CN205986875U - 一种光时域反射仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光时域反射仪，包括主控单元和普通探测单元，普通探测单元测量探测脉冲在待测试光纤中传输时返回的后向传输光的强度并反馈给主控单元以进行事件分析得到测试结果，所述测试结果包括是否有故障，以及相应的故障区域，还包括单光子探测单元，用于在所述测试结果有故障时测量探测脉冲在待测试光纤中传输时故障区域返回的后向传输光的强度，并反馈给主控单元以进行事件分析得到故障点的精确位置；所述普通探测单元用于测量非单光子级别的光信号强度；所述单光子探测单元用于测量单光子级别的光信号强度。本实用新型具有普通OTDR的测量速度，同时又具有单光子探测OTDR的测量精度，实现了快速扫描与高精度测量的结合，并且结构简单、易于实现。

Description

一种光时域反射仪

技术领域

本实用新型属于光纤测试技术领域，特别是涉及一种光时域反射仪。

背景技术

光时域反射仪(OTDR)是一种精密的光电一体化仪表，其利用光在光纤内传输时瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射光制作而成，被广泛应用于光缆线路的维护和施工中，可对光纤长度、光传输损耗、接头损耗等进行测量，并可对故障点进行定位。

普通OTDR的雪崩光电二极管工作在线性模式，无需考虑后脉冲效应，因此，可以工作在连续采集状态，具有测量时间快的优点。但由于工作在线性模式的雪崩光电二极管增益低，无法探测弱小光信号，因此，OTDR的测量精度和测量距离受到限制。

单光子探测OTDR可探测到比热噪声还小的极微弱光信号，因而可以得到更高的测量精度、更远的测量距离和更大的动态范围。但其雪崩光电二极管工作在盖革门控模式，受后脉冲影响，单光子探测器具有一定的死时间，这导致探测器门脉冲重复频率低，单光子探测OTDR工作在逐点扫描模式，具有较长的探测时间，且测量精度越高、扫描点数越多，所需的时间约长。文献《Photon Counting OTDR:Advantages and Limitations》(2010年，Journal of Lightwave Technology,28(6))中提及在OTDR中采用单光子探测技术，使OTDR动态范围提升了10dB、空间分辨率提升了20倍，性能得到了极大的提升。同时，该文献也提出单光子探测OTDR测量时间比普通OTDR要长很多，如200km一次测量需要6小时，限制了其应用。

目前已提出的针对单光子探测OTDR测量时间长的解决方案，多从解决单光子探测器后脉冲的问题入手。如专利申请号为201310600853.4的一种基于超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的光时域反射计，因SNSPD几乎没有后脉冲效应，所以可以解决测量时间的问题。但，SNSPD工作在绝对零度附近，对制冷要求很高，需要外接低温液氦杜瓦瓶或设计专门的闭合循环冷藏室等。即此类型的解决方案具有系统设计复杂、成本高、体积大等缺点，不利于实际应用，无法推广。

综上，现有技术存在的问题是：

1)在普通OTDR中，雪崩光电二极管工作在线性模式，无需考虑后脉冲效应，因此可以工作在连续采集状态，具有测量时间快的优点。但由于工作在线性模式的雪崩光电二极管增益低，无法探测弱小光信号，因此，测量精度和测量距离受到限制。

2)在单光子探测OTDR中，可以实现对低于热噪声的微弱光信号的探测，即使散射信号因精度或距离原因弱小到只有单光子状态，仍然可以探测到，保证了很高的测量精度与量程。但是，此时雪崩光电二极管工作在盖革门控模式下，后脉冲概率大，需要设置很长的死时间才能消除后脉冲的影响。因此，只能工作在逐点扫描模式，完成一次测量任务往往需要数小时。

3)目前已有的基于超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的OTDR几乎没有后脉冲效应，可以解决测量时间的问题，但是，SNSPD工作在绝对零度附近，对制冷要求很高，需要外接低温液氦杜瓦瓶或设计专门的闭合循环冷藏室，成本高、体积庞大，不适合产品化应用。

实用新型内容

为解决本现有技术存在的上述技术问题，本实用新型技术方案从普通OTDR和单光子探测OTDR两者优缺点互补的角度考虑，将两种测量思路和基本结构融合入一个设计中，融合了普通OTDR和单光子探测OTDR的优点，使本实用新型技术方案具有普通OTDR的测量速度，同时又具有单光子探测OTDR的测量精度，实现了快速扫描与高精度测量的结合。本实用新型系统设计简单，且节约系统资源。

为达到上述目的，本实用新型采取如下技术方案：

一种光时域反射仪，包括主控单元和普通探测单元，普通探测单元测量探测脉冲在待测试光纤中传输时返回的后向传输光的强度并反馈给主控单元以进行事件分析得到测试结果，所述测试结果包括是否有故障，以及相应的故障区域，还包括单光子探测单元，用于在所述测试结果有故障时测量探测脉冲在待测试光纤中传输时故障区域返回的后向传输光的强度，并反馈给主控单元以进行事件分析得到故障点的精确位置；所述普通探测单元用于测量非单光子级别的光信号强度；所述单光子探测单元用于测量单光子级别的光信号强度。

本实用新型中非单光子级别的光信号强度为功率远大于单光子级别的经典光信号，如功率为纳瓦级的光脉冲。

本实用新型的光时域反射仪中所述的主控单元采用微处理器实现，如单片机、FPGA、DSP芯片等。

本实用新型的光时域反射仪中主控单元利用接收到的后向传输光的强度变化进行事件分析(具体指衰减事件、反射事件等)，可采用常用的两点法、最小二乘法、Gabor变换法、小波变换法等经典的算法对探测单元(普通探测单元或单光子探测单元)反馈的探测结果(即探测到的后向传输光的强度)进行处理，进而得到待测试光纤的损耗、衰减、反射等事件信息，并根据这些事件信息形成输出相应的测试结果，所述测试结果包括信道是否存在故障、以及故障点的位置等。

本实用新型的光时域反射仪，实际上可以理解为具有两种工作模式，分别为粗扫模式和精扫模式，具体工作模式受控于主控单元：

粗扫模式下，后向传输光经由普通探测单元进行探测并将探测结果(即探测到的光的强度)反馈给主控单元；精扫模式下，后向传输光经由单光子探测单元进行探测并将探测结果反馈给主控单元；

且在粗扫模式下主控单元得到的故障分析结果为有故障，则主控单元自动使所述光时域反射仪切换至精扫模式，且根据故障分析结果设定相应的精扫区域(设定为故障区域)。

对待测试光纤进行测试时，先进行粗扫，采用普通探测单元进行探测时，探测速度快，时间消耗小，能够迅速确定是否存在故障，但是其测量精度不高，最高能够达到1m，得到的故障点位置通常为一个范围(该范围的长度等于测量精度，即故障区域)，进一步切换为精扫模式，且在精扫模式下根据粗扫的测试结果中故障点的位置信息先设定精扫的扫描范围，然后采用单光子探测单元进行探测以对设定的范围进行测量扫描，进而能够得到故障点的精确位置，将二者结合，一方面提高了测量精度，另一方面大大缩减了测量时间。

单光子探测器仅在接收到的光为单光子级别时才能输出有用的探测结果。因此，所述的光时域反射仪还包括一受控于所述主控单元的衰减器(通常为电控光纤衰减器)，在精扫模式下，主控单元对输入至待测试光纤中的探测脉冲进行衰减使进入单光子探测单元的后向传输光为单光子脉冲。

为保证可以单光子探测单元和普通探测单元能够接收到后向传输光(可以是所有后向传输光的一部分，也可以为所有后向传输光)，所述的光时域反射仪还包括一光分路单元，用于将所述后向传输光分为两路，一路输入到普通探测单元，另一路输入到单光子探测单元。

作为优选，所述的光分路单元通过光纤耦合器实现，将分束比大的一路输入到普通探测单元，分束比小的一路输入到单光子探测单元。

该光分路单元通过光纤耦合器实现，其分束比可根据应用需求调整，通常使进入普通探测为单元的光能量比进入单光子探测单元的大。作为优选，所述分束比为99:1，分束比为1的一路输入到单光子探测单元；分束比为99的一路输入到普通探测单元。

作为另外一种实现方法，所述的光时域反射仪还包括一受控于所述主控单元的光开关单元，用于控制所述后向传输光的路径使其进入普通探测单元和单光子探测单元中的一个。

所述光开关单元可以采用一个受控于主控单元1×2的光开关实现。

作为另一种实现方法，还可以在单光子探测单元和普通探测单元的输出端进行选择，由于二者均向主控单元输出探测结果(接收到的后向传输光的强度值对应的电信号)，因此，可以设置在所述光时域反射仪中设置一个一受控于所述主控单元的电开关单元，用于控制普通探测单元和单光子探测单元的探测结果的传输路径使其中一个进入主控单元。

所述电开关单元可以为两个相互联动(此开彼关)、且受控于主控单元的电开关，分别设置于普通探测单元和单光子探测单元的光接收端处。也可以直接采用一个受控于主控单元的1×2的电开关实现。

本实用新型的光时域反射仪中，普通探测单元和单光子探测单元均包括光电探测模块和相应的数据处理模块，光电探测模块用于对接收到的后向传输光进行光电转换输出相应的电信号；数据处理模块用于对所述的电信号进行相应的后处理以得到接收到的后向传输光的强度；所述普通探测单元和单光子探测单元共用同一个雪崩光电二极管作为光电探测模块，且所述单光子探测单元还包括在所述主控单元的控制下驱动所述雪崩光电二极管使其进行单光子探测的驱动电路。在共用同一雪崩光电二极管的情况下，作为另外一种分路实现方式，本实用新型的光时域反射仪还包括数据路径选择单元，用于在主控单元的作用下使雪崩光电二极管输出的电信号进入普通探测单元的数据处理模块或单光子探测单元的数据处理模块。

所述的数据路径选择单元设有一个输入端、两个输出端和一个控制端，一输入端与雪崩光电二极管的输出端连接，两个输出端分别与普通探测单元的数据处理模块和单光子探测单元的数据处理模块连接，控制端与主控单元连接以接收相应的控制信号以控制将将雪崩光电二极管输出的信号输出给普通探测单元的数据处理模块或单光子探测单元的数据处理模块。

本实用新型还提供了一种光纤测试方法，包括如下步骤：

向待测试光纤发射探测脉冲，并采用普通探测单元测量探测脉冲在待测试光纤中传输时返回的后向传输光的强度；

根据普通探测单元探测到的强度进行事件分析以得到测试结果，所述测试结果包括是否有故障，以及相应的故障区域；

在所述测试结果有故障时，继续采用基于单光子探测的单光子探测单元测量探测脉冲在所述待测试光纤中传输时所述故障区域返回的后向传输光的强度，并根据所述测量到的强度进行事件分析得到故障点的位置；

所述普通探测单元基于雪崩光电二极管进行探测，所述单光子探测单元基于单光子探测器实现；

所述普通探测单元用于测量非单光子级别的光信号强度；所述单光子探测单元用于测量单光子级别的光信号强度。

作为优选，所述事件分析基于强度变化进行。

可采用常用的两点法、最小二乘法、Gabor变换法、小波变换法等经典的算法对探测单元(普通探测单元或单光子探测单元)反馈的探测结果(即探测到的后向传输光的强度)进行处理，进而得到待测试光纤的损耗、衰减、反射等事件信息作为事件分析的结果。

在采用单光子探测单元测量时，对输入至待测试光纤中的探测脉冲进行衰减使单光子探测单元接收到的后向传输光为单光子脉冲。

本实用新型中所述的非单光子级别的光信号指光信号的强度大于单光子的信号强度，采用普通的光电探测器即可探测其强度。

本实用新型光时域反射仪具有如下有益效果：本实用新型具有普通OTDR的测量速度，同时又具有单光子探测OTDR的测量精度，实现了快速扫描与高精度测量的结合，并且结构简单、易于实现。

附图说明

图1是实施例1的光时域反射仪的功能模块框图。

图2是主控单元的功能模块框图。

图3是单光子探测器的功能模块框图。

图4是单光子探测器参数优化设置流程。

图5是实施例2的光时域反射仪的功能模块框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型优选实施例作详细说明。

实施例1：

本实施例的光时域反射仪包括脉冲光源1、电控光纤衰减器2、环形器3、待测试光纤4、光分路器5、单光子探测器6、第一雪崩光电二极管(APD)7、光子计数模块8、主控单元9、数据采集模块10、信号放大模块11；其中，单光子探测器6和光子计数模块8属于单光子探测单元，第一雪崩光电二极管(APD)7、数据采集模块10和信号放大模块11属于普通探测单元。

实际上待测试光纤4并不是光时域反射仪的一部分，利用该光时域反射仪测试待测试光纤4时将测试光纤与光时域反射仪环形器的一个端口连接，使脉冲光源发出的探测光经过电控光纤衰减器后进入待测试光纤4。

单光子探测器6包括雪崩光电二极管模块61、高压电源模块62、门脉冲发生器63、限幅放大器64、脉冲鉴别器65，雪崩光电二极管模块61内设置有第二雪崩光电二极管(APD)613、热电制冷器(TEC)611、温度传感器612。

主控单元9基于微处理器实现，具体包括脉冲发生器91、光纤衰减器(VOA)驱动器92、STM32F429单片机93、数模转换器(D/A)94、TEC驱动器95、模数转换器(A/D)96、数据选择器97；STM32F429单片机93实现信号处理与控制功能，至少有9个控制端口，其中第一端口931与光分路器5相联，用于控制光分路器5的光分路选择；第二端口932与脉冲发生器91相联，用于控制脉冲发生器91产生驱动脉冲；第三端口933与光纤衰减器(VOA)驱动器92相联，用于控制VOA驱动器92调节光功率的大小；第四端口934与数模转换器(D/A)94相联，用于控制D/A转换器94调节输出电压；第五端口935与TEC驱动器95相联，用于控制TEC驱动器95调节TEC驱动电流的大小；第六端口936与模数转换器(A/D)96相联，用于接收A/D转换器96输出的数字信号；第七端口937及第八端口938都与数据选择器97相联，第七端口937用于控制数据选择器97的信号选择，第八端口938用于接收数据选择器97输出的信号；第九端口939与单光子探测器6的门脉冲发生器63的端口631相联，用于控制单光子探测器6内部的门脉冲发生器63产生门脉冲信号。

脉冲发生器91的端口911与脉冲光源1相联，脉冲光源1与电控光纤衰减器2相联，电控光纤衰减器2与环形器3相联，环形器3与待测试光纤4相联。电控光纤衰减器2还与光纤衰减器(VOA)驱动器92的端口921相联。

数模转换器(D/A)94的端口941与高压电源模块62的端口621相联。TEC驱动器95的端口951与热电制冷器(TEC)611的端口651相联。模数转换器(A/D)96的端口961与温度传感器612的端口661相联。数据选择器97的端口971与光子计数模块8相联，光子计数模块8与限幅放大器64的端口641相联。数据选择器97的端口981与数据采集模块10相联，数据采集模块10通过信号放大模块11、雪崩光电二极管7后与光分路器5相联。

高压电源模块62、门脉冲发生器63都接入第二雪崩光电二极管(APD)613的阴极。

限幅放大器64与脉冲鉴别器65相联，脉冲鉴别器65接入第二雪崩光电二极管(APD)613的阳极。

主控单元9内部的单片机93产生触发信号触发脉冲发生器91产生驱动电脉冲，驱动光源模块1发出脉冲光；脉冲光经过电控光纤衰减器2输入到光纤环形器3中，电控光纤衰减器2的衰减值由主控单元9通过VOA驱动器92控制。脉冲光经过光纤环形器3后输入到待测试光纤4中，脉冲光在待测试光纤4的传播过程中产生瑞利散射，后向瑞利散射光经过光纤环形器3后进入到光分路器5中。本实施例的光分路器5可以是1*2的光开关，由主控单元9通过第一端口931控制光开关的开关状态，该光开关位于普通探测单元和单光子探测单元，受控于所述主控单元的光开关单元，用于控制所述后向传输光的路径使其进入普通探测单元和单光子探测单元中的一个。

本实施例的本实用新型的光时域反射仪，具有两种工作模式，分别为粗扫模式和精扫模式，具体工作模式受控于主控单元：

粗扫模式下，后向传输光经由普通探测单元进行探测并将探测结果(即探测到的光的强度)反馈给主控单元；精扫模式下，后向传输光经由单光子探测单元进行探测并将探测结果反馈给主控单元；

且在粗扫模式下主控单元得到的故障分析结果为有故障，则主控单元自动使所述光时域反射仪切换至精扫模式，且根据故障分析结果设定相应的精扫区域(设定为故障区域)。

当工作在普通OTDR模式(即粗扫模式)时，后向传输光信号经过光分路器5到达第一雪崩光电二极管7，第一雪崩光电二极管7将接收到的后向传输光信号转换成电信号输入到信号放大模块11中，信号放大模块11将电信号放大到0.2～0.5V后输入到数据采集模块10中，数据采集模块10实现模拟信号到数字信号转换，最后输入到主控单元9中。主控单元9内部的单片机93通过第七端口937控制数据选择97将端口981的数据输入到主控制器93中，单片机93得到的数据是待测试光纤的后向瑞利散射光的强度数据(后向 瑞利散射数据携带有光纤通道的损耗信息)，单片机93采用常用的两点法、最小二乘法、Gabor变换法、小波变换法等经典的算法对数据采集模块采集到的数据进行处理得到待测试光纤4的损耗、衰减、反射等信息，进而完成事件分析。

当工作在单光子探测OTDR模式(即细扫模式)时，后向传输光信号经过光分路器5到达单光子探测器6内部的雪崩光电二极管模块61中；雪崩光电二极管模块61将单光子信号进行光电转换，形成电子脉冲信号输入到脉冲鉴别器65中，脉冲鉴别器65实现鉴别单光子脉冲与噪声脉冲，将单光子电脉冲输出到限幅放大器64；限幅放大器64把电脉冲信号限制在5V左右的TTL电平输入到光子计数模块8中，光子计数模块8根据来自限幅放大器64的电脉冲信号实现对经过待测试光纤的后向瑞利散射光的光子个数的计数，光子计数模块8将计数结果输入到主控单元9中，主控单元9内部的主控制器93通过第七端口937控制数据选择器97将端口971的数据输入到单片机93中，单片机93得到的数据是携带了待测试光纤损耗信息OTDR损耗曲线，单片机93采用常用的两点法、最小二乘法、Gabor变换法、小波变换法等经典的算法对接收到的数据进行处理以得到待测试光纤4的损耗、衰减、反射等信息，进而完成事件分析。

单光子探测器6内高压电源模块62的输入端621与主控单元9的D/A转换器94的输出端口941相连，D/A转换器94输出0～5V的控制电压，高压电源模块62相应的产生0～300V电压，加载到雪崩光电二极管模块61内部的第二雪崩光电二极管613的阴极，单光子探测器6内的门脉冲发生器的输入端631与主控单元9的主控制器93的输出端口939相连；门脉冲发生器63输出门脉冲加载于雪崩光电二极管模块61内部的第二雪崩光电二极管613的阴极，门脉冲的幅度、频率、宽度大小通过主控制器93可调；雪崩光电二极管模块61内还设置有热电制冷器(TEC)611和温度传感器612，热电制冷器611输入端651与主控单元9的TEC驱动器95的输出端口951相连，温度传感器612输出端661与主控单元9的A/D转换器96的输出端入961相连，主控制器93通过A/D转换器96实时读取雪崩光电二极管模块61的当前温度，然后通过TEC驱动器95控制TEC 611的驱动电流，将雪崩光电二极管模块61的温度稳定在设定的工作温度，温度的调节方法可以采用常用的PID算法实现，PID算法在主控制器93内实现。通过优化雪崩光电二极管61的直流偏置电压、工作温度(即工作温度)、门脉冲的幅度、宽度这个几个参数，使雪崩光电二极管7在单光子探测状态下量子效率高，后脉冲概率小，且暗计数小，保持单光子OTDR探测时的最佳性能。

优化时包括如下步骤：

步骤一，对单光子探测器进行初始化以设定各个参数的初始值，所述的参数包括直流偏 置电压、门脉冲宽度、门脉冲幅度和工作温度；

步骤二，逐个对所述参数进行优化，优化任意一个参数时：固定其余参数，其中已优化参数固定为的最优值，未优化的参数固定为其初始值，按照预设的步进递增该参数的值直至到达最大值，以相应的初始值和每次递增后的值作为中间值，针对每个中间值，将相应参数设为该中间值后去进行探测并采集测量数组，根据所有中间值的测量数组计算各个中间值对应的信噪比，选择最大信噪比对应的中间值作为该参数的最优值。

针对以上四个参数，可以采用任意顺序逐个进行优化。例如：可以按照直流偏置电压、门脉冲宽度、门脉冲幅度和工作温度的顺序依次逐个优化。也可以按照直流偏置电压、门脉冲幅度、门脉冲宽度和工作温度的顺序依次逐个优化。

偏置电压大小决定了单光子探测器的量子效率，只有量子效率达到要求的条件下，单光子探测器才能探测到微弱的单光子信号，是优化过程的基础。因此，优化过程首先对偏置电压进行优化，然后优化了门脉冲的宽度和高度。对于工作温度，单光子探测器为降低暗计数，通常工作在-20℃的低温，但是工作温度越低，后脉冲概率越大，而后脉冲概率单光子探测器用于OTDR模式的重要指标。因此，优化过程最后还优化了工作温度。即优化过程按直流偏置电压→门脉冲宽度→门脉冲幅度→工作温度顺序进行。

参见图4，本实施例单光子探测器的参数优化时具体优化过程如下：

步骤(a)，主控单元初始化参数设置，包括切换光分路器到单光子探测器设置单光子探测器内部的初始直流偏置电压Vb₍₀₎、初始门脉冲宽度Pdur₍₀₎、初始幅度Pamp₍₀₎、初始值工作温度T₍₀₎。Vb₍₀₎的设置与APD的雪崩电压Vb_(r)有关，通常比Vb_(r)小5～10V，如InGaAs的APD的Vb_(r)为40V，Vb₍₀₎设置为32V。

本实施例中门脉冲宽度Pdur₍₀₎、幅度Pamp₍₀₎的初始值分别设置为200ps，10V，门工作温度的初始值T₍₀₎采用单光子探测APD常用的-20℃。设置门脉冲频率为500MHz对应的距离采样精度为20cm。

步骤(b)，利用该单光子探测器进行单光子脉冲探测(即进行单光子计数)，同步采集时间相关计数模块输出的单光子信息，得到相应的测量数组X1[1 2,…,n,]；

该测量数组的维度等于对每个脉冲的采集次数。

步骤(c)，从Vb₍₀₎开始，增加直流偏置电压Vb，增加的步进设置为1V，并在增加的直流偏置电压后利用该单光子探测器进行单光子测量，得到第二组测量数组X2[1,2,…,n,]；

步骤(d)，重复步骤(c)，直到Vb<Vb_(max)，得到m组测量数组Xm[1,2,…,n,]，Vb_(max)表示直流偏置电压Vb的最大值，取值为APD的雪崩电压Vb_(r)，如InGaAs的APD的雪崩电 压Vb(r)为40V，Vb_(max)也设置为40V。

步骤(e)，主控单元计算各组测量数组的信噪比(S/N)，得到不同Vb对应下的不同信噪比值S/N，并根据计算结果选择S/N最大值对应的Vb为最优偏直流置电压Vb_(opt)。

本实施例中信噪比S/N计算公式如下：

其中，μ是一组测量数组中所有元素的的平均值，x_m[i]表示第m组的第i个数据，

σ是一组测量数组Xm的标准差，

步骤(f)，将直流偏置电压固定在Vb_(opt)，增加门脉冲宽度Pdur，门脉冲宽度增加的步进可以设置为50ps，最大门脉冲宽度Pdur_(max)可以设置为1000ps，重复步骤(b)得到在m组Pdur下的m组OTDR数据X1[1 2,…,n,]，X2[1 2,…,n,]…Xm[1 2,…,n,]；

步骤(g)，与步骤(e)相同，计算不同Pdur下数据的信噪比S/N，选择S/N最大值对应的Pdur为最优门脉冲宽度Pdur_(opt)；

步骤(h)，将直流偏置电压固定在Vb_(opt)，门脉冲宽度固定在Pdur_(opt)，增加门脉冲幅度(Pamp)，Pamp增加的步进可以设置为2V，最大门脉冲宽度Pamp_(max)可以设置为20V，重复步骤(b)得到在m组Pamp下的m组OTDR数据X1[1 2,…,n,]，X2[1 2,…,n,]…Xm[1 2,…,n,]；步骤(i)，同步骤(e)，计算不同Pamp下的信噪比S/N，选择S/N最大值对应的Pamp为最优门脉冲幅度Pamp_(opt)；

步骤(j)，将直流偏置电压固定在Vb_(opt)，门脉冲宽度固定在Pdur_(opt)，门脉冲幅度固定在Pamp_(opt)，逐步增加温度T，T的增加步进可以设置为5℃，最高温度设置在T_(max)设置为30℃。重复步骤(b)得到在m组T下测量的m组OTDR数据X1[1 2,…,n,]，X2[1 2,…,n,]…Xm[1 2,…,n,]；

步骤(k)，同步骤(e)，计算不同T下的信噪比S/N，选择S/N最大值对应的T为最优门工作温度T_(opt)；

步骤(l)，得到Vb_(opt)、Pdur_(opt)(opt)、Pamp_(opt)、T_(opt)，优化结束。

本实用新型中通过参数优化使雪崩光电二极管在单光子探测状态下量子效达高、后脉冲小、且暗计数小，极大的缩短了测量时间，能够大幅度提升光时域反射仪的探测结果的可靠性。

进行参数优化后固定各个优化参数为优化的都的最优值，然后利用优化后的光时域反射仪对待测试光纤进行测试：步骤如下：

步骤1，首先OTDR工作在普通模式，利用普通OTDR测量速度快的优势快速扫描整条待测试光纤线路，得到光纤损耗数据的全程分布；

步骤2，分析光纤线路的全程损耗数据，得到线路上损耗、衰减、反射等事件的位置信息；

步骤3，将OTDR切换到单光子探测模式，利用单光子探测器灵敏度高的优势，针对发生事件的位置进行精细扫描，得到精度更高的数据信息，可以更详细的对事件进行分析。

本实用新型结合了普通OTDR和单光子探测OTDR的优点，使其具有普通OTDR的测量速度，同时又具有单光子探测OTDR的测量精度，实现了快速扫描与高精度测量的结合；且本实用新型针对OTDR对探测器的需求，专门优化了单光子APD工作的几个主要参数，使其工作在效率高、后脉冲概率小的状态，适合用于OTDR应用，特别是对APD的温度控制只要控制其自带的TEC即可，无需采用额外的温度控制方式，控制方便、结构简单、易于实现性价比高、小型化的带单光子探测器功能的高精度、快速扫描OTDR。

利用该光时域反射仪进行光纤测试时，包括如下步骤：

向待测试光纤发射探测脉冲，并采用普通探测单元测量探测脉冲在待测试光纤中传输时返回的后向传输光的强度；

根据普通探测单元探测到的强度进行事件分析以得到测试结果，测试结果包括是否有故障，以及相应的故障区域；

在测试结果有故障时，继续采用基于单光子探测的单光子探测单元测量探测脉冲在所述待测试光纤中传输时所述故障区域返回的后向传输光的强度，并根据所述测量到的强度变化进行事件分析得到故障点的位置。

在采用单光子探测单元测量时，对输入至待测试光纤中的探测脉冲进行衰减使单光子探测单元接收到的后向传输光为单光子脉冲。

实施例2：

本实施例与实施例1的功能模块联接关系不同之处在于：普通光电探测单元和单光子探测单元共用一个雪崩光电二极管，相应的，本实施例的光时域反射仪不设置光分路器，而另外设置控制数据选择器12，主控单元9的端口931向数据选择器12发送控制指令。

本实施例光时域反射仪如图5所示，包括脉冲光源1、电控光纤衰减器2、环形器3、待测试光纤4、高压电源模块5、雪崩光电二极管模块6、门脉冲发生器7、光子计数模块8、主控单元9、限幅放大器64、脉冲鉴别器65、数据选择器12(即数据路径选择单元)、 数据采集模块13、信号放大模块14，雪崩光电二极管模块6内设置有热电制冷器(TEC)61、温度传感器62、雪崩光电二极管(APD)63，主控单元9可参考实施例1。

数据路径选择单元12设有一个输入端、两个输出端和一个控制端，一输入端与雪崩光电二极管模块6内置的雪崩光电二极管63的阳极连接，两个输出端分别与普通探测单元的数据处理模块和单光子探测单元的数据处理模块连接，控制端与主控单元9连接以接收相应的控制信号以控制将雪崩光电二极管63输出的信号输出给普通探测单元的数据处理模块或单光子探测单元的数据处理模块。

普通探测单元的数据处理模块包括数据采集模块13、信号放大模块14。单光子探测单元的数据处理模块包括光子计数模块8、限幅放大器10、脉冲鉴别器11。

在本实施例中，主控单元的端口941联接高压电源模块5，高压电源模块5接入雪崩光电二极管63的阴极。主控单元的端口939联接门脉冲发生器7，门脉冲发生器7接入雪崩光电二极管63的阴极。主控单元的端口931联接数据选择器12，其端口971依次通过光子计数模块8、限幅放大器10、脉冲鉴别器11后联接数据选择器12(即数据路径选择单元)，其端口981依次通过数据采集模块13、信号放大模块14后联接数据选择器12，数据选择器12接入雪崩光电二极管613的阳极。

主控单元9产生电脉冲，驱动脉冲光源1发出脉冲光；脉冲光经过电控光纤衰减器2输入到光纤环形器3中，电控光纤衰减器2的衰减值由主控单元9予以控制。脉冲光经过光纤环形器3后输入到待测试光纤4中，脉冲光在待测试光纤4的传播过程中产生瑞利散射，后向瑞利散射光经过光纤环形器3后进入到雪崩光电二极管模块6的雪崩光电二极管(APD)63中，由主控单元9通过高压电源模块5、门脉冲发生器7、热电制冷器(TEC)61、温度传感器62控制雪崩光电二极管63的工作状态。

当工作在普通OTDR模式时，由主控单元9控制高压电源模块5，输出略小于雪崩电压Vb_(r)的直流偏置电压Vb加载到雪崩光电二极管63的阴极，雪崩光电二极管63工作在线性模式，将光信号转换为电信号输入到数据选择器12中，主控单元9内部的主控制器93通过第一端口931控制信号数据选择器12将电信号输入到信号放大模块14中，信号放大模块14将电信号放大到0.2～0.5V后输入到数据采集模块13中，数据采集模块13实现信号模拟到数字转换，最后输入到主控单元9中，主控单元9内部的主控制器93通过第七端口937控制数据选择97将端口981的数据输入到主控制器93中，主控制器93得到的数据是携带了待测试光纤损耗信息OTDR损耗曲线，主控制器93采用常用的两点 法、最小二乘法、Gabor变换法、小波变换法等经典的算法分析数据，得到待测试光纤4的损耗、衰减、反射等事件信息。

当工作在单光子探测OTDR模式时，由主控单元9控制高压电源模块5产生偏置电压、控制门脉冲发生器7产生门脉冲加载到雪崩光电二极管63的阴极，雪崩光电二极管63工作在盖革门控模式，将后向散射的单光子信号转换成电脉冲信号输入到数据选择器12，主控单元9内部的主控制器93通过第一端口931控制信号数据选择器12将电信号输入到脉冲鉴别器11中，脉冲鉴别器11实现鉴别单光子脉冲与噪声脉冲，将单光子电脉冲输出到限幅放大器1；限幅放大器10把电脉冲信号限制在5V左右的TTL电平输入到光子计数模块8中，光子计数模块8将计数结果输入到主控单元9中，主控单元9内部的主控制器93通过第七端口937控制数据选择97将端口971的数据输入到主控制器93中，主控制器93得到的数据是携带了待测试光纤损耗信息OTDR损耗曲线，主控制器93采用常用的两点法、最小二乘法、Gabor变换法、小波变换法等经典的算法分析数据，得到待测试光纤4的损耗、衰减、反射等事件信息。

与实施例1相比，本实施例系统中普通OTDR模式、单光子探测OTDR模式共用一个雪崩光电二极管，通过切换雪崩光电二极管的驱动方式、后续信号处理的方法实现普通OTDR、单光子探测OTDR功能的融合、成本更低，并且更有利于产品小型化。

实施例3：

本实施例与实施例1的不同之处在于：光分路器选用99:1的光纤耦合器，其中，分光比为99这一路光纤接入到第一雪崩光电二极管7，分光比为1的这一路光纤接入到单光子探测器6，相应的，主控单元9通过端口931控制。

在实际应用时，可以直接采用光纤耦合器实现，其分束比可根据应用需求调整，通常使进入普通探测为单元的光能量比进入单光子探测单元的大。

本实施例其它内容可参考实施例1。

实施例4：

本实施例与实施例1的不同之处在于：第一雪崩光电二极管7、第二雪崩光电二极管613选用硅基材料的APD。

本实施例其它内容可参考实施例1。

本领域的普通技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (7)

1.一种光时域反射仪，包括主控单元和普通探测单元，普通探测单元测量探测脉冲在待测试光纤中传输时返回的后向传输光的强度并反馈给主控单元以进行事件分析得到测试结果，所述测试结果包括是否有故障，以及相应的故障区域，其特征在于，还包括单光子探测单元，用于在所述测试结果有故障时测量探测脉冲在待测试光纤中传输时故障区域返回的后向传输光的强度，并反馈给主控单元以进行事件分析得到故障点的精确位置；所述普通探测单元用于测量非单光子级别的光信号强度；所述单光子探测单元用于测量单光子级别的光信号强度。

2.如权利要求1所述的光时域反射仪，其特征在于，还包括受控于所述主控单元的衰减器，在单光子探测器测量后向传输光的强度时，所述主控单元对输入至待测试光纤中的探测脉冲进行衰减使进入单光子探测单元的后向传输光为单光子脉冲。

3.如权利要求2所述的光时域反射仪，其特征在于，还包括一光分路单元，用于将所述后向传输光分为两路，一路输入到普通探测单元，另一路输入到单光子探测单元。

4.如权利要求2所述的光时域反射仪，其特征在于，还包括一受控于所述主控单元的光开关单元，用于控制所述后向传输光的路径使其进入普通探测单元和单光子探测单元中的一个。

5.如权利要求2所述的光时域反射仪，其特征在于，还包括一受控于所述主控单元的电开关单元，用于控制普通探测单元和单光子探测单元的探测结果的传输路径使其中一个进入主控单元。

6.如权利要求2所述的光时域反射仪，其特征在于，普通探测单元和单光子探测单元均包括光电探测模块和相应的数据处理模块，光电探测模块用于对接收到的后向传输光进行光电转换输出相应的电信号；数据处理模块用于对所述的电信号进行相应的后处理以得到接收到的后向传输光的强度；所述普通探测单元和单光子探测单元共用同一个雪崩光电二极管作为光电探测模块，且所述单光子探测单元还包括在所述主控单元的控制下驱动所述雪崩光电二极管使其进行单光子探测的驱动电路。

7.如权利要求6所述的光时域反射仪，其特征在于，还包括数据路径选择单元，用于在主控单元的作用下使雪崩光电二极管输出的电信号进入普通探测单元的数据处理模块或单光子探测单元的数据处理模块。