-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
光纤传感的基本原理是:光源入射的光束经由光纤进入光纤传感器件,在传感器内与外界物质相互作用,该光束成为被待测物理参数调制的光信号, 使强度、波长、频率、相位、偏振态等光参量发生变化,光信号再由光纤进入光电器件,经解调器的解调后可获得被测参数。整个过程中,光纤及其传感器件起到信号传输和外界物理量感知的作用,是光纤传感的关键组成部分。不同于远距离传输的通信光纤,为了更敏锐地“感知”外界各种信息,通常需要对光纤的波导结构进行特殊的设计,并将其加工成各种高精度的光纤传感器件。
OFDR系统中采用线性扫频的激光作为光源来实现相干检测,将光纤中后向散射/反射光的位置信息映射为拍频信号的频率,因此空间分辨能力不受接收机带宽和探测脉冲持续时间的限制,且OFDR具有较高的信噪比,尤其适用于空间分辨率在亚毫米至分米级的应用中。OFDR可用于光纤链路或者光波导器件的诊断、高密度光纤光栅阵列的解调,以及基于瑞利散射实现分布式温度与应变检测。
工作原理
光源发出频率随时间线性变化的探测激光,探测激光经放大后注入待测光纤,在光纤中产生后向瑞利散射信号。后向瑞利散射是一种弹性散射,其频率与入射光相同,因此也是线性扫频光信号。后向瑞利散射光经光环行器后在耦合器上与本地光相遇, 两者之间的时间差正比于后向瑞利散射在光纤中的往返时间,而线性扫频特性使得两者干涉产生一个正比于时间差的拍频信号。通过对探测器输出的拍频信号进行傅里叶变换,实现瑞利散射在光纤上的位置与拍频频率之间的映射。对于OFDR系统,其空间分辨率取决于光源的扫频范围,其探测距离主要取决于光源的扫频非线性及相位噪声。
技术发展
OFDR技术的发展包括硬件和信号处理两个主要方向。硬件系统方面:主要朝着扫频光源技术方向发展;信号处理方面:主要利用后处理方法补偿扫频激光的相位噪声,以及通过分析后向瑞利散射特征实现分布式检测。
需求现状
光反射探测技术是分布式光听器的基础,OFDR技术相对于OTDR技术在空间分辨率与动态范围方面具有明显的优势,是亚毫米到分米级分辨率的分布式传感系统的主要实现方案,不仅适用于中短距光纤网络和光器件的状态监测,而且该技术结合光纤光栅光谱或瑞利后向散射信号的分析,可实现温度、应变、振动、形状等外界物理参量的检测。此外,OFDR技术是高性能的激光雷达和光学相干层析(OCT)等技术的重要实现方法。
挑战性的问题与难点
OFDR技术经过几十年的发展,其基本原理已经得到了深入研究,并出现了一些商业产品。目前限制该技术推广的主要瓶颈在于扫频光源较难实现且信号技术处理较难优化。
1)高性能 OFDR技术需要大扫频范围与低相位噪声的光源,目前只有机械调谐外腔二极管激光器才能同时实现100nm 级的扫频范围与100kHz级瞬时线宽,而这种激光器的成本难以降低,使用寿命难以延长；
2)基于稳频激光和外调制方式的扫频光源的波长调谐范围比较小,高阶边带调制、非线性效应扩频等技术实现复杂,且调制范围仍然很难超过几个纳米水平；
3)基于电流直接调制的半导体激光器能够以低成本实现数 GHz至数十 GHz的调谐范围,但相位噪声与扫频非线性特性较差,需要研究其改进方案；
4)实时相位噪声补偿算法及信号分析均需要大量的数据运算,算法的优化及专用处理电路的开发还需要加强。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------