分布式光纤传感技术.docx

1、分布式光纤传感技术瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位。瑞利散射的原理是沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成 180的方向散射，返回光源。利用分析光纤中后向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信息。由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。利用光时域反射（OTDR）原理来实现对空间分布的温度的测量

2、。当窄带光脉冲被注入到光纤中去时，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为 t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为 2L=v*t。v 是光在光纤中传播的速度，v=c/n，c 为真空中的光速，n 为光纤的折射率。在 t 时刻测量的是离光纤入射端距离为 L 处局域的背向散射光。采用 OTDR 技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置。可以看出，在光纤背向散射谱分布图中，激发线 两侧的频谱是成对出现的。在低频0v一侧频率为 的散射光为斯托克斯光 Stokes；在高频的一侧频率为 的散射光0v 0v为反斯托克斯光 ant

3、i-Stoke，它们同时包含在拉曼散射和布里渊散射谱中。光纤中的散射光谱1. 基于瑞利散射的光纤传感技术原理瑞利散射主要特点有：(1) 瑞利散射属于弹性散射，不改变光波的频率，即瑞利散射光与入射光具有相同的波长。(2) 散射光强与入射光波长的四次方成反比，即41()I(31)上式表明，入射光的波长越长，瑞利散射光的强度越小。(3) 散射光强随观察方向而变，在不同的观察方向上，散射光强不同，可表示为20()1cos)I(2)其中， 为入射光方向与散射光方向的夹角； 是 方向上的散射光强。0I/2(4) 散射光具有偏振性，其偏振程度取决于散射光与入射光的夹角。自然光入射到各项同性介质中，在垂直于入

4、射方向上的散射光是线偏振光，在原入射光及其反方向上，散射光仍是自然光，在其他方向上是部分偏振光，偏振程度与 角有关。对于光纤中脉宽为 W 的脉冲光，它的瑞利散射功率 PR为2RSvPW(3)当光波在光纤中向前传输时，会在光纤沿线不断产生背向的瑞利散射光，根据式(3-3)可知，这些散射光的功率与引起散射的光波功率成正比。由于光纤中存在损耗，光波在光纤中传播时能量会不断衰减，因此光纤中不同位置处产生的瑞利散射信号便携带有光纤沿线的损耗信息。另外，由于瑞利散射发生时会保持散射前光波的偏振态，所以瑞利散射信号同时包含光波偏振态的信息。因此，当瑞利散射光返回到光纤入射端后，通过检测瑞利散射信号的功率、偏

5、振态等信息，可对 外部因素作用后光纤中出现的缺陷等现象进行探测，从而实现对作用在光纤上的相关参量如压力、弯曲等的传感。2. 光时域反射（OTDR）技术2.1 OTDR 原理光时域反射技术用于检测光纤的损耗特性，它是检测光纤衰减、断裂和进行空间故障定位的有力手段，同时也是全分布光纤传感技术的基础。OTDR 的工作原理图如图所示，将一束窄的探测脉冲光通过双向耦合器注入光纤中，脉冲光在光纤中向前传输时会不断产生背向瑞利散射光，背向瑞利散射光通过该双向耦合器耦合到光电检测器中。设从光纤发射端面发出脉冲光，到接收到该脉冲光在光纤中 L 处产生的瑞利散射光所需要的时间为 t，则在 t 时间内，光波从发射端

6、至该位置往返传播了一次，因此该位置距起始端的距离L 为 其中，v 是光在光纤中的传播速度； t 为从发出脉冲光到接收到/2t某位置产生的瑞利散射光所需要的时间。设光纤的衰减系数为 ，则脉冲光传播到光纤 L 位置处时的峰值的功率为 根据式（ 3-3）可知在该处产生的瑞利散射功率为 0()LPze0()2LRSvPzeW当它返回到光电探测器时，其功率变为 00()LvtRSSP由式（3-7）可见，OTDR 得到的光纤沿线的瑞利散射曲线为一条指数衰减的曲线，该曲线表示出了光纤沿线的损耗情况。当脉冲光在光纤中传播的过程中遇到裂纹、断点、接头、弯曲、端点等情况时，脉冲光产生一个突变的反射或衰减，根据式（

7、3-4）可以获得该点的位置，因此可实现对这些状况的检测。图 3-3 显示了光纤上典型的事件点对应的 OTDR 曲线。图中纵轴采用对数单位，因此 OTDR 显示的曲线为直线。OTDR 探测曲线2.2 OTDR 系统OTDR 的系统结构如下图所示，脉冲发生器驱动光源产生探测光脉冲，探测光脉冲经定向耦合器注入被测光纤，其在被测光纤中的背向瑞利散射和反射信号经定向耦合器输出被光电探测器接收，光电探测器输出的电流信号经放大和模数转换后经数字信号处理得到探测曲线。信号控制及处理单元设有时钟，对脉冲发生器和模数转换单元进行触发和计时，实现对光纤各个位置散射点的定位。另外，通过对接收到的电信号进行处理可得到各

8、个散射位置处的功率信息。OTDR 系统结构图由于 OTDR 直接探测背向瑞利散光的规律，光源输出功率越高，背向散射信号就越强，探测距离越大。因此，OTDR 通常使用带宽为数十纳米的宽带光源。这一方面是为了获得高的测量动态范围，另一方面是为了避免窄线宽的高功率激光脉冲在光纤中传输引起的非线性效应对 OTDR 性能的影响。2.3 OTDR 的性能指标OTDR 的性能指标包括动态范围、空间分辨率、测量盲区、工作波长、采样点、存储空间、质量、体积等。作为全分布式传感器，其主要性能指标有动态范围、空间分辨率和测量盲区。(1)动态范围动态范围定义为初始背向散射功率和噪声规律之差，单位为对数单位（dB） 。

9、动态范围是 OTDR 非常重要的一个参数，通常用它来对 OTDR 性能进行分类。它表明了可以测量的最大光纤损耗信息，直接决定了可测光纤的长度。(2)空间分辨率空间分辨率显示了仪器能分辨两个相邻事件的能力，影响这定位精度和时间识别的准确性。对 OTDR 而言，空间分辨率通常定义为事件反射峰功率的10%90%这段曲线对应的距离。空间分辨率通常由探测光脉冲宽度决定，若探测光脉冲宽度为 W，则 OTDR 的理论空间分辨率 ,其中 v 为探测2WSR光在光纤中的传播速度。虽然理论上空间分辨率由探测光脉冲宽度决定，但实际上系统的采样率对空间分辨率也有重要影响。只有在采样率对空间分辨率也有重要影响。只有在采

10、样率足够高、采样点足够密集的条件下，才能获得理论的空间分辨率。(3)测量盲区测量盲区指的是由于高强度反射事件导致 OTDR 的探测器饱和后，探测器从反射事件开始到再次恢复正常读取光信号时所持续的时间，也可表示为OTDR 能够正常探测两次事件的最小距离间隔。2.4 OTDR 的应用OTDR 是最早的全分布式光纤传感技术，也是全分布式光纤传感技术的工作基础，它主要用来测量弯曲、接续、损坏等产生的损耗沿光纤的空间分布，也可用来进行光纤断裂等故障的空间定位。其具体的应用包括一下几点。(1) 通信光纤的性能表征和光通信线路故障定位对通信光纤的性能表征和光信通信线路故障定位是 OTDR 最早也是目前为止最

11、重要的应用。另外，光缆线路的维护和故障的及时修复也离不开OTDR。随着光纤到户（FTTH）的发展，利用 OTDR 可以及时判断光纤到户情况及各个连接点的连接效果，它对线路的安装和监测起着至关重要的作用。图 3-6 显示了 OTDR 对 FTTH 的用户端进行监测的结果。一般光纤入户端存在强的端面反射，通过反射端的个数及线路的衰减信息可以判断由分束器分出的各路线路的连接情况。OTDR 在 FTTH 监测中的应用(2) 大型结构的安全健康监测OTDR 还被用于大型结构如大厦、桥梁、公路等的安全健康监测。其主要是利用建筑的应力/应变导致光纤微弯而使接收到的该处的瑞利散射功率发生改变，于是推断出该处可

12、能发生的事件。下图显示了 OTDR 在建筑物裂缝监测中的一种应用。讲光纤嵌入到混凝土中，建结构裂缝导致光纤断裂，断裂出光纤端面产生强的端面反射，于是，通过 OTDR 可以找到裂缝的具体位置。由于断点会完全中断光波向前的传输，因此通过使用耦合器将一部分探测光耦合出来直接跨过被测对象，并接入下一个探测节点，可避免有断点导致的探测光波中断。下图中串联了多个这样的结构，极大地增加了监测的断点数量。OTDR 在裂缝监测中的应用3. 相干光时域反射（COTDR）技术虽然利用 OTDR 在一定程度上能对通信线路进行实时在线监测，但通信线路中通常使用光放大器如掺饵光纤放大器（EDFA）来补偿信号光的传输损耗，

13、从而使通信线路延伸至数千甚至上万公里。EDFA 对信号光进行功率放大的同时，也会产生强的自发辐射放大（ASE）噪声。由于 OTDR 采用的是直接功率探测方式，这样，通信线路中 EDFA 产生的 ASE 噪声功率与背向瑞利散射信号功率将无法得到区分，因而系统测量的信噪比会大大降低。因而，在多个 EDFA 级联的通信线路中，ASE 噪声会不断聚集而得到加强从而使 OTDR 无法准确探测到瑞利散射信号，不能对整条通信线路进行测量。在这种情况下，COTDR 凸显出其巨大的优势。COTDR 通过想干检测，可以将微弱的瑞利散射信号从较强的自发散射噪声中提取出来，从而使 COTDR 的传感距离大大延长。而且

14、通过对系统结构进行设计，还使的 COTDR 可以应用于多跨超长距离的光缆线路测量。3.1 COTDR 原理(1)相干探测原理下图所示为相干探测的原理图。相干探测系统中，除了用于探测的信号光，还增加了用来与信号光进行相干探测的参考光（又称为本振光） 。信号光与参考光经耦合器耦合到光电探测器中，光电探测器将信号光与参考光混合时产生的拍频信号转换为电信号后，经滤波器滤波、放大器放大，即可得到信号光与参考光的差频信号。相干探测原理图设信号光和参考光的频率分别为 和 。信号光和参考光可分别表示为wSLexpSLOwLEit389其中， 、 分别为信号光和参考光的振幅。当信号光和参考光混合后SELO被光电

15、探测器收到的光波场为expexpSLSwSLOwLEitit310于是从光电探测器输出的光电流 可表示为2cos()SLOSLik St 其中， 是探测器的响应度。由式 可见，探测器产生的电信0ehw31号包含直流分量 和交流分量 。通过2SLOkE2cos()SLOkEwSt使用滤波器或使用交流耦合输出的探测器，可得到交流输出为cos()SLi wt312从式 可知，交流输出电流的大小正比于信号光的振幅 。由于312 SE信号的功率正比于探测器输出电流的均方值，可表示为2220SSLOSLeikEPhw31其中， 分别为散射光信号和参考光的功率； 为电子电荷； 为SLOP、 e探测器量子效率

16、； 为约化普朗克常数； 为信号光和参考光的平均频h0率。于是，系统测量的信噪比可表示为2002SLOdNePhwSNeiBB314其中， 为探测器暗电流； 为探测器带宽； 为探测器其他噪声所具有diBNP的等效光功率。式 右边分母中的各项分别代表暗电流噪声、参考314光引起的散粒噪声以及探测器的其他啊噪声（如热噪声等） 。通常情况下，参考光的频率 远高于其他成分，故其引起的噪声在系统噪声中占主导，LOP所以信噪比可简化2SLSOPeNBhw 315从式 可以看出，信噪比仅与探测器的量子效率成正比，而与探测315器中的噪声无关。因此相干探测在理论上能达到探测器的量子极限，探测器的量子效率越高，它

17、就能达到越高的信噪比。在 COTDR 系统中，信号光即为探测光波在光纤中传播时产生的背向瑞利散射信号，参考光则由激光光源通过耦合器分出的一部分光波来充当。为了使信号光与参考光存在频率差，通常利用声光调制器（AOM）的衍射效应对信号光进行移频，移频量的大小一般为几十兆赫兹。因此，信号光与参考光的频率差为wSLk316其中， 为激光器输出光波的线宽。由此，式 可表示为k3122cos()SLOiEwkt 7由式 可见，COTDR 系统中的信号光经相干检测后，瑞郎散射信号仅317包含在探测器输出的交流分量 中，其频率为cs()SLOkkt，因此信号的能量集中到了中频 上。为了使信号尽可能wkw地集中

18、与频率，则需要尽可能减少激光器输出光死亡线宽 ，因此 COTDR通常使用的是单频窄线宽激光器，这样便可通过使用中心频率为 的带w通滤波器将绝大部分噪声滤除，并使信号几乎没有损失地通过，从而提高了系统的信噪比和探测灵敏度。上面在讨论信号光和参考光的相干检测时，没有考虑它们偏振态之间的匹配关系。而实际从单模光纤中不同位置产生的信号光的偏振态并不相同，为了避免由于从光纤中某些位置产生的信号光的偏振态与参考光偏振态适配所导致的相干检测失败，在 COTDR 系统中一般需要扰乱信号光与参考光的偏振态，并经多次测量以获得信号光与参考光在不同偏振态匹配条件下的平均相干检测结果。(2)相干探测的特点综上所述，与

19、 OTDR 相比，COTDR 具有以下特点：I 利用外差方法可以将探测光信号的功率集中在一个中频上，通过解调中频信号就可以得到探测光信号的功率信息，便于对中频信号做窄带滤波以提升探测灵敏度。II 理论上探测的信噪比可以达到探测器的量子极限。III COTDR 探测光采用单频窄线宽激光，并且激光频率在通信频段以外，从而避免在线监测时对通信信道的干扰。IV COTDR 具有卓越的抗 ASE 噪声的性能。当对多中继超长距离海底光缆进行监测，海底光缆中在数十纳米带宽的范围内分布的 ASE 噪声总功率很强。相干探测技术与平衡探测方法相结合可以提高测量信号的质量，在 COTDR中对光电信号的接收采用平衡探

20、测方法。如下图所示，背向散射信号与参考光经一个 2*2 的 3dB 耦合器混合相干后再经耦合器两输出端口进入平衡探测器（BPD ）的两端口。 BPD 由两个性能几乎一样的雪崩光电二极管组成，其电路设计可以将这两个雪崩光电二极管输出的电流做差，从而获得交流分量输出。利用平衡探测器可以很好的地抑制电路中的噪声，获得提高的探测灵敏度和共模抑制比。平衡探测原理的熟悉描述如下。设背向瑞利散射信号和参考光功率分别为 、 ，其角频率分别()SPt()LOt为 、 ，于是有SwLO()()exp()e)SS SEtPtistiwt (318)xp(LOLLOLO9外差相干过后，耦合器两端输出的电流分别为 1(

21、)()2()sin()()2SLSLSLSLOkItttt tt3202()()()si()()SLOSLOSLOSLOkItPttPtwtt1)其中，k 为探测器的响应度。于是，平衡探测器的交流耦合输出为 ()2()sin()()SLOSLOSLOItkt tt从上面的分析可知，利用平衡探测方法得到的探测信号的功率是普通探测方法的 4 倍，而且获得信号的共模抑制比高、失真小，因此，非常适合在COTDR 系统中使用。平衡探测方法示意图3.2 COTDR 系统1.系统结构组成COTDR 原理结构如图 3-10 所示。激光器发出的激光经耦合器 1 分成两束，一束经声光调制器制成探测光脉冲，再经耦合

22、器 2 注入被测光纤，另一束用作参考光。探测光脉冲在被测光纤中的背向瑞利散射光信号经耦合器 2 的一端输出进入一个 3dB 耦合器 3 与参考光混合，二者外差产生中频信号由平衡探测器接收，平衡探测器输出带中频信息的电流信号，最后经放大、模数转化后由数字信号处理单元解调出中频信号的功率，从而得到探测曲线。COTDR 中激光器使用窄线宽的激光器，一般要求线宽低于 10kHZ，频率稳定性好。这是因为激光器线宽越窄，外差得到的中频信号带宽越窄，便于对中频信号做窄带滤波以消除外信号的干扰。要求激光器频率稳定性好因为探测光信号在被测光纤中往返需要一定的时间，根据式（3-4）可知对于 10km的光纤，若光纤

23、的折射率为 1.45，则光纤末端瑞利散射光返回光纤初始端所需的时间约为 100 ，若在此过程中参考光的频率发生了改变，则外差中s频信号就会发生改变，甚至跳到带通滤波器通带以外，从而造成探测光信号功率的部分丢失，这必然会影响测量的精度。COTDR 结构简图2. COTDR 性能指标COTDR 系统的性能指标主要有三个：动态范围、空间分辨率和测量时间。动态范围和空间分辨率与 OTDR 的定义相同。在传统的 OTDR 中，因为OTDR 测量的光纤长度通常在 100km 以内，测量时间常常被忽略。但对COTDR 而言，其所测量的光缆线路长度可达上万公里，因此需要的测量时间就不能够忽略。如用 COTDR

24、 测量由 EDFA 级联而成的一万公里长的海底光缆线路，则探测光在该光缆线路的往返时间需 0.1s，即在理想情况下COTDR 做一次测量耗时 0.1s。但在实际测量中往往会通过多次测量去平均来提高测量结果的信噪比，以获得平滑的 COTDR 曲线和高的动态范围。通常进行测量的平均次数为 次，如果测量 次，则所需的测量时间至少1682182为 7.28 小时，因此，COTDR 的测量时间显得相当重要。3.3 超长距离 COTDR 系统中的非线性效应当 COTDR 对长距离线路进行监测时，尽管中继 EDFA 能将探测脉冲光放大，进而增大探测光传输的距离，但是，经过 EDFA 放大的高功率脉冲在单模光

25、纤中会引起光学非线性现象，这些现象可能会极大地降低 COTDR 系统的性能，以此，弄清这些非线性现象对 COTDR 系统性能的影响非常重要。Hisashi Izumita 等的理论计算和实验结果表明，当光脉冲宽度小于 100ns 时，入射光脉冲的宽度受到四波混频的限制；当脉冲宽度大于 1 时，入射光功率受自相位s调制的限制；如果脉冲宽度更高，功率更高，受激布里渊散射更加显著。1 自相位调制（SPM）单模光纤在高功率光作用下，其折射率会发生变化，从而导致光学相位的改变，这就是自位调制。当注入光纤中的光脉冲有一定的功率梯度时，如图3-11 所示，则传输的光脉冲频率会产生相应的变化：2()efvnL

26、PtA(32)1xpef4其中，A 为光纤有效截面积，其近似等于 ， 为模场半径； 为光2ma()Pt脉冲的功率； 为纤芯非线性折射率； 为入射光波长。2n从式（3-23）可以看出，当探测光脉冲在脉宽范围内存在功率梯度时，探测光的频率会发生改变，在 COTDR 系统中，利用相干探测的目的就是为了是探测光和参考光产生稳定的中频信号，通过对该中频信号进行带通滤波可以降低噪声，从而提高探测灵敏度，因此，如果探测光脉冲在脉宽范围内存在功率梯度的话，自相位调制和交叉相位调制将使探测光的频率变化，从而导致它与参考光的外差中频发生改变，一旦外差中频信号落在系统的带通滤波器带宽以外，信号的功率将会丢失，从而使

27、得到的探测曲线斜率增大。因此，要得到准确的探测曲线，一方面要求声光调制器性能良好一获得接近变形的探测光脉冲，另一方面也要防止非线性效应造成的如图 3-11 所示的脉冲畸变。2 交叉相位调制（XPM）光纤中光波的折射率不进与自身的强度有关，而且还与共同传输的其他波的强度有关，具体表示如下：223NLjj jjnE(325)于是光波在传输时会获得一个与强度有关的非线性相位：223()jjNLj j jjwzznEc(326)其中，j=1 或 2。上式中第一项由自相位调制产生，第二项为与之一起传播的另一光波对这束光波的相位调制，称为交叉相位调制。因此从上式可以看出，同一光纤交叉相位调制引起的相位改变

28、是自相位调制的两倍。事实上，在 COTDR 系统中，只要探测光波长远离通信波长即可消除交叉相位调制。3 四波混频（FWM）四波混频是一种参量的作用过程，结果在泵浦频率的两端产生斯托克斯光和范斯托克斯光。泵浦光 的部分能量转移给了两个对称的边带 和0v 0sv，当相位匹配条件由自相位调制得到满足时，四波混频产生的频移0sv为21isPv(327)其中， ； ；带宽 近似等于 ； 为入射光功2nADcsv2siP率；c 为真空中的光速；D 为纤芯的二阶色散参量。入射光脉冲与 ASE 噪声产生四波混频，探测器接收到的瑞利散射信号降低，COTDR 系统性能变差。4 受激拉曼散射（SRS）光纤中的拉曼散

29、射是由于入射光与光纤中做热运动的分子发生非弹性碰撞而引起的一种散射。当入射到介质中的光波功率增高到某一阈值后，拉曼散射光的功率会突然增大，并随着入射光功率增加呈现出非线性的增长，这种现象称为受激拉曼散射。对于普通单模光纤，受激拉曼散射的临界功率为162rrAPg(328)其中， 为拉曼增益系数。临界功率与光脉冲宽度无关。对于标准的单模rg光纤，有效截面积为 ，衰减系数为 ，拉曼增益系数250m514.80m，计算得到 SRS 阈值为 。由于探146./rW(3.6)WdB测光的功率远远低于受激拉曼散射的阈值，因此在 COTDR 系统中可以不考虑 SRS 的影响。5 受激布里渊散射（SBS）光纤

30、中的布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的非弹性光散射。与受激拉曼散射类似，受激布里渊散射也存在阈值。对于普通单模光纤，受激布里渊散射阈值为21()bAPcgn(329)高功率宽脉冲入射下，脉冲经过 100km 的光纤可能会产生严重的畸变，从而恶化 COTDR 系统的性能。3.4 COTDR 的关键技术COTDR 系统的设计COTDR 通常用于多中继超长距离海底光缆健康监测，EDFA 为海底光缆线路的中继放大器，探测光脉冲在 EDFA 中传输时会引起瞬态效应，从而导致光浪涌现象，这会极大的降低 COTDR 系统的性能。因此必须有针对性地对 COTDR 系统进行设计。COTDR 系

31、统的总体机构如图 3-13 所示。系统使用单频窄线宽激光器（可采用 DFB、ECLD 或光纤激光器）作探测光，探测光经声光调控期调制成光脉冲。由于声光调控器基于光栅衍射的原理工作，因此探测光脉冲同时将具有与驱动信号频率相同的频移。另一路填充光（一般线宽较宽）也经 AOM 调制成与探测光脉冲互补的光脉冲，二者经DWDM 合成准连续光，再由 EDFA 放大，并经 扰偏器扰偏后通过一3dB 耦合器注入被测光纤，被测光纤中的背向瑞利散射信号经另一 3dB耦合器与参考光混合，平衡探测器接收来自该 3dB 耦合器两输出端的信号并输出外差中频信号。外差中频信号经低通滤波、模数转换、数字下变频、数字信号处理得

32、到探测曲线。COTDR 系统的总体结构人们根据海底通信光缆线路的特点，设计了如图 3-14 所示的测量方案。选用如图所示的测量方式有两大优点：一是两端同时测量能降低线路的测量时间；二是采用两端同时测量，可以降低对系统动态范围的要求。用于海底光缆健康监测的 COTDR 测量示意图(1) COTDR 性能的改善I 动态范围的提升II 空间分辨率的改善采用适当的降噪技术，使空间分辨率提升，系统动态范围降低，探测曲线的相干瑞利噪声更明显。III 测量时间的减少不同时刻的频率脉冲对应的 COTDR 曲线具有相对的时间延迟，把各条曲线合成即可提升系统的性能。(2) 脉冲调制频移键控技术由于 EDFA 具有

33、自动增益功能，工作与通断状态下的光信号会产生光浪涌现象。在无光器件，大量的铒离子处于激发态，在光脉冲开始时，EDFA 增益突然增大且不稳定，从而不能正确地反映出 EDFA 的增益，于是使输出的光信号的功率出现起伏。于是，利用一路与探测光脉冲互补的填充光，使二者合成为准连续光，可以很好的消除光浪涌。此项技术称为 FSK（频移键控） 。(3) 降噪技术由于探测光线宽极窄（小于 10KHz） ，因此它的相干性很好。这就使得探测光脉冲在被测光纤中各个瑞利散射单元内的光具有极强的相干性，从而使得瑞利散射信号的功率出现随机起伏，这就是相干瑞利噪声。相干瑞利噪声造成探测曲线的剧烈波动，利用扰偏器对测量的曲线

34、进行多次平均，可以极大地消除相干瑞噪声。从而使曲线变得平滑。探测曲线的相干瑞利噪声扰偏且多次平均后的探测曲线图(4) 高速信号处理技术光电探测器输出的中频信号功率通常很低，于是经低噪声放大后由带通滤波器滤出所需中频，滤出来的中频信号再经模数转换变为数字信号，接着由数字信号处理模块完成对探测光信号功率的解调。COTDR 信号处理流程3.5 COTDR 的应用COTDR 技术最初应用于 1.3m的通信光缆线路的监测。后来，1.55m 光通信窗口的出现以及 EDFA 的问世，使得光中继的距离提升到了 100km。而对 EDFA 的级联使用，更使得通信主干线的距离可延伸至上万公里。传统的 OTDR 技

35、术已无法满足对这种线路的监测需要， COTDR 的重要作用显得尤为突出。COTDR 目前主要用于多中继超长距离光通信线路特别是海底光缆的健康监测。1988 年，全球横越大洋的信息和数据中只有 2%通过海底光缆传送，当时，人造卫星是主要的远距离通信工具。而到了 2000 年，海底光缆已经承担了 80%的远距离通信。目前，已经超过 90%。图 3-27 显示了世界海缆分布图，其中跨洋海底光缆有几十条，海底光缆的总长度已达到十万公里。可见，海缆通信系统已经成为跨洋数据传输的最重要的方式。现在商用的 COTDR 系统已经可以实现对上万公里海缆线进行健康监测。图 3-28 给出了 COTDR 对多 ED

36、FA 中继的海底光缆模拟监测结果，其中中继跨距为 100km,光缆总长为 2000km。她实质上是由 20 个 OTDR 曲线组成，从 OTDR 曲线事件识别的原理，我们可以发现只要通信线路产生事件，它将会在探测曲线中反映出来，于是，我们就可以通过曲线所反映的事件推断事件的类型和位置，从而确保线路故障的及时修复。0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-50510功功 /km功功功功功功/dBCOTDR 对多中继海底光缆的测量曲线4 偏振光时域反射（POTDR）技术POTDR 技术是在 OTDR 技术的基础上发展起来的。与 OTDR 技术不

37、同，它测量的是脉冲光在光纤沿线产生的瑞利散射光的偏振态沿光纤长度上的变化。由于光纤中光波的偏振态对温度、振动、应变、弯曲、扭转等的变化非常敏感，所以 POTDR 技术可以用来测量光纤沿线此类事件的变化情况。4.1 POTDR 的特点(1)背向散射光功率较低。(2)光信号偏振态易受外界影响。(3)散射光与入射光偏振态相同。4.2 POTDR 的工作原理偏振态光时间域反射法（POTDR）最初由 Rogers 提出，其基本原理：光纤受外界物理量的调制时，光的偏振态就会随之发生变化；瑞利散射光在散射点的偏振方向与入射光相同，在光纤的入射端对后向瑞利散射光的偏振态和光信号的延迟时间进行检测就可获得外界物

38、理量的分布情况；由于磁场、电场、横向压力和温度都能够对光纤中光的偏振态进行调制，因此该技术可用于实现多个物理量的测量。POTDR 结构图5 光频域反射（OFDR）技术光频域反射技术由 Eickhoff 于 1981 年首次提出。它也是通过光纤中的瑞利散射进行传感，但与 OTDR 技术的定位原理不同，它是通过测量被调制的探测光产生的瑞利散射信号的频率来对散射信号进行定位的。相对于 OTDR 技术，它具有空间分辨率高、对探测光功率要求低等优点。5.1 OFDR 原理OFDR 的原理如图 3-42 所示，光源发出的扫频光波经线性扫描的连续光被耦合器分成两路，其中一路光波被注入到传感光纤，它在光纤中传

39、播时会不断产生瑞利散射信号，这些瑞利散射信号成为信号光并通过耦合器被耦合到探测器中。另一路光，经过反射后作为参考光经过耦合器同样被耦合到探测器中。若瑞利散射信号光不参考光满足相干条件，他仧就会在光电探测器上发生混频。对于光纤中的探测光，其电场可以表示为 ，振()exp()Ait幅为 ，其中，1/20()Ax0()exp()ad(380)表示从光纤入射端到光纤沿线所有衰减系数的累积。对于一小段光纤 dx ，设其瑞利散射系数为 (x)，则此段光纤产生的瑞利散射的振幅为 A(x) (x)dx。因此在光纤入射端的总瑞利散射强度为00(,)()exp2()LEtAitdx (381)其中，L 为光纤的总

40、长度。对于参考光，其表达式为(,)()rrrtit(2)因此，探测器上得到的两路光的混频信号为A20rVEV(38)其中， 为直流项，并且由于 E rE0， 主要由 决定，A20r 0,rEt与 无关； 为交流项，令 为归一化的()t0rrAA()/rg瑞利散射信号，则可利用 直接得到其实部。根据式（3-4）/ReV和（3-5） ，可得0()()exp2()LrgtGitdx (384)其中，0()()()rxi(5)从式（3-84）可以看出，对于光纤中某个位置 x，其在最终归一化信号中的比重为 ，且此比重以 的频率随时间波动。如果()gt()Gd2r取 ，则可将此波动频率不光纤中的位置 x

41、一一对应，即光纤中的 x 0rx处对应的频率为()2/gfxxv(386)其中， g 为光波在光纤中的传输速度。从上面的分析可以看出，通过求解g(t)的频谱，便可以从频谱上各频率点反推出光纤中的各个位置。并且由于 G(x)dx 不光纤沿线的衰减成正比，可从各 个频率点的功率得到光纤沿线各位置处的衰减情况。OFDR 的空间分辨率可表示为/xLf(387)其中，f 为频谱的频率分辨率， f 为散射信号不参考光对应的最大频差2/gfv()由于从时域到频率变换时，频率分辨率f 由信号的持续时间 T 决定，即 f=1/T，因此，从式（3-87）和（3-88）可得空间分辨率为/gxv(389)其中, v

42、为光源的频率扫描范围。由上式可见，OFDR 的空间分辨率由光源所能实现的最大频率扫描范围所决定。5.2 OFDR 系统OFDR 的系统结构如图 3-43 所示，激光器发出的光波中心波长为1550nm，通过温度控制、电流控制或压电陶瓷控制等手段可实现对激光器的频率扫描。激光器的输出光经耦合 1 分成两路：一路被输入到传感光纤中，它在光纤中产生的瑞利散射光经环行器返回到耦合器 2 中并被探测器所接收；另一路光波作为参考光从耦合器 1 的另一路直接经耦合器 2 输入到探测器中。探测器将参考光与瑞利散射光的混频信号转换为电信号，并由频谱分析仪来进行检测。OFDR 系统结构图5.3 OFDR 的应用OFDR 的主要特点是器具有极高的空间分辨率，能直接测量光纤中光波的光强，因此 OFDR 主要被用于测量光纤中的损耗和反射。由于 OFDR 采用相干探测原理，它对造成光纤中光波相位及偏振态改变的参量也很敏感，因此OFDR 在测量温度、应力、偏振模色散等方面也有一定的应用。