频域光纤传感

1、频域光纤传感（OFDR） 13085210 程永程永 13085213 黄伟黄伟 13085214 李鑫李鑫 13085215 罗胜罗胜 历史与现状 1990 1995 2000 2007 用波长为用波长为1.32m的的ND：YAG激光器作为光源，得到了较激光器作为光源，得到了较长的相干时间，测量范围达长的相干时间，测量范围达了了50km。分辨率达到了。分辨率达到了380m。用波长为用波长为1.55m的的Er-Yb激激光器作为光源。使用掺光器作为光源。使用掺Er光光纤放大器，使测量量程达到纤放大器，使测量量程达到30km分辨率达到了分辨率达到了50m。利用压电陶瓷调节得到的线利用压电陶瓷调节得

2、到的线宽为宽为10kHz的可调光纤激光的可调光纤激光器。在器。在150m长度上得到长度上得到16cm的分辨率，并有的分辨率，并有80dB的动态范围。的动态范围。运用运用SSB调制技术在量程大调制技术在量程大于于5km时得到厘米级的高分时得到厘米级的高分辨率，辨率，概况概况1.OFDR基本原理基本原理光频域反射计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光频域反射计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( (或信号处理或信号处理单元单元) )等，基于光外差探测，其原理可用下图进行分析。等，基于光外差探测，其原理可用下图进行分析。 OFDR优点优点假设光电探测器的负

3、载电阻为假设光电探测器的负载电阻为RI。，则光外差。，则光外差探测得到的差频信号对应的电功率为：探测得到的差频信号对应的电功率为： 由式由式(4)可以得到可以得到 ，而，而OTDR是直接探测是直接探测光纤的背向瑞利散射光信号，其输出的光功光纤的背向瑞利散射光信号，其输出的光功率率 。由于参考光的光功率比较大，一。由于参考光的光功率比较大，一般能达到几十毫瓦。而光纤的背向瑞利散射光般能达到几十毫瓦。而光纤的背向瑞利散射光信号的功率很小。大约只是入射光的信号的功率很小。大约只是入射光的-45dB，从而可以得出结论。从而可以得出结论。OFDR探测方式的灵敏度要探测方式的灵敏度要远高于远高于OTDR的

4、探测方式。也就是说，在相同动的探测方式。也就是说，在相同动态范围的条件下，态范围的条件下，OFDR需要的光源光功率小得需要的光源光功率小得多多。 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，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

5、能量变小，信噪比减小。则分辨率高，同时光脉冲能量变小，信噪比减小。OFDR系统中系统中的空间分辨率根据式可以对应为辨别待测光纤两个相邻测量点的空间分辨率根据式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，故平也小，信噪比提高，故OFDR系统在得到高空间分辨率的同时系

6、统在得到高空间分辨率的同时也得到很大的动态范围。也得到很大的动态范围。2ififLPiR2220()ifrPEE2200()PE限制限制OFDR的因素的因素光源相位噪声和相干性的限制光源相位噪声和相干性的限制光源扫频非线性的限制光源扫频非线性的限制光波的极化限制光波的极化限制 主要应用主要应用 光通信网络诊断PART1层析技术PART1集成光路诊断PART1分布式光纤传感PART1光通信网络诊断光通信网络诊断光通信网络的诊断需要使用波长光通信网络的诊断需要使用波长为为 1.3m 或或 1.55m 的光源，要的光源，要求测量量程则要大很多，大的量求测量量程则要大很多，大的量程则需要大的动态范围和

7、高的光程则需要大的动态范围和高的光源光功率。而源光功率。而 OFDR 技术是基于技术是基于光外差探测原理的，它相比于光外差探测原理的，它相比于 OTDR，在得到相同的动态范围的，在得到相同的动态范围的条件下，需要的光源光功率却要条件下，需要的光源光功率却要小得多。小得多。光学相干层析技术是一种可应用于光学相干层析技术是一种可应用于医学领域，对组织断层进行扫描成医学领域，对组织断层进行扫描成像的技术。它要求测量量程为几个像的技术。它要求测量量程为几个毫米，测量精度则需要达到为几十毫米，测量精度则需要达到为几十个微米。传统的个微米。传统的OTDR 技术明显是满技术明显是满足不了这种要求的。而足不了

8、这种要求的。而 OFDR 的高空的高空间分辨率，大的动态范围，使得其间分辨率，大的动态范围，使得其在光学层析成像领域有着很好的应在光学层析成像领域有着很好的应用。用。层析技术集成光路诊断需要比层析技术集成光路诊断需要比层析技术大的测量量程，空间分辨率的大的测量量程，空间分辨率的要求则相对要低些。但是，要求则相对要低些。但是，OTDR 一般只能达到一般只能达到 m 量级的量级的分辨率，这对于只有分辨率，这对于只有 cm 量级量级甚至是甚至是 mm量级的集成光路而量级的集成光路而言，仍显得太大了。言，仍显得太大了。OFDR 却可却可以满足这种需求。以满足这种需求。集成光路诊断集成光路诊断B分布式光

9、纤传感由于OFDR 的高空间分辨率和高动态范围特性，使得其在分布式光纤传感器领域有着广泛的应用。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，其光程是固定的，称为参考光，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，回，其光程是固定的，称为参考光，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

10、，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。为便于分析，设单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。为便于分析，设单模测试光纤长度为模测试光纤长度为L，耦合进入光纤，耦合进入光纤x=O处光波的电场强度为处光波的电场强度为 ，光功率衰减系数为，光功率衰减系数为 ，后向瑞利散射，后向瑞利散射系数为系数为 ，传播常数为，传播常数为 ，参考臂的反射系数为，参考臂的反射系数为r，则信号光和参考光的电场可以，则信号光和参考光的电场可以分别表示为：分别表示为： （1） （2）考虑光电探测器的平方率特性。其输出电流可以写成：考

11、虑光电探测器的平方率特性。其输出电流可以写成： （3）式式(3)中的后面两项代表了探测电流的交流分量。写成式中的后面两项代表了探测电流的交流分量。写成式(4)如下：如下： （4） 从式从式(4)可以看出，待测光纤上任一点可以看出，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为处的瑞利后向散射信号所对应的光电流的频率为 ，当设，当设置为置为0时，频率大小则正比于散射点位置时，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。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，就会输出相应频率的光电流，其幅度正比于光纤其幅度正比

12、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。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。 0E( )a x( )x0( )( )/gttvt000(0, )( ) ( ) exp( ) LEtEx a xit x dx0(0, )()exp2 ( )rrrEtrE a xit x222*0000( )rrrri tEEEEE EE E220002 ( ) ( )/()exp 2() exp2() ()LacerrrriRx a xr

13、a xixxixxt dxEE2rxx 激散EVVhh)10（激散拉曼光谱和拉曼效应 拉曼散射拉曼散射是分子对光子的一种非弹性散射效应。当用一定频率（）的激发光照射分子时，一部分散射光的频率（）和入射光的频率相等。这种散射是分子对光子的一种弹性散射。只有分子和光子间的碰撞为弹性碰撞，没有能量交换时，才会出现这种散射。该散射称为瑞利散射。还有一部分散射光的频率和激发光的频率不等，这种散射成为拉曼散射。Raman散射的几率极小，最强的Raman散射也仅占整个散射光的千分之几，而最弱的甚至小于万分之一。处于振动基态的分子在光子的作用下，激发到较高的、不稳定的能态（称为虚态），当分子离开不稳定的能态，

14、回到较低能量的振动激发态时，散射光的能量等于激发光的能量减去两振动能级的能量差。即激散布里渊散射布里渊散射是泵浦光子、斯托克斯光子与声子间的相互作用，其过程是一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子。不过与此同时，一个泵浦光子也可以吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。一种光学现象，属于散射的一种情况。又称一种光学现象，属于散射的一种情况。又称“分子散分子散射射”。粒子尺度远小于入射光波长时（小于波长的十分。粒子尺度远小于入射光波长时（小于波长的十分之一），其各方向上的散射光强度是不一样的，该强之一），其各方向上的散射光强度是不一样的，该强度与

15、入射光的波长四次方成反比，这种现象称为瑞利度与入射光的波长四次方成反比，这种现象称为瑞利散射。散射。 瑞利散射瑞利散射拉曼散射与布里渊散射前者是光与光学波（不是光波，主要因为晶格前者是光与光学波（不是光波，主要因为晶格的这种振动模对光能产生共振吸收而得名）相的这种振动模对光能产生共振吸收而得名）相互作用的结果，是非弹性散射，所以能出来个互作用的结果，是非弹性散射，所以能出来个斯托克斯线和反斯托克斯线。斯托克斯线和反斯托克斯线。后者为光与声学波相互作用的结果，是弹性散后者为光与声学波相互作用的结果，是弹性散射。声学声子表征的是原胞质心之间的相对振射。声学声子表征的是原胞质心之间的相对振动，光学声子则表征复式晶格原胞内不同原子动，光学声子则表征复式晶格原胞内不同原子之间的相互振动。因此要得到晶体内不同的信之间的相互振动。因此要得到晶体内不同的信息就要采用不同的实验方法。息就要采用不同的实验方法。拉曼散射与瑞利散射瑞利和拉曼放在一起，分子的固有振动频率为瑞利和拉曼放在一起，分子的固有振动频率为V1，在频率为在频率为V0的入射光作用下，的入射光作用下，V0与与V1两种频率的两种频率的耦合