光频域反射（OFDR）解调与光纤光栅（FBG）解调技术差异

光纤光栅（FBG）传感器基于光纤传感器尺寸小、重量轻、抗辐射、抗电磁干扰、应用广泛；光频域反射（OFDR）技术可实现毫米量级空间分辨率和分布式应变/温度测量，越来越受关注。OFDR技术和FBG技术两者差异简单列明如下。

一、解调原理

1、光频域反射（OFDR）技术

OFDR基于光纤背向瑞利散射的技术，采用相干探测手段进行信号处理。光源发出光经耦合器后分为两路，一路进入待测光纤中，在光纤各位置上不断地产生瑞利散射信号，信号光是背向反射的，与另一路参考光发生干涉，两者产生拍频信号被光电探测器检测到，拍频与待测光纤位置成正比。

图1  OFDR基本原理

当待测光纤某一位置受温度、压力或应变影响，此处光纤会产生瑞利散射频移。通过测量瑞利散射频移量，可以实现对某一位置的应变和温度测量以及整根光纤分布式测量。 

 

图2  OFDR传感原理

 

2、光纤光栅（FBG）技术

FBG是通过紫外光曝光技术，使具有光敏性的光纤纤芯产生周期性的折射率分布。波长具有选择性，通过特定波长的光反射，其他光透过，相当于是一种窄带反射式滤波器。

图3  FBG结构及波长选择性

 

因FBG外界环境会受到温度或应力变化，外力作用下导致FBG栅区长度或有效折射率改变，从而引起FBG特定中心波长的移动。FBG光栅方程为：

λ=2neffΛ

式中λ为FBG中心波长，neff为纤芯有效折射率，Λ为光光栅周期。由式中可知，若neff或Λ改变，则FBG中心波长会发生漂移。

通过测量FBG中心波长的平移量可以反映出外界被测信号的变化，如应变或温度变化。

 二、技术差异比较

1、传感调解原理类似

OFDR是解调光纤中各位置瑞利散射信号频移，FBG是解调中心波长的平移，两者温度或应变变化值与频率或波长平移量的线性关系相同，转换系数相同。

2、准分布式测量与分布式测量的差异

FBG是准分布式测量，传感单元受限于FBG阵列数量，OFDR解调是分布式测量。

FBG可采用复用技术实现准分布式测量。

1) 如波分复用技术，在一根光纤上串联多只光纤光栅，每只FBG波长不同，系统采用宽带光源和波长探测器，可得到每只FBG的中心波长，实现单通道多点或准分布式测量。

2) 可以结合光开关，将光信号分给不同通道，进而实现多通道解调，即空分复用技术。

3) 除此之外，还有时分复用技术，类似于OTDR技术，将不同位置的FBG在时域上进行区分，FBG位置不同，其反射的光信号到达探测器时间不同，采用脉冲光源和波长检测系统进行等时间间隔采样，即可实现光纤光栅阵列解调。

受限于光源带宽、单个FBG传感波长移动范围和相邻FBG反射谱之间的相互影响，目前光纤传感中FBG传感点数量有限，空间分辨率有限。

OFDR技术采用普通单模光纤作传感器，解调光纤中各位置的瑞利散射频移，无需对光纤进行特殊处理，光纤中任一段都可以作为传感单元，空间分辨率可达1mm，相当于1m光纤可以实现1000个传感单元测量。OFDR解调技术无盲区，突破了FBG解调复用传感单元数量限制和空间分辨率限制，因而称为分布式测量。

OFDR技术不仅可以解调普通单模光纤，而且也可以解调全同弱反射光纤光栅阵列，在保持超高空间分辨率下，获得更佳稳定性和测试精度。

 三、解调测试对比

1. OFDR技术使用普通单模光纤作传感器，相对于FBG阵列，耗材成本低；

2. OFDR解调技术具有更大应变测量范围，一般FBG传感器应变测量范围为几千微应变，OFDR技术应变范围可达10000微应变以上;

3. FBG解调，其传感器布设相对复杂，用户需提前对待测物进行预判，将传感器布设在受影响位置，而没有布设FBG的位置则测不到温度或应变变化，存在监测盲区；而OFDR为分布式测量，可以布设整根光纤，光纤中任一段都可以作为传感单元，单次测量即可获得待测区域应变或温度的梯度变化或均匀性。