随着光纤技术在通信、测量、控制、能源等领域的广泛应用,相关行业发展对光纤基础架构上的测试级别、准确性、精确度提出了更高要求。光纤测试在光纤网络的设计、部署和维护等方面所起作用至关重要,新技术的出现和旧技术的拓展也反过来不断推进光纤行业高质量的发展。作为国际上最早被研究并商用的光纤测试技术之一,光时域反射仪目前已成为光纤领域应用最基本、最广泛的测试手段。光子计数光时域反射仪则是一种结合了光时域反射技术和量子探测技术而衍生的新型光纤检测技术,克服了测试距离和空间分辨率之间的矛盾,对提升光纤测试能力具有重要意义。本文以基于单光子探测的光子计数光时域反射仪为研究对象,分析了其测试原理和特点,并对如何提高其测试性能进行了相应的讨论。通过优化探测方式、器件性能和数据处理算法,重点围绕去除探测器饱和计数对动态范围提升的限制、消除色散对空间分辨率劣化的影响、克服在航空光缆检测应用中面临的技术难题这三方面内容展开研究。论文的主要研究内容和创新工作如下:(1)提出并论证了通过外时间门控提高光子计数光时域反射仪动态范围的方案。受单光子探测器死时间的限制,光子计数光时域反射仪的计数率达到饱和后无法通过增大光功率提升动态范围。针对此问题,利用高速光开关设计了光纤分段测试的实现方法,即使用外部门控信号控制光开关以完成对后向传输光的强度调制,只有门控信号开启时间内的后向传输光能被单光子探测器探测到,通过增加探测光的强度提升门控范围内有效信号的强度,进而把光子计数从整段测量光纤范围集中到门控范围内,实现了大动态范围测量。实验结果表明,利用50 ns宽的门控信号扫描70 m长的光纤,实现了30 dB的动态范围,相比没有门控操作,动态范围提高了11 dB,与理论分析相符合。同时,随着动态范围的提升,被噪声淹没的低损耗事件也得以显现,最终观察到了0.37 dB的损耗事件。(2)提出并论证了利用无限散射技术实现色散无关光子计数光时域反射仪的方案。光时域反射系统在长距离光纤测试过程中,由于色散的影响导致脉冲展宽从而造成空间分辨率受限。针对此问题,设计了利用宽脉冲光进行探测的实现方法,即向被测光纤中周期性地注入与测试距离相关的宽脉冲光,同时在发射端对后向传输光进行记录,通过相邻时间通道内光子数的差分运算即可获得对应位置的后向信号,进而分析出被测光纤的传输情况。研究结果表明,该方案中空间分辨率不受脉冲宽度影响,不仅取消了光时域反射系统对窄脉冲激光器的依赖,而且具有色散无关的特性。此外,为进一步提高测试效率,提出了融合外时间门控的无限散射光子计数光时域反射仪方案,理论分析证明该融合方案对缩短测试时间和提高信噪比具有重要作用。实验结果表明,获得相同信噪比时,采用5个外时间门控信号扫描25 km长的被测光纤,系统的测试时间相比无门控操作可以缩短80%左右。(3)完成了基于光子计数光时域反射技术的航空光缆检测设备的设计和开发,并得到了成功应用。现有的光时域反射技术无法满足航空光缆短距离、高空间分辨率的测量要求,针对此问题,应用单光子探测技术设计了高空间分辨率多通道光缆自动检测的实现方法。为了满足系统对高性价比窄脉冲光源的需求,提出了基于半导体增益开关原理的阶梯波调制方案,利用第一段调制电流进行载流子数的累积,直到腔内载流子密度达到阈值时停止注入,之后随着第二段幅值更大的调制电流注入,载流子累积速率大大提高,从而输出高功率、高消光比的窄脉冲。为了简化数据处理过程,降低对设计人员经验的依赖,提出了基于小波包分析和支持向量机的事件自动识别方案,利用小波包的多辨析特性提取故障的特征向量,作为支持向量机的输入进行训练和测试,从而完成事件类别的判断,并得到识别率。系统测试结果表明,结合自主研发的850 nm波长的窄脉冲激光器,实现了约18 dB的动态范围和小于9 cm的空间分辨率,事件识别率达到了99%。在实现国产化高精度航空光缆检测领域具有里程碑式意义。