光时域反射法在民航飞机光纤通信系统中的检测技术与分析

黄选红，胡 炎，张德银

(中国民航飞行学院航空工程学院，四川广汉 618307)

光纤通信在最新一代民航客机上已得到广泛应用。例如，空客公司最新的A380飞机的“航空电子全双向交换以太网(ADFX)”采用高容量光纤配线网络，敷设的光纤总长达到2 400 m［1］。相比传统的航空铜芯或铝芯导线，光纤通信优势体现在传输频带宽、抗电磁干扰(EMI)、质量更轻等［2-3］方面。民用光纤网络一般采用传统的光时域反射法(OTDR)检测线路缺陷，基于瑞利散射和菲涅尔反射产生背向散射的原理［4-5］。相比民用光纤，民航飞机的通信光纤线程更短，要求检测仪器具有更高的采样分辨率并能精确检测到厘米级的缺陷点，以便及时维修或更换，保证系统工作的可靠性和航空器的持续安全。

1 光纤通信与ODTR

1.1 光纤通信传输的理论基础

光在光纤中传播时会发生瑞利散射和菲涅尔反射，光的全反射原理是光纤通信传输的基础。根据菲涅尔定律，光产生全反射的条件为［6］:

式(1)、(2)中:θ1为光入射角;θc为临界反射角;n1为光密介质折射率;n2为光疏介质折射率。

光只有在光纤内产生连续的全反射才能不间断地进行信号传输。根据菲涅尔定律，光产生连续全反射的条件为

式(3)中:θi为光入射角;θmax为最大入射角。

1.2 光纤通信传输的基本架构

光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输介质的通信方式，基本架构如图1所示。工作时，电端机的电信号在发信机中调制激光二极管(LD)或发光二极管(LED)等光源器件发出的光信号之后，耦合进入光导纤维，携带特征信号的光载波在光导纤维中进行连续全反射。收信机中的光电二极管(PIN或APD)检测电路再将光载波信号耦合并解调为电信号送至下游电端机，实现“电-光-光-电”的光纤通信传输［7］。

图1 光纤信号传输的基本架构

2 光纤检测技术

2.1 传统OTDR检测技术

传统OTDR利用光脉冲在光纤中传播时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射原理，通过测量发送与接收光脉冲之间的时差和幅度，量化处理后得到背向瑞丽散射光功率，并将其以曲线的形式显示在示波器上，用于分析检测光纤长度、查找缺陷和定位缺陷点。由于光电器件响应的迟豫特性会导致传统OTDR存在过大的测试盲区，所以检测精度不能满足飞机短线程光纤的检测要求。因传统OTDR的检测理论和技术应用已较成熟［8-12］，这里不再赘述。

2.2 PC-ODTR检测技术

基于光子计数法的光时域反射法(PC-OTDR)是检测现代民航飞机光纤缺陷最可靠和最准确的一种方法［5］。与传统OTDR检测相比，这种方法特别适合短线程光纤的检测，可精确定位光纤链路中的缺陷点，检测精度达到厘米级别。PC-OTDR检测技术的原理是利用光电计数方式测量光的辐射通量，当菲涅尔反射光束照射在探测器上时，探测器吸收光子而产生光电子，再通过信号放大、脉冲整形和计数电路检测光子数量，并将其处理成轨迹曲线后在显示器上用于检测分析，检测基本原理如图2所示［13］。

图2 PC-OTDR检测原理

民航飞机光纤检测中的PC-OTDR技术是基于单光子延时分布计数方法，应用了光的量子特性和Poisson统计学基础理论。当光能(信号)恒定时，可检光子符合Poisson分布，在一定时间间隔内其可检概率为

式(4)中:n为单位时间内辐射光子的平均数量;T为检测间隔时间;k为被检光子数量。

当光辐能量随时间变化或式(4)中的n不再为常数时，在一定时间间隔内光子可检概率为

探测器吸收光子的能量产生光电子，光电子用作信号处理。在某一时刻光电子的匹配概率为

3 民航飞机通信系统常见光纤缺陷与PCOTDR技术应用分析

3.1 常见缺陷

随着材料技术和工艺制造水平的提升，民航飞机短线程通信光纤的本征信号衰减已接近理论损耗极限。在最新的空客A380飞机上，包括驾驶舱显示系统CDS、抬头显示器HUD、机载机场导航系统OANS、滑行应急摄像系统TACS、集中多路视频系统CMV、座舱视频监视系统CVMS、驾驶舱地板监控系统CDSS、机载娱乐系统IFE等均采用了光纤链路进行信号传输。民用飞机的光纤通信主要采用波长为0.85 μm和1.30 μm的近红外波，纤芯直径约为62.5 μm，采用多模传输，其光纤结构参数如图3所示。据统计分析，造成民航飞机光纤信号传输故障的主要原因包括:安装和维护不规范造成的意外破损、过紧或过弯、以及光纤端面污染等，这些缺陷会导致信号衰减或失真;光纤在某处发生异常断裂，导致整个传输信号中断;光纤在某处有过度扭曲或受到了飞机振动的影响，从而使信号传输呈间歇性特征。

图3 A380飞机光纤结构和基本参数

3.2 PC-OTDR技术应用分析

3.2.1 PC-ODTR主要技术参数及测量方法

动态范围、分辨率和盲区是ODTR检测应用中的3项主要技术参数［6］。动态范围是指从OTDR端口的背向散射降到本底噪声水平时OTDR所能解析的最大光损耗。它是端口处最大瑞利散射与本底噪声之间的值差，如图4所示。分辨率和盲区是短距光纤检测的关键参数。分辨率与OTDR检测过程中的背向散射信号采样频宽、轨迹曲线平滑程度和显示数据的可读性相关，针对具体某段光纤的检测，可在OTDR上选择“自动模式”进行分辨率自动适配。OTDR的盲区包括衰减盲区和事件盲区。衰减盲区是指出现菲涅耳反射(图5中A点)到反射回到比光纤的背向散射级别高0.5 dB(图5中B点)时，PC-OTDR所检测到的长度尺寸，表示OTDR能准确测量连续事件损耗的最小距离;事件盲区为从反射峰值点降1.5 dB后在轨迹曲线水平方向上相交2点所对应的光纤长度尺寸，如图5中的C点和D点。

图4 PC-OTDR的动态范围

图5 PC-OTDR盲区

3.2.2 PC-OTDR在民航飞机光纤检测中的适用性

波长λ、频率f和光速c有以下关系

光子计数法能检测到的最小光功率为

式(7)、(8)中:hν为光子能量;η为探测器量子效率;Rd为暗电流计数率;N为平均次数;τ为脉宽(时间)。根据式(7)可计算出A380飞机通信系统中波长分别为0.85 μm和1.30 μm的光纤频率分别为3.53×1014Hz和2.30×1014Hz。结合式(8)，假设 η =0.1，N=1 000，Rd=400 S-1，已知某型号PC-OTDR的脉冲宽度τ=1 ns，可概算出该设备的最小可检测功率为8.4×1014W。数据表明:该PC-OTDR具有较高的检测灵敏度，针对MMF 62.5 μm型光纤，该型号PC-OTDR的采样分辨率可达2.5 cm(250 ps)。国内某航空公司根据A380飞机线路标准施工手册中的检测程序(ESPM-20-52-25)，运用PC-OTDR对光纤链路进行了多次检测，证明该方法完全满足民航飞机光纤的检测要求。

3.3 PC-OTDR光纤检测技术分析

运用PC-OTDR进行检测前，首先应查找飞机线路图手册AWM，获知可疑光纤的件号和尺寸规格等基本信息，用于PC-ODTR参数预设;再遵照线路标准施工手册相关程序(ESPM-20-52-25)进行检测。光纤链路一般包括接头、拼接管、弯曲、支撑和固定等。识别和理解这些部位的曲线波形特征是应用PC-ODTR做出准确缺陷判定的基础。经测试分析，总结出光纤链路轨迹曲线的波形特征(如图6所示)，结论如下:

1)在接头处能直观反映菲涅耳反射和耦合情况，接头状况良好时，轨迹呈阶跃突尖，再下行至与端口处噪声值约相等的“近水平”状态，如图6中C1和C2处;

2)若接头处有污染，轨迹除仍有阶跃突尖特征外，信号有较明显的下降。这表明该处有过大的插入损耗，如图6中C3处;

3)在光纤弯曲处反映出信号的插入损耗，轨迹略微下滑后，再呈近水平状态，如图6中B处;

4)在链路拼接管处，轨迹特征与正常弯曲处近似，如图6中S处;

5)在光纤末端，轨迹呈阶跃突尖，再下行至本底噪声值，如图6中E处;

6)光纤异常断裂处的轨迹特征与末端E处相似。

图6 PC-OTDR检测轨迹波形特征

4 结束语

由于光纤网络的诸多优点，光纤通信必将在今后的民航飞机上得到更为广泛的应用。飞机维修技术人员应在学习光纤通信的理论基础上，深刻理解PC-ODTR的检测原理，统计分析更多检测轨迹的波形特征，熟练掌握仪器的操作方法，才能更准确高效地做出检测判定。同时，应严格按照飞机各类技术手册的程序要求进行维修操作，避免对光纤造成人为损伤或导致其信号传输品质下降，确保航空器持续安全运行。

［1］Ly K S，Quentel F，Pez M，et al.Bidirectional link mock-up for avionics applications［C］//Avionics，Fiber-Optics and Photonics Technology Conference.［S.l.］:IEEE，2008:13-14.

［2］高宏峰，胡俊红.基于KTS-RA码的远程光纤通信系统［J］.激光杂志，2012(6):43-45.

［3］李闯，倪明，张金权，等.锯齿波FMCW光纤声传感器信号解调技术［J］.压电与声光，2012(5):688-671.

［4］Branislav K，Marek H.Excitation of Semiconductor Laser for OTDR Based on Photon Counting［J］.Acta Electrotechnica et Informatica，2009，9(4):3-8.

［5］Korenko B，Jasenek J，Cervenova J，et al.Optical Fiber Sensor with Distributed Parameters Based on Optical Fiber Reflectometry［J］.Advances in Electrical and Electronic Engineering，2011，9(1):48-55.

［6］帕勒里斯.光纤通信［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［7］Stephane B.Optical fibre on Aircraft When the Light Speed Serves Data Transmission［J］.Airbus FAST Magazine，2011，47:14-20.

［8］陈卫，王莉.航空电缆故障在线检测与定位技术研究［J］.飞机设计，2010，30(2):62-67.

［9］杨凌辉，肖嵘，季献武，等.基于 OTDR技术的高压输电导线断股和损伤检测［J］.光电子.激光，2013，24(5):961-966.

［10］龙安仁.OTDR光纤测试法及在光缆施工中的应用［J］.电子世界，2012，(11):41-43.

［11］Furse C.Reflectometry for Structural Health Monitoring［J］.Lecture Notes in Electrical Engineering.2011:159-185.

［12］臧鹏程，王晓波，肖连团，等.基于光子计数调制的光学时域反射测量［J］.光电工程，2010，37(3):34-38.

［13］Hlavac M.Custom Photon Counting OTDR for Optical CBand［J］.Journal of ELECTRICAL ENGINEERING，2009，60(4):215-218.