什么是光频域反射技术？光频域反射技术的原理和应用

01概述  

光频域反射（Optical Frequency Domain Reflectometry，简称OFDR）技术通过测量被调制的探测光产生的瑞利散射信号频率来对散射信号进行定位的，具有极高的空间分辨率和传感精度，具有很高的市场应用价值和发展前景。自OFDR技术由Eickhoff于1981年首次提出以来，国内外学者对OFDR系统的研究和应用表现出极大兴趣，持续对系统进行研究和改进，追求更高的空间分辨率和传感精度。

02OFDR设备原理  

光频域反射仪是基于光连续调频波的相干探测技术，其基本结构如图1所示。由激光器发出线性扫频光，被耦合器分为两路，其中一路光进入测量光纤，在经过测量光纤后会不断产生瑞利散射光沿原路返回；另一路光进入参考光纤，在经过尾端反射镜后沿路返回，两路背向散射光经耦合器耦合后进入光电探测器中，两路光满足相干条件发生相干混频，由光电探测器将光信号转换为电信号。

图1 OFDR系统原理

激光器的频率可表示为，其中为起始光频，为扫频斜率。则激光器输出光信号相位为：

其中为光源初始相位。

光源发出的光信号可以表示为：

其中为光源光信号强度。

测试光纤上距离耦合器处的瑞利散射光信号拍频信号频率可以表示为：

其中为测量信号从处返回到耦合器时延，n为测试光纤折射率。

图2 拍频信号频率

设测试光纤的瑞利散射系数为，则在光电探测器中进行混频后得到的电流可表示为：

其中相位差，拍频频率为。由拍频频率公式可知，频率与测试光纤上散射位置时延呈正比，使用频谱仪分析拍频信号频谱，可以直接获得光信号在光纤中位置及强度信息，从而得到OFDR距离域和反射率曲线。

图3 OFDR曲线（距离-反射率）

03OFDR技术应用  

OFDR技术可以获得整根光纤的瑞利散射分布信息，基于OFDR技术的高分辨光学链路诊断仪，空间分辨率高达10μm，单次测量可实现从器件到链路的全范围诊断。用户可借助OFDR设备查找并判别光纤链路中的宏弯、连接点和断点，并精确测量回损、插损和光谱等参数。

OFDR技术主要应用于光纤通信领域，如用于光学链路诊断，光器件、光模块测量，光纤长度精确测量，硅光芯片测量，Y波导损耗测量等。OFDR技术还可以用于光纤传感领域，以单模光纤作为传感器，进行高分辨、分布式的应变温度测量，如结构健康监测，复合材料疲劳检测，新能源汽车电池温度监测等。

来源：大话光纤传感

审核编辑：汤梓红