一、應用背景概述

在國外，光纖技術軍事應用正形成高潮。以美國為例，三軍光纖技術開發活動的計劃項目就包括了五大部分：有源和無源光元件、傳感器、輻射效應、點對點系統和網絡系統。2010年，美國國防部已把"光子學、光電子學"和"點對點通信"列為十大國防技術中的兩項，其中光纖技術占據著舉足輕重的地位。一個典型的例子是，在使用了單模光纜的光纖局域網后，美國"小石城號"軍艦上的雷達數據總線傳輸容量就達到了1Gb／S，原來使用同軸電纜時90噸的重量也降到了0.5噸。
隨著光纖應用面的擴大，一個很重要的問題隨之產生：如何在日常維護保養中對基于光纖技術的裝備或系統進行有效的檢測。目前市場上比較常用的代表性技術有：基于瑞利散射的用于干線光纜故障檢測的OTDR；基于布里淵散射的用于分布式應力測量的BOTDR；基于拉曼散射的用于分布式溫度測量的ROTDR。它們的優點是技術難度相對低、測量距離長（百公里級），但距離分辨率有限。而OFDR是一種基于頻域分析的后向反射測量技術，從原理上克服了OTDR在距離分辨率上的不足，可實現高距離分辨率、高靈敏度、中等距離的測量。
90年代初，受美國海軍和波音公司的委托，美國LUNA公司開始研發檢測距離中等、分辨率毫米級的OFDR，主要用于專用光纖網絡的日常維護檢測、飛機船舶等機身構件的嵌入式無損監測（智能蒙皮）、光纖陀螺的偏振態分析等。2006年，LUNA公司推出了全球第一款OFDR產品OBR4600。

1.1、海上軍事裝備的應用

美國海軍在80年代初就實施了開發大型新艦船用光纖區域網作為計算機數據總線的計劃（AEGIS（宇斯盾）計劃），他們意識到了將艦艇中的同軸電纜更換為光纜的巨大價值。1986年初，美國海軍海洋系統司令部又在此基礎上成立了SAFENET（能抗毀的自適應光纖嵌入網）委員會。并于1987年成立工作組指導制定了SAFENET－I和SAFENE-II兩套標準并開發出了相應系統。這些系統已安裝在CG 47 級導彈巡洋艦、DDG 51級導彈驅逐艦、"喬治·華盛頓號"航空母艦等艦艇上。隨后實施的高速光網（HSON）原型計劃，在實現了1.7Gb/S的第一階段目標后，美國"小石城號"軍艦上的雷達數據總線傳輸容量就達到了1Gb/S，并使原來重量達90噸的同軸電纜被0.5噸重的單模光纜所代替。1997年11月，美國在核動力航空母艦"杜魯門號"（CVN75）上采用氣送光纖技術完成了光纖敷設。后來又成功地在"企業號"（CVN 65）上進行了敷設。還計劃在"里根號"（CVN76）、"尼米茲號"（CVN68）及"USSWasp"號（LHD－1）上用氣送光纖技術敷設光纖系統。其中"杜魯門號"上所用光纖達67.58kM。
潛艇方面，美國海軍推出了高級水下作戰系統（SUBACS），SUBACS是美國海軍最大的艦載水下光纖通信計劃項目，該項目計劃在所有的"洛杉磯"688級攻擊型核潛艇和新型"三叉戟"彈道導彈潛艇中裝備光纖數據總線，將傳感器與火控系統接入分布式計算機網，從而大大提高潛艇的數據處理能力。此外，光纖制導魚雷和桅桿式光電觀測裝置也采用了光纖技術，光纖制導魚雷中的制導載體為光纜；桅桿式光電觀測裝置由光電桅桿和光學潛望鏡組成，而其中光電桅桿的可回轉多傳感器頭與艇內操縱控制臺之間的信息就由光纜進行傳輸。在上述艦載高速光纖網、采用光纖制導的武器彈藥或使用光纖傳輸信息的局部裝置中，存在著大量的光纖連接頭或光纖彎曲等現象，網絡鏈路結構復雜、光器件數目多；網絡工作環境惡劣、溫度變化大、振動沖擊嚴重；對這類網絡的可靠性檢測事關國家安全，需要在維護檢修時具備很高的故障分辨率并能定位到器件內部。OTDR技術顯然不能滿足上述要求，而OFDR則具備滿足這一應用需求的能力。下圖為LUNA 公司用OFDR和OTDR對一段包含多個光器件的光纖鏈路的測試結果。可見，OFDR可以有效的檢測出鏈路內各個光器件的反射及損耗特性，OTDR則因距離分辨率低而難以有效檢測該鏈路中光器件的狀況。表明OFDR能夠有效地高精度檢測中短距離專用光纖網絡中光纖和器件的故障。

圖1.1 OFDR和OTDR的光纖鏈路檢測性能比較

此外，光纖水聽器系統（全光纖水聽器拖曳陣列、全光纖海底聲吶監視系統、海洋環境噪聲及安靜型潛艇噪聲測量等）、光纖陀螺等采用光纖技術實現某種功能的器件，為了提高器件本身的精度和靈敏度，需要有針對性的改善制作過程。以光纖陀螺為例，偏振態耦合是影響其精度的主要原因，而陀螺芯繞制中產生的光纖應力是導致偏振態耦合的主要因素。傳統的光偏振分析設備只能測試光信號經光纖傳輸后最終輸出的偏振特性，而無法測得光在光纖中傳輸時偏振惡化的過程和具體位置，難以有針對性地進行性能的改進和提高。為此，迫切需要能夠分布式測量光纖偏振耦合特性的技術，從而分析導致偏振態耦合的起因，有針對性地改善制作過程，從根本上提高光纖陀螺的精度和靈敏度。而OFDR是目前唯一被報道的能夠實現這一測試目的的技術手段。

圖1.2 基于OFDR的分布式光纖偏振耦合測試

1.2、航空航天裝備的應用

載人航天、大型飛機作為國家科技實力的標志，得到迅速發展，我國也將之列入中長期科技發展規劃重大專項和重大科學工程。大型飛機、載人航天的發展，必然對其內部通信網絡的傳輸容量、抗干擾能力以及體積重量等提出新的要求，光纖以其傳輸帶寬、抗電磁干擾能力、以及質量輕、體積小、抗腐蝕、無火災隱患等獨特優越性，使其成為支持該發展需求的最佳技術選擇。美國自1995年波音777首次成功使用光纖局域網（LAN）技術之后，就提出了"航空電子光纖統一網絡"的概念，掀起了航空電子光纖網絡技術研究的熱潮。構建基于光纖技術的內部通信網絡，成為這類專用通信網絡的發展趨勢，也為光纖通信技術開辟了新型的應用領域。然而，這類網絡的可靠性檢測是一個沒能很好解決的問題。這類網絡往往事關人的生命乃至國家安全，對網絡的可靠性和安全性要求極高，必須進行嚴格細致的檢測。網絡的鏈路距離短（幾十米至數公里），結構復雜、光器件數目多，要求故障精確定位到器件的內部。因此，需要定位精度能夠達到毫米量級、距離范圍能到數公里的光纖鏈路檢測設備，光時域反射技術（OTDR）顯然不能滿足上述測量要求，而OFDR則具備滿足這一應用需求的能力。

目前國內軍機的通信系統普遍采用了"1+N+1"的模式，"1"表示交換機機箱內的多模光纖長度，"N"表示兩個機箱之間的光纜長度.

此外，美國空軍、彈道導彈防御局和NASA已經將光纖傳感器陣列和其他傳感器植入到復合材料蒙皮中，這種智能蒙皮可用于天基防御系統的表面和軍用飛機的制造，在設備的全壽命周期內，實時測量結構內的應變應力、溫度、裂紋、形變等參數，探測疲勞損傷和攻擊損傷。未來的天基平臺將利用智能蒙皮對環境威脅（如隕石、空間老化）和攻擊損傷進行自診斷和損傷評估。空間站和大型空間在軌觀測系統可實時探測由于交會對接的碰撞、隕石撞擊或其他因素引起的損傷，并對損傷進行評估，以解決在軌空間系統長期實時監測和維護問題。除此之外，對于固體導彈發動機、運載火箭助推器復合材料殼體同樣可以進行實時健康監測。而OFDR在距離分辨率上的優勢，在上述分布式應力測量中得到進一步體現。美國科學家比較了Luna公司的OFDR和基于布里淵散射的BOTDR在構件應變測試性能上的差異，如下圖所示：

圖1.3 OFDR和BOTDR分布式應力測試性能比較圖示結果可知，BOTDR技術不僅距離分辨率低，而且，出現應力在距離上的平均效應，導致檢測靈敏度下降。而OFDR無論在距離分辨能力和檢測靈敏度上均表現出明顯的優勢。表明OFDR比BOTDR技術更有效地用于智能蒙皮等構件的健康狀況監測。
1.3、陸地軍事裝備的應用

在陸上的軍事通信應用中的戰略和戰術通信的遠程系統、基地間通信的局域網等因為光纜通信距離較長，不需要用到高分辨率的OFDR。
由于光纖傳輸損耗低、頻帶寬等固有的優點，光纖在雷達系統的應用首先用于連接雷達天線和雷達控制中心，從而可使兩者的距離從原來用同軸電纜時的300m以內擴大到2～ 5km。用光纖作傳輸媒體，其頻帶可覆蓋X波段（8～ 12.4GHz）或Ku波段（12.4～18GHZ）。光纖在微波信號處理方面的應用主要是光纖延遲線信號處理。先進的高分辨率雷達要求損耗低、時間帶寬積大的延遲器件進行信號處理。傳統的同軸延遲線、聲表面波（SAW）延遲線、電荷耦合器件（CCD）等均已不能滿足要求。光纖延遲線不僅能達到上述要求，而且能封裝進一個小型的封裝盒。用于相控陣雷達信號處理的大多是多模光纖構成的延遲線。
在上述的中短距離的應用中，特別是封裝在小盒里的光纖延遲線，維護時只有使用高分辨率的OFDR才能檢測出是否有潛在故障。

此外、光纖制導導彈、光纖系繩武器、新式的夜視裝置中的光纖元件都可以使用OFDR進行高精度檢測。