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1、光纤监测系统 Remote Fiber Testing System光纤测试理论与实践v2.1桑瑞思（集團）有限公司0光纤测试理论与实践v v光纤通讯所应用的几何光学原理v v光时域反射计(OpticalTimeDomainReflectometer)v vOTDR原理v vOTDR主要性能指标v vOTDR的使用v v经验与技巧1光纤通讯所应用的几何光学原理 v光在均匀介质中的直线传播定律v光通过两种介质分界面时的反射定律和折射定律v光的独立传播定律和光路可逆原理2反射定律和折射定律v全反射3全反射由折射定律可知，若，则，即与入射光线相比，折射光线向法线方向偏折若，则，即与入射光线相比，折射
2、光线将偏离法线。且随着入射角的增大，折射角增加很快，当入射角时，折射角为90当入射角时，就不再有折射光线而光全部被反射这种对光线只有反射而无折射的现象叫全反射 入射角叫做临界角，其值为4光在光纤中的前进方式v v所以光在光纤中的前进方式并不是直线投射，而是靠有角度不停的折射传输光源光纤5光的散射 v在光学性质均匀的介质中或两种折射率不同的均匀介质的界面上，无论光的直射、反射或折射，都仅限于在给定的一些方向上，而在其余方向光强则等于零。但当光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧向却可以看到光，这个现象叫做光的散射。6衰减系数 v散射会使光在原来传播方向上的光强减弱，它遵从下列指数规律：v式中是吸收
3、系数，是散射系数。其两者之和称为衰减系数，它表征光通过介质时因介质的吸收和散射的共同作用而使光强减弱的程度。7光的散射损耗v v光在前进当中会因为光纤中介质的吸收、杂质、气泡或因光纤外覆层的不均匀等因素，产生散射损失(衰减)光纤气泡覆层界面不均匀杂质8损耗与事件v v除了散射外,引起光纤传输损耗的因素还有熔接点、接头、光纤断裂等,而这些后天的因素便是我们要监测和预防的范围。-散射散射-非反射事件非反射事件( (FusionFusion、Band)Band)-反射事件反射事件( (SpliceSplice、Crack)Crack)-终端事件终端事件9光时域反射计 ( (Optical Time
4、DomainOptical Time Domain ReflectometerReflectometer) )v vOTDR是表征光纤传输特性的测试仪器。此仪器主要用于测试整个光纤链路的衰减并提供与长度有关的衰减细节，具体表现为探测、定位和测量光纤链路上任何位置的事件(事件是指因光纤链路中熔接、连接器、弯曲等形成的缺陷，其光传输特性的变化可以被测量)。v vOTDR测试的非破坏性、只需一端接入及直观快速的优点使其成为光纤光缆生产、施工、维护中不可缺少的仪器。10OTDR原理 ( 1 )v v瑞利后向散射-由于光纤本身的缺陷和掺杂组分的非均匀性由于光纤本身的缺陷和掺杂组分的非均匀性，使使得光纤中
5、传播的光脉冲发生瑞利散射得光纤中传播的光脉冲发生瑞利散射。一部分光一部分光( (大约有大约有0.0001%)0.0001%)沿脉冲相反的方向被散射回来沿脉冲相反的方向被散射回来，因而被称为瑞利后向散射因而被称为瑞利后向散射，后向散射光提供了与后向散射光提供了与长度有关的衰减细节长度有关的衰减细节。-与距离有关的信息是通过时间信息而得到的与距离有关的信息是通过时间信息而得到的( (此此即光时域反射计中时域的由来即光时域反射计中时域的由来) )，OTDROTDR测量发出测量发出脉冲与接收后向散射光的时间差脉冲与接收后向散射光的时间差，利用折射率利用折射率n n值将这一时域信息转换成距离值将这一时域
6、信息转换成距离11OTDR原理 ( 2 )v v菲涅耳反射-在不同折射率两传输介质的边界在不同折射率两传输介质的边界( (如连接器如连接器、机机械接续械接续、断裂或光纤终结处断裂或光纤终结处) )会发生菲涅耳反射会发生菲涅耳反射，此现象被此现象被OTDROTDR用于准确确定沿光纤长度上不连用于准确确定沿光纤长度上不连续点的位置续点的位置。反射的大小依赖于边界表面的平整反射的大小依赖于边界表面的平整度及折射率差度及折射率差，利用折射率匹配液可减小菲涅耳利用折射率匹配液可减小菲涅耳反射反射。12OTDR原理 ( 3 )v vOTDR原理结构方框图13OTDR原理 ( 4 )v v上图是上图是OTD
7、ROTDR原理结构方框图原理结构方框图。脉冲发生器发出宽脉冲发生器发出宽度可调的窄脉冲驱动激光二极管度可调的窄脉冲驱动激光二极管( (LD)LD)，产生所需宽产生所需宽度的光脉冲度的光脉冲( (通常为通常为2 2nsns20s)20s)，经方向耦合器后经方向耦合器后入射到被测光纤入射到被测光纤，光纤中的后向散射光和菲涅耳反光纤中的后向散射光和菲涅耳反射光经耦合器进入光电探测器射光经耦合器进入光电探测器，光电探测器把接收光电探测器把接收到的散射光和反射光信号转换成电信号到的散射光和反射光信号转换成电信号，由放大器由放大器放大后送信号处理部件处理放大后送信号处理部件处理( (包括取样包括取样、模数
8、转换模数转换和平均和平均) )，结果由显示部件显示结果由显示部件显示：纵轴表示功率电纵轴表示功率电平平，横轴表示距离横轴表示距离。时基与控制单元控制脉冲宽度时基与控制单元控制脉冲宽度、取样和平均取样和平均。14OTDR主要性能指标v v对OTDR的性能参数的了解有助于OTDR的实际光纤测量。v vOTDR性能参数主要包括-动态范围动态范围-盲区盲区-分辨率分辨率-精度精度15动态范围(Dynamic range)v v动态范围是OTDR主要性能指标之一，它决定光纤的最大可测量长度。动态范围越大，曲线线型越好，可测距离也越长。Dynamicrange(peak)16盲区(Deadzone)-1v
9、 v“ “盲区盲区” ”又称又称“ “死区死区” ”，是指受菲涅耳反射的影响是指受菲涅耳反射的影响，在在一定的距离范围内一定的距离范围内OTDROTDR曲线无法反映光纤线路状曲线无法反映光纤线路状态的部分态的部分。此现象的出现主要是由于光纤链路上菲此现象的出现主要是由于光纤链路上菲涅耳反射强信号使得光电探测器饱和涅耳反射强信号使得光电探测器饱和，从而需要一从而需要一定的恢复时间定的恢复时间。盲区可发生在盲区可发生在OTDROTDR面板前的活结面板前的活结头或光纤链路中其它有菲涅耳反射的地方头或光纤链路中其它有菲涅耳反射的地方。v vBellcoreBellcore定义了两种盲区定义了两种盲区：
10、- -衰减盲区衰减盲区( (ADZ)ADZ)和事件盲区和事件盲区( (EDZ)EDZ)。衰减盲区是指各自的衰减盲区是指各自的损耗可以分别被测量时的两反射事件间的最小距离损耗可以分别被测量时的两反射事件间的最小距离，通通常衰减盲区是常衰减盲区是5 56 6倍的脉冲宽度倍的脉冲宽度( (用距离表示用距离表示) )；事件盲事件盲区是指两个反射事件仍可分辨的最小距离区是指两个反射事件仍可分辨的最小距离，此时到每个此时到每个事件的距离可测事件的距离可测，但每个事件各自的损耗不可测但每个事件各自的损耗不可测。17盲区(Deadzone)-2v v盲区的大小与脉冲宽度盲区的大小与脉冲宽度、反身系数反身系数、
11、损耗等因素有损耗等因素有关关。脉宽越短脉宽越短，盲区越小盲区越小，但短脉冲同时又减小了但短脉冲同时又减小了动态范围动态范围，因此要在盲区和动态范围之间折衷选择因此要在盲区和动态范围之间折衷选择脉宽脉宽。(衰减盲区)AttenuationDeadzone（事件盲区）EventDeadzone18近端盲区v v理论理论中中只纯考虑只纯考虑PulseWidthPulseWidth之影响之影响, ,但实务上还有连接器之但实务上还有连接器之反射光反射光、仪器构造等都会影响近端盲区仪器构造等都会影响近端盲区。因此实务应用上因此实务应用上，下列之下列之TableTable仅为参考值仅为参考值 ：- - Pu
12、lse WidthPulse Width 近端盲区距离近端盲区距离 10 10ns 20mns 20m 20ns 25m 20ns 25m 100ns 30m 100ns 30m 200ns 60m 200ns 60m 500ns 90m 500ns 90m 1us 225m 1us 225m 4us 690m 4us 690m 10us 1800m 10us 1800m19分辨率(Resolution)v vOTDR有四种主要分辨率指标：-取样分辨率取样分辨率-显示分辨率显示分辨率( (又叫读出分辨率又叫读出分辨率) )-事件分辨率事件分辨率-距离分辨率距离分辨率。20取样分辨率v v取样分
13、辨率是两取样点之间最小距离，此指标决定了OTDR定位事件的能力。取样分辨率与脉宽和距离范围大小的选取有关。v v通常各家的OTDR之量测最大点数是固定的，假设最大测试点数20000点，脉宽固定：-量测距离为量测距离为1515公里时公里时，取样分辨率取样分辨率为为0.750.75公尺公尺15000(15000(m)/20000(dot)=0.75(m/dot)m)/20000(dot)=0.75(m/dot)-量测距离为量测距离为8080公里时则公里时则取样分辨率取样分辨率增加为增加为4040公公尺尺800000(800000(m)/20000(dot)=40(m/dot)m)/20000(do
14、t)=40(m/dot)21显示分辨率v v显示分辨率是仪器可显示的最小值。OTDR通过微处理系统将每个取样间隔细分，使光标可在取样间隔内移动，光标移动的最短距离为水平显示分辨率、所显示的最小衰减量垂直显示分辨率。22事件分辨率v v事件分辨率是指OTDR对被测链路中事件点的分辨门限，也就是事件域值(探测阈)，OTDR把小于这个阈值的事件变化当作曲线中斜率均匀变化点来处理。事件分辨率由光电二极管的分辨阈决定，根据两接近的功率电平，指定可被测量的最小衰减。23距离分辨率v v距离分辨率指仪器所能分辨的两个相邻事件点间的最短距离，此指标类似与事件盲区，与脉宽、折射率参数有关。24OTDR的使用v
15、vOTDR可执行下面的测量：-对每个事件对每个事件：距离距离，损耗损耗，反射反射-对每个光纤段对每个光纤段：段长段长，段损耗段损耗dBdB或或dB/KmdB/Km，段段回波损耗回波损耗( (ORL)ORL)-对整个终端系统对整个终端系统：链长度链长度，链损耗链损耗dBdB，链链ORLORLv v用OTDR进行光纤测量可分为三步：v v参数设置、数据获取和曲线分析。25参数设置-1v v大多数OTDR对待测光纤通过发射测试脉冲自动地选择最佳的获取参数，使用者只需选择波长、获取时间及必要的光纤参数(如折射率、散射系数等)。自动获取参数需要一定的时间，因而，在已知测量条件下，操作者可人工选择测量参数
16、。26参数设置-2v v波长选择-光系统的行为与传输波长直接相关光系统的行为与传输波长直接相关，不同的波长不同的波长有各自不同的光纤衰减特性及光纤连接中不同的有各自不同的光纤衰减特性及光纤连接中不同的行为行为：同种光纤同种光纤，15501550nmnm比比13101310nmnm光纤对弯光纤对弯曲更敏感曲更敏感、15501550nmnm比比13101310nmnm单位长度衰减更单位长度衰减更小小、13101310nmnm比比15501550nmnm测得熔接或连接器损耗测得熔接或连接器损耗更高更高。为此为此，光纤测试应与系统传输的波长相同光纤测试应与系统传输的波长相同，这意味着这意味着15501
17、550nmnm光系统需选择光系统需选择15501550nmnm的波长的波长。27参数设置-3v v脉宽-脉宽控制脉宽控制OTDROTDR注入光纤的光功率注入光纤的光功率，脉宽越长脉宽越长，动态测量范围越大动态测量范围越大，可用于测量更长距离的光纤可用于测量更长距离的光纤，但长脉冲也将在但长脉冲也将在OTDROTDR曲线波形中产生更大的盲曲线波形中产生更大的盲区区；短脉冲注入光平低短脉冲注入光平低，但可减小盲区但可减小盲区。脉宽周脉宽周期通常以期通常以nsns来表示来表示28参数设置-4v v测量范围-OTDROTDR测量范围是指测量范围是指OTDROTDR获取数据取样的最大距获取数据取样的最大
18、距离离，此参数的选择决定了取样分辨率的大小此参数的选择决定了取样分辨率的大小。测测量范围通常设置为待测光纤长度量范围通常设置为待测光纤长度1 12 2倍距离之倍距离之间间。29参数设置-5v v获取时间获取时间- -由于后向散射光信号极其微弱由于后向散射光信号极其微弱( (大约每米大约每米100100光子光子) )，一般一般采用统计平均的方法来提高信噪比采用统计平均的方法来提高信噪比，获取时间越长获取时间越长，信信噪比越高噪比越高。理论上理论上，平均时间平均时间( (或次数或次数) )对信噪比的改善对信噪比的改善可用下式表示可用下式表示 6 6 - -其中其中SNIRSNIR代表动态增益代表动
19、态增益，N N代表平均次数代表平均次数。例如例如，3 3分钟分钟的获取将比的获取将比1 1分钟的获取提高分钟的获取提高0.80.8dBdB的动态的动态。但超过但超过1010分分钟的获取时间对信噪比的改善并不大钟的获取时间对信噪比的改善并不大。30参数设置-6v v光纤参数-光纤参数的设置包括折射率和后向散射系数的设光纤参数的设置包括折射率和后向散射系数的设置置。折射率参数与距离测量有关折射率参数与距离测量有关，后向散射系数后向散射系数则影响反射与回波损耗的测量結果则影响反射与回波损耗的测量結果，这两个参数这两个参数通常由光纤生产厂家给出通常由光纤生产厂家给出 。31经验与技巧-1v v接头清洁
20、接头清洁- -不清洁的连接器导致测量不可靠不清洁的连接器导致测量不可靠、曲线多噪音甚至使测曲线多噪音甚至使测量不能进行量不能进行，它还可能损坏它还可能损坏OTDROTDR。要获得精确的要获得精确的、可重可重复的测量复的测量，光系统内所有物理连接点清洁极为重要光系统内所有物理连接点清洁极为重要，单单模光纤的模场直径不到模光纤的模场直径不到1010mm，50m50m直径的尘粒有可能直径的尘粒有可能完全中断光传输完全中断光传输。即使遮拦即使遮拦5%5%的光传输区域的光传输区域，也会增加也会增加0.220.22dBdB的插入损耗的插入损耗。- -避免用酒精以外的其它清洗剂或折射率匹配液避免用酒精以外的
21、其它清洗剂或折射率匹配液，因为它因为它们可使光纤连接器内粘合剂溶解们可使光纤连接器内粘合剂溶解。如不可避免地要用折如不可避免地要用折射率匹配液射率匹配液，则要用专用于光纤连接器的特殊匹配液则要用专用于光纤连接器的特殊匹配液。32经验与技巧-2v v熔接增益-不同模场直径或不同后向散射系数的光纤的熔接不同模场直径或不同后向散射系数的光纤的熔接，在在OTDROTDR曲线上可能会产生一正增益曲线上可能会产生一正增益，这一正增这一正增益是由于在熔接点之后的光纤比熔接点之前的光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射光而形成的纤产生更多的后向散射光而形成的。事实上事实上，光光纤在这
22、一熔接点上是熔接损耗的纤在这一熔接点上是熔接损耗的，因此因此，需要在需要在两个方向测量并对结果取平均作为该熔接损耗两个方向测量并对结果取平均作为该熔接损耗。33经验与技巧-3v v鬼影鬼影- -在在OTDROTDR曲线上的尖峰有时并不是有真正的连接器或断点曲线上的尖峰有时并不是有真正的连接器或断点引起的菲涅耳反射峰引起的菲涅耳反射峰，而是由于而是由于 离入射端较近且强的反离入射端较近且强的反射引起的回音射引起的回音，这种尖峰被称为鬼影这种尖峰被称为鬼影，如图所示如图所示。入射入射光脉冲在两个连接器光脉冲在两个连接器1 1，2 2之间来回反射之间来回反射，使得在使得在OTDROTDR曲线的曲线的
23、G1G1处产生一个尖峰处产生一个尖峰( (鬼影鬼影) )，图中终结强反射还可图中终结强反射还可以引起鬼影以引起鬼影G2G2。有两个特征可用于识别鬼影有两个特征可用于识别鬼影：曲线上鬼曲线上鬼影处未引起明显损耗影处未引起明显损耗；沿曲线鬼影与始端的距离是强反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射事件与始端距离的倍数。可通过以下方法消除鬼影可通过以下方法消除鬼影：在强反射处使用折射率在强反射处使用折射率匹配液以减小反射匹配液以减小反射、选择短脉冲宽度以减小注入功率选择短脉冲宽度以减小注入功率、在强反射之前的光纤中增加衰减在强反射之前的光纤中增加衰减。如果引起鬼影的事件如果引起鬼影的事
24、件位于光纤终结位于光纤终结，可绕合适的工具可绕合适的工具( (如铅笔如铅笔) )几圈以衰减反几圈以衰减反射回始端的光而得到消除鬼影的目的射回始端的光而得到消除鬼影的目的。34折射率的校正- -就光纤长度测量而言就光纤长度测量而言，折射率系数每折射率系数每0.010.01的偏差会引起的偏差会引起每公里每公里7 7米之多的误差米之多的误差，对于较长的光纤段对于较长的光纤段，应采用光缆应采用光缆制造商提供的折射率值制造商提供的折射率值。如果折射率系数未知如果折射率系数未知，但一段但一段相同种类光纤的长度已知相同种类光纤的长度已知，那么可以将光标放在已知长那么可以将光标放在已知长度的光纤末端度的光纤末
25、端，并调整折射率系数直至测得的两点距离并调整折射率系数直至测得的两点距离符合已知距离符合已知距离，则折射率系数就可以计算出来了则折射率系数就可以计算出来了。工程工程中中，为了施工和抢修的方便为了施工和抢修的方便，提出光缆折射率提出光缆折射率，它是把它是把光缆绞缩率或光纤余长考虑在内的折射率光缆绞缩率或光纤余长考虑在内的折射率，可以帮助测可以帮助测试人员快速测试光缆皮长试人员快速测试光缆皮长。- -需要注意的是需要注意的是，当将距离测量和以前对同一光纤段的测当将距离测量和以前对同一光纤段的测量进行比较时量进行比较时，应使用同一个折射率系数应使用同一个折射率系数。35过渡光纤的使用v v过渡光纤是
26、一段用于连接过渡光纤是一段用于连接OTDROTDR与待测光纤与待测光纤、长长30030020002000mm的光纤的光纤，其主要用处为其主要用处为：v v前端盲区处理和终端连接器插入损耗测量前端盲区处理和终端连接器插入损耗测量- -一般来说一般来说，OTDROTDR与待测光纤间的连接器引起的盲区最大与待测光纤间的连接器引起的盲区最大。在光纤在光纤实际测量中实际测量中，有时为避免这一大的前端盲区淹没待测光纤开始一段有时为避免这一大的前端盲区淹没待测光纤开始一段内的细节内的细节，在在OTDROTDR与待测光纤间加接一段过渡光纤与待测光纤间加接一段过渡光纤，使前端盲区使前端盲区落在过渡光纤内落在过渡
27、光纤内，而待测光纤始端落在而待测光纤始端落在OTDROTDR曲线的线性稳定区曲线的线性稳定区。过渡光纤的长度视具体情况而定过渡光纤的长度视具体情况而定。- -光纤系统终端连接器插入损耗可通过光纤系统终端连接器插入损耗可通过OTDROTDR加一段过渡光纤来测量加一段过渡光纤来测量。如要测量首端连接器的插入损耗如要测量首端连接器的插入损耗，可在可在OTDROTDR与待测光纤首端加一与待测光纤首端加一过渡光纤过渡光纤；如要测量首如要测量首、尾两端连接器的插入损耗尾两端连接器的插入损耗，可在每端都加可在每端都加一过渡光纤一过渡光纤。- -过渡光纤的特性应与被测光纤一致过渡光纤的特性应与被测光纤一致，且
28、连接器应是高质量的且连接器应是高质量的。36超长中继测量v v当光纤线路损耗在当光纤线路损耗在OTDROTDR动态范围内时动态范围内时，一般应对一般应对两个方向各测一次两个方向各测一次，每个方向的测试曲线应包括全每个方向的测试曲线应包括全部长度的完整曲线部长度的完整曲线。v v对超长中继段对超长中继段，当其线路损耗超出当其线路损耗超出OTDROTDR的动态范的动态范围时围时，可从两个方向测至中间可从两个方向测至中间( (中间汇合点不应落中间汇合点不应落在接头位置在接头位置，且两个方向的测量距离各为全程的一且两个方向的测量距离各为全程的一半左右半左右) )，曲线记录时曲线记录时，移动光标至移动光标至“ “合拢处合拢处” ”的汇合的汇合点点，使显示数据长度相加值为中继段全长使显示数据长度相加值为中继段全长，损耗值损耗值相加即为中断段线路损耗相加即为中断段线路损耗。此方法虽未全部双向测此方法虽未全部双向测量量，但实际统计分析表明但实际统计分析表明，由于中继段是由很多光由于中继段是由很多光缆连接而成缆连接而成，方向误差虽自然平衡状态方向误差虽自然平衡状态，两个方向两个方向各测一半各测一半，其结果与由中间分两段双向测量的统计其结果与由中间分两段双向测量的统计值基本一致值基本一致。37Q&A38
