光频域反射仪(OFDR)在军事装备中的应用

光频域反射仪（OFDR）在军事装备中的应用

发表时间：2018-11-14T13:57:32.717Z 来源：《科技新时代》2018年9期作者：高建

[导读] 随着光纤应用面的扩大，一个很重要的问题随之产生：如何在日常维护保养中对基于光纤技术的装备或系统进行有效的检测。江苏骏龙光电科技股份有限公司 225300

摘要：随着光纤应用面的扩大，一个很重要的问题随之产生：如何在日常维护保养中对基于光纤技术的装备或系统进行有效的检测。目前市场上比较常用的代表性技术有：基于瑞利散射的用于干线光缆故障检测的OTDR；基于布里渊散射的用于分布式应力测量的

BOTDR；基于拉曼散射的用于分布式温度测量的ROTDR。它们的优点是技术难度相对低、测量距离长（百公里级），但距离分辨率有限。而OFDR是一种基于频域分析的后向反射测量技术，从原理上克服了OTDR在距离分辨率上的不足，可实现高距离分辨率、高灵敏度、中等距离的测量。

关键词：光频域反射仪；军事装备；应用

一、应用背景概述

1.1、海上军事装备的应用

美国海军在80年代初就实施了开发大型新舰船用光纤区域网作为计算机数据总线的计划（AEGIS（宇斯盾）计划），他们意识到了将舰艇中的同轴电缆更换为光缆的巨大价值。1986年初，美国海军海洋系统司令部又在此基础上成立了SAFENET（能抗毁的自适应光纤嵌入网）委员会。并于1987年成立工作组指导制定了SAFENET－I和SAFENE-II两套标准并开发出了相应系统。这些系统已安装在CG 47 级导弹巡洋舰、DDG 51级导弹驱逐舰、“乔治·华盛顿号”航空母舰等舰艇上。随后实施的高速光网（HSON）原型计划，在实现了1.7Gb／S 的第一阶段目标后，美国“小石城号”军舰上的雷达数据总线传输容量就达到了1Gb／S，并使原来重量达90吨的同轴电缆被0.5吨重的单模光缆所代替。1997年11月，美国在核动力航空母舰“杜鲁门号”（CVN75）上采用气送光纤技术完成了光纤敷设。后来又成功地在“企业号”（CVN 65）上进行了敷设。还计划在“里根号”（CVN 76）、“尼米兹号”（CVN68）及“USSWasp”号（LHD－1）上用气送光纤技术敷设光纤系统。其中“杜鲁门号”上所用光纤达67.58kM。

在上述舰载高速光纤网、采用光纤制导的武器弹药或使用光纤传输信息的局部装置中，存在着大量的光纤连接头或光纤弯曲等现象，网络链路结构复杂、光器件数目多；网络工作环境恶劣、温度变化大、振动冲击严重；对这类网络的可靠性检测事关国家安全，需要在维护检修时具备很高的故障分辨率并能定位到器件内部。OTDR技术显然不能满足上述要求，而OFDR则具备满足这一应用需求的能力。OFDR可以有效的检测出链路内各个光器件的反射及损耗特性，OTDR则因距离分辨率低而难以有效检测该链路中光器件的状况。表明OFDR能够有效地高精度检测中短距离专用光纤网络中光纤和器件的故障。

1.2、航空航天装备的应用

载人航天、大型飞机作为国家科技实力的标志，得到迅速发展，我国也将之列入中长期科技发展规划重大专项和重大科学工程。大型飞机、载人航天的发展，必然对其内部通信网络的传输容量、抗干扰能力以及体积重量等提出新的要求，光纤以其传输带宽、抗电磁干扰能力、以及质量轻、体积小、抗腐蚀、无火灾隐患等独特优越性，使其成为支持该发展需求的最佳技术选择。美国自1995年波音777首次成功使用光纤局域网（LAN）技术之后，就提出了"航空电子光纤统一网络"的概念，掀起了航空电子光纤网络技术研究的热潮。构建基于光纤技术的内部通信网络，成为这类专用通信网络的发展趋势，也为光纤通信技术开辟了新型的应用领域。然而，这类网络的可靠性检测是一个没能很好解决的问题。这类网络往往事关人的生命乃至国家安全，对网络的可靠性和安全性要求极高，必须进行严格细致的检测。网络的链路距离短（几十米至数公里），结构复杂、光器件数目多，要求故障精确定位到器件的内部。因此，需要定位精度能够达到毫米量级、距离范围能到数公里的光纤链路检测设备，光时域反射技术（OTDR）显然不能满足上述测量要求，而OFDR则具备满足这一应用需求的能力。

目前国内军机的通信系统普遍采用了“1+N+1”的模式，“1”表示交换机机箱内的多模光纤长度，“N”表示两个机箱之间的光缆长度。

1.3、陆地军事装备的应用

在陆上的军事通信应用中的战略和战术通信的远程系统、基地间通信的局域网等因为光缆通信距离较长，不需要用到高分辨率的OFDR。

由于光纤传输损耗低、频带宽等固有的优点，光纤在雷达系统的应用首先用于连接雷达天线和雷达控制中心，从而可使两者的距离从原来用同轴电缆时的300m以内扩大到2～5km。用光纤作传输媒体，其频带可覆盖X波段（8～12.4GHz）或Ku波段（12.4～18GHZ）。光纤在微波信号处理方面的应用主要是光纤延迟线信号处理。先进的高分辨率雷达要求损耗低、时间带宽积大的延迟器件进行信号处理。传统的同轴延迟线、声表面波（SAW）延迟线、电荷耦合器件（CCD）等均已不能满足要求。光纤延迟线不仅能达到上述要求，而且能封装进一个小型的封装盒。用于相控阵雷达信号处理的大多是多模光纤构成的延迟线。

在上述的中短距离的应用中，特别是封装在小盒里的光纤延迟线，维护时只有使用高分辨率的OFDR才能检测出是否有潜在故障。

二、OFDR原理简介

光频域反射（OFDR）技术是一种基于频域分析的后向反射测量技术，频率线性扫描的相干光信号经光耦合器分送到光纤干涉仪的参考臂和信号臂。信号臂的回波信号（信号光）与参考臂的端面反射信号（参考光）经光电检测器相干混频。来自信号臂不同位置的回波信号与参考光的光程差不同，光频差不同，相干混频的频率不同，因此接收信号中的不同频率分量对应不同位置的回波信号，通过频域分析接收信号可获得被测光纤不同位置的回波信号特性，进而达到“感知”光纤沿线物理参量的目的。

由于采用了频域分析和相干测量，光频域反射（OFDR）从原理上克服了OTDR在距离分辨能力上的不足，可将OTDR的距离分辨率提高3个数量级。基于OFDR的分布式光纤传感具有极高的距离分辨率，避免了平均效应，可实现高灵敏度的分布式测量,所以它是业界公认的新一代高精度分布式光纤传感技术。

OFDR在光路上构成迈克尔逊干涉、光源发出的调频光经分光器送入参考臂和信号臂，各自的回波信号经相干混频和光电检测后形成拍频信号，其幅度体现回波信号的强度、频率则体现回波信号的位置。经频域分析，则可获得光纤中各点的回波信号特性。