光纤/光缆断点、光衰点、故障点精准定位-光频域反射仪（OFDR）

一、应用背景概述

在国外，光纤技术军事应用正形成高潮。以美国为例，三军光纤技术开发活动的计划项目就包括了五大部分：有源和无源光元件、传感器、辐射效应、点对点系统和网络系统。2010年，美国国防部已把"光子学、光电子学"和"点对点通信"列为十大国防技术中的两项，其中光纤技术占据着举足轻重的地位。一个典型的例子是，在使用了单模光缆的光纤局域网后，美国"小石城号"军舰上的雷达数据总线传输容量就达到了1Gb／S，原来使用同轴电缆时90吨的重量也降到了0.5吨。
随着光纤应用面的扩大，一个很重要的问题随之产生：如何在日常维护保养中对基于光纤技术的装备或系统进行有效的检测。目前市场上比较常用的代表性技术有：基于瑞利散射的用于干线光缆故障检测的OTDR；基于布里渊散射的用于分布式应力测量的BOTDR；基于拉曼散射的用于分布式温度测量的ROTDR。它们的优点是技术难度相对低、测量距离长（百公里级），但距离分辨率有限。而OFDR是一种基于频域分析的后向反射测量技术，从原理上克服了OTDR在距离分辨率上的不足，可实现高距离分辨率、高灵敏度、中等距离的测量。
90年代初，受美国海军和波音公司的委托，美国LUNA公司开始研发检测距离中等、分辨率毫米级的OFDR，主要用于专用光纤网络的日常维护检测、飞机船舶等机身构件的嵌入式无损监测（智能蒙皮）、光纤陀螺的偏振态分析等。2006年，LUNA公司推出了全球第一款OFDR产品OBR4600。

1.1、海上军事装备的应用

美国海军在80年代初就实施了开发大型新舰船用光纤区域网作为计算机数据总线的计划（AEGIS（宇斯盾）计划），他们意识到了将舰艇中的同轴电缆更换为光缆的巨大价值。1986年初，美国海军海洋系统司令部又在此基础上成立了SAFENET（能抗毁的自适应光纤嵌入网）委员会。并于1987年成立工作组指导制定了SAFENET－I和SAFENE-II两套标准并开发出了相应系统。这些系统已安装在CG 47 级导弹巡洋舰、DDG 51级导弹驱逐舰、"乔治·华盛顿号"航空母舰等舰艇上。随后实施的高速光网（HSON）原型计划，在实现了1.7Gb/S的第一阶段目标后，美国"小石城号"军舰上的雷达数据总线传输容量就达到了1Gb/S，并使原来重量达90吨的同轴电缆被0.5吨重的单模光缆所代替。1997年11月，美国在核动力航空母舰"杜鲁门号"（CVN75）上采用气送光纤技术完成了光纤敷设。后来又成功地在"企业号"（CVN 65）上进行了敷设。还计划在"里根号"（CVN76）、"尼米兹号"（CVN68）及"USSWasp"号（LHD－1）上用气送光纤技术敷设光纤系统。其中"杜鲁门号"上所用光纤达67.58kM。
潜艇方面，美国海军推出了高级水下作战系统（SUBACS），SUBACS是美国海军最大的舰载水下光纤通信计划项目，该项目计划在所有的"洛杉矶"688级攻击型核潜艇和新型"三叉戟"弹道导弹潜艇中装备光纤数据总线，将传感器与火控系统接入分布式计算机网，从而大大提高潜艇的数据处理能力。此外，光纤制导鱼雷和桅杆式光电观测装置也采用了光纤技术，光纤制导鱼雷中的制导载体为光缆；桅杆式光电观测装置由光电桅杆和光学潜望镜组成，而其中光电桅杆的可回转多传感器头与艇内操纵控制台之间的信息就由光缆进行传输。在上述舰载高速光纤网、采用光纤制导的武器弹药或使用光纤传输信息的局部装置中，存在着大量的光纤连接头或光纤弯曲等现象，网络链路结构复杂、光器件数目多；网络工作环境恶劣、温度变化大、振动冲击严重；对这类网络的可靠性检测事关国家安全，需要在维护检修时具备很高的故障分辨率并能定位到器件内部。OTDR技术显然不能满足上述要求，而OFDR则具备满足这一应用需求的能力。下图为LUNA 公司用OFDR和OTDR对一段包含多个光器件的光纤链路的测试结果。可见，OFDR可以有效的检测出链路内各个光器件的反射及损耗特性，OTDR则因距离分辨率低而难以有效检测该链路中光器件的状况。表明OFDR能够有效地高精度检测中短距离专用光纤网络中光纤和器件的故障。

图1.1 OFDR和OTDR的光纤链路检测性能比较

此外，光纤水听器系统（全光纤水听器拖曳阵列、全光纤海底声呐监视系统、海洋环境噪声及安静型潜艇噪声测量等）、光纤陀螺等采用光纤技术实现某种功能的器件，为了提高器件本身的精度和灵敏度，需要有针对性的改善制作过程。以光纤陀螺为例，偏振态耦合是影响其精度的主要原因，而陀螺芯绕制中产生的光纤应力是导致偏振态耦合的主要因素。传统的光偏振分析设备只能测试光信号经光纤传输后最终输出的偏振特性，而无法测得光在光纤中传输时偏振恶化的过程和具体位置，难以有针对性地进行性能的改进和提高。为此，迫切需要能够分布式测量光纤偏振耦合特性的技术，从而分析导致偏振态耦合的起因，有针对性地改善制作过程，从根本上提高光纤陀螺的精度和灵敏度。而OFDR是目前唯一被报道的能够实现这一测试目的的技术手段。

图1.2 基于OFDR的分布式光纤偏振耦合测试

1.2、航空航天装备的应用

       载人航天、大型飞机作为国家科技实力的标志，得到迅速发展，我国也将之列入中长期科技发展规划重大专项和重大科学工程。大型飞机、载人航天的发展，必然对其内部通信网络的传输容量、抗干扰能力以及体积重量等提出新的要求，光纤以其传输带宽、抗电磁干扰能力、以及质量轻、体积小、抗腐蚀、无火灾隐患等独特优越性，使其成为支持该发展需求的最佳技术选择。美国自1995年波音777首次成功使用光纤局域网（LAN）技术之后，就提出了"航空电子光纤统一网络"的概念，掀起了航空电子光纤网络技术研究的热潮。构建基于光纤技术的内部通信网络，成为这类专用通信网络的发展趋势，也为光纤通信技术开辟了新型的应用领域。然而，这类网络的可靠性检测是一个没能很好解决的问题。这类网络往往事关人的生命乃至国家安全，对网络的可靠性和安全性要求极高，必须进行严格细致的检测。网络的链路距离短（几十米至数公里），结构复杂、光器件数目多，要求故障精确定位到器件的内部。因此，需要定位精度能够达到毫米量级、距离范围能到数公里的光纤链路检测设备，光时域反射技术（OTDR）显然不能满足上述测量要求，而OFDR则具备满足这一应用需求的能力。

      目前国内军机的通信系统普遍采用了"1+N+1"的模式，"1"表示交换机机箱内的多模光纤长度，"N"表示两个机箱之间的光缆长度.

       此外，美国空军、弹道导弹防御局和NASA已经将光纤传感器阵列和其他传感器植入到复合材料蒙皮中，这种智能蒙皮可用于天基防御系统的表面和军用飞机的制造，在设备的全寿命周期内，实时测量结构内的应变应力、温度、裂纹、形变等参数，探测疲劳损伤和攻击损伤。未来的天基平台将利用智能蒙皮对环境威胁（如陨石、空间老化）和攻击损伤进行自诊断和损伤评估。空间站和大型空间在轨观测系统可实时探测由于交会对接的碰撞、陨石撞击或其他因素引起的损伤，并对损伤进行评估，以解决在轨空间系统长期实时监测和维护问题。除此之外，对于固体导弹发动机、运载火箭助推器复合材料壳体同样可以进行实时健康监测。而OFDR在距离分辨率上的优势，在上述分布式应力测量中得到进一步体现。美国科学家比较了Luna公司的OFDR和基于布里渊散射的BOTDR在构件应变测试性能上的差异，如下图所示：

       图1.3 OFDR和BOTDR分布式应力测试性能比较图示结果可知，BOTDR技术不仅距离分辨率低，而且，出现应力在距离上的平均效应，导致检测灵敏度下降。而OFDR无论在距离分辨能力和检测灵敏度上均表现出明显的优势。表明OFDR比BOTDR技术更有效地用于智能蒙皮等构件的健康状况监测。
1.3、陆地军事装备的应用

       在陆上的军事通信应用中的战略和战术通信的远程系统、基地间通信的局域网等因为光缆通信距离较长，不需要用到高分辨率的OFDR。
       由于光纤传输损耗低、频带宽等固有的优点，光纤在雷达系统的应用首先用于连接雷达天线和雷达控制中心，从而可使两者的距离从原来用同轴电缆时的300m以内扩大到2～ 5km。用光纤作传输媒体，其频带可覆盖X波段（8～ 12.4GHz）或Ku波段（12.4～18GHZ）。光纤在微波信号处理方面的应用主要是光纤延迟线信号处理。先进的高分辨率雷达要求损耗低、时间带宽积大的延迟器件进行信号处理。传统的同轴延迟线、声表面波（SAW）延迟线、电荷耦合器件（CCD）等均已不能满足要求。光纤延迟线不仅能达到上述要求，而且能封装进一个小型的封装盒。用于相控阵雷达信号处理的大多是多模光纤构成的延迟线。
       在上述的中短距离的应用中，特别是封装在小盒里的光纤延迟线，维护时只有使用高分辨率的OFDR才能检测出是否有潜在故障。

       此外、光纤制导导弹、光纤系绳武器、新式的夜视装置中的光纤元件都可以使用OFDR进行高精度检测。