【資料名稱】：OTDR的使用及原理

【資料作者】：wrpp

【資料日期】：20120309

【資料語(yǔ)言】：中文

【資料格式】：DOC

【資料目錄和簡(jiǎn)介】：

OTDR的英文全稱是Optical Time Domain Reflectometer，中文意思為光時(shí)域反射儀。OTDR是利用光線在光纖中傳輸時(shí)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(yīng)用于光纜線路的維護(hù)、施工之中，可進(jìn)行光纖長(zhǎng)度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測(cè)量。
OTDR測(cè)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(jìn)行。當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)由于光纖本身的性質(zhì)，連接器，接合點(diǎn)，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(huì)返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測(cè)器來測(cè)量，它們就作為光纖內(nèi)不同位置上的時(shí)間或曲線片斷。從發(fā)射信號(hào)到返回信號(hào)所用的時(shí)間，再確定光在玻璃物質(zhì)中的速度，就可以計(jì)算出距離。
從發(fā)射信號(hào)到返回信號(hào)所用的時(shí)間，再確定光在玻璃物質(zhì)中的速度，就可以計(jì)算出距離。以下的公式就說明了OTDR是如何測(cè)量距離的。
d=(c×t)/2(IOR)
在這個(gè)公式里，c是光在真空中的速度，而t是信號(hào)發(fā)射后到接收到信號(hào)（雙程）的總時(shí)間（兩值相乘除以2后就是單程的距離）。因?yàn)楣庠诓Ａе幸�比在真空中的速度慢，所以為了精確地測(cè)量距離，被測(cè)的光纖必須要指明折射率（IOR）。IOR是由光纖生產(chǎn)商來標(biāo)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(hào)沿著光纖產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的散射而形成。OTDR就測(cè)量回到OTDR端口的一部分散射光。這些背向散射信號(hào)就表明了由光纖而導(dǎo)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(hào)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(biāo)明出來，如果波長(zhǎng)已知，它就與信號(hào)的脈沖寬度成比例：脈沖寬度越長(zhǎng)，背向散射功率就越強(qiáng)。瑞利散射的功率還與發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)較短則功率較強(qiáng)。也就是說用1310nm信號(hào)產(chǎn)生的軌跡會(huì)比1550nm信號(hào)所產(chǎn)生的軌跡的瑞利背向散射要高。
在高波長(zhǎng)區(qū)（超過1500nm），瑞利散射會(huì)持續(xù)減小，但另外一個(gè)叫紅外線衰減（或吸收）的現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)，增加并導(dǎo)致了全部衰減值的增大。因此，1550nm是最低的衰減波長(zhǎng)；這也說明了為什么它是作為長(zhǎng)距離通信的波長(zhǎng)。很自然，這些現(xiàn)象也會(huì)影響到OTDR。作為1550nm波長(zhǎng)的OTDR，它也具有低的衰減性能，因此可以進(jìn)行長(zhǎng)距離的測(cè)試。而作為高衰減的1310nm或1625nm波長(zhǎng)，OTDR的測(cè)試距離就必然受到限制，因?yàn)闇y(cè)試設(shè)備需要在OTDR軌跡中測(cè)出一個(gè)尖鋒，而且這個(gè)尖鋒的尾端會(huì)快速地落入到噪音中。
瑞利散射是由于光信號(hào)沿著光纖產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的散射而形成。OTDR就測(cè)量回到OTDR端口的一部分散射光。這些背向散射信號(hào)就表明了由光纖而導(dǎo)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(gè)別點(diǎn)而引起的，這些點(diǎn)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(diǎn)上，會(huì)有很強(qiáng)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(diǎn)，光纖終端或斷點(diǎn)。
OTDR的工作原理就類似于一個(gè)雷達(dá)。它先對(duì)光纖發(fā)出一個(gè)信號(hào)，然后觀察從某一點(diǎn)上返回來的是什么信息。這個(gè)過程會(huì)重復(fù)地進(jìn)行，然后將這些結(jié)果進(jìn)行平均并以軌跡的形式來顯示，這個(gè)軌跡就描繪了在整段光纖內(nèi)信號(hào)的強(qiáng)弱。
OTDR進(jìn)行光纖測(cè)量可分為三步：參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)獲取和曲線分析。人工設(shè)置測(cè)量參數(shù)包括：
(1)波長(zhǎng)選擇(λ)：因不同的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的光線特性(包括衰減、微彎等)，測(cè)試波長(zhǎng)一般遵循與系統(tǒng)傳輸通信波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的原則，即系統(tǒng)開放1550波長(zhǎng)，則測(cè)試波長(zhǎng)為1550nm。
(2)脈寬(Pulse Width)：脈寬越長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍越大，測(cè)量距離更長(zhǎng)，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(cè)量范圍(Range)：
OTDR測(cè)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(cè)量范圍為待測(cè)光纖長(zhǎng)度1.5～2倍距離之間。
(4)平均時(shí)間：
由于后向散射光信號(hào)極其微弱，一般采用統(tǒng)計(jì)平均的方法來提高信噪比，平均時(shí)間越長(zhǎng)，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(dòng)態(tài)。但超過10min的獲得取時(shí)間對(duì)信噪比的改善并不大。一般平均時(shí)間不超過3min。
(5)光纖參數(shù)：
光纖參數(shù)的設(shè)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(shè)置。折射率參數(shù)與距離測(cè)量有關(guān)，后向散射系數(shù)則影響反射與回波損耗的測(cè)量結(jié)果。這兩個(gè)參數(shù)通常由光纖生產(chǎn)廠家給出。
參數(shù)設(shè)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(duì)光電探測(cè)器的輸出取樣，得到OTDR曲線，對(duì)曲線進(jìn)行分析即可了解光纖質(zhì)量。
2　經(jīng)驗(yàn)與技巧
(1)光纖質(zhì)量的簡(jiǎn)單判別：
正常情況下，OTDR測(cè)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(yán)重劣化，不符合通信要求。
(2)波長(zhǎng)的選擇和單雙向測(cè)試：
1550波長(zhǎng)測(cè)試距離更遠(yuǎn)，1550nm比1310nm光纖對(duì)彎曲更敏感，1550nm比1310nm單位長(zhǎng)度衰減更小、1310nm比1550nm測(cè)的熔接或連接器損耗更高。在實(shí)際的光纜維護(hù)工作中一般對(duì)兩種波長(zhǎng)都進(jìn)行測(cè)試、比較。對(duì)于正增益現(xiàn)象和超過距離線路均須進(jìn)行雙向測(cè)試分析計(jì)算，才能獲得良好的測(cè)試結(jié)論。
(3)接頭清潔：
光纖活接頭接入OTDR前，必須認(rèn)真清洗，包括OTDR的輸出接頭和被測(cè)活接頭，否則插入損耗太大、測(cè)量不可靠、曲線多噪音甚至使測(cè)量不能進(jìn)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?yàn)樗鼈兛墒构饫w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(zhǎng)度測(cè)量而言，折射系數(shù)每0.01的偏差會(huì)引起7m/km之多的誤差，對(duì)于較長(zhǎng)的光線段，應(yīng)采用光纜制造商提供的折射率值。
(5)鬼影的識(shí)別與處理：
在OTDR曲線上的尖峰有時(shí)是由于離入射端較近且強(qiáng)的反射引起的回音，這種尖峰被稱之為鬼影。 識(shí)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(qiáng)反射事件與始端距離的倍數(shù)，成對(duì)稱狀。消除鬼影：選擇短脈沖寬度、在強(qiáng)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(jié)，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(huì)產(chǎn)生正增益現(xiàn)象。正增益是由于在熔接點(diǎn)之后的光纖比熔接點(diǎn)之前的光纖產(chǎn)生更多的后向散光而形成的。事實(shí)上，光纖在這一熔接點(diǎn)上是熔接損耗的。常出現(xiàn)在不同模場(chǎng)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(gè)方向測(cè)量并對(duì)結(jié)果取平均作為該熔接損耗。在實(shí)際的光纜維護(hù)中，也可采用≤0.08dB即為合格的簡(jiǎn)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(cè)光纖、長(zhǎng)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(cè)量。
一般來說，OTDR與待測(cè)光纖間的連接器引起的盲區(qū)最大。在光纖實(shí)際測(cè)量中，在OTDR與待測(cè)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(cè)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(cè)量。如要測(cè)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(cè)試誤差的主要因素
1)OTDR測(cè)試儀表存在的固有偏差
由OTDR的測(cè)試原理可知，它是按一定的周期向被測(cè)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(hào)抽樣、量化、編碼后，存儲(chǔ)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(cè)試儀表操作不當(dāng)產(chǎn)生的誤差
在光纜故障定位測(cè)試時(shí)，OTDR儀表使用的正確性與障礙測(cè)試的準(zhǔn)確性直接相關(guān)，儀表參數(shù)設(shè)定和準(zhǔn)確性、儀表量程范圍的選擇不當(dāng)或光標(biāo)設(shè)置不準(zhǔn)等都將導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的誤差。
（1） 設(shè)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(cè)試光纖長(zhǎng)度時(shí)，必須先進(jìn)行儀表參數(shù)設(shè)定，折射率的設(shè)定就是其中之一。當(dāng)幾段光纜的折射率不同時(shí)可采用分段設(shè)置的方法，以減少因折射率設(shè)置誤差而造成的測(cè)試誤差。
（2） 量程范圍選擇不當(dāng)
OTDR儀表測(cè)試距離分辯率為1米時(shí)，它是指圖形放大到水平刻度為25米/格時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。儀表設(shè)計(jì)是以光標(biāo)每移動(dòng)25步為1滿格。在這種情況下，光標(biāo)每移動(dòng)一步，即表示移動(dòng)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(biāo)每移動(dòng)一步，距離就會(huì)偏移80米。由此可見，測(cè)試時(shí)選擇的量程范圍越大，測(cè)試結(jié)果的偏差就越大。
（3） 脈沖寬度選擇不當(dāng)
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(shí)OTDR的動(dòng)態(tài)范圍也越大，相應(yīng)盲區(qū)也就大。
（4） 平均化處理時(shí)間選擇不當(dāng)
OTDR測(cè)試曲線是將每次輸出脈沖后的反射信號(hào)采樣，并把多次采樣做平均處理以消除一些隨機(jī)事件，平均化時(shí)間越長(zhǎng)，噪聲電平越接近最小值，動(dòng)態(tài)范圍就越大。平均化時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)試精度越高，但達(dá)到一定程度時(shí)精度不再提高。為了提高測(cè)試速度，縮短整體測(cè)試時(shí)間，一般測(cè)試時(shí)間可在0.5~3分鐘內(nèi)選擇。
（5） 光標(biāo)位置放置不當(dāng)
光纖活動(dòng)連接器、機(jī)械接頭和光纖中的斷裂都會(huì)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(huì)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(biāo)設(shè)置不夠準(zhǔn)確，也會(huì)產(chǎn)生一定誤差。
4/接頭損耗的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值
光纖接續(xù)標(biāo)準(zhǔn)多年來一直是一個(gè)有爭(zhēng)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(yàn)收暫行規(guī)定》簡(jiǎn)稱《暫規(guī)》，對(duì)光纖接續(xù)損耗的測(cè)量方法做了規(guī)定，但沒有規(guī)定明確的標(biāo)準(zhǔn)。原信產(chǎn)部鄭州設(shè)計(jì)院在中國(guó)電信南九試驗(yàn)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(gè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以后的干線工程均沿用。
ITU有關(guān)接續(xù)介入損耗的原文如下。"
本試驗(yàn)使用于一個(gè)竣工的光纖接頭， 用以度量接頭質(zhì)量。
應(yīng)按照IEC 1073-1進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)量可在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室用剪回法較好，現(xiàn)場(chǎng)可用雙向OTDR法。介入損耗的典型值可能隨應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)合中，介入損耗典型值≤0.5dB是可能接受的。有許多熔接機(jī)和機(jī)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(yíng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)接續(xù)安裝時(shí)采用這些估算值，并且在全部線路施工完成后，再用OTDR對(duì)線路全程進(jìn)行復(fù)測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，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(jì)和本地注入檢測(cè)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(jī)情況看， 熔接機(jī)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(jì)光纖接續(xù)點(diǎn)損耗的狀況， 但不能精確到目前我國(guó)所要求的光纖接續(xù)損耗指標(biāo)的數(shù)量級(jí)。我們認(rèn)為，這些熔接機(jī)的設(shè)計(jì)目的和依據(jù)是基于ITU建議的。
（2）目前的熔接機(jī)接續(xù)是通過對(duì)光纖X軸和Y軸方向的錯(cuò)位調(diào)整，在軸心錯(cuò)位最小時(shí)進(jìn)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(cè)法，現(xiàn)場(chǎng)是無(wú)法知道接頭損耗確切數(shù)值的。但是在整個(gè)調(diào)整軸心和熔接接續(xù)過程中， 通過攝像機(jī)把探測(cè)到所熔接纖芯狀態(tài)的信息送到熔接機(jī)的專用程序中，可以計(jì)算出接續(xù)后的損耗值。 但它只能說明光纖軸心對(duì)準(zhǔn)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(cè)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(cè)試原理，兩者有很大區(qū)別。通過實(shí)踐證明，兩種方法測(cè)出數(shù)據(jù)一致性也較差，通過最近幾年對(duì)干線工程接續(xù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，很多情況下熔接機(jī)顯示損耗很�。ㄐ∮�0.05dB）甚至為零，但OTDR測(cè)試則大于0.08dB，且沒發(fā)現(xiàn)有對(duì)應(yīng)的規(guī)律。
日本的接頭損耗標(biāo)準(zhǔn)（NTT光纜施工驗(yàn)收規(guī)程）最小值小于0.9dB，無(wú)平均值要求，只有中繼段總衰減要求，只要滿足，就能開通設(shè)計(jì)要求的或?qū)�來要增加的設(shè)備，在接續(xù)操作方面則與ITU建議一致。美國(guó)、歐洲諸國(guó)也都采取了大致與ITU建議一致的做法。
事實(shí)上，影響光纜安全的主要是機(jī)械損傷，光纖接續(xù)損耗大一點(diǎn)并不會(huì)影響接續(xù)強(qiáng)度，因此我們時(shí)候在驗(yàn)收測(cè)試中發(fā)現(xiàn),有些點(diǎn)數(shù)值確實(shí)偏大,大約有1%左右的接頭回超標(biāo)準(zhǔn),并且在多次接續(xù)后仍無(wú)法降低.在這種情況下以判斷合格的.