CN110140037B - 用于光纤的测量设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量光纤(1400)中的反射的测量设备(3000)，该设备包括：发射装置(3100)，其连接至光纤(1400)并被配置成用于将光发射到光纤(1400)中；测量装置(3300)，其连接至光纤(1400)并被配置成用于接收来自光纤(1400)的反射光，其中，测量装置包括第一光子探测器(3310)和第二光子探测器(3311)，其中，基于第一光子探测器(3310)的输出控制第二光子探测器(3311)的操作和/或到达第二光子探测器(3311)的反射光。

Description

用于光纤的测量设备和方法

技术领域

本发明大体涉及一种用于测量光纤中的反射的测量设备和方法。特别是，本发明涉及光时域反射法领域。更具体地，本发明涉及一种改进的设备和方法，其允许测量光纤的位于一反射部分之后、例如缺陷或连接部之后的部分的瑞利(Rayleigh)背向散射。

背景技术

光时域反射法(OTDR：optical time domain reflectometry)广泛用于电信领域，以用来测量光纤中的反射。在OTDR中，将短光脉冲、通常为具有10皮秒至1微秒、优选30皮秒至10纳秒的持续时间的激光注入通常被称为被测光纤或FUT的光纤中。

在光纤中，部分光被反射向注入侧。反射可能归因于瑞利背向散射和/或局部缺陷和/或光纤与其它构件之间的连接部。从光纤返回的反射光由光探测器(例如光电二极管)收集，并且反射值作为探测时间的函数被记录。

以这种方式，获得了在光纤的整个长度上的背向散射信号的空间分辨式分析。通过浏览所记录的反射信号的幅度相对于时间轨迹的变化，用户可以识别光纤的断裂、损坏、强反射、不良连接、强弯曲、挤压和其它特性。

在将非常短的激光脉冲发射到光纤中的情况下，OTDR能够实现较高的时间/空间精度。但是，为了提高OTDR的分辨率，光探测器和所关联的放大器需要具有较大的带宽。这种高带宽设备具有较低的灵敏度。因此，传统的OTDR无法同时实现高空间/时间分辨率和高灵敏度。

执行光子计数的光探测器可以提供非常高的灵敏度和高时间分辨率。光子计数能够检测非常低的、低至单光子水平的光水平。光子计数技术可以实现比1纳秒更佳的时间分辨率。然而，执行光子计数的光探测器具有有限的动态范围。OTDR的动态范围是最高可测量的背向散射或背向反射信号与最低可测量的背向散射或背向反射信号之间的差。由于光子计数的OTDR不能针对每个发射的激光脉冲检测多于一个的光子，因此高背向散射水平会导致光探测器的饱和。

图1示意性地示出了根据现有技术的测量设备1000。特别地，测量设备1000包括发射装置1100，其通常能够发出具有所需强度和长度的脉冲光。在具体图示的实施例中，发射装置1100包括驱动Fabry-Perot激光器1120的脉冲驱动器1110。为了补偿光泄漏，声光调制器1130由脉冲模式发生器1140控制。

测量设备1000还包括连接至发射装置1100和被测光纤1400的环形器1200。如示意性所示，进入光纤1400的光被部分反射并且在返回通过环形器1200时被引导到测量装置1300。

测量装置1300包括连接至时间-数字转换器1320的光子探测器1310、优选地是单光子探测器，时间-数字转换器1320向单光子探测器1310的输出提供时间戳。这些时间戳由连接至时间-数字转换器1320的数据采集终端1330分析，以确定设备1000与光纤1400中的反射事件之间的延迟。

图2示意性地示出了设备1000的示例性输出。特别地，在图2中，Y轴表示由设备1000检测到的光子数，而X轴表示反射事件的时间或距反射事件的等效距离。

可以观察到，在0到T1之间，直方图表示以给定时间计数的光子的特定数量。对于注入光纤的具有给定功率和宽度的脉冲，用于瑞利背向散射的光子的正常数量相对于下文所描述的较高水平的反射可能相对较低。光子的绝对量与发射装置1100的功率、反射信号被积分所经历的时间、以及其它变量相关。在时间T1处，由于例如更强烈的反射事件、比如光纤1400与另一元件之间的连接部，而检测到相对较大数量的光子。时间T1处的信号可能比瑞利背向散射所产生的信号高10-100dB。这是有问题的，因为在时间T1处检测到的大量光子将有效地使测量装置1300、特别是光子探测器1310在T1和T2之间的时间间隔ΔT1内变盲，所述时间间隔ΔT1通常比设备的测量分辨率Twin长，如图所示。这会导致T1之后并且直到T2的瑞利背向散射不能被设备1000检测到。这由虚线示出，以便示意性地示出：如果测量设备1000在时间T1处没有饱和于检测，那么测量设备1000应该能够测量到什么。

更具体地，当光子探测器1310测量反射信号时，在每个测量窗口处，它具有检测到或没有检测到光子的概率，该概率与反射中的光子的数量相关。一旦光子探测器1310检测到光子，则它需要一定时间来恢复操作和能够执行新的检测的能力。该时间对应于ΔT1，通常被称为死区时间，并且有效地代表光子探测器1310有效地失明所经历的时间间隔。

当例如在T1之前到达光子探测器1310的信号较低时，光子探测器在每个测量窗口Twin具有一定的触发概率。例如，在第一测量期间，它可能在第一测量窗口触发，而在第二次测量期间它可能在第二测量窗口触发或者没有触发。最后，光子探测器在每个测量间隔内触发的次数与在给定的测量间隔期间接收到的光子数成正比并且表示在给定的测量间隔期间接收到的光子数。

然而，如果存在这样的测量窗口Twin：在测量窗口Twin期间发生相对高的反射，所述测量窗口Twin例如在T1处；那么，光子探测器1310在该时间间隔内触发的概率非常接近1。这导致即使经过非常大量的测量，光子探测器1310也无法在T1之后的测量窗口中在等于ΔT1的时长内测得反射。在下文中，这种以高概率在给定测量窗口中经历死区时间也将被称为光子探测器被饱和。也就是说，从概率的观点来看，存在下述饱和效应：光子探测器在T1处具有如此高的触发概率，以使得任何后续测量由于死区时间而实际上变得无法实现。

这是有问题的，因为在多种实际应用中，知晓T1之后的反射水平是令人感兴趣的。例如，根据T1处的事件之前不久和之后不久的值，可以测量光学连接部处的插入损耗。

为了解决这个问题，例如由文献US 7,593,098公开的现有技术的测量设备教导了使用短脉冲和移动窗口来进行检测。换句话说，测量装置1300仅在单个测量窗口Twin的时长内接通，所述单个测量窗口Twin的时长可以例如大致对应于由发射装置1100发射的光脉冲的脉冲长度，并且使测量窗口沿着时间轴移动。换句话说，在窗口0-Twin处执行第一测量，在窗口Twin-2Twin处执行第二测量，然后在2Twin-3Twin处执行第三测量，以此类推。

该方法的优点在于：一旦测量窗Twin达到T1处的强烈反射事件，光子探测器1300总会触发。然而，一旦测量窗口移动到紧跟随在T1之后的那个测量窗口，则由于光子探测器1300仅在这样的短的测量窗口期间测量，因而光子探测器1300将不测量T1并由此将能够测量T1之后的反射值。

这种方法的缺点在于：为了获得所需的空间分辨率，Twin的值必须较低。然而，通过减小Twin的值，覆盖长光纤1400所需的测量数量可能变得非常高。即使可以相对快速地执行每个单次测量，但组合后的总测量因此可能花费较长时间，例如一小时或更长，这在实际应用中被认为是难以接受的。

发明内容

因此，本发明的目标在于允许精确且快速地测量光纤1400中的反射。

因而，本发明的一个目的是提供一种用于以相对快速的方式测量光纤中的反射的设备和/或方法。

本发明的另一个目的是允许在光纤中相对较高的反射事件之后实现精确的测量。

发明人总体已经认识到：替代与现有技术的情况一样具有短的移动测量窗口，更优选地是具有长的测量窗口并且仅在强烈反射事件的期间阻止测量，其中，所述强烈反射事件将使测量设备饱和，从而使得高水平反射之后无法实现测量，如前所述。

为此，发明人总体认识到：可以利用至少两个光子探测器进行测量，其中，一个探测器用作峰值探测器，而第二探测器用于测量反射。更具体地，峰值探测器允许第二探测器的测量窗口排除会导致第二探测器饱和的高水平反射。换句话说，峰值探测器可以检测高水平反射，并且基于指示这种事件的输出，第二光子探测器可以暂时与强烈反射事件隔离，以避免在第二光子探测器处的饱和。可以以几种方式实现这种隔离，例如通过切断第二光子探测器和/或通过调制到达第二光子探测器的反射光的强度。

由于这种总体策略，第一光子探测器起到警告信号或峰值探测器的作用，以避免第二光子探测器的饱和，从而使第二光子探测器可以以长测量窗口保持操作，而只在包含高水平反射的时间才暂时中断。

特别地，本发明的一实施例可以涉及一种用于测量光纤中的反射的测量设备，该测量设备包括：发射装置，其连接至光纤并且被配置成用于将光发射到光纤中；测量装置，其连接至光纤并且被配置成用于接收来自光纤的反射光，其中，测量装置包括第一光子探测器和第二光子探测器，其中，基于第一光子探测器的输出控制第二光子探测器的操作和/或到达第二光子探测器的反射光。

由于这种方法，可以有利地将第一光子探测器用作峰值探测器，从而能够检测高于预定阈值的信号并且通过使用该信息通过切断第二光子探测器来防止第二光子探测器的饱和。

在一些实施例中，测量装置还可以包括连接在光纤和第二光子探测器之间的强度调制器，并且可以基于第一光子探测器的输出驱动强度调制器，以便控制到达第二光子探测器的反射光。

由于这种方法，可以有利地控制到达第二光子探测器的光量而无需将第二光子探测器切断。

在一些实施例中，测量设备还可包括连接在光纤和第二光子探测器之间的光学延迟元件。

由于这种方法，可以有利地延迟到达第二光子探测器的信号，以便基于第一光子探测器给出的输出及时地作出反应。

在一些实施例中，光学延迟元件可以向反射光引入等于或长于第一光子探测器检测反射光所需时间的延迟。

由于这种方法，可以有利地提供允许第一光子探测器反应的延迟。

在一些实施例中，发射装置可以被配置成能够发射具有预定脉冲持续时间的光脉冲，并且强度调制器可以被配置成能够以等于或优选地大于脉冲持续时间的切换时间切换。

由于这种方法，可以有利地使保护第二光子探测器不受高水平反射影响的时间与从发射装置发出的脉冲的持续时间相关联。

在一些实施例中，切换时间可以是脉冲持续时间的至少1.5倍、优选地是至少3倍、更优选地是至少5倍。

由于这种方法，可以有利地考虑了反射的持续时间由于信号沿光纤的散射而比原始注入的脉冲的持续时间更长。

在一些实施例中，测量设备还可包括连接在光纤和第二光子探测器之间的光学衰减器。

由于这种方法，可以有利地减少到达第二光子探测器的光量。这是特别有利的，因为它允许第一光子探测器以高信号水平操作，这可以降低第一光子探测器的成本，而允许第二光子探测器以低信号水平操作，从而通过允许使用例如单光子探测器来提高其精度。

附图说明

图1示意性地示出了根据现有技术的测量设备1000；

图2示意性地示出了设备1000的一示例性输出；

图3示意性地示出了根据本发明的一实施例的测量设备3000；

图4示意性地示出了设备3000的输出的操作；

图5示意性地示出了根据本发明的一实施例的测量设备5000；

图6示意性地示出了根据本发明的一实施例的测量设备6000；

图7示意性地示出了根据本发明的一实施例的测量方法7000；

图8示意性地示出了一种示例性反射情况；

图9示意性地示出了现有技术的表现；

图10示意性地示出了本发明的实施例的表现。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。提供以下实施例仅用于说明目的，以便本领域技术人员可以完全理解本发明。因此，本发明不受以下实施例的限制，而是可以以权利要求所限定的其它形式实现。

在附图和说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。应当理解，在附图中，为了便于说明和易于理解，可能会放大某些元件的宽度、长度和厚度。

图3示意性地示出了根据本发明的一实施例的测量设备3000。特别地，测量设备3000适于测量光纤1400中的反射，以便允许测量光纤1400的特性。

设备3000包括发射装置3100，发射装置3100连接至光纤1400并被配置成能够将光发射到光纤1400中。发射装置3100通常可以是能够发光的、优选地是脉冲光的任何装置。发射装置3100的具体实施方式可以是现有技术中的发射装置1100中的一种。然而，也可以考虑借助于例如二极管的其它实施方式。

测量设备3000还包括连接至光纤1400并配置成接收来自光纤1400的反射光的测量装置3300。测量装置3300可以如现有技术一样通过环形器1200连接至光纤1400。更一般地，可以实施与光纤1400的任何连接方式，只要其将允许测量装置3300测量从光纤1400反射的光。尽管未示出，但是测量装置3300可以连接至发射装置3100，或者测量装置3300和发射装置3100都可以连接至未示出的时钟，特别是以便记录发射装置发出光和测量装置3300记录的反射的时间差。

特别地，测量装置3300包括第一光子探测器3310和第二光子探测器3311。光子探测器3310和3311中的一个或两者可以是单光子探测器。在一些有利实施例中，对于光子探测器3310可以使用另一类型的探测器、特别是一个检测精度较低的探测器来实施本发明。这是可能的，因为光子探测器3310作为峰值探测器工作并由此仅需要测量高水平的峰值，同时将对低反射水平的精确测量留给光子探测器3311，这将在之后详细说明。

在图示的实施例中，测量装置3300包括分束器3340，分束器3340被配置成用于将光纤1400连接至光子探测器3310和光子探测器3311。很明显，通常，可以实施用于将光纤1400连接至光子探测器3310和3311的任何手段。

此外，在图示实施例中，测量装置3300包括连接在光纤1400与光子探测器3311之间的光学延迟元件3370。特别地，光学延迟元件连接在分束器3340与光子探测器3311之间。光学延迟元件向通过它的光信号引入一具有预定值的延迟。

通过这种实施方式，光子探测器3310的输出信号可用于控制光子探测器3311或控制到达光子探测器3311的光量。这通常提供以下优点：避免光子探测器在高水平反射处饱和，如下所述。特别地，一旦光子探测器3310检测到高水平反射或高于预定阈值的反射水平，光子探测器3310的输出就会发生切换并且可以用于切断光子探测器3311，以使得避免光子探测器3311在时间T1处饱和。在一些实施例中，光子探测器3310切换的预定阈值可以选择成对应于以下值：在该值处，由于分束器3340的分光操作所导致的剩余反射部分将引起光子探测器3311处的饱和。或者，在一些实施例中，对应于以下值：在该值处，由于分束器3340的分光操作所导致的剩余反射部分将以高于预定值的概率引起光子探测器3311处的饱和。

在一些实施例中，可以提供计时逻辑器3390作为光子探测器3310和/或3311的一部分，或者使计时逻辑器3390单独连接在光子探测器3310与光子探测器3311之间，计时逻辑器3390可以在检测到来自光子探测器3310的输出信号的切换时(即大致是在时间T1处并最终包含光子探测器3310切换所需的短延迟)发出输出信号，所述输出信号将防止相同的高水平反射信号使光子探测器3311饱和。特别地，如图所示，计时逻辑器可以使用时间T1作为开始时间，等待时间间隔ΔT2，然后发出长度为ΔT3的信号。当光子探测器3311接收到由计时逻辑器3390发出的控制信号的高值时，光子探测器3311被切断。当在延迟ΔT3之后控制信号再次变低时，光子探测器3311恢复操作。如果光子探测器3310或光子探测器3311的死区时间是比时间ΔT3长的时间ΔT1，则这是特别有利的。换句话说，光子探测器3311仅在时间ΔT3上停止测量但不包括T1，而不是在T1之后的时间ΔT1上不能测量。因此有利地缩短了光子探测器3311不测量反射的测量时间段，而不需要现有技术中的复杂且耗时的移动测量窗口。

如后面将描述的，光子探测器3311被切断的时长ΔT3例如可以等于由发射装置3100发射的脉冲持续时间或其数倍。实际上，高水平反射的时长将基本上近似于或取决于产生高水平反射的脉冲的持续时间。同样由于这个原因，将发射装置3100连接至测量装置3300可能是有利的，从而可以基于由发射装置3100发射的脉冲的持续时间动态地调整ΔT3的值。

图4示意性地示出了设备3000的输出的操作。如在顶部图表中可以看到在时间T1处高水平反射到达设备3000并可以看到光子探测器3310的输入。从顶部开始数的第二个图表示出光子探测器3310的输出。在此，由高水平反射饱和引起的信号的持续时间示意性地示出为对应于整个死区时间ΔT1。将清楚的是，在替代实施方式中，信号的持续时间实际上可以被限制于高水平反射的持续时间。在任何情况下，计时逻辑器3390仅需要知道时间段ΔT1的开始时间T1，以便生成其输出信号。底部图表示出计时逻辑器3390的用于控制光子探测器3311的开/关状态的输出信号，其中，高水平表示切断信号。可以看出，光子探测器3311在时间T3处切断时长ΔT3。时长ΔT3可以被有利地设置成短于ΔT1，例如基本上类似于或基于由发射装置3100产生的脉冲的持续时间，如示意性示出的那样。时间T3与T1隔开间隔ΔT2，该间隔ΔT2例如可以基本上等于由光学延迟元件3370引入的延迟。以这种方式，一旦由光子探测器3310检测到的高水平反射到达光子探测器3311，即在等于ΔT2的延迟之后到达光子探测器3311，光子探测器3311就会被切断一时间间隔ΔT3，该时间间隔ΔT3显著短于时间ΔT1。以这种方式，光子探测器3311即使在T1处的高水平反射事件之后、或者如从光子探测器3311所观察看到的在T3处也可以保持对来自光纤1400的反射的测量。

图5示意性地示出了根据本发明的一实施例的测量设备5000。测量设备5000和测量设备3000之间的主要区别在于测量设备5000还包括强度调制装置，所述强度调制装置包括连接在光纤1400和光子探测器3311之间的强度调制器5360。特别地，在图示实施例中，强度调制器5360连接在光学延迟元件3370和光子探测器3311之间。然而，本发明不限于此，例如，强度调制器也可以连接在分束器3340和光学延迟元件3370之间。通常，在该实施例中，替代接通和切断光子探测器3311的是，可以允许或阻挡光到达光子探测器3311。

在图示实施例中，测量装置5300还包括用于驱动强度调制器5360的强度调制器驱动器5350。显然，在实际中，强度调制器驱动器5350和强度调制器5360可以由单一个元件实现。还将清楚的是，计时逻辑器3390的操作可以通过强度调制器驱动器5350和强度调制器5360中的任何一个来实施。

基于光子探测器3310的输出驱动强度调制器5360，以控制反射光到达光子探测器3311。更具体地，以类似于先前描述的方式，光子探测器3310的输出可以启动对强度调制器驱动器5350的触发，这进而切换强度调制器5360。更更具体地，强度调制器5360可以从基本上透明的状态切换到基本上不透明的状态。在一些实施例中，在基本上透明的状态下，强度调制器5360可具有50％至100％的透射系数。在一些实施例中，在基本上透明的状态下强度调制器5360的透射系数可以是基本上不透明状态下的透射系数的至少50倍、优选地是至少100倍。以这种方式，基于光子探测器3310的输出来控制反射光到达光子探测器3311。如前所述，用于控制强度调制器5360的时长ΔT3可以独立于光子探测器3310的输出饱和的时长ΔT1。

与图3的实施例相比，该实施例提供了以下有利效果：光子探测器3311不需要被接通和切断的，从而允许光子探测器3311在整个时间上保持操作。这可以在经过时间ΔT3后且允许光通过强度调制器5360之后提供更可靠的测量。此外，强度调制器5360可以具有比用于接通和切断光子探测器3311所需的时间更快的反应时间。

图6示意性地示出了根据本发明的一实施例的测量设备6000。测量设备6000和测量设备5000之间的主要区别在于测量设备6000还包括连接在光纤1400和光子探测器3311之间的光学衰减器6380。特别地，在图示实施例中，光学衰减器6380连接在分束器3340和光学延迟元件3370之间。然而，本发明并不限于此，例如，光学衰减器6380也可以连接在光学延迟元件3370和强度调制器5360之间或者连接在强度调制器5360和光子探测器3311之间。

衰减器6380可以有利地减少到达光子探测器3311的光量。这可以在下述情况下是有利的：例如，在光子探测器3310利用需要较高电平的信号的技术、例如光电二极管来实现的情况下，或者通常地在光子探测器3311的灵敏度高于光子探测器3310的灵敏度的情况下。在这种情况下，为了给光电二极管3310提供强度足够高的反射，特别是当光子探测器3311是单光子探测器时，同样的信号的强度对于光子探测器3311可能过高。衰减器6380有利地解决了这个问题。在一些实施例中，衰减器6380可具有小于例如80％、优选地50％的透射因子。

显然，作为衰减器6380的附加或替代，可以实施分束器3340，所述分束器不具有50:50的分光比但是具有朝向光子探测器3310的信号高于朝向光子探测器3311的信号的分光比，例如80:20或优选地90:10的分光比。

显然，光学衰减器6380虽然是基于测量设备5000示出的，但是也可以实施在测量设备3000中。

借助于衰减器，因此可以比光子探测器3311更简单和/或更便宜和/或更快速地操作光子探测器3310。事实上，光子探测器3310可以用较强的信号操作并且仅需要识别高水平的反射、即强度高于某个预定阈值的信号。

在一些有利实施例中，光学延迟元件3370可以向反射光引入等于或长于光子探测器3310检测反射光所需时间的延迟ΔT2。在这种情况下，延迟ΔT2由此允许光子探测器3310发送关于光子探测器3311饱和的信号，从而如前所述那样在高水平反射到达光子探测器3311之前将光子探测器3311切断。

在一些有利实施例中，光学延迟元件3370可以向反射光引入延迟ΔT2，所述延迟ΔT2等于或长于光子探测器3310检测反射光所需的时间加上强度调制器5360和强度调制器驱动器5350从基本上透明的状态切换到基本上不透明的状态所需的时间。同样，在这种情况下，延迟ΔT2因此可以足够长以足以避免高水平反射引起光子探测器3310的饱和。

在光子探测器3310驱动光子探测器3311的开/关状态的情况下，ΔT2的值可以选择成等于：光子探测器3310的反应时间，加上位于光子探测器3310的输出端和光子探测器3311的输入端之间的任何其它元件的反应时间，再加上光子探测器3311在接收到切断信号之后实施切断所花费的时间。

在光子探测器3310控制强度调制器5360的情况下，ΔT2的值以选择成等于：光子探测器3310的反应时间，加上位于光子探测器3310的输出端和强度调制器5360的输入端之间的任何其它元件的反应时间，再加上强度调制器5360从基本上透明的状态切换到基本上不透明的状态所花费的时间。

在一些有利实施例中，ΔT3的值可以被设定成等于发射装置3100的脉冲持续时间的最小值。在一些另外的有利实施例中，ΔT3可以被设定成下述值：该值是由发射装置1100发射的脉冲的持续时间的至少1.5倍、优选地是至少3倍、更优选地是至少5倍。以这种方式，脉冲持续时间与防止光子探测器3311饱和所经历的时长之间的相关性可以有利地动态地适应于由发射装置3100发射的脉冲持续时间的不同值。明显的是，如果通过时长ΔT3控制的元件不足以快至能够在与ΔT3一样短的间隔内作出反应，则这些元件将在ΔT3的开始时被切换并且随后的切换将取决于它们可以多快地切换回来。

相对于ΔT2，ΔT3的值可以设定成任何最大值。然而，优选地选择ΔT3具有小于ΔT1的值，以允许光子探测器3311在光子探测器3310不能测量反射信号的时间内测量反射信号。

在图示实施例中，仅光子探测器3311的输出端连接至时间/数字转换器1320，以使得测量装置3300、5300、6300仅输出来自光子探测器3311的测量数据。然而，本发明不限于此，并且来自光子探测器3310的数据也可以用作测量装置的输出，例如以便在光子探测器3310不饱和的时间期间内与光子探测器3311的输出组合，从而提高输出的精度。

图7示意性地示出了根据本发明的一实施例的测量方法7000。特别地，方法7000可以通过测量设备5000或6000来实施。实施用于测量设备3000的类似方法所需的修改对于本领域技术人员来说是清楚的。

在第一发射步骤7001中，将具有预定脉冲持续时间的光脉冲、例如激光脉冲注入光纤1400中。光脉冲通常包含100万个或更多个光子。光脉冲的一部分被注入光纤1400，而还有一部分可能在环形器1200处被反射。

在反射产生步骤7002中，光脉冲在光纤1400中于光纤1400的不同位置处部分地背向反射。如前所述，存在几种导致背向反射的机制。一种是瑞利背向散射，如步骤7003所示。另一种是由于光学连接部的反射，如步骤7004所示。后一反射模式倾向于在光纤1400的给定位置产生较高水平的反射并由此产生较高水平的反射信号，如示意性地对应于时间T1处的反射。

特别地，在这两个反射步骤7003、7004中，反射光返回到环形器1200并且至少部分地被引导到连接至测量装置3300、5300、6300的臂中。瑞利背向散射7003是分布式反射并且产生非常小的光水平，通常远小于每个时间窗T一个光子，其中，时间窗T可以是例如大约1纳秒。不同的是，从光学连接部反射的光每个时间窗T可能包含多个光子，通常是一到数百个光子。

在检测步骤7005中，入射在分束器3340上的光部分地反射向光子探测器3310。这会导致由分叉步骤7006代表的光子探测器3310处的检测或不检测，从而引起然后会发生的两种可能状况。

如果光子探测器3310在分叉步骤7006中触发，则随后进行掩蔽步骤7007，在掩蔽步骤中，强度调制器5360被设置为较高的衰减值A_max。这使得朝向光子探测器3311的光的强度以因子A_max降低。

在随后的检测步骤7008中，光子探测器3311不太可能检测到已经使光子探测器3310饱和的光。因此，降低了在光学连接部处反射的大量光到达光子探测器3311的可能性，这有利地减轻了与这些脉冲相关的有害影响。

如果光子探测器3310在分叉步骤7006中没有触发，则强度调制器值被设置为A_min，并且该方法通过在发射步骤7001发送后续光脉冲来继续其操作。

方法7000以结果输出步骤7009结束，所述结果输出步骤7009包括检测图表的实现。

图9示意性地示出了现有技术的表现，图10示意性地示出了本发明的一实施例的表现。在这两个图中，X轴表示反射前每个脉冲的平均光子数，而Y轴表示概率值。这两个图都基于图8中示意性示出的示例性反射。特别地，图8示出了三个测量窗口1、2和3，针对这三个窗口计算出光子探测器触发的概率。更具体地，测量窗口2包括在时间T1处的高水平反射。如前所述，如果光子探测器在测量窗口2处触发的概率过于接近1，则光子探测器由于死区时间将始终无法测量测量窗口3中的反射，并且测量设备将无法获知测量窗口3中的反射信号。

从图9开始，基于仅仅一个光子探测器1310的OTDR测量的表现可以被观察到。在时间窗1中、在时间窗2中和时间窗3中获得检测的概率分别表示为P1、P2和P3。在此忽略暗计数单光子探测器的影响。

时间窗1中的光来自瑞利背向散射光，因此它非常暗且短。如图所示，概率P1呈现为远小于1。这对于操作OTDR是优选的，因为如果P1接近1，则光子探测器1310的死区时间将强烈地抑制时间窗1之后的检测。如果P1远小于1，则光子探测器1310是以下述机制操作：P1与入射在光子探测器上的光子的平均数量成正比。

在这种情况下，P1可以定义为

(公式1)P1＝c·A_RBS·μ·η

其中：

-c是从窗口1的物理位置到光子探测器1310的总透射系数，其包括所有的光学损耗、例如环形器1200，但不包括光子探测器1310的效率；

-A_RBS是一个光子在窗口1的位置处由于瑞利背向散射而被反射回光子探测器1310的概率；

-μ是窗口1的位置处的光脉冲中的平均光子数并对应于X轴值；

-η是光子探测器1310的检测效率。

对于图9的图表，使用了以下数值：c＝0.5，A_RBS＝10^-6和η＝0.2。

现在考虑由光纤1400与另一元件的连接部所引起的反射。入射在光子探测器1310上的来自该反射的光子数可以被定义为：

(公式2)μ＝c·A_r·μ

其中，A_r是一个光子在连接部处被反射的概率。对于图9的图表，A_r＝0.01。在典型操作条件下，c·A_r·μ高于1。

基于此，可以计算光子探测器1310激发或触发的概率P2。P2被计算出呈现用于光脉冲的泊松统计学分布。光子探测器1310也被视作是非光子数解析，这意味着它不区分一个或一个以上光子。在此P2可以被定义为：

(公式3a)

其中，

(公式3b)

通常，P2可以非常接近1，如图9所示。

最后，考虑第三种情况，在第三种情况下，光从光纤1400的一个区段、即大致在光纤连接部之后不远处、在对应于窗口3的位置处背向散射。和P1一样，P3也很小、特别是比P2小并且可以被定义为：

(公式4)P3＝c·A_RBS·A_IL ²·μ·(1–P2)·η

其中，A_IL是通过光纤连接部的透射系数。该透射假设与方向无关，但这种假设不是必需的。对于图9的图表，A_IL＝0.8。应注意，P3基本上与(1-P2)成正比，这是因为：在光子探测器1310由于窗口2中反射的光而触发的情况下，光子探测器1310的死区时间由于上文所述的满溢而抑制窗口3的检测。因此，如果P2趋向于1，则P3趋向于零并且来自窗口3的反射被抑制并且需要更多的注意才能够被精确地测量(前提是能够实现测量)。

应注意，在图9中，P3达到约2·10^-5的最大值，并且即使μ增加P3也不会增加。实际上，增加μ的值会导致P3的抑制，这会限制了收集窗口3上的数据的速率。而且，光纤连接部处的反射人为地降低了P3并使由于A_IL小于1所导致的插入损耗的估计变得复杂。

现在转到图10，示出了本发明的一实施例的结果。

光子探测器3310在例如来自光纤1400和另一元件之间的连接部的强反射下激发的第一概率Pd被计算。这种计算基于下述假设：光子探测器3310是单光子探测器，但它也可以是例如PIN光电二极管或雪崩光电二极管的线性探测器。在后一种情况下，优选的是：反射脉冲的强度足够大，以足以使得检测脉冲的概率Pd接近1。

当将单光子探测器用于光子探测器3310时，Pd可以被定义为：

(公式5a)

其中，

(公式5b)

和

(公式5c)

其中，c和A_r如图9中所定义的，A₂是入射在分束器3340上的光子被传输给光子探测器3310的概率。μ的值可以有利地选择成使得Pd趋于1。

如图9所示，概率P1、P2和P3被计算。如所观察到的，本发明的方法允许减轻由于大反射引起的P3的抑制。在此特别假设使用的是测量设备6000。因此，

(公式6)P1＝c·A_RBS·(1–A₂)·A_Att·A_max·μ·η

其中：

-(1-A2)是入射在分束器3340上的光子被导向光子探测器3310的概率；

-A_att是光学衰减器6380的透射概率；

-A_max是强度调制器5360被设置为其最大透射性时的透射概率。

在图10的图表中，使用了以下数值：A_att＝1且A_max＝0.5。

概率P2计算为：

(公式7a)

其中

(公式7b)

和

(公式7c)

其中，A_min是强度调制器5360被设置为其最小透射性时的透射概率。

在图10的图表中，使用了以下数值：A_min＝A_max/100，这对应于20dB衰减。

同时，概率P3可以计算为：

(公式8)P3＝c·A_RBS·A_IL ²·(1–A₂)·A_Att·A_max·μ·η·(1–P2)

从图9和10的比较可以看出，在所考虑的μ值范围上，Pd大致接近1而P2远小于1。由此，P3没有被抑制。实际上，P3在宽范围的μ值上高于10^-4并且是图9中所示的通过现有技术所获得的最大值的大约十倍。

因此可以看出，本发明如何在测量窗口3、即在光纤1400与另一个元件的连接部之后不远处的测量窗口中实现较高的检测概率P3，其中，所述测量窗口3导致高水平的反射以及相应的饱和，从而使得现有技术不可用。因此可以得出以下结论：本发明允许以快速有效的方式测量连接部之后的区域，而无需使用现有技术所描述的移动测量窗口这种耗时的方法。

尽管上文已经单独描述了若干实施例，但是为了清楚地阐述，本领域技术人员将明白，在由权利要求限定的本发明的范围内，任何所描述的实施例的任何特征可以与任何其它所描述的实施例的任何特征组合使用。

附图标记列表

1000 测量设备

1100 发射装置

1110 脉冲驱动器

1120 Fabry-Perot激光器

1130 声光调制器

1140 脉冲模式发生器

1200 环形器

1300 测量装置

1310 光子探测器

1320 时间-数字转换器

1330 数据采集终端

1400 光纤

3000 测量设备

3100 发射装置

3300 测量装置

3310、3311 光子探测器

3340 分束器

3370 光学延迟元件

3390 计时逻辑器

5000 测量设备

5300 测量装置

5350 强度调制器驱动器

5360 强度调制器

6000 测量设备

6300 测量装置

6380 光学衰减器

7000 测量方法

7001 发射步骤

7002 反射产生步骤

7003 低水平瑞利反射步骤

7004 高水平反射步骤

7005 检测步骤

7006 分叉步骤

7007 掩蔽步骤

7008 检测步骤

7009 结果输出步骤

T1、T2 时间点

Twin 测量窗口

ΔT1、ΔT2、ΔT3 时间间隔

Claims (8)

1.一种用于测量光纤(1400)中的反射的测量设备(3000、5000、6000)，所述测量设备包括：

发射装置(3100)，其连接至光纤(1400)并被配置成用于将光发射到光纤(1400)中，

测量装置(3300、5300、6300)，其连接至光纤(1400)并被配置成用于接收来自光纤(1400)的反射光，

其特征在于，

测量装置包括第一光子探测器(3310)和第二光子探测器(3311)，

其中，基于第一光子探测器(3310)的输出控制第二光子探测器(3311)的操作、或控制到达第二光子探测器(3311)的反射光、或控制第二光子探测器(3311)的操作和到达第二光子探测器(3311)的反射光，

其中，所述测量设备还包括连接在光纤(1400)与第二光子探测器(3311)之间的光学延迟元件(3370)，

其中，光学延迟元件(3370)向来自光纤(1400)的反射光引入一延迟ΔT2。

2.根据权利要求1所述的测量设备(5000、6000)，其特征在于，所述测量装置还包括连接在光纤(1400)与第二光子探测器(3311)之间的强度调制器(5360)，并且

其中，基于第一光子探测器(3310)的输出驱动强度调制器(5360)，以便控制到达第二光子探测器(3311)的反射光。

3.根据权利要求1所述的测量设备(3000、5000、6000)，其特征在于，

所述延迟ΔT2等于或长于第一光子探测器(3310)检测反射光所需的时间。

4.根据权利要求2或3所述的测量设备(3000、5000、6000)，其特征在于，

发射装置(3100)被配置成用于发射具有预定脉冲持续时间的光脉冲，

强度调制器(5360)被配置为能够以等于或优选地大于脉冲持续时间的切换时间ΔT3切换。

5.根据权利要求4所述的测量设备(3000、5000、6000)，其特征在于，

切换时间ΔT3是脉冲持续时间的至少1.5倍。

6.根据权利要求4所述的测量设备(3000、5000、6000)，其特征在于，

切换时间ΔT3是脉冲持续时间的至少3倍。

7.根据权利要求4所述的测量设备(3000、5000、6000)，其特征在于，

切换时间ΔT3是脉冲持续时间的至少5倍。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的测量设备(6000)，其特征在于，所述测量设备还包括连接在光纤(1400)与第二光子探测器(3311)之间的光学衰减器(6380)。

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