【资料名称】：OTDR的使用及原理

【资料作者】：wrpp

【资料日期】：20120309

【资料语言】：中文

【资料格式】：DOC

【资料目录和简介】：

OTDR的英文全称是Optical Time Domain Reflectometer，中文意思为光时域反射仪。OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。
OTDR测试是通过发射光脉冲到光纤内,然后在OTDR端口接收返回的信息来进行。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质，连接器，接合点，弯曲或其它类似的事件而产生散射，反射。其中一部分的散射和反射就会返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以计算出距离。
从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以计算出距离。以下的公式就说明了OTDR是如何测量距离的。
d=(c×t)/2(IOR)
在这个公式里，c是光在真空中的速度，而t是信号发射后到接收到信号（双程）的总时间（两值相乘除以2后就是单程的距离）。因为光在玻璃中要比在真空中的速度慢，所以为了精确地测量距离，被测的光纤必须要指明折射率（IOR）。IOR是由光纤生产商来标明。
OTDR使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。瑞利散射是由于光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成。OTDR就测量回到OTDR端口的一部分散射光。这些背向散射信号就表明了由光纤而导致的衰减（损耗/距离）程度。形成的轨迹是一条向下的曲线，它说明了背向散射的功率不断减小，这是由于经过一段距离的传输后发射和背向散射的信号都有所损耗。
给定了光纤参数后，瑞利散射的功率就可以标明出来，如果波长已知，它就与信号的脉冲宽度成比例：脉冲宽度越长，背向散射功率就越强。瑞利散射的功率还与发射信号的波长有关，波长较短则功率较强。也就是说用1310nm信号产生的轨迹会比1550nm信号所产生的轨迹的瑞利背向散射要高。
在高波长区（超过1500nm），瑞利散射会持续减小，但另外一个叫红外线衰减（或吸收）的现象会出现，增加并导致了全部衰减值的增大。因此，1550nm是最低的衰减波长；这也说明了为什么它是作为长距离通信的波长。很自然，这些现象也会影响到OTDR。作为1550nm波长的OTDR，它也具有低的衰减性能，因此可以进行长距离的测试。而作为高衰减的1310nm或1625nm波长，OTDR的测试距离就必然受到限制，因为测试设备需要在OTDR轨迹中测出一个尖锋，而且这个尖锋的尾端会快速地落入到噪音中。
瑞利散射是由于光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成。OTDR就测量回到OTDR端口的一部分散射光。这些背向散射信号就表明了由光纤而导致的衰减（损耗/距离）程度。
菲涅尔反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点而引起的，这些点是由造成反向系数改变的因素组成，例如玻璃与空气的间隙。在这些点上，会有很强的背向散射光被反射回来。因此，OTDR就是利用菲涅尔反射的信息来定位连接点，光纤终端或断点。
OTDR的工作原理就类似于一个雷达。它先对光纤发出一个信号，然后观察从某一点上返回来的是什么信息。这个过程会重复地进行，然后将这些结果进行平均并以轨迹的形式来显示，这个轨迹就描绘了在整段光纤内信号的强弱。
OTDR进行光纤测量可分为三步：参数设置、数据获取和曲线分析。人工设置测量参数包括：
(1)波长选择(λ)：因不同的波长对应不同的光线特性(包括衰减、微弯等)，测试波长一般遵循与系统传输通信波长相对应的原则，即系统开放1550波长，则测试波长为1550nm。
(2)脉宽(Pulse Width)：脉宽越长，动态测量范围越大，测量距离更长，但在OTDR曲线波形中产生盲区更大；短脉冲注入光平低，但可减小盲区。脉宽周期通常以ns来表示。
(3)测量范围(Range)：
OTDR测量范围是指OTDR获取数据取样的最大距离，此参数的选择决定了取样分辨率的大小。最佳测量范围为待测光纤长度1.5～2倍距离之间。
(4)平均时间：
由于后向散射光信号极其微弱，一般采用统计平均的方法来提高信噪比，平均时间越长，信噪比越高。例如，3min的获得取将比1min的获得取提高0.8dB的动态。但超过10min的获得取时间对信噪比的改善并不大。一般平均时间不超过3min。
(5)光纤参数：
光纤参数的设置包括折射率n和后向散射系数n和后向散射系数η的设置。折射率参数与距离测量有关，后向散射系数则影响反射与回波损耗的测量结果。这两个参数通常由光纤生产厂家给出。
参数设置好后，OTDR即可发送光脉冲并接收由光纤链路散射和反射回来的光，对光电探测器的输出取样，得到OTDR曲线，对曲线进行分析即可了解光纤质量。
2　经验与技巧
(1)光纤质量的简单判别：
正常情况下，OTDR测试的光线曲线主体(单盘或几盘光缆)斜率基本一致，若某一段斜率较大，则表明此段衰减较大；若曲线主体为不规则形状，斜率起伏较大，弯曲或呈弧状，则表明光纤质量严重劣化，不符合通信要求。
(2)波长的选择和单双向测试：
1550波长测试距离更远，1550nm比1310nm光纤对弯曲更敏感，1550nm比1310nm单位长度衰减更小、1310nm比1550nm测的熔接或连接器损耗更高。在实际的光缆维护工作中一般对两种波长都进行测试、比较。对于正增益现象和超过距离线路均须进行双向测试分析计算，才能获得良好的测试结论。
(3)接头清洁：
光纤活接头接入OTDR前，必须认真清洗，包括OTDR的输出接头和被测活接头，否则插入损耗太大、测量不可靠、曲线多噪音甚至使测量不能进行，它还可能损坏OTDR。避免用酒精以外的其它清洗剂或折射率匹配液，因为它们可使光纤连接器内粘合剂溶解。
(4)折射率与散射系数的校正：就光纤长度测量而言，折射系数每0.01的偏差会引起7m/km之多的误差，对于较长的光线段，应采用光缆制造商提供的折射率值。
(5)鬼影的识别与处理：
在OTDR曲线上的尖峰有时是由于离入射端较近且强的反射引起的回音，这种尖峰被称之为鬼影。 识别鬼影：曲线上鬼影处未引起明显损耗；沿曲线鬼影与始端的距离是强反射事件与始端距离的倍数，成对称状。消除鬼影：选择短脉冲宽度、在强反射前端(如OTDR输出端)中增加衰减。若引起鬼影的事件位于光纤终结，可"打小弯"以衰减反射回始端的光。
(6)正增益现象处理：
在OTDR曲线上可能会产生正增益现象。正增益是由于在熔接点之后的光纤比熔接点之前的光纤产生更多的后向散光而形成的。事实上，光纤在这一熔接点上是熔接损耗的。常出现在不同模场直径或不同后向散射系数的光纤的熔接过程中，因此，需要在两个方向测量并对结果取平均作为该熔接损耗。在实际的光缆维护中，也可采用≤0.08dB即为合格的简单原则。
(7)附加光纤的使用：
附加光纤是一段用于连接OTDR与待测光纤、长300～2000m的光纤，其主要作用为：前端盲区处理和终端连接器插入测量。
一般来说，OTDR与待测光纤间的连接器引起的盲区最大。在光纤实际测量中，在OTDR与待测光纤间加接一段过渡光纤，使前端盲区落在过渡光纤内，而待测光纤始端落在OTDR曲线的线性稳定区。光纤系统始端连接器插入损耗可通过OTDR加一段过渡光纤来测量。如要测量首、尾两端连接器的插入损耗，可在每端都加一过渡光纤。
3/测试误差的主要因素
1)OTDR测试仪表存在的固有偏差
由OTDR的测试原理可知，它是按一定的周期向被测光纤发送光脉冲，再按一定的速率将来自光纤的背向散射信号抽样、量化、编码后，存储并显示出来。OTDR仪表本身由于抽样间隔而存在误差，这种固有偏差主要反映在距离分辩率上。OTDR的距离分辩率正比于抽样频率。
2)测试仪表操作不当产生的误差
在光缆故障定位测试时，OTDR仪表使用的正确性与障碍测试的准确性直接相关，仪表参数设定和准确性、仪表量程范围的选择不当或光标设置不准等都将导致测试结果的误差。
（1） 设定仪表的折射率偏差产生的误差
不同类型和厂家的光纤的折射率是不同的。使用OTDR测试光纤长度时，必须先进行仪表参数设定，折射率的设定就是其中之一。当几段光缆的折射率不同时可采用分段设置的方法，以减少因折射率设置误差而造成的测试误差。
（2） 量程范围选择不当
OTDR仪表测试距离分辩率为1米时，它是指图形放大到水平刻度为25米/格时才能实现。仪表设计是以光标每移动25步为1满格。在这种情况下，光标每移动一步，即表示移动1米的距离，所以读出分辩率为1米。如果水平刻度选择2公里/每格，则光标每移动一步，距离就会偏移80米。由此可见，测试时选择的量程范围越大，测试结果的偏差就越大。
（3） 脉冲宽度选择不当
在脉冲幅度相同的条件下，脉冲宽度越大，脉冲能量就越大，此时OTDR的动态范围也越大，相应盲区也就大。
（4） 平均化处理时间选择不当
OTDR测试曲线是将每次输出脉冲后的反射信号采样，并把多次采样做平均处理以消除一些随机事件，平均化时间越长，噪声电平越接近最小值，动态范围就越大。平均化时间越长，测试精度越高，但达到一定程度时精度不再提高。为了提高测试速度，缩短整体测试时间，一般测试时间可在0.5~3分钟内选择。
（5） 光标位置放置不当
光纤活动连接器、机械接头和光纤中的断裂都会引起损耗和反射，光纤末端的破裂端面由于末端端面的不规则性会产生各种菲涅尔反射峰或者不产生菲涅尔反射。如果光标设置不够准确，也会产生一定误差。
4/接头损耗的标准数值
光纤接续标准多年来一直是一个有争议的问题，部颁YDJ44-89《电信网光纤数字传输系统施工及验收暂行规定》简称《暂规》，对光纤接续损耗的测量方法做了规定，但没有规定明确的标准。原信产部郑州设计院在中国电信南九试验段以后的工程中提出了中继段单纤平均接续损耗0.08dB/个的设计标准，以后的干线工程均沿用。
ITU有关接续介入损耗的原文如下。"
本试验使用于一个竣工的光纤接头， 用以度量接头质量。
应按照IEC 1073-1进行试验。测量可在实验室或现场进行。实验室用剪回法较好，现场可用双向OTDR法。介入损耗的典型值可能随应用场合和（或）所用方法而变化。最小的接头损耗典型值≤0.1dB。在某些场合中，介入损耗典型值≤0.5dB是可能接受的。有许多熔接机和机械接续装置在制作接头后可以估算接头损耗值。 某些主管部门和私营运行机构在现场接续安装时采用这些估算值，并且在全部线路施工完成后，再用OTDR对线路全程进行复测。在现场安装时，也可用其它一些方法来估算接头损耗值， 例如采用夹上去的功率计和本地注入检测的方法。　　（1）该建议是基于单纤接头损耗的可接受值≤0.5dB，平均值没有规定的情况下而言的。
从目前的熔接机情况看， 熔接机所显示的数据配合观察光纤接头断面情况， 能够粗略估计光纤接续点损耗的状况， 但不能精确到目前我国所要求的光纤接续损耗指标的数量级。我们认为，这些熔接机的设计目的和依据是基于ITU建议的。
（2）目前的熔接机接续是通过对光纤X轴和Y轴方向的错位调整，在轴心错位最小时进行熔接的，这种能调整轴心的方法称为纤芯直视法， 这种方法不同于功率检测法，现场是无法知道接头损耗确切数值的。但是在整个调整轴心和熔接接续过程中， 通过摄像机把探测到所熔接纤芯状态的信息送到熔接机的专用程序中，可以计算出接续后的损耗值。 但它只能说明光纤轴心对准的程度，并不含有光纤本身的固有特性所影响的损耗。而OTDR的测试方法是后向散射法，它包含有光纤参数的不同形成反射的损耗。
比较上述两种测试原理，两者有很大区别。通过实践证明，两种方法测出数据一致性也较差，通过最近几年对干线工程接续测试发现，很多情况下熔接机显示损耗很小（小于0.05dB）甚至为零，但OTDR测试则大于0.08dB，且没发现有对应的规律。
日本的接头损耗标准（NTT光缆施工验收规程）最小值小于0.9dB，无平均值要求，只有中继段总衰减要求，只要满足，就能开通设计要求的或将来要增加的设备，在接续操作方面则与ITU建议一致。美国、欧洲诸国也都采取了大致与ITU建议一致的做法。
事实上，影响光缆安全的主要是机械损伤，光纤接续损耗大一点并不会影响接续强度，因此我们时候在验收测试中发现,有些点数值确实偏大,大约有1%左右的接头回超标准,并且在多次接续后仍无法降低.在这种情况下以判断合格的.