光纤通信OFDR光频域反射技术原理解析

光纤通信的发展对我国的经济建设起到重要的作用。光纤通讯具有无法比拟的优势：传输频宽带、损失消耗较少。光纤通信的建设起始于二十世纪九十年代，并且得到大规模的发展。

光纤通信作为承载着很大信息量的传输网络，具有一定的风险和不稳定性，为了保证光纤通信的顺利运行和安全，需要开发一种能精确测量出光纤通信特性的工具或者是仪器。光频域反射能够准确的检测出光纤通信特性，光频域反射主要是分析光纤的散射光时间差、光程差来检测光纤通讯的。

OFDR光频域反射技术的原理介绍 

1、光纤中的散射

当光通过不均匀介质时会向四面八方传播，这就是光的散射，例如晴朗的天空呈现蓝色，海水也是蓝的，这都是太阳光发生散射的结果（波长较短的蓝光被大气微粒散射）。同样的，当光在光纤中传输时，由于光纤中折射率分布不均匀，也会发生散射，主要有瑞利散射，布里渊散射与拉曼散射三种形式。

散射是光波与光纤介质的粒子相互作用的结果。瑞利散射中，入射光被散射后，波长、频率并未发生变化，是一种弹性散射；布里渊散射中入射光与光纤中声波场发生作用，会出现高于原入射光频率的光和低于原入射光频率的光。拉曼散射产生的结果与之类似，两者都属于非弹性散射。

分布式光纤传感技术（DOFS）就是通过采集光纤中散射光的信息进行测量的，可以分成如下几类： 

目前， OTDR 技术发展成熟，多用于集成光路的诊断和光通信网络故障的检测，但受探测光脉冲宽度及空间分辨率与动态范围之间矛盾的限制，难以同时满足较大动态范围和较高空间分辨率，不适用于高精度测量领域。在温度与应变传感领域，多使用基于布里渊散射的 BOTDR、BOTDA 及 BOFDA 技术，其中 BOFDA技术最高能实现 2cm 的空间分辨率，但整个测试系统十分复杂，测量时间较长。

OFDR 技术是利用扫频光源相干检测技术对光纤中的光信号进行检测的一项技术，由于不受空间分辨率与动态范围之间矛盾的限制，其同时具备空间分辨率高（光学测量可达 10μm） ， 动态范围大， 测试灵敏度高等特点， 适用于短距离高精度监测领域如光器件内部剖析、土木工程模拟试验、车辆结构研究等。 

2、光学相干检测

光学相干检测的基本原理和无线电波外差探测原理基本一致，故又称光外差检测。它是利用光的相干性将包含有被测信号的探测光和作为基准的参考光在满足一定条件下进行混频，输出两光波的差频信号的一种检测技术，其基本原理如下图：

相干检测是一种间接检测技术，它把高频光信号转换到易于检测的中频信号上，具有转换增益高、检测能力强、信噪比高等优点，在光通信、测量领域有广泛的应用。 

3、 OFDR（光频域反射技术） 原理

OFDR（光频域反射技术）是一种基于光纤中瑞利散射的背向反射技术，光源发出的线性扫频光经耦合器分为两路，一路进入待测光纤中，在光纤各个位置上不断地产生瑞利散射信号，信号光是背向的，与另一路参考光耦合到探测器上进行相干混频。待测光纤不同位置，光频率不同，信号光与参考光的频差也不同。
 

通过频率测量可以获得待测光纤中各位置的光强。频率对应于光纤的位置，光强对应于此位置的反射率和回损。
 

光在光纤中向前传输时，当光纤中出现缺陷产生损耗时，不同位置处产生的瑞利散射信号便携带了这些损耗信息。对瑞利散射信号光进行频率检测，就能准确定位光纤沿线出现的熔接点、弯曲、断点等。OFDR 技术就是通过上述原理实现光纤链路的诊断。
 

另一方面，当待测光纤置于外界的温度场或应变场中，光纤受温度或应变影响，光纤内部折射率分布会有变化，相应的瑞利散射信号光的频率也会有变化，通过瑞利散射信号光的频率测量，可以对应外界温度场或应变场的变化。从而实现分布式光纤传感。 

OFDR的发展现状

OFDR主要有三种应用：光通信网络诊断、集成光路诊断和层析技术。这些应用的差别在于它们对OFDR系统的要求不同。而其技术差别主要在于光源部分的调制方式不同。

在层析技术中应用时,要求测量量程为几个毫米,测量精度为几十个微米。 

为寻求OFDR系统的商业化，国外许多研究单位对采用半导体激光器作为光源的OFDR系统进行了研究和探讨。他们尝试用各种方法对半导体激光器光源进行频域调制，以达到OFDR系统的要求，比如采用电流注入法、温度调制法、腔外光栅调制法或者腔外电光相位调制法等。

集成光路诊断需要比层析技术更大的测量量程。专家用磷化铟光波导结构得到了分辨率为50μm、测量范围为25mm的OFDR系统。

当调制光源时,注入电流的变化、残余振幅调制和非线性频率调啾会使系统的分辨率变差。用频率均衡器可以使频率惆啾线性化，优化系统的分辨率,使系统的分辨率达到1mm,并使测量量程达到1m。

光通信网络的诊断需要使用波长为1.3μm或1.55μm的光源，OFDR系统的测量量程必须大很多。用波长为1.32μm的ND: YAG激光器作为光源，得到了较长的相干长度，使测量范围达到了50km,实验中的分辨率达到了380m。用波长为1.55cm的Er-Yb激光器作为光源，并使用了掺Er光纤放大器，得到了50m的分辨率,测量量程则达到了30km。随着光源调频技术的日益成熟， OFDR的分辨率得到了很大的提高。运用SSB调制技术在量程大于5km时成功地得到cm量级的分辨率。

光频域反射计优点 

在光通信网络检测中包括了集成光路的诊断和光通信网络故障的检测等。前者一般只有厘米量级甚至毫米量级，后者的诊断一般使用波长为1.3μm或   1.55μm的光源，量程则达到了公里级，大的量程就需要大的动态范围和高的光源光功率。显然。OTDR分辨率与动态范围之间的矛盾不能很好地解决这个问题，而OFDR却可以满足．它具有高灵敏度和高的空间分辨率优点。 

1、高的灵敏度 

由于参考光的光功率比较大，一般能达到几十毫瓦。而光纤的背向瑞利散射光信号的功率很小。大约只是入射光的--45dB，从而可以得出结论。OFDR探测方式的灵敏度要远高于OTDR的探测方式。也就是说，在相同动态范围的条件下，OFDR需要的光源光功率要小得多。

2、高的空间分辨率 

空间分辨率是指测量系统能辨别待测光纤上两个相邻测量点的能力。空间分辨率高意味着能辨别的测量点间距短，即光纤上能测量的信息点就多，更能反映 整条待测光纤的特性。在OTDR系统中分辨率受探测光脉冲宽度的限制，探测光脉冲宽度窄，则分辨率高，同时光脉冲能量变小，信噪比减小。

OFDR系统中的空间分辨率可以对应为辨别待测光纤两个相邻测量点所对应的中频信号的能力，而辨别中频信号的能力与系统中所使用的频谱仪的接收机带宽密切相关。很明显，接收机带宽越小，则辨别两个不同频率信号的能力越强，同时引入的噪声电平也小，信噪比提高，故OFDR系统在得到高空间分辨率的同时也能得到很大的动态范围。

OFDR的限制因素与发展现状

1、光源相位噪声和相干性的限制

以上分析都是假定光源是单色的，而实际上的信号源都会产生较大的相位噪声并通过有限的频谱宽度表现出来。该相位噪声会减小空间分辨率并缩短光纤能够可靠测量的长度即光纤在一定长度之后测量到的数据就不能准确反映出散射信号的大小，从而不能准确分析光纤的传输特性。

2、光源扫频非线性的限制 

实际使用的激光器由于受到温度变化、器件的振动、电网电压的波动等条件的影响，会引起光源谐振腔位置的变化从而影响输出光波谱线的变化，引起扫频的非线性，会展宽OFDR测量系统中差频信号的范围，这限制了OFDR方式的空间分辨率的大小。 

3、光波的极化限制 

由于OFDR方式采用的是相干检测方案，很明显，假如信号光和参考光在光电探测器的光敏面上的极化方向是正交的，则该信号光所对应的光纤测量点的信息就会丢失。因此，必须保证光波极化的稳定性

光频域反射仪（OFDR）在军事装备中的应用

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”（CVN 76）、“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。

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。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。

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。

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。

光通信、层析技术和集成光学的发展，越来越需要具有高空间分辨率的测量技术。OFDR作为一种具有广泛应用前景的高空间分辨率测量技术，正越来越受到研究者的重视。随着国内科学技术的发展，有关OFDR的研究必将会广泛地被引起人们的重视并得以开展。

审核编辑：黄飞