分布式光频域反射测量的光路性能提升研究
摘要
近年来，分布式光纤传感作为一种极具优势的测量与传感技术，持续受到国内外研
究者的重点关注。在众多分布式光纤传感技术中，基于后向瑞利散射的分布式光频域反
射计（Opticalfrequencydomainreflectometry，OFDR）因其具有高空间分辨率、高灵敏
度的优点，能够实现对光纤链路中任意位置事件点的高精度测试，以及物理量如温度、
应变、折射率等分布式性能的高性能传感，被广泛应用于航空航天、结构监测、地质灾
害等领域。但目前OFDR技术仍存在着一些不足：1）在大范围波长调谐扫描时，OFDR
仍存在着偏振衰落问题，随着波长调谐范围的增加，信号光的偏振态不断发生改变，现
有偏振分集方法还无法完全消除偏振态随机涨落的影响；2）在长距离、高空间分辨率测
量时，OFDR的测量灵敏度仍显不足；3）长距离测量时，OFDR更易受到环境因素影
响，使测量空间分辨率产生劣化、幅值精度产生退化。本文对现有光路拓扑结构方案进
行了分析，提出了一种混偏测量光路结构，改善了OFDR偏振衰落抑制效果，提高了测
试灵敏度。
本文的主要研究内容如下：
（1）针对OFDR基本原理进行理论分析，明确偏振衰落效应产生的原因，并对传
统偏振分集方案进行公式推导，指出其无法抑制大范围波长调谐时系统中的偏振衰落。
在此基础上进行优化，提出新的偏振衰落抑制光路方案并进行公式推导，结合实验验证
其对于光源波长调谐过程中系统偏振态的稳定效果；在实际测试中验证混偏光路方案的
偏振分集效果，根据实验现象以及光路本身特点提出校正算法，使得OFDR中偏振衰落
成功得到抑制。
（2）从OFDR系统噪声、瑞利散射信噪比变化规律以及波长调谐范围三个方面对
测试灵敏度的影响进行研究，得到灵敏度变化规律。通过优化系统参数，成功提升系统
测试灵敏度，在短光纤测量（1米）时，实现了-147dB的单次测试灵敏度，在长光纤测
量（6km）时，实现了-130dB的单次测试灵敏度。
（3）针对系统进行集成。对长距离测试中点扩展函数受环境因素影响的现象进行
研究，分析了高频和低频声波扰动对长距离测试中点扩展函数的影响，提出光路隔音方
案，实现40dB左右的环境噪音隔离，减小了长距离光纤测试中点扩展函数的劣化现象。
关键词：光频域反射；偏振衰落；散射灵敏度；声波扰动
分布式光频域反射测量的光路性能提升研究
Abstract
Asanextremelyadvantageousmeasurementandsensingtechnology,distributedoptical
fibersensinghascontinuouslyreceivedattentionandbeenexploredbybothdomesticand
internationalresearchteamsinrecentdecades.Amongvariousdistributedopticalfibersensing
technologies,distributedopticalfrequencydomainreflectometry(OFDR)basedonbackward
Rayleighscatteringhastheadvantagesofhighspatialresolutionandhighsensitivity,whichcan
achievehigh-precisionmeasurementofeventpointsatanypositioninthefiberlink.The
excellentperformancesensingofdistributedperformanceofphysicalquantitiessuchas
temperature,strain,refractivei