光時域反射法在民航飛機光纖通信系統中的檢測技術與分析

黃選紅，胡 炎，張德銀

(中國民航飛行學院航空工程學院，四川廣漢 618307)

光纖通信在最新一代民航客機上已得到廣泛應用。例如，空客公司最新的A380飛機的“航空電子全雙向交換以太網(ADFX)”采用高容量光纖配線網絡，敷設的光纖總長達到2 400 m［1］。相比傳統的航空銅芯或鋁芯導線，光纖通信優勢體現在傳輸頻帶寬、抗電磁干擾(EMI)、質量更輕等［2-3］方面。民用光纖網絡一般采用傳統的光時域反射法(OTDR)檢測線路缺陷，基于瑞利散射和菲涅爾反射產生背向散射的原理［4-5］。相比民用光纖，民航飛機的通信光纖線程更短，要求檢測儀器具有更高的采樣分辨率并能精確檢測到厘米級的缺陷點，以便及時維修或更換，保證系統工作的可靠性和航空器的持續安全。

1 光纖通信與ODTR

1.1 光纖通信傳輸的理論基礎

光在光纖中傳播時會發生瑞利散射和菲涅爾反射，光的全反射原理是光纖通信傳輸的基礎。根據菲涅爾定律，光產生全反射的條件為［6］:

式(1)、(2)中:θ1為光入射角;θc為臨界反射角;n1為光密介質折射率;n2為光疏介質折射率。

光只有在光纖內產生連續的全反射才能不間斷地進行信號傳輸。根據菲涅爾定律，光產生連續全反射的條件為

式(3)中:θi為光入射角;θmax為最大入射角。

1.2 光纖通信傳輸的基本架構

光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸介質的通信方式，基本架構如圖1所示。工作時，電端機的電信號在發信機中調制激光二極管(LD)或發光二極管(LED)等光源器件發出的光信號之后，耦合進入光導纖維，攜帶特征信號的光載波在光導纖維中進行連續全反射。收信機中的光電二極管(PIN或APD)檢測電路再將光載波信號耦合并解調為電信號送至下游電端機，實現“電-光-光-電”的光纖通信傳輸［7］。

圖1 光纖信號傳輸的基本架構

2 光纖檢測技術

2.1 傳統OTDR檢測技術

傳統OTDR利用光脈沖在光纖中傳播時的瑞利散射和菲涅爾反射所產生的背向散射原理，通過測量發送與接收光脈沖之間的時差和幅度，量化處理后得到背向瑞麗散射光功率，并將其以曲線的形式顯示在示波器上，用于分析檢測光纖長度、查找缺陷和定位缺陷點。由于光電器件響應的遲豫特性會導致傳統OTDR存在過大的測試盲區，所以檢測精度不能滿足飛機短線程光纖的檢測要求。因傳統OTDR的檢測理論和技術應用已較成熟［8-12］，這里不再贅述。

2.2 PC-ODTR檢測技術

基于光子計數法的光時域反射法(PC-OTDR)是檢測現代民航飛機光纖缺陷最可靠和最準確的一種方法［5］。與傳統OTDR檢測相比，這種方法特別適合短線程光纖的檢測，可精確定位光纖鏈路中的缺陷點，檢測精度達到厘米級別。PC-OTDR檢測技術的原理是利用光電計數方式測量光的輻射通量，當菲涅爾反射光束照射在探測器上時，探測器吸收光子而產生光電子，再通過信號放大、脈沖整形和計數電路檢測光子數量，并將其處理成軌跡曲線后在顯示器上用于檢測分析，檢測基本原理如圖2所示［13］。

圖2 PC-OTDR檢測原理

民航飛機光纖檢測中的PC-OTDR技術是基于單光子延時分布計數方法，應用了光的量子特性和Poisson統計學基礎理論。當光能(信號)恒定時，可檢光子符合Poisson分布，在一定時間間隔內其可檢概率為

式(4)中:n為單位時間內輻射光子的平均數量;T為檢測間隔時間;k為被檢光子數量。

當光輻能量隨時間變化或式(4)中的n不再為常數時，在一定時間間隔內光子可檢概率為

探測器吸收光子的能量產生光電子，光電子用作信號處理。在某一時刻光電子的匹配概率為

3 民航飛機通信系統常見光纖缺陷與PCOTDR技術應用分析

3.1 常見缺陷

隨著材料技術和工藝制造水平的提升，民航飛機短線程通信光纖的本征信號衰減已接近理論損耗極限。在最新的空客A380飛機上，包括駕駛艙顯示系統CDS、抬頭顯示器HUD、機載機場導航系統OANS、滑行應急攝像系統TACS、集中多路視頻系統CMV、座艙視頻監視系統CVMS、駕駛艙地板監控系統CDSS、機載娛樂系統IFE等均采用了光纖鏈路進行信號傳輸。民用飛機的光纖通信主要采用波長為0.85 μm和1.30 μm的近紅外波，纖芯直徑約為62.5 μm，采用多模傳輸，其光纖結構參數如圖3所示。據統計分析，造成民航飛機光纖信號傳輸故障的主要原因包括:安裝和維護不規范造成的意外破損、過緊或過彎、以及光纖端面污染等，這些缺陷會導致信號衰減或失真;光纖在某處發生異常斷裂，導致整個傳輸信號中斷;光纖在某處有過度扭曲或受到了飛機振動的影響，從而使信號傳輸呈間歇性特征。

圖3 A380飛機光纖結構和基本參數

3.2 PC-OTDR技術應用分析

3.2.1 PC-ODTR主要技術參數及測量方法

動態范圍、分辨率和盲區是ODTR檢測應用中的3項主要技術參數［6］。動態范圍是指從OTDR端口的背向散射降到本底噪聲水平時OTDR所能解析的最大光損耗。它是端口處最大瑞利散射與本底噪聲之間的值差，如圖4所示。分辨率和盲區是短距光纖檢測的關鍵參數。分辨率與OTDR檢測過程中的背向散射信號采樣頻寬、軌跡曲線平滑程度和顯示數據的可讀性相關，針對具體某段光纖的檢測，可在OTDR上選擇“自動模式”進行分辨率自動適配。OTDR的盲區包括衰減盲區和事件盲區。衰減盲區是指出現菲涅耳反射(圖5中A點)到反射回到比光纖的背向散射級別高0.5 dB(圖5中B點)時，PC-OTDR所檢測到的長度尺寸，表示OTDR能準確測量連續事件損耗的最小距離;事件盲區為從反射峰值點降1.5 dB后在軌跡曲線水平方向上相交2點所對應的光纖長度尺寸，如圖5中的C點和D點。

圖4 PC-OTDR的動態范圍

圖5 PC-OTDR盲區

3.2.2 PC-OTDR在民航飛機光纖檢測中的適用性

波長λ、頻率f和光速c有以下關系

光子計數法能檢測到的最小光功率為

式(7)、(8)中:hν為光子能量;η為探測器量子效率;Rd為暗電流計數率;N為平均次數;τ為脈寬(時間)。根據式(7)可計算出A380飛機通信系統中波長分別為0.85 μm和1.30 μm的光纖頻率分別為3.53×1014Hz和2.30×1014Hz。結合式(8)，假設 η =0.1，N=1 000，Rd=400 S-1，已知某型號PC-OTDR的脈沖寬度τ=1 ns，可概算出該設備的最小可檢測功率為8.4×1014W。數據表明:該PC-OTDR具有較高的檢測靈敏度，針對MMF 62.5 μm型光纖，該型號PC-OTDR的采樣分辨率可達2.5 cm(250 ps)。國內某航空公司根據A380飛機線路標準施工手冊中的檢測程序(ESPM-20-52-25)，運用PC-OTDR對光纖鏈路進行了多次檢測，證明該方法完全滿足民航飛機光纖的檢測要求。

3.3 PC-OTDR光纖檢測技術分析

運用PC-OTDR進行檢測前，首先應查找飛機線路圖手冊AWM，獲知可疑光纖的件號和尺寸規格等基本信息，用于PC-ODTR參數預設;再遵照線路標準施工手冊相關程序(ESPM-20-52-25)進行檢測。光纖鏈路一般包括接頭、拼接管、彎曲、支撐和固定等。識別和理解這些部位的曲線波形特征是應用PC-ODTR做出準確缺陷判定的基礎。經測試分析，總結出光纖鏈路軌跡曲線的波形特征(如圖6所示)，結論如下:

1)在接頭處能直觀反映菲涅耳反射和耦合情況，接頭狀況良好時，軌跡呈階躍突尖，再下行至與端口處噪聲值約相等的“近水平”狀態，如圖6中C1和C2處;

2)若接頭處有污染，軌跡除仍有階躍突尖特征外，信號有較明顯的下降。這表明該處有過大的插入損耗，如圖6中C3處;

3)在光纖彎曲處反映出信號的插入損耗，軌跡略微下滑后，再呈近水平狀態，如圖6中B處;

4)在鏈路拼接管處，軌跡特征與正常彎曲處近似，如圖6中S處;

5)在光纖末端，軌跡呈階躍突尖，再下行至本底噪聲值，如圖6中E處;

6)光纖異常斷裂處的軌跡特征與末端E處相似。

圖6 PC-OTDR檢測軌跡波形特征

4 結束語

由于光纖網絡的諸多優點，光纖通信必將在今后的民航飛機上得到更為廣泛的應用。飛機維修技術人員應在學習光纖通信的理論基礎上，深刻理解PC-ODTR的檢測原理，統計分析更多檢測軌跡的波形特征，熟練掌握儀器的操作方法，才能更準確高效地做出檢測判定。同時，應嚴格按照飛機各類技術手冊的程序要求進行維修操作，避免對光纖造成人為損傷或導致其信號傳輸品質下降，確保航空器持續安全運行。

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