OTDR的技術(shù)參數(shù)及在光纖檢測中的測試方法與應(yīng)用

光纜作為當前通信網(wǎng)絡(luò)主干的主要載體，有著傳輸距離遠、容量大、質(zhì)量高等優(yōu)點。隨著光通訊設(shè)備生產(chǎn)成本的逐年降低，基于光纖的以太網(wǎng)技術(shù)正在向通信網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)的"最后一公里"滲透。近年，隨著10G的EPON標準的確定，以及正在席卷中華大地的三網(wǎng)合一進程，光纖正在取代傳統(tǒng)的雙絞線，成為家庭乃至企業(yè)接入英特網(wǎng)絡(luò)的通道。如何在生產(chǎn)、施工、使用、維護中檢測光纖通路，是光纖應(yīng)用領(lǐng)域中最廣泛、最基本的一項專門技術(shù)。

從目前的光纖鏈路的測試來看，主要分為OLTS和OTDR兩種測試，OLTS即Optical Loss Test Set的縮寫，意即傳統(tǒng)的標準光源與光功率計（光表）相結(jié)合，測量光鏈路損耗的測試方法，OLTS的測試設(shè)備價格低廉、使用簡便，能快速評估光鏈路成效，但不能描述光鏈路故障點和故障原因。而OTDR則是光纖測試技術(shù)領(lǐng)域中另外一個重要的儀表，它可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量，具有測試時間短、速度快、精度高等優(yōu)點。

什么是OTD

OTDR是Optical Time Domain Reflectometer的縮寫，中文全名為"光時域反射儀".

光在光纖中傳播時會發(fā)生瑞利散射（Rayleigh backscattering）以及菲涅爾反射（Fresnel reflection），OTDR就是利用了光這一特點，采集光脈沖的在通路中的背向散射及反射而制成的高科技、高精密的光電一體化儀表。這種測量方法由M. Barnoskim 和 M. Jensen 在1976發(fā)明的。

瑞利散射是由英國物理學(xué)家瑞利的名字命名的。它是半徑比光的波長小很多的微粒對入射光的散射。瑞利散射光的強度和入射光波長λ的4次方成反比：

其中 是入射光的光強分布函數(shù)，也就是說，波長較短的藍光比波長較長的紅光更易散射，這就可以解釋天空為什么是藍色的--白天，當日光經(jīng)過大氣層時，與空氣分子（其半徑遠小于可見光的波長）發(fā)生瑞利散射，因為藍光比紅光波長短，瑞利散射發(fā)生的比較激烈，被散射的藍光布滿了整個天空，從而使天空呈現(xiàn)藍色，但是太陽本身及其附近呈現(xiàn)白色或黃色，是因為此時你看到更多的是直射光而不是散射光，所以日光的顏色（白色）基本未改變--波長較長的紅黃色光與藍綠色光（少量被散射了）的混合。當日落或日出時，太陽幾乎在我們視線的正前方，此時太陽光在大氣中要走相對很長的路程，你所看到的直射光中的藍光大量都被散射了，只剩下紅橙色的光，這就是為什么日落時太陽附近呈現(xiàn)紅色，而天空的其它地方由于光線很弱，只能說是非?；璋档乃{黑色。如果是在月球上，因為沒有大氣層，光未產(chǎn)生瑞利散射，這時候天空即使在白天也是黑的。

瑞利散射無時無刻不在我們身邊發(fā)生，比如夜間我們打開手電，我們所看到的"光柱"就是因為瑞利散射而形成的。同樣，在光纖中注入的光也會在光纖中形成這么一道"光柱"從而被放置在光脈沖入射端的OTDR所"看到".

菲涅耳（1788~1827）是法國土木工程兼物理學(xué)家。他是光波動說的的創(chuàng)始人之一，被人們稱為"物理光學(xué)的締造者".在只有39歲的短暫一生中，菲涅耳對經(jīng)典光學(xué)的波動理論作出了卓越的貢獻，其中之一就是著名的"菲涅耳公式",即電磁波通過不同介質(zhì)的分界面時會發(fā)生反射和折射，菲涅耳以光是橫波的設(shè)想為基礎(chǔ)，把入射光分為振動平面平行于入射面的線偏振光和垂直于入射面的線偏振光，并導(dǎo)出了光的折射比、反射比之間關(guān)系的菲涅耳公式。由菲涅耳公式可以求出一定入射角下反射和透射的振幅、強度等?？梢院芎玫亟忉尮獾姆瓷渑c折射的起偏問題及半波損失問題等。菲涅耳公式是光學(xué)和電磁理論的一個重要基本公式。

同樣菲涅耳反射也時刻發(fā)生在我們身邊。正如我們能清楚地看到玻璃的裂縫一樣，OTDR也能"看到"光纖通路里的各種縫隙。與瑞利散射遍布整段光纖，是一個連續(xù)的反射不同，菲涅爾反射是離散的反射，它由光纖的個別點產(chǎn)生，能夠產(chǎn)生反射的點大體包括光纖連接器（玻璃與空氣的間隙）、阻斷光纖的平滑鏡截面、光纖的終點等。

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(fù)地進行，然后將這些結(jié)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（或光纖的狀態(tài)）。OTDR是通過發(fā)送及接收到的反射信號的之間的時間長短來確定事件距離的，即測量反射光在不同時間的特性，把它看成是一個時間的函數(shù)f（t）來測量，這種測量就稱為時域測量，這也就是OTDR名稱的由來。

下面是OTDR設(shè)備的一個結(jié)構(gòu)簡圖

支持OTDR技術(shù)的兩個基本公式

OTDR在半導(dǎo)體光源（LED或LD）在驅(qū)動電路調(diào)制下輸出光脈沖，經(jīng)過定向光耦合器和活動連接器注入被測光纜線路成為入射光脈沖。入射光脈沖在線路中傳輸時在沿途產(chǎn)生瑞利散射光和菲涅爾反射光，大部分瑞利散射光將折射入包層后衰減，其中與光脈沖傳播方向相反的背向瑞利散射光將會沿著光纖傳輸?shù)骄€路的進光端口，經(jīng)定向耦合分路射向光電探測器，轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)過低噪聲放大和數(shù)字平均化處理，最后將處理過的電信號與從光源背面發(fā)射提取的觸發(fā)信號同步掃描在示波器上成為反射光脈沖。返回的有用信息由OTDR的探測器來測量，它們就作為被測光纖內(nèi)不同位置上的時間或曲線片斷。根據(jù)發(fā)射信號到返回信號所用的時間，再確定光在石英物質(zhì)中的速度，就可以計算出距離（光纖長度）L（單位：m），如下式所示。

式中，n為平均折射率，△t為傳輸時延。利用入射光脈沖和反射光脈沖對應(yīng)的功率電平以及被測光纖的長度就可以計算出衰減α（單位：dB/km），如下式所示：

OTDR儀中的幾個參數(shù)

測試距離、脈沖寬度、折射率、測試光波長、平均化時間、動態(tài)范圍、死區(qū)、"鬼影"

一、 測試距離選擇

由于光纖制造以后其折射率基本不變，這樣光在光纖中的傳播速度就不變，這樣測試距離和時間就是一致的，實際上測試距離就是光在光纖中的傳播速度乘上傳播時間，對測試距離的選取就是對測試采樣起始和終止時間的選取。測量時選取適當?shù)臏y試距離可以生成比較全面的軌跡圖，對有效的分析光纖的特性有很好的幫助，通常根據(jù)經(jīng)驗，選取整條光路長度的1.5-2倍之間最為合適。選擇過大時，光時域反射儀的顯示屏上橫坐標壓縮看不清楚。根據(jù)實際經(jīng)驗，測試量程選擇能使背向散射曲線大約占到OTDR顯示屏的70%時，不管是長度測試還是損耗測試都能得到比較好的直視效果和準確的測試結(jié)果。在光纖通信系統(tǒng)測試中，鏈路長度在幾百到幾千千米，中繼段長度40~60 km,單盤光纜長度2~4km,合選擇OTDR的量程可以得到良好的測試效果。

二、 測試脈沖寬度選擇

可以用時間表示，也可以用長度表示，很明顯，在光功率大小恒定的情況下，脈沖寬度的大小直接影響著光的能量的大小，光脈沖越長光的能量就越大。同時脈沖寬度的大小也直接影響著測試死區(qū)的大小，也就決定了兩個可辨別事件之間的最短距離，即分辨率。顯然，脈沖寬度越小，分辨率越高，脈沖寬度越大分辨率越低。如圖所示：

t1=t0+τ。在此段時間內(nèi)，將有菲涅爾反射和瑞利散射同時返回OTDR,由于菲涅爾反射的光功率遠遠的大于瑞利散射的光功率，瑞利散射就會淹沒在菲涅爾反射中，在形成的軌跡圖中就看不到瑞利散射，只看到菲涅爾反射，形成一個死區(qū)。死區(qū)的大小直接與脈沖寬度τ有關(guān)。

設(shè)置的光脈沖寬度過大會產(chǎn)生較強的菲涅爾反射，會使盲區(qū)加大。較窄的測試光脈沖雖然有較小的盲區(qū)，但是測試光脈沖過窄時光功率肯定過弱，相應(yīng)的背向散射信號也弱，背向散射信號曲線會起伏不平，測試誤差大。設(shè)置的光脈沖寬度既要能保證沒有過強的盲區(qū)效應(yīng)，又要能保證背向散射信號曲線有足夠的分辨率，能看清光纖沿線上每一點的情況。一般是根據(jù)被測光纖長度，先選擇一個適當?shù)臏y試脈寬，預(yù)測試一兩次后，從中確定一個最佳值。被測光纖的距離較短（小于5000m）時，盲區(qū)可以在10 m以下；被測光纖的距離較長（小于50000 m）時，盲區(qū)可以在200 m以下；被測光纖的距離很長（小于2500000 m）時，盲區(qū)可高達2000 m以上。在單盤測試時，恰當選擇光脈沖寬度（50 nm）可以使盲區(qū)在10 m以下。通過雙向測試或多次測試取平均值，盲區(qū)產(chǎn)生的影響會更小。

三、 光纖折射率選擇

折射率就是待測光纖實際的折射率，這個數(shù)值由待測光纖的生產(chǎn)廠家給出，單模石英光纖的折射率大約在1.4-1.6之間，現(xiàn)在使用的單模光纖的折射率基本在1.4600~1.4800范圍內(nèi)，要根據(jù)光纜或光纖生產(chǎn)廠家提供的實際值來精確選擇。對于G.652單模光纖，在實際測試時若用1310 nm波長，折射率一般選擇在1.4680;若用1550 nm波長，折射率一般選擇在1.4685.折射率選擇不準，影響測試長度。折射率若誤差0.001,則在50000 m的中繼段會產(chǎn)生約35 m的誤差。在光纜維護和故障排查時很小的失誤便會帶來明顯的誤差，測試時一定要引起足夠的重視。

四、 測試波長選擇

測試光波長的就是指OTDR激光器發(fā)射的激光的波長，波長越短，瑞利散射的光功率就越強，在OTDR 的接收段產(chǎn)生的軌跡圖就越高，所以1310的脈沖產(chǎn)生的瑞利散射的軌跡圖樣就要比1550nm產(chǎn)生的圖樣要高。但是在長距離測試時，由于1310nm衰耗較大，激光器發(fā)出的激光脈沖在待測光纖的末端會變得很微弱，這樣受噪聲影響較大，形成的軌跡圖就不理想，宜采用1550nm作為測試波長。在高波長區(qū)（1500nm以上），瑞利散射會持續(xù)減少，但是一個紅外線衰減（或吸收）就會產(chǎn)生，因此1550nm就是一個衰減最低的波長，因此適合長距離通信。所以在長距離測試的時候適合選取1550nm作為測試波長，而普通的短距離測試選取1310nm為宜，視具體情況而定。但由于1550 nm波長對光纖彎曲損耗的影響比1310 nm波長敏感得多，因此不管是光纜線路施工還是光纜線路維護或者進行實驗、教學(xué)，使用OTDR對某條光纜或某光纖傳輸鏈路進行全程光纖背向散射信號曲線測試，一般多選用1550 nm波長。1310nm和1550 nm兩波長的測試曲線的形狀是一樣的，測得的光纖接頭損耗值也基本一致。若在1550 nm波長測試沒有發(fā)現(xiàn)問題，那么1310 nm波長測試也肯定沒問題。選擇1550 nm波長測試，可以很容易發(fā)現(xiàn)光纖全程是否存在彎曲過度的情況。若發(fā)現(xiàn)曲線上某處有較大的損耗臺階，再用1310 nm波長復(fù)測，若在1310 nm波長下?lián)p耗臺階消失，說明該處的確存在彎曲過度情況，需要進一步查找并排除。若在1310 nm波長下?lián)p耗臺階同樣大，則在該處光纖可能還存在其他問題，還需要查找排除。在單模光纖線路測試中，應(yīng)盡量選用1 550 nm波長，這樣測試效果會更好。

五、 平均化時間選擇

由于測試中受噪聲的影響，光纖中某一點的瑞利散射功率是一個隨機過程。由于背向散射光信號極其微弱，要確知該點的一般情況，一般采用多次統(tǒng)計平均的方法來提高信噪比，以減少接收器固有的隨機噪聲的影響。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化處理以消除隨機事件，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。平均化時間為3 min獲得的動態(tài)范圍比平均化時間為1 min獲得的動態(tài)范圍提高0.8 dB.一般來說平均化時間越長，測試精度越高。根據(jù)需要設(shè)定該值，如果要求實時掌握光纖的情況，那么就需要設(shè)定平均值時間為0,而看一條永久光路，則可以用無限時間。為了提高測試速度，縮短整體測試時間，測試時間可在0.5~3 min內(nèi)選擇。在光纖通信接續(xù)測試中，選擇1.5 min（90 s）就可獲得滿意的效果。

六、 動態(tài)范圍

它表示后向散射開始與噪聲峰值間的功率損耗比。它決定了OTDR所能測得的最長光纖距離。如果OTDR的動態(tài)范圍較小，而待測光纖具有較高的損耗，則遠端可能會消失在噪聲中。目前有兩種定義動態(tài)范圍的方法：

1、 峰值法：它測到噪聲的峰值，當散射功率達到噪聲峰值即認為不可見。

2、 SNR（信噪比）=1法：這里動態(tài)范圍測到噪聲的rms（平均值）電平為止，對于同樣性能的OTDR來講，其指標高于峰值定義大約2.0db.如圖所示：

七、 后向散射系數(shù)：

如果連接的兩條光纖的后向散射系數(shù)不同，就很有可能在OTDR上出現(xiàn)被測光纖是一個增益器的現(xiàn)象，這是由于連接點的后端散射系數(shù)大于前端散射系數(shù)，導(dǎo)致連接點后端反射回來的光功率反而高于前面反射回的光功率的緣故。這種情況往往發(fā)生在不同模場直徑的光纖被連接在一起的時候（比如多模50/125的光纜與62.5/125的跳線連接）遇到這種情況，建議大家用雙向測試取平均值的辦法來對該光纖進行測量。

八、 死區(qū)

死區(qū)的產(chǎn)生是由于反射淹沒散射并且使得接收器飽和引起，通常分為衰減死區(qū)和事件死區(qū)兩種情況。

1、 衰減死區(qū)：從反射點開始到接收點回復(fù)到后向散射電平約0.5db范圍內(nèi)的這段距離。這是OTDR能夠再次測試衰減和損耗的點。

2、 事件死區(qū)：從OTDR接收到的反射點開始到OTDR恢復(fù)的最高反射點1.5db一下的這段距離，這里可以看到是否存在第二個反射點，但是不能測試衰減和損耗。如圖所示

九、 鬼影

它是由于光在較短的光纖中，到達光纖末端B產(chǎn)生反射，反射光功率仍然很強，在回程中遇到第一個活動接頭A,一部分光重新反射回B,這部分光到達B點以后，在B點再次反射回OTDR,這樣在OTDR形成的軌跡圖中會發(fā)現(xiàn)在噪聲區(qū)域出現(xiàn)了一個反射現(xiàn)象。如下圖所示（紅色為一次反射，綠色為二次反射）：

實施OTDR測試的方法

OTDR對光纜和光纖進行測試時，測試場合包括光纜和光纖的出廠測試，光纜和光纖光纜的施工測試，光纜和光纖的維護測試以及定期測試。OTDR的測試連接如下圖所示。

測試連接的方法是：OTDR一盲區(qū)光纜一光纖連接器一第1盤光纜一第2盤光纜一第n盤光纜，終端不連接任何設(shè)備。

OTDR軌跡圖的意義

下面介紹一些典型的OTDR測試軌跡圖，供大家一起討論。

首先給出一個典型的軌跡圖

說明：

前端活動連接器Front Connector:這一個點就是測試鏈路的起點。

連接器對Connector Pair:在連接器的交界面會產(chǎn)生的菲涅爾反射，跡線圖表現(xiàn)為一個驟然突起的高峰，菲涅爾反射波峰前后的散射曲線鐵落就是連接器的插入損耗。這也是考量連接器性能的指標之一。

熔接點Fusion Splice:光纖的熔接點缺陷容易造成跡線圖中散射曲線的突然跌落。

過度彎曲Bend:彎曲直徑過小，光就會不再遵循全反射，而是有一部分從光纖被覆層射出，造成跡線圖中散射曲線的突然跌落。

斷裂點Crack:光纖斷裂點的波形類似于連接器，但由于斷裂處造成縫隙往往遠大于連接器，所以菲涅爾反射波峰前后的散射曲線鐵落遠大于正常的連接器事件，且在之后的信號產(chǎn)生雜訊。不合格的連接器連接也會出現(xiàn)這種跡線圖，故要結(jié)合鏈路中器件的實際連接情況及距離加以辨別事件的類型。

后向散射Backscatter:跡線的斜率就代表了光纖衰減系數(shù)的大小。

光纖終點Fiber End:由于在測試時，光纖終端不安裝任何設(shè)備，此時終結(jié)點實質(zhì)為光纖玻璃與空氣的交界面，此時會產(chǎn)生一個較大的菲涅爾反射，之后，光射入空氣中。

噪音Noise:這是在光纖總結(jié)點后，外界的光噪音。

結(jié)束語

OTDR是光纖通信的主要儀表，在科研、生產(chǎn)、施工、維護等光通信鄰域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文所列舉的僅是OTDR基礎(chǔ)應(yīng)用，通過對OTDR事件的分析，我們可以方便地判斷光纖的長短、連接器件的好壞、光纖的故障點等。隨著科技的方展，新一代的OTDR測試儀更具備了波分復(fù)用（WDM）測量、PON網(wǎng)分光器測量等新的功能。盡快熟悉并掌握OTDR的測試技能，是面對三網(wǎng)合一這一大趨勢必不可少的步驟。