光(guang)(guang)頻域反(fan)射(she)計(OFDR),因(yin)能應(ying)用于(yu)各種(zhong)(zhong)范(fan)圍的(de)(de)高(gao)精度(du)測(ce)(ce)量(liang)和(he)(he)具有大的(de)(de)動態(tai)范(fan)圍而吸(xi)(xi)引(yin)了(le)研(yan)(yan)究(jiu)者的(de)(de)興(xing)趣。OFDR系統需要的(de)(de)光(guang)(guang)源(yuan)應(ying)該(gai)為線性掃頻窄(zhai)線寬(kuan)單縱(zong)模激光(guang)(guang)器(qi),所以對光(guang)(guang)源(yuan)的(de)(de)要求很高(gao),這也導致了(le)國內(nei)對OFDR研(yan)(yan)究(jiu)的(de)(de)缺乏。由于(yu)OFDR能應(ying)用于(yu)各種(zhong)(zhong)范(fan)圍的(de)(de)高(gao)精度(du)測(ce)(ce)量(liang)和(he)(he)具有大的(de)(de)動態(tai)范(fan)圍,還是(shi)(shi)(shi)吸(xi)(xi)引(yin)了(le)眾多(duo)研(yan)(yan)究(jiu)者的(de)(de)興(xing)趣。隨著國內(nei)光(guang)(guang)源(yuan)調頻技術的(de)(de)日益(yi)成(cheng)熟,其(qi)發(fa)展和(he)(he)應(ying)用前景相當廣(guang)闊。目(mu)前使(shi)用較多(duo)的(de)(de)是(shi)(shi)(shi)光(guang)(guang)時域反(fan)射(she)計(OTDR)。OTDR是(shi)(shi)(shi)通過分(fen)析后向散射(she)光(guang)(guang)的(de)(de)時間(jian)差(cha)和(he)(he)光(guang)(guang)程(cheng)差(cha)進行(xing)檢(jian)測(ce)(ce)。探測(ce)(ce)分(fen)辨率的(de)(de)提(ti)高(gao)依賴于(yu)探測(ce)(ce)脈沖(chong)寬(kuan)度(du)的(de)(de)減(jian)小,但是(shi)(shi)(shi),在激光(guang)(guang)功率一定的(de)(de)條(tiao)件下。會造成(cheng)探測(ce)(ce)脈沖(chong)能量(liang)的(de)(de)降低和(he)(he)噪聲電平的(de)(de)增(zeng)加(jia),從而引(yin)起動態(tai)范(fan)圍的(de)(de)減(jian)小。為了(le)解決這個問題,其(qi)他的(de)(de)時域反(fan)射(she)方法也在不斷(duan)地研(yan)(yan)究(jiu)中。
光(guang)頻(pin)域反(fan)射計結構包括(kuo)線性掃頻(pin)光(guang)源、邁克爾(er)遜(xun)干涉儀、光(guang)電探測(ce)器和(he)頻(pin)譜儀(或(huo)信號處(chu)理單元)等,基于光(guang)外差探測(ce),其原理可(ke)用(yong)下圖進行分析。
以(yi)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)為中心進(jin)行線性掃頻(pin)(pin)的(de)(de)連續光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang),經耦合器進(jin)入(ru)邁克爾遜干涉儀結構分成(cheng)兩束(shu)(shu)。一(yi)束(shu)(shu)經反射鏡返(fan)(fan)回(hui),其(qi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)程(cheng)是固定的(de)(de),稱(cheng)為參考(kao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang),另(ling)一(yi)束(shu)(shu)則(ze)進(jin)入(ru)待(dai)(dai)測光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)。由于光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)存在折射率(lv)(lv)的(de)(de)微觀不(bu)均(jun)勻性,會產生(sheng)瑞(rui)利散射。其(qi)中部分后(hou)向散射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)滿足光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)數值孔徑而朝(chao)注入(ru)端返(fan)(fan)回(hui),稱(cheng)為信號(hao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)。如果傳播長度滿足光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)相干條件,則(ze)信號(hao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)和(he)參考(kao)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)就會在光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探測器的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)敏面(mian)上發(fa)生(sheng)混頻(pin)(pin)。待(dai)(dai)測光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)上任一(yi)點(dian)X處的(de)(de)瑞(rui)利后(hou)向散射信號(hao)所(suo)對應(ying)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)設置為0時,頻(pin)(pin)率(lv)(lv)大(da)小(xiao)(xiao)則(ze)正比(bi)于散射點(dian)位置x。只要該頻(pin)(pin)率(lv)(lv)小(xiao)(xiao)于光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探測器的(de)(de)截止響應(ying)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探測器就會輸(shu)出相應(ying)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)流(liu)(liu),其(qi)幅度正比(bi)于光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)x處的(de)(de)后(hou)向散射系數和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)功率(lv)(lv)的(de)(de)大(da)小(xiao)(xiao),從而得到沿待(dai)(dai)測光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)各處的(de)(de)散射衰減(jian)特性,同(tong)時可以(yi)通過測試頻(pin)(pin)率(lv)(lv)的(de)(de)最大(da)值來(lai)推導出待(dai)(dai)測光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)的(de)(de)長度。
在光通信網絡(luo)(luo)檢測中包(bao)括了(le)集(ji)成光路(lu)的(de)(de)(de)診斷和光通信網絡(luo)(luo)故障的(de)(de)(de)檢測等。前者(zhe)一(yi)般(ban)只有厘米量級甚(shen)至(zhi)毫米量級,后者(zhe)的(de)(de)(de)診斷一(yi)般(ban)使用波長為(wei)1.3或1.55的(de)(de)(de)光源,量程則(ze)達到了(le)公里級,大的(de)(de)(de)量程就需要大的(de)(de)(de)動態范(fan)圍和高(gao)(gao)的(de)(de)(de)光源光功(gong)率。顯(xian)然,OTDR分辨率與動態范(fan)圍之間的(de)(de)(de)矛(mao)盾不能很(hen)好地解(jie)決這個問題,而OFDR卻可以滿足(zu),它(ta)具有高(gao)(gao)靈敏度(du)和高(gao)(gao)的(de)(de)(de)空間分辨率優點。
假設光(guang)電(dian)探測(ce)器的(de)負(fu)載電(dian)阻為RI。,則光(guang)外差探測(ce)得到(dao)的(de)差頻信(xin)號對應的(de)電(dian)功(gong)率。而OTDR是(shi)直(zhi)接(jie)探測(ce)光(guang)纖(xian)的(de)背(bei)向瑞利散(san)射光(guang)信(xin)號,其輸(shu)出(chu)的(de)光(guang)功(gong)率。由于參考光(guang)的(de)光(guang)功(gong)率比較大(da),一般能達(da)到(dao)幾十毫瓦。而光(guang)纖(xian)的(de)背(bei)向瑞利散(san)射光(guang)信(xin)號的(de)功(gong)率很小。大(da)約只是(shi)入射光(guang)的(de)--45dB,從(cong)而可(ke)以得出(chu)結(jie)論(lun)。OFDR探測(ce)方式(shi)的(de)靈敏度要(yao)遠高(gao)于OTDR的(de)探測(ce)方式(shi)。也就是(shi)說,在(zai)相(xiang)同動態范(fan)圍的(de)條件下,OFDR需要(yao)的(de)光(guang)源光(guang)功(gong)率要(yao)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,更能反映整條待(dai)測(ce)光(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)特(te)性。在OTDR系統(tong)中分辨(bian)率(lv)受(shou)探測(ce)光(guang)脈(mo)沖(chong)寬(kuan)度(du)的(de)(de)(de)限制,探測(ce)光(guang)脈(mo)沖(chong)寬(kuan)度(du)窄(zhai),則分辨(bian)率(lv)高(gao),同(tong)時(shi)(shi)光(guang)脈(mo)沖(chong)能(neng)量變小(xiao)(xiao),信(xin)噪比(bi)減小(xiao)(xiao)。OFDR系統(tong)中的(de)(de)(de)空(kong)間分辨(bian)率(lv)根據可(ke)以對應為辨(bian)別待(dai)測(ce)光(guang)纖(xian)兩(liang)個相(xiang)鄰測(ce)量點所對應的(de)(de)(de)中頻信(xin)號的(de)(de)(de)能(neng)力(li),而辨(bian)別中頻信(xin)號的(de)(de)(de)能(neng)力(li)與系統(tong)中所使用的(de)(de)(de)頻譜儀(yi)的(de)(de)(de)接收機(ji)帶(dai)寬(kuan)密(mi)切(qie)相(xiang)關。很(hen)明(ming)顯(xian),接收機(ji)帶(dai)寬(kuan)越(yue)(yue)小(xiao)(xiao),則辨(bian)別兩(liang)個不同(tong)頻率(lv)信(xin)號的(de)(de)(de)能(neng)力(li)越(yue)(yue)強,同(tong)時(shi)(shi)引入(ru)的(de)(de)(de)噪聲電平也小(xiao)(xiao),信(xin)噪比(bi)提高(gao),故(gu)OFDR系統(tong)在得到(dao)高(gao)空(kong)間分辨(bian)率(lv)的(de)(de)(de)同(tong)時(shi)(shi)也能(neng)得到(dao)很(hen)大的(de)(de)(de)動態范圍。
光源相位噪聲和相干性的限制(zhi)
以(yi)上分(fen)(fen)析都是假定光(guang)(guang)源(yuan)是單色的,而實際的信號(hao)源(yuan)都會產生較(jiao)大的相位(wei)噪聲并(bing)通過有限的頻(pin)譜寬度表(biao)現(xian)出來。該相位(wei)噪聲會減小(xiao)(xiao)空(kong)間分(fen)(fen)辨率并(bing)縮短光(guang)(guang)纖(xian)能夠可靠測(ce)量的長度,即光(guang)(guang)纖(xian)在一定長度之后測(ce)量到(dao)的數(shu)據就(jiu)不(bu)(bu)能準確反映出散射信號(hao)的大小(xiao)(xiao),從而不(bu)(bu)能正確分(fen)(fen)析光(guang)(guang)纖(xian)的傳輸特(te)性。
光源掃頻非(fei)線性的(de)限制
實際使用的激光(guang)器由(you)于(yu)受到溫(wen)度變化(hua)、器件的振(zhen)(zhen)動(dong)、電網(wang)電壓的波動(dong)等條(tiao)件的影(ying)響,會引(yin)(yin)起(qi)光(guang)源(yuan)諧振(zhen)(zhen)腔位(wei)置(zhi)的變化(hua)從而影(ying)響輸(shu)出光(guang)波譜(pu)線的變化(hua),引(yin)(yin)起(qi)掃頻(pin)的非線性,會展寬OFDR測量系統(tong)中差頻(pin)信號的范圍,這限制了(le)OFDR方式(shi)的空間分辨率的大小(xiao)。
光波的極化限制
由于OFDR方式(shi)采用(yong)的(de)是(shi)相干檢測方案,很明(ming)顯(xian),假如(ru)信(xin)號光(guang)和參考光(guang)在光(guang)電探(tan)測器的(de)光(guang)敏面(mian)上的(de)極化方向是(shi)正交的(de),則該信(xin)號光(guang)所對應的(de)光(guang)纖測量點的(de)信(xin)息就會丟失。因(yin)此,必須保證光(guang)波極化的(de)穩定性(xing)。
為(wei)尋求(qiu)OFDR系統的(de)(de)(de)(de)商業化(hua),國外對采用半導體激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)作為(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)(de)OFDR系統進行(xing)了研究(jiu)和探討。1990年(nian)Sorin等人用波(bo)長(chang)(chang)為(wei)1.32的(de)(de)(de)(de)ND:YAG激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)作為(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)(yuan),得到(dao)(dao)了較長(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)相干時間(jian),測量范圍達到(dao)(dao)了50km。分辨(bian)率(lv)達到(dao)(dao)了380m。1995年(nian)Tsuii等人用波(bo)長(chang)(chang)為(wei)1.55的(de)(de)(de)(de)Er-Yb激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)作為(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)(yuan),使(shi)用摻(chan)Er光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖放大器(qi)(qi)(qi),使(shi)測量量程(cheng)達到(dao)(dao)30km,分辨(bian)率(lv)達到(dao)(dao)了50m。2000年(nian)Oberson等人利用壓電陶瓷調節得到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)線寬(kuan)為(wei)lOkHz的(de)(de)(de)(de)可調光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)。在150m長(chang)(chang)度上得到(dao)(dao)16cm的(de)(de)(de)(de)分辨(bian)率(lv),并有(you)80dB的(de)(de)(de)(de)動態范圍。2007年(nian)Y.Koshikiya等人運(yun)用SSB調制(zhi)技術在量程(cheng)大于(yu)5km時得到(dao)(dao)厘米級的(de)(de)(de)(de)高(gao)分辨(bian)率(lv),這樣的(de)(de)(de)(de)分辨(bian)率(lv)已經能夠滿足光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖通信網絡的(de)(de)(de)(de)檢(jian)測要求(qiu),國外已有(you)相關的(de)(de)(de)(de)產品面(mian)世包括應用于(yu)分布(bu)式(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖測溫領域的(de)(de)(de)(de)LIOS,然而國內的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)比較少。