OTDR测试教程

xttanny

使用OTDR有十多年了，先后用过HP和安捷伦等多家的产品，发一篇OTDR的教程，欢迎大家讨论。

为了确保服务质量，网络构建商、服务提供商和运营商需要精确地定位现有和潜在问题，这使得测试与测量设备至关重要。有许多测试工具可用于在网络的不同阶段，满足不同的测试需求，比如光纤试运行。这些测试用于揭示总损耗、光回损和光纤长度，可以在单根光纤上或在完整网络上执行。此外，可能需要对组成被测链路的不同元素进行进一步检查。不论是鉴定链路中每个元件的特性，定位光纤的潜在问题，还是查找网络中的故障，都不可避免地要使用光时域反射仪 OTDR 从光网络试运行到故障诊断和维护，OTDR 都是理想之选。本文介绍了 OTDR 的基本原理，对于理解该仪器的规格非常重要。

什么是 OTDR？

基础

OTDR 将激光光源和检测器组合在一起以提供光纤链路的内视图。激光光源发送信号到光纤中，检测器接收从链路的不同元素反射的光。激光光源发送信号到光纤中，检测器在光纤中接收从链路的不同元素反射的光。发送的信号是一个短脉冲，其携带有一定数量的能量。然后，时钟精确计算出脉冲传播的时间，然后将时间转换为距离，便可以得知该光纤的属性。当脉冲沿着光纤传播时，由于连接和光纤自身的反射，一小部分脉冲能量会返回检测器。当脉冲完全返回检测器时，发送第二个脉冲 — 直到取样时间结束。因此，会立刻执行多次取样并平均化以提供链路元件的清晰特性图。取样结束后，执行信号处理，除了计算总链路长度、总链路损耗、光回损和光纤衰减外，还计算每个事件的距离、损耗和反射。使用 OTDR 的主要优势在于单端测试，只需要一位操作人员和一台仪器来鉴定链路质量或查找网络故障。图 1 显示了 OTDR 的框图。

图 1. OTDR 框图

反射是关键

如前文所述，OTDR 通过读取从所发送脉冲返回的光级别以显示链路情况。请注意，有两种类型的反射光：光纤产生的连续低级别光称为瑞利背向散射，连接点处的高反射峰值称为菲涅尔反射。瑞利背向散射用于作为距离的函数以计算光纤中的衰减级别（单位是 dB/km），在 OTDR 轨迹中显示为直线斜率。该现象来源于光纤内部杂质固有的反射和吸收。当光照射到杂质上时，一些杂质颗粒将光重定向到不同的方向，同时产生了信号衰减和背向散射。波长越长，衰减越少，因此，在标准光纤上传输相同距离所需的功率越小。图 2 说明了瑞利背向散射。

图 2. 瑞利背向散射

OTDR 使用的第二种反射（菲涅尔反射）可检测链路沿线的物理事件。当光到达折射率突变的位置（比如从玻璃到空气）时，很大一部分光被反射回去，产生菲涅尔 反射，它可能比瑞利背向散射强上千倍。菲涅尔反射可通过 OTDR 轨迹的尖峰来识别。这样的反射例子有连接器、机械接头、光纤、光纤断裂或打开的连接器。图 3 说明了产生菲涅尔反射的不同连接。

图 3. 由 1) 机械接头、2) 光纤适配器和 3) 打开的连接产生的菲涅尔反射

什么是盲区？

菲涅尔反射引出一个重要的 OTDR 规格，即盲区。有两类盲区：事件和衰减。两种盲区都由菲涅尔反射产生，用随反射功率的不同而变化的距离（米）来表示。盲区定义为持续时间，在此期间检测器受高强度反射光影响暂时“失明”，直到它恢复正常能够重新读取光信号为止，设想一下，当您夜间驾驶时与迎面而来的车相遇，您的眼睛会短期失明。在 OTDR 领域里，时间转换为距离，因此，反射越多，检测器恢复正常的时间越长，导致的盲区越长。绝大多数制造商以最短的可用脉冲宽度以及单模光纤 -45 dB、多模光纤 -35 dB 反射来指定盲区。为此，阅读规格表的脚注很重要，因为制造商使用不同的测试条件测量盲区，尤其要注意脉冲宽度和反射值。例如，单模光纤 -55 dB 反射提供的盲区规格比使用 -45 dB 得到的盲区更短，仅仅因为 -55 dB 是更低的反射，检测器恢复更快。此外，使用不同的方法计算距离也会得到一个比实际值更短的盲区。

事件盲区

事件盲区是 菲涅尔 反射后 OTDR 可在其中检测到另一个事件的最小距离。换而言之，是两个反射事件之间所需的最小光纤长度。仍然以之前提到的开车为例，当您的眼睛由于对面车的强光刺激睁不开时，过几秒种后，您会发现路上有物体，但您不能正确识别它。转过头来说 OTDR，可以检测到连续事件，但不能测量出损耗（如图 4 所示）。OTDR 合并连续事件，并对所有合并的事件返回一个全局反射和损耗。为了建立规格，最通用的业界方法是测量反射峰的每一侧 -1.5 dB 处之间的距离（见图 5）。还可以使用另外一个方法，即测量从事件开始直到反射级别从其峰值下降到 -1.5 dB 处的距离。该方法返回一个更长的盲区，制造商较少使用。

图 4. 合并长盲区事件

图 5. 测量事件盲区

使得 OTDR 的事件盲区尽可能短是非常重要的，这样才可以在链路上检测相距很近的事件。例如，在建筑物网络中的测试要求 OTDR 的事件盲区很短，因为连接各种数据中心的光纤跳线非常短。如果盲区过长，一些连接器可能会被漏掉，技术人员无法识别它们，这使得定位潜在问题的工作更加困难。

衰减盲区

衰减盲区是菲涅尔反射之后，OTDR 能在其中精确测量连续事件损耗的最小距离。还使用以上例子，经过较长时间后，您的眼睛充分恢复，能够识别并分析路上可能的物体的属性。如图 6 所示，检测器有足够的时间恢复，以使得其能够检测和测量连续事件损耗。所需的最小距离是从发生反射事件时开始，直到反射降低到光纤的背向散射级别的 0.5 dB，如图 7 所示。

图 6. 衰减盲区

图 7. 测量衰减盲区  

盲区的重要性

短衰减盲区使得 OTDR 不仅可以检测连续事件，还能够返回相距很近的事件损耗。例如，现在就可以得知网络内短光纤跳线的损耗，这可以帮助技术人员清楚了解链路内的情况。

盲区也受其他因素影响：脉冲宽度。规格使用最短脉冲宽度是为了提供最短盲区。但是，盲区并不总是长度相同，随着脉冲变宽，盲区也会拉伸。使用最长的可能的脉冲宽带会导致特别长的盲区，然而这有不同的用途，下文会提到。

动态范围

动态范围是一个重要的 OTDR 参数。此参数揭示了从 OTDR 端口的背向散射级别下降到特定噪声级别时 OTDR 所能分析的最大光损耗。换句话说，这是最长的脉冲所能到达的最大光纤长度。因此，动态范围（单位为 dB）越大，所能到达的距离越长。显然，最大距离在不同的应用场合是不同的，因为被测链路的损耗不同。连接器、熔接和分光器也是降低 OTDR 最大长度的因素。因此，在一个较长时段内进行平均并使用适当的距离范围是增加最大可测量距离的关键。大多数动态范围规格是使用最长脉冲宽度的三分钟平均值、信噪比 SNR)=1（均方根 RMS) 噪声值的平均级别）而给定。再次请注意，仔细阅读规格脚注标注的详细测试条件非常重要。

    凭经验，我们建议选择动态范围比可能遇到的最大损耗高 5 到 8 dB 的 OTDR。例如，使用动态范围是 35 dB 的单模 OTDR 就可以满足动态范围在 30 dB 左右的需要。假定在 1550 nm 上的典型光纤典型衰减为 0.20 dB/km，在每 2 公里处熔接（每次熔接损耗 0.1 dB），这样的一个设备可以精确测算的距离最多 120 公里。最大距离可以使用光纤衰减除 OTDR 的动态范围而计算出近似值。这有助于确定使设备能够达到光纤末端的动态范围。请记住，网络中损耗越多，需要的动态范围越大。请注意，在 20 μ 指定的大动态范围并不能确保在短脉冲时动态范围也这么大，过度的轨迹过滤可能人为夸大所有脉冲的动态范围，导致不良故障查找解决方案（在即将发表的下一篇文章中将对此进行深入探讨）。

脉冲宽度

什么是脉冲宽度？

脉冲宽度实际上是激光器“开启”的时间。正如我们知道的，时间转换为距离，因此脉冲宽度具有长度值。在 OTDR 中，脉冲携带的能量可以产生鉴定链路所需的背向散射。由于在链路中存在传播损耗（即，衰减、连机器、熔接等），所以脉冲越短，携带的能量越少，传播的距离就越短。长脉冲携带的能量高出很多，可以在非常长的光纤中使用。图 8 说明了作为时间函数的脉冲宽度。

图 8. 短脉冲与长脉冲

如果脉冲太短，在到达光纤末端前便丢失了能量，使背向散射级别变得很低，甚至低于噪声下限级别而导致信息丢失。这样会导致无法到达光纤末端。因此，由于返回的光纤距离末端远短于实际的光纤长度，而无法测量完整链路。另一个现象是在接近光纤末端时轨迹中噪声太多。OTDR 无法再进行信号分析，测量结果可能出错。

处理脉冲宽度

当轨迹中噪声太多，有两种简便方法获得较清洁的轨迹。第一种方法，增加取样时间，这样可以极大改善（增加）SNR，同时保持良好的短脉冲分辨率。但是，增加平均时间也有限度，因为这不能无限提高 SNR。如果轨迹还不够平滑，我们可以使用第二种方法，即使用下一个可用的更高脉冲（更多能量）。但是，请记住，盲区会随着脉冲宽度的增加而变大。幸运的是，市场上绝大多数 OTDR 都有“自动”模式，可以为被测光纤选择适当的脉冲宽度。当被测光纤长度或损耗未知时，使用该选项会非常方便。

当鉴定网络或光纤特性时，强制要求为被测链路选择正确脉冲宽度。短脉冲宽度、短盲区和低功率用于测试事件相距很近的短链路，而长脉冲、长盲区和高功率则用于到达远程网络或高损耗网络中更远的距离。

采样分辨率和采样点

OTDR 定位事件正确距离的能力依赖于不同参数组合，其中包括采样分辨率和采样点。采样分辨率定义为“仪器所要求的两个连续采样点之间的最小距离”。此参数很重要，因为它定义了最终的距离精度以及 OTDR 故障查找的能力。根据选择的脉冲宽度和距离范围，该值变化范围可为 4 厘米到几米。因此，为了保持最佳分辨率，必须在取样期间取得更多采样点。图 9a 和 9b 说明高分辨率在故障查找中所起的作用。

a)   b)

图 9：分辨率与故障查找效率：a) 5 米分辨率（较高分辨率）。b) 15 米分辨率（较低分辨率）。

如上所示，采样点越多，分辨率越高（采样点之间距离短），这是故障查找的终极条件。

结论

市场上有很多型号的 OTDR — 从基础的故障寻找器到高级仪器，可满足不同的测试和测量需求。要在购买 OTDR 时做出正确的选择，必须考虑基本参数。因为如果所选型号不适用于应用，那么仅基于总体性能和价格去选择设备将会出现问题。OTDR 具有复杂的规格，绝大多数都是折衷的结果。深入了解这些参数以及如何去验证这些参数可以帮助购买者作出满足其需求的正确选择，最大化生产率和成本效益。

OTDR测试

用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。