基于单光子探测的光子计数光时域反射仪研究进展

刘旭，刘波*，饶云江，2*

（1.之江实验室 智能感知研究院 光纤传感研究中心，浙江 杭州 311100；2.电子科技大学 光纤传感与通信教育部重点实验室，四川 成都 611731）

1 引言

光纤分布式传感器现如今已在交通轨道桥梁的压力监测、通信光缆的断点监测、故障定位、石油气井温度监测、海底光缆水声探测、航空发动机健康监测等多个领域有着重要应用［1-4］。基于光时域反射技术（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）的光纤分布式传感系统通过检测由脉冲泵浦信号引发的传感光纤中的时域反射信号可以完成对整个传感光纤特性的分布式监测，相比于点式传感器具有极大的技术优势和应用成本优势。传统的OTDR 分布式传感系统，一般使用模拟探测的线性光电探测器，如PIN 管或雪崩光电二极管对反射信号进行接收探测。此类光电探测器的探测噪声会随着探测带宽的增大而增大，另一方面，其相应的灵敏度也会有所下降，造成系统动态范围（传感距离范围）的下降。而系统探测带宽也是影响系统最小可以分辨传感光纤中两个事件能力即空间分辨率的重要因素。因此传统的OTDR 系统无法兼顾传感距离和高空间分辨率的要求。随着航空航天、现代化工业等军民应用领域的快速发展，其对OTDR 系统的性能提出了更高的要求。如何解决传统OTDR 系统在空间分辨率和传感距离范围的发展瓶颈是亟待解决的关键问题。

光子计数OTDR 基于单光子探测和时间相关的单光子计数技术，可以实现完全数字化的OTDR 探测系统。通过采用单光子探测技术，大大提高了弱光检测能力，符合为提高系统空间分辨率对反射光信号的高灵敏探测要求，同时采用时间相关的数字化探测记录系统，消除了传统模拟探测高带宽引发的大噪声等不利因素，从而相比传统OTDR 系统可同时获得更高空间分辨率和动态范围，突破传统OTDR 系统的性能极限。近年来，随着量子信息等交叉领域学科的快速发展，带动了单光子探测相关技术的跃进，基于单光子探测的极弱光信号测量相关领域得到了快速的发展［5-6］。基于单光子探测的光子计数OTDR，在系统性能指标上陆续取得了一系列突破，相比于传统OTDR 系统在性能指标上有着显著优势。本文对光子计数OTDR 进行了系统地技术性总结和研究进展综述，对该技术在的关键性能指标尤其是空间分辨率和动态范围、传感距离等参数进行了分析对比，阐明了光子计数OTDR的优劣势，旨在通过本文的综述，促进基于单光子探测的光子计数OTDR 在新时期的高水平发展。

本文的安排如下，第二章主要阐述OTDR 的三种基本物理机理，第三章主要对光子计数OTDR 特点进行了综述，包括传统OTDR 存在的问题，光子计数OTDR 的基本原理等。第四章主要对光子计数OTDR 的发展进行了综述，第五章对目前光子计数OTDR 的一些应用进行了总结，最后一章是本文的结论和展望。

2 OTDR 的物理机理

目前，分布式光纤传感器的物理机理主要是基于入射光与光纤材料相互作用激发的光学散射效应，如瑞利散射，拉曼散射，布里渊散射。沿着传感光纤的外部扰动如温度应力可以通过反射光信号的幅值、频率、偏振或者相位等信息体现出来并进行相应测量，如可基于反射瑞利信号强度进行光纤损耗、断点监测等，基于不同温度下拉曼散射及布里渊散射强度的不同实现分布式温度传感等应用［7-8］。OTDR 是在时域上对反射光信号进行测量解调的系统。图1 所示为产生散射光信号的频谱示意图，图中包含了瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射信号。

图1 典型自发散射光频谱图Fig.1 Spectral figure of typical spontaneous scattering

图中中心峰的位置是瑞利散射，其散射光信号频率与入射光频率一样，因此瑞利散射是弹性散射。瑞利散射源于入射光子与粒子或远小于光波长的材料折射率浮动之间的相互作用，其散射信号强度高度依赖入射光波长，与入射光频率的四次方成正比，频率愈高则散射愈强。基于瑞利散射的OTDR 分布式光纤传感系统通常用来进行光纤链路损耗测量、断点监测、故障定位等应用。邻近中心瑞利反射峰的两个峰是布里渊散射分量，源于光子与声学声子在光纤传播中的相互作用。而远处反射峰则是拉曼散射，可描述为光子与光学声子之间发生的相互作用。由于散射光与入射光之间发生了频移，布里渊散射和拉曼散射都是非弹性散射。相对于入射光子，低频散射光子称为斯托克斯（Stokes）分量，高频散射光子称为反斯托克斯（Anti-Stokes）分量。基于拉曼散射的OTDR 分布式光纤传感器通常用来进行分布式温度传感，基于布里渊散射效应的OTDR 通常用来做分布式温度、应力传感等。

3 光子计数OTDR 基本原理

3.1 传统OTDR 的限制

在一个典型的传统OTDR 系统中，脉冲激光注入到传感光纤中激发自发散射效应，沿着传感光纤产生的背向反射光信号最终通过PIN 管或者雪崩二极管进行探测。这种使用模拟探测的传统OTDR 系统，在系统关键性能指标如空间分辨率和动态范围上会受到一定程度的限制。在激发光脉冲宽度较窄时，相应的探测器响应时间（τ）越快即带宽越大，则系统的空间分辨率Δz越小，一般而言，两者的关系在单模光纤中可以表示为［9-10］：

其中，c/neff为光纤中光的传播速度。

随着探测器带宽的增大，探测器噪声一般也会随之增大，造成系统信噪比的恶化。另一方面，系统的灵敏度可表示为［11］：

其中：NEP 为探测器的噪声等效功率，N为数据平均次数。可见，探测器的噪声等效功率和带宽直接影响系统的灵敏度。提高空间分辨率的同时，系统的灵敏度变小，进而影响系统的动态范围，也即相当于最远传感距离范围。系统的动态范围DR可表示为最大后向散射功率Pback与Pmin之比［12］，即：

从式（3）可以看到，在平均次数、探测器带宽和后向散射功率不变情况下，探测器的NEP 越小，系统的动态范围越大，也意味着可以获得更远的传感距离范围。

由以上分析可知，在传统的OTDR 系统中，要实现高空间分辨率，需要减小脉冲宽度，减小探测器响应时间也即增大探测器带宽。而模拟探测系统中的光电探测器如雪崩二极管（Avalanche Photo Diode，APD）工作在线性

区域，带宽越大，探测器噪声也越大，灵敏度越差，同时其可实现的NEP 也有限，最终限制了系统的动态范围。因此传统OTDR 系统无法在实现高动态范围的同时兼备高空间分辨率，且受探测器NEP 限制，存在性能瓶颈。针对两者矛盾，最简单的一种解决办法是保持脉冲宽度不变的情况下，通过提高脉冲峰值功率来增加动态范围提高信噪比，但在实际应用过程中会受到多种条件限制，如受激布里渊和受激拉曼的发生，以及激光器的成本、可靠性等。

3.2 光子计数OTDR 的基本原理

光子计数OTDR 与传统OTDR 系统的主要区别在于探测系统和数字采集系统。从3.1 节可以看出，当提高系统的空间分辨率时，反射光子流会变弱。光子计数OTDR 采用单光子探测技术，可以实现对单光子水平光信号的极弱光探测能力。如典型的半导体单光子雪崩光电二极管，通过施加高于击穿电压的反向高压，使其工作在盖革模式［13-14］，单个光子信号便可触发雪崩现象，形成相应的电流信号，对应的探测噪声取决与单光子探测器的暗计数率（即没有输入光情况下时探测器的平均计数率）。图2 所示为两种二极管工作模式示意图［15］。

图2 两种雪崩二极管工作模式示意图［15］Fig.2 Working modes of two kinds of APD［15］

单光子探测器对应的噪声等效功率NEP 可表示为［11］：其中：h为普朗克常量，v为光子频率，η为单光子探测器探测效率，pdc为暗计数率。由此可见，系统NEPPC与探测带宽无关。以目前的超导纳米线单光子探测器为例，其典型的噪声等效功率一般为10-18，低于传统模拟探测器的NEP值约6 个数量级。更低的NEP 值、更高的探测灵敏度意味着可以兼顾空间分辨率的同时，实现更高的动态范围。相关文献中也讨论了高灵敏度对提升空间分辨率的影响，如当工作在1.55 μm波段的光子计数OTDR 的灵敏度比传统OTDR高5 dB 时，空间分辨率提高了约100 倍，达到厘米量级［16-17］。此外，光子计数OTDR 采用的数字采集系统实现了对脉冲信号的数字化甄别，使探测器输出标准电平信号，进而采用时间相关的单光子计数器，对脉冲到达时间进行精确记录。系统通过重复性地测量反射信号与激发脉冲之间的时间间隔，建立光子计数—时间直方图，从而恢复出沿着传感光纤的反射信号轨迹，示意图如图3 所示。

图3 光子计数-时间直方图Fig.3 Histogram of photon counting and time

基于单光子探测的时间相关单光子计数技术方案检测过程具有离散性，一方面能够检测单光子水平的超低功率光信号，系统性能提升不再受噪声等效功率的限制，另一方面，这种数字化的离散探测记录方式使得系统空间分辨率与探测带宽无关，可以很好地克服传统OTDR 中存在的瓶颈，实现超高空间分辨率及高动态范围的OTDR 系统。

4 光子计数OTDR 的发展

光子计数OTDR 系统的发展可以分为以下几个方面，包括系统关键设备器件的技术发展如单光子探测技术［14，18-20］、数字采集技术的发展［21］、系统设计的改进提升［22］等。这几个方面的发展对系统性能指标如空间分辨率、动态范围传感距离、更新时间等都有直接的影响。

4.1 关键器件的发展

4.1.1 探测系统

1980 年，Healey 使用基于硅的单光子雪崩二极管（Si-APD），在850 nm 工作波段，实现了单向损耗超过40 dB 的多模光纤故障诊断光子计数OTDR 系统［23］。但是由于探测器探测效率较低，系统接收到反射光子较少，完成对传感光纤的诊断需要接近1 h 的积分时间。次年，Healey 采用液氮制冷77 K 温度环境下的锗（Ge）单光子雪崩二极管作为探测系统，在1.32 μm 波段基于瑞利散射对单模光纤损耗、故障点进行分布式监测，最终测量得到了在37 km 长单模光纤下20 dB 的动态范围和100 m 的空间分辨率［24］。后续，Healey对光子计数OTDR 的特点及与传统基于模拟探测的OTDR 的性能做了对比，体现出了光子计数OTDR 实现更优系统性能指标的潜力［11］。随后，基于光子计数OTDR 得到了广泛发展［23，25］。Levine 等人报道了在近室温条件下可以工作于单光子计数模式的Ⅲ-Ⅴ族InGaAs/InGaAsP/InP分离吸收渐变电荷倍增层结构（Separate Absorption and Multiplication，SAGM）的半导体单光子雪崩光电二极管［26］，相比于Ge-APD，其具有更低的暗计数噪声，而且不需要Ge-APD 需要工作在制冷温度77 K 的环境。基于此工作，该研究组使用InGaAs/InP 单光子雪崩光电二极管实现了1.3 μm 波段的光子计数OTDR 系统［27］，系统探测的灵敏度极限达到3×10-14W，工作温度为-44 ℃。通过改进探测器工艺，在低电阻率Zn掺杂的p+-InP 基底上生长SAGM 区域，该小组成功实现了室温条件下的1.3 μm 波段基于瑞利散射的光子计数OTDR 系统［28］，系统探测灵敏度达到与使用制冷温度为77K 条件下的Ge-APD光子计数OTDR 系统相同的水平。后续该研究小组将此系统工作波段迁移至1.5 μm 的光纤低损耗通信波段，实现室温环境下的1.5 μm 波段的光子计数OTDR，实现了50 km 长度范围的折射率匹配光纤端面的探测。

Stierlin 等人基于光电倍增管单光子探测和时间相关的单光子计数技术，在850 nm 工作波段实现了基于拉曼散射效应的分布式温度传感器［29］，其装置结构如图4 所示。探测脉冲信号激发光纤中的拉曼散射效应，产生温度敏感的拉曼散射信号，系统中通过光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）单光子探测和数字采集系统对光子进行探测和采集记录。

图4 基于PMT 探测的分布式温度传感系统［29］Fig.4 Distributed temperature sensing system based on detection of PMT［29］.

在图4 所示方案中，系统依赖重复性测量激光二极管脉冲与探测器探测到的后续反射的第一个反斯托克斯光子之间的时间延迟信息，以此来恢复传感光纤的反射拉曼轨迹信号。单光子探测器输出脉冲经过放大器放大后，接着通过了一个甄别器（Discriminator）来判别输出标准电平信号。探测脉冲信号与反射光子之间的时间差由时间-脉冲高度转换器（Time to Pulse Height Converter，TPHC）进行测量。此信息进而通过多通道分析仪（Multi-Channel Analyzer，MCA）进行积累和分类，简单来说，MCA 通过将不同时间延迟的事件进行积累和分类，建立光子数和时间延迟的直方图，恢复反射信号轨迹。此系统的主要缺点在于对反射光子的利用效率低，每个探测脉冲后只使用了一个光子信息。为了使测量时间缩短，探测脉冲的重复频率必须尽可能地高，但是另一方面也会受到传感光纤长度的限制，以保证不同探测脉冲反斯托克斯信号之间不会发生重叠。最终，此系统在110 m 长多模光纤下最 高可实现0.1 m 的空间分辨率［29］，在1～3 min 时间内可以实现温度分辨率1～4 ℃，相比基于传统模拟探测的OTDR 系统有了较大提高。基于光电倍增管单光子探测器和镀金膜、碳膜的传感光纤，Ricardo 等人实现了高温分布式传感系统［30］，在20 m 长光纤条件下，空间分辨率达到10 cm，检测温度高至550 ℃，温度分辨率为2 ℃，积分采集时间为60 s。在此方案中，基于PMT 的探测器效率约为4%，在一定程度上限制了系统进一步发展。

1.5μm 通信波段是光纤的低损耗窗口，适合构建高性能的光子计数OTDR 系统。2005 年，来自美国斯坦福大学研究团队和日本NTT 公司基础研究实验室的研究团队利用PPLN 波导（Periodically Poled Lithium Niobate waveguide）进行1.5 μm 近红外通信波段到可见光的频率上转换，结合硅雪崩二极管实现了1.5 μm 单光子探测器，论证了基于此探测器的光子计数OTDR系统［31-32］。次年，瑞士日内瓦大学研究团队利用基于PPLN 的上转换单光子探测器和低时间抖动的单光子计数模块，实现了厘米量级的高空间分辨率光子计数OTDR系统［33］。图5 所示为其基于PPLN 波导的频率上转换单光子探测系统模块示意图。基于PPLN 波导中发生的和频产生效应，一个1 550 nm 波长的光子和一个980 nm波长的光子可以产生一个600 nm 波长的光子，进而通过棱镜和滤波器后通过单光子雪崩光电二极管SPAD 进行探测。

图5 基于PPLN 频率上转换的单光子探测系统模块图［33］Fig.5 Set-up of the single photon detection system based on PPLN waveguide［33］

2013 年，中科大研究团队通过使用长泵浦和体光纤光栅，实现了超低噪声的上转换单光子探测器，噪声等效功率约为-，基于此超低噪声单光子探测器实现了42.19 dB 动态范围的光子计数OTDR 系统，并进行了约217 km 传感光纤范围的监测实验［34］。图6 所示为实验系统装置图。

图6 217 km 传感光纤范围的光子计数OTDR 装置图［34］Fig.6 Setup of photon counting OTDR with sensing fiber of 217 km［34］

随着单光子探测技术水平的持续发展，更低噪声、低时间抖动、更高探测效率及计数率的单光子探测器逐渐实现市场化，如基于超导纳米线的单光子探测器。相应地，光子计数OTDR 系统的性能也逐渐得到提升，其相比于传统OTDR 的优势也更好地体现了出来。

2011 年，Tanner 等人使用超导纳米线单光子探测器，在1 550 nm 通信波段实现了空间分辨率为1.2 cm 的分布式光纤拉曼温度传感器［35］，图7 为其温度测量结果示意图。通过小于60 s的积分采集时间便可恢复出传感光纤的温度演化，不过此工作中传感光纤长度较短，仅有约2.8 m。该研究小组后续又对系统温度测量的不确定度进行了分析，得到在60 s 的积分采集时间内，实现1 cm 空间分辨率的温度不确定度为3 K［36］。

图7 1.2 cm 空间分辨率的传感光纤温度分布测量图［35］Fig.7 Temperature measurement of distributed sensing fiber with 12 mm spatial resolution［35］

2012 年，南京大学研究团队Hu 等人基于超导纳米线探测器超低噪声等效功率、高计数率和低时间抖动特性，实现了22 dB 动态范围的光子计数OTDR 系统［12］，相当于110 km 的传感光纤范围。相继地，美国耶鲁大学Schuck 等人开发了低噪声波导耦合的超导纳米线NbTiN 单光子探测器，探测器时间抖动为50 ps，暗计数率仅为3 Hz，其噪声等效功率与超导纳米线的偏压电流关系如图8（a）所示（彩图见期刊电子版）。图中红色曲线为白天条件下的结果，蓝色曲线为最小环境光条件下的结果，其中黑点为基于此探测器开发的瑞利散射光子计数OTDR 系统中探测器的工作点。最终此光子计数OTDR 系统取得了37.4 dB 的动态范围，超过200 km 的传感距离范围［37］。图8（b）所示为采集10 min，传感光纤在111 km 附近的反射信号情况，可以看到系统空间分辨率约为10 m。

图8 （a）系统噪声等效功率与纳米线偏压电流关系（b）超导探测系统探测的传感光纤在111 km 附件的反射信号［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计数OTDR 的性能指标陆续取得了一系列突破。2015 年，南京大学Zhao 等人实验报道实现了动态范围达到46.9 dB的光子计数OTDR 系统，对应最大传感距离为246.8 km，两点事件的空间分辨率为100 m［38］。

4.1.2 采样系统

光子计数OTDR 的研究进展除了其中单光子探测器的发展，另一项比较重要的方面是数字采集系统的发展。部分数字采集系统会与探测系统相结合，用于甄别单光子引发的脉冲信号并将其转换为标准电平（LVTTL 或NIM）信号，使探测器进行数字化的标准电平信号输出。早期光子计数OTDR 的数字采集系统仅为两通道采样器［23］，通过外部脉冲控制采样器以步进的方式完成对传感光纤的扫描，采样周期对应系统的空间分辨率，且这个过程只适用于在每个采样周期探测到多于一个光子的概率很小的情况，通过重复性测量累积恢复出每个采样周期的光子数目。为了提高系统工作效率，提升采样速度，多通道线性数字采样系统被提出［24］，来充分利用每个激发脉冲生成的散射光子信号。不过基于此系统，同样需要以扫描的方式完成对传感光纤反射光子的监测。基于高速时钟和逻辑器件，多光子时间计数技术被实现［39］，其可实时对反射光子流信号进行高速记录，直接反映出沿着传感光纤发生的时间信息。基于该技术后来又发展出来较为成熟的时间相关多通道单光子计数技术（TCSPC）。

时间相关的单光子计数（TCSPC）系统通过记录探测脉冲的电信号和反射信号光子经过探测器输出的电平脉冲的时间信息恢复沿着传感光纤的反射信号轨迹，其对探测器输出电脉冲信号的时间测量准确性影响系统对反射信号的测量精度，进而影响系统的空间分辨率。而探测器输出的对光子信号的响应电脉冲信号在幅值上会存在抖动，如果仅仅通过简单的水平触发信号来确定时间会存在时间测量的偏差。图9 中左图为采用简单的水平触发信号获得脉冲时间方法示意图，可以看到当脉冲信号幅值不同时，通过水平触发信号获得的时间信息存在偏差。图9 右图所示为采用横比甄别器（CFD，Constant Fraction Discriminator）技术确定不同幅值情况下电脉冲的时间信息，可看到脉冲幅值的浮动变化对时间的确定无影响［40］。

图9 水平触发（左）与CFD 工作模式（右）的对比示意图［40］Fig.9 Comparison between level trigger（left）and CFD operation（right）［40］

在早期的TCSPC 系统中，探测脉冲信号的同步脉冲与经过CFD 获得的反射信号响应电脉冲信号随后输入到时间幅度转换器（Time to Amplitude，TAC）。TAC 由同步脉冲触发，由另一个脉冲截止，其输出结果为一个正比于两个信号时间差的电压信号，如图10 所示。TAC 的输出结果进一步输入模拟数字转换器［40］（Analog to Digital Converter，ADC），提供数字时间信息进行直方图的建立。在这样的系统中，ADC 的转换速度需要非常快来保证系统的死时间非常短，另一方面，它需要在整个幅值范围保证一个良好的线性度，同时满足这两个条件非常困难。此外，TAC 的范围也是有限的。因此后来随着技术的发展，TAC 和ADC 任务只需要通过一个数字电路来完成，即时间数字转换器（Time to Digital Converter，TDC），使得TCSPC 系统更加高效，且结构紧凑、低成本和小型化。通过结合高时间精度的TDC 和高速现场可编程门阵列（FPGA），探测系统在高速数据采集下进行高精度时间测量，由2020 年Felipe 等人报道的工作可知，系统在20 min 时间采集下，可实现对12 km 传感光纤范围厘米精度的事件监测［41］。

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

基于高性能的单光子探测，结合时间相关的单光子计数技术（TCSPC），光子计数OTDR 性能水平得到了极大地提高。表1 对比了基于不同类型单光子探测器及数字采集技术的光子计数OTDR 系统的性能指标情况。

从表1 中可以看到光子计数OTDR 的发展及性能指标的提升情况。如基于高探测效率和低噪声的SNSPD 的Raman 光纤分布式温度光子计数系统，最小空间分辨率可以达到1 cm［35］。在长距离和高分辨的实现上，Cleitus 等人实现了传感距离50 km，空间分辨率为3 m 的Raman-OTDR分布式温度系统［43］。相比传统Raman-OTDR 受限于模拟探测器的带宽和噪声，在空间分辨率为1 m 情况下，可实现的传感距离一般为10 km（数据源于AP Sensing 公司商用产品）。在实验室条件下，Liu 等人通过设计和生产一种大模场直径和低模间色散的折射率渐变的少模光纤（GI-FMF），最高实现了25 km 传感距离，1.13 m空间分辨率的指标［44］，与光子计数OTDR 系统仍存在差距。此外，对于基于瑞利散射的OTDR 方面，光子计数OTDR 系统的传感距离已经突破200 km，空间分辨率为100 m，远超过传统OTDR 系统所实现的性能指标（传统距离200 km，空间分辨率为千米量级［38］），在长距离大范围尺度的故障检测定位中具有重要应用潜力。

表1 基于不同类型探测器和采集技术的光子计数OTDR 性能指标对比Tab.1 Comparisons of photon counting OTDR based on different detector and digital data sampling technologies

4.2 系统设计

除了系统关键设备器件的技术发展外，光子计数OTDR 在系统设计也有一定的发展如门控方案［16，45-46］、无限散射技术［47-48］等。

由于光子计数OTDR 依赖重复性测量，通过对光子的统计恢复出传感光纤的光子反射信号轨迹，因此受限于单光子探测器饱和计数率，总体而言光子计数OTDR 系统需要一定时间来积累光子数据，效率较低。在系统设计上，2002 年，瑞士日内瓦大学研究团队Scholder 等人使用大探测门宽信号来使单光子探测器工作在门控模式［16］，有效提高了系统的动态范围，但是空间分辨率则有所牺牲。

2019 年，电子科技大学Li 等人提出了一种外时间门控技术［46］，通过在单光子探测器前加入高速光开关，从而将OTDR 曲线划分为N段，每段宽度由时序门控信号决定，以此完成对整个曲线的扫描。图11 所示为系统装置图、给光开关提供的门控信号序列图及有无门控情况下仿真的OTDR 轨迹图（蓝色为无门控信号，彩图见期刊电子版）。

图11 （a）外时间门控光子计数OTDR 装置原理图（b）给光开关提供的门控信号序列图（c）有无门控信号下仿真的60 m 光纤链路的OTDR 轨迹［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］

对于每一段曲线的测试，都可以通过提升探测强度使得反射光子流累积速度增加，以此有效提升了系统的动态范围及更新时间，相比于无门控方案，相同采集时间下，动态范围提高了11 dB。此外，为了解决光子计数OTDR 系统中窄脉冲在长距离传输过程中的色散展宽问题，Li 等人实现了一种基于无限散射计数的光子计数OTDR［48-49］，采用宽脉冲代替窄脉冲注入传感光纤，利用单光子探测器对其充满光纤过程中产生的后向信号进行探测，通过对相邻时间通道内的光子数做差分运算即可得到对应点的后向信号，进而分析出被测传感光纤的传输情况。不同于传统OTDR，无限散射技术是采用差分运算方式得到的散射单元的后向散射强度，因此它的空间分辨率不再受激光脉冲宽度影响，而仅与采样时间Δt有关，因此长距离测量时无限散射OTDR具有色散无关的特性。此外，还有基于布里渊散射效应的光子计数分布式温度传感系统工作被报道［50-54］、具备自校准自参考功能的准分布式光纤布拉格光子计数OTDR 系统［55］等。

通过以上对光子计数OTDR 发展的综述，可以看到光子计数的研究热点和关键攻关方向主要分为两个方面。一方面集中在基于光子计数OTDR 的特点，通过改变传统OTDR 的探测和采集系统，引入单光子探测和时间分辨的单光子计数技术，提升突破传统OTDR 系统的关键性能指标。如提升基于瑞利散射的OTDR 系统的故障定位能力和动态范围，改善基于拉曼散射OTDR 的分布式温度传感的温度分辨率、空间分辨率能力等。另一方面的研究热点和攻关方向主要集中在光子计数OTDR 系统本身性能的提升。如实现兼顾长距离高分辨的光子计数OTDR 系统；提升系统的工作效率，通过采用门控方案提升对单光子探测器的利用效率，进而缩短整个系统的更新时间等方向上。

5 光子计数OTDR 的应用

光子计数OTDR 因其可实现更高性能的分布式光纤传感，具有广阔的应用前景和发展潜力［56-63］。目前光子计数OTDR 的实际应用主要集中在基于瑞利散射的分布式光纤故障检测、定位［17］，分布式光纤PH 值测量［57，64］，无源光通信网络监测［56，58-60］，航空电子光纤链路监测［45，63］等领域。

2004 年，日内瓦大学研究团队Wegmuller 等人通过使InGaAs/InP 单光子探测器工作在可控门模式，设计实现了高效的光子计数OTDR 系统［17］，其可高效地对地铁环境中光缆故障进行定位诊断，此系统还可对传感光纤的双折射变化进行检测，对于识别链路的问题区域十分有帮助。

此外，英国曼彻斯特大学Saunders 等人基于Luciol Instruments 实现的光子计数OTDR，利用多模大芯径的塑料光纤，实现了对PH 值的分布式测量［57］。研究人员在距离光纤末端4 m 的位置处，通过丙酮对塑料光纤的包层进行去除。之后，将裸纤侵入到甲基红水溶液中，PH 值通过滴入浓盐酸来改变。系统中使用650 nm 的探测光，利用其沿传感光纤PH 值不同导致的吸收损耗不同的特性，进而建立在传感光纤不同位置处反射光信号强度与PH 值的关系轨迹，实现分布式传感。该系统中，使用多模大芯径塑料光纤的好处是其倏势场强度比多模大芯径玻璃光纤传感器高一个数量级，与外界环境的相互作用更强，更容易激发高阶模式，提高传感器灵敏度。不过塑料光纤的传输损耗较大，在650 nm 处为79 dB/km，不适宜进行长距离的分布式测量，且塑料光纤的包层为氟化PMMA 材料，通过丙酮溶液去除方式易导致其表面不光滑，影响传感器性能。

无源光通信网络（Passive Optical Network，PON）的在线健康运行情况监测也是光子计数OTDR 的一个重要应用领域。瑞士的Sunrise Telecom 公司基于光子计数技术研发了高灵敏度高空间分辨率的瑞利散射OTDR，并将其应用于PON 的测试和监测［56］。方案中使用了工作在盖革模式的单光子雪崩光电二极管探测器，并且专门设计了光子计数电子学模块，实现对光源输出探测脉冲的控制和探测器工作模式的控制，其示意图如图12（a）所示。一方面，时钟信号触发脉冲发生器，进一步驱动激光器输出探测脉冲，可实现对探测脉冲脉宽的控制。另一方面，时钟信号触发可变时延器，通过可变时延器的输出控制门电路来决定探测脉冲激发传感光纤后单光子雪崩二极管探测器的开启时间。这也是基于雪崩二极管的工作原理来实现的，当二极管偏压小于击穿电压时，倍增因子太低不足以触发判别器，探测器相当于处于关闭状态，当偏压大于击穿电压时，探测器开启，工作在盖革模式，通过偏压的偏移可以很方便地控制探测器在某个时间、时间段处于关闭和开启状态。图12（b）为应用于一个典型PON 测试的配置实例。

图12 （a）光子计数OTDR 的光电电路示意图（b）光子计数OTDR 测试使用的PON 网配置（c）PON 链路尾部OTDR 轨迹的放大图［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］

上述工作实验测试中，第一个8 端口耦合器的其中一个端口通过1.6 km 的光纤连接了第二个8 端口耦合器，8 个输出端口尾纤长度较短，系统的总的单向损耗为24 dB。图12（c）为放大的链路末端不同端口的OTDR 反射信号轨迹。图12（c）中上方曲线为采用脉宽300 ns，75 ns 步进采集的信号轨迹，可以看到系统不能够分辨出第二个8 端口不同尾纤长度。图12（c）下图为光子计数OTDR 系统工作在高分辨率，脉宽2 ns，步进长度500 ps 情况下获得的结果，系统可以很好地区分8 个反射事件，体现出了光子计数OTDR系统的优势。2014 年，巴西里约热内卢天主教大学研究团队Amaral 等人开发了一种可调光子计数OTDR 系统，并测试其在波分复用-无源光网络（WDM-PON）中的实际应用［58-59］。在WDMPON 中，通信数据的上行数据传输一般使用C波段，下行数据传输一般使用S 波段。为了监测网络健康情况，该系统使用了波长循环型阵列波导光栅（cyclic AWG）其他在S-C-L-U-波段都具有32 个0.8 nm 间隔的通道，因此系统可选择L 波段作为光子计数OTDR 的监测波段。对于每个下行C 波段，都有对应的S 或L 波段可以使用，提供上行或者光监测信号，通过相同光路径，作为下行数据通道。实验测试结果表明这种方法对数据信号传输质量没有影响，可完成WDM-PON网络的监测。

此外，2019 年，中国电子科技大学Li 等人在850 nm 工作波段，实现了一种实用化低成本的光子计数OTDR 系统，并将其应用于航空机载32 芯光缆的故障监测［45，63］。目前国外的Luciol Instruments，Sunrise Telecom 等公司已经实现了部分光子计数OTDR 的实际成果转化和商品化，但在国内相关技术的商业化仍处于空白阶段。

6 结语

本文从光子计数OTDR 的发展背景、物理机理到光子计数OTDR 的基本原理、发展历程及应用做了系统地综述。通过本篇综述，可知光子计数OTDR 相比传统OTDR 的特点优势。随着现代工业化的发展，更多的应用场景对基于OTDR的光纤分布式传感系统提出了更高的要求，如飞机发动机、航空航天飞行器温度等对测试仪器的空间分辨测量精度等都有较高要求。基于单光子探测的光子计数OTDR 可以突破传统光纤分布式传感器的性能极限，解决其在特定场景的应用需求，实现厘米甚至毫米级的空间分辨率和较高的动态范围及传感距离，具有广阔的应用前景和发展潜力。

光子计数OTDR 同样存在一定的局限性，如大部分系统测量数据的更新时间较长。光子计数OTDR 基于单光子探测技术对背向反射的单光子水平散射信号进行测量并且累积实现对沿着传感光纤的信号轨迹恢复。由于光纤损耗，处于传感光纤末端的反射光子流信号较弱，因此需要更多的积分时间来获取完整信号。同时，由于单光子探测系统存在饱和计数率，为了避免探测脉冲引起的反射光子信号在传感光纤初始段造成探测器饱和，探测脉冲强度不能过大。解决此问题的思路可以从最大化利用探测系统资源入手。在系统中可使用可变光衰减器和统一的时钟信号源，动态控制探测脉冲的强度和脉宽，在传感光纤起始初段时，减小探测脉冲强度，使探测脉冲引起的反射信号光子不足以造成探测器的饱和。在传感光纤较远位置处，增大探测脉冲强度，使探测脉冲引起的反射信号光子增多，使探测器工作在最高效的状态。此外，时钟信号源可以动态控制探测器的启用和停止，使其工作在门控的工作状态，这样系统可以特定的窗口范围完成对整个传感光纤的扫描，如在强探测脉冲情况下跳过传感光纤起始初段范围的信号接收。在激光器输出可控探测脉冲的配合下，使探测器始终工作在最高效的状态，充分利用探测资源，高效完成对反射信号的收集探测，最终可大幅提高系统的采集速度及更新时间。

从以上讨论也可以看到，单光子探测器的性能很大程度上决定了光子计数OTDR 的性能尤其是系统的更新时间。从提高光子计数OTDR的系统工作效率方面考虑，研发具有高饱和计数率的单光子探测器对光子计数OTDR 的发展具有较大帮助。另一方面，从系统实用化方面考虑，更低成本的单光子探测器也是促进光子计数OTDR 实用化发展的重要基础。

基于光子计数OTDR 的特点和目前存在的局限性，如何实现实时高效在线的光子计数OTDR 系统以及如何降低光子计数OTDR 的成本、实现具有抗干扰能力强、小型化的实用化系统是光子计数OTDR 未来的重要发展方向。