光(guang)(guang)(guang)頻(pin)域反(fan)(fan)射(she)(she)計(ji)(OFDR),因能應用于各(ge)種范圍(wei)(wei)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)精度(du)測(ce)量(liang)和(he)具有大(da)的(de)(de)(de)動(dong)態范圍(wei)(wei)而(er)吸引了研究(jiu)者(zhe)的(de)(de)(de)興趣。OFDR系統(tong)需要(yao)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)源應該為(wei)線性掃頻(pin)窄(zhai)線寬(kuan)(kuan)單縱模激(ji)光(guang)(guang)(guang)器,所以對光(guang)(guang)(guang)源的(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)很高(gao)(gao),這也導(dao)致了國內對OFDR研究(jiu)的(de)(de)(de)缺乏。由于OFDR能應用于各(ge)種范圍(wei)(wei)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)精度(du)測(ce)量(liang)和(he)具有大(da)的(de)(de)(de)動(dong)態范圍(wei)(wei),還是(shi)吸引了眾多研究(jiu)者(zhe)的(de)(de)(de)興趣。隨著國內光(guang)(guang)(guang)源調頻(pin)技術的(de)(de)(de)日(ri)益成(cheng)熟,其發(fa)展和(he)應用前景相當廣闊。目前使用較多的(de)(de)(de)是(shi)光(guang)(guang)(guang)時域反(fan)(fan)射(she)(she)計(ji)(OTDR)。OTDR是(shi)通過分析(xi)后(hou)向(xiang)散射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)時間差和(he)光(guang)(guang)(guang)程差進行檢測(ce)。探測(ce)分辨率的(de)(de)(de)提高(gao)(gao)依賴于探測(ce)脈沖寬(kuan)(kuan)度(du)的(de)(de)(de)減(jian)小(xiao),但是(shi),在(zai)激(ji)光(guang)(guang)(guang)功率一定的(de)(de)(de)條件下(xia)。會造成(cheng)探測(ce)脈沖能量(liang)的(de)(de)(de)降低(di)和(he)噪(zao)聲電平的(de)(de)(de)增(zeng)加,從而(er)引起(qi)動(dong)態范圍(wei)(wei)的(de)(de)(de)減(jian)小(xiao)。為(wei)了解決這個問題,其他的(de)(de)(de)時域反(fan)(fan)射(she)(she)方法也在(zai)不斷地研究(jiu)中。
光(guang)(guang)(guang)頻域反射計(ji)結構(gou)包括(kuo)線性掃頻光(guang)(guang)(guang)源、邁克(ke)爾(er)遜干涉儀(yi)、光(guang)(guang)(guang)電(dian)探測器和頻譜儀(yi)(或信號處(chu)理單元)等,基于光(guang)(guang)(guang)外差探測,其原理可(ke)用下圖進行分析。
以頻(pin)率(lv)為(wei)(wei)中心進行線性掃頻(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)連續光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang),經(jing)耦合器(qi)進入邁克爾遜(xun)干涉(she)儀(yi)結構分成兩(liang)束(shu)。一束(shu)經(jing)反射(she)鏡(jing)返回(hui),其光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)程是固定的(de)(de)(de)(de)(de)(de),稱(cheng)為(wei)(wei)參考(kao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang),另一束(shu)則進入待(dai)測光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)。由于(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)存在折射(she)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微觀不均勻性,會(hui)產生瑞利散(san)射(she)。其中部分后(hou)(hou)向(xiang)散(san)射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)滿足(zu)(zu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)數(shu)值孔徑而(er)朝(chao)注入端(duan)返回(hui),稱(cheng)為(wei)(wei)信號光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)。如果傳播長度(du)滿足(zu)(zu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相干條件,則信號光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)和(he)參考(kao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)就會(hui)在光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)探(tan)測器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏面上(shang)(shang)發生混(hun)頻(pin)。待(dai)測光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)上(shang)(shang)任一點X處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)瑞利后(hou)(hou)向(xiang)散(san)射(she)信號所(suo)對應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)設置(zhi)為(wei)(wei)0時(shi),頻(pin)率(lv)大(da)(da)小(xiao)(xiao)則正比于(yu)散(san)射(she)點位置(zhi)x。只要(yao)該(gai)頻(pin)率(lv)小(xiao)(xiao)于(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)探(tan)測器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)截(jie)止響應(ying)(ying)頻(pin)率(lv)。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)探(tan)測器(qi)就會(hui)輸出相應(ying)(ying)頻(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)(dian)流(liu),其幅度(du)正比于(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)x處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)后(hou)(hou)向(xiang)散(san)射(she)系(xi)數(shu)和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)功率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大(da)(da)小(xiao)(xiao),從(cong)而(er)得到沿(yan)待(dai)測光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)各處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)散(san)射(she)衰減(jian)特性,同時(shi)可(ke)以通過測試頻(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最大(da)(da)值來推導出待(dai)測光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)長度(du)。
在光通(tong)信網絡檢(jian)測(ce)中包括(kuo)了集成(cheng)光路的(de)(de)診(zhen)斷(duan)(duan)和(he)光通(tong)信網絡故障的(de)(de)檢(jian)測(ce)等。前者一(yi)般(ban)只有厘(li)米(mi)量級(ji)甚至毫米(mi)量級(ji),后者的(de)(de)診(zhen)斷(duan)(duan)一(yi)般(ban)使用波長為1.3或1.55的(de)(de)光源(yuan)(yuan),量程則達到了公里級(ji),大(da)(da)的(de)(de)量程就需要大(da)(da)的(de)(de)動態(tai)范圍和(he)高的(de)(de)光源(yuan)(yuan)光功率(lv)。顯然,OTDR分(fen)辨(bian)率(lv)與動態(tai)范圍之間(jian)的(de)(de)矛(mao)盾不能很好地(di)解決這個(ge)問題,而OFDR卻可以滿足,它具(ju)有高靈敏(min)度和(he)高的(de)(de)空間(jian)分(fen)辨(bian)率(lv)優點。
假設光(guang)(guang)(guang)(guang)電探(tan)測(ce)(ce)器的(de)(de)負載電阻為RI。,則光(guang)(guang)(guang)(guang)外差探(tan)測(ce)(ce)得到的(de)(de)差頻信(xin)號對應的(de)(de)電功(gong)(gong)率。而OTDR是(shi)直接探(tan)測(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)背向(xiang)瑞(rui)(rui)利散射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)信(xin)號,其輸出的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)(gong)率。由(you)于(yu)參(can)考光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)(gong)率比較大,一般能達到幾十毫瓦。而光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)背向(xiang)瑞(rui)(rui)利散射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)信(xin)號的(de)(de)功(gong)(gong)率很(hen)小(xiao)。大約只是(shi)入射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)--45dB,從(cong)而可(ke)以得出結論。OFDR探(tan)測(ce)(ce)方(fang)式的(de)(de)靈敏度要遠高于(yu)OTDR的(de)(de)探(tan)測(ce)(ce)方(fang)式。也就是(shi)說,在相同(tong)動(dong)態(tai)范圍的(de)(de)條件下,OFDR需要的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)源光(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)(gong)率要小(xiao)得多。
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(dai)測光(guang)(guang)(guang)纖的(de)(de)(de)特性。在OTDR系統(tong)中(zhong)(zhong)分(fen)辨率受探測光(guang)(guang)(guang)脈沖(chong)寬度的(de)(de)(de)限制,探測光(guang)(guang)(guang)脈沖(chong)寬度窄,則分(fen)辨率高,同時(shi)(shi)光(guang)(guang)(guang)脈沖(chong)能(neng)量(liang)變小,信(xin)噪(zao)比減(jian)小。OFDR系統(tong)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)空(kong)(kong)間分(fen)辨率根據可以對應為辨別待(dai)測光(guang)(guang)(guang)纖兩個相(xiang)鄰測量(liang)點所對應的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)頻(pin)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)能(neng)力,而辨別中(zhong)(zhong)頻(pin)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)能(neng)力與(yu)系統(tong)中(zhong)(zhong)所使用的(de)(de)(de)頻(pin)譜(pu)儀的(de)(de)(de)接(jie)收機帶(dai)寬密(mi)切相(xiang)關。很(hen)明顯,接(jie)收機帶(dai)寬越小,則辨別兩個不同頻(pin)率信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)能(neng)力越強,同時(shi)(shi)引(yin)入的(de)(de)(de)噪(zao)聲電平也(ye)(ye)小,信(xin)噪(zao)比提高,故OFDR系統(tong)在得到(dao)高空(kong)(kong)間分(fen)辨率的(de)(de)(de)同時(shi)(shi)也(ye)(ye)能(neng)得到(dao)很(hen)大的(de)(de)(de)動態(tai)范圍。
光源(yuan)相位噪聲和相干性的限制
以(yi)上(shang)分(fen)析都是假定(ding)光(guang)源(yuan)是單色(se)的(de),而(er)實際的(de)信號源(yuan)都會(hui)產生較大的(de)相(xiang)位噪聲并(bing)通過有限的(de)頻譜寬(kuan)度表現出來(lai)。該相(xiang)位噪聲會(hui)減小空間分(fen)辨率并(bing)縮(suo)短光(guang)纖能夠可(ke)靠測(ce)量的(de)長度,即光(guang)纖在一定(ding)長度之后測(ce)量到(dao)的(de)數據就不能準確反(fan)映出散射信號的(de)大小,從而(er)不能正(zheng)確分(fen)析光(guang)纖的(de)傳輸特性。
光源掃頻非線(xian)性(xing)的(de)限制
實際使用的(de)(de)激光器由于受到(dao)溫度變(bian)化、器件的(de)(de)振動、電網電壓的(de)(de)波動等條件的(de)(de)影響,會(hui)(hui)引起(qi)光源諧振腔位置的(de)(de)變(bian)化從而影響輸出(chu)光波譜線的(de)(de)變(bian)化,引起(qi)掃頻的(de)(de)非線性(xing),會(hui)(hui)展寬OFDR測量系統中(zhong)差頻信號的(de)(de)范圍,這限制(zhi)了OFDR方式的(de)(de)空間分辨率的(de)(de)大小。
光波的極化限制
由于OFDR方(fang)式采用的(de)(de)(de)是相干檢測方(fang)案,很明顯,假如信(xin)號光(guang)和參(can)考光(guang)在光(guang)電探測器的(de)(de)(de)光(guang)敏面上的(de)(de)(de)極化方(fang)向是正交的(de)(de)(de),則(ze)該(gai)信(xin)號光(guang)所對應的(de)(de)(de)光(guang)纖測量點的(de)(de)(de)信(xin)息(xi)就會丟失。因此,必須保證光(guang)波極化的(de)(de)(de)穩定性。
為尋求OFDR系統的(de)(de)(de)商業化,國外對(dui)采用(yong)半導體激光(guang)(guang)(guang)(guang)器作為光(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)(de)(de)OFDR系統進行了研究和探(tan)討。1990年Sorin等(deng)(deng)人(ren)用(yong)波長(chang)(chang)為1.32的(de)(de)(de)ND:YAG激光(guang)(guang)(guang)(guang)器作為光(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan),得到了較(jiao)長(chang)(chang)的(de)(de)(de)相干時間(jian),測量范圍(wei)達(da)(da)(da)到了50km。分辨率(lv)(lv)達(da)(da)(da)到了380m。1995年Tsuii等(deng)(deng)人(ren)用(yong)波長(chang)(chang)為1.55的(de)(de)(de)Er-Yb激光(guang)(guang)(guang)(guang)器作為光(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan),使(shi)用(yong)摻(chan)Er光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)放大(da)(da)器,使(shi)測量量程(cheng)達(da)(da)(da)到30km,分辨率(lv)(lv)達(da)(da)(da)到了50m。2000年Oberson等(deng)(deng)人(ren)利用(yong)壓電陶瓷調(diao)節得到的(de)(de)(de)線(xian)寬為lOkHz的(de)(de)(de)可(ke)調(diao)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器。在150m長(chang)(chang)度(du)上(shang)得到16cm的(de)(de)(de)分辨率(lv)(lv),并(bing)有80dB的(de)(de)(de)動態范圍(wei)。2007年Y.Koshikiya等(deng)(deng)人(ren)運用(yong)SSB調(diao)制技術在量程(cheng)大(da)(da)于(yu)5km時得到厘(li)米級(ji)的(de)(de)(de)高(gao)分辨率(lv)(lv),這樣的(de)(de)(de)分辨率(lv)(lv)已(yi)經(jing)能夠滿足光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)通信網絡的(de)(de)(de)檢(jian)測要求,國外已(yi)有相關的(de)(de)(de)產(chan)品面世包括應用(yong)于(yu)分布式(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)測溫領域(yu)的(de)(de)(de)LIOS,然(ran)而國內的(de)(de)(de)研究比較(jiao)少。