1.OFDR光频域反射系统的组成

如图1，OFDR光频域反射系统由线性扫描光源，干涉仪，偏振控制器，偏振分束器（PBS），光电探测器，采集卡等组成。其中线性扫描光源为核心硬件，其扫描波长范围以，扫描速率以及波长线宽决定了OFDR系统的测试空间分辨率和长度。目前，满足OFDR系统商用要求的激光器只有美国、日本等少数几个厂家能够提供。

图1 OFDR系统示意图

2.内部波长校准

OFDR系统对事件的定位映射为检测到的拍频信号大小，经此系统定位精度与激光器的波长精度息息相关，激光器的波长线性度决定了系统长度测量的准确性。因此，激光器的波长稳定性尤为重要，为了稳定激光器的波长，保证波长的精度，于是引入了波长校准HCN气室，通过比对标准吸收峰来自动校准激光器波长。OFDR的每一次测量都会进行波长自校准，因此OFDR系统的测试精度非常高，而且设备无需定期送检，日常维护非常简单。

图2 HCN气室吸收峰

3.消除非线性误差——等频采样

另外，事实上激光器存在非线性误差，为了消除光源的非线性误差，实现等频采样，而引入了辅助干涉仪。如图3所示。

图3 辅助干涉仪

辅助干涉仪的两臂长度不同，长度差为l_aux。此辅助干涉仪两臂中反射信号形成的固定拍频信号频率为：

f_aux=2kl_aux/v_g

因此，由它触发的两次采集对应的OFDR频率差为：

∆v_acq=v_g/(2l_aux)

由于此触发信号由相同的扫频源产生，因此由此触发所采集的信号在变换到频域时仍可以保证非常精确的频率间隔，进而实现更高的空间分辨率。

4.偏振的影响

在上一节对OFDR 中信号相干检测的讨论中，没有考虑光波偏振态对信号的影响。但由于光纤中不同位置返回的瑞利散射信号其偏振态并不相同，它们的混合信号在与参考光相干时由于偏振态的差异会使最终得到的信号产生不规则的起伏（当瑞利散射信号的偏振态与参考光的偏振态一致时，得到的相干信号功率较大，当它们的偏振态相互垂直时，信号无法相干）。因为OFDR 本身是在光源频率不断变化的过程中来对信号进行采集，因此通过对多次测量的结果进行平均可在一定程度上消除偏振态不匹配对测量结果造成的影响。为了进一步消除散射光偏振态的变化对测量结果的影响，可以采用偏振分集接收的技术。其接收系统如图1 所示。偏振分束器可将入射光波中偏振态相互垂直的两个光波分量s 光和p 光分别分解输出到它的两个输出端。因此瑞利散射光和参考光通过偏振分束器后均被分解为s 光和p 光，并分别在偏振分束器的两个输出端相干进而被探测器接收。由于瑞利散射信号的偏振态在光纤沿线不断变化，即光波的s 分量和p 分量随光纤位置的不同而不断变化，因此偏振分束器两个输出端中的散射信号的功率均会沿光纤长度产生波动，进而导致偏振分束器中每一路相干信号均会产生相应的变化。因此，通过对每一路中信号的波动进行分析，可得到光纤中的拍长、光波偏振态的变化等信息。

另外通过对参考光的偏振态进行控制，使偏振分束器两个输出端中参考光的功率相等，这样就可以通过最终两路中相干信号的强度关系得到总瑞利散射的真正强度，从而消除瑞利散射偏振态变化对OFDR 的影响。

图4 偏振分集接收系统结构

5.空间分辨率

∆x=v_g/（2∆v）……式1

式中v_g为光波在光纤中的速度，∆v光源的扫频范围。因此，OFDR的空间分辨率由光源能够扫描的较大频率范围决定！

6.较大测试长度

由于OFDR 需要采用相干接收的方式来探测瑞利散射信号，为了保证参考光与光纤中产生的瑞利散射光能够相干，传感光纤的长度要远小于光源的相干长度。对于频谱形状为高斯型的光源，若要保证拍频有90%以上的可见度，可达到的较大传感长度与光源线宽的关系为：Lmax~0.04v/δf。这意味着对于1km 长的光纤，需要光源的线宽< 8kHz。因此为实现长距离的传感，OFDR 对光源相干性的要求非常高。

另外由式1可知，OFDR 的空间分辨率由光源的扫描范围所决定。通常激光器可实现的频率扫描范围在数GHz 以上，因此OFDR 的空间分辨率较高。对于1GHz 的扫频范围，对应的OFDR 的空间分辨率理论上可达0.1m。Hiratsuka等利用OFDR 在1mm 的测量范围上实现了47μm 的空间分辨率，Wang 等在1m 的测量范围上实现了1mm 的空间分辨率等。但OFDR 在进行长距离传感时其空间分辨率会受到其它因素的限制。OFDR 可得到的较大测量范围与激光器可实现的较大频率扫描范围相对应，即:

Zmax=v_g∆v/2k

因此若要增大OFDR 的测量距离，需增加激光器的较大频率扫描范围∆v或减小频率的扫描速率k。

但当光波的频率范围变化很大时，由于光波频率的变化会引起光波在光纤中传播的速度产生变化，这会影响到计算拍频信号频谱的准确度，从而影响到OFDR在长距离传感时的空间分辨率；若减小频率扫描速率，由于长距离传感中光源的相干长度非常长，其瑞利散射信号中包含的相干噪声无法通过频率扫描的平均方法消除掉，这同样会影响最终的测量效果。

7.测试原理

激光器发射波长被线性调制，经过分束器被分为两路，其中一路光波被注入到测量光纤（测量臂），当它在光纤中传播时会不断产生瑞利散射信号，由于光源波长线性扫描，因此光纤上不同位置的背向瑞丽散射也具有不同波长（频率），背向瑞利散射信号作为信号光被耦合到探测器中。另一路光通常在仪器内部（参考臂），经过参考镜反射后作为参考光被耦合到探测器中。两路信号混频产生差频信号，测量臂上不同位置的瑞利散射光与参考臂反射光产生拍频信号，拍频大小与位置呈线性对应关系。因此，解调拍频信号即可得到光纤不同位置的反射率。

图5 OFDR结构简图

7.1 时域测量原理

由于光源为线性扫描光源，则光纤上不同位置产生的瑞利散射有不同波长（即频率），在探测器中与参考光（参考臂长度固定产生固定的时延）混频产生拍频信号，其拍频信号大小与信号光位置呈线性对应关系，解调拍频即得到光纤长度（时域数据），并通过分析幅值变化来计算光波传播损耗。

7.2 传感解调原理

在进行分布式光纤传感测量时，即分布式应变和温度测试。则需要在解调出长度（时域信号，参见7.1节）信息后，再对时域信号进行傅里叶逆变换得到频域信号，再选取指定区域的频域数据进行互相关运算解调出应变或者温度信息。OFDR使用普通单模光纤，整个过程中把光纤等效为无数个周期随机分布且稳定的光纤光栅，当感知外界变量后，通过互相关运算解调出外界变量。解调过程如图6

图6 OFDR解调过程

8.OFDR技术的应用

光纤技术的应用主要集中在以下两大领域：

一、光纤通信领域

用于测试光纤链路的长度，损耗，弯曲，熔接点、裂纹，断裂等

对于器件级或者模块级的光器件，测试其RL、IL、PDL、PMD、CD、相位等关键参数，以及光谱响应（反射谱和透射谱）

二、光纤传感领域

分布式应变或者温度传感，如新型复合材料的疲劳测试、结构健康监测、有限元模型验证、以及通过算法实现二维和三维形状传感等应用。

9.OFDR的优势

OFDR系统主要用在光通信测试和分布式光纤传感两个领域。在这两个领域有着独特的优势。

在光通信测试方面的优势：

空间分辨率高（可达10μm）

动态范围大（RL@80dB,IL@20dB）

无盲区

在分布式传感测量方面的优势：

空间分辨率高（可达0.65mm）

分布式测量，监测应变场/温度场

采样率高（高达250Hz）

普通单模光纤即可作为传感器，耗材成本低