本实用新型涉及一种用于机载光纤航电网络的OTDR系统。
背景技术：
光纤通信在最新一代飞机上已得到广泛应用。相比光纤通信网络，航电网络的光纤长度更短，连接更复杂。因此需要专用的检测仪器设备，并且故障检测仪器具有更高的距离分辨率，以便及时维修更换，保证系统工作的可靠性。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种精度较高且工作可靠的用于机载光纤航电网络的OTDR系统。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：用于机载光纤航电网络的OTDR系统，它包括信号发生器、耦合器、光开关、时间相关单光子计数器和检测器；
信号发生器与耦合器连接，耦合器与光开关相连；
耦合器连接检测器，检测器与信号发生器相连；
信号发生器与时间相关单光子计数器连接；
时间相关单光子计数器和光开关连接至PC。
作为优选方式，信号发生器包括脉冲激光产生模块、同步时钟模块和电平转换模块；
脉冲激光产生模块与耦合器连接；同步时钟模块和电平转换模块与时间相关单光子计数器相连；检测器与电平转换模块连接。
作为优选方式，检测器为单光子探测器。
作为优选方式，信号发生器与耦合器之间设置有可调光衰减器。
作为优选方式，信号发生器包括FPGA、射频三极管和垂直腔面发射激光器。
本实用新型的有益效果是：本系统采用时间相关单光子计数器，检测精度较高、且能够集成在一个便携装置中，方便携带；而且本系统的可靠性较高，保证航空器的持续安全。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型信号发生器的局部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。
根据OTDR(光时域反射仪,利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。)的原理，检测分辨率和定位精度是和探测脉冲的宽度成反比的，脉冲越窄，探测精度越高；另一方面，OTDR系统中用于光纤故障监测的反向瑞利散射和菲涅尔反射信号的功率又是和脉冲的宽度成正比的，脉冲越窄，散射信号的功率越小，探测的难度越大(动态范围越低)。这样一来，就造成了OTDR系统中定位精度与探测灵敏度的矛盾。更具体地说，采用传统的光探测器进行OTDR故障定位，为了提高定位精度需要增加探测器的带宽，同时，在噪声系统一定的情况下，增加探测器带宽的同时又会降低其灵敏度。并且，探测器的温度漂移、增益变化以及其它环境因素的影响也会影响探测结果。因此，在上述限制下，采用传统模拟光探测器的OTDR设备进行航电网络的光纤事件点定位精度很难达到米以下。
如图1所示，用于机载光纤航电网络的OTDR系统，它包括信号发生器、耦合器、光开关、时间相关单光子计数器和检测器；
信号发生器与耦合器连接，耦合器与光开关相连；
耦合器连接检测器，检测器与信号发生器相连；
信号发生器与时间相关单光子计数器连接；
时间相关单光子计数器和光开关连接至PC的主板，PC包括显示器或显示屏。
在一个优选实施例中，信号发生器包括脉冲激光产生模块、同步时钟模块和电平转换模块；
脉冲激光产生模块与耦合器连接；同步时钟模块和电平转换模块与时间相关单光子计数器相连；检测器与电平转换模块连接。
在一个优选实施例中，检测器为单光子探测器。
在一个优选实施例中，信号发生器与耦合器之间设置有可调光衰减器。
在一个优选实施例中，如图2所示，信号发生器包括FPGA、射频三极管和垂直腔面发射激光器。
在一个优选实施例中，对信号发生器、单光子探测器和时间相关单光子计数器的参数进行限定。
信号发生器或脉冲发生器：
根据性能需求，本系统中采用的信号发生器或脉冲发生器需满足的指标为：
1)中心波长：850nm(700-900nm)；
2)脉冲宽度：<1ns；
3)脉冲峰值功率：>＝100mW；
4)重复频率：0.5MHz——10MHz可调；
5)工作温度范围：-20℃——+40℃
单光子探测器：
根据性能需求，本系统中采用的单光子探测器需满足的指标为：
1)灵敏度：850nm波长附件光子效率大于50％；
2)暗计数：<1000cps；
3)工作温度范围：-20℃——40℃；
4)时间抖动：<500ps；
时间相关单光子计数器：
根据性能需求，本系统中采用的时间相关光子计数器需满足的指标为：
1)时间分辨率：<100ps；
2)计数存储深度：>32bits；
3)同步信号速率：0.5MHz——10MHz(与脉冲发生器一致)
时间相关光子计数原理是一种极微弱光探测的方法。用于光子计数的SPDA检测器处于盖格模式下，对入射光子的响应度极高，甚至可以影响单个入射光子，非常适合用反向瑞利散射和菲涅尔反射信号的接收与探测。另一方面，时间相关光子计数原理利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术，和传统的模拟检测技术相比对探测器的模拟带宽要求大大降低。因此，采用时间相关光子计数原理构造TCS PC-OTDR设备，可以解决传统OTDR面临的定位精度与探测灵敏度的矛盾，达到厘米量级的检测分辨率和定位精度，从而满足航电光网络的应用需求。
下面介绍一下本系统的原理：
OTDR主要是利用激光脉冲在光纤中传输时引起的瑞利散射和菲涅尔反射来实现的。通过探测从被测光纤返回的光信号的强度和时间差，就可根据飞行时间测距法来计算出事件点的位置，公式为：
式中，c为真空中的光速，Δt是光脉冲往返事件点的双程时间差，n为待测光纤的折射率。
如图1所示，信号发生器(signal generator)集成了三个功能模块：脉冲激光(pulsed lasers)的设置和产生、同步时钟(synchronizing clock)的输出以及TTL电平到NIM电平的转换(level transfer)。信号发生器根据设置产生窄激光脉冲，输入到耦合器(coupler)的1端口，然后经过2端口输出到1×32光开关(switch)，光开关则可根据所切换的通路将脉冲注入到对应的被测光纤(Fiber Under Test,FUT)中。脉冲光在光纤中传输时产生的后向回返光经过耦合器的3端口，被单光子探测器探测到。测试表明激光器的性能受反射光的影响不明显，因此在耦合器后未加入光隔离器。单光子探测器输出的脉冲为TTL信号，与TCSPC电路要求的NIM输入电平不匹配，需要电平转换为NIM电平信号后才可接入。同时TCSPC电路的时钟同步信号由信号发生器产生，保证精确的测量起始时刻。为了实现弱光探测，我们在激光器输出端加入可调光衰减器(Variable Optical Attenuator,VOA)，防止激光脉冲功率太大造成探测器的计数饱和。通过从TCSPC电路提取数据，并采用直方图的形式进行处理，则可建立起时间对应光子数累计的实验结果，再通过公式(1)将时间坐标转化为长度坐标，从而绘制出被测光纤的单光子OTDR曲线。不同的事件点在曲线中不同横坐标处反应出来，相邻可分辨事件点间的最小距离即是单光子OTDR系统的空间分辨率；通过分析曲线中的衰减、反射峰等特征，就可对被测光纤以及连接器进行诊断。
图2为增益开关光脉冲产生原理方案。FPGA读取时钟信息，产生同步时钟信号和用于控制射频三极管(RF transistor)的窄脉宽数字电平信号。射频三极管产生百个皮秒级的脉冲电流，驱动850nm波段的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,V CSEL)，进而通过增益开关过程产生850nm的激光脉冲。
在生产过程中将全部集成于加固式笔记本扩展坞，内部集成功能模块，对外接口包括32芯光纤航插和电源接口。笔记本电源额定功率固定，实现超高精度的TCSPC-OTDR功能功耗很大，单一笔记本电源无法满足整体功耗。目前可采用笔记本主板与扩展坞内模块分别供电的方案。激光器的工作温度为10℃～30℃，而系统要求的工作温度为-20℃～40℃，可在扩展坞内部添加温度控制模块使激光器和探测器可以在宽温条件下工作。目前可采用根据电流流向和大小的改变控制温度变化的TEC模块实现该功能。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，应当指出的是，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。