随着信息技术的高速发展,各行各业对带宽的需求越来越高。因为香农极限定理限制着基于单模光纤的光通信网络容量上限,迫切需求革命性的新技术解决当前网络容量挑战。一种以少模光纤为传播媒介的模分复用技术应运而生,该技术采用相互正交的空间模式作为互不影响的传播通道,能够提高光通信系统容量。然而,少模光纤中独有的损伤特性如模式相关损耗、模式耦合、差分模式群时延会影响模分复用技术的传输能力,降低模分复用系统的传输距离;此外,不同空间模式的传输特性存在差别,而且空间模式之间又会因串扰问题相互影响,这导致检测少模光纤的链路故障状况要难于单模光纤。因而,研究少模光纤的损伤测量技术与光纤故障检测技术尤为重要。这对于优化少模光纤结构、为模分复用系统损伤补偿提供数据支持,提高光通信系统传输能力等方面十分重要。目前主流的少模光纤损伤检测技术有脉冲响应技术、波长扫描干涉技术和背向瑞利散射测量技术。本文依据背向瑞利散射测量技术研制出一种基于嵌入式的少模光时域反射仪,其原理为利用光脉冲在传输过程中发生的背向瑞利散射效应获得光纤损伤与光纤结构参数。本文在理论分析空间模式正交性与少模光纤背向瑞利散射特性的基础上,分别搭建了嵌入式少模光时域反射仪的硬件平台、研发了嵌入式少模光时域反射仪的人机交互软件,并针对6模光纤与3模光纤进行测量,分析了嵌入式少模光时域反射仪的动态范围、空间分辨率等指标,并验证了少模光时域反射仪在故障定位与测量模式耦合、差分模式群时延与模式相关损耗的性能。本文的主要内容与创新点包括如下:1.针对少模光时域反射仪需要满足测量不同空间模式传输特性的问题,本文搭建一种光子灯笼+少模环形器的光纤故障检测系统,利用光子灯笼实现模式复用器和模式解复用器,最终通过实验证明该系统能够激发少模光纤中的多种空间模式,并分离少模光纤中的不同空间模式,为后续的少模光纤损伤检测与链路故障诊断奠定基础。2.针对少模光纤损伤检测独有的模式相关损耗、模式耦合、差分模式群时延。本文首先建立基于少模光纤的背向瑞利散射理论模型,然后通过对少模光纤损伤产生机理的深入研究,理论推导出少模光纤模式相关损耗、模式耦合与背向瑞利散射曲线斜率的关系式,进而得到上述损伤参数的检测结果,而差分模式群时延则采用时间飞行法获得。最终通过实验证明该系统可以达到测量目的,实现了少模光时域反射仪满足多模式、多参量测量的设计初衷。3.针对光纤链路故障诊断过程中,因噪声而引起的故障点误判问题,本文使用卡尔曼滤波算法去除测量数据中的噪声。通过仿真与最终实验结果显示该算法能够保持测量曲线原有变换趋势的情况下,使曲线变得平滑,进而提高少模光时域反射仪的故障诊断精确度。4.针对目前少模光时域反射仪体积大、功耗大、成本高等问题。本文使用嵌入式设备作为少模光时域反射仪的数据处理与人机交互平台。具体型号为Xilinx公司的Zynq-7000 SOC硬件平台,最终实验结果表明嵌入式设备能够满足设计需求,且更具便携性。