光(guang)頻域反(fan)(fan)射(she)(she)計(OFDR),因(yin)能應用(yong)于各(ge)種范(fan)(fan)圍(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)精度測(ce)量(liang)和(he)具(ju)有(you)大的(de)(de)(de)(de)(de)動態(tai)范(fan)(fan)圍(wei)(wei)而吸(xi)引了研(yan)究(jiu)(jiu)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)興(xing)趣(qu)。OFDR系統需要的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)源(yuan)應該為線性掃頻窄線寬單縱模激光(guang)器,所以對光(guang)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)要求很高(gao),這也導(dao)致(zhi)了國(guo)內對OFDR研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)(de)(de)(de)缺乏。由于OFDR能應用(yong)于各(ge)種范(fan)(fan)圍(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)精度測(ce)量(liang)和(he)具(ju)有(you)大的(de)(de)(de)(de)(de)動態(tai)范(fan)(fan)圍(wei)(wei),還(huan)是吸(xi)引了眾多研(yan)究(jiu)(jiu)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)興(xing)趣(qu)。隨著(zhu)國(guo)內光(guang)源(yuan)調頻技術的(de)(de)(de)(de)(de)日益成(cheng)熟,其(qi)(qi)發展和(he)應用(yong)前景相當廣闊。目前使用(yong)較多的(de)(de)(de)(de)(de)是光(guang)時域反(fan)(fan)射(she)(she)計(OTDR)。OTDR是通過分析后向散(san)射(she)(she)光(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)時間差和(he)光(guang)程差進行檢測(ce)。探(tan)測(ce)分辨率的(de)(de)(de)(de)(de)提高(gao)依賴(lai)于探(tan)測(ce)脈沖寬度的(de)(de)(de)(de)(de)減小(xiao),但(dan)是,在(zai)激光(guang)功(gong)率一定的(de)(de)(de)(de)(de)條件下。會造成(cheng)探(tan)測(ce)脈沖能量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)降低和(he)噪聲電(dian)平的(de)(de)(de)(de)(de)增加,從(cong)而引起動態(tai)范(fan)(fan)圍(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)減小(xiao)。為了解決這個問題,其(qi)(qi)他(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)時域反(fan)(fan)射(she)(she)方法也在(zai)不斷地(di)研(yan)究(jiu)(jiu)中。
光(guang)(guang)頻(pin)(pin)域反射計結構包括線(xian)性掃(sao)頻(pin)(pin)光(guang)(guang)源(yuan)、邁克爾遜干涉儀(yi)、光(guang)(guang)電探測(ce)器和頻(pin)(pin)譜儀(yi)(或信號處理單元)等,基于光(guang)(guang)外差探測(ce),其原理可用下(xia)圖進行分析。
以(yi)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)為(wei)中(zhong)心進行線(xian)性(xing)掃頻(pin)的(de)(de)(de)連續光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang),經耦合器(qi)進入邁克爾遜干涉儀結構分成兩束。一束經反射(she)(she)鏡返回,其光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)程是(shi)固定的(de)(de)(de),稱(cheng)為(wei)參考光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang),另一束則(ze)進入待測(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)。由于光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)存在(zai)折(zhe)射(she)(she)率(lv)(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)微(wei)觀不均勻(yun)性(xing),會產生(sheng)瑞(rui)(rui)利(li)散射(she)(she)。其中(zhong)部分后向散射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)滿(man)足光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)數(shu)(shu)值孔(kong)徑(jing)而朝注入端返回,稱(cheng)為(wei)信(xin)號(hao)(hao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)。如(ru)果傳播長度滿(man)足光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)相干條(tiao)件,則(ze)信(xin)號(hao)(hao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)和(he)參考光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)就(jiu)會在(zai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探(tan)測(ce)(ce)器(qi)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏面上(shang)(shang)發生(sheng)混頻(pin)。待測(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)上(shang)(shang)任一點(dian)(dian)X處(chu)的(de)(de)(de)瑞(rui)(rui)利(li)后向散射(she)(she)信(xin)號(hao)(hao)所對(dui)應(ying)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)流的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)設(she)置(zhi)為(wei)0時,頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)大(da)小(xiao)(xiao)則(ze)正比于散射(she)(she)點(dian)(dian)位置(zhi)x。只要該頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)小(xiao)(xiao)于光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探(tan)測(ce)(ce)器(qi)的(de)(de)(de)截止響應(ying)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探(tan)測(ce)(ce)器(qi)就(jiu)會輸出(chu)(chu)相應(ying)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)流,其幅度正比于光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)x處(chu)的(de)(de)(de)后向散射(she)(she)系數(shu)(shu)和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)功率(lv)(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)大(da)小(xiao)(xiao),從而得到沿待測(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)各處(chu)的(de)(de)(de)散射(she)(she)衰減特性(xing),同時可(ke)以(yi)通過測(ce)(ce)試頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)最大(da)值來推導出(chu)(chu)待測(ce)(ce)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)長度。
在(zai)光(guang)通(tong)信網(wang)絡檢(jian)測(ce)中包括了集成(cheng)光(guang)路(lu)的(de)(de)診斷(duan)和(he)光(guang)通(tong)信網(wang)絡故障的(de)(de)檢(jian)測(ce)等。前者一(yi)般只有厘米(mi)量(liang)(liang)(liang)級甚至毫米(mi)量(liang)(liang)(liang)級,后者的(de)(de)診斷(duan)一(yi)般使用波長為(wei)1.3或1.55的(de)(de)光(guang)源(yuan)(yuan),量(liang)(liang)(liang)程則達到了公里級,大(da)的(de)(de)量(liang)(liang)(liang)程就需要大(da)的(de)(de)動態范圍(wei)和(he)高(gao)(gao)的(de)(de)光(guang)源(yuan)(yuan)光(guang)功(gong)率。顯然,OTDR分(fen)辨率與動態范圍(wei)之間(jian)的(de)(de)矛(mao)盾不能很好地(di)解決(jue)這個問題,而OFDR卻(que)可以(yi)滿足,它具有高(gao)(gao)靈(ling)敏度和(he)高(gao)(gao)的(de)(de)空間(jian)分(fen)辨率優點。
假設光(guang)(guang)(guang)電(dian)探(tan)測器的(de)(de)負載電(dian)阻為RI。,則光(guang)(guang)(guang)外(wai)差(cha)(cha)探(tan)測得到的(de)(de)差(cha)(cha)頻信號(hao)對(dui)應(ying)的(de)(de)電(dian)功(gong)率(lv)。而(er)OTDR是直接探(tan)測光(guang)(guang)(guang)纖的(de)(de)背向瑞利(li)散(san)射光(guang)(guang)(guang)信號(hao),其輸出(chu)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)。由(you)于(yu)(yu)參考光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)比較大(da),一般能達(da)到幾十毫(hao)瓦。而(er)光(guang)(guang)(guang)纖的(de)(de)背向瑞利(li)散(san)射光(guang)(guang)(guang)信號(hao)的(de)(de)功(gong)率(lv)很小。大(da)約(yue)只是入射光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)--45dB,從而(er)可以得出(chu)結論。OFDR探(tan)測方式的(de)(de)靈(ling)敏度要遠高于(yu)(yu)OTDR的(de)(de)探(tan)測方式。也就是說,在(zai)相(xiang)同動態范圍的(de)(de)條件下,OFDR需要的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)源光(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)要小得多。
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(zheng)條待(dai)測(ce)(ce)光(guang)(guang)纖的(de)(de)(de)特性。在(zai)OTDR系(xi)統中(zhong)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)受(shou)探(tan)測(ce)(ce)光(guang)(guang)脈(mo)沖寬度的(de)(de)(de)限制,探(tan)測(ce)(ce)光(guang)(guang)脈(mo)沖寬度窄,則分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)高(gao),同(tong)時(shi)光(guang)(guang)脈(mo)沖能(neng)(neng)量變(bian)小,信(xin)噪比(bi)減小。OFDR系(xi)統中(zhong)的(de)(de)(de)空間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)根據(ju)可以(yi)對應(ying)為(wei)辨(bian)別待(dai)測(ce)(ce)光(guang)(guang)纖兩(liang)(liang)個相鄰測(ce)(ce)量點所對應(ying)的(de)(de)(de)中(zhong)頻信(xin)號的(de)(de)(de)能(neng)(neng)力,而辨(bian)別中(zhong)頻信(xin)號的(de)(de)(de)能(neng)(neng)力與系(xi)統中(zhong)所使用(yong)的(de)(de)(de)頻譜儀(yi)的(de)(de)(de)接(jie)收(shou)機(ji)(ji)帶(dai)(dai)寬密切相關。很明顯,接(jie)收(shou)機(ji)(ji)帶(dai)(dai)寬越(yue)小,則辨(bian)別兩(liang)(liang)個不同(tong)頻率(lv)(lv)信(xin)號的(de)(de)(de)能(neng)(neng)力越(yue)強,同(tong)時(shi)引入的(de)(de)(de)噪聲電平(ping)也(ye)小,信(xin)噪比(bi)提(ti)高(gao),故(gu)OFDR系(xi)統在(zai)得到(dao)高(gao)空間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)同(tong)時(shi)也(ye)能(neng)(neng)得到(dao)很大的(de)(de)(de)動(dong)態范圍。
光(guang)源相(xiang)位噪聲和相(xiang)干(gan)性的限(xian)制
以上分析都是假定(ding)光源是單色的(de)(de),而(er)實際的(de)(de)信號源都會(hui)產生較(jiao)大(da)的(de)(de)相位噪(zao)聲并通過有限的(de)(de)頻譜寬度表現出(chu)來。該相位噪(zao)聲會(hui)減小空間分辨率(lv)并縮短光纖(xian)(xian)能(neng)夠可(ke)靠測(ce)量的(de)(de)長(chang)度,即光纖(xian)(xian)在一(yi)定(ding)長(chang)度之后測(ce)量到的(de)(de)數(shu)據(ju)就(jiu)不能(neng)準確反映出(chu)散射(she)信號的(de)(de)大(da)小,從而(er)不能(neng)正確分析光纖(xian)(xian)的(de)(de)傳輸特性。
光源掃(sao)頻非線性的限制
實際使用(yong)的激光器(qi)由于受到(dao)溫(wen)度變(bian)(bian)化、器(qi)件的振動(dong)、電網(wang)電壓的波動(dong)等條件的影(ying)響(xiang),會引起光源(yuan)諧振腔位置的變(bian)(bian)化從而影(ying)響(xiang)輸出光波譜線(xian)的變(bian)(bian)化,引起掃頻(pin)(pin)的非(fei)線(xian)性,會展寬OFDR測量系統中(zhong)差頻(pin)(pin)信(xin)號的范(fan)圍,這限制(zhi)了OFDR方(fang)式的空(kong)間分辨(bian)率的大(da)小。
光波的極化限制
由于OFDR方(fang)式采用的(de)是相(xiang)干檢(jian)測(ce)方(fang)案,很明顯,假如(ru)信(xin)號光(guang)(guang)和參考光(guang)(guang)在光(guang)(guang)電探(tan)測(ce)器(qi)的(de)光(guang)(guang)敏面上的(de)極化方(fang)向(xiang)是正交(jiao)的(de),則該信(xin)號光(guang)(guang)所對應(ying)的(de)光(guang)(guang)纖測(ce)量點的(de)信(xin)息就(jiu)會丟失。因此,必須保證(zheng)光(guang)(guang)波極化的(de)穩定性。
為(wei)(wei)尋求OFDR系統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)商業化,國(guo)(guo)外對采用(yong)(yong)半(ban)導(dao)體激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)作為(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)OFDR系統(tong)進行了研究(jiu)和探(tan)討。1990年Sorin等人用(yong)(yong)波長為(wei)(wei)1.32的(de)(de)(de)(de)(de)(de)ND:YAG激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)作為(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan),得(de)(de)到(dao)(dao)(dao)(dao)了較長的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相干時間,測(ce)量范圍(wei)達到(dao)(dao)(dao)(dao)了50km。分(fen)(fen)辨(bian)率達到(dao)(dao)(dao)(dao)了380m。1995年Tsuii等人用(yong)(yong)波長為(wei)(wei)1.55的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Er-Yb激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)作為(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan),使用(yong)(yong)摻(chan)Er光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)放大器(qi)(qi),使測(ce)量量程(cheng)達到(dao)(dao)(dao)(dao)30km,分(fen)(fen)辨(bian)率達到(dao)(dao)(dao)(dao)了50m。2000年Oberson等人利用(yong)(yong)壓電陶(tao)瓷調(diao)節得(de)(de)到(dao)(dao)(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)線(xian)寬為(wei)(wei)lOkHz的(de)(de)(de)(de)(de)(de)可調(diao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)。在150m長度上得(de)(de)到(dao)(dao)(dao)(dao)16cm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)辨(bian)率,并有80dB的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動態范圍(wei)。2007年Y.Koshikiya等人運用(yong)(yong)SSB調(diao)制技術在量程(cheng)大于5km時得(de)(de)到(dao)(dao)(dao)(dao)厘米級的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高分(fen)(fen)辨(bian)率,這樣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)辨(bian)率已經能夠滿足光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)通信網絡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)要求,國(guo)(guo)外已有相關的(de)(de)(de)(de)(de)(de)產品面世包括應(ying)用(yong)(yong)于分(fen)(fen)布式光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)測(ce)溫領域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)LIOS,然(ran)而(er)國(guo)(guo)內的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)比較少。