内容提要：
针对传统OTDR存在的问题和不足，运用自动事件分析、高反射事件优化处理、高速微弱信号处理等技术, 设计了在线式OTDR系统，实现了光纤链路事件与故障快速准确定位和光纤劣化趋势预警，显著提高了光缆通信维修保障效益和能力。具有广阔的推广应用前景。
关 键 词：  在线OTDR  设计  实现
传统OTDR(Optical Time Domain Reflectmeter)不具备在线检测和事件预警功能，环境适应性差，不能满足快速高效和野外作业等工程要求。在线式OTDR监测系统，可实时提供光缆事件与故障准确定位和光纤劣化趋势预警，显著提高光缆检测维修效益和能力。
一、系统设计
1、总体思路
        根据工程建设和维护检修等需求，采用机架式主机和双通道脉冲在线监测方式。基于光时域传输反射原理，运用基于ARM架构的嵌入式系统和高速采样、微弱信号优化处理、阈值自动判断等技术，智能地分析和提供光纤事件类型、位置等信息,实现远程光纤在线实时监测、显示和报警。
2、功能设计
        为节省光纤资源，提高光缆使用效益，在线同纤检测是本系统应具有的主要功能。即检测时不占用光纤资源（与通信共用一根光纤），又不干扰和影响正常通信，同时兼容离线检测功能；其次是要提供实时更新的光缆“健康状态”信息，进行光纤劣化趋势分析和预警；第三是要有较高的检测精度和一定的检测距离范围；第四是要具有对光纤传输损耗、光学长度、接头损耗、接头衰减系数、反射情况进行检测的功能，体现一机多用；第五是要具有能够集成地理信息系统的功能，使光纤测试结果和光纤相关资料与GIS地图有机结合，实现故障的准确地理定位和显示；第六是操作要简单便捷，性能稳定可靠，安全保护功能完备，便于扩展升级等。
3、系统组成
        系统采用可扩展性强的模块化设计，主要由激光脉冲发生器、光电探测及放大模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块、通信接口模块和光耦合组件等七大模块组成。
二、技术实现
（一）基本测量原理
       光时域反射技术（OTDR）是用于评价和检验光纤损耗特性、光连接器性能和光纤故障的有效手段。光源发射一系列的激光脉冲到光纤中，由于这些脉冲会在光纤中产生多种散射光，通过接收背向散射光信号并与发射的光脉冲信号进行时间差对比，从而确定此散射光信号为光纤何处产生，即可得到整根光纤沿线上的散射光并精确定位。基于光时域反射理论，通过采集通信带外光监测信号在光纤中的背向散射光信号和菲涅尔反射信号，运用光纤链路分析技术，实现远程光纤在线实时监测。
（二）主要技术手段
1、窄脉冲技术
        窄脉冲信号的产生，对器件选取和电路设计都提出非常高的要求，尤其是器件的速度要足够快。系统根据量程定时时钟，周期性产生触发信号，再由逻辑电路产生窄脉冲，然后经脉冲驱动电路放大，使驱动电流足以驱动激光器产生额定功率的光脉冲。为了达到大的动态范围，一般采用宽的光脉冲，脉宽越宽，注入光纤中的能量就越大，探测的距离就越长。但由盲区和脉冲的关系可知，脉宽越小，盲区就越小。本系统为了兼顾动态范围和盲区的设计要求，设置了多种脉宽，最小测试脉宽为10ns，事件盲区可达到1m。
2、宽带接收技术
        光接收单元和模拟信号处理电路是影响OTDR技术指标的关键部分，盲区的大小也与之紧密相关。光接收单元的核心器件是雪崩光电二极管（APD），APD的响应带宽必须足够大，保证窄脉冲信号能够响应，同时，要有足够的动态范围，在大信号时接收机不发生饱和，小信号时要有高的探测灵敏度，使其输出的电信号保持原光脉冲特性。APD之后是模拟通道部分，接收模拟通道的电信号带宽应满足窄脉冲的响应要求，包括前置放大器、程控滤波器、程控衰减器和主放大器。模拟通道的带宽与OTDR的诸多技术指标密切相关，且影响各异。对大动态范围测量来说，希望带宽越小越好，对分辨率和盲区指标来说，带宽越大越好。另外，要求放大器的输入阻抗要足够大，输入偏置电流要很小，以确保极微弱信号的检测。本系统采用了简化通道级数，严格电路参数选取，尽可能短的工艺布线，串联结构改为并联结构等技术措施，保证了接收通道的特性良好，实现了理论上的最小盲区。
3、微弱信号提取和处理技术
        由于在线OTDR技术采集的是激光在光纤中传输产生的微弱的背向瑞利散射信号，此信号幅度很小，往往被噪声淹没。放大被测信号的过程同时也放大了噪声，因此只靠放大不能把微弱信号检测出来。为此，本系统一是在窄脉冲信号的驱动方式、光电雪崩二极管的光电转换方式及高速采集方式的设计上层层把关，抑制噪声的引入；二是运用了采样积分和放大滤波等多种信号处理技术，对信号进行多次扫描和平均测量，较好地实现了从复杂强背景噪声中对微弱有用信号的提取和处理。
4、高速采样和高反射事件优化处理技术
        为了实时呈现分布式光缆的“健康状态”，必须实时的采集光纤背向散射的信号。采样过程中，数据的放大倍数与测量结果的同步时序控制非常重要。本系统利用高速AD采样技术结合FPGA的快速数据处理能力，实现了高速、超宽带的信号采集。由于光电检测模块受高强度反射光影响会暂时“失明”，所以，如何快速使光电模块恢复正常并重新读取光信号，成为事件分辨性能的关键技术。本系统采用先进的高反射事件优化处理技术，有效提升了系统的分辨精度。
5、自动事件分析技术
        自动跟踪和事件分析算法降低了OTDR测试的复杂程度。在自动测试模式下，通过系统缺省参数配置，系统将自动进行测试和事件分析，并迅速给出事件类型、损耗值和反射值等实时监测信息，一旦超过默认事件阈值，系统将立即报警。自动事件分析技术大大简化了操作，实现了事件与故障识别的自动化和智能化。
6、内置光滤波器隔离技术
       本系统采用1625nm的通信带外监测波长，在系统内集成了通信频带的光滤波器，完成对发射机信号的隔离，使在对光缆进行监测时，不会干扰通信信号的正常传输，成功实现了在线同纤监测，同时兼顾离线监测功能。
7、基于ARM架构的嵌入式系统
      ARM架构的主要特点是高效能，低功耗。在高性能嵌入式处理器和嵌入式操作系统的支撑下，严格按照时序要求，执行经过剪裁的特定功能，对实时多任务有较强的支持能力，使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低的程度。这不仅大大增强了高速的数据采集和处理能力，也确保了系统的稳定可靠运行。本系统软件结构采用模块化设计，既便于诊断，又避免了模块之间出现错误交叉；处理器结构采用可扩展设计，既达到了高性能应用，又缩短了程序开发时间。