光(guang)頻域(yu)反(fan)(fan)射計(OFDR)，因能應(ying)(ying)用于(yu)各種范(fan)圍(wei)(wei)的(de)(de)(de)高精(jing)(jing)度測量和(he)具(ju)(ju)有大的(de)(de)(de)動(dong)態范(fan)圍(wei)(wei)而(er)吸(xi)引(yin)了(le)研(yan)究(jiu)(jiu)者的(de)(de)(de)興趣。OFDR系統需要(yao)的(de)(de)(de)光(guang)源(yuan)(yuan)應(ying)(ying)該(gai)為線性(xing)掃頻窄線寬單縱(zong)模(mo)激光(guang)器，所(suo)以(yi)對光(guang)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)要(yao)求很高，這也導致了(le)國內(nei)對OFDR研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)(de)缺乏。由于(yu)OFDR能應(ying)(ying)用于(yu)各種范(fan)圍(wei)(wei)的(de)(de)(de)高精(jing)(jing)度測量和(he)具(ju)(ju)有大的(de)(de)(de)動(dong)態范(fan)圍(wei)(wei)，還是(shi)吸(xi)引(yin)了(le)眾多研(yan)究(jiu)(jiu)者的(de)(de)(de)興趣。隨(sui)著國內(nei)光(guang)源(yuan)(yuan)調頻技(ji)術的(de)(de)(de)日益成熟，其發(fa)展(zhan)和(he)應(ying)(ying)用前景相當廣闊。目前使用較多的(de)(de)(de)是(shi)光(guang)時域(yu)反(fan)(fan)射計(OTDR)。OTDR是(shi)通過分(fen)析后(hou)向(xiang)散射光(guang)的(de)(de)(de)時間差(cha)和(he)光(guang)程差(cha)進(jin)行檢(jian)測。探(tan)測分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)(de)(de)提(ti)高依賴(lai)于(yu)探(tan)測脈沖(chong)寬度的(de)(de)(de)減(jian)小，但是(shi)，在(zai)激光(guang)功率(lv)一定的(de)(de)(de)條(tiao)件下。會(hui)造成探(tan)測脈沖(chong)能量的(de)(de)(de)降低和(he)噪(zao)聲(sheng)電(dian)平(ping)的(de)(de)(de)增加，從而(er)引(yin)起動(dong)態范(fan)圍(wei)(wei)的(de)(de)(de)減(jian)小。為了(le)解決這個問題，其他的(de)(de)(de)時域(yu)反(fan)(fan)射方法(fa)也在(zai)不斷地研(yan)究(jiu)(jiu)中。
光(guang)頻域反(fan)射計結構包括線性(xing)掃頻光(guang)源、邁克爾遜干涉(she)儀(yi)、光(guang)電探測器(qi)和頻譜儀(yi)(或(huo)信號處理單(dan)元)等，基于光(guang)外差(cha)探測，其(qi)原理可(ke)用下圖進行分析(xi)。
以頻(pin)(pin)率(lv)為(wei)(wei)(wei)中(zhong)心進(jin)行線性掃(sao)頻(pin)(pin)的(de)(de)(de)連續光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，經耦(ou)合器(qi)(qi)進(jin)入(ru)(ru)邁克爾(er)遜干涉儀結構分成(cheng)兩束(shu)(shu)。一(yi)束(shu)(shu)經反射(she)(she)鏡返回，其光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)程是(shi)固定(ding)的(de)(de)(de)，稱(cheng)為(wei)(wei)(wei)參考(kao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，另一(yi)束(shu)(shu)則(ze)進(jin)入(ru)(ru)待測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)。由于(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)存在折射(she)(she)率(lv)的(de)(de)(de)微觀不均勻性，會(hui)產生瑞利散(san)射(she)(she)。其中(zhong)部分后(hou)(hou)向(xiang)散(san)射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)滿(man)足(zu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)數值孔徑而(er)朝注入(ru)(ru)端返回，稱(cheng)為(wei)(wei)(wei)信(xin)號光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)。如果傳播長度(du)滿(man)足(zu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)相(xiang)干條(tiao)件，則(ze)信(xin)號光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)和(he)參考(kao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)就會(hui)在光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏面上發(fa)生混(hun)頻(pin)(pin)。待測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)上任一(yi)點X處(chu)的(de)(de)(de)瑞利后(hou)(hou)向(xiang)散(san)射(she)(she)信(xin)號所對應(ying)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)流(liu)的(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)設置(zhi)為(wei)(wei)(wei)0時，頻(pin)(pin)率(lv)大小(xiao)(xiao)則(ze)正(zheng)(zheng)比于(yu)散(san)射(she)(she)點位置(zhi)x。只要(yao)該頻(pin)(pin)率(lv)小(xiao)(xiao)于(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)截止響(xiang)應(ying)頻(pin)(pin)率(lv)。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)就會(hui)輸(shu)出(chu)相(xiang)應(ying)頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)流(liu)，其幅(fu)度(du)正(zheng)(zheng)比于(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)x處(chu)的(de)(de)(de)后(hou)(hou)向(xiang)散(san)射(she)(she)系(xi)數和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)功率(lv)的(de)(de)(de)大小(xiao)(xiao)，從而(er)得到(dao)沿待測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)各處(chu)的(de)(de)(de)散(san)射(she)(she)衰減特性，同(tong)時可以通過測(ce)(ce)(ce)試頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)最大值來(lai)推導出(chu)待測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)長度(du)。
在(zai)光(guang)(guang)通信(xin)網絡(luo)(luo)檢測中包括了集(ji)成光(guang)(guang)路的(de)(de)診(zhen)斷和(he)光(guang)(guang)通信(xin)網絡(luo)(luo)故障的(de)(de)檢測等。前者一(yi)般(ban)只有厘米量(liang)級(ji)甚至毫米量(liang)級(ji)，后者的(de)(de)診(zhen)斷一(yi)般(ban)使用波(bo)長為(wei)1.3或1.55的(de)(de)光(guang)(guang)源，量(liang)程(cheng)(cheng)則達到(dao)了公(gong)里級(ji)，大(da)的(de)(de)量(liang)程(cheng)(cheng)就需(xu)要(yao)大(da)的(de)(de)動態(tai)(tai)范圍(wei)(wei)和(he)高的(de)(de)光(guang)(guang)源光(guang)(guang)功率(lv)。顯然，OTDR分辨率(lv)與動態(tai)(tai)范圍(wei)(wei)之間(jian)的(de)(de)矛(mao)盾不能很好地(di)解決(jue)這(zhe)個(ge)問題，而OFDR卻可(ke)以滿(man)足，它具(ju)有高靈敏度和(he)高的(de)(de)空間(jian)分辨率(lv)優點。
假設光(guang)電(dian)探測(ce)器的(de)(de)(de)負載電(dian)阻為RI。，則光(guang)外差(cha)探測(ce)得到的(de)(de)(de)差(cha)頻信號對應的(de)(de)(de)電(dian)功(gong)(gong)率(lv)。而(er)OTDR是直接探測(ce)光(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)背向瑞利散射光(guang)信號，其輸出的(de)(de)(de)光(guang)功(gong)(gong)率(lv)。由(you)于參考光(guang)的(de)(de)(de)光(guang)功(gong)(gong)率(lv)比較(jiao)大，一(yi)般能達到幾十毫(hao)瓦(wa)。而(er)光(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)背向瑞利散射光(guang)信號的(de)(de)(de)功(gong)(gong)率(lv)很小(xiao)。大約只是入射光(guang)的(de)(de)(de)--45dB，從而(er)可以得出結(jie)論。OFDR探測(ce)方式(shi)的(de)(de)(de)靈敏度(du)要(yao)遠高于OTDR的(de)(de)(de)探測(ce)方式(shi)。也就是說，在(zai)相(xiang)同動態范圍的(de)(de)(de)條(tiao)件下，OFDR需要(yao)的(de)(de)(de)光(guang)源(yuan)光(guang)功(gong)(gong)率(lv)要(yao)小(xiao)得多(duo)。
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(tiao)待測光纖的(de)特性。在OTDR系(xi)統(tong)中分(fen)辨(bian)率(lv)受探測光脈(mo)沖(chong)寬(kuan)度的(de)限制，探測光脈(mo)沖(chong)寬(kuan)度窄，則(ze)分(fen)辨(bian)率(lv)高(gao)，同(tong)時光脈(mo)沖(chong)能量(liang)變小(xiao)(xiao)，信(xin)噪比(bi)減小(xiao)(xiao)。OFDR系(xi)統(tong)中的(de)空間分(fen)辨(bian)率(lv)根據可以對(dui)應為辨(bian)別待測光纖兩(liang)個(ge)相(xiang)鄰(lin)測量(liang)點所對(dui)應的(de)中頻信(xin)號的(de)能力，而辨(bian)別中頻信(xin)號的(de)能力與系(xi)統(tong)中所使用的(de)頻譜儀的(de)接收(shou)機帶寬(kuan)密切(qie)相(xiang)關。很明顯，接收(shou)機帶寬(kuan)越小(xiao)(xiao)，則(ze)辨(bian)別兩(liang)個(ge)不(bu)同(tong)頻率(lv)信(xin)號的(de)能力越強，同(tong)時引(yin)入的(de)噪聲(sheng)電平也小(xiao)(xiao)，信(xin)噪比(bi)提高(gao)，故OFDR系(xi)統(tong)在得到高(gao)空間分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)同(tong)時也能得到很大的(de)動態范圍。
光源相位噪聲和相干性的限制
以上分(fen)析都是假(jia)定光源是單(dan)色的(de)，而實際(ji)的(de)信(xin)號源都會產(chan)生(sheng)較大的(de)相位噪聲(sheng)并通過有限的(de)頻譜寬度(du)表現出來。該相位噪聲(sheng)會減小空間分(fen)辨率并縮短光纖能(neng)夠可靠測(ce)量的(de)長(chang)度(du)，即光纖在一(yi)定長(chang)度(du)之后測(ce)量到的(de)數據就不能(neng)準確(que)反映(ying)出散(san)射信(xin)號的(de)大小，從(cong)而不能(neng)正確(que)分(fen)析光纖的(de)傳輸特(te)性。
光源掃頻非線性的限制
實際使(shi)用的(de)激光器由于受(shou)到溫(wen)度變化(hua)、器件的(de)振(zhen)動、電網電壓的(de)波動等條件的(de)影(ying)響，會(hui)引起光源(yuan)諧振(zhen)腔位置的(de)變化(hua)從而影(ying)響輸出光波譜線(xian)的(de)變化(hua)，引起掃頻(pin)(pin)的(de)非線(xian)性，會(hui)展寬OFDR測量系統中差頻(pin)(pin)信號的(de)范圍，這限制(zhi)了OFDR方(fang)式的(de)空間分辨率的(de)大小。
光波的極化限制
由于OFDR方(fang)式采(cai)用的(de)(de)(de)是相(xiang)干檢測(ce)(ce)方(fang)案，很明顯，假如信(xin)號光(guang)(guang)(guang)和參考光(guang)(guang)(guang)在光(guang)(guang)(guang)電探測(ce)(ce)器的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)敏面上的(de)(de)(de)極化方(fang)向是正交的(de)(de)(de)，則該信(xin)號光(guang)(guang)(guang)所對(dui)應(ying)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)纖測(ce)(ce)量(liang)點(dian)的(de)(de)(de)信(xin)息就會丟失。因此，必(bi)須保(bao)證光(guang)(guang)(guang)波極化的(de)(de)(de)穩定性(xing)。
為(wei)尋(xun)求OFDR系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)(de)商(shang)業化，國外對采用(yong)半導體激光(guang)器作(zuo)為(wei)光(guang)源的(de)(de)(de)(de)OFDR系(xi)(xi)統進行了研究和探(tan)討(tao)。1990年Sorin等(deng)人用(yong)波長(chang)為(wei)1.32的(de)(de)(de)(de)ND：YAG激光(guang)器作(zuo)為(wei)光(guang)源，得(de)到了較(jiao)長(chang)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)干時(shi)間，測量(liang)(liang)范(fan)(fan)圍達(da)到了50km。分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率達(da)到了380m。1995年Tsuii等(deng)人用(yong)波長(chang)為(wei)1.55的(de)(de)(de)(de)Er-Yb激光(guang)器作(zuo)為(wei)光(guang)源，使(shi)用(yong)摻Er光(guang)纖放大(da)器，使(shi)測量(liang)(liang)量(liang)(liang)程達(da)到30km，分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率達(da)到了50m。2000年Oberson等(deng)人利用(yong)壓電陶瓷(ci)調節得(de)到的(de)(de)(de)(de)線寬為(wei)lOkHz的(de)(de)(de)(de)可調光(guang)纖激光(guang)器。在150m長(chang)度上得(de)到16cm的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率，并有(you)80dB的(de)(de)(de)(de)動態(tai)范(fan)(fan)圍。2007年Y.Koshikiya等(deng)人運用(yong)SSB調制技術在量(liang)(liang)程大(da)于5km時(shi)得(de)到厘(li)米(mi)級(ji)的(de)(de)(de)(de)高(gao)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率，這樣的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率已經(jing)能夠滿足光(guang)纖通信網(wang)絡的(de)(de)(de)(de)檢測要求，國外已有(you)相(xiang)關(guan)的(de)(de)(de)(de)產品(pin)面世包括應用(yong)于分(fen)(fen)(fen)(fen)布式光(guang)纖測溫領域的(de)(de)(de)(de)LIOS，然而(er)國內的(de)(de)(de)(de)研究比較(jiao)少。
