光学反射式分布测量技术浅析

一、概述

光学分布探测是一种适用于光纤等连续光学链路的特征参数测量的技术。反射式分布探测是基于测量光背向散射信号，由光传输特性的变化来探测、定位和测量光纤链路上因熔接、连接器、弯曲等造成的光学性能改变。光时域反射仪OTDR是这种技术的典型应用。OTDR可以测量整个光纤链路的衰减并提供与长度有关的衰减细节,测量具有非破坏性、测量过程快速方便、结果准确直观的特点。因此在生产、研究以及通信等领域有广泛应用。为了提高测量性能，在OTDR的基础上提出了时域相关测量，频域测量和干涉测量等改进的测量技术。

二、OTDR的测量原理[1]

当光束沿光纤传播时，由于纤芯折射率的细微不均匀会不断产生瑞利散射，部分散射光会反向回到输入端。

将 激光 入射到光纤中，并监测这些反向散射光的强度变化，可以得到沿光纤长度分布的衰减曲线。采用这项技术可以探测光纤中散射系数、损耗及连接点、耦合点、断点等的情况。

测量中的反向散射光有两种，一种是瑞利散射光，另一种是光纤断面或光纤连接处产生的菲涅尔反射。假设入射光功率为P0，光纤中l处反向散射光传播到入射端的功率为Ps,光纤l处的衰减系数为α(l)，则可以得到下列公式：

(1)

由式(1)可以知道一条良好光纤的OTDR测量曲线应该近似一条斜率不变的直线，曲线中的突然变化显示光纤中的引起光传播特性改变的情况，见图2所示。光纤中l1和l2间的平均衰减系数可以由公式（2）得到。

(2)

三、反射探测在精细结构上的应用前景

反射探测既可以应用于光纤的大范围测量，在光路的小尺度范围及光学器件的精细结构测量也可以发挥重要作用。可采用光时域相关探测技术、光频域探测技术及干涉探测技术等改进OTDR的测量精度。 [p]

3.1 光时域相关探测技术

OTDR探测的空间精度是指探测链路上可分辨的两个事件点的最短距离，称为空间分辨率。分辨率主要是由探测脉冲的宽度决定。探测分别率的提高可以通过减小探测脉冲宽度达到，但在激光器功率一定的条件下，这会造成探测脉冲能量降低，可探测的背向散射光信号非常微弱。因此提高OTDR的探测灵敏度是进行小尺度探测要解决的关键问题。相关(correlation)探测[2]提供了一种在不降低空间分辨率的情况下提高反向散射光信噪比（SNR）的方法。互补Golay码[3]具有独特的自相关特性，用互补码作为激励脉冲序列，通过相关运算可以有效抑制噪声，提高探测灵敏度。

互补码的定义是：两个L元序列的自相关和若对于任意非零移位都为零，则这两个序列是互补的：

互补码有良好的自相关性质，每个互补码序列单独的自相关除了主峰外还存在侧瓣，主峰幅度为序列的位长L，侧瓣幅度大约是主峰的10％，但两序列的自相关相加时侧瓣被消除，见图3。

互补码的性质可以应用在OTDR的相关中。如果我们用L位互补码对Ak、Bk调制探测信号可以得到测量信号为，进行自相关处理,利用互补码的自相关性质，可以得到以下最终结果：

(4)

hk是单位强度探测脉冲的响应，可以看到测量信号较单脉冲方式增大了2L倍，测量灵敏度得到了提高。

考虑到相关探测对噪声的放大，信号的四次测量的影响等负面因素，由理论分析可以得到互补相关探测与单脉冲探测的信噪比SNR比较如下

(5)

相关探测的SNR具体表达如下：

(6)

其中Pinit是输入光功率，PNE接收器等效噪声功率，Noct是重复测量次数，Loct是编码长度，z是距入射端的距离，α是光纤衰减系数。相关探测与单脉冲探测比较，有效提高了灵敏度，并且灵敏度随编码长度的增加而增大。

3.2 光频域探测

光频域探测[4]是另一种可以提高分辨率的方法。频域探测采用频率可调节的连续光束代替时域探测中的脉冲式探测光束，从而使探测光束具有更高能量，提高探测灵敏度。并且探测分辨率由频率分辨决定，提高分辨率不会对灵敏度有负面影响。

光频域反射仪结构如图4。中心频率为ωo的等幅光束经过分束器分别进入待测链路和参考链路。返回的探测信号和参考信号在光纤Michelson干涉仪形成混合信号，归一化的结果可以表示为：

（7）

测量光束频率以dω dt的速度线性改变，从待测链路中与参考端光程差为x0=x-xr的位置处返回的测量信号的时间延迟为，(是光在纤心中的群速度)，测量光束的频率变化量为。由测量信号的频率变化可以决定事件点到测量输入端的距离，信号的幅度可以反映事件点处的散射系数与衰减系数等光学特征。 [p]

3.3 干涉探测技术[5]

干涉探测在高分辨率、高探测灵敏度的光纤链路、光波导及其它光器件的结构检查中有优异的性能表现。

光干涉探测的系统结构如图5。光干涉探测仪的核心部分是低相干光源和Michelson干涉仪。探测光束分束后分别耦合入待测链路和参考链路。参考光经过反射镜返回，如果从待测链路事件点返回的反向散射光与参考光光程相等，两束光干涉产生光强增大，可以从背景信号中识别出干涉信号。通过步进电机控制参考反射镜移动，可以检测整个待测链路的光学特征。由时间延迟或参考反射镜的位置可以确定事件点到测量输入端的距离。

干涉探测仪采用低相干光源，相关时间很短，参考光只能与相关长度内的反向光发生干涉，因此干涉探测的理论分辨率由光源的相干长度lc决定。光路上两事件点的光程差是Δl=2n Δ s，（n是器件的折射率，Δs是两事件点的距离）。当Δl>lc时，两个事件点的反向光相互独立，与参考光形成可以分辨的干涉条纹（图6）。当Δl（8）

λ0是光源中心波长，δλ是光源的谱宽。

四、总结

以上介绍了光反射探测的基本原理及实现方法，着重分析了几种改进的探测技术，讨论了反射探测应用于小尺度测量时最关注的探测分辨率问题。相关探测利用互补码调制探测信号，达到抑制噪声的目的，需要额外的编码发生器及信号处理器，其分辨率由光源脉冲宽度及探测动态范围决定。光频域探测用频率变化探测链路光学特征，有较高的分辨率及动态范围，但对频率的线性调制有较高要求，频率线性控制难度大，对测量信号要进行Fourier变换计算，其分辨率由频率变化间隔决定，测量精度可达到毫米精度。干涉探测利用光的干涉特性进行测量，有高分辨率、高动态范围的特点，结构较为简单，需要相干时间短的稳定光源，理论分辨率由光源相干长度决定，实际还要受移动控制机构精度影响，测量精度可达到微米精度。几种探测技术的分辨率决定因素不同，在实现方法上各有特点。

五．参考文献

1.P. Healey, "Instrumentation Principles for Optical Time Domain Reflectometry", J. Phys.E: scientific Instrum. , vol.19, pp.334-341 ,1986
2.M. Nazarathy, S. A. Newton, R. P. Giffard, D. S. Moberly, F. Sischka, W. R. Trutna and S. Foster, "Real-Time Long Range Complementary Correlation Optical Time Domain Reflectometer", J. Lightwave Tech., vol. 7, no. 1, pp. 23 - 38, 1989
3.M.J.E.Golay, "Complementary series." IRE Trans. Info. Theory, vol.1T-7, p.82, 1961
4.U. Glombitza and E. Brinkmeyer, "Coherent Frequency-Domain Reflectometry for Characterization of Single-Mode Integrated Optical waveguides", J. Lightwave Technol., vol. 11, no. 8, pp. 1377 - 1384, 1993
5.R. Rojko, J. Jasenek, "Low-Coherence Optical Time-Domain Reflectometry and Homogenity of Materials", J. of Electrical Engineering (E ), vol. 48, no. 9, pp. 129 - 132, 1994