光纖線路故障判斷與OTDR測試曲線應(yīng)用

隨著光纖電纜在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求越來越大，這就使得光纖線路的正常運行和日常安全及維護，越來越重要。在光纖線路運行過程中，光纖故障的發(fā)生是不可避免的，給各企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失和造成不良的社會影響。實際工作中，如何有效地對光纖線路故障進行預防和檢測，快速準確地對光纖線路故障進行判斷定位，減少維修成本，就成為一個需要研究和解決的重要課題。

工作中，有多種測試判斷故障的方法，在此結(jié)合自己在實際工作中的經(jīng)驗，通過了解光纖出現(xiàn)各種故障產(chǎn)生不同的光纖損耗的因素和OTDR測試曲線的基本原理，和大家共同學習和熟悉OTDR測試曲線，掌握相關(guān)信息，快速準確地測試出光纖的故障。

1.光纖損耗的主要因素

造成光纖損耗的主要因素有：光纖的吸收損耗、光纖的散射損耗、接續(xù)損耗、光纖彎曲產(chǎn)生的損耗和敷設(shè)損耗。

1.1 光纖的吸收損耗

這是由于光纖材料和雜質(zhì)對光能的吸收而引起的，它們把光能以勢能的形式消耗于光纖中，是光纖損耗中重要的因素。

1.1.1 材料固有的吸收損耗

這是由于物質(zhì)固有的吸收引起的損耗。它有兩個頻帶，一個在近紅外的8～12um區(qū)域里，這個波段的本征吸收是由于振動；另一個物質(zhì)固有吸收帶在紫外波段，吸收很強時，它的尾巴會拖到0.7～1.1um波段里去。

1.1.2 材料中的雜質(zhì)吸收損耗

光纖材料中含有躍遷金屬如鐵、銅、鉻等，如金屬離子Fe3+，Cu2+，V3+，Cr3+，Mn3+，Ni3+的吸收，躍遷金屬離子吸收引起的光纖損耗取決于它們的濃度。另外，氫氧根OH離子的存在也產(chǎn)生吸收損耗，氫氧根OH離子的基本吸收極蜂在2.7um附近，吸收帶在0.5～1.0um范圍。

1.2 光纖的散射損耗

光纖內(nèi)部的散射，會減小傳輸?shù)墓β剩a(chǎn)生損耗。光纖的散射損耗包括以下幾種：

1.2.1 材料固有散射

主要有瑞利（Rayleigh）散射、布里淵散射和拉曼散射。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纖材料內(nèi)部的密度和成份變化而引起的。光纖材料在加熱過程中，由于熱影響，使原子得到的壓縮性不均勻，使物質(zhì)的密度不均勻，進而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過程中被固定下來，它的尺寸比光波波長要小。光在傳輸時遇到這些比光波波長小、帶有隨機起伏的不均勻物質(zhì)時，改變了傳輸方向，產(chǎn)生散射而引起損耗。光時域反射儀（OTDR）就利用了瑞利散射進行光纖損耗測試。布里淵散射和拉曼散射是典型的非線性散射。

1.2.2 結(jié)構(gòu)缺陷散射

任何光纖的制造不可能十分完善，無論其材料本身的性質(zhì)，還是其外觀尺寸、形狀等都會存在不完善的現(xiàn)象，如纖芯包層界面不光滑平整、纖芯直徑變化、氣泡、雜質(zhì)、結(jié)晶、紋路、折射率分布的波動和微彎曲。這種類型的損耗一般是與模式功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。

1.3 光纖的接續(xù)損耗

影響光纖熔接損耗的因素很多，主要有以下幾種：

（1）本征因素：光纖的本征損耗是光纖材料所固有的一種損耗，這種損耗是無法避免的。主要是由光纖模塊直徑不一致、2根光纖芯徑失配、纖芯截面不圓和纖芯與包層同心度不佳等原因造成的損耗。

（2）非本征因素：非本征因素是光纖接續(xù)技術(shù)造成的光纖接續(xù)損耗，主要有：軸心錯位；軸心傾斜；端面分離如果活動連接器的連接不好，很容易產(chǎn)生端面分離，造成連接損耗較大；端面質(zhì)量光纖端面的平整度差時也會產(chǎn)生損耗，甚至氣泡等。

（3）其他因素：接續(xù)人員操作水平、操作步驟、盤纖工藝水平、熔接機中電極清潔程度、熔接機參數(shù)設(shè)置、工作環(huán)境清潔程度等均會影響熔接損耗值。

1.4 光纖的彎曲損耗和輻射損耗

光纖是柔軟的，可以彎曲，可是彎曲到一定程度后，光纖雖然可以導光，但會使光的傳輸途徑改變，由傳輸模轉(zhuǎn)換為輻射模，使一部分光能滲透到包層中或穿過包層成為輻射模向外泄漏損失掉，從而產(chǎn)生損耗。當彎曲半徑大于5～10cm時，曲彎曲造成的損耗可以忽略。光纖軸向產(chǎn)生的彎曲與光傳輸波長相當為微彎曲，光纖軸向產(chǎn)生的彎曲遠大于光傳輸波長為宏彎曲。

2.OTDR測試的基本原理

OTDR的英文全程是Optical Time Domain Reflectometer，中文為“光時域反射儀”，它是光纜工程施工和光纜線路維護工作中最重要也是使用率最高的測試儀表，它能將光纖鏈路的完好情況和故障狀態(tài)，以曲線的形式清晰地顯示出來，根據(jù)曲線上所反映的事件情況，能確定故障點的位置并判斷障礙的性質(zhì)及類別。OTDR是利用光信號在光纖中傳輸時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，OTDR的工作原理與雷達的工作原理相似：將一束激光以合適的角度射入被測光纖，要求該激光能夠正常地往前傳播。由于光纖絕非純凈的石英晶體，激光束向前傳播過程中會發(fā)生一定得散射；在遇到接頭等事件的時候由于介質(zhì)折射率的變化，會產(chǎn)生一個功率強大的反射。OTDR都依賴兩種光學現(xiàn)象來進行測量：瑞利散射和菲涅爾反射。它們之間的主要區(qū)別表現(xiàn)在：瑞利散射是由于光纖材質(zhì)本身存在的屬性決定的，而菲涅爾反射則是與每一條光纖的實際運行情況、狀態(tài)有關(guān)，它反映的是光纖上的“點”事件。

2.1 瑞利（Rayleigh）散射

當光纖信號在光纖線路中向前傳播過程中，由于一些光子被光纖材質(zhì)中存在的雜質(zhì)反射的現(xiàn)象就是著名瑞利散射。瑞利散射是光纖所固有的性質(zhì)，由于光纖中雜質(zhì)分布的均勻、并且無處不在，因此可由瑞利散射信號獲得光纖上各處的運行信息。由于雜技的均勻化，因此OTDR由激光整發(fā)射端接收的瑞利散射信號就可以表征光纖信息，再者由于光信號在光纖中傳播時會產(chǎn)生耗損，因此OTDR設(shè)備產(chǎn)生的瑞利散射信號是一條緩慢向下衰減的曲線。

2.2 菲涅爾（Fresnel）反射

光信號傳播時，當光波遇到光纖中的缺陷或斷開面時，由于光纖折射率發(fā)生突變，這種情況就會造成菲涅爾反射，就是光波從一種介質(zhì)發(fā)送到另一種介質(zhì)時被原介質(zhì)反射的現(xiàn)象。菲涅爾反射的強度與該點處的光波信號的光功率有正比關(guān)系，菲涅爾反射表征的是光纜中“點事件”，與瑞利散射不同，它不是光纖本身固有的特性，當光纖在光纜中傳播，出現(xiàn)兩種介質(zhì)折射率不同時就會發(fā)生菲涅爾反射。菲涅爾反射是由整條光纖中的個別點引起的，在這些點可能出現(xiàn)在任意接縫點、沒有確定終止的光纖尾端、有嚴重幾何扭曲的地方、光纖破裂或斷開處，在這地方由于折射率的改變導致的反向散射系數(shù)的改變會致使強烈的背向散射光發(fā)生，這些光信號被OTDR捕獲，OTDR就是利用這些強的反射散射確定故障點、光纖斷點等信息。

2.3 OTDR工作原理

OTDR工作原理與雷達類似：OTDR將測試所用的激光脈沖以合適的角度注入到被測光纖中，然后OTDR在脈沖發(fā)射端捕捉脈沖的背向散射信號。脈沖在光纖中傳播時，由于光纖自己固有性質(zhì)，或當遇到光纖連接器、熔接點、過度彎曲或者其他事件點就會產(chǎn)生反射和散射，這些信息都將被OTDR捕獲，成為分析光纜信息的重要數(shù)據(jù)。

3.OTDR測試曲線分析

3.1 常見OTDR測試曲線分析

判斷曲線是否正常的方法：曲線主體斜率基本一致，且斜率較小，說明線路衰減常數(shù)較小；無明顯“臺階”，說明線路接頭質(zhì)量較好，一般指標要求：接頭損耗（雙向平均值）≤0.1dB/個；尾部反射峰較高，說明遠端成端質(zhì)量較好。

如測試曲線有大臺階，若此處是接頭處，則說明此接頭接續(xù)不合格或者該根光纖在融纖盤中彎曲半徑太小或受到擠壓；若此處不是接頭處，則說明此處光纜受到擠壓或打急彎。如圖有多個衰減事件，說明有多處衰耗地點，影響光纖傳輸質(zhì)量，應(yīng)進行整治。

如測試曲線有段斜率較大，此段曲線斜率明顯較大，說明此段光纖質(zhì)量不好，衰耗較大。

如測試曲線遠端沒有反射峰，曲線尾部沒有反射峰，可能有多種情況造成：（1）光纜斷裂，由于斷裂處斷面不平整，沒有很強的菲涅爾反射。（2）光纜中間沒有斷裂，正常，則可能是纜遠端成端質(zhì)量、纖芯故障，光纜遠端尾纖故障，光纜遠端法蘭盤故障。

如測試曲線有跳接，曲線中間有反射峰，說明光纜到此位置經(jīng)過一次法蘭盤對接，有一次強烈的菲涅爾反射，形成了一個反射峰。每一次跳纖，在曲線上都會形成一個反射峰。但如果光纜此處實際上沒有進行跳接，則可能是這點光纖存在光纖微裂缺陷。

如測試曲線有幻峰，曲線有幻峰，其實這是一個標準的二次反射事件，就是光信號到達光纜遠端后有反射回始端后發(fā)生二次反射遠端，又反射回OTDR而形成的反射峰?；梅宓淖R別：曲線上幻峰處不會引起明顯損耗，沿曲線鬼影與始端的距離是強反射事件與始端距離的倍數(shù)，成對稱狀。

如測試曲線有正增益，在OTDR曲線上可能會產(chǎn)生正增益現(xiàn)象，正增益是由于在熔接點之后的光纖比熔接點之前的光纖產(chǎn)生更多的后向散光而形成的。事實上，光纖在這一熔接點上是有熔接損耗的，常出現(xiàn)在不同模場直徑或不同后向散射系數(shù)的光纖的熔接過程中，因此，需要在兩個方向測量并對結(jié)果取平均作為該熔接損耗。一般正向測試出現(xiàn)正增益，反向測試時必然是損耗，所以在這些點必定是損耗點。

3.2 OTDR的常用參數(shù)設(shè)置和如何精確定位

線路故障判斷和纖芯損耗測試中，正確設(shè)置OTDR的參數(shù)才能快速有效的判斷出故障點的位置和纖芯損耗值。經(jīng)常使用的G.652單模光纖OTDR參數(shù)設(shè)置標準歸納如下：

波長選擇：1310nm和1550nm，我們目前所用光纖的波長為1310nm，故測量時須一般設(shè)為該值。但是1550波長單位長度衰減小，1550波長測試距離更遠，1550nm比1310nm光纖對彎曲更敏感。

我們要注意光纖的彎曲半徑，1550nm波長窗口對光纖的微彎半徑要高于1310nm波長窗口，這些損耗一般都存在于光纜接頭盒內(nèi)的纖芯盤繞。所以，在日常的光纖測試中，只進行1550nm波長窗口的測試就可以判斷光纖接頭點是否合格。

模式選擇：該項若設(shè)為自動，則脈沖、范圍、分辨率三項不可設(shè)置，系統(tǒng)將進行自動配置數(shù)據(jù)進行測試。但為了測量更加準確，應(yīng)設(shè)有手動。

脈沖選擇：脈沖設(shè)得越窄，盲區(qū)越小，但探測距離短；脈沖設(shè)的越寬，盲區(qū)越大，但探測距離長。在相同的脈沖幅度下，脈沖寬度越大，脈沖的能量也越大，從而可以對較大的光纖量程進行測量，較大的脈沖寬度將加大測量的盲區(qū)。

范圍選擇：OTDR測量范圍是指OTDR獲取數(shù)據(jù)取樣的最大距離，此參數(shù)的選擇決定了取樣分辨率的大小，最佳測量范圍為待測光纖長度1.5倍左右。

光纖參數(shù)選擇：光纖參數(shù)的設(shè)置包括折射率n和后向散射系數(shù)n和后向散射系數(shù)η的設(shè)置，折射率參數(shù)與距離測量有關(guān)，后向散射系數(shù)則影響反射與回波損耗的測量結(jié)果。這兩個參數(shù)通常由光纖生產(chǎn)廠家給出，典型值1310nm窗口1.4675，1550nm窗口1.4681。

探測時間選擇：由于后向散射光信號極其微弱，一般采用統(tǒng)計平均的方法來提高信噪比，平均時間越長，信噪比越高。

我們要準確應(yīng)用OTDR來測試光線曲線，需要按照我們上述幾項進行正確設(shè)置，并選擇適當?shù)臏y試范圍檔，應(yīng)用好儀表的放大功能，可得到分辨率小于1米的比較準確的測試結(jié)果。但我們同時需要準確、完整的光纜線路資料，它們是障礙測量、定位的基本依據(jù)。所以，必須建立起真實、可信、完整的線路資料，只有這樣我們才可以當光纖有多次跳接時準切判斷出故障段落，避免幻峰引起的誤判。

這里我們從光纖損耗因素、OTDR測試原理和測試曲線分析進行了講述，還需要開展自動光纖監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用和實踐。更好的掌握光纖測試技能，為保障光纜線路暢通，打下堅實的基礎(chǔ)。