什么是光頻域反射技術(shù)？光頻域反射技術(shù)的原理和應(yīng)用

01概述

光頻域反射（Optical Frequency Domain Reflectometry，簡(jiǎn)稱OFDR）技術(shù)通過(guò)測(cè)量被調(diào)制的探測(cè)光產(chǎn)生的瑞利散射信號(hào)頻率來(lái)對(duì)散射信號(hào)進(jìn)行定位的，具有極高的空間分辨率和傳感精度，具有很高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。自O(shè)FDR技術(shù)由Eickhoff于1981年首次提出以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)OFDR系統(tǒng)的研究和應(yīng)用表現(xiàn)出極大興趣，持續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究和改進(jìn)，追求更高的空間分辨率和傳感精度。

02OFDR設(shè)備原理

光頻域反射儀是基于光連續(xù)調(diào)頻波的相干探測(cè)技術(shù)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由激光器發(fā)出線性掃頻光，被耦合器分為兩路，其中一路光進(jìn)入測(cè)量光纖，在經(jīng)過(guò)測(cè)量光纖后會(huì)不斷產(chǎn)生瑞利散射光沿原路返回；另一路光進(jìn)入?yún)⒖脊饫w，在經(jīng)過(guò)尾端反射鏡后沿路返回，兩路背向散射光經(jīng)耦合器耦合后進(jìn)入光電探測(cè)器中，兩路光滿足相干條件發(fā)生相干混頻，由光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

圖1 OFDR系統(tǒng)原理

激光器的頻率可表示為，其中為起始光頻，為掃頻斜率。則激光器輸出光信號(hào)相位為：

其中為光源初始相位。

光源發(fā)出的光信號(hào)可以表示為：

其中為光源光信號(hào)強(qiáng)度。

測(cè)試光纖上距離耦合器處的瑞利散射光信號(hào)拍頻信號(hào)頻率可以表示為：

其中為測(cè)量信號(hào)從處返回到耦合器時(shí)延，n為測(cè)試光纖折射率。

圖2 拍頻信號(hào)頻率

設(shè)測(cè)試光纖的瑞利散射系數(shù)為，則在光電探測(cè)器中進(jìn)行混頻后得到的電流可表示為：

其中相位差，拍頻頻率為。由拍頻頻率公式可知，頻率與測(cè)試光纖上散射位置時(shí)延呈正比，使用頻譜儀分析拍頻信號(hào)頻譜，可以直接獲得光信號(hào)在光纖中位置及強(qiáng)度信息，從而得到OFDR距離域和反射率曲線。

圖3 OFDR曲線（距離-反射率）

03OFDR技術(shù)應(yīng)用

OFDR技術(shù)可以獲得整根光纖的瑞利散射分布信息，基于OFDR技術(shù)的高分辨光學(xué)鏈路診斷儀，空間分辨率高達(dá)10μm，單次測(cè)量可實(shí)現(xiàn)從器件到鏈路的全范圍診斷。用戶可借助OFDR設(shè)備查找并判別光纖鏈路中的宏彎、連接點(diǎn)和斷點(diǎn)，并精確測(cè)量回?fù)p、插損和光譜等參數(shù)。

OFDR技術(shù)主要應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域，如用于光學(xué)鏈路診斷，光器件、光模塊測(cè)量，光纖長(zhǎng)度精確測(cè)量，硅光芯片測(cè)量，Y波導(dǎo)損耗測(cè)量等。OFDR技術(shù)還可以用于光纖傳感領(lǐng)域，以單模光纖作為傳感器，進(jìn)行高分辨、分布式的應(yīng)變溫度測(cè)量，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，復(fù)合材料疲勞檢測(cè)，新能源汽車(chē)電池溫度監(jiān)測(cè)等。

來(lái)源：大話光纖傳感

審核編輯：湯梓紅