光(guang)(guang)頻(pin)(pin)域反射計(ji)(OFDR)，因能應(ying)用于(yu)各種范(fan)(fan)圍(wei)的(de)(de)高(gao)精度測量和具有(you)大的(de)(de)動態(tai)范(fan)(fan)圍(wei)而吸引(yin)了研究(jiu)(jiu)者(zhe)的(de)(de)興趣。OFDR系統需要的(de)(de)光(guang)(guang)源應(ying)該(gai)為線(xian)(xian)性掃頻(pin)(pin)窄線(xian)(xian)寬單縱模激(ji)光(guang)(guang)器(qi)，所以對光(guang)(guang)源的(de)(de)要求很高(gao)，這也導致(zhi)了國內(nei)對OFDR研究(jiu)(jiu)的(de)(de)缺乏。由于(yu)OFDR能應(ying)用于(yu)各種范(fan)(fan)圍(wei)的(de)(de)高(gao)精度測量和具有(you)大的(de)(de)動態(tai)范(fan)(fan)圍(wei)，還是吸引(yin)了眾多(duo)研究(jiu)(jiu)者(zhe)的(de)(de)興趣。隨(sui)著(zhu)國內(nei)光(guang)(guang)源調(diao)頻(pin)(pin)技術(shu)的(de)(de)日(ri)益成熟，其發(fa)展和應(ying)用前景相(xiang)當廣(guang)闊。目前使用較多(duo)的(de)(de)是光(guang)(guang)時(shi)域反射計(ji)(OTDR)。OTDR是通過(guo)分析后向散射光(guang)(guang)的(de)(de)時(shi)間差和光(guang)(guang)程差進行檢測。探(tan)測分辨率(lv)的(de)(de)提(ti)高(gao)依賴于(yu)探(tan)測脈沖(chong)寬度的(de)(de)減(jian)小，但是，在(zai)激(ji)光(guang)(guang)功率(lv)一定的(de)(de)條件下。會(hui)造成探(tan)測脈沖(chong)能量的(de)(de)降低和噪聲電平的(de)(de)增加(jia)，從而引(yin)起動態(tai)范(fan)(fan)圍(wei)的(de)(de)減(jian)小。為了解決這個問題，其他的(de)(de)時(shi)域反射方法也在(zai)不斷(duan)地研究(jiu)(jiu)中。
光(guang)頻域反射計結(jie)構包括線性掃頻光(guang)源、邁克爾遜(xun)干涉儀、光(guang)電探測(ce)器(qi)和頻譜儀(或信號處(chu)理單(dan)元)等，基于(yu)光(guang)外差探測(ce)，其原(yuan)理可用下圖進行(xing)分(fen)析。
以頻(pin)(pin)率(lv)為(wei)中心進(jin)行(xing)線性掃頻(pin)(pin)的(de)連續光(guang)(guang)，經耦(ou)合器(qi)進(jin)入邁克爾遜干涉儀結構分成(cheng)兩束(shu)(shu)。一束(shu)(shu)經反射(she)鏡(jing)返回(hui)(hui)，其(qi)(qi)光(guang)(guang)程(cheng)是固定(ding)的(de)，稱為(wei)參考(kao)(kao)光(guang)(guang)，另一束(shu)(shu)則(ze)進(jin)入待測(ce)光(guang)(guang)纖。由于(yu)光(guang)(guang)纖存在折射(she)率(lv)的(de)微觀不均勻性，會產生(sheng)(sheng)瑞利散(san)(san)(san)射(she)。其(qi)(qi)中部分后向散(san)(san)(san)射(she)光(guang)(guang)滿足光(guang)(guang)纖數值孔徑而(er)朝(chao)注入端返回(hui)(hui)，稱為(wei)信(xin)號(hao)光(guang)(guang)。如果傳播長(chang)度(du)滿足光(guang)(guang)的(de)相(xiang)干條件，則(ze)信(xin)號(hao)光(guang)(guang)和參考(kao)(kao)光(guang)(guang)就(jiu)會在光(guang)(guang)電(dian)(dian)探(tan)測(ce)器(qi)的(de)光(guang)(guang)敏面上發生(sheng)(sheng)混頻(pin)(pin)。待測(ce)光(guang)(guang)纖上任一點X處的(de)瑞利后向散(san)(san)(san)射(she)信(xin)號(hao)所對應的(de)光(guang)(guang)電(dian)(dian)流的(de)頻(pin)(pin)率(lv)設置為(wei)0時(shi)，頻(pin)(pin)率(lv)大(da)(da)(da)小則(ze)正比于(yu)散(san)(san)(san)射(she)點位置x。只要該頻(pin)(pin)率(lv)小于(yu)光(guang)(guang)電(dian)(dian)探(tan)測(ce)器(qi)的(de)截止(zhi)響應頻(pin)(pin)率(lv)。光(guang)(guang)電(dian)(dian)探(tan)測(ce)器(qi)就(jiu)會輸出(chu)相(xiang)應頻(pin)(pin)率(lv)的(de)光(guang)(guang)電(dian)(dian)流，其(qi)(qi)幅度(du)正比于(yu)光(guang)(guang)纖x處的(de)后向散(san)(san)(san)射(she)系數和光(guang)(guang)功率(lv)的(de)大(da)(da)(da)小，從而(er)得到(dao)沿待測(ce)光(guang)(guang)纖各處的(de)散(san)(san)(san)射(she)衰減特性，同時(shi)可(ke)以通過測(ce)試(shi)頻(pin)(pin)率(lv)的(de)最大(da)(da)(da)值來(lai)推導出(chu)待測(ce)光(guang)(guang)纖的(de)長(chang)度(du)。
在光(guang)通信(xin)網絡(luo)檢測中包(bao)括了集成光(guang)路的(de)(de)診(zhen)斷和(he)光(guang)通信(xin)網絡(luo)故(gu)障(zhang)的(de)(de)檢測等。前者一般只有(you)厘米(mi)量(liang)級甚至(zhi)毫米(mi)量(liang)級，后者的(de)(de)診(zhen)斷一般使用波(bo)長(chang)為(wei)1.3或1.55的(de)(de)光(guang)源(yuan)，量(liang)程(cheng)則達到了公里級，大的(de)(de)量(liang)程(cheng)就需要(yao)大的(de)(de)動(dong)態范圍(wei)和(he)高(gao)的(de)(de)光(guang)源(yuan)光(guang)功率。顯(xian)然，OTDR分辨率與(yu)動(dong)態范圍(wei)之間(jian)的(de)(de)矛盾不(bu)能(neng)很好地解決(jue)這個問題，而(er)OFDR卻可以滿足，它(ta)具有(you)高(gao)靈敏度和(he)高(gao)的(de)(de)空間(jian)分辨率優(you)點。
假設光(guang)(guang)電(dian)探測(ce)器(qi)的(de)(de)負載電(dian)阻為RI。，則光(guang)(guang)外(wai)差探測(ce)得(de)到的(de)(de)差頻信號(hao)(hao)對應的(de)(de)電(dian)功(gong)(gong)率(lv)。而(er)(er)OTDR是(shi)直(zhi)接探測(ce)光(guang)(guang)纖的(de)(de)背向瑞利(li)(li)散(san)射光(guang)(guang)信號(hao)(hao)，其輸出(chu)(chu)的(de)(de)光(guang)(guang)功(gong)(gong)率(lv)。由于(yu)參考光(guang)(guang)的(de)(de)光(guang)(guang)功(gong)(gong)率(lv)比較大(da)，一般能達到幾十毫瓦。而(er)(er)光(guang)(guang)纖的(de)(de)背向瑞利(li)(li)散(san)射光(guang)(guang)信號(hao)(hao)的(de)(de)功(gong)(gong)率(lv)很小。大(da)約只是(shi)入射光(guang)(guang)的(de)(de)--45dB，從而(er)(er)可(ke)以得(de)出(chu)(chu)結論。OFDR探測(ce)方式(shi)的(de)(de)靈敏(min)度要遠高于(yu)OTDR的(de)(de)探測(ce)方式(shi)。也(ye)就是(shi)說，在(zai)相同(tong)動態范圍的(de)(de)條件下，OFDR需要的(de)(de)光(guang)(guang)源光(guang)(guang)功(gong)(gong)率(lv)要小得(de)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，更能反映整條待(dai)測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)纖的(de)特性。在(zai)OTDR系(xi)統中(zhong)分(fen)辨(bian)率受探測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)脈(mo)(mo)(mo)沖寬(kuan)(kuan)度的(de)限制，探測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)脈(mo)(mo)(mo)沖寬(kuan)(kuan)度窄，則分(fen)辨(bian)率高(gao)，同時(shi)光(guang)(guang)脈(mo)(mo)(mo)沖能(neng)(neng)量變小，信(xin)噪比(bi)減小。OFDR系(xi)統中(zhong)的(de)空間分(fen)辨(bian)率根(gen)據(ju)可以對應(ying)為辨(bian)別待(dai)測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)纖兩個相鄰測(ce)(ce)(ce)量點所對應(ying)的(de)中(zhong)頻(pin)信(xin)號的(de)能(neng)(neng)力(li)，而(er)辨(bian)別中(zhong)頻(pin)信(xin)號的(de)能(neng)(neng)力(li)與系(xi)統中(zhong)所使用的(de)頻(pin)譜儀的(de)接(jie)(jie)收機帶寬(kuan)(kuan)密切相關。很明顯(xian)，接(jie)(jie)收機帶寬(kuan)(kuan)越(yue)小，則辨(bian)別兩個不(bu)同頻(pin)率信(xin)號的(de)能(neng)(neng)力(li)越(yue)強，同時(shi)引(yin)入的(de)噪聲電平也小，信(xin)噪比(bi)提高(gao)，故OFDR系(xi)統在(zai)得(de)到高(gao)空間分(fen)辨(bian)率的(de)同時(shi)也能(neng)(neng)得(de)到很大的(de)動態范圍(wei)。
光源(yuan)相位(wei)噪聲和相干性的(de)限制
以上分析都(dou)是(shi)(shi)假定光(guang)源是(shi)(shi)單色的(de)(de)，而(er)實際的(de)(de)信號(hao)源都(dou)會產生較大的(de)(de)相位(wei)噪聲并通過有限的(de)(de)頻譜寬度表現出(chu)來。該相位(wei)噪聲會減小(xiao)空(kong)間分辨率(lv)并縮短光(guang)纖能(neng)夠可靠(kao)測量的(de)(de)長度，即(ji)光(guang)纖在一定長度之后測量到的(de)(de)數據就不能(neng)準確(que)反(fan)映出(chu)散射信號(hao)的(de)(de)大小(xiao)，從而(er)不能(neng)正(zheng)確(que)分析光(guang)纖的(de)(de)傳輸(shu)特性(xing)。
光源掃頻非線性的限制(zhi)
實際使用(yong)的(de)(de)激光(guang)器由于受(shou)到(dao)溫度變(bian)(bian)化、器件的(de)(de)振(zhen)動(dong)、電網電壓的(de)(de)波動(dong)等條件的(de)(de)影(ying)響，會引(yin)起(qi)光(guang)源諧振(zhen)腔位置的(de)(de)變(bian)(bian)化從而影(ying)響輸出光(guang)波譜線的(de)(de)變(bian)(bian)化，引(yin)起(qi)掃頻的(de)(de)非線性，會展寬OFDR測量系統(tong)中差(cha)頻信號的(de)(de)范圍，這限制了OFDR方式的(de)(de)空間分(fen)辨率的(de)(de)大小。
光波的極化限制
由于OFDR方式采用的是(shi)(shi)相干檢(jian)測方案，很明顯，假如(ru)信號光(guang)(guang)和參考光(guang)(guang)在光(guang)(guang)電探測器的光(guang)(guang)敏面上的極化方向是(shi)(shi)正(zheng)交的，則(ze)該信號光(guang)(guang)所(suo)對應的光(guang)(guang)纖測量點的信息就會丟失。因此，必須(xu)保證光(guang)(guang)波極化的穩(wen)定性。
為(wei)(wei)尋(xun)求OFDR系統(tong)的(de)(de)商業化，國(guo)外對采用(yong)(yong)半導體激(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)作(zuo)為(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)源的(de)(de)OFDR系統(tong)進行了(le)研(yan)(yan)究(jiu)和探討。1990年(nian)Sorin等人(ren)(ren)用(yong)(yong)波(bo)長(chang)為(wei)(wei)1.32的(de)(de)ND：YAG激(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)作(zuo)為(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)源，得(de)(de)到(dao)(dao)(dao)(dao)了(le)較(jiao)長(chang)的(de)(de)相(xiang)干時間，測(ce)量范圍(wei)達(da)到(dao)(dao)(dao)(dao)了(le)50km。分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)達(da)到(dao)(dao)(dao)(dao)了(le)380m。1995年(nian)Tsuii等人(ren)(ren)用(yong)(yong)波(bo)長(chang)為(wei)(wei)1.55的(de)(de)Er-Yb激(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)作(zuo)為(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)源，使(shi)用(yong)(yong)摻Er光(guang)(guang)(guang)纖放大器(qi)(qi)，使(shi)測(ce)量量程達(da)到(dao)(dao)(dao)(dao)30km，分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)達(da)到(dao)(dao)(dao)(dao)了(le)50m。2000年(nian)Oberson等人(ren)(ren)利(li)用(yong)(yong)壓電陶瓷調(diao)節得(de)(de)到(dao)(dao)(dao)(dao)的(de)(de)線寬為(wei)(wei)lOkHz的(de)(de)可(ke)調(diao)光(guang)(guang)(guang)纖激(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)。在(zai)150m長(chang)度(du)上得(de)(de)到(dao)(dao)(dao)(dao)16cm的(de)(de)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)，并(bing)有(you)80dB的(de)(de)動態范圍(wei)。2007年(nian)Y.Koshikiya等人(ren)(ren)運用(yong)(yong)SSB調(diao)制(zhi)技術在(zai)量程大于5km時得(de)(de)到(dao)(dao)(dao)(dao)厘米級的(de)(de)高分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)，這樣的(de)(de)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)已(yi)經能夠滿(man)足光(guang)(guang)(guang)纖通信網(wang)絡的(de)(de)檢測(ce)要求，國(guo)外已(yi)有(you)相(xiang)關的(de)(de)產品面世(shi)包括應用(yong)(yong)于分(fen)(fen)布式光(guang)(guang)(guang)纖測(ce)溫領域的(de)(de)LIOS，然而國(guo)內(nei)的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)比較(jiao)少。
