一種光時域反射儀及光纖測試方法與流程
2023-04-27 17:14:47 2
本發明屬於光纖測試技術領域，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，其利用光在光纖內傳輸時瑞利散射和菲涅爾反射所產生的背向散射光製作而成，被廣泛應用於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，並可對故障點進行定位。
普通OTDR的雪崩光電二極體工作在線性模式，無需考慮後脈衝效應，因此，可以工作在連續採集狀態，具有測量時間快的優點。但由於工作在線性模式的雪崩光電二極體增益低，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範圍。但其雪崩光電二極體工作在蓋革門控模式，受後脈衝影響，單光子探測器具有一定的死時間，這導致探測器門脈衝重複頻率低，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中採用單光子探測技術，使OTDR動態範圍提升了10dB、空間解析度提升了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後脈衝的問題入手。如專利申請號為201310600853.4的一種基於超導納米線單光子探測器(SNSPD)的光時域反射計，因SNSPD幾乎沒有後脈衝效應，所以可以解決測量時間的問題。但，SNSPD工作在絕對零度附近，對製冷要求很高，需要外接低溫液氦杜瓦瓶或設計專門的閉合循環冷藏室等。即此類型的解決方案具有系統設計複雜、成本高、體積大等缺點，不利於實際應用，無法推廣。
綜上，現有技術存在的問題是：
1)在普通OTDR中，雪崩光電二極體工作在線性模式，無需考慮後脈衝效應，因此可以工作在連續採集狀態，具有測量時間快的優點。但由於工作在線性模式的雪崩光電二極體增益低，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，可以實現對低於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，仍然可以探測到，保證了很高的測量精度與量程。但是，此時雪崩光電二極體工作在蓋革門控模式下，後脈衝概率大，需要設置很長的死時間才能消除後脈衝的影響。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小時。
3)目前已有的基於超導納米線單光子探測器(SNSPD)的OTDR幾乎沒有後脈衝效應，可以解決測量時間的問題，但是，SNSPD工作在絕對零度附近，對製冷要求很高，需要外接低溫液氦杜瓦瓶或設計專門的閉合循環冷藏室，成本高、體積龐大，不適合產品化應用。
技術實現要素：
為解決本現有技術存在的上述技術問題，本發明技術方案從普通OTDR和單光子探測OTDR兩者優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的優點，使本發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，實現了快速掃描與高精度測量的結合。本發明系統設計簡單，且節約系統資源。
為達到上述目的，本發明採取如下技術方案：
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衝在待測試光纖中傳輸時返回的後向傳輸光的強度並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，以及相應的故障區域，還包括單光子探測單元，用於在所述測試結果有故障時測量探測脈衝在待測試光纖中傳輸時故障區域返回的後向傳輸光的強度，並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於測量非單光子級別的光信號強度；所述單光子探測單元用於測量單光子級別的光信號強度。
本發明中非單光子級別的光信號強度為功率遠大於單光子級別的經典光信號，如功率為納瓦級的光脈衝。
本發明的光時域反射儀中所述的主控單元採用微處理器實現，如單片機、FPGA、DSP晶片等。
本發明的光時域反射儀中主控單元利用接收到的後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)，可採用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經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(即探測到的後向傳輸光的強度)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，並根據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，具體工作模式受控於主控單元：
粗掃模式下，後向傳輸光經由普通探測單元進行探測並將探測結果(即探測到的光的強度)反饋給主控單元；精掃模式下，後向傳輸光經由單光子探測單元進行探測並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，且根據故障分析結果設定相應的精掃區域(設定為故障區域)。
對待測試光纖進行測試時，先進行粗掃，採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範圍(該範圍的長度等於測量精度，即故障區域)，進一步切換為精掃模式，且在精掃模式下根據粗掃的測試結果中故障點的位置信息先設定精掃的掃描範圍，然後採用單光子探測單元進行探測以對設定的範圍進行測量掃描，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於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衝進行衰減使進入單光子探測單元的後向傳輸光為單光子脈衝。
為保證可以單光子探測單元和普通探測單元能夠接收到後向傳輸光(可以是所有後向傳輸光的一部分，也可以為所有後向傳輸光)，所述的光時域反射儀還包括一光分路單元，用於將所述後向傳輸光分為兩路，一路輸入到普通探測單元，另一路輸入到單光子探測單元。
作為優選，所述的光分路單元通過光纖耦合器實現，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，其分束比可根據應用需求調整，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。
作為另外一種實現方法，所述的光時域反射儀還包括一受控於所述主控單元的光開關單元，用於控制所述後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採用一個受控於主控單元1×2的光開關實現。
作為另一種實現方法，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，由於二者均向主控單元輸出探測結果(接收到的後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於所述主控單元的電開關單元，用於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動(此開彼關)、且受控於主控單元的電開關，分別設置於普通探測單元和單光子探測單元的光接收端處。也可以直接採用一個受控於主控單元的1×2的電開關實現。
本發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據處理模塊，光電探測模塊用於對接收到的後向傳輸光進行光電轉換輸出相應的電信號；數據處理模塊用於對所述的電信號進行相應的後處理以得到接收到的後向傳輸光的強度；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體作為光電探測模塊，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動所述雪崩光電二極體使其進行單光子探測的驅動電路。在共用同一雪崩光電二極體的情況下，作為另外一種分路實現方式，本發明的光時域反射儀還包括數據路徑選擇單元，用於在主控單元的作用下使雪崩光電二極體輸出的電信號進入普通探測單元的數據處理模塊或單光子探測單元的數據處理模塊。
所述的數據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體的輸出端連接，兩個輸出端分別與普通探測單元的數據處理模塊和單光子探測單元的數據處理模塊連接，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體輸出的信號輸出給普通探測單元的數據處理模塊或單光子探測單元的數據處理模塊。
本發明還提供了一種光纖測試方法，包括如下步驟：
向待測試光纖發射探測脈衝，並採用普通探測單元測量探測脈衝在待測試光纖中傳輸時返回的後向傳輸光的強度；
根據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，以及相應的故障區域；
在所述測試結果有故障時，繼續採用基於單光子探測的單光子探測單元測量探測脈衝在所述待測試光纖中傳輸時所述故障區域返回的後向傳輸光的強度，並根據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於雪崩光電二極體進行探測，所述單光子探測單元基於單光子探測器實現；
所述普通探測單元用於測量非單光子級別的光信號強度；所述單光子探測單元用於測量單光子級別的光信號強度。
作為優選，所述事件分析基於強度變化進行。
可採用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經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(即探測到的後向傳輸光的強度)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。
在採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衝進行衰減使單光子探測單元接收到的後向傳輸光為單光子脈衝。
本發明中所述的非單光子級別的光信號指光信號的強度大於單光子的信號強度，採用普通的光電探測器即可探測其強度。
本發明光時域反射儀具有如下有益效果：本發明具有普通OTDR的測量速度，同時又具有單光子探測OTDR的測量精度，實現了快速掃描與高精度測量的結合，並且結構簡單、易於實現。
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優化設置流程。
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明優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衝光源1、電控光纖衰減器2、環形器3、待測試光纖4、光分路器5、單光子探測器6、第一雪崩光電二極體(APD)7、光子計數模塊8、主控單元9、數據採集模塊10、信號放大模塊11；其中，單光子探測器6和光子計數模塊8屬於單光子探測單元，第一雪崩光電二極體(APD)7、數據採集模塊10和信號放大模塊11屬於普通探測單元。
實際上待測試光纖4並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形器的一個埠連接，使脈衝光源發出的探測光經過電控光纖衰減器後進入待測試光纖4。
單光子探測器6包括雪崩光電二極體模塊61、高壓電源模塊62、門脈衝發生器63、限幅放大器64、脈衝鑑別器65，雪崩光電二極體模塊61內設置有第二雪崩光電二極體(APD)613、熱電製冷器(TEC)611、溫度傳感器612。
主控單元9基於微處理器實現，具體包括脈衝發生器91、光纖衰減器(VOA)驅動器92、STM32F429單片機93、數模轉換器(D/A)94、TEC驅動器95、模數轉換器(A/D)96、數據選擇器97；STM32F429單片機93實現信號處理與控制功能，至少有9個控制埠，其中第一埠931與光分路器5相聯，用於控制光分路器5的光分路選擇；第二埠932與脈衝發生器91相聯，用於控制脈衝發生器91產生驅動脈衝；第三埠933與光纖衰減器(VOA)驅動器92相聯，用於控制VOA驅動器92調節光功率的大小；第四埠934與數模轉換器(D/A)94相聯，用於控制D/A轉換器94調節輸出電壓；第五埠935與TEC驅動器95相聯，用於控制TEC驅動器95調節TEC驅動電流的大小；第六埠936與模數轉換器(A/D)96相聯，用於接收A/D轉換器96輸出的數位訊號；第七埠937及第八埠938都與數據選擇器97相聯，第七埠937用於控制數據選擇器97的信號選擇，第八埠938用於接收數據選擇器97輸出的信號；第九埠939與單光子探測器6的門脈衝發生器63的埠631相聯，用於控制單光子探測器6內部的門脈衝發生器63產生門脈衝信號。
脈衝發生器91的埠911與脈衝光源1相聯，脈衝光源1與電控光纖衰減器2相聯，電控光纖衰減器2與環形器3相聯，環形器3與待測試光纖4相聯。電控光纖衰減器2還與光纖衰減器(VOA)驅動器92的埠921相聯。
數模轉換器(D/A)94的埠941與高壓電源模塊62的埠621相聯。TEC驅動器95的埠951與熱電製冷器(TEC)611的埠651相聯。模數轉換器(A/D)96的埠961與溫度傳感器612的埠661相聯。數據選擇器97的埠971與光子計數模塊8相聯，光子計數模塊8與限幅放大器64的埠641相聯。數據選擇器97的埠981與數據採集模塊10相聯，數據採集模塊10通過信號放大模塊11、雪崩光電二極體7後與光分路器5相聯。
高壓電源模塊62、門脈衝發生器63都接入第二雪崩光電二極體(APD)613的陰極。
限幅放大器64與脈衝鑑別器65相聯，脈衝鑑別器65接入第二雪崩光電二極體(APD)613的陽極。
主控單元9內部的單片機93產生觸發信號觸發脈衝發生器91產生驅動電脈衝，驅動光源模塊1發出脈衝光；脈衝光經過電控光纖衰減器2輸入到光纖環形器3中，電控光纖衰減器2的衰減值由主控單元9通過VOA驅動器92控制。脈衝光經過光纖環形器3後輸入到待測試光纖4中，脈衝光在待測試光纖4的傳播過程中產生瑞利散射，後向瑞利散射光經過光纖環形器3後進入到光分路器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通過第一埠931控制光開關的開關狀態，該光開關位於普通探測單元和單光子探測單元，受控於所述主控單元的光開關單元，用於控制所述後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，具體工作模式受控於主控單元：
粗掃模式下，後向傳輸光經由普通探測單元進行探測並將探測結果(即探測到的光的強度)反饋給主控單元；精掃模式下，後向傳輸光經由單光子探測單元進行探測並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，且根據故障分析結果設定相應的精掃區域(設定為故障區域)。
當工作在普通OTDR模式(即粗掃模式)時，後向傳輸光信號經過光分路器5到達第一雪崩光電二極體7，第一雪崩光電二極體7將接收到的後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後輸入到數據採集模塊10中，數據採集模塊10實現模擬信號到數位訊號轉換，最後輸入到主控單元9中。主控單元9內部的單片機93通過第七埠937控制數據選擇97將埠981的數據輸入到主控制器93中，單片機93得到的數據是待測試光纖的後向瑞利散射光的強度數據(後向瑞利散射數據攜帶有光纖通道的損耗信息)，單片機93採用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經典的算法對數據採集模塊採集到的數據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，後向傳輸光信號經過光分路器5到達單光子探測器6內部的雪崩光電二極體模塊61中；雪崩光電二極體模塊61將單光子信號進行光電轉換，形成電子脈衝信號輸入到脈衝鑑別器65中，脈衝鑑別器65實現鑑別單光子脈衝與噪聲脈衝，將單光子電脈衝輸出到限幅放大器64；限幅放大器64把電脈衝信號限制在5V左右的TTL電平輸入到光子計數模塊8中，光子計數模塊8根據來自限幅放大器64的電脈衝信號實現對經過待測試光纖的後向瑞利散射光的光子個數的計數，光子計數模塊8將計數結果輸入到主控單元9中，主控單元9內部的主控制器93通過第七埠937控制數據選擇器97將埠971的數據輸入到單片機93中，單片機93得到的數據是攜帶了待測試光纖損耗信息OTDR損耗曲線，單片機93採用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經典的算法對接收到的數據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的輸出埠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相應的產生0～300V電壓，加載到雪崩光電二極體模塊61內部的第二雪崩光電二極體613的陰極，單光子探測器6內的門脈衝發生器的輸入端631與主控單元9的主控制器93的輸出埠939相連；門脈衝發生器63輸出門脈衝加載於雪崩光電二極體模塊61內部的第二雪崩光電二極體613的陰極，門脈衝的幅度、頻率、寬度大小通過主控制器93可調；雪崩光電二極體模塊61內還設置有熱電製冷器(TEC)611和溫度傳感器612，熱電製冷器611輸入端651與主控單元9的TEC驅動器95的輸出埠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體模塊61的當前溫度，然後通過TEC驅動器95控制TEC 611的驅動電流，將雪崩光電二極體模塊61的溫度穩定在設定的工作溫度，溫度的調節方法可以採用常用的PID算法實現，PID算法在主控制器93內實現。通過優化雪崩光電二極體61的直流偏置電壓、工作溫度(即工作溫度)、門脈衝的幅度、寬度這個幾個參數，使雪崩光電二極體7在單光子探測狀態下量子效率高，後脈衝概率小，且暗計數小，保持單光子OTDR探測時的最佳性能。
優化時包括如下步驟：
步驟一，對單光子探測器進行初始化以設定各個參數的初始值，所述的參數包括直流偏置電壓、門脈衝寬度、門脈衝幅度和工作溫度；
步驟二，逐個對所述參數進行優化，優化任意一個參數時：固定其餘參數，其中已優化參數固定為的最優值，未優化的參數固定為其初始值，按照預設的步進遞增該參數的值直至到達最大值，以相應的初始值和每次遞增後的值作為中間值，針對每個中間值，將相應參數設為該中間值後去進行探測並採集測量數組，根據所有中間值的測量數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的最優值。
針對以上四個參數，可以採用任意順序逐個進行優化。例如：可以按照直流偏置電壓、門脈衝寬度、門脈衝幅度和工作溫度的順序依次逐個優化。也可以按照直流偏置電壓、門脈衝幅度、門脈衝寬度和工作溫度的順序依次逐個優化。
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，是優化過程的基礎。因此，優化過程首先對偏置電壓進行優化，然後優化了門脈衝的寬度和高度。對於工作溫度，單光子探測器為降低暗計數，通常工作在-20℃的低溫，但是工作溫度越低，後脈衝概率越大，而後脈衝概率單光子探測器用於OTDR模式的重要指標。因此，優化過程最後還優化了工作溫度。即優化過程按直流偏置電壓→門脈衝寬度→門脈衝幅度→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優化時具體優化過程如下：
步驟(a)，主控單元初始化參數設置，包括切換光分路器到單光子探測器設置單光子探測器內部的初始直流偏置電壓Vb(0)、初始門脈衝寬度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。
本實施例中門脈衝寬度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)採用單光子探測APD常用的-20℃。設置門脈衝頻率為500MHz對應的距離採樣精度為20cm。
步驟(b)，利用該單光子探測器進行單光子脈衝探測(即進行單光子計數)，同步採集時間相關計數模塊輸出的單光子信息，得到相應的測量數組X1[1 2,…,n,]；
該測量數組的維度等於對每個脈衝的採集次數。
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，並在增加的直流偏置電壓後利用該單光子探測器進行單光子測量，得到第二組測量數組X2[1,2,…,n,]；
步驟(d)，重複步驟(c)，直到Vb<Vb(max)，得到m組測量數組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組的信噪比(S/N)，得到不同Vb對應下的不同信噪比值S/N，並根據計算結果選擇S/N最大值對應的Vb為最優偏直流置電壓Vb(opt)。
本實施例中信噪比S/N計算公式如下：
其中，μ是一組測量數組中所有元素的的平均值，xm[i]表示第m組的第i個數據，
σ是一組測量數組Xm的標準差，
步驟(f)，將直流偏置電壓固定在Vb(opt)，增加門脈衝寬度Pdur，門脈衝寬度增加的步進可以設置為50ps，最大門脈衝寬度Pdur(max)可以設置為1000ps，重複步驟(b)得到在m組Pdur下的m組OTDR數據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下數據的信噪比S/N，選擇S/N最大值對應的Pdur為最優門脈衝寬度Pdur(opt)；
步驟(h)，將直流偏置電壓固定在Vb(opt)，門脈衝寬度固定在Pdur(opt)，增加門脈衝幅度(Pamp)，Pamp增加的步進可以設置為2V，最大門脈衝寬度Pamp(max)可以設置為20V，重複步驟(b)得到在m組Pamp下的m組OTDR數據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為最優門脈衝幅度Pamp(opt)；
步驟(j)，將直流偏置電壓固定在Vb(opt)，門脈衝寬度固定在Pdur(opt)，門脈衝幅度固定在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℃。重複步驟(b)得到在m組T下測量的m組OTDR數據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為最優門工作溫度T(opt)；
步驟(l)，得到Vb(opt)、Pdur(opt)(opt)、Pamp(opt)、T(opt)，優化結束。
本發明中通過參數優化使雪崩光電二極體在單光子探測狀態下量子效達高、後脈衝小、且暗計數小，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。
進行參數優化後固定各個優化參數為優化的都的最優值，然後利用優化後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測量速度快的優勢快速掃描整條待測試光纖線路，得到光纖損耗數據的全程分布；
步驟2，分析光纖線路的全程損耗數據，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勢，針對發生事件的位置進行精細掃描，得到精度更高的數據信息，可以更詳細的對事件進行分析。
本發明結合了普通OTDR和單光子探測OTDR的優點，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，實現了快速掃描與高精度測量的結合；且本發明針對OTDR對探測器的需求，專門優化了單光子APD工作的幾個主要參數，使其工作在效率高、後脈衝概率小的狀態，適合用於OTDR應用，特別是對APD的溫度控制只要控制其自帶的TEC即可，無需採用額外的溫度控制方式，控制方便、結構簡單、易於實現性價比高、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：
向待測試光纖發射探測脈衝，並採用普通探測單元測量探測脈衝在待測試光纖中傳輸時返回的後向傳輸光的強度；
根據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，以及相應的故障區域；
在測試結果有故障時，繼續採用基於單光子探測的單光子探測單元測量探測脈衝在所述待測試光纖中傳輸時所述故障區域返回的後向傳輸光的強度，並根據所述測量到的強度變化進行事件分析得到故障點的位置。
在採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衝進行衰減使單光子探測單元接收到的後向傳輸光為單光子脈衝。
實施例2：
本實施例與實施例1的功能模塊聯接關係不同之處在於：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體，相應的，本實施例的光時域反射儀不設置光分路器，而另外設置控制數據選擇器12，主控單元9的埠931向數據選擇器12發送控制指令。
本實施例光時域反射儀如圖5所示，包括脈衝光源1、電控光纖衰減器2、環形器3、待測試光纖4、高壓電源模塊5、雪崩光電二極體模塊6、門脈衝發生器7、光子計數模塊8、主控單元9、限幅放大器64、脈衝鑑別器65、數據選擇器12(即數據路徑選擇單元)、數據採集模塊13、信號放大模塊14，雪崩光電二極體模塊6內設置有熱電製冷器(TEC)61、溫度傳感器62、雪崩光電二極體(APD)63，主控單元9可參考實施例1。
數據路徑選擇單元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體模塊6內置的雪崩光電二極體63的陽極連接，兩個輸出端分別與普通探測單元的數據處理模塊和單光子探測單元的數據處理模塊連接，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體63輸出的信號輸出給普通探測單元的數據處理模塊或單光子探測單元的數據處理模塊。
普通探測單元的數據處理模塊包括數據採集模塊13、信號放大模塊14。單光子探測單元的數據處理模塊包括光子計數模塊8、限幅放大器10、脈衝鑑別器11。
在本實施例中，主控單元的埠941聯接高壓電源模塊5，高壓電源模塊5接入雪崩光電二極體63的陰極。主控單元的埠939聯接門脈衝發生器7，門脈衝發生器7接入雪崩光電二極體63的陰極。主控單元的埠931聯接數據選擇器12，其埠971依次通過光子計數模塊8、限幅放大器10、脈衝鑑別器11後聯接數據選擇器12(即數據路徑選擇單元)，其埠981依次通過數據採集模塊13、信號放大模塊14後聯接數據選擇器12，數據選擇器12接入雪崩光電二極體613的陽極。。
主控單元9產生電脈衝，驅動脈衝光源1發出脈衝光；脈衝光經過電控光纖衰減器2輸入到光纖環形器3中，電控光纖衰減器2的衰減值由主控單元9予以控制。脈衝光經過光纖環形器3後輸入到待測試光纖4中，脈衝光在待測試光纖4的傳播過程中產生瑞利散射，後向瑞利散射光經過光纖環形器3後進入到雪崩光電二極體模塊6的雪崩光電二極體(APD)63中，由主控單元9通過高壓電源模塊5、門脈衝發生器7、熱電製冷器(TEC)61、溫度傳感器62控制雪崩光電二極體63的工作狀態。
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，輸出略小於雪崩電壓Vb(r)的直流偏置電壓Vb加載到雪崩光電二極體63的陰極，雪崩光電二極體63工作在線性模式，將光信號轉換為電信號輸入到數據選擇器12中，主控單元9內部的主控制器93通過第一埠931控制信號數據選擇器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後輸入到數據採集模塊13中，數據採集模塊13實現信號模擬到數字轉換，最後輸入到主控單元9中，主控單元9內部的主控制器93通過第七埠937控制數據選擇97將埠981的數據輸入到主控制器93中，主控制器93得到的數據是攜帶了待測試光纖損耗信息OTDR損耗曲線，主控制器93採用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經典的算法分析數據，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產生偏置電壓、控制門脈衝發生器7產生門脈衝加載到雪崩光電二極體63的陰極，雪崩光電二極體63工作在蓋革門控模式，將後向散射的單光子信號轉換成電脈衝信號輸入到數據選擇器12，主控單元9內部的主控制器93通過第一埠931控制信號數據選擇器12將電信號輸入到脈衝鑑別器11中，脈衝鑑別器11實現鑑別單光子脈衝與噪聲脈衝，將單光子電脈衝輸出到限幅放大器1；限幅放大器10把電脈衝信號限制在5V左右的TTL電平輸入到光子計數模塊8中，光子計數模塊8將計數結果輸入到主控單元9中，主控單元9內部的主控制器93通過第七埠937控制數據選擇97將埠971的數據輸入到主控制器93中，主控制器93得到的數據是攜帶了待測試光纖損耗信息OTDR損耗曲線，主控制器93採用常用的兩點法、最小二乘法、Gabor變換法、小波變換法等經典的算法分析數據，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，本實施例系統中普通OTDR模式、單光子探測OTDR模式共用一個雪崩光電二極體，通過切換雪崩光電二極體的驅動方式、後續信號處理的方法實現普通OTDR、單光子探測OTDR功能的融合、成本更低，並且更有利於產品小型化。
實施例3：
本實施例與實施例1的不同之處在於：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體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通過埠931控制。
在實際應用時，可以直接採用光纖耦合器實現，其分束比可根據應用需求調整，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的不同之處在於：第一雪崩光電二極體7、第二雪崩光電二極體613選用矽基材料的APD。
本實施例其它內容可參考實施例1。
本領域的普通技術人員應該了解，本發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明原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發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明範圍內。