【資料名稱】：OTDR的使用及原理

【資料作者】：wrpp

【資料日期】：20120309

【資料語言】：中文

【資料格式】：DOC

【資料目錄和簡介】：

OTDR的英文全稱是Optical Time Domain Reflectometer，中文意思為光時域反射儀。OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表，它被廣泛應用于光纜線路的維護、施工之中，可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。
OTDR測試是通過發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi),然后在OTDR端口接收返回的信息來進行。當光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時，會由于光纖本身的性質(zhì)，連接器，接合點，彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射，反射。其中一部分的散射和反射就會返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測器來測量，它們就作為光纖內(nèi)不同位置上的時間或曲線片斷。從發(fā)射信號到返回信號所用的時間，再確定光在玻璃物質(zhì)中的速度，就可以計算出距離。
從發(fā)射信號到返回信號所用的時間，再確定光在玻璃物質(zhì)中的速度，就可以計算出距離。以下的公式就說明了OTDR是如何測量距離的。
d=(c×t)/2(IOR)
在這個公式里，c是光在真空中的速度，而t是信號發(fā)射后到接收到信號（雙程）的總時間（兩值相乘除以2后就是單程的距離）。因為光在玻璃中要比在真空中的速度慢，所以為了精確地測量距離，被測的光纖必須要指明折射率（IOR）。IOR是由光纖生產(chǎn)商來標明。
OTDR使用瑞利散射和菲涅爾反射來表征光纖的特性。瑞利散射是由于光信號沿著光纖產(chǎn)生無規(guī)律的散射而形成。OTDR就測量回到OTDR端口的一部分散射光。這些背向散射信號就表明了由光纖而導致的衰減（損耗/距離）程度。形成的軌跡是一條向下的曲線，它說明了背向散射的功率不斷減小，這是由于經(jīng)過一段距離的傳輸后發(fā)射和背向散射的信號都有所損耗。
給定了光纖參數(shù)后，瑞利散射的功率就可以標明出來，如果波長已知，它就與信號的脈沖寬度成比例：脈沖寬度越長，背向散射功率就越強。瑞利散射的功率還與發(fā)射信號的波長有關，波長較短則功率較強。也就是說用1310nm信號產(chǎn)生的軌跡會比1550nm信號所產(chǎn)生的軌跡的瑞利背向散射要高。
在高波長區(qū)（超過1500nm），瑞利散射會持續(xù)減小，但另外一個叫紅外線衰減（或吸收）的現(xiàn)象會出現(xiàn)，增加并導致了全部衰減值的增大。因此，1550nm是最低的衰減波長；這也說明了為什么它是作為長距離通信的波長。很自然，這些現(xiàn)象也會影響到OTDR。作為1550nm波長的OTDR，它也具有低的衰減性能，因此可以進行長距離的測試。而作為高衰減的1310nm或1625nm波長，OTDR的測試距離就必然受到限制，因為測試設備需要在OTDR軌跡中測出一個尖鋒，而且這個尖鋒的尾端會快速地落入到噪音中。
瑞利散射是由于光信號沿著光纖產(chǎn)生無規(guī)律的散射而形成。OTDR就測量回到OTDR端口的一部分散射光。這些背向散射信號就表明了由光纖而導致的衰減（損耗/距離）程度。
菲涅爾反射是離散的反射，它是由整條光纖中的個別點而引起的，這些點是由造成反向系數(shù)改變的因素組成，例如玻璃與空氣的間隙。在這些點上，會有很強的背向散射光被反射回來。因此，OTDR就是利用菲涅爾反射的信息來定位連接點，光纖終端或斷點。
OTDR的工作原理就類似于一個雷達。它先對光纖發(fā)出一個信號，然后觀察從某一點上返回來的是什么信息。這個過程會重復地進行，然后將這些結果進行平均并以軌跡的形式來顯示，這個軌跡就描繪了在整段光纖內(nèi)信號的強弱。
OTDR進行光纖測量可分為三步：參數(shù)設置、數(shù)據(jù)獲取和曲線分析。人工設置測量參數(shù)包括：
(1)波長選擇(λ)：因不同的波長對應不同的光線特性(包括衰減、微彎等)，測試波長一般遵循與系統(tǒng)傳輸通信波長相對應的原則，即系統(tǒng)開放1550波長，則測試波長為1550nm。
(2)脈寬(Pulse Width)：脈寬越長，動態(tài)測量范圍越大，測量距離更長，但在OTDR曲線波形中產(chǎn)生盲區(qū)更大；短脈沖注入光平低，但可減小盲區(qū)。脈寬周期通常以ns來表示。
(3)測量范圍(Range)：
OTDR測量范圍是指OTDR獲取數(shù)據(jù)取樣的最大距離，此參數(shù)的選擇決定了取樣分辨率的大小。最佳測量范圍為待測光纖長度1.5～2倍距離之間。
(4)平均時間：
由于后向散射光信號極其微弱，一般采用統(tǒng)計平均的方法來提高信噪比，平均時間越長，信噪比越高。例如，3min的獲得取將比1min的獲得取提高0.8dB的動態(tài)。但超過10min的獲得取時間對信噪比的改善并不大。一般平均時間不超過3min。
(5)光纖參數(shù)：
光纖參數(shù)的設置包括折射率n和后向散射系數(shù)n和后向散射系數(shù)η的設置。折射率參數(shù)與距離測量有關，后向散射系數(shù)則影響反射與回波損耗的測量結果。這兩個參數(shù)通常由光纖生產(chǎn)廠家給出。
參數(shù)設置好后，OTDR即可發(fā)送光脈沖并接收由光纖鏈路散射和反射回來的光，對光電探測器的輸出取樣，得到OTDR曲線，對曲線進行分析即可了解光纖質(zhì)量。
2　經(jīng)驗與技巧
(1)光纖質(zhì)量的簡單判別：
正常情況下，OTDR測試的光線曲線主體(單盤或幾盤光纜)斜率基本一致，若某一段斜率較大，則表明此段衰減較大；若曲線主體為不規(guī)則形狀，斜率起伏較大，彎曲或呈弧狀，則表明光纖質(zhì)量嚴重劣化，不符合通信要求。
(2)波長的選擇和單雙向測試：
1550波長測試距離更遠，1550nm比1310nm光纖對彎曲更敏感，1550nm比1310nm單位長度衰減更小、1310nm比1550nm測的熔接或連接器損耗更高。在實際的光纜維護工作中一般對兩種波長都進行測試、比較。對于正增益現(xiàn)象和超過距離線路均須進行雙向測試分析計算，才能獲得良好的測試結論。
(3)接頭清潔：
光纖活接頭接入OTDR前，必須認真清洗，包括OTDR的輸出接頭和被測活接頭，否則插入損耗太大、測量不可靠、曲線多噪音甚至使測量不能進行，它還可能損壞OTDR。避免用酒精以外的其它清洗劑或折射率匹配液，因為它們可使光纖連接器內(nèi)粘合劑溶解。
(4)折射率與散射系數(shù)的校正：就光纖長度測量而言，折射系數(shù)每0.01的偏差會引起7m/km之多的誤差，對于較長的光線段，應采用光纜制造商提供的折射率值。
(5)鬼影的識別與處理：
在OTDR曲線上的尖峰有時是由于離入射端較近且強的反射引起的回音，這種尖峰被稱之為鬼影。 識別鬼影：曲線上鬼影處未引起明顯損耗；沿曲線鬼影與始端的距離是強反射事件與始端距離的倍數(shù)，成對稱狀。消除鬼影：選擇短脈沖寬度、在強反射前端(如OTDR輸出端)中增加衰減。若引起鬼影的事件位于光纖終結，可"打小彎"以衰減反射回始端的光。
(6)正增益現(xiàn)象處理：
在OTDR曲線上可能會產(chǎn)生正增益現(xiàn)象。正增益是由于在熔接點之后的光纖比熔接點之前的光纖產(chǎn)生更多的后向散光而形成的。事實上，光纖在這一熔接點上是熔接損耗的。常出現(xiàn)在不同模場直徑或不同后向散射系數(shù)的光纖的熔接過程中，因此，需要在兩個方向測量并對結果取平均作為該熔接損耗。在實際的光纜維護中，也可采用≤0.08dB即為合格的簡單原則。
(7)附加光纖的使用：
附加光纖是一段用于連接OTDR與待測光纖、長300～2000m的光纖，其主要作用為：前端盲區(qū)處理和終端連接器插入測量。
一般來說，OTDR與待測光纖間的連接器引起的盲區(qū)最大。在光纖實際測量中，在OTDR與待測光纖間加接一段過渡光纖，使前端盲區(qū)落在過渡光纖內(nèi)，而待測光纖始端落在OTDR曲線的線性穩(wěn)定區(qū)。光纖系統(tǒng)始端連接器插入損耗可通過OTDR加一段過渡光纖來測量。如要測量首、尾兩端連接器的插入損耗，可在每端都加一過渡光纖。
3/測試誤差的主要因素
1)OTDR測試儀表存在的固有偏差
由OTDR的測試原理可知，它是按一定的周期向被測光纖發(fā)送光脈沖，再按一定的速率將來自光纖的背向散射信號抽樣、量化、編碼后，存儲并顯示出來。OTDR儀表本身由于抽樣間隔而存在誤差，這種固有偏差主要反映在距離分辯率上。OTDR的距離分辯率正比于抽樣頻率。
2)測試儀表操作不當產(chǎn)生的誤差
在光纜故障定位測試時，OTDR儀表使用的正確性與障礙測試的準確性直接相關，儀表參數(shù)設定和準確性、儀表量程范圍的選擇不當或光標設置不準等都將導致測試結果的誤差。
（1） 設定儀表的折射率偏差產(chǎn)生的誤差
不同類型和廠家的光纖的折射率是不同的。使用OTDR測試光纖長度時，必須先進行儀表參數(shù)設定，折射率的設定就是其中之一。當幾段光纜的折射率不同時可采用分段設置的方法，以減少因折射率設置誤差而造成的測試誤差。
（2） 量程范圍選擇不當
OTDR儀表測試距離分辯率為1米時，它是指圖形放大到水平刻度為25米/格時才能實現(xiàn)。儀表設計是以光標每移動25步為1滿格。在這種情況下，光標每移動一步，即表示移動1米的距離，所以讀出分辯率為1米。如果水平刻度選擇2公里/每格，則光標每移動一步，距離就會偏移80米。由此可見，測試時選擇的量程范圍越大，測試結果的偏差就越大。
（3） 脈沖寬度選擇不當
在脈沖幅度相同的條件下，脈沖寬度越大，脈沖能量就越大，此時OTDR的動態(tài)范圍也越大，相應盲區(qū)也就大。
（4） 平均化處理時間選擇不當
OTDR測試曲線是將每次輸出脈沖后的反射信號采樣，并把多次采樣做平均處理以消除一些隨機事件，平均化時間越長，噪聲電平越接近最小值，動態(tài)范圍就越大。平均化時間越長，測試精度越高，但達到一定程度時精度不再提高。為了提高測試速度，縮短整體測試時間，一般測試時間可在0.5~3分鐘內(nèi)選擇。
（5） 光標位置放置不當
光纖活動連接器、機械接頭和光纖中的斷裂都會引起損耗和反射，光纖末端的破裂端面由于末端端面的不規(guī)則性會產(chǎn)生各種菲涅爾反射峰或者不產(chǎn)生菲涅爾反射。如果光標設置不夠準確，也會產(chǎn)生一定誤差。
4/接頭損耗的標準數(shù)值
光纖接續(xù)標準多年來一直是一個有爭議的問題，部頒YDJ44-89《電信網(wǎng)光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)施工及驗收暫行規(guī)定》簡稱《暫規(guī)》，對光纖接續(xù)損耗的測量方法做了規(guī)定，但沒有規(guī)定明確的標準。原信產(chǎn)部鄭州設計院在中國電信南九試驗段以后的工程中提出了中繼段單纖平均接續(xù)損耗0.08dB/個的設計標準，以后的干線工程均沿用。
ITU有關接續(xù)介入損耗的原文如下。"
本試驗使用于一個竣工的光纖接頭， 用以度量接頭質(zhì)量。
應按照IEC 1073-1進行試驗。測量可在實驗室或現(xiàn)場進行。實驗室用剪回法較好，現(xiàn)場可用雙向OTDR法。介入損耗的典型值可能隨應用場合和（或）所用方法而變化。最小的接頭損耗典型值≤0.1dB。在某些場合中，介入損耗典型值≤0.5dB是可能接受的。有許多熔接機和機械接續(xù)裝置在制作接頭后可以估算接頭損耗值。 某些主管部門和私營運行機構在現(xiàn)場接續(xù)安裝時采用這些估算值，并且在全部線路施工完成后，再用OTDR對線路全程進行復測。在現(xiàn)場安裝時，也可用其它一些方法來估算接頭損耗值， 例如采用夾上去的功率計和本地注入檢測的方法。　�。�1）該建議是基于單纖接頭損耗的可接受值≤0.5dB，平均值沒有規(guī)定的情況下而言的。
從目前的熔接機情況看， 熔接機所顯示的數(shù)據(jù)配合觀察光纖接頭斷面情況， 能夠粗略估計光纖接續(xù)點損耗的狀況， 但不能精確到目前我國所要求的光纖接續(xù)損耗指標的數(shù)量級。我們認為，這些熔接機的設計目的和依據(jù)是基于ITU建議的。
（2）目前的熔接機接續(xù)是通過對光纖X軸和Y軸方向的錯位調(diào)整，在軸心錯位最小時進行熔接的，這種能調(diào)整軸心的方法稱為纖芯直視法， 這種方法不同于功率檢測法，現(xiàn)場是無法知道接頭損耗確切數(shù)值的。但是在整個調(diào)整軸心和熔接接續(xù)過程中， 通過攝像機把探測到所熔接纖芯狀態(tài)的信息送到熔接機的專用程序中，可以計算出接續(xù)后的損耗值。 但它只能說明光纖軸心對準的程度，并不含有光纖本身的固有特性所影響的損耗。而OTDR的測試方法是后向散射法，它包含有光纖參數(shù)的不同形成反射的損耗。
比較上述兩種測試原理，兩者有很大區(qū)別。通過實踐證明，兩種方法測出數(shù)據(jù)一致性也較差，通過最近幾年對干線工程接續(xù)測試發(fā)現(xiàn)，很多情況下熔接機顯示損耗很�。ㄐ∮�0.05dB）甚至為零，但OTDR測試則大于0.08dB，且沒發(fā)現(xiàn)有對應的規(guī)律。
日本的接頭損耗標準（NTT光纜施工驗收規(guī)程）最小值小于0.9dB，無平均值要求，只有中繼段總衰減要求，只要滿足，就能開通設計要求的或?qū)�來要增加的設備，在接續(xù)操作方面則與ITU建議一致。美國、歐洲諸國也都采取了大致與ITU建議一致的做法。
事實上，影響光纜安全的主要是機械損傷，光纖接續(xù)損耗大一點并不會影響接續(xù)強度，因此我們時候在驗收測試中發(fā)現(xiàn),有些點數(shù)值確實偏大,大約有1%左右的接頭回超標準,并且在多次接續(xù)后仍無法降低.在這種情況下以判斷合格的.