光(guang)(guang)(guang)頻(pin)域(yu)反(fan)射(she)(she)計(OFDR)，因能應(ying)用于(yu)各種(zhong)范(fan)圍(wei)的(de)(de)(de)高精(jing)度測(ce)(ce)量(liang)和(he)(he)具有(you)大的(de)(de)(de)動(dong)態范(fan)圍(wei)而吸引了研(yan)究(jiu)者的(de)(de)(de)興(xing)趣。OFDR系統需要的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)源應(ying)該(gai)為(wei)線性掃頻(pin)窄線寬(kuan)單縱模激(ji)光(guang)(guang)(guang)器，所以對光(guang)(guang)(guang)源的(de)(de)(de)要求很高，這也(ye)導(dao)致了國內對OFDR研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)缺(que)乏。由于(yu)OFDR能應(ying)用于(yu)各種(zhong)范(fan)圍(wei)的(de)(de)(de)高精(jing)度測(ce)(ce)量(liang)和(he)(he)具有(you)大的(de)(de)(de)動(dong)態范(fan)圍(wei)，還是(shi)(shi)吸引了眾多研(yan)究(jiu)者的(de)(de)(de)興(xing)趣。隨著國內光(guang)(guang)(guang)源調頻(pin)技術的(de)(de)(de)日益(yi)成熟，其發(fa)展和(he)(he)應(ying)用前景相當(dang)廣闊。目前使用較多的(de)(de)(de)是(shi)(shi)光(guang)(guang)(guang)時域(yu)反(fan)射(she)(she)計(OTDR)。OTDR是(shi)(shi)通過(guo)分析后向散射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)時間差和(he)(he)光(guang)(guang)(guang)程差進行檢測(ce)(ce)。探測(ce)(ce)分辨(bian)率(lv)的(de)(de)(de)提高依賴于(yu)探測(ce)(ce)脈沖(chong)寬(kuan)度的(de)(de)(de)減(jian)小，但是(shi)(shi)，在(zai)激(ji)光(guang)(guang)(guang)功率(lv)一定的(de)(de)(de)條件下。會造(zao)成探測(ce)(ce)脈沖(chong)能量(liang)的(de)(de)(de)降低和(he)(he)噪聲(sheng)電平的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，從而引起動(dong)態范(fan)圍(wei)的(de)(de)(de)減(jian)小。為(wei)了解決這個問題，其他(ta)的(de)(de)(de)時域(yu)反(fan)射(she)(she)方法(fa)也(ye)在(zai)不斷地研(yan)究(jiu)中。
光頻域反射計(ji)結構包括(kuo)線性掃(sao)頻光源(yuan)、邁(mai)克(ke)爾(er)遜干涉儀、光電探測(ce)器(qi)和(he)頻譜(pu)儀(或信號(hao)處(chu)理單元)等(deng)，基于光外差探測(ce)，其原理可用(yong)下圖進行分析(xi)。
以頻(pin)率(lv)(lv)(lv)為(wei)(wei)中心進行線性(xing)掃頻(pin)的(de)(de)(de)連續光(guang)(guang)，經(jing)耦合(he)器進入(ru)(ru)邁克(ke)爾(er)遜干涉儀結構分成兩束(shu)。一束(shu)經(jing)反射鏡返(fan)回(hui)，其光(guang)(guang)程(cheng)是固定的(de)(de)(de)，稱為(wei)(wei)參考光(guang)(guang)，另(ling)一束(shu)則(ze)(ze)進入(ru)(ru)待測(ce)(ce)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)。由于(yu)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)存在(zai)折射率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)微觀不(bu)均勻(yun)性(xing)，會(hui)產生(sheng)瑞利散射。其中部(bu)分后向(xiang)散射光(guang)(guang)滿足光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)數值孔徑而(er)朝注(zhu)入(ru)(ru)端返(fan)回(hui)，稱為(wei)(wei)信號光(guang)(guang)。如果傳播(bo)長度滿足光(guang)(guang)的(de)(de)(de)相干條(tiao)件，則(ze)(ze)信號光(guang)(guang)和參考光(guang)(guang)就會(hui)在(zai)光(guang)(guang)電(dian)(dian)探(tan)測(ce)(ce)器的(de)(de)(de)光(guang)(guang)敏面上發生(sheng)混頻(pin)。待測(ce)(ce)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)上任(ren)一點(dian)X處的(de)(de)(de)瑞利后向(xiang)散射信號所對應(ying)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)電(dian)(dian)流的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)設置(zhi)為(wei)(wei)0時，頻(pin)率(lv)(lv)(lv)大(da)(da)小則(ze)(ze)正比于(yu)散射點(dian)位置(zhi)x。只要該頻(pin)率(lv)(lv)(lv)小于(yu)光(guang)(guang)電(dian)(dian)探(tan)測(ce)(ce)器的(de)(de)(de)截止響(xiang)應(ying)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)。光(guang)(guang)電(dian)(dian)探(tan)測(ce)(ce)器就會(hui)輸出(chu)相應(ying)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)電(dian)(dian)流，其幅度正比于(yu)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)x處的(de)(de)(de)后向(xiang)散射系數和光(guang)(guang)功率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)大(da)(da)小，從而(er)得到(dao)沿待測(ce)(ce)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)各處的(de)(de)(de)散射衰減(jian)特性(xing)，同時可以通過測(ce)(ce)試頻(pin)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)最大(da)(da)值來(lai)推導出(chu)待測(ce)(ce)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)長度。
在光(guang)(guang)通(tong)信網絡(luo)檢(jian)測(ce)中包括了集成光(guang)(guang)路(lu)的(de)(de)診斷(duan)(duan)和光(guang)(guang)通(tong)信網絡(luo)故障的(de)(de)檢(jian)測(ce)等。前者(zhe)一般(ban)只(zhi)有厘米量(liang)(liang)級(ji)(ji)甚至毫米量(liang)(liang)級(ji)(ji)，后者(zhe)的(de)(de)診斷(duan)(duan)一般(ban)使用(yong)波(bo)長為1.3或1.55的(de)(de)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)，量(liang)(liang)程則達到(dao)了公里級(ji)(ji)，大(da)的(de)(de)量(liang)(liang)程就需要(yao)大(da)的(de)(de)動(dong)態范(fan)圍和高的(de)(de)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)光(guang)(guang)功率。顯(xian)然，OTDR分辨率與動(dong)態范(fan)圍之間(jian)的(de)(de)矛(mao)盾不(bu)能很好地解決這個(ge)問(wen)題，而OFDR卻可以滿足(zu)，它(ta)具有高靈敏度和高的(de)(de)空間(jian)分辨率優點。
假設光(guang)電探(tan)測(ce)(ce)器的(de)(de)(de)(de)(de)負載電阻為RI。，則(ze)光(guang)外差探(tan)測(ce)(ce)得到的(de)(de)(de)(de)(de)差頻信號對應的(de)(de)(de)(de)(de)電功(gong)率(lv)。而(er)OTDR是直(zhi)接(jie)探(tan)測(ce)(ce)光(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)背(bei)向(xiang)瑞(rui)利散射(she)(she)光(guang)信號，其輸出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)功(gong)率(lv)。由于參(can)考光(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)功(gong)率(lv)比較大，一般能達到幾(ji)十(shi)毫瓦。而(er)光(guang)纖(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)背(bei)向(xiang)瑞(rui)利散射(she)(she)光(guang)信號的(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)很小。大約只是入(ru)射(she)(she)光(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)--45dB，從而(er)可以得出(chu)結論(lun)。OFDR探(tan)測(ce)(ce)方式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)靈(ling)敏度要遠高(gao)于OTDR的(de)(de)(de)(de)(de)探(tan)測(ce)(ce)方式(shi)。也(ye)就是說，在(zai)相同動態范圍的(de)(de)(de)(de)(de)條件(jian)下，OFDR需要的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)源光(guang)功(gong)率(lv)要小得多。
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，更能反映整條待測(ce)(ce)光纖(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)特性。在(zai)OTDR系(xi)統(tong)中(zhong)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)受探(tan)測(ce)(ce)光脈(mo)(mo)沖寬(kuan)度的(de)(de)(de)(de)(de)限制(zhi)，探(tan)測(ce)(ce)光脈(mo)(mo)沖寬(kuan)度窄(zhai)，則分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)高(gao)，同時(shi)光脈(mo)(mo)沖能量變小(xiao)，信噪(zao)比減小(xiao)。OFDR系(xi)統(tong)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)空間(jian)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)根(gen)據可以對應為辨(bian)別待測(ce)(ce)光纖(xian)(xian)兩(liang)個(ge)相(xiang)鄰測(ce)(ce)量點所對應的(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)頻(pin)信號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)能力，而辨(bian)別中(zhong)頻(pin)信號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)能力與系(xi)統(tong)中(zhong)所使(shi)用的(de)(de)(de)(de)(de)頻(pin)譜儀的(de)(de)(de)(de)(de)接收機(ji)(ji)帶寬(kuan)密切相(xiang)關。很明顯，接收機(ji)(ji)帶寬(kuan)越(yue)小(xiao)，則辨(bian)別兩(liang)個(ge)不(bu)同頻(pin)率(lv)(lv)信號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)能力越(yue)強，同時(shi)引入的(de)(de)(de)(de)(de)噪(zao)聲電平也(ye)(ye)小(xiao)，信噪(zao)比提高(gao)，故OFDR系(xi)統(tong)在(zai)得(de)到(dao)高(gao)空間(jian)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)同時(shi)也(ye)(ye)能得(de)到(dao)很大的(de)(de)(de)(de)(de)動態范圍(wei)。
光(guang)源(yuan)相位噪聲(sheng)和相干性的限制
以上分(fen)(fen)析都是假定光(guang)源(yuan)是單(dan)色的(de)(de)，而實際的(de)(de)信(xin)號源(yuan)都會產(chan)生(sheng)較大(da)的(de)(de)相(xiang)位噪(zao)聲并通過有限的(de)(de)頻譜(pu)寬度(du)表現出(chu)來。該(gai)相(xiang)位噪(zao)聲會減小(xiao)空間分(fen)(fen)辨(bian)率并縮短光(guang)纖(xian)能(neng)夠(gou)可靠測(ce)量(liang)的(de)(de)長度(du)，即光(guang)纖(xian)在一定長度(du)之(zhi)后(hou)測(ce)量(liang)到的(de)(de)數據就不能(neng)準確(que)(que)反映出(chu)散射信(xin)號的(de)(de)大(da)小(xiao)，從而不能(neng)正確(que)(que)分(fen)(fen)析光(guang)纖(xian)的(de)(de)傳輸特(te)性。
光(guang)源掃頻非線性的(de)限制
實際使用的(de)激光(guang)器(qi)(qi)由于受到溫度變(bian)(bian)化、器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)振動、電(dian)(dian)網電(dian)(dian)壓的(de)波(bo)動等條件(jian)(jian)的(de)影響(xiang)，會引起光(guang)源(yuan)諧振腔位置的(de)變(bian)(bian)化從而影響(xiang)輸出光(guang)波(bo)譜(pu)線(xian)的(de)變(bian)(bian)化，引起掃頻(pin)的(de)非線(xian)性，會展寬OFDR測量(liang)系統中差頻(pin)信號的(de)范圍，這限(xian)制了OFDR方式的(de)空間(jian)分(fen)辨率(lv)的(de)大小。
光波的極化限制
由于OFDR方式采用的(de)是相干檢測(ce)方案(an)，很明顯，假如信號光(guang)和參考光(guang)在光(guang)電探(tan)測(ce)器的(de)光(guang)敏面上的(de)極(ji)化方向是正(zheng)交的(de)，則該信號光(guang)所對應的(de)光(guang)纖測(ce)量點的(de)信息就(jiu)會(hui)丟失。因此，必須保證光(guang)波極(ji)化的(de)穩定性。
為(wei)尋求(qiu)OFDR系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)商(shang)業化(hua)，國(guo)外對采(cai)用(yong)半導(dao)體激(ji)光(guang)(guang)器作(zuo)為(wei)光(guang)(guang)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)OFDR系(xi)(xi)統(tong)進行了(le)研究(jiu)和探(tan)討。1990年Sorin等人用(yong)波(bo)長(chang)(chang)為(wei)1.32的(de)(de)(de)(de)ND：YAG激(ji)光(guang)(guang)器作(zuo)為(wei)光(guang)(guang)源(yuan)，得(de)(de)到(dao)(dao)了(le)較長(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)干時間，測(ce)(ce)量范(fan)圍(wei)(wei)達到(dao)(dao)了(le)50km。分(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)達到(dao)(dao)了(le)380m。1995年Tsuii等人用(yong)波(bo)長(chang)(chang)為(wei)1.55的(de)(de)(de)(de)Er-Yb激(ji)光(guang)(guang)器作(zuo)為(wei)光(guang)(guang)源(yuan)，使用(yong)摻(chan)Er光(guang)(guang)纖放大(da)器，使測(ce)(ce)量量程(cheng)達到(dao)(dao)30km，分(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)達到(dao)(dao)了(le)50m。2000年Oberson等人利用(yong)壓電陶瓷(ci)調節得(de)(de)到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)線(xian)寬為(wei)lOkHz的(de)(de)(de)(de)可(ke)調光(guang)(guang)纖激(ji)光(guang)(guang)器。在150m長(chang)(chang)度上得(de)(de)到(dao)(dao)16cm的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)，并有80dB的(de)(de)(de)(de)動態范(fan)圍(wei)(wei)。2007年Y.Koshikiya等人運(yun)用(yong)SSB調制技(ji)術在量程(cheng)大(da)于(yu)5km時得(de)(de)到(dao)(dao)厘米級(ji)的(de)(de)(de)(de)高(gao)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)，這樣的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)已經能(neng)夠(gou)滿足光(guang)(guang)纖通信(xin)網絡的(de)(de)(de)(de)檢測(ce)(ce)要求(qiu)，國(guo)外已有相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)產品(pin)面世包(bao)括應(ying)用(yong)于(yu)分(fen)(fen)(fen)布式光(guang)(guang)纖測(ce)(ce)溫領(ling)域的(de)(de)(de)(de)LIOS，然而國(guo)內的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)比較少(shao)。
