时域反射计：深入探究与高精度测量应用

光频域反射计(OFDR)是一种高精度测量工具，具有大的动态范围，吸引了众多研究者的兴趣。OFDR系统需要线性扫频窄线宽单纵模激光器作为光源，对光源的要求很高，这也导致了国内对OFDR研究的缺乏。然而，随着国内光源调频技术的日益成熟，其发展和应用前景相当广阔。

OFDR的基本原理是基于光外差探测，其结构包括线性扫频光源、迈克尔逊干涉仪、光电探测器和频谱仪（或信号处理单元）等。以频率为中心进行线性扫频的连续光，经耦合器进入迈克尔逊干涉仪结构分成两束，一束经反射镜返回，另一束则进入待测光纤。由于光纤存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射，其中部分后向散射光满足光纤数值孔径而朝注入端返回，称为信号光。如果传播长度满足光的相干条件，则信号光和参考光就会在光电探测器的光敏面上发生混频。待测光纤上任一点X处的瑞利后向散射信号所对应的光电流的频率设置为0时，频率大小则正比于散射点位置x。只要该频率小于光电探测器的截止响应频率，光电探测器就会输出相应频率的光电流，其幅度正比于光纤x处的后向散射系数和光功率的大小，从而得到沿待测光纤各处的散射衰减特性，同时可以通过测试频率的最大值来推导出待测光纤的长度。

在光通信网络检测中，OFDR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1.3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。

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。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根据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。

然而，OFDR系统也受到一些限制因素的影响。光源的相位噪声和相干性是关键因素。实际信号源会产生较大的相位噪声并通过有限的频谱宽度表现出来，这会减小空间分辨率并缩短光纤能够可靠测量的长度。光源扫频的非线性也是一个限制因素。实际使用的激光器由于受到温度变化、器件振动和电网电压波动等条件的影响，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，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。光波的极化也会对OFDR系统造成影响。因为OFDR方式采用的是相干检测方案，如果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。

目前，为了寻求OFDR系统的商业化应用，国外已经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。1990年Sorin等人用波长为1.32μm的Nd：YAG激光器作为光源得到了较长的相干时间并成功地使测量范围达到50km且分辨率达到了380m。1995年Tsuii等人用波长为1.55μm的Er-Yb激光器作为光源并使用掺Er光纤放大器使测量量程达到30km且分辨率达到了50m。2000年Oberson等人利用压电陶瓷调节得到了1.3μm的连续可调谐波长光源并实现了在4km长度上的2m空间分辨率测量结果。近年来国产