本發(fā)明屬于光纖測試技術領域，特別是涉及一種光時域反射儀及光纖測試方法。

背景技術：

光時域反射儀(OTDR)是一種精密的光電一體化儀表，其利用光在光纖內(nèi)傳輸時瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射光制作而成，被廣泛應用于光纜線路的維護和施工中，可對光纖長度、光傳輸損耗、接頭損耗等進行測量，并可對故障點進行定位。

普通OTDR的雪崩光電二極管工作在線性模式，無需考慮后脈沖效應，因此，可以工作在連續(xù)采集狀態(tài)，具有測量時間快的優(yōu)點。但由于工作在線性模式的雪崩光電二極管增益低，無法探測弱小光信號，因此，OTDR的測量精度和測量距離受到限制。

單光子探測OTDR可探測到比熱噪聲還小的極微弱光信號，因而可以得到更高的測量精度、更遠的測量距離和更大的動態(tài)范圍。但其雪崩光電二極管工作在蓋革門控模式，受后脈沖影響，單光子探測器具有一定的死時間，這導致探測器門脈沖重復頻率低，單光子探測OTDR工作在逐點掃描模式，具有較長的探測時間，且測量精度越高、掃描點數(shù)越多，所需的時間約長。文獻《Photon Counting OTDR:Advantages and Limitations》(2010年，Journal of Lightwave Technology,28(6))中提及在OTDR中采用單光子探測技術，使OTDR動態(tài)范圍提升了10dB、空間分辨率提升了20倍，性能得到了極大的提升。同時，該文獻也提出單光子探測OTDR測量時間比普通OTDR要長很多，如200km一次測量需要6小時，限制了其應用。

目前已提出的針對單光子探測OTDR測量時間長的解決方案，多從解決單光子探測器后脈沖的問題入手。如專利申請?zhí)枮?01310600853.4的一種基于超導納米線單光子探測器(SNSPD)的光時域反射計，因SNSPD幾乎沒有后脈沖效應，所以可以解決測量時間的問題。但，SNSPD工作在絕對零度附近，對制冷要求很高，需要外接低溫液氦杜瓦瓶或設計專門的閉合循環(huán)冷藏室等。即此類型的解決方案具有系統(tǒng)設計復雜、成本高、體積大等缺點，不利于實際應用，無法推廣。

綜上，現(xiàn)有技術存在的問題是：

1)在普通OTDR中，雪崩光電二極管工作在線性模式，無需考慮后脈沖效應，因此可以工作在連續(xù)采集狀態(tài)，具有測量時間快的優(yōu)點。但由于工作在線性模式的雪崩光電二極管增益低，無法探測弱小光信號，因此，測量精度和測量距離受到限制。

2)在單光子探測OTDR中，可以實現(xiàn)對低于熱噪聲的微弱光信號的探測，即使散射信號因精度或距離原因弱小到只有單光子狀態(tài)，仍然可以探測到，保證了很高的測量精度與量程。但是，此時雪崩光電二極管工作在蓋革門控模式下，后脈沖概率大，需要設置很長的死時間才能消除后脈沖的影響。因此，只能工作在逐點掃描模式，完成一次測量任務往往需要數(shù)小時。

3)目前已有的基于超導納米線單光子探測器(SNSPD)的OTDR幾乎沒有后脈沖效應，可以解決測量時間的問題，但是，SNSPD工作在絕對零度附近，對制冷要求很高，需要外接低溫液氦杜瓦瓶或設計專門的閉合循環(huán)冷藏室，成本高、體積龐大，不適合產(chǎn)品化應用。

技術實現(xiàn)要素：

為解決本現(xiàn)有技術存在的上述技術問題，本發(fā)明技術方案從普通OTDR和單光子探測OTDR兩者優(yōu)缺點互補的角度考慮，將兩種測量思路和基本結構融合入一個設計中，融合了普通OTDR和單光子探測OTDR的優(yōu)點，使本發(fā)明技術方案具有普通OTDR的測量速度，同時又具有單光子探測OTDR的測量精度，實現(xiàn)了快速掃描與高精度測量的結合。本發(fā)明系統(tǒng)設計簡單，且節(jié)約系統(tǒng)資源。

為達到上述目的，本發(fā)明采取如下技術方案：

一種光時域反射儀，包括主控單元和普通探測單元，普通探測單元測量探測脈沖在待測試光纖中傳輸時返回的后向傳輸光的強度并反饋給主控單元以進行事件分析得到測試結果，所述測試結果包括是否有故障，以及相應的故障區(qū)域，還包括單光子探測單元，用于在所述測試結果有故障時測量探測脈沖在待測試光纖中傳輸時故障區(qū)域返回的后向傳輸光的強度，并反饋給主控單元以進行事件分析得到故障點的精確位置；所述普通探測單元用于測量非單光子級別的光信號強度；所述單光子探測單元用于測量單光子級別的光信號強度。

本發(fā)明中非單光子級別的光信號強度為功率遠大于單光子級別的經(jīng)典光信號，如功率為納瓦級的光脈沖。

本發(fā)明的光時域反射儀中所述的主控單元采用微處理器實現(xiàn)，如單片機、FPGA、DSP芯片等。

本發(fā)明的光時域反射儀中主控單元利用接收到的后向傳輸光的強度變化進行事件分析(具體指衰減事件、反射事件等)，可采用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經(jīng)典的算法對探測單元(普通探測單元或單光子探測單元)反饋的探測結果(即探測到的后向傳輸光的強度)進行處理，進而得到待測試光纖的損耗、衰減、反射等事件信息，并根據(jù)這些事件信息形成輸出相應的測試結果，所述測試結果包括信道是否存在故障、以及故障點的位置等。

本發(fā)明的光時域反射儀，實際上可以理解為具有兩種工作模式，分別為粗掃模式和精掃模式，具體工作模式受控于主控單元：

粗掃模式下，后向傳輸光經(jīng)由普通探測單元進行探測并將探測結果(即探測到的光的強度)反饋給主控單元；精掃模式下，后向傳輸光經(jīng)由單光子探測單元進行探測并將探測結果反饋給主控單元；

且在粗掃模式下主控單元得到的故障分析結果為有故障，則主控單元自動使所述光時域反射儀切換至精掃模式，且根據(jù)故障分析結果設定相應的精掃區(qū)域(設定為故障區(qū)域)。

對待測試光纖進行測試時，先進行粗掃，采用普通探測單元進行探測時，探測速度快，時間消耗小，能夠迅速確定是否存在故障，但是其測量精度不高，最高能夠達到1m，得到的故障點位置通常為一個范圍(該范圍的長度等于測量精度，即故障區(qū)域)，進一步切換為精掃模式，且在精掃模式下根據(jù)粗掃的測試結果中故障點的位置信息先設定精掃的掃描范圍，然后采用單光子探測單元進行探測以對設定的范圍進行測量掃描，進而能夠得到故障點的精確位置，將二者結合，一方面提高了測量精度，另一方面大大縮減了測量時間。

單光子探測器僅在接收到的光為單光子級別時才能輸出有用的探測結果。因此，所述的光時域反射儀還包括一受控于所述主控單元的衰減器(通常為電控光纖衰減器)，在精掃模式下，主控單元對輸入至待測試光纖中的探測脈沖進行衰減使進入單光子探測單元的后向傳輸光為單光子脈沖。

為保證可以單光子探測單元和普通探測單元能夠接收到后向傳輸光(可以是所有后向傳輸光的一部分，也可以為所有后向傳輸光)，所述的光時域反射儀還包括一光分路單元，用于將所述后向傳輸光分為兩路，一路輸入到普通探測單元，另一路輸入到單光子探測單元。

作為優(yōu)選，所述的光分路單元通過光纖耦合器實現(xiàn)，將分束比大的一路輸入到普通探測單元，分束比小的一路輸入到單光子探測單元。

該光分路單元通過光纖耦合器實現(xiàn)，其分束比可根據(jù)應用需求調(diào)整，通常使進入普通探測為單元的光能量比進入單光子探測單元的大。作為優(yōu)選，所述分束比為99:1，分束比為1的一路輸入到單光子探測單元；分束比為99的一路輸入到普通探測單元。

作為另外一種實現(xiàn)方法，所述的光時域反射儀還包括一受控于所述主控單元的光開關單元，用于控制所述后向傳輸光的路徑使其進入普通探測單元和單光子探測單元中的一個。

所述光開關單元可以采用一個受控于主控單元1×2的光開關實現(xiàn)。

作為另一種實現(xiàn)方法，還可以在單光子探測單元和普通探測單元的輸出端進行選擇，由于二者均向主控單元輸出探測結果(接收到的后向傳輸光的強度值對應的電信號)，因此，可以設置在所述光時域反射儀中設置一個一受控于所述主控單元的電開關單元，用于控制普通探測單元和單光子探測單元的探測結果的傳輸路徑使其中一個進入主控單元。

所述電開關單元可以為兩個相互聯(lián)動(此開彼關)、且受控于主控單元的電開關，分別設置于普通探測單元和單光子探測單元的光接收端處。也可以直接采用一個受控于主控單元的1×2的電開關實現(xiàn)。

本發(fā)明的光時域反射儀中，普通探測單元和單光子探測單元均包括光電探測模塊和相應的數(shù)據(jù)處理模塊，光電探測模塊用于對接收到的后向傳輸光進行光電轉換輸出相應的電信號；數(shù)據(jù)處理模塊用于對所述的電信號進行相應的后處理以得到接收到的后向傳輸光的強度；所述普通探測單元和單光子探測單元共用同一個雪崩光電二極管作為光電探測模塊，且所述單光子探測單元還包括在所述主控單元的控制下驅(qū)動所述雪崩光電二極管使其進行單光子探測的驅(qū)動電路。在共用同一雪崩光電二極管的情況下，作為另外一種分路實現(xiàn)方式，本發(fā)明的光時域反射儀還包括數(shù)據(jù)路徑選擇單元，用于在主控單元的作用下使雪崩光電二極管輸出的電信號進入普通探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊或單光子探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊。

所述的數(shù)據(jù)路徑選擇單元設有一個輸入端、兩個輸出端和一個控制端，一輸入端與雪崩光電二極管的輸出端連接，兩個輸出端分別與普通探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊和單光子探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊連接，控制端與主控單元連接以接收相應的控制信號以控制將將雪崩光電二極管輸出的信號輸出給普通探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊或單光子探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊。

本發(fā)明還提供了一種光纖測試方法，包括如下步驟：

向待測試光纖發(fā)射探測脈沖，并采用普通探測單元測量探測脈沖在待測試光纖中傳輸時返回的后向傳輸光的強度；

根據(jù)普通探測單元探測到的強度進行事件分析以得到測試結果，所述測試結果包括是否有故障，以及相應的故障區(qū)域；

在所述測試結果有故障時，繼續(xù)采用基于單光子探測的單光子探測單元測量探測脈沖在所述待測試光纖中傳輸時所述故障區(qū)域返回的后向傳輸光的強度，并根據(jù)所述測量到的強度進行事件分析得到故障點的位置；

所述普通探測單元基于雪崩光電二極管進行探測，所述單光子探測單元基于單光子探測器實現(xiàn)；

所述普通探測單元用于測量非單光子級別的光信號強度；所述單光子探測單元用于測量單光子級別的光信號強度。

作為優(yōu)選，所述事件分析基于強度變化進行。

可采用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經(jīng)典的算法對探測單元(普通探測單元或單光子探測單元)反饋的探測結果(即探測到的后向傳輸光的強度)進行處理，進而得到待測試光纖的損耗、衰減、反射等事件信息作為事件分析的結果。

在采用單光子探測單元測量時，對輸入至待測試光纖中的探測脈沖進行衰減使單光子探測單元接收到的后向傳輸光為單光子脈沖。

本發(fā)明中所述的非單光子級別的光信號指光信號的強度大于單光子的信號強度，采用普通的光電探測器即可探測其強度。

本發(fā)明光時域反射儀具有如下有益效果：本發(fā)明具有普通OTDR的測量速度，同時又具有單光子探測OTDR的測量精度，實現(xiàn)了快速掃描與高精度測量的結合，并且結構簡單、易于實現(xiàn)。

附圖說明

圖1是實施例1的光時域反射儀的功能模塊框圖。

圖2是主控單元的功能模塊框圖。

圖3是單光子探測器的功能模塊框圖。

圖4是單光子探測器參數(shù)優(yōu)化設置流程。

圖5是實施例2的光時域反射儀的功能模塊框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例作詳細說明。

實施例1：

本實施例的光時域反射儀包括脈沖光源1、電控光纖衰減器2、環(huán)形器3、待測試光纖4、光分路器5、單光子探測器6、第一雪崩光電二極管(APD)7、光子計數(shù)模塊8、主控單元9、數(shù)據(jù)采集模塊10、信號放大模塊11；其中，單光子探測器6和光子計數(shù)模塊8屬于單光子探測單元，第一雪崩光電二極管(APD)7、數(shù)據(jù)采集模塊10和信號放大模塊11屬于普通探測單元。

實際上待測試光纖4并不是光時域反射儀的一部分，利用該光時域反射儀測試待測試光纖4時將測試光纖與光時域反射儀環(huán)形器的一個端口連接，使脈沖光源發(fā)出的探測光經(jīng)過電控光纖衰減器后進入待測試光纖4。

單光子探測器6包括雪崩光電二極管模塊61、高壓電源模塊62、門脈沖發(fā)生器63、限幅放大器64、脈沖鑒別器65，雪崩光電二極管模塊61內(nèi)設置有第二雪崩光電二極管(APD)613、熱電制冷器(TEC)611、溫度傳感器612。

主控單元9基于微處理器實現(xiàn)，具體包括脈沖發(fā)生器91、光纖衰減器(VOA)驅(qū)動器92、STM32F429單片機93、數(shù)模轉換器(D/A)94、TEC驅(qū)動器95、模數(shù)轉換器(A/D)96、數(shù)據(jù)選擇器97；STM32F429單片機93實現(xiàn)信號處理與控制功能，至少有9個控制端口，其中第一端口931與光分路器5相聯(lián)，用于控制光分路器5的光分路選擇；第二端口932與脈沖發(fā)生器91相聯(lián)，用于控制脈沖發(fā)生器91產(chǎn)生驅(qū)動脈沖；第三端口933與光纖衰減器(VOA)驅(qū)動器92相聯(lián)，用于控制VOA驅(qū)動器92調(diào)節(jié)光功率的大?。坏谒亩丝?34與數(shù)模轉換器(D/A)94相聯(lián)，用于控制D/A轉換器94調(diào)節(jié)輸出電壓；第五端口935與TEC驅(qū)動器95相聯(lián)，用于控制TEC驅(qū)動器95調(diào)節(jié)TEC驅(qū)動電流的大??；第六端口936與模數(shù)轉換器(A/D)96相聯(lián)，用于接收A/D轉換器96輸出的數(shù)字信號；第七端口937及第八端口938都與數(shù)據(jù)選擇器97相聯(lián)，第七端口937用于控制數(shù)據(jù)選擇器97的信號選擇，第八端口938用于接收數(shù)據(jù)選擇器97輸出的信號；第九端口939與單光子探測器6的門脈沖發(fā)生器63的端口631相聯(lián)，用于控制單光子探測器6內(nèi)部的門脈沖發(fā)生器63產(chǎn)生門脈沖信號。

脈沖發(fā)生器91的端口911與脈沖光源1相聯(lián)，脈沖光源1與電控光纖衰減器2相聯(lián)，電控光纖衰減器2與環(huán)形器3相聯(lián)，環(huán)形器3與待測試光纖4相聯(lián)。電控光纖衰減器2還與光纖衰減器(VOA)驅(qū)動器92的端口921相聯(lián)。

數(shù)模轉換器(D/A)94的端口941與高壓電源模塊62的端口621相聯(lián)。TEC驅(qū)動器95的端口951與熱電制冷器(TEC)611的端口651相聯(lián)。模數(shù)轉換器(A/D)96的端口961與溫度傳感器612的端口661相聯(lián)。數(shù)據(jù)選擇器97的端口971與光子計數(shù)模塊8相聯(lián)，光子計數(shù)模塊8與限幅放大器64的端口641相聯(lián)。數(shù)據(jù)選擇器97的端口981與數(shù)據(jù)采集模塊10相聯(lián)，數(shù)據(jù)采集模塊10通過信號放大模塊11、雪崩光電二極管7后與光分路器5相聯(lián)。

高壓電源模塊62、門脈沖發(fā)生器63都接入第二雪崩光電二極管(APD)613的陰極。

限幅放大器64與脈沖鑒別器65相聯(lián)，脈沖鑒別器65接入第二雪崩光電二極管(APD)613的陽極。

主控單元9內(nèi)部的單片機93產(chǎn)生觸發(fā)信號觸發(fā)脈沖發(fā)生器91產(chǎn)生驅(qū)動電脈沖，驅(qū)動光源模塊1發(fā)出脈沖光；脈沖光經(jīng)過電控光纖衰減器2輸入到光纖環(huán)形器3中，電控光纖衰減器2的衰減值由主控單元9通過VOA驅(qū)動器92控制。脈沖光經(jīng)過光纖環(huán)形器3后輸入到待測試光纖4中，脈沖光在待測試光纖4的傳播過程中產(chǎn)生瑞利散射，后向瑞利散射光經(jīng)過光纖環(huán)形器3后進入到光分路器5中。本實施例的光分路器5可以是1*2的光開關，由主控單元9通過第一端口931控制光開關的開關狀態(tài)，該光開關位于普通探測單元和單光子探測單元，受控于所述主控單元的光開關單元，用于控制所述后向傳輸光的路徑使其進入普通探測單元和單光子探測單元中的一個。

本實施例的本發(fā)明的光時域反射儀，具有兩種工作模式，分別為粗掃模式和精掃模式，具體工作模式受控于主控單元：

粗掃模式下，后向傳輸光經(jīng)由普通探測單元進行探測并將探測結果(即探測到的光的強度)反饋給主控單元；精掃模式下，后向傳輸光經(jīng)由單光子探測單元進行探測并將探測結果反饋給主控單元；

且在粗掃模式下主控單元得到的故障分析結果為有故障，則主控單元自動使所述光時域反射儀切換至精掃模式，且根據(jù)故障分析結果設定相應的精掃區(qū)域(設定為故障區(qū)域)。

當工作在普通OTDR模式(即粗掃模式)時，后向傳輸光信號經(jīng)過光分路器5到達第一雪崩光電二極管7，第一雪崩光電二極管7將接收到的后向傳輸光信號轉換成電信號輸入到信號放大模塊11中，信號放大模塊11將電信號放大到0.2～0.5V后輸入到數(shù)據(jù)采集模塊10中，數(shù)據(jù)采集模塊10實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號轉換，最后輸入到主控單元9中。主控單元9內(nèi)部的單片機93通過第七端口937控制數(shù)據(jù)選擇97將端口981的數(shù)據(jù)輸入到主控制器93中，單片機93得到的數(shù)據(jù)是待測試光纖的后向瑞利散射光的強度數(shù)據(jù)(后向瑞利散射數(shù)據(jù)攜帶有光纖通道的損耗信息)，單片機93采用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經(jīng)典的算法對數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進行處理得到待測試光纖4的損耗、衰減、反射等信息，進而完成事件分析。

當工作在單光子探測OTDR模式(即細掃模式)時，后向傳輸光信號經(jīng)過光分路器5到達單光子探測器6內(nèi)部的雪崩光電二極管模塊61中；雪崩光電二極管模塊61將單光子信號進行光電轉換，形成電子脈沖信號輸入到脈沖鑒別器65中，脈沖鑒別器65實現(xiàn)鑒別單光子脈沖與噪聲脈沖，將單光子電脈沖輸出到限幅放大器64；限幅放大器64把電脈沖信號限制在5V左右的TTL電平輸入到光子計數(shù)模塊8中，光子計數(shù)模塊8根據(jù)來自限幅放大器64的電脈沖信號實現(xiàn)對經(jīng)過待測試光纖的后向瑞利散射光的光子個數(shù)的計數(shù)，光子計數(shù)模塊8將計數(shù)結果輸入到主控單元9中，主控單元9內(nèi)部的主控制器93通過第七端口937控制數(shù)據(jù)選擇器97將端口971的數(shù)據(jù)輸入到單片機93中，單片機93得到的數(shù)據(jù)是攜帶了待測試光纖損耗信息OTDR損耗曲線，單片機93采用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經(jīng)典的算法對接收到的數(shù)據(jù)進行處理以得到待測試光纖4的損耗、衰減、反射等信息，進而完成事件分析。

單光子探測器6內(nèi)高壓電源模塊62的輸入端621與主控單元9的D/A轉換器94的輸出端口941相連，D/A轉換器94輸出0～5V的控制電壓，高壓電源模塊62相應的產(chǎn)生0～300V電壓，加載到雪崩光電二極管模塊61內(nèi)部的第二雪崩光電二極管613的陰極，單光子探測器6內(nèi)的門脈沖發(fā)生器的輸入端631與主控單元9的主控制器93的輸出端口939相連；門脈沖發(fā)生器63輸出門脈沖加載于雪崩光電二極管模塊61內(nèi)部的第二雪崩光電二極管613的陰極，門脈沖的幅度、頻率、寬度大小通過主控制器93可調(diào)；雪崩光電二極管模塊61內(nèi)還設置有熱電制冷器(TEC)611和溫度傳感器612，熱電制冷器611輸入端651與主控單元9的TEC驅(qū)動器95的輸出端口951相連，溫度傳感器612輸出端661與主控單元9的A/D轉換器96的輸出端入961相連，主控制器93通過A/D轉換器96實時讀取雪崩光電二極管模塊61的當前溫度，然后通過TEC驅(qū)動器95控制TEC 611的驅(qū)動電流，將雪崩光電二極管模塊61的溫度穩(wěn)定在設定的工作溫度，溫度的調(diào)節(jié)方法可以采用常用的PID算法實現(xiàn)，PID算法在主控制器93內(nèi)實現(xiàn)。通過優(yōu)化雪崩光電二極管61的直流偏置電壓、工作溫度(即工作溫度)、門脈沖的幅度、寬度這個幾個參數(shù)，使雪崩光電二極管7在單光子探測狀態(tài)下量子效率高，后脈沖概率小，且暗計數(shù)小，保持單光子OTDR探測時的最佳性能。

優(yōu)化時包括如下步驟：

步驟一，對單光子探測器進行初始化以設定各個參數(shù)的初始值，所述的參數(shù)包括直流偏置電壓、門脈沖寬度、門脈沖幅度和工作溫度；

步驟二，逐個對所述參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化任意一個參數(shù)時：固定其余參數(shù)，其中已優(yōu)化參數(shù)固定為的最優(yōu)值，未優(yōu)化的參數(shù)固定為其初始值，按照預設的步進遞增該參數(shù)的值直至到達最大值，以相應的初始值和每次遞增后的值作為中間值，針對每個中間值，將相應參數(shù)設為該中間值后去進行探測并采集測量數(shù)組，根據(jù)所有中間值的測量數(shù)組計算各個中間值對應的信噪比，選擇最大信噪比對應的中間值作為該參數(shù)的最優(yōu)值。

針對以上四個參數(shù)，可以采用任意順序逐個進行優(yōu)化。例如：可以按照直流偏置電壓、門脈沖寬度、門脈沖幅度和工作溫度的順序依次逐個優(yōu)化。也可以按照直流偏置電壓、門脈沖幅度、門脈沖寬度和工作溫度的順序依次逐個優(yōu)化。

偏置電壓大小決定了單光子探測器的量子效率，只有量子效率達到要求的條件下，單光子探測器才能探測到微弱的單光子信號，是優(yōu)化過程的基礎。因此，優(yōu)化過程首先對偏置電壓進行優(yōu)化，然后優(yōu)化了門脈沖的寬度和高度。對于工作溫度，單光子探測器為降低暗計數(shù)，通常工作在-20℃的低溫，但是工作溫度越低，后脈沖概率越大，而后脈沖概率單光子探測器用于OTDR模式的重要指標。因此，優(yōu)化過程最后還優(yōu)化了工作溫度。即優(yōu)化過程按直流偏置電壓→門脈沖寬度→門脈沖幅度→工作溫度順序進行。

參見圖4，本實施例單光子探測器的參數(shù)優(yōu)化時具體優(yōu)化過程如下：

步驟(a)，主控單元初始化參數(shù)設置，包括切換光分路器到單光子探測器設置單光子探測器內(nèi)部的初始直流偏置電壓Vb₍₀₎、初始門脈沖寬度Pdur₍₀₎、初始幅度Pamp₍₀₎、初始值工作溫度T₍₀₎。Vb₍₀₎的設置與APD的雪崩電壓Vb_(r)有關，通常比Vb_(r)小5～10V，如InGaAs的APD的Vb_(r)為40V，Vb₍₀₎設置為32V。

本實施例中門脈沖寬度Pdur₍₀₎、幅度Pamp₍₀₎的初始值分別設置為200ps，10V，門工作溫度的初始值T₍₀₎采用單光子探測APD常用的-20℃。設置門脈沖頻率為500MHz對應的距離采樣精度為20cm。

步驟(b)，利用該單光子探測器進行單光子脈沖探測(即進行單光子計數(shù))，同步采集時間相關計數(shù)模塊輸出的單光子信息，得到相應的測量數(shù)組X1[1 2,…,n,]；

該測量數(shù)組的維度等于對每個脈沖的采集次數(shù)。

步驟(c)，從Vb₍₀₎開始，增加直流偏置電壓Vb，增加的步進設置為1V，并在增加的直流偏置電壓后利用該單光子探測器進行單光子測量，得到第二組測量數(shù)組X2[1,2,…,n,]；

步驟(d)，重復步驟(c)，直到Vb<Vb_(max)，得到m組測量數(shù)組Xm[1,2,…,n,]，Vb_(max)表示直流偏置電壓Vb的最大值，取值為APD的雪崩電壓Vb_(r)，如InGaAs的APD的雪崩電壓Vb(r)為40V，Vb_(max)也設置為40V。

步驟(e)，主控單元計算各組測量數(shù)組的信噪比(S/N)，得到不同Vb對應下的不同信噪比值S/N，并根據(jù)計算結果選擇S/N最大值對應的Vb為最優(yōu)偏直流置電壓Vb_(opt)。

本實施例中信噪比S/N計算公式如下：

$\frac{S}{N}=10log\frac{\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&sigma;}},$

其中，μ是一組測量數(shù)組中所有元素的的平均值，x_m[i]表示第m組的第i個數(shù)據(jù)，

σ是一組測量數(shù)組Xm的標準差，

步驟(f)，將直流偏置電壓固定在Vb_(opt)，增加門脈沖寬度Pdur，門脈沖寬度增加的步進可以設置為50ps，最大門脈沖寬度Pdur_(max)可以設置為1000ps，重復步驟(b)得到在m組Pdur下的m組OTDR數(shù)據(jù)X1[1 2,…,n,]，X2[1 2,…,n,]…Xm[1 2,…,n,]；

步驟(g)，與步驟(e)相同，計算不同Pdur下數(shù)據(jù)的信噪比S/N，選擇S/N最大值對應的Pdur為最優(yōu)門脈沖寬度Pdur_(opt)；

步驟(h)，將直流偏置電壓固定在Vb_(opt)，門脈沖寬度固定在Pdur_(opt)，增加門脈沖幅度(Pamp)，Pamp增加的步進可以設置為2V，最大門脈沖寬度Pamp_(max)可以設置為20V，重復步驟(b)得到在m組Pamp下的m組OTDR數(shù)據(jù)X1[1 2,…,n,]，X2[1 2,…,n,]…Xm[1 2,…,n,]；步驟(i)，同步驟(e)，計算不同Pamp下的信噪比S/N，選擇S/N最大值對應的Pamp為最優(yōu)門脈沖幅度Pamp_(opt)；

步驟(j)，將直流偏置電壓固定在Vb_(opt)，門脈沖寬度固定在Pdur_(opt)，門脈沖幅度固定在Pamp_(opt)，逐步增加溫度T，T的增加步進可以設置為5℃，最高溫度設置在T_(max)設置為30℃。重復步驟(b)得到在m組T下測量的m組OTDR數(shù)據(jù)X1[1 2,…,n,]，X2[1 2,…,n,]…Xm[1 2,…,n,]；

步驟(k)，同步驟(e)，計算不同T下的信噪比S/N，選擇S/N最大值對應的T為最優(yōu)門工作溫度T_(opt)；

步驟(l)，得到Vb_(opt)、Pdur_(opt)(opt)、Pamp_(opt)、T_(opt)，優(yōu)化結束。

本發(fā)明中通過參數(shù)優(yōu)化使雪崩光電二極管在單光子探測狀態(tài)下量子效達高、后脈沖小、且暗計數(shù)小，極大的縮短了測量時間，能夠大幅度提升光時域反射儀的探測結果的可靠性。

進行參數(shù)優(yōu)化后固定各個優(yōu)化參數(shù)為優(yōu)化的都的最優(yōu)值，然后利用優(yōu)化后的光時域反射儀對待測試光纖進行測試：步驟如下：

步驟1，首先OTDR工作在普通模式，利用普通OTDR測量速度快的優(yōu)勢快速掃描整條待測試光纖線路，得到光纖損耗數(shù)據(jù)的全程分布；

步驟2，分析光纖線路的全程損耗數(shù)據(jù)，得到線路上損耗、衰減、反射等事件的位置信息；

步驟3，將OTDR切換到單光子探測模式，利用單光子探測器靈敏度高的優(yōu)勢，針對發(fā)生事件的位置進行精細掃描，得到精度更高的數(shù)據(jù)信息，可以更詳細的對事件進行分析。

本發(fā)明結合了普通OTDR和單光子探測OTDR的優(yōu)點，使其具有普通OTDR的測量速度，同時又具有單光子探測OTDR的測量精度，實現(xiàn)了快速掃描與高精度測量的結合；且本發(fā)明針對OTDR對探測器的需求，專門優(yōu)化了單光子APD工作的幾個主要參數(shù)，使其工作在效率高、后脈沖概率小的狀態(tài)，適合用于OTDR應用，特別是對APD的溫度控制只要控制其自帶的TEC即可，無需采用額外的溫度控制方式，控制方便、結構簡單、易于實現(xiàn)性價比高、小型化的帶單光子探測器功能的高精度、快速掃描OTDR。

利用該光時域反射儀進行光纖測試時，包括如下步驟：

向待測試光纖發(fā)射探測脈沖，并采用普通探測單元測量探測脈沖在待測試光纖中傳輸時返回的后向傳輸光的強度；

根據(jù)普通探測單元探測到的強度進行事件分析以得到測試結果，測試結果包括是否有故障，以及相應的故障區(qū)域；

在測試結果有故障時，繼續(xù)采用基于單光子探測的單光子探測單元測量探測脈沖在所述待測試光纖中傳輸時所述故障區(qū)域返回的后向傳輸光的強度，并根據(jù)所述測量到的強度變化進行事件分析得到故障點的位置。

在采用單光子探測單元測量時，對輸入至待測試光纖中的探測脈沖進行衰減使單光子探測單元接收到的后向傳輸光為單光子脈沖。

實施例2：

本實施例與實施例1的功能模塊聯(lián)接關系不同之處在于：普通光電探測單元和單光子探測單元共用一個雪崩光電二極管，相應的，本實施例的光時域反射儀不設置光分路器，而另外設置控制數(shù)據(jù)選擇器12，主控單元9的端口931向數(shù)據(jù)選擇器12發(fā)送控制指令。

本實施例光時域反射儀如圖5所示，包括脈沖光源1、電控光纖衰減器2、環(huán)形器3、待測試光纖4、高壓電源模塊5、雪崩光電二極管模塊6、門脈沖發(fā)生器7、光子計數(shù)模塊8、主控單元9、限幅放大器64、脈沖鑒別器65、數(shù)據(jù)選擇器12(即數(shù)據(jù)路徑選擇單元)、數(shù)據(jù)采集模塊13、信號放大模塊14，雪崩光電二極管模塊6內(nèi)設置有熱電制冷器(TEC)61、溫度傳感器62、雪崩光電二極管(APD)63，主控單元9可參考實施例1。

數(shù)據(jù)路徑選擇單元12設有一個輸入端、兩個輸出端和一個控制端，一輸入端與雪崩光電二極管模塊6內(nèi)置的雪崩光電二極管63的陽極連接，兩個輸出端分別與普通探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊和單光子探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊連接，控制端與主控單元9連接以接收相應的控制信號以控制將雪崩光電二極管63輸出的信號輸出給普通探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊或單光子探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊。

普通探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊13、信號放大模塊14。單光子探測單元的數(shù)據(jù)處理模塊包括光子計數(shù)模塊8、限幅放大器10、脈沖鑒別器11。

在本實施例中，主控單元的端口941聯(lián)接高壓電源模塊5，高壓電源模塊5接入雪崩光電二極管63的陰極。主控單元的端口939聯(lián)接門脈沖發(fā)生器7，門脈沖發(fā)生器7接入雪崩光電二極管63的陰極。主控單元的端口931聯(lián)接數(shù)據(jù)選擇器12，其端口971依次通過光子計數(shù)模塊8、限幅放大器10、脈沖鑒別器11后聯(lián)接數(shù)據(jù)選擇器12(即數(shù)據(jù)路徑選擇單元)，其端口981依次通過數(shù)據(jù)采集模塊13、信號放大模塊14后聯(lián)接數(shù)據(jù)選擇器12，數(shù)據(jù)選擇器12接入雪崩光電二極管613的陽極。。

主控單元9產(chǎn)生電脈沖，驅(qū)動脈沖光源1發(fā)出脈沖光；脈沖光經(jīng)過電控光纖衰減器2輸入到光纖環(huán)形器3中，電控光纖衰減器2的衰減值由主控單元9予以控制。脈沖光經(jīng)過光纖環(huán)形器3后輸入到待測試光纖4中，脈沖光在待測試光纖4的傳播過程中產(chǎn)生瑞利散射，后向瑞利散射光經(jīng)過光纖環(huán)形器3后進入到雪崩光電二極管模塊6的雪崩光電二極管(APD)63中，由主控單元9通過高壓電源模塊5、門脈沖發(fā)生器7、熱電制冷器(TEC)61、溫度傳感器62控制雪崩光電二極管63的工作狀態(tài)。

當工作在普通OTDR模式時，由主控單元9控制高壓電源模塊5，輸出略小于雪崩電壓Vb_(r)的直流偏置電壓Vb加載到雪崩光電二極管63的陰極，雪崩光電二極管63工作在線性模式，將光信號轉換為電信號輸入到數(shù)據(jù)選擇器12中，主控單元9內(nèi)部的主控制器93通過第一端口931控制信號數(shù)據(jù)選擇器12將電信號輸入到信號放大模塊14中，信號放大模塊14將電信號放大到0.2～0.5V后輸入到數(shù)據(jù)采集模塊13中，數(shù)據(jù)采集模塊13實現(xiàn)信號模擬到數(shù)字轉換，最后輸入到主控單元9中，主控單元9內(nèi)部的主控制器93通過第七端口937控制數(shù)據(jù)選擇97將端口981的數(shù)據(jù)輸入到主控制器93中，主控制器93得到的數(shù)據(jù)是攜帶了待測試光纖損耗信息OTDR損耗曲線，主控制器93采用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經(jīng)典的算法分析數(shù)據(jù)，得到待測試光纖4的損耗、衰減、反射等事件信息。

當工作在單光子探測OTDR模式時，由主控單元9控制高壓電源模塊5產(chǎn)生偏置電壓、控制門脈沖發(fā)生器7產(chǎn)生門脈沖加載到雪崩光電二極管63的陰極，雪崩光電二極管63工作在蓋革門控模式，將后向散射的單光子信號轉換成電脈沖信號輸入到數(shù)據(jù)選擇器12，主控單元9內(nèi)部的主控制器93通過第一端口931控制信號數(shù)據(jù)選擇器12將電信號輸入到脈沖鑒別器11中，脈沖鑒別器11實現(xiàn)鑒別單光子脈沖與噪聲脈沖，將單光子電脈沖輸出到限幅放大器1；限幅放大器10把電脈沖信號限制在5V左右的TTL電平輸入到光子計數(shù)模塊8中，光子計數(shù)模塊8將計數(shù)結果輸入到主控單元9中，主控單元9內(nèi)部的主控制器93通過第七端口937控制數(shù)據(jù)選擇97將端口971的數(shù)據(jù)輸入到主控制器93中，主控制器93得到的數(shù)據(jù)是攜帶了待測試光纖損耗信息OTDR損耗曲線，主控制器93采用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經(jīng)典的算法分析數(shù)據(jù)，得到待測試光纖4的損耗、衰減、反射等事件信息。

與實施例1相比，本實施例系統(tǒng)中普通OTDR模式、單光子探測OTDR模式共用一個雪崩光電二極管，通過切換雪崩光電二極管的驅(qū)動方式、后續(xù)信號處理的方法實現(xiàn)普通OTDR、單光子探測OTDR功能的融合、成本更低，并且更有利于產(chǎn)品小型化。

實施例3：

本實施例與實施例1的不同之處在于：光分路器選用99:1的光纖耦合器，其中，分光比為99這一路光纖接入到第一雪崩光電二極管7，分光比為1的這一路光纖接入到單光子探測器6，相應的，主控單元9通過端口931控制。

在實際應用時，可以直接采用光纖耦合器實現(xiàn)，其分束比可根據(jù)應用需求調(diào)整，通常使進入普通探測為單元的光能量比進入單光子探測單元的大。

本實施例其它內(nèi)容可參考實施例1。

實施例4：

本實施例與實施例1的不同之處在于：第一雪崩光電二極管7、第二雪崩光電二極管613選用硅基材料的APD。

本實施例其它內(nèi)容可參考實施例1。

本領域的普通技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。