OTDR 是 Optical Time Domain Reflectometer 的英文縮寫 ,即光時域反射儀。它應用於各種光通信網絡的測試 ,包括測試光纖傳輸系統中的接頭損耗、光纖的距離、鏈路損耗、光纖衰減 ,定位斷點和端點 ,測試反射值和回波損耗 ,建立事件點與地標的相對關係 ,建立數據文件、數據存檔並列印。
其測試原理是:首先在雷射器中加脈衝調製 ,經過可以分離發射光與接收光的光方向耦合器 ,將測試光送往測量對象的光傳輸線路。由於瑞利散射的作用 ,從光纖各部分(包括光纖的不均勻性、光連接器、光纖接頭、光纖的故障或斷點) 返回的後向散射光就會在屏幕的時基上顯示出連續的信號 ,即近處先而遠處後 ,其強度與各點傳輸光功率成比例。顯然 ,經光耦合器將反向散射光進行分離接收 ,令橫軸以距離的形式與後向散射光到達的時間順序相對應 ,令縱軸以 dB 表示散射光的強度並在屏幕上顯示出來 , 這樣就可以在橫軸上將光脈衝往返時間換成光纖長度的刻度 ,直接用於觀察沿整個光纖線路傳輸光功率的變化狀態
雷射器:將符合規定要求的穩定的光信號發送到被測光纖。
脈衝發生器:控制光源發送的時間 ,控制數據分析電路與雷射器同步工作。
定向耦合器:將光源發出的光耦合到被測光纖 ,並將光纖反射回的光信號耦合到光探測器。
光探測器:將被測光纖反射回的光信號轉換為電信號。
數據分析及顯示: 將反射回的信號與發送脈衝比較 ,計算出響應數據並在屏幕上顯示出相關曲線。
在距離 0 點上顯示的光強度是表示光耦合器發送光的洩入 ,而在光纖中隨著距離的增加 ,散射光電平則呈直線下降 , 由其斜率值可以計算出光傳輸損耗值(dB/ km) 。當光纖有接頭等集中損耗時就會呈現出曲線錯位 ,它可視為該點的接續損耗。在光纖端部接觸空氣會產生因折射率差異而引起的菲涅耳反射; 當光纖發生斷裂時 ,就可以從曲線上確定斷點位置。如果接續時有氣泡、光纖端部不乾淨或者光纖端面不光滑都會產生反射 ,在曲線中也有錯位的現象。在了解光纖的損耗特性時 ,我們知道 ,瑞利散射是造成光纖損耗的原因之一。光波在光纖中傳輸時 ,沿途受到直徑比光波波長還小的散射粒子的散射 ,散射光向各個方向傳播 ,而向入射方向傳播的一部分光稱為背向散射光 ,而OTDR 就是利用背向散射光來測試光纖中的參數。
3.1 背向散射
定義:光纖自身反射回的光信號稱為背向散射光。
原因:主要是由於瑞利散射。
應用:OTDR 正是利用其接收到的背向散射光強度的變化來衡量被測光纖上事件損耗的大小; OTDR不僅能對各事件點上的反向光信號進行測量 ,同時也可以對光纖本身的反向光信號進行測量。因此我們可以在 OTDR 上觀察到光纖沿線各點上的曲線狀態。
3.2 反射事件
活動連接器、機械接頭和光纖中的斷裂點都會引起損耗和反射 ,我們把這種反射幅度較大的事件稱為反射事件。反射事件損耗的大小同樣是由背向散射電平值的改變量來決定。反射值是由背向散射曲線上反射峰的幅度所決定。
3.3非反射事件
光纖中的接頭和微彎都會帶來損耗 ,但不會引起反射 ,稱為非反射事件。它在 OTDR 測試曲線上以背向散射電平上附加一突然下降臺階的形式表現出來 ,因此曲線在縱軸上的改變即為該事件的損耗大小。
3.4 光纖末端
光纖末端通常有兩種情況。
①如果光纖的末端是平整的端面或末端接有活動連接器(平整拋光) ,在光纖末端就會存在有 4 %的菲涅耳反射。
②如果光纖末端是破裂的端面 ,由於末端端面的不平整會使光線漫射而不引起反射 ,在 OTDR 上顯示如圖所示。
第一種情況為反射幅度較高的菲涅耳反射。第二種情況光纖末端顯示的曲線從背向反射電平簡單在降到 OTDR 噪聲電平以下。有時破裂的末端也會引起反射 ,但它的反射峰不會像平整端面或活動連接器帶來的反射值那麼大。在測量光纖末端時 ,必須選準光纖末端 ,否則測量出光纖的長度不準確 ,所以確定 OTDR 遊標 B 很重要。下面幾種曲線情況(見圖 ) 為光纖末端以便區分
(1) 故障定位應準確或者要做到誤差很小 ,我們稱為測量距離準確度。準確度的高低與脈衝寬度、測試系統的信噪比有關 ,脈衝寬度越窄準確度越高。目前 ,OTDR 準確度可達到 10 m 以內。
(2) 了解動態範圍與測量範圍之間的關係。
(3) 距離刻度是表示 OTDR 測量光纖長度指標 ,是OTDR 的主要參數 ,儀表一般只給出測試距離的刻度 ,把計分表給出的最大距離刻度視為可測光纖最大距離是一種錯誤 ,最長測量距離一般由儀表的動態範圍和被測光纖的衰減所決定。
(4) 脈衝寬度的選擇對測量精度也很重要。如果對靠近 OTDR 的光纖進行觀察時可選擇窄脈衝 ,以便分辨兩個事件 ,提高清晰度;如需對光纖遠端的事件進行觀察時 ,可選擇寬脈衝 ,以提高儀表的動態範圍 ,觀察更長的距離。同時脈衝寬度的選擇與盲區也有關係 ,脈衝寬度越寬盲區越大 ,這樣就可能無法精確定位緊挨著反射事件後的斷點;如果脈衝寬度越窄 ,盲區就會越小 ,就不能精確識別光纖末端與噪聲電平的界限。操作人員應根據實際情況選擇適當的脈衝寬度 ,原則上在保證能識別光纖末端的情況下 ,儘可能小地設置脈衝寬度 ,一般情況下儀表給出的盲區是指最小脈寬 時的指標。
(5) 折射率的選擇。OTDR 是通過對反射信號時間參數進行測量後再按公式來計算距離參數 ,計算公式為:
L = V T = TC/ n
式中: C 為光在真空中的速度; n 為光纖的折射率; T為光在光纖中傳播時間的一半。當對被測光纖的折射率設置有偏差時 , 即使是1 %誤差 , 對於長距離測量也會引起很大的誤差。比如 ,有 1 %的折射率誤差 ,當測量 20 km 的光纖時就有200 m 左右的誤差;如果測量的距離加長 ,那麼誤差也會加大。所以 ,在具體操作時折射率的選擇一定要準確 ,一般應選擇光纖出廠時檢驗報告上填寫的折射率值;如果一個光纖鏈路內有好幾個廠家的光纖 ,那麼測量時可採用分段設置折射率方法 ,儘量減少因折射率設置不準確而帶來的誤差。在上述諸多因素中折射率的選擇對 OTDR 的測量精度至關重要。如圖 是分段設置折射率示意圖。
分段設置折射率波形圖 這裡需要注意: 引起測定光纖距離的誤差主要有3 個因素: ①定時誤差; ②OTDR 距離解析度;③光纖的折射率。
綜上所述 ,OTDR 是進行光纜故障定位的一種快速手段 ,它採用背向散射技術能夠較準確地測試光纖的各種參數。儀表設置不當和操作人員的計算失誤 ,是進行光纜和故障定位時誤差產生的主要原因。使用 OTDR進行光纜故障定位時 ,我們要考慮多方面的因素 ,在準確測試光纖長度的同時 ,要將光纖長度正確地折算成光纜的長度 ,同時應將整個過程中的誤差因素都考慮進去 ,這樣才能儘快確定故障點 ,以縮短故障處理時間。另外 ,OTDR 屬於精密儀器 ,操作要求比較高 ,平時應妥善保管 ,嚴格管理 ,正確操作 ,這對光纜線路工程的施工和維護尤為重要。同時 ,用光時域反射儀測得的光纖中的所有參數 ,反映了被測光纖的長度及沿途損耗狀態 ,作為原始資料應當保存好 ,以便將來使用
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