OTDR

簡(jiǎn)介

　　OTDR的英文全稱是Optical Time Domain Reflectometer，中文意思為光時(shí)域反射儀。OTDR是利用光線在光纖中傳輸時(shí)的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表，它被廣泛應(yīng)用于光纜線路的維護(hù)、施工之中，可進(jìn)行光纖長(zhǎng)度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測(cè)量。

目前現(xiàn)狀

　　OTDR（光時(shí)域反射儀）主流品牌國(guó)產(chǎn)有中電34所[1]的FS790、中電41所的AV6416，OPWILL的OTP6123，RQ-OTDR2000等，還有OT8600和OT8800。進(jìn)口有日本安立MT9090A、日本橫河AQ1200，加拿大EXFO，美國(guó)JDSU.國(guó)產(chǎn)OTDR的測(cè)試距離及測(cè)試精度已大大提高，特別是中電34所的FS790，測(cè)試距離超過(guò)70公里，事件盲區(qū)僅為1.6米，定價(jià)21000元，在光纖到戶FTTH驗(yàn)收測(cè)試中得到廣泛使用。

工作原理

　　OTDR測(cè)試是通過(guò)發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi)，然后在OTDR端口接收返回的信息來(lái)進(jìn)行。當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)由于光纖本身的性質(zhì)，連接器，接合點(diǎn)，彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射，反射。其中一部分的散射和反射就會(huì)返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測(cè)器來(lái)測(cè)量，它們就作為光纖內(nèi)不同位置上的時(shí)間或曲線片斷。從發(fā)射信號(hào)到返回信號(hào)所用的時(shí)間，再確定光在玻璃物質(zhì)中的速度，就可以計(jì)算出距離。以下的公式就說(shuō)明了OTDR是如何測(cè)量距離的。

　　d=(c×t)/2(IOR)

　　在這個(gè)公式里，c是光在真空中的速度，而t是信號(hào)發(fā)射后到接收到信號(hào)（雙程）的總時(shí)間（兩值相乘除以2后就是單程的距離）。因?yàn)楣庠诓Ａе幸仍谡婵罩械乃俣嚷?，所以為了精確地測(cè)量距離，被測(cè)的光纖必須要指明折射率（IOR）。IOR是由光纖生產(chǎn)商來(lái)標(biāo)明。

工作特征

　　OTDR使用瑞利散射和菲涅爾反射來(lái)表征光纖的特性。瑞利散射是由于光信號(hào)沿著光纖產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的散射而形成。OTDR就測(cè)量回到OTDR端口的一部分散射光。這些背向散射信號(hào)就表明了由光纖而導(dǎo)致的衰減（損耗/距離）程度。形成的軌跡是一條向下的曲線，它說(shuō)明了背向散射的功率不斷減小，這是由于經(jīng)過(guò)一段距離的傳輸后發(fā)射和背向散射的信號(hào)都有所損耗。

　　給定了光纖參數(shù)后，瑞利散射的功率就可以標(biāo)明出來(lái)，如果波長(zhǎng)已知，它就與信號(hào)的脈沖寬度成比例：脈沖寬度越長(zhǎng)，背向散射功率就越強(qiáng)。瑞利散射的功率還與發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)較短則功率較強(qiáng)。也就是說(shuō)用1310nm信號(hào)產(chǎn)生的軌跡會(huì)比1550nm信號(hào)所產(chǎn)生的軌跡的瑞利背向散射要高。

　　在高波長(zhǎng)區(qū)（超過(guò)1500nm），瑞利散射會(huì)持續(xù)減小，但另外一個(gè)叫紅外線衰減（或吸收）的現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)，增加并導(dǎo)致了全部衰減值的增大。因此，1550nm是最低的衰減波長(zhǎng)；這也說(shuō)明了為什么它是作為長(zhǎng)距離通信的波長(zhǎng)。很自然，這些現(xiàn)象也會(huì)影響到OTDR。作為1550nm波長(zhǎng)的OTDR，它也具有低的衰減性能，因此可以進(jìn)行長(zhǎng)距離的測(cè)試。而作為高衰減的1310nm或1625nm波長(zhǎng)，OTDR的測(cè)試距離就必然受到限制，因?yàn)闇y(cè)試設(shè)備需要在OTDR軌跡中測(cè)出一個(gè)尖鋒，而且這個(gè)尖鋒的尾端會(huì)快速地落入到噪音中。

　　菲涅爾反射是離散的反射，它是由整條光纖中的個(gè)別點(diǎn)而引起的，這些點(diǎn)是由造成反向系數(shù)改變的因素組成，例如玻璃與空氣的間隙。在這些點(diǎn)上，會(huì)有很強(qiáng)的背向散射光被反射回來(lái)。因此，OTDR就是利用菲涅爾反射的信息來(lái)定位連接點(diǎn)，光纖終端或斷點(diǎn)。

　　OTDR的工作原理就類似于一個(gè)雷達(dá)。它先對(duì)光纖發(fā)出一個(gè)信號(hào)，然后觀察從某一點(diǎn)上返回來(lái)的是什么信息。這個(gè)過(guò)程會(huì)重復(fù)地進(jìn)行，然后將這些結(jié)果進(jìn)行平均并以軌跡的形式來(lái)顯示，這個(gè)軌跡就描繪了在整段光纖內(nèi)信號(hào)的強(qiáng)弱。

盲區(qū)概念

　　Fresnel 反射引出一個(gè)重要的 OTDR 規(guī)格，即盲區(qū)。有兩類盲區(qū)：事件和衰減。兩種盲區(qū)都由 Fresnel 反射產(chǎn)生，用隨反射功率的不同而變化的距離（米）來(lái)表示。盲區(qū)定義為持續(xù)時(shí)間，在此期間檢測(cè)器受高強(qiáng)度反射光影響暫時(shí)“失明”，直到它恢復(fù)正常能夠重新讀取光信號(hào)為止，設(shè)想一下，當(dāng)您夜間駕駛時(shí)與迎面而來(lái)的車相遇，您的眼睛會(huì)短期失明。在 OTDR 領(lǐng)域里，時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離，因此，反射越多，檢測(cè)器恢復(fù)正常的時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致的盲區(qū)越長(zhǎng)。絕大多數(shù)制造商以最短的可用脈沖寬度以及單模光纖 -45 dB、多模光纖 -35 dB 反射來(lái)指定盲區(qū)。為此，閱讀規(guī)格表的腳注很重要，因?yàn)橹圃焐淌褂貌煌臏y(cè)試條件測(cè)量盲區(qū)，尤其要注意脈沖寬度和反射值。例如，單模光纖 -55 dB 反射提供的盲區(qū)規(guī)格比使用 -45 dB 得到的盲區(qū)更短，僅僅因?yàn)?-55 dB 是更低的反射，檢測(cè)器恢復(fù)更快。此外，使用不同的方法計(jì)算距離也會(huì)得到一個(gè)比實(shí)際值更短的盲區(qū)。

事件盲區(qū)

　　事件盲區(qū)是 Fresnel 反射后 OTDR 可在其中檢測(cè)到另一個(gè)事件的最小距離。換而言之，是兩個(gè)反射事件之間所需的最小光纖長(zhǎng)度。仍然以之前提到的開(kāi)車為例，當(dāng)您的眼睛由于對(duì)面車的強(qiáng)光刺激睜不開(kāi)時(shí)，過(guò)幾秒種后，您會(huì)發(fā)現(xiàn)路上有物體，但您不能正確識(shí)別它。轉(zhuǎn)過(guò)頭來(lái)說(shuō) OTDR，可以檢測(cè)到連續(xù)事件，但不能測(cè)量出損耗。OTDR 合并連續(xù)事件，并對(duì)所有合并的事件返回一個(gè)全局反射和損耗。為了建立規(guī)格，最通用的業(yè)界方法是測(cè)量反射峰的每一側(cè) -1.5 dB 處之間的距離。還可以使用另外一個(gè)方法，即測(cè)量從事件開(kāi)始直到反射級(jí)別從其峰值下降到 -1.5 dB 處的距離。該方法返回一個(gè)更長(zhǎng)的盲區(qū)，制造商較少使用。

　　使得 OTDR 的事件盲區(qū)盡可能短是非常重要的，這樣才可以在鏈路上檢測(cè)相距很近的事件。例如，在建筑物網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)試要求 OTDR 的事件盲區(qū)很短，因?yàn)檫B接各種數(shù)據(jù)中心的光纖跳線非常短。如果盲區(qū)過(guò)長(zhǎng)，一些連接器可能會(huì)被漏掉，技術(shù)人員無(wú)法識(shí)別它們，這使得定位潛在問(wèn)題的工作更加困難。

衰減盲區(qū)

　　衰減盲區(qū)是 Fresnel 反射之后，OTDR 能在其中精確測(cè)量連續(xù)事件損耗的最小距離。還使用以上例子，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后，您的眼睛充分恢復(fù)，能夠識(shí)別并分析路上可能的物體的屬性。如圖 6 所示，檢測(cè)器有足夠的時(shí)間恢復(fù)，以使得其能夠檢測(cè)和測(cè)量連續(xù)事件損耗。所需的最小距離是從發(fā)生反射事件時(shí)開(kāi)始，直到反射降低到光纖的背向散射級(jí)別的 0.5 dB。

盲區(qū)的重要性

　　短衰減盲區(qū)使得 OTDR 不僅可以檢測(cè)連續(xù)事件，還能夠返回相距很近的事件損耗。例如，可以得知網(wǎng)絡(luò)內(nèi)短光纖跳線的損耗，這可以幫助技術(shù)人員清楚了解鏈路內(nèi)的情況。

　　盲區(qū)也受其他因素影響：脈沖寬度。規(guī)格使用最短脈沖寬度是為了提供最短盲區(qū)。但是，盲區(qū)并不總是長(zhǎng)度相同，隨著脈沖變寬，盲區(qū)也會(huì)拉伸。使用最長(zhǎng)的可能的脈沖寬帶會(huì)導(dǎo)致特別長(zhǎng)的盲區(qū)，然而這有不同的用途，下文會(huì)提到。

動(dòng)態(tài)范圍

　　動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)重要的 OTDR 參數(shù)。此參數(shù)揭示了從 OTDR 端口的背向散射級(jí)別下降到特定噪聲級(jí)別時(shí) OTDR 所能分析的最大光損耗。換句話說(shuō)，這是最長(zhǎng)的脈沖所能到達(dá)的最大光纖長(zhǎng)度。因此，動(dòng)態(tài)范圍（單位為 dB）越大，所能到達(dá)的距離越長(zhǎng)。顯然，最大距離在不同的應(yīng)用場(chǎng)合是不同的，因?yàn)楸粶y(cè)鏈路的損耗不同。連接器、熔接和分光器也是降低 OTDR 最大長(zhǎng)度的因素。因此，在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)進(jìn)行平均并使用適當(dāng)?shù)木嚯x范圍是增加最大可測(cè)量距離的關(guān)鍵。大多數(shù)動(dòng)態(tài)范圍規(guī)格是使用最長(zhǎng)脈沖寬度的三分鐘平均值、信噪比 (SNR)=1（均方根 (RMS) 噪聲值的平均級(jí)別）而給定。再次請(qǐng)注意，仔細(xì)閱讀規(guī)格腳注標(biāo)注的詳細(xì)測(cè)試條件非常重要。

　　憑經(jīng)驗(yàn)，我們建議選擇動(dòng)態(tài)范圍比可能遇到的最大損耗高 5 到 8 dB 的 OTDR。例如，使用動(dòng)態(tài)范圍是 35 dB 的單模 OTDR 就可以滿足動(dòng)態(tài)范圍在 30 dB 左右的需要。假定在 1550 nm 上的典型光纖典型衰減為 0.20 dB/km，在每 2 公里處熔接（每次熔接損耗 0.1 dB），這樣的一個(gè)設(shè)備可以精確測(cè)算的距離最多 120 公里。最大距離可以使用光纖衰減除 OTDR 的動(dòng)態(tài)范圍而計(jì)算出近似值。這有助于確定使設(shè)備能夠達(dá)到光纖末端的動(dòng)態(tài)范圍。請(qǐng)記住，網(wǎng)絡(luò)中損耗越多，需要的動(dòng)態(tài)范圍越大。請(qǐng)注意，在 20 μ 指定的大動(dòng)態(tài)范圍并不能確保在短脈沖時(shí)動(dòng)態(tài)范圍也這么大，過(guò)度的軌跡過(guò)濾可能人為夸大所有脈沖的動(dòng)態(tài)范圍，導(dǎo)致不良故障查找解決方案。