光頻域反射

1、光纖通信由于其具有的傳輸頻帶寬、損耗小等特性。自20世紀70年代以來發(fā)展迅猛，我國于90年代初期進行的大規(guī)模商用光纖通信系統(tǒng)建設(shè)。目前已成為承載巨大信息容量的光纜傳輸網(wǎng)。為保證安全全暢需要有能夠準確測量光纖傳輸特性的儀器。目前使用較多的是光時域反射計(OTDR)。OTDR是通過分析后向散射光的時問差和光程差進行檢測。探測分辨率的提高依賴于探測脈沖寬度的減小，但是，在激光功率一定的條件下。會造成探測脈沖能量的降低和噪聲電平的增加，從而引起

2、動態(tài)范圍的減小。為了解決這個問題。其他的時域反射方法也在不斷地研究中。如偽隨機探測信號的相關(guān)檢測、互補格雷碼檢測等。光頻域反射計(OFDR)是20世紀90年代以來的一個新技術(shù)因能應(yīng)用于各種范圍的高精度測量和具有大的動態(tài)范圍而吸引了研究者的興趣。1光頻域反射計測量的基本原理光頻域反射計測量的基本原理光頻域反射計結(jié)構(gòu)包括線性掃頻光源、邁克爾遜干涉儀、光電探測器和頻譜儀(或信號處理單元)等，基于光外差探測，其原理可用下圖進行分析。以頻率為中心

3、進行線性掃頻的連續(xù)光。經(jīng)耦合器進入邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)分0?成兩束。一束經(jīng)反射鏡返回，其光程是固定的，稱為參考光，另一束則進入待測光纖。由于光纖存在折射率的微觀不均勻性，會產(chǎn)生瑞利散射。其中部分后向散射光滿足光纖數(shù)值孔徑而朝注入端返回，稱為信號光。如果傳播長度滿足光的相干條件，則信號光和參考光就會在光電探測器的光敏面上發(fā)生混頻。為便于分析，設(shè)單模測試光纖長度為L，耦合進入光纖x=O處光波的電場強度為，0E光功率衰減系數(shù)為，后向瑞利散射系數(shù)

4、為，傳播常數(shù)為()ax()x?，參考臂的反射系數(shù)為r，則信號光和參考光的電場可以0()()gttvt???????分別表示為：（1）000(0)()()exp[()]LEtExaxitxdx?????相關(guān)。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(tǒng)在得到高空間分辨率的同時也能得到很大的動態(tài)范圍。3OFDROFDR的限制因素與發(fā)展現(xiàn)狀的限制因素與發(fā)展現(xiàn)狀3.13.1光源相位

5、噪聲和相干性的限制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，而實際的信號源都會產(chǎn)生較大的相位噪聲并通過有限的頻譜寬度表現(xiàn)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(shù)據(jù)就不能準確反映出散射信號的大小，從而不能正確分析光纖的傳輸特性。為便于分析相位噪聲和光源相干時間的影響，這里僅考慮兩個信號，一個是參考端的菲涅耳()t?c?反射信號(設(shè)其反射系數(shù)r為1)，另一個是待測光纖端面的菲

6、涅耳反射信號(其反射系數(shù)為R)，則光電探測電流式(3)可表示為，其中20()()titEREt????，光源的電場強度為，得到單邊功率譜密02gLv??00()exp[()()]EtEitt???????度為：式（5）中第一表示探測信號的直流成分；第二項是由探測光纖末端菲涅耳反射引起的差頻信號；第三項是一個類似抽樣函數(shù)式。表現(xiàn)為相位噪聲對bf稱分布在的兩側(cè)，在靠近兩側(cè)，相位噪聲引起的功率可能會超過后向散射bfbf信號值而成為探測信號中的

7、主要成分，引起測量數(shù)據(jù)的誤差。從而限制了光纖能可靠測量的長度。3.23.2光源掃頻非線性的限制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(wǎng)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(tǒng)中差頻信號的范圍，這限制了OFDR方式的空間分辨率的大小。3.33.3光波的極化限制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

8、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(yīng)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(wěn)定性。3.43.4發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀為尋求OFDR系統(tǒng)的商業(yè)化，國外對采用半導(dǎo)體激光器作為光源的OFDR系統(tǒng)進行了研究和探討。1990年Sin等人用波長為1.32的ND：YAG激光器作為m?20220002()(1)()2exp[2()]()1()sin2()1exp[2()][cos2()](5)()cicbcbbcbcb