基于光纖通信的OFDR光頻域反射技術應用

光纖通信的發展對我國的經濟建設起到重要的作用。光纖通訊具有無法比擬的優勢：傳輸頻寬帶、損失消耗較少。光纖通信的建設起始于二十世紀九十年代，并且得到大規模的發展。

光纖通信作為承載著很大信息量的傳輸網絡，具有一定的風險和不穩定性，為了保證光纖通信的順利運行和安全，需要開發一種能精確測量出光纖通信特性的工具或者是儀器。光頻域反射能夠準確的檢測出光纖通信特性，光頻域反射主要是分析光纖的散射光時間差、光程差來檢測光纖通訊的。

OFDR光頻域反射技術的原理介紹

1、光纖中的散射

當光通過不均勻介質時會向四面八方傳播，這就是光的散射，例如晴朗的天空呈現藍色，海水也是藍的，這都是太陽光發生散射的結果（波長較短的藍光被大氣微粒散射）。同樣的，當光在光纖中傳輸時，由于光纖中折射率分布不均勻，也會發生散射，主要有瑞利散射，布里淵散射與拉曼散射三種形式。

散射是光波與光纖介質的粒子相互作用的結果。瑞利散射中，入射光被散射后，波長、頻率并未發生變化，是一種彈性散射；布里淵散射中入射光與光纖中聲波場發生作用，會出現高于原入射光頻率的光和低于原入射光頻率的光。拉曼散射產生的結果與之類似，兩者都屬于非彈性散射。

分布式光纖傳感技術（DOFS）就是通過采集光纖中散射光的信息進行測量的，可以分成如下幾類：

目前， OTDR 技術發展成熟，多用于集成光路的診斷和光通信網絡故障的檢測，但受探測光脈沖寬度及空間分辨率與動態范圍之間矛盾的限制，難以同時滿足較大動態范圍和較高空間分辨率，不適用于高精度測量領域。在溫度與應變傳感領域，多使用基于布里淵散射的 BOTDR、BOTDA 及 BOFDA 技術，其中 BOFDA技術最高能實現 2cm 的空間分辨率，但整個測試系統十分復雜，測量時間較長。

OFDR 技術是利用掃頻光源相干檢測技術對光纖中的光信號進行檢測的一項技術，由于不受空間分辨率與動態范圍之間矛盾的限制，其同時具備空間分辨率高（光學測量可達 10μm） ， 動態范圍大， 測試靈敏度高等特點， 適用于短距離高精度監測領域如光器件內部剖析、土木工程模擬試驗、車輛結構研究等。

2、光學相干檢測

光學相干檢測的基本原理和無線電波外差探測原理基本一致，故又稱光外差檢測。它是利用光的相干性將包含有被測信號的探測光和作為基準的參考光在滿足一定條件下進行混頻，輸出兩光波的差頻信號的一種檢測技術，其基本原理如下圖：

相干檢測是一種間接檢測技術，它把高頻光信號轉換到易于檢測的中頻信號上，具有轉換增益高、檢測能力強、信噪比高等優點，在光通信、測量領域有廣泛的應用。

3、 OFDR（光頻域反射技術） 原理

OFDR（光頻域反射技術）是一種基于光纖中瑞利散射的背向反射技術，光源發出的線性掃頻光經耦合器分為兩路，一路進入待測光纖中，在光纖各個位置上不斷地產生瑞利散射信號，信號光是背向的，與另一路參考光耦合到探測器上進行相干混頻。待測光纖不同位置，光頻率不同，信號光與參考光的頻差也不同。

通過頻率測量可以獲得待測光纖中各位置的光強。頻率對應于光纖的位置，光強對應于此位置的反射率和回損。

光在光纖中向前傳輸時，當光纖中出現缺陷產生損耗時，不同位置處產生的瑞利散射信號便攜帶了這些損耗信息。對瑞利散射信號光進行頻率檢測，就能準確定位光纖沿線出現的熔接點、彎曲、斷點等。OFDR 技術就是通過上述原理實現光纖鏈路的診斷。

另一方面，當待測光纖置于外界的溫度場或應變場中，光纖受溫度或應變影響，光纖內部折射率分布會有變化，相應的瑞利散射信號光的頻率也會有變化，通過瑞利散射信號光的頻率測量，可以對應外界溫度場或應變場的變化。從而實現分布式光纖傳感。

OFDR的發展現狀

OFDR主要有三種應用：光通信網絡診斷、集成光路診斷和層析技術。這些應用的差別在于它們對OFDR系統的要求不同。而其技術差別主要在于光源部分的調制方式不同。

在層析技術中應用時,要求測量量程為幾個毫米,測量精度為幾十個微米。

為尋求OFDR系統的商業化，國外許多研究單位對采用半導體激光器作為光源的OFDR系統進行了研究和探討。他們嘗試用各種方法對半導體激光器光源進行頻域調制，以達到OFDR系統的要求，比如采用電流注入法、溫度調制法、腔外光柵調制法或者腔外電光相位調制法等。

集成光路診斷需要比層析技術更大的測量量程。專家用磷化銦光波導結構得到了分辨率為50μm、測量范圍為25mm的OFDR系統。

當調制光源時,注入電流的變化、殘余振幅調制和非線性頻率調啾會使系統的分辨率變差。用頻率均衡器可以使頻率惆啾線性化，優化系統的分辨率,使系統的分辨率達到1mm,并使測量量程達到1m。

光通信網絡的診斷需要使用波長為1.3μm或1.55μm的光源，OFDR系統的測量量程必須大很多。用波長為1.32μm的ND: YAG激光器作為光源，得到了較長的相干長度，使測量范圍達到了50km,實驗中的分辨率達到了380m。用波長為1.55cm的Er-Yb激光器作為光源，并使用了摻Er光纖放大器，得到了50m的分辨率,測量量程則達到了30km。隨著光源調頻技術的日益成熟， OFDR的分辨率得到了很大的提高。運用SSB調制技術在量程大于5km時成功地得到cm量級的分辨率。

光頻域反射計優點

在光通信網絡檢測中包括了集成光路的診斷和光通信網絡故障的檢測等。前者一般只有厘米量級甚至毫米量級，后者的診斷一般使用波長為1.3μm或 1.55μm的光源，量程則達到了公里級，大的量程就需要大的動態范圍和高的光源光功率。顯然。OTDR分辨率與動態范圍之間的矛盾不能很好地解決這個問題，而OFDR卻可以滿足．它具有高靈敏度和高的空間分辨率優點。

1、高的靈敏度

由于參考光的光功率比較大，一般能達到幾十毫瓦。而光纖的背向瑞利散射光信號的功率很小。大約只是入射光的--45dB，從而可以得出結論。OFDR探測方式的靈敏度要遠高于OTDR的探測方式。也就是說，在相同動態范圍的條件下，OFDR需要的光源光功率要小得多。

2、高的空間分辨率

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?？臻g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，更能反映整條待測光纖的特性。在OTDR系統中分辨率受探測光脈沖寬度的限制，探測光脈沖寬度窄，則分辨率高，同時光脈沖能量變小，信噪比減小。

OFDR系統中的空間分辨率可以對應為辨別待測光纖兩個相鄰測量點所對應的中頻信號的能力，而辨別中頻信號的能力與系統中所使用的頻譜儀的接收機帶寬密切相關。很明顯，接收機帶寬越小，則辨別兩個不同頻率信號的能力越強，同時引入的噪聲電平也小，信噪比提高，故OFDR系統在得到高空間分辨率的同時也能得到很大的動態范圍。

OFDR的限制因素與發展現狀

1、光源相位噪聲和相干性的限制

以上分析都是假定光源是單色的，而實際上的信號源都會產生較大的相位噪聲并通過有限的頻譜寬度表現出來。該相位噪聲會減小空間分辨率并縮短光纖能夠可靠測量的長度即光纖在一定長度之后測量到的數據就不能準確反映出散射信號的大小，從而不能準確分析光纖的傳輸特性。

2、光源掃頻非線性的限制

實際使用的激光器由于受到溫度變化、器件的振動、電網電壓的波動等條件的影響，會引起光源諧振腔位置的變化從而影響輸出光波譜線的變化，引起掃頻的非線性，會展寬OFDR測量系統中差頻信號的范圍，這限制了OFDR方式的空間分辨率的大小。

3、光波的極化限制

由于OFDR方式采用的是相干檢測方案，很明顯，假如信號光和參考光在光電探測器的光敏面上的極化方向是正交的，則該信號光所對應的光纖測量點的信息就會丟失。因此，必須保證光波極化的穩定性

光頻域反射儀（OFDR）在軍事裝備中的應用

1、海上軍事裝備的應用

美國海軍在80年代初就實施了開發大型新艦船用光纖區域網作為計算機數據總線的計劃（AEGIS（宇斯盾）計劃），他們意識到了將艦艇中的同軸電纜更換為光纜的巨大價值。1986年初，美國海軍海洋系統司令部又在此基礎上成立了SAFENET（能抗毀的自適應光纖嵌入網）委員會。

并于1987年成立工作組指導制定了SAFENET－I和SAFENE-II兩套標準并開發出了相應系統。這些系統已安裝在CG 47 級導彈巡洋艦、DDG 51級導彈驅逐艦、“喬治·華盛頓號”航空母艦等艦艇上。隨后實施的高速光網（HSON）原型計劃，在實現了1.7Gb／S的第一階段目標后，美國“小石城號”軍艦上的雷達數據總線傳輸容量就達到了1Gb／S，并使原來重量達90噸的同軸電纜被0.5噸重的單模光纜所代替。

1997年11月，美國在核動力航空母艦“杜魯門號”（CVN75）上采用氣送光纖技術完成了光纖敷設。后來又成功地在“企業號”（CVN 65）上進行了敷設。還計劃在“里根號”（CVN 76）、“尼米茲號”（CVN68）及“USSWasp”號（LHD－1）上用氣送光纖技術敷設光纖系統。其中“杜魯門號”上所用光纖達67.58kM。

在上述艦載高速光纖網、采用光纖制導的武器彈藥或使用光纖傳輸信息的局部裝置中，存在著大量的光纖連接頭或光纖彎曲等現象，網絡鏈路結構復雜、光器件數目多；網絡工作環境惡劣、溫度變化大、振動沖擊嚴重；對這類網絡的可靠性檢測事關國家安全，需要在維護檢修時具備很高的故障分辨率并能定位到器件內部。OTDR技術顯然不能滿足上述要求，而OFDR則具備滿足這一應用需求的能力。OFDR可以有效的檢測出鏈路內各個光器件的反射及損耗特性，OTDR則因距離分辨率低而難以有效檢測該鏈路中光器件的狀況。表明OFDR能夠有效地高精度檢測中短距離專用光纖網絡中光纖和器件的故障。

2、航空航天裝備的應用

載人航天、大型飛機作為國家科技實力的標志，得到迅速發展，我國也將之列入中長期科技發展規劃重大專項和重大科學工程。大型飛機、載人航天的發展，必然對其內部通信網絡的傳輸容量、抗干擾能力以及體積重量等提出新的要求，光纖以其傳輸帶寬、抗電磁干擾能力、以及質量輕、體積小、抗腐蝕、無火災隱患等獨特優越性，使其成為支持該發展需求的最佳技術選擇。

美國自1995年波音777首次成功使用光纖局域網（LAN）技術之后，就提出了"航空電子光纖統一網絡"的概念，掀起了航空電子光纖網絡技術研究的熱潮。構建基于光纖技術的內部通信網絡，成為這類專用通信網絡的發展趨勢，也為光纖通信技術開辟了新型的應用領域。然而，這類網絡的可靠性檢測是一個沒能很好解決的問題。這類網絡往往事關人的生命乃至國家安全，對網絡的可靠性和安全性要求極高，必須進行嚴格細致的檢測。

網絡的鏈路距離短（幾十米至數公里），結構復雜、光器件數目多，要求故障精確定位到器件的內部。因此，需要定位精度能夠達到毫米量級、距離范圍能到數公里的光纖鏈路檢測設備，光時域反射技術（OTDR）顯然不能滿足上述測量要求，而OFDR則具備滿足這一應用需求的能力。

目前國內軍機的通信系統普遍采用了“1+N+1”的模式，“1”表示交換機機箱內的多模光纖長度，“N”表示兩個機箱之間的光纜長度。

3、陸地軍事裝備的應用

在陸上的軍事通信應用中的戰略和戰術通信的遠程系統、基地間通信的局域網等因為光纜通信距離較長，不需要用到高分辨率的OFDR。

由于光纖傳輸損耗低、頻帶寬等固有的優點，光纖在雷達系統的應用首先用于連接雷達天線和雷達控制中心，從而可使兩者的距離從原來用同軸電纜時的300m以內擴大到2～5km。用光纖作傳輸媒體，其頻帶可覆蓋X波段（8～12.4GHz）或Ku波段（12.4～18GHZ）。

光纖在微波信號處理方面的應用主要是光纖延遲線信號處理。先進的高分辨率雷達要求損耗低、時間帶寬積大的延遲器件進行信號處理。傳統的同軸延遲線、聲表面波（SAW）延遲線、電荷耦合器件（CCD）等均已不能滿足要求。光纖延遲線不僅能達到上述要求，而且能封裝進一個小型的封裝盒。用于相控陣雷達信號處理的大多是多模光纖構成的延遲線。

在上述的中短距離的應用中，特別是封裝在小盒里的光纖延遲線，維護時只有使用高分辨率的OFDR才能檢測出是否有潛在故障。

光通信、層析技術和集成光學的發展，越來越需要具有高空間分辨率的測量技術。OFDR作為一種具有廣泛應用前景的高空間分辨率測量技術，正越來越受到研究者的重視。隨著國內科學技術的發展，有關OFDR的研究必將會廣泛地被引起人們的重視并得以開展。

編輯：jq