浅谈OTDR原理与使用

zhanghao423626

如何用光时域反射计（OTDR）进行正确的光纤测试

用OTDR进行测试维护工作，首先应该对OTDR本身的各项参数进行正确的设置；其次是对OTDR各项技术指标的正确理解；第三个需要注意的是不同需求和不同测试环境对测试仪器指标的要求以及测试的方法；最后是对测量曲线的正确解读。

在进行正式的介绍之前，首先介绍几个关键的概念：菲涅尔反射，瑞利散射，背向散射法，OTDR的工作原理。

瑞利散射：光纤在加热制造过程中，热骚动使原子产生压缩性的不均匀，造成材料密度不均匀，进一步造成折射率的不均匀。这种不均匀在冷却过程中固定下来，引起光的散射，称为瑞利散射，是光纤本身固有的。

菲涅尔反射：菲涅尔反射就是大家平常所理解的光反射。该现象通常在不连续界面处发生（例如连接器、适配器等），是气隙、未对准、折射率不匹配等原因导致的结果。

需要注意的是能够产生后向瑞利散射的点遍布整段光纤，是一个连续的，而菲涅尔反射是离散的反射，它由光纤的个别点产生，能够产生反射的点大体包括光纤连接器（玻璃与空气的间隙）、阻断光纤的平滑镜截面、光纤的终点等。

背向散射法：背向散射法是将大功率的窄脉冲光注入待测光纤，然后在同一端，检测沿光纤轴向向后返回的散射光功率。由于光纤材料密度不均匀，其本身的缺陷和掺杂成分不均匀，引起光纤中小的折射率的变化，当光脉冲通过光纤传输时，沿光纤长度上的每一点均会引起瑞利散射。这种散射向四面八方，其中总有一部分会进入光纤的数值孔径角，沿光纤轴反向传输到输入端。瑞利散射光的波长与入射光的波长相同，其光功率与散射点的入射光功率成正比。测量沿光纤轴向返回的背向瑞利散射光功率可获得沿光纤传输损耗的信息，从而测得光纤的衰减。

OTDR的工作原理：OTDR 类似一个光雷达。它先对光纤发出一个测试激光脉冲，然后观察从光纤上各点返回（包括瑞利散射和菲涅尔反射）的激光的功率大小情况，这个过程重复的进行，然后将这些结果根据需要进行平均，并以轨迹图的形式显示出来，这个轨迹图就描述了整段光纤的情况。下图是OTDR的一个结构简图。

图1OTDR的原理图

第一部分：OTDR的参数设置

测试前对OTDR所进行的各项参数的设置对测试结果的精确和正确与否有很大的影响。

光时域反射计的测量设置参数：波长、脉冲宽度、测量范围、平均时间、折射率、散射系数。

波长：光纤在不同波长下的衰减特性是不一样的，了解光链路的衰减量是用户测试最重要的目的。一般而言，OTDR提供1310nm/1550nm两个单模波长或850nm/1300nm两个多模波长，个别也有只提供单波长的情况，但提供双波长的是多数情况。因此，OTDR的设置中，有让用户选择测量波长的选项，用户在使用时应注意设置你所关心的测量波长。

脉冲宽度：脉宽指注入被测光纤的光脉冲信号高功率信号的宽度，脉宽越宽，反向信号越强，OTDR可以有效探测的距离越远，但宽脉宽会引起起始反射信号饱和，引起大的盲区。因此，脉宽的选择是与测量光纤的长度有关系的。长度越长，脉宽越宽。一般的OTDR脉宽从10ns—10μs分若干档供用户选择。智能化高的OTDR还会将脉宽设置与测量距离设置关联起来，拒绝短的距离与宽脉宽组合或长的距离与窄脉宽组合。用户在使用OTDR时，可以根据经验选择合适的脉宽设置。

测量范围：用户根据被测光纤的总长度选择测量长度范围。过长的选择会引起测量时间的加长，过短的选择会引起尾部的光纤无法被检测到。测量时选取适当的测试距离可以生成比较全面的轨迹图，对有效的分析光纤的特性有很好的帮助，通常根据经验，选取整条光路长度的1.5 － 2 倍之间最为合适。

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，3分钟的获取将比1分钟的获取提高0.8dB的动态。但超过10分钟的获取时间对信噪比的改善并不大。一般平均时间不超过3分钟。

折射率：OTDR通过测量从发射光到接收到反射所经过的时间来计算到事件的距离。这可能是前面板连接器反射的上升沿或来自某一连接器的反射。显示的距离和测量的时间通过折射率相联系。这表示折射率的变化会导致计算出的距离发生变化。

折射率是光纤的固有参数，取决于所用光纤的材料，因此应由光纤或光缆供应商提供。了解所测量光纤的折射率是非常重要的。由于折射率不准确所造成的误差通常大于仪器的误差。折射率在1.30000到1.70000之间由用户选择，改变群折射率设置会使OTDR测距结果发生变化。

折射率的定义：

=（真空中的光速）

折射率

（光脉冲在光纤中的速度）

散射系数：散射系数是散射回OTDR光线量的度量。它会影响回波损耗和反射级别的测量值。散射系数是OTDR输出处的光脉冲功率（不是能量）与光纤近端处的后向散射功率的比率。此比率以dB为单位。因为光脉冲功率与脉冲宽度相互独立，所以此比率与脉冲宽度成反比。

第二部分：正确的理解OTDR各项性能参数的含义

动态范围：它表示后向散射开始与噪声峰值间的功率损耗比。它决定了OTDR所能测得的最长光纤距离。如果 OTDR 的动态范围较小，而待测光纤具有较高的损耗，则远端可能会消失在噪声中。

目前有两种定义动态范围的方法：

峰值法：它测到噪声的峰值，当散射功率达到噪声峰值即认为不可见。

SNR=1 法：这里动态范围测到噪声的rms电平为止，对于同样性能的OTDR来讲，其指标高于峰值定义大约2.0dB。

图2 动态范围的定义

盲区：盲区是指两个靠的很近但仍可分别测量出来的事件，如果事件靠的太近，OTDR 会把他们当成一个点。有时把盲区叫做两个事件的分辨率。盲区也如动态范围那样，有它自己的指标。经常发生把事件盲区与衰减的事件盲区混为一谈的误解。

衰减盲区：衰减盲区是强反射覆盖了测量数据的那部分OTDR轨迹。它的发生是由于强信号使接收器饱和，并且需要一定时间进行恢复。衰减盲区描述了从反射点开始（C点）到接收点恢复到后向散射电平约0.5dB（D点）范围内的这段距离。这是OTDR能够再次测试衰减和损耗的点。衰减盲区是指两个反射事件之间的最小距离，但是能够分别测出他们各自的损耗。

事件盲区：事件盲区是反映两个反射事件之间的最小距离，仍可分辨出它们是两个彼此分开的事件。能够分别测出他们的距离，但是不能分别测出它们各自的损耗。从OTDR接收到的反射点开始到OTDR恢复的最高反射点1.5dB以下的这段距离（A，B两点之间），这里可以看到是否存在第二个反射点，但是不能测试衰减和损耗。

动态范围和盲区成正比关系。动态范围越大，盲区就越大。就是说，如果需要更长的动态范围来测量较长的光纤，就必须有更宽的测试脉冲。测试脉冲越宽，盲区就越长。对于长度较短的光纤，OTDR 不可能有“高动态范围”。

第三部分：不同需求和不同测试环境对测试仪器指标的要求以及测试的方法

正确的是用OTDR 进行测试应该注意以下几点：测试场合对仪器技术指标的要求，参数设置是否正确，所要测量的光纤与仪器所提供的能力是否相符，测试方法是否正确。

（1）测试场合的要求：

在对楼宇或小范围的光纤进行测试和调试时，短盲区比动态范围重要得多。由于距离较短，不需要较大的动态范围。但是为了检测出跳线和光纤链路两端的损耗，需要短盲区。

对于长距离（超过20公里）光纤测试和诊断，由于光纤本身会产生大量的损耗，因此对于长距离光纤链路，动态范围就是一项重要的指标了。

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。

（2）参数设置是否正确：

脉冲宽度的设置：在光功率大小恒定的情况下，脉冲宽度的大小直接影响着光的能量的大小，光脉冲越长光的能量就越大。同时脉冲宽度的大小也直接影响着测试盲区的大小，也就决定了两个可辨别事件之间的最短距离，即分辨率。显然，脉冲宽度越小，分辨率越高，脉冲宽度越大分辨率越低。

折射率的设置：折射率与距离测量有关。

OTDR 上显示的距离

×=测量的时间（真空中的光速）距离折射率

因此，了解所测量光纤的折射率是非常重要的。由于折射率不准确所造成的误差通常大

于仪器的误差。折射率取决于所用光纤的材料，因此应由光纤或光缆供应商提供。

（3）所要测量的光纤与仪器所提供的能力是否相符：

动态范围常用作比较OTDR 测量距离的标准。

OTDR 的最大距离范围如下定义：

max max min =距离范围（）动态范围（）每公里光纤损耗（）

应该明白，实际上动态范围指标是很不同的。各种OTDR 却有着相同的测量距离和熔接点测量范围。动态范围测量的是随机噪声的有效值（rms）。购买OTDR 的目的是用来测量光纤熔接点的性能，并非测量随机噪声。动态范围与定位/测量光纤的长度之间有很大差别，粗略估计、要从测量的动态范围中减去6dB。

在购买OTDR 时，首先应确定出需要测量的动态范围有多大。因此，在购买OTDR 之前应该考虑以下几个问题：

你的系统将运行在什么波长？动态范围相同，1550nm 的波长比1310nm 的波长传输的更远。要考虑到在几年之内波长可能有所改变。若用1310nm 的波长，衰减约为0.4dB/KM，用1550nm 波长衰减约为0.2dB/KM。

现在用的最长光纤和将来要用的光纤有多长？这与你需要用的实际测量范围有关。光纤的衰减量等于系统长度乘以每km 的dB 数（db/KM）。

光纤线路上还有其它什么衰减？影响光纤传输性能的主要参数是光功率损耗。损耗主要是由光纤本身、接头和熔接点造成的。但由于光纤的长度、接头和熔接点数目的不定，造成光纤链路的测试标准不象双绞线那样是固定的，因此对每一条光纤链路测试的标准都必须通过计算才能得出。

具体计算公式如下：

光纤链路的损耗极限=光纤长度*损耗系数+每个接头损耗值*数量+每个熔接点损耗值*数量

光缆衰减(dB) = 衰减系数(dB/km) ×长度(Km)

接头衰减(dB) = 接头个数×接头损耗(dB)

熔接衰减(dB) = 熔接个数×熔接损耗(dB)

与你希望测量的光纤最末端相比，至少要增加6dB 的动态范围。

（4）测试方法是否正确：

在有些不良接头的情况下，可能会看到一些反射。一些接头会显示为增益器，功率电平似乎增加。这是由接头前后的光纤后向散射系数的不同造成的。如果在一个方向上测量时看到增益器，则从光纤的另一端进行测量。您将看到在光纤中此点的损耗。增益器和损耗（“平均损耗值”）的差值显示此点的实际损耗。这就是建议您进行光纤的双向取平均测量的原因所在。

在判定盲区时有两个问题：第一，光纤系统中事件分开的距离有多远？你必须能测量各

个熔接点；第二，OTDR盲区指标有何限定？中等跨度的事件，如间隔为1~2KM的事件对OTDR 来说一般不成问题，除非系统光纤路很长。最坏情况是，同时测量长线远端的靠得很近的熔接点。许多OTDR说明书列出的盲区使用短脉冲测量的，要知道短脉冲只适于测量短光纤。

平均时间（补充）

第四部分：对测量曲线的正确解读

在说明测量曲线之前，先来说明几个概念。

光纤上的事件是指除光线材料自身正常散射以外的任何导致损耗或反射的事物。包括各类连接及弯曲、裂纹或断裂等损伤。事件可以为反射或非反射。

反射事件：当一些脉冲能量被反射，例如在连接器上，反射事件发生。反射事件在轨迹中产生尖峰信号。

非反射事件：非反射事件在光纤有一些损耗但没有光反射的部分发生非。非反射事件在轨迹上产生一个倾角。

OTDR轨迹在屏幕上以图形化方式显示测量结果。纵轴显示功率，横轴显示距离。测试的轨迹图显示返回信号相对于距离的功率。用该信息，可以确定一个链接的重要特征。

OTDR的测量结果中应提供：

※衰减信息

※单位距离的衰减（dB/km）

※事件信息，断点，连接点，熔接点

※反射率

※光纤的距离（用给定的两点）

一个典型的OTDR轨迹图

上图显示了一个典型的OTDR轨迹图。在图中可以看到在光纤的开始和结束的强反射；光纤链路结束后的噪声，光纤正常的衰减。光纤的开始总是显示前部连接器处的强反射，在光纤结束处轨迹下降到噪声电平以前也会看到强反射。

接下来应该注意链路中的连接器引起的反射和损耗，连接器会同时导致反射和损耗。

熔融接头是非反射事件，只能检测到损耗。在有不良接头的情况下，可能会看到一些反射。一些接头显示为增益器，功率电平似乎增加。这是由接头前后的光纤后向散射系数不同造成的。如果在一个方向上测量时看到增益，则从光纤的另一端进行测量，将看到光纤中此点的损耗。增益和损耗的差值显示此点的实际损耗。这就是建议您进行光纤的双向取平均测量的原因。

光纤的弯曲会导致损耗，但它们是非反射事件。

裂纹是指导致反射和损耗的部分损坏的光纤。反射的级别和损耗在光缆移动时可能会改变。