源光(guang)功(gong)(gong)率(lv)要小得(de)多。
空間分辨率是指測量系統能辨別待測光纖上兩個相鄰測量點的能力。空間分辨率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(ce)光(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)特性。在(zai)OTDR系(xi)統中分(fen)辨率(lv)受(shou)探測(ce)光(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)(chong)寬(kuan)度的(de)(de)限制，探測(ce)光(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)(chong)寬(kuan)度窄(zhai)，則分(fen)辨率(lv)高，同(tong)時光(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)(chong)能(neng)(neng)量變小，信噪(zao)比減小。OFDR系(xi)統中的(de)(de)空間分(fen)辨率(lv)根據可以對(dui)應為辨別(bie)(bie)待測(ce)光(guang)(guang)纖(xian)兩個相(xiang)鄰測(ce)量點所對(dui)應的(de)(de)中頻信號(hao)的(de)(de)能(neng)(neng)力(li)，而(er)辨別(bie)(bie)中頻信號(hao)的(de)(de)能(neng)(neng)力(li)與(yu)系(xi)統中所使用的(de)(de)頻譜儀(yi)的(de)(de)接收機(ji)帶(dai)(dai)寬(kuan)密切相(xiang)關。很明顯，接收機(ji)帶(dai)(dai)寬(kuan)越小，則辨別(bie)(bie)兩個不同(tong)頻率(lv)信號(hao)的(de)(de)能(neng)(neng)力(li)越強(qiang)，同(tong)時引入的(de)(de)噪(zao)聲電平也小，信噪(zao)比提高，故OFDR系(xi)統在(zai)得到高空間分(fen)辨率(lv)的(de)(de)同(tong)時也能(neng)(neng)得到很大(da)的(de)(de)動態范(fan)圍。
光源相位噪聲和相干性的限(xian)制
以上分析都(dou)是(shi)(shi)假定光(guang)源(yuan)是(shi)(shi)單色的，而實際的信號(hao)源(yuan)都(dou)會產生較大(da)的相(xiang)位(wei)噪(zao)聲并通(tong)過有(you)限的頻譜寬度表現出來。該相(xiang)位(wei)噪(zao)聲會減(jian)小(xiao)空間分辨率并縮短光(guang)纖(xian)能夠可靠測(ce)量(liang)(liang)的長度，即光(guang)纖(xian)在一定長度之后測(ce)量(liang)(liang)到(dao)的數據就不(bu)能準確(que)反(fan)映出散射信號(hao)的大(da)小(xiao)，從而不(bu)能正確(que)分析光(guang)纖(xian)的傳輸特性。
光源掃(sao)頻非線性的限制
實際使(shi)用的(de)(de)激(ji)光(guang)器由于受到(dao)溫度(du)變(bian)化、器件(jian)的(de)(de)振(zhen)動(dong)、電(dian)網電(dian)壓(ya)的(de)(de)波動(dong)等條件(jian)的(de)(de)影響，會(hui)引起光(guang)源諧振(zhen)腔位置的(de)(de)變(bian)化從(cong)而影響輸(shu)出光(guang)波譜(pu)線的(de)(de)變(bian)化，引起掃頻的(de)(de)非線性，會(hui)展(zhan)寬(kuan)OFDR測量系統(tong)中差頻信(xin)號的(de)(de)范圍，這限制(zhi)了OFDR方式的(de)(de)空間分辨率的(de)(de)大(da)小。
光波的極化限制
由于(yu)OFDR方(fang)式采(cai)用的(de)是相干檢(jian)測(ce)方(fang)案，很明顯，假如信(xin)號光和參考(kao)光在光電探測(ce)器的(de)光敏(min)面(mian)上(shang)的(de)極化方(fang)向是正交的(de)，則該(gai)信(xin)號光所(suo)對應的(de)光纖(xian)測(ce)量點(dian)的(de)信(xin)息就(jiu)會丟(diu)失。因(yin)此，必須保證光波極化的(de)穩定性(xing)。
為(wei)尋求OFDR系統的(de)(de)(de)(de)(de)商業化，國(guo)(guo)外(wai)對(dui)采用(yong)半(ban)導(dao)體激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)作為(wei)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)OFDR系統進行(xing)了(le)(le)(le)(le)研(yan)究(jiu)和(he)探(tan)討。1990年(nian)Sorin等(deng)人用(yong)波長(chang)為(wei)1.32的(de)(de)(de)(de)(de)ND：YAG激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)作為(wei)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)，得(de)到了(le)(le)(le)(le)較長(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)相干時間，測量(liang)(liang)范(fan)圍達到了(le)(le)(le)(le)50km。分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率達到了(le)(le)(le)(le)380m。1995年(nian)Tsuii等(deng)人用(yong)波長(chang)為(wei)1.55的(de)(de)(de)(de)(de)Er-Yb激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)作為(wei)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)，使用(yong)摻Er光(guang)(guang)(guang)纖放(fang)大器(qi)，使測量(liang)(liang)量(liang)(liang)程(cheng)(cheng)達到30km，分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率達到了(le)(le)(le)(le)50m。2000年(nian)Oberson等(deng)人利用(yong)壓電陶瓷調節(jie)得(de)到的(de)(de)(de)(de)(de)線寬為(wei)lOkHz的(de)(de)(de)(de)(de)可調光(guang)(guang)(guang)纖激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)。在150m長(chang)度上得(de)到16cm的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率，并有(you)80dB的(de)(de)(de)(de)(de)動態(tai)范(fan)圍。2007年(nian)Y.Koshikiya等(deng)人運用(yong)SSB調制技術在量(liang)(liang)程(cheng)(cheng)大于5km時得(de)到厘米級(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)高分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率，這(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率已經能夠(gou)滿足光(guang)(guang)(guang)纖通信網絡的(de)(de)(de)(de)(de)檢(jian)測要(yao)求，國(guo)(guo)外(wai)已有(you)相關(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)產品面世包括應用(yong)于分(fen)(fen)(fen)布式光(guang)(guang)(guang)纖測溫(wen)領域的(de)(de)(de)(de)(de)LIOS，然而國(guo)(guo)內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)比較少。
