光時(shí)域反射儀在工程及科研生產(chǎn)中的應(yīng)用

胡建超

（桂林聚聯(lián)科技有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

OTDR（Optical Time Domain Reflectometer，光時(shí)域反射儀）是一種光纖測(cè)試儀表，廣泛應(yīng)用于光纖鏈路的衰減測(cè)量、光纖連接頭和光纖熔接點(diǎn)的質(zhì)量檢查、光纖缺陷檢查、光纖失效探測(cè)。既可以測(cè)量光纖的光學(xué)長(zhǎng)度，又可以分析光纖全鏈路的損耗分布等物理參數(shù)。OTDR在光纖光纜施工維護(hù)以及跟光纖有關(guān)的場(chǎng)合下，與萬(wàn)用表對(duì)電子產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)試一樣重要。

然而由于OTDR作為一種光電一體化儀器，早期價(jià)格昂貴，制約了OTDR的普及，導(dǎo)致很多工程技術(shù)人員對(duì)OTDR的基本原理理解不深，使用中存在一些概念上的偏差，不能高效地使用OTDR進(jìn)行光纖線路的測(cè)試分析，降低了工作效率甚至得出錯(cuò)誤結(jié)論。本文從OTDR的幾個(gè)重要參數(shù)出發(fā)，結(jié)合不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，旨在糾正常見認(rèn)知誤區(qū)，提高用戶使用OTDR分析解決光纖線路問(wèn)題的能力。

1 OTDR基本原理

由于光纖結(jié)構(gòu)不均勻、光纖本身的制造缺陷及其內(nèi)部摻雜分布不均勻等因素，光脈沖在光纖中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生各個(gè)方向的瑞利散射信號(hào)。沿光信號(hào)傳播方向相反散射的信號(hào)稱為瑞麗后向散射，同時(shí)光信號(hào)在光纖端面會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，這個(gè)現(xiàn)象被稱為菲涅爾反射。OTDR是一種通過(guò)測(cè)量注入光纖中的脈沖信號(hào)與后向瑞利散射、菲涅爾反射信號(hào)之間的傳輸時(shí)間差、信號(hào)強(qiáng)度變化，實(shí)現(xiàn)光纖鏈路長(zhǎng)度、光纖線路損耗等分析的儀器設(shè)備。

OTDR的基本組成包括：光脈沖發(fā)生器、光信號(hào)接收機(jī)、光方向耦合器、信號(hào)處理、顯示和控制單元。其中，光信號(hào)發(fā)生器主要是驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)送所需強(qiáng)度以及寬度脈沖的組件，信號(hào)經(jīng)過(guò)光信號(hào)耦合器將光信號(hào)耦合進(jìn)入光纖進(jìn)行定向傳播。經(jīng)光纖后向瑞利散射、菲涅爾反射的光信號(hào)被光信號(hào)接收機(jī)接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以供后續(xù)處理。為了實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的數(shù)字化處理，信號(hào)處理單元通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)累加、對(duì)數(shù)變換、濾波等處理手段，從而在顯示控制單元上呈現(xiàn)測(cè)試結(jié)果。

2 OTDR重要指標(biāo)及其意義

（1）動(dòng)態(tài)范圍：表示從OTDR端口的后向散射功率電平降到特定噪聲電平的電平差值（單位：dB），是OTDR能分析的最大光損耗，它衡量OTDR進(jìn)行測(cè)量時(shí)能夠達(dá)到的最大光纖衰減。OTDR的動(dòng)態(tài)范圍跟測(cè)試脈寬、測(cè)量時(shí)長(zhǎng)、工作波長(zhǎng)有關(guān)，甚至環(huán)境溫度變化時(shí)，OTDR動(dòng)態(tài)范圍也有一定幅度的波動(dòng)。

（2）盲區(qū)：包括事件盲區(qū)與衰減盲區(qū)。事件盲區(qū)是由反射事件造成的，是反應(yīng)能夠分辨出兩個(gè)反射事件的最小距離的指標(biāo)。OTDR測(cè)試儀給出的事件盲區(qū)通常指的是最小事件盲區(qū)，是使用最小測(cè)量脈沖寬度情況下獲得的。使用不同測(cè)量脈寬進(jìn)行測(cè)試時(shí)，OTDR事件盲區(qū)的范圍在1m-2km。如使用5-10ns的測(cè)量脈寬，可以獲得1m左右的事件盲區(qū)；使用20μs的測(cè)量脈寬，事件盲區(qū)則會(huì)高達(dá)2km左右。使用較寬測(cè)量脈寬進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可能分辨不出間隔很近的兩個(gè)反射事件，但換成使用較小的測(cè)量脈寬進(jìn)行測(cè)量，則能較容易地分辨這兩個(gè)反射事件?！八p盲區(qū)”的定義是：從反射起點(diǎn)到信號(hào)回歸到線性后向散射跡線的給定允許錯(cuò)誤帶的最小距離。通常錯(cuò)誤帶取0.1-0.5dB，典型取值為0.5dB。衰減盲區(qū)是能夠分辨出下一個(gè)非反射的距離，比如分辨兩個(gè)熔接點(diǎn)的距離。衰減盲區(qū)可能是由反射事件造成的，但也可能由非反射事件造成。通常情況下，由反射事件造成的衰減盲區(qū)比非反射事件造成的衰減盲區(qū)要大。

3 OTDR使用注意事項(xiàng)

通常情況下，工程技術(shù)人員能夠理解上述OTDR技術(shù)指標(biāo)，并使用OTDR進(jìn)行一些諸如光纖鏈長(zhǎng)測(cè)試、光纖斷點(diǎn)查找等操作。但是由于缺乏相關(guān)的背景知識(shí)，對(duì)OTDR使用中涉及的一些較為復(fù)雜情況缺乏深入了解，從而影響了對(duì)所測(cè)光纖線路的準(zhǔn)確分析。以下將結(jié)合一些較容易出現(xiàn)理解偏差的概念進(jìn)行分析，幫助使用者有效地使用OTDR進(jìn)行被測(cè)光纖線路的分析，正確利用所獲得的信息指導(dǎo)工作。

3.1 關(guān)于自動(dòng)測(cè)量模式的使用

市面上大多數(shù)OTDR儀表都具有自動(dòng)測(cè)試功能，只需設(shè)定測(cè)試波長(zhǎng)，OTDR便會(huì)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。OTDR首先發(fā)出試探測(cè)試脈沖，初步估計(jì)出被測(cè)光纖鏈路的長(zhǎng)度，然后根據(jù)估算出來(lái)的光纖鏈路長(zhǎng)度，自動(dòng)匹配一組優(yōu)化的OTDR測(cè)量參數(shù)開始測(cè)量。由于試探階段時(shí)間極短，使用過(guò)程中用戶覺察不到差異，所以儀表看似進(jìn)行了智能化自動(dòng)測(cè)試。對(duì)于不是很熟悉OTDR儀表或者不是很熟悉光纖鏈路情況時(shí)，采用自動(dòng)模式在一定程度上避免需要熟悉具體的OTDR儀表設(shè)置操作，能夠盡快進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。但光纖鏈路狀態(tài)是多種多樣的，在一些特殊狀態(tài)下，軟件自動(dòng)選擇的測(cè)量參數(shù)不一定適用，需要人工修改工作參數(shù)才能讓OTDR測(cè)試有較好的結(jié)果。

比如在使用自動(dòng)測(cè)試模式的時(shí)候，如果為了達(dá)到較高的測(cè)試動(dòng)態(tài)，自動(dòng)匹配了偏大的測(cè)量脈沖寬度導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的盲區(qū)偏大，測(cè)試光纜線路的時(shí)候就有可能出現(xiàn)將間距較小的兩個(gè)事件誤判為一個(gè)事件，從而產(chǎn)生誤判。

雖然自動(dòng)測(cè)量模式是根據(jù)普遍經(jīng)驗(yàn)以及OTDR生產(chǎn)廠家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行自動(dòng)匹配的，但是它的測(cè)量結(jié)果只能給出初步參考，無(wú)法全面滿足科研、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求。

對(duì)測(cè)量的精度要求決定了測(cè)量參數(shù)的選取，如果被測(cè)光纖較短，而且光纖中存在一些連接器、熔接點(diǎn)，則需要選擇具有最佳動(dòng)態(tài)條件下的最小測(cè)試脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)較小的盲區(qū)，準(zhǔn)確查找線路中的異常損耗點(diǎn)。由于OTDR測(cè)試曲線是通過(guò)多次測(cè)量疊加來(lái)去除噪聲影響的，適當(dāng)延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)（一般OTDR儀表的測(cè)量時(shí)長(zhǎng)從5s-180s不等）可以提高所選脈沖寬度下的動(dòng)態(tài)范圍，使所測(cè)線路具有更高信噪比，提高發(fā)現(xiàn)熔接點(diǎn)的能力?？梢姾侠淼卦O(shè)置OTDR測(cè)量參數(shù)而不是采用自動(dòng)模式，可以準(zhǔn)確地展現(xiàn)出被測(cè)光纖的線路長(zhǎng)度、連接器/熔接點(diǎn)的位置及對(duì)應(yīng)損耗，對(duì)光纜線路質(zhì)量作出準(zhǔn)確評(píng)估。

同理，當(dāng)光纖線路較長(zhǎng)的時(shí)候，在自動(dòng)測(cè)量模式下某些廠家為了將長(zhǎng)距離線路測(cè)試曲線展示得“好看”一些，往往在自動(dòng)測(cè)量參數(shù)中將脈沖寬度設(shè)置成最大/非常大，結(jié)合前面所介紹的參數(shù)設(shè)置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響可知，當(dāng)脈沖寬度達(dá)到20μs時(shí)，測(cè)試所得事件盲區(qū)已經(jīng)達(dá)到2km以上，光纖線路中很多細(xì)節(jié)信息被丟失了，提供給現(xiàn)場(chǎng)施工人員的信息非常有限。所以實(shí)際使用中，自動(dòng)測(cè)量所提供的信息并非是現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)需求，而要根據(jù)測(cè)試場(chǎng)景合理地選擇測(cè)量參數(shù)，如測(cè)試波長(zhǎng)、脈沖寬度、測(cè)量時(shí)長(zhǎng)。

3.2 動(dòng)態(tài)范圍不能直接體現(xiàn)對(duì)光纖的最大測(cè)量長(zhǎng)度

由于對(duì)OTDR測(cè)量原理以及光纜施工細(xì)節(jié)缺乏足夠理解，通常情況下，很多工程技術(shù)人員對(duì)OTDR性能評(píng)價(jià)的第一直覺就是“這款OTDR能測(cè)多遠(yuǎn)”，能測(cè)多長(zhǎng)的光纖？需要一款測(cè)試多長(zhǎng)光纖的OTDR是根據(jù)實(shí)際使用要求來(lái)定的，而不是所選OTDR動(dòng)態(tài)越大越好。更重要的是，OTDR能測(cè)多長(zhǎng)的光纖，除了跟OTDR儀表本身的動(dòng)態(tài)范圍有關(guān)，還與被測(cè)光纖線路的接續(xù)質(zhì)量，線路插損以及老化情況等密切相關(guān)。

根據(jù)OTDR儀表動(dòng)態(tài)范圍的定義，動(dòng)態(tài)范圍是在儀表所支持的最大脈沖寬度、最長(zhǎng)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)情況下測(cè)得的，通常所用OTDR儀表的最大脈沖寬度為20μs，此時(shí)其盲區(qū)已經(jīng)超過(guò)2km。所以在實(shí)際使用中，需要使用較小的測(cè)量脈沖寬度才能對(duì)光纜線路作出準(zhǔn)確的評(píng)估。在不同的測(cè)量脈沖寬度參數(shù)下，OTDR的動(dòng)態(tài)范圍是不一樣的，一般情況下在同樣的測(cè)量時(shí)長(zhǎng)時(shí)，同一臺(tái)OTDR儀表的動(dòng)態(tài)范圍隨脈沖寬度減小而降低。

通信光纜線路是由多段光纜連接而成，通常按照每段2km的標(biāo)準(zhǔn)光纜進(jìn)行接續(xù)，接續(xù)一般是通過(guò)光纖熔接機(jī)進(jìn)行熔接，但也不排除某些地方使用冷接子、普通光纖連接器（例如法蘭盤）進(jìn)行連接，導(dǎo)致光纜線路中存在一定的損耗。除了考慮接續(xù)點(diǎn)損耗之外，光纜彎曲、老化也會(huì)帶來(lái)額外的損耗，光纜線路上的損耗越大，同樣一臺(tái)OTDR所能測(cè)量的光纜長(zhǎng)度也會(huì)降低。

因此，基于對(duì)光纜線路損耗的考慮，通常使用中建議預(yù)留6dB作為余量。結(jié)合前面所述20μs測(cè)量脈沖寬度的使用弊端，工程中建議使用2μs以下脈沖寬度，而此時(shí)OTDR儀表所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍要降低8dB左右。以一臺(tái)標(biāo)稱42dB動(dòng)態(tài)范圍的OTDR儀表在光纜施工應(yīng)用中，“有效”的動(dòng)態(tài)范圍則成了28（42-6-8）dB。以1550nm測(cè)試波長(zhǎng)為例，光纖損耗為0.2dB/km，假定線路平均熔接損耗為0.05dB/km，則該OTDR儀表所能測(cè)試的“有效”光纜長(zhǎng)度為110km左右，而非170km（42/0.25）。

一切測(cè)試都是為了實(shí)際應(yīng)用需求服務(wù)的，必須根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)際需求來(lái)合理選擇測(cè)量參數(shù)，否則測(cè)量結(jié)果偏差會(huì)對(duì)實(shí)際施工維護(hù)工作產(chǎn)生不利影響。

3.3 普通OTDR在PON網(wǎng)絡(luò)測(cè)試中的短板

與普通光纜網(wǎng)絡(luò)不同，PON網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)是光纜線路長(zhǎng)度短，使用多級(jí)光分路器模式。通常有一級(jí)分光模式（通常為OLT到小區(qū)后分為64分支入戶）；二級(jí)分光模式（采用兩級(jí)8分支光分路器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署）等情況。

PON網(wǎng)絡(luò)中光纜線路通常都比較短，光分路器后每段光纜長(zhǎng)度僅有100m左右，此時(shí)OTDR測(cè)量脈沖寬度只能選擇100ns以內(nèi)，一臺(tái)45dB的普通OTDR此時(shí)對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍只有25dB左右，而以PON網(wǎng)絡(luò)中32路光分路器為例，其插入損耗已經(jīng)超過(guò)18dB，再加上線路損耗3-5dB，測(cè)試結(jié)果可想而知。

第二個(gè)要注意的是光分路器后存在非常大的衰減盲區(qū)，通常情況下可達(dá)100m，使用普通OTDR測(cè)試根本無(wú)法區(qū)分光分路器后續(xù)的多條光纖線路的實(shí)際情況。所以使用普通OTDR對(duì)PON網(wǎng)絡(luò)光纜線路進(jìn)行測(cè)試時(shí)，最好是以光分路器為界進(jìn)行分段測(cè)試。

但是如果使用專門針對(duì)PON網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用優(yōu)化后的PON網(wǎng)絡(luò)OTDR進(jìn)行測(cè)試，則能夠避免以上尷尬，獲得較好的測(cè)試效果。PONOTDR是一種專門針對(duì)PON網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的OTDR儀表，主要特點(diǎn)是在較小脈沖寬度（100ns以下）能夠提供較大動(dòng)態(tài)范圍、較小盲區(qū)，有利于穿透光分路器，對(duì)光分路器之后長(zhǎng)度差異較小的入戶光纖進(jìn)行分辨，對(duì)PON網(wǎng)絡(luò)作出準(zhǔn)確評(píng)估。

3.4 光纖光學(xué)長(zhǎng)度不等同于光纜長(zhǎng)度

很多人會(huì)使用OTDR測(cè)試鏈路信息進(jìn)行按圖索驥查找光纜故障，比如OTDR測(cè)試結(jié)果顯示，在距離測(cè)試點(diǎn)25.186km處的光纜有較大的損耗，從而懷疑該處光纜受外力損傷，前往排查故障，但是這樣往往會(huì)事與愿違。故障的真實(shí)物理位置與之相去甚遠(yuǎn)，甚至達(dá)幾百米距離，這往往是相隔好幾個(gè)人井的距離。其主要原因有以下幾個(gè)：

（1）光纜的實(shí)際物理長(zhǎng)度與光纖光學(xué)長(zhǎng)度之間的差

異。由于考慮到光纜在工程應(yīng)用中會(huì)受到外力拉伸等因素，光纖在光纜中與加強(qiáng)單元是呈扭結(jié)狀態(tài)的，從而保證光纖在光纜中處于松弛狀態(tài)，不至于因外力拉伸而斷裂。光纖長(zhǎng)度一般是在光纜長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上增加0.1%左右。（2）在使用OTDR測(cè)試中，會(huì)要求用戶根據(jù)不同光纖所對(duì)應(yīng)的折射率進(jìn)行設(shè)置。比如康寧光纖在1550nm波長(zhǎng)時(shí)對(duì)應(yīng)的光纖折射率為1.4682。按照OTDR測(cè)量光纖長(zhǎng)度的公式：

式中，L為光纖長(zhǎng)度；C為光在真空中的傳輸速率；T為OTDR測(cè)試光信號(hào)在被測(cè)光纖中一個(gè)往返所需的時(shí)間；n為被測(cè)光纖所對(duì)應(yīng)的折射率。

一盤經(jīng)過(guò)校正的50km標(biāo)準(zhǔn)光纖，如果使用OTDR內(nèi)置的默認(rèn)折射率（如n=1.4685），測(cè)試所得長(zhǎng)度為49.990km，測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度相差10m。如果按照通常OTDR儀表所支持的折射率范圍1.0000-2.0000測(cè)試，則所得光纖長(zhǎng)度在73.410km-36.705km，可見合理準(zhǔn)確地選擇折射率對(duì)測(cè)試結(jié)果有著非常重要的意義。

（3）光纜余長(zhǎng)。為了后續(xù)維護(hù)維修等需要，施工人員會(huì)在每個(gè)人井、光交箱內(nèi)將光纖/光纜預(yù)留一定長(zhǎng)度，通常為幾米盤制其中，這樣積少成多，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離累加之后，預(yù)留的光纖/光纜長(zhǎng)度也是相當(dāng)可觀的。

綜上所述，OTDR測(cè)試所得光纖光學(xué)長(zhǎng)度、光纜實(shí)際鋪設(shè)的物理長(zhǎng)度、故障對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)三者相去甚遠(yuǎn)。需要結(jié)合施工資料以及其他技術(shù)手段，才能準(zhǔn)確定位故障的真實(shí)位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

OTDR是光纜施工維護(hù)、科研生產(chǎn)的重要儀器設(shè)備，掌握一定的光纜施工工程經(jīng)驗(yàn)以及OTDR技術(shù)原理，對(duì)正確使用OTDR，并更具測(cè)試結(jié)果獲得正確的參考信息，提高工作效率是非常重要的。本文結(jié)合工程技術(shù)人員使用OTDR過(guò)程中常見的認(rèn)知誤區(qū)給出了闡述以及使用建議，具有一定的參考價(jià)值。