劉旭，劉波*，饒云江，2*

（1.之江實驗室 智能感知研究院 光纖傳感研究中心，浙江 杭州 311100；2.電子科技大學 光纖傳感與通信教育部重點實驗室，四川 成都 611731）

1 引言

光纖分布式傳感器現(xiàn)如今已在交通軌道橋梁的壓力監(jiān)測、通信光纜的斷點監(jiān)測、故障定位、石油氣井溫度監(jiān)測、海底光纜水聲探測、航空發(fā)動機健康監(jiān)測等多個領域有著重要應用［1-4］?；诠鈺r域反射技術(shù)（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）的光纖分布式傳感系統(tǒng)通過檢測由脈沖泵浦信號引發(fā)的傳感光纖中的時域反射信號可以完成對整個傳感光纖特性的分布式監(jiān)測，相比于點式傳感器具有極大的技術(shù)優(yōu)勢和應用成本優(yōu)勢。傳統(tǒng)的OTDR 分布式傳感系統(tǒng)，一般使用模擬探測的線性光電探測器，如PIN 管或雪崩光電二極管對反射信號進行接收探測。此類光電探測器的探測噪聲會隨著探測帶寬的增大而增大，另一方面，其相應的靈敏度也會有所下降，造成系統(tǒng)動態(tài)范圍（傳感距離范圍）的下降。而系統(tǒng)探測帶寬也是影響系統(tǒng)最小可以分辨?zhèn)鞲泄饫w中兩個事件能力即空間分辨率的重要因素。因此傳統(tǒng)的OTDR 系統(tǒng)無法兼顧傳感距離和高空間分辨率的要求。隨著航空航天、現(xiàn)代化工業(yè)等軍民應用領域的快速發(fā)展，其對OTDR 系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。如何解決傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)在空間分辨率和傳感距離范圍的發(fā)展瓶頸是亟待解決的關鍵問題。

光子計數(shù)OTDR 基于單光子探測和時間相關的單光子計數(shù)技術(shù)，可以實現(xiàn)完全數(shù)字化的OTDR 探測系統(tǒng)。通過采用單光子探測技術(shù)，大大提高了弱光檢測能力，符合為提高系統(tǒng)空間分辨率對反射光信號的高靈敏探測要求，同時采用時間相關的數(shù)字化探測記錄系統(tǒng)，消除了傳統(tǒng)模擬探測高帶寬引發(fā)的大噪聲等不利因素，從而相比傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)可同時獲得更高空間分辨率和動態(tài)范圍，突破傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)的性能極限。近年來，隨著量子信息等交叉領域?qū)W科的快速發(fā)展，帶動了單光子探測相關技術(shù)的躍進，基于單光子探測的極弱光信號測量相關領域得到了快速的發(fā)展［5-6］。基于單光子探測的光子計數(shù)OTDR，在系統(tǒng)性能指標上陸續(xù)取得了一系列突破，相比于傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)在性能指標上有著顯著優(yōu)勢。本文對光子計數(shù)OTDR 進行了系統(tǒng)地技術(shù)性總結(jié)和研究進展綜述，對該技術(shù)在的關鍵性能指標尤其是空間分辨率和動態(tài)范圍、傳感距離等參數(shù)進行了分析對比，闡明了光子計數(shù)OTDR的優(yōu)劣勢，旨在通過本文的綜述，促進基于單光子探測的光子計數(shù)OTDR 在新時期的高水平發(fā)展。

本文的安排如下，第二章主要闡述OTDR 的三種基本物理機理，第三章主要對光子計數(shù)OTDR 特點進行了綜述，包括傳統(tǒng)OTDR 存在的問題，光子計數(shù)OTDR 的基本原理等。第四章主要對光子計數(shù)OTDR 的發(fā)展進行了綜述，第五章對目前光子計數(shù)OTDR 的一些應用進行了總結(jié)，最后一章是本文的結(jié)論和展望。

2 OTDR 的物理機理

目前，分布式光纖傳感器的物理機理主要是基于入射光與光纖材料相互作用激發(fā)的光學散射效應，如瑞利散射，拉曼散射，布里淵散射。沿著傳感光纖的外部擾動如溫度應力可以通過反射光信號的幅值、頻率、偏振或者相位等信息體現(xiàn)出來并進行相應測量，如可基于反射瑞利信號強度進行光纖損耗、斷點監(jiān)測等，基于不同溫度下拉曼散射及布里淵散射強度的不同實現(xiàn)分布式溫度傳感等應用［7-8］。OTDR 是在時域上對反射光信號進行測量解調(diào)的系統(tǒng)。圖1 所示為產(chǎn)生散射光信號的頻譜示意圖，圖中包含了瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射信號。

圖1 典型自發(fā)散射光頻譜圖Fig.1 Spectral figure of typical spontaneous scattering

圖中中心峰的位置是瑞利散射，其散射光信號頻率與入射光頻率一樣，因此瑞利散射是彈性散射。瑞利散射源于入射光子與粒子或遠小于光波長的材料折射率浮動之間的相互作用，其散射信號強度高度依賴入射光波長，與入射光頻率的四次方成正比，頻率愈高則散射愈強。基于瑞利散射的OTDR 分布式光纖傳感系統(tǒng)通常用來進行光纖鏈路損耗測量、斷點監(jiān)測、故障定位等應用。鄰近中心瑞利反射峰的兩個峰是布里淵散射分量，源于光子與聲學聲子在光纖傳播中的相互作用。而遠處反射峰則是拉曼散射，可描述為光子與光學聲子之間發(fā)生的相互作用。由于散射光與入射光之間發(fā)生了頻移，布里淵散射和拉曼散射都是非彈性散射。相對于入射光子，低頻散射光子稱為斯托克斯（Stokes）分量，高頻散射光子稱為反斯托克斯（Anti-Stokes）分量?；诶⑸涞腛TDR 分布式光纖傳感器通常用來進行分布式溫度傳感，基于布里淵散射效應的OTDR 通常用來做分布式溫度、應力傳感等。

3 光子計數(shù)OTDR 基本原理

3.1 傳統(tǒng)OTDR 的限制

在一個典型的傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)中，脈沖激光注入到傳感光纖中激發(fā)自發(fā)散射效應，沿著傳感光纖產(chǎn)生的背向反射光信號最終通過PIN 管或者雪崩二極管進行探測。這種使用模擬探測的傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)，在系統(tǒng)關鍵性能指標如空間分辨率和動態(tài)范圍上會受到一定程度的限制。在激發(fā)光脈沖寬度較窄時，相應的探測器響應時間（τ）越快即帶寬越大，則系統(tǒng)的空間分辨率Δz越小，一般而言，兩者的關系在單模光纖中可以表示為［9-10］：

其中，c/neff為光纖中光的傳播速度。

隨著探測器帶寬的增大，探測器噪聲一般也會隨之增大，造成系統(tǒng)信噪比的惡化。另一方面，系統(tǒng)的靈敏度可表示為［11］：

其中：NEP 為探測器的噪聲等效功率，N為數(shù)據(jù)平均次數(shù)?？梢姡綔y器的噪聲等效功率和帶寬直接影響系統(tǒng)的靈敏度。提高空間分辨率的同時，系統(tǒng)的靈敏度變小，進而影響系統(tǒng)的動態(tài)范圍，也即相當于最遠傳感距離范圍。系統(tǒng)的動態(tài)范圍DR可表示為最大后向散射功率Pback與Pmin之比［12］，即：

從式（3）可以看到，在平均次數(shù)、探測器帶寬和后向散射功率不變情況下，探測器的NEP 越小，系統(tǒng)的動態(tài)范圍越大，也意味著可以獲得更遠的傳感距離范圍。

由以上分析可知，在傳統(tǒng)的OTDR 系統(tǒng)中，要實現(xiàn)高空間分辨率，需要減小脈沖寬度，減小探測器響應時間也即增大探測器帶寬。而模擬探測系統(tǒng)中的光電探測器如雪崩二極管（Avalanche Photo Diode，APD）工作在線性

區(qū)域，帶寬越大，探測器噪聲也越大，靈敏度越差，同時其可實現(xiàn)的NEP 也有限，最終限制了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。因此傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)無法在實現(xiàn)高動態(tài)范圍的同時兼?zhèn)涓呖臻g分辨率，且受探測器NEP 限制，存在性能瓶頸。針對兩者矛盾，最簡單的一種解決辦法是保持脈沖寬度不變的情況下，通過提高脈沖峰值功率來增加動態(tài)范圍提高信噪比，但在實際應用過程中會受到多種條件限制，如受激布里淵和受激拉曼的發(fā)生，以及激光器的成本、可靠性等。

3.2 光子計數(shù)OTDR 的基本原理

光子計數(shù)OTDR 與傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)的主要區(qū)別在于探測系統(tǒng)和數(shù)字采集系統(tǒng)。從3.1 節(jié)可以看出，當提高系統(tǒng)的空間分辨率時，反射光子流會變?nèi)?。光子計?shù)OTDR 采用單光子探測技術(shù)，可以實現(xiàn)對單光子水平光信號的極弱光探測能力。如典型的半導體單光子雪崩光電二極管，通過施加高于擊穿電壓的反向高壓，使其工作在蓋革模式［13-14］，單個光子信號便可觸發(fā)雪崩現(xiàn)象，形成相應的電流信號，對應的探測噪聲取決與單光子探測器的暗計數(shù)率（即沒有輸入光情況下時探測器的平均計數(shù)率）。圖2 所示為兩種二極管工作模式示意圖［15］。

圖2 兩種雪崩二極管工作模式示意圖［15］Fig.2 Working modes of two kinds of APD［15］

單光子探測器對應的噪聲等效功率NEP 可表示為［11］：其中：h為普朗克常量，v為光子頻率，η為單光子探測器探測效率，pdc為暗計數(shù)率。由此可見，系統(tǒng)NEPPC與探測帶寬無關。以目前的超導納米線單光子探測器為例，其典型的噪聲等效功率一般為10-18，低于傳統(tǒng)模擬探測器的NEP值約6 個數(shù)量級。更低的NEP 值、更高的探測靈敏度意味著可以兼顧空間分辨率的同時，實現(xiàn)更高的動態(tài)范圍。相關文獻中也討論了高靈敏度對提升空間分辨率的影響，如當工作在1.55 μm波段的光子計數(shù)OTDR 的靈敏度比傳統(tǒng)OTDR高5 dB 時，空間分辨率提高了約100 倍，達到厘米量級［16-17］。此外，光子計數(shù)OTDR 采用的數(shù)字采集系統(tǒng)實現(xiàn)了對脈沖信號的數(shù)字化甄別，使探測器輸出標準電平信號，進而采用時間相關的單光子計數(shù)器，對脈沖到達時間進行精確記錄。系統(tǒng)通過重復性地測量反射信號與激發(fā)脈沖之間的時間間隔，建立光子計數(shù)—時間直方圖，從而恢復出沿著傳感光纖的反射信號軌跡，示意圖如圖3 所示。

圖3 光子計數(shù)-時間直方圖Fig.3 Histogram of photon counting and time

基于單光子探測的時間相關單光子計數(shù)技術(shù)方案檢測過程具有離散性，一方面能夠檢測單光子水平的超低功率光信號，系統(tǒng)性能提升不再受噪聲等效功率的限制，另一方面，這種數(shù)字化的離散探測記錄方式使得系統(tǒng)空間分辨率與探測帶寬無關，可以很好地克服傳統(tǒng)OTDR 中存在的瓶頸，實現(xiàn)超高空間分辨率及高動態(tài)范圍的OTDR 系統(tǒng)。

4 光子計數(shù)OTDR 的發(fā)展

光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)的發(fā)展可以分為以下幾個方面，包括系統(tǒng)關鍵設備器件的技術(shù)發(fā)展如單光子探測技術(shù)［14，18-20］、數(shù)字采集技術(shù)的發(fā)展［21］、系統(tǒng)設計的改進提升［22］等。這幾個方面的發(fā)展對系統(tǒng)性能指標如空間分辨率、動態(tài)范圍傳感距離、更新時間等都有直接的影響。

4.1 關鍵器件的發(fā)展

4.1.1 探測系統(tǒng)

1980 年，Healey 使用基于硅的單光子雪崩二極管（Si-APD），在850 nm 工作波段，實現(xiàn)了單向損耗超過40 dB 的多模光纖故障診斷光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)［23］。但是由于探測器探測效率較低，系統(tǒng)接收到反射光子較少，完成對傳感光纖的診斷需要接近1 h 的積分時間。次年，Healey 采用液氮制冷77 K 溫度環(huán)境下的鍺（Ge）單光子雪崩二極管作為探測系統(tǒng)，在1.32 μm 波段基于瑞利散射對單模光纖損耗、故障點進行分布式監(jiān)測，最終測量得到了在37 km 長單模光纖下20 dB 的動態(tài)范圍和100 m 的空間分辨率［24］。后續(xù)，Healey對光子計數(shù)OTDR 的特點及與傳統(tǒng)基于模擬探測的OTDR 的性能做了對比，體現(xiàn)出了光子計數(shù)OTDR 實現(xiàn)更優(yōu)系統(tǒng)性能指標的潛力［11］。隨后，基于光子計數(shù)OTDR 得到了廣泛發(fā)展［23，25］。Levine 等人報道了在近室溫條件下可以工作于單光子計數(shù)模式的Ⅲ-Ⅴ族InGaAs/InGaAsP/InP分離吸收漸變電荷倍增層結(jié)構(gòu)（Separate Absorption and Multiplication，SAGM）的半導體單光子雪崩光電二極管［26］，相比于Ge-APD，其具有更低的暗計數(shù)噪聲，而且不需要Ge-APD 需要工作在制冷溫度77 K 的環(huán)境。基于此工作，該研究組使用InGaAs/InP 單光子雪崩光電二極管實現(xiàn)了1.3 μm 波段的光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)［27］，系統(tǒng)探測的靈敏度極限達到3×10-14W，工作溫度為-44 ℃。通過改進探測器工藝，在低電阻率Zn摻雜的p+-InP 基底上生長SAGM 區(qū)域，該小組成功實現(xiàn)了室溫條件下的1.3 μm 波段基于瑞利散射的光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)［28］，系統(tǒng)探測靈敏度達到與使用制冷溫度為77K 條件下的Ge-APD光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)相同的水平。后續(xù)該研究小組將此系統(tǒng)工作波段遷移至1.5 μm 的光纖低損耗通信波段，實現(xiàn)室溫環(huán)境下的1.5 μm 波段的光子計數(shù)OTDR，實現(xiàn)了50 km 長度范圍的折射率匹配光纖端面的探測。

Stierlin 等人基于光電倍增管單光子探測和時間相關的單光子計數(shù)技術(shù)，在850 nm 工作波段實現(xiàn)了基于拉曼散射效應的分布式溫度傳感器［29］，其裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示。探測脈沖信號激發(fā)光纖中的拉曼散射效應，產(chǎn)生溫度敏感的拉曼散射信號，系統(tǒng)中通過光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）單光子探測和數(shù)字采集系統(tǒng)對光子進行探測和采集記錄。

圖4 基于PMT 探測的分布式溫度傳感系統(tǒng)［29］Fig.4 Distributed temperature sensing system based on detection of PMT［29］.

在圖4 所示方案中，系統(tǒng)依賴重復性測量激光二極管脈沖與探測器探測到的后續(xù)反射的第一個反斯托克斯光子之間的時間延遲信息，以此來恢復傳感光纖的反射拉曼軌跡信號。單光子探測器輸出脈沖經(jīng)過放大器放大后，接著通過了一個甄別器（Discriminator）來判別輸出標準電平信號。探測脈沖信號與反射光子之間的時間差由時間-脈沖高度轉(zhuǎn)換器（Time to Pulse Height Converter，TPHC）進行測量。此信息進而通過多通道分析儀（Multi-Channel Analyzer，MCA）進行積累和分類，簡單來說，MCA 通過將不同時間延遲的事件進行積累和分類，建立光子數(shù)和時間延遲的直方圖，恢復反射信號軌跡。此系統(tǒng)的主要缺點在于對反射光子的利用效率低，每個探測脈沖后只使用了一個光子信息。為了使測量時間縮短，探測脈沖的重復頻率必須盡可能地高，但是另一方面也會受到傳感光纖長度的限制，以保證不同探測脈沖反斯托克斯信號之間不會發(fā)生重疊。最終，此系統(tǒng)在110 m 長多模光纖下最 高可實現(xiàn)0.1 m 的空間分辨率［29］，在1～3 min 時間內(nèi)可以實現(xiàn)溫度分辨率1～4 ℃，相比基于傳統(tǒng)模擬探測的OTDR 系統(tǒng)有了較大提高?；诠怆姳对龉軉喂庾犹綔y器和鍍金膜、碳膜的傳感光纖，Ricardo 等人實現(xiàn)了高溫分布式傳感系統(tǒng)［30］，在20 m 長光纖條件下，空間分辨率達到10 cm，檢測溫度高至550 ℃，溫度分辨率為2 ℃，積分采集時間為60 s。在此方案中，基于PMT 的探測器效率約為4%，在一定程度上限制了系統(tǒng)進一步發(fā)展。

1.5μm 通信波段是光纖的低損耗窗口，適合構(gòu)建高性能的光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)。2005 年，來自美國斯坦福大學研究團隊和日本NTT 公司基礎研究實驗室的研究團隊利用PPLN 波導（Periodically Poled Lithium Niobate waveguide）進行1.5 μm 近紅外通信波段到可見光的頻率上轉(zhuǎn)換，結(jié)合硅雪崩二極管實現(xiàn)了1.5 μm 單光子探測器，論證了基于此探測器的光子計數(shù)OTDR系統(tǒng)［31-32］。次年，瑞士日內(nèi)瓦大學研究團隊利用基于PPLN 的上轉(zhuǎn)換單光子探測器和低時間抖動的單光子計數(shù)模塊，實現(xiàn)了厘米量級的高空間分辨率光子計數(shù)OTDR系統(tǒng)［33］。圖5 所示為其基于PPLN 波導的頻率上轉(zhuǎn)換單光子探測系統(tǒng)模塊示意圖?；赑PLN 波導中發(fā)生的和頻產(chǎn)生效應，一個1 550 nm 波長的光子和一個980 nm波長的光子可以產(chǎn)生一個600 nm 波長的光子，進而通過棱鏡和濾波器后通過單光子雪崩光電二極管SPAD 進行探測。

圖5 基于PPLN 頻率上轉(zhuǎn)換的單光子探測系統(tǒng)模塊圖［33］Fig.5 Set-up of the single photon detection system based on PPLN waveguide［33］

2013 年，中科大研究團隊通過使用長泵浦和體光纖光柵，實現(xiàn)了超低噪聲的上轉(zhuǎn)換單光子探測器，噪聲等效功率約為-，基于此超低噪聲單光子探測器實現(xiàn)了42.19 dB 動態(tài)范圍的光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)，并進行了約217 km 傳感光纖范圍的監(jiān)測實驗［34］。圖6 所示為實驗系統(tǒng)裝置圖。

圖6 217 km 傳感光纖范圍的光子計數(shù)OTDR 裝置圖［34］Fig.6 Setup of photon counting OTDR with sensing fiber of 217 km［34］

隨著單光子探測技術(shù)水平的持續(xù)發(fā)展，更低噪聲、低時間抖動、更高探測效率及計數(shù)率的單光子探測器逐漸實現(xiàn)市場化，如基于超導納米線的單光子探測器。相應地，光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)的性能也逐漸得到提升，其相比于傳統(tǒng)OTDR 的優(yōu)勢也更好地體現(xiàn)了出來。

2011 年，Tanner 等人使用超導納米線單光子探測器，在1 550 nm 通信波段實現(xiàn)了空間分辨率為1.2 cm 的分布式光纖拉曼溫度傳感器［35］，圖7 為其溫度測量結(jié)果示意圖。通過小于60 s的積分采集時間便可恢復出傳感光纖的溫度演化，不過此工作中傳感光纖長度較短，僅有約2.8 m。該研究小組后續(xù)又對系統(tǒng)溫度測量的不確定度進行了分析，得到在60 s 的積分采集時間內(nèi)，實現(xiàn)1 cm 空間分辨率的溫度不確定度為3 K［36］。

圖7 1.2 cm 空間分辨率的傳感光纖溫度分布測量圖［35］Fig.7 Temperature measurement of distributed sensing fiber with 12 mm spatial resolution［35］

2012 年，南京大學研究團隊Hu 等人基于超導納米線探測器超低噪聲等效功率、高計數(shù)率和低時間抖動特性，實現(xiàn)了22 dB 動態(tài)范圍的光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)［12］，相當于110 km 的傳感光纖范圍。相繼地，美國耶魯大學Schuck 等人開發(fā)了低噪聲波導耦合的超導納米線NbTiN 單光子探測器，探測器時間抖動為50 ps，暗計數(shù)率僅為3 Hz，其噪聲等效功率與超導納米線的偏壓電流關系如圖8（a）所示（彩圖見期刊電子版）。圖中紅色曲線為白天條件下的結(jié)果，藍色曲線為最小環(huán)境光條件下的結(jié)果，其中黑點為基于此探測器開發(fā)的瑞利散射光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)中探測器的工作點。最終此光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)取得了37.4 dB 的動態(tài)范圍，超過200 km 的傳感距離范圍［37］。圖8（b）所示為采集10 min，傳感光纖在111 km 附近的反射信號情況，可以看到系統(tǒng)空間分辨率約為10 m。

圖8 （a）系統(tǒng)噪聲等效功率與納米線偏壓電流關系（b）超導探測系統(tǒng)探測的傳感光纖在111 km 附件的反射信號［12］Fig.8 （a）System noise equivalent（NEP）as a function of bias current in units of critical current（b）Backscattered signal from the FUT at around 111 km as detected with the single photon detector［12］

基于瑞利散射的光子計數(shù)OTDR 的性能指標陸續(xù)取得了一系列突破。2015 年，南京大學Zhao 等人實驗報道實現(xiàn)了動態(tài)范圍達到46.9 dB的光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)，對應最大傳感距離為246.8 km，兩點事件的空間分辨率為100 m［38］。

4.1.2 采樣系統(tǒng)

光子計數(shù)OTDR 的研究進展除了其中單光子探測器的發(fā)展，另一項比較重要的方面是數(shù)字采集系統(tǒng)的發(fā)展。部分數(shù)字采集系統(tǒng)會與探測系統(tǒng)相結(jié)合，用于甄別單光子引發(fā)的脈沖信號并將其轉(zhuǎn)換為標準電平（LVTTL 或NIM）信號，使探測器進行數(shù)字化的標準電平信號輸出。早期光子計數(shù)OTDR 的數(shù)字采集系統(tǒng)僅為兩通道采樣器［23］，通過外部脈沖控制采樣器以步進的方式完成對傳感光纖的掃描，采樣周期對應系統(tǒng)的空間分辨率，且這個過程只適用于在每個采樣周期探測到多于一個光子的概率很小的情況，通過重復性測量累積恢復出每個采樣周期的光子數(shù)目。為了提高系統(tǒng)工作效率，提升采樣速度，多通道線性數(shù)字采樣系統(tǒng)被提出［24］，來充分利用每個激發(fā)脈沖生成的散射光子信號。不過基于此系統(tǒng)，同樣需要以掃描的方式完成對傳感光纖反射光子的監(jiān)測?；诟咚贂r鐘和邏輯器件，多光子時間計數(shù)技術(shù)被實現(xiàn)［39］，其可實時對反射光子流信號進行高速記錄，直接反映出沿著傳感光纖發(fā)生的時間信息?；谠摷夹g(shù)后來又發(fā)展出來較為成熟的時間相關多通道單光子計數(shù)技術(shù)（TCSPC）。

時間相關的單光子計數(shù)（TCSPC）系統(tǒng)通過記錄探測脈沖的電信號和反射信號光子經(jīng)過探測器輸出的電平脈沖的時間信息恢復沿著傳感光纖的反射信號軌跡，其對探測器輸出電脈沖信號的時間測量準確性影響系統(tǒng)對反射信號的測量精度，進而影響系統(tǒng)的空間分辨率。而探測器輸出的對光子信號的響應電脈沖信號在幅值上會存在抖動，如果僅僅通過簡單的水平觸發(fā)信號來確定時間會存在時間測量的偏差。圖9 中左圖為采用簡單的水平觸發(fā)信號獲得脈沖時間方法示意圖，可以看到當脈沖信號幅值不同時，通過水平觸發(fā)信號獲得的時間信息存在偏差。圖9 右圖所示為采用橫比甄別器（CFD，Constant Fraction Discriminator）技術(shù)確定不同幅值情況下電脈沖的時間信息，可看到脈沖幅值的浮動變化對時間的確定無影響［40］。

圖9 水平觸發(fā)（左）與CFD 工作模式（右）的對比示意圖［40］Fig.9 Comparison between level trigger（left）and CFD operation（right）［40］

在早期的TCSPC 系統(tǒng)中，探測脈沖信號的同步脈沖與經(jīng)過CFD 獲得的反射信號響應電脈沖信號隨后輸入到時間幅度轉(zhuǎn)換器（Time to Amplitude，TAC）。TAC 由同步脈沖觸發(fā)，由另一個脈沖截止，其輸出結(jié)果為一個正比于兩個信號時間差的電壓信號，如圖10 所示。TAC 的輸出結(jié)果進一步輸入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器［40］（Analog to Digital Converter，ADC），提供數(shù)字時間信息進行直方圖的建立。在這樣的系統(tǒng)中，ADC 的轉(zhuǎn)換速度需要非?？靵肀ＷC系統(tǒng)的死時間非常短，另一方面，它需要在整個幅值范圍保證一個良好的線性度，同時滿足這兩個條件非常困難。此外，TAC 的范圍也是有限的。因此后來隨著技術(shù)的發(fā)展，TAC 和ADC 任務只需要通過一個數(shù)字電路來完成，即時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time to Digital Converter，TDC），使得TCSPC 系統(tǒng)更加高效，且結(jié)構(gòu)緊湊、低成本和小型化。通過結(jié)合高時間精度的TDC 和高速現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），探測系統(tǒng)在高速數(shù)據(jù)采集下進行高精度時間測量，由2020 年Felipe 等人報道的工作可知，系統(tǒng)在20 min 時間采集下，可實現(xiàn)對12 km 傳感光纖范圍厘米精度的事件監(jiān)測［41］。

圖10 TAC 工作原理示意圖［40］Fig.10 Operation principle of a TAC［40］

基于高性能的單光子探測，結(jié)合時間相關的單光子計數(shù)技術(shù)（TCSPC），光子計數(shù)OTDR 性能水平得到了極大地提高。表1 對比了基于不同類型單光子探測器及數(shù)字采集技術(shù)的光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)的性能指標情況。

從表1 中可以看到光子計數(shù)OTDR 的發(fā)展及性能指標的提升情況。如基于高探測效率和低噪聲的SNSPD 的Raman 光纖分布式溫度光子計數(shù)系統(tǒng)，最小空間分辨率可以達到1 cm［35］。在長距離和高分辨的實現(xiàn)上，Cleitus 等人實現(xiàn)了傳感距離50 km，空間分辨率為3 m 的Raman-OTDR分布式溫度系統(tǒng)［43］。相比傳統(tǒng)Raman-OTDR 受限于模擬探測器的帶寬和噪聲，在空間分辨率為1 m 情況下，可實現(xiàn)的傳感距離一般為10 km（數(shù)據(jù)源于AP Sensing 公司商用產(chǎn)品）。在實驗室條件下，Liu 等人通過設計和生產(chǎn)一種大模場直徑和低模間色散的折射率漸變的少模光纖（GI-FMF），最高實現(xiàn)了25 km 傳感距離，1.13 m空間分辨率的指標［44］，與光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)仍存在差距。此外，對于基于瑞利散射的OTDR 方面，光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)的傳感距離已經(jīng)突破200 km，空間分辨率為100 m，遠超過傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)所實現(xiàn)的性能指標（傳統(tǒng)距離200 km，空間分辨率為千米量級［38］），在長距離大范圍尺度的故障檢測定位中具有重要應用潛力。

表1 基于不同類型探測器和采集技術(shù)的光子計數(shù)OTDR 性能指標對比Tab.1 Comparisons of photon counting OTDR based on different detector and digital data sampling technologies

4.2 系統(tǒng)設計

除了系統(tǒng)關鍵設備器件的技術(shù)發(fā)展外，光子計數(shù)OTDR 在系統(tǒng)設計也有一定的發(fā)展如門控方案［16，45-46］、無限散射技術(shù)［47-48］等。

由于光子計數(shù)OTDR 依賴重復性測量，通過對光子的統(tǒng)計恢復出傳感光纖的光子反射信號軌跡，因此受限于單光子探測器飽和計數(shù)率，總體而言光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)需要一定時間來積累光子數(shù)據(jù)，效率較低。在系統(tǒng)設計上，2002 年，瑞士日內(nèi)瓦大學研究團隊Scholder 等人使用大探測門寬信號來使單光子探測器工作在門控模式［16］，有效提高了系統(tǒng)的動態(tài)范圍，但是空間分辨率則有所犧牲。

2019 年，電子科技大學Li 等人提出了一種外時間門控技術(shù)［46］，通過在單光子探測器前加入高速光開關，從而將OTDR 曲線劃分為N段，每段寬度由時序門控信號決定，以此完成對整個曲線的掃描。圖11 所示為系統(tǒng)裝置圖、給光開關提供的門控信號序列圖及有無門控情況下仿真的OTDR 軌跡圖（藍色為無門控信號，彩圖見期刊電子版）。

圖11 （a）外時間門控光子計數(shù)OTDR 裝置原理圖（b）給光開關提供的門控信號序列圖（c）有無門控信號下仿真的60 m 光纖鏈路的OTDR 軌跡［46］Fig.11 （a）Schematic diagram of externally time-gated PC-OTDR（b）Gating signals provided to optical switch（c）Simulated OTDR traces of 60 m fiber link［46］

對于每一段曲線的測試，都可以通過提升探測強度使得反射光子流累積速度增加，以此有效提升了系統(tǒng)的動態(tài)范圍及更新時間，相比于無門控方案，相同采集時間下，動態(tài)范圍提高了11 dB。此外，為了解決光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)中窄脈沖在長距離傳輸過程中的色散展寬問題，Li 等人實現(xiàn)了一種基于無限散射計數(shù)的光子計數(shù)OTDR［48-49］，采用寬脈沖代替窄脈沖注入傳感光纖，利用單光子探測器對其充滿光纖過程中產(chǎn)生的后向信號進行探測，通過對相鄰時間通道內(nèi)的光子數(shù)做差分運算即可得到對應點的后向信號，進而分析出被測傳感光纖的傳輸情況。不同于傳統(tǒng)OTDR，無限散射技術(shù)是采用差分運算方式得到的散射單元的后向散射強度，因此它的空間分辨率不再受激光脈沖寬度影響，而僅與采樣時間Δt有關，因此長距離測量時無限散射OTDR具有色散無關的特性。此外，還有基于布里淵散射效應的光子計數(shù)分布式溫度傳感系統(tǒng)工作被報道［50-54］、具備自校準自參考功能的準分布式光纖布拉格光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)［55］等。

通過以上對光子計數(shù)OTDR 發(fā)展的綜述，可以看到光子計數(shù)的研究熱點和關鍵攻關方向主要分為兩個方面。一方面集中在基于光子計數(shù)OTDR 的特點，通過改變傳統(tǒng)OTDR 的探測和采集系統(tǒng)，引入單光子探測和時間分辨的單光子計數(shù)技術(shù)，提升突破傳統(tǒng)OTDR 系統(tǒng)的關鍵性能指標。如提升基于瑞利散射的OTDR 系統(tǒng)的故障定位能力和動態(tài)范圍，改善基于拉曼散射OTDR 的分布式溫度傳感的溫度分辨率、空間分辨率能力等。另一方面的研究熱點和攻關方向主要集中在光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)本身性能的提升。如實現(xiàn)兼顧長距離高分辨的光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)；提升系統(tǒng)的工作效率，通過采用門控方案提升對單光子探測器的利用效率，進而縮短整個系統(tǒng)的更新時間等方向上。

5 光子計數(shù)OTDR 的應用

光子計數(shù)OTDR 因其可實現(xiàn)更高性能的分布式光纖傳感，具有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿Γ?6-63］。目前光子計數(shù)OTDR 的實際應用主要集中在基于瑞利散射的分布式光纖故障檢測、定位［17］，分布式光纖PH 值測量［57，64］，無源光通信網(wǎng)絡監(jiān)測［56，58-60］，航空電子光纖鏈路監(jiān)測［45，63］等領域。

2004 年，日內(nèi)瓦大學研究團隊Wegmuller 等人通過使InGaAs/InP 單光子探測器工作在可控門模式，設計實現(xiàn)了高效的光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)［17］，其可高效地對地鐵環(huán)境中光纜故障進行定位診斷，此系統(tǒng)還可對傳感光纖的雙折射變化進行檢測，對于識別鏈路的問題區(qū)域十分有幫助。

此外，英國曼徹斯特大學Saunders 等人基于Luciol Instruments 實現(xiàn)的光子計數(shù)OTDR，利用多模大芯徑的塑料光纖，實現(xiàn)了對PH 值的分布式測量［57］。研究人員在距離光纖末端4 m 的位置處，通過丙酮對塑料光纖的包層進行去除。之后，將裸纖侵入到甲基紅水溶液中，PH 值通過滴入濃鹽酸來改變。系統(tǒng)中使用650 nm 的探測光，利用其沿傳感光纖PH 值不同導致的吸收損耗不同的特性，進而建立在傳感光纖不同位置處反射光信號強度與PH 值的關系軌跡，實現(xiàn)分布式傳感。該系統(tǒng)中，使用多模大芯徑塑料光纖的好處是其倏勢場強度比多模大芯徑玻璃光纖傳感器高一個數(shù)量級，與外界環(huán)境的相互作用更強，更容易激發(fā)高階模式，提高傳感器靈敏度。不過塑料光纖的傳輸損耗較大，在650 nm 處為79 dB/km，不適宜進行長距離的分布式測量，且塑料光纖的包層為氟化PMMA 材料，通過丙酮溶液去除方式易導致其表面不光滑，影響傳感器性能。

無源光通信網(wǎng)絡（Passive Optical Network，PON）的在線健康運行情況監(jiān)測也是光子計數(shù)OTDR 的一個重要應用領域。瑞士的Sunrise Telecom 公司基于光子計數(shù)技術(shù)研發(fā)了高靈敏度高空間分辨率的瑞利散射OTDR，并將其應用于PON 的測試和監(jiān)測［56］。方案中使用了工作在蓋革模式的單光子雪崩光電二極管探測器，并且專門設計了光子計數(shù)電子學模塊，實現(xiàn)對光源輸出探測脈沖的控制和探測器工作模式的控制，其示意圖如圖12（a）所示。一方面，時鐘信號觸發(fā)脈沖發(fā)生器，進一步驅(qū)動激光器輸出探測脈沖，可實現(xiàn)對探測脈沖脈寬的控制。另一方面，時鐘信號觸發(fā)可變時延器，通過可變時延器的輸出控制門電路來決定探測脈沖激發(fā)傳感光纖后單光子雪崩二極管探測器的開啟時間。這也是基于雪崩二極管的工作原理來實現(xiàn)的，當二極管偏壓小于擊穿電壓時，倍增因子太低不足以觸發(fā)判別器，探測器相當于處于關閉狀態(tài)，當偏壓大于擊穿電壓時，探測器開啟，工作在蓋革模式，通過偏壓的偏移可以很方便地控制探測器在某個時間、時間段處于關閉和開啟狀態(tài)。圖12（b）為應用于一個典型PON 測試的配置實例。

圖12 （a）光子計數(shù)OTDR 的光電電路示意圖（b）光子計數(shù)OTDR 測試使用的PON 網(wǎng)配置（c）PON 鏈路尾部OTDR 軌跡的放大圖［56］Fig.12 （a）Optoelectronic circuit of the photon-counting OTDR（b）PON configuration for photon counting OTDR testing（c）Zoom OTDR trace to the end of the PON link［56］

上述工作實驗測試中，第一個8 端口耦合器的其中一個端口通過1.6 km 的光纖連接了第二個8 端口耦合器，8 個輸出端口尾纖長度較短，系統(tǒng)的總的單向損耗為24 dB。圖12（c）為放大的鏈路末端不同端口的OTDR 反射信號軌跡。圖12（c）中上方曲線為采用脈寬300 ns，75 ns 步進采集的信號軌跡，可以看到系統(tǒng)不能夠分辨出第二個8 端口不同尾纖長度。圖12（c）下圖為光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)工作在高分辨率，脈寬2 ns，步進長度500 ps 情況下獲得的結(jié)果，系統(tǒng)可以很好地區(qū)分8 個反射事件，體現(xiàn)出了光子計數(shù)OTDR系統(tǒng)的優(yōu)勢。2014 年，巴西里約熱內(nèi)盧天主教大學研究團隊Amaral 等人開發(fā)了一種可調(diào)光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)，并測試其在波分復用-無源光網(wǎng)絡（WDM-PON）中的實際應用［58-59］。在WDMPON 中，通信數(shù)據(jù)的上行數(shù)據(jù)傳輸一般使用C波段，下行數(shù)據(jù)傳輸一般使用S 波段。為了監(jiān)測網(wǎng)絡健康情況，該系統(tǒng)使用了波長循環(huán)型陣列波導光柵（cyclic AWG）其他在S-C-L-U-波段都具有32 個0.8 nm 間隔的通道，因此系統(tǒng)可選擇L 波段作為光子計數(shù)OTDR 的監(jiān)測波段。對于每個下行C 波段，都有對應的S 或L 波段可以使用，提供上行或者光監(jiān)測信號，通過相同光路徑，作為下行數(shù)據(jù)通道。實驗測試結(jié)果表明這種方法對數(shù)據(jù)信號傳輸質(zhì)量沒有影響，可完成WDM-PON網(wǎng)絡的監(jiān)測。

此外，2019 年，中國電子科技大學Li 等人在850 nm 工作波段，實現(xiàn)了一種實用化低成本的光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)，并將其應用于航空機載32 芯光纜的故障監(jiān)測［45，63］。目前國外的Luciol Instruments，Sunrise Telecom 等公司已經(jīng)實現(xiàn)了部分光子計數(shù)OTDR 的實際成果轉(zhuǎn)化和商品化，但在國內(nèi)相關技術(shù)的商業(yè)化仍處于空白階段。

6 結(jié)語

本文從光子計數(shù)OTDR 的發(fā)展背景、物理機理到光子計數(shù)OTDR 的基本原理、發(fā)展歷程及應用做了系統(tǒng)地綜述。通過本篇綜述，可知光子計數(shù)OTDR 相比傳統(tǒng)OTDR 的特點優(yōu)勢。隨著現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展，更多的應用場景對基于OTDR的光纖分布式傳感系統(tǒng)提出了更高的要求，如飛機發(fā)動機、航空航天飛行器溫度等對測試儀器的空間分辨測量精度等都有較高要求?；趩喂庾犹綔y的光子計數(shù)OTDR 可以突破傳統(tǒng)光纖分布式傳感器的性能極限，解決其在特定場景的應用需求，實現(xiàn)厘米甚至毫米級的空間分辨率和較高的動態(tài)范圍及傳感距離，具有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

光子計數(shù)OTDR 同樣存在一定的局限性，如大部分系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的更新時間較長。光子計數(shù)OTDR 基于單光子探測技術(shù)對背向反射的單光子水平散射信號進行測量并且累積實現(xiàn)對沿著傳感光纖的信號軌跡恢復。由于光纖損耗，處于傳感光纖末端的反射光子流信號較弱，因此需要更多的積分時間來獲取完整信號。同時，由于單光子探測系統(tǒng)存在飽和計數(shù)率，為了避免探測脈沖引起的反射光子信號在傳感光纖初始段造成探測器飽和，探測脈沖強度不能過大。解決此問題的思路可以從最大化利用探測系統(tǒng)資源入手。在系統(tǒng)中可使用可變光衰減器和統(tǒng)一的時鐘信號源，動態(tài)控制探測脈沖的強度和脈寬，在傳感光纖起始初段時，減小探測脈沖強度，使探測脈沖引起的反射信號光子不足以造成探測器的飽和。在傳感光纖較遠位置處，增大探測脈沖強度，使探測脈沖引起的反射信號光子增多，使探測器工作在最高效的狀態(tài)。此外，時鐘信號源可以動態(tài)控制探測器的啟用和停止，使其工作在門控的工作狀態(tài)，這樣系統(tǒng)可以特定的窗口范圍完成對整個傳感光纖的掃描，如在強探測脈沖情況下跳過傳感光纖起始初段范圍的信號接收。在激光器輸出可控探測脈沖的配合下，使探測器始終工作在最高效的狀態(tài)，充分利用探測資源，高效完成對反射信號的收集探測，最終可大幅提高系統(tǒng)的采集速度及更新時間。

從以上討論也可以看到，單光子探測器的性能很大程度上決定了光子計數(shù)OTDR 的性能尤其是系統(tǒng)的更新時間。從提高光子計數(shù)OTDR的系統(tǒng)工作效率方面考慮，研發(fā)具有高飽和計數(shù)率的單光子探測器對光子計數(shù)OTDR 的發(fā)展具有較大幫助。另一方面，從系統(tǒng)實用化方面考慮，更低成本的單光子探測器也是促進光子計數(shù)OTDR 實用化發(fā)展的重要基礎。

基于光子計數(shù)OTDR 的特點和目前存在的局限性，如何實現(xiàn)實時高效在線的光子計數(shù)OTDR 系統(tǒng)以及如何降低光子計數(shù)OTDR 的成本、實現(xiàn)具有抗干擾能力強、小型化的實用化系統(tǒng)是光子計數(shù)OTDR 未來的重要發(fā)展方向。