基于OTDR技術(shù)的光纖測(cè)試方法探討

    光纖通信是以光波作載波以光纖為傳輸媒介的通信方式。光纖通信由于傳輸距離遠(yuǎn)、信息容量大且通信質(zhì)量高等特點(diǎn)而成為當(dāng)今信息傳輸?shù)闹饕侄危恰靶畔⒏咚俟贰钡幕?strong>光纖測(cè)試技術(shù)是光纖應(yīng)用領(lǐng)域中最廣泛、最基本的一項(xiàng)專門技術(shù)。OTDR是光纖測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域中的主要儀表，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。OTDR具有測(cè)試時(shí)間短、測(cè)試速度快、測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 支持OFDR技術(shù)的兩個(gè)基本公式
    OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光時(shí)域反射儀)是利用光脈沖在光纖中傳輸時(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高科技、高精密的光電一體化儀表。半導(dǎo)體光源(LED或LD)在驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制下輸出光脈沖，經(jīng)過(guò)定向光耦合器和活動(dòng)連接器注入被測(cè)光纜線路成為入射光脈沖。入射光脈沖在線路中傳輸時(shí)會(huì)在沿途產(chǎn)生瑞利散射光和菲涅爾反射光，大部分瑞利散射光將折射入包層后衰減，其中與光脈沖傳播方向相反的背向瑞利散射光將會(huì)沿著光纖傳輸?shù)骄€路的進(jìn)光端口，經(jīng)定向耦合分路射向光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪聲放大和數(shù)字平均化處理，最后將處理過(guò)的電信號(hào)與從光源背面發(fā)射提取的觸發(fā)信號(hào)同步掃描在示波器上成為反射光脈沖。返回的有用信息由OTDR的探測(cè)器來(lái)測(cè)量，它們就作為被測(cè)光纖內(nèi)不同位置上的時(shí)間或曲線片斷。根據(jù)發(fā)射信號(hào)到返回信號(hào)所用的時(shí)間，再確定光在石英物質(zhì)中的速度，就可以計(jì)算出距離(光纖長(zhǎng)度)L(單位：m)，如式(1)所示。
   
    式中，n為平均折射率，△t為傳輸時(shí)延。利用入射光脈沖和反射光脈沖對(duì)應(yīng)的功率電平以及被測(cè)光纖的長(zhǎng)度就可以計(jì)算出衰減a(單位：dB／km)，如式(2)所示：
   

2 保障OTDR精度的五個(gè)參數(shù)設(shè)置
2．1 測(cè)試波長(zhǎng)選擇
    由于OTDR是為光纖通信服務(wù)的，因此在進(jìn)行光纖測(cè)試前先選擇測(cè)試波長(zhǎng)，單模光纖只選擇1 310 nm或1 550 nm。由于1 550 nm波長(zhǎng)對(duì)光纖彎曲損耗的影響比1 310 nm波長(zhǎng)敏感得多，因此不管是光纜線路施工還是光纜線路維護(hù)或者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、教學(xué)，使用OTDR對(duì)某條光纜或某光纖傳輸鏈路進(jìn)行全程光纖背向散射信號(hào)曲線測(cè)試，一般多選用1 550 nm波長(zhǎng)。1 310nm和1 550 nm兩波長(zhǎng)的測(cè)試曲線的形狀是一樣的，測(cè)得的光纖接頭損耗值也基本一致。若在1 550 nm波長(zhǎng)測(cè)試沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，那么1 310 nm波長(zhǎng)測(cè)試也肯定沒(méi)問(wèn)題。選擇1 550 nm波長(zhǎng)測(cè)試，可以很容易發(fā)現(xiàn)光纖全程是否存在彎曲過(guò)度的情況。若發(fā)現(xiàn)曲線上某處有較大的損耗臺(tái)階，再用1 310 nm波長(zhǎng)復(fù)測(cè)，若在1 310 nm波長(zhǎng)下?lián)p耗臺(tái)階消失，說(shuō)明該處的確存在彎曲過(guò)度情況，需要進(jìn)一步查找并排除。若在1 310 nm波長(zhǎng)下?lián)p耗臺(tái)階同樣大，則在該處光纖可能還存在其他問(wèn)題，還需要查找排除。在單模光纖線路測(cè)試中，應(yīng)盡量選用1 550 nm波長(zhǎng)，這樣測(cè)試效果會(huì)更好。
2．2 光纖折射率選擇
    現(xiàn)在使用的單模光纖的折射率基本在1．460 0～1．480 0范圍內(nèi)，要根據(jù)光纜或光纖生產(chǎn)廠家提供的實(shí)際值來(lái)精確選擇。對(duì)于G．652單模光纖，在實(shí)際測(cè)試時(shí)若用1 310 nm波長(zhǎng)，折射率一般選擇在1．468 0；若用1 550 nm波長(zhǎng)，折射率一般選擇在1．468 5。折射率選擇不準(zhǔn)，影響測(cè)試長(zhǎng)度。在式(1)中折射率若誤差0．001，則在50 000 m的中繼段會(huì)產(chǎn)生約35 m的誤差。在光纜維護(hù)和故障排查時(shí)很小的失誤便會(huì)帶來(lái)明顯的誤差，測(cè)試時(shí)一定要引起足夠的重視。[!--empirenews.page--]
2．3 測(cè)試脈沖寬度選擇
    設(shè)置的光脈沖寬度過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的菲涅爾反射，會(huì)使盲區(qū)加大。較窄的測(cè)試光脈沖雖然有較小的盲區(qū)，但是測(cè)試光脈沖過(guò)窄時(shí)光功率肯定過(guò)弱，相應(yīng)的背向散射信號(hào)也弱，背向散射信號(hào)曲線會(huì)起伏不平，測(cè)試誤差大。設(shè)置的光脈沖寬度既要能保證沒(méi)有過(guò)強(qiáng)的盲區(qū)效應(yīng)，又要能保證背向散射信號(hào)曲線有足夠的分辨率，能看清光纖沿線上每一點(diǎn)的情況。一般是根據(jù)被測(cè)光纖長(zhǎng)度，先選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)臏y(cè)試脈寬，預(yù)測(cè)試一兩次后，從中確定一個(gè)最佳值。被測(cè)光纖的距離較短(小于5 000m)時(shí)，盲區(qū)可以在10 m以下；被測(cè)光纖的距離較長(zhǎng)(小于50 000 m)時(shí)，盲區(qū)可以在200 m以下；被測(cè)光纖的距離很長(zhǎng)(小于2 500 000 m)時(shí)，盲區(qū)可高達(dá)2 000 m以上。在單盤測(cè)試時(shí)，恰當(dāng)選擇光脈沖寬度(50 nm)可以使盲區(qū)在10 m以下。通過(guò)雙向測(cè)試或多次測(cè)試取平均值，盲區(qū)產(chǎn)生的影響會(huì)更小。
2. 4 測(cè)試量程選擇
    OTDR的量程是指OTDR的橫坐標(biāo)能達(dá)到的最大距離。測(cè)試時(shí)應(yīng)根據(jù)被測(cè)光纖的長(zhǎng)度選擇量程，量程是被測(cè)光纖長(zhǎng)度的1．5倍比較好。量程選擇過(guò)小時(shí)，光時(shí)域反射儀的顯示屏上看不全面；量程選擇過(guò)大時(shí)，光時(shí)域反射儀的顯示屏上橫坐標(biāo)壓縮看不清楚。根據(jù)工程技術(shù)人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，測(cè)試量程選擇能使背向散射曲線大約占到OTDR顯示屏的70％時(shí)，不管是長(zhǎng)度測(cè)試還是損耗測(cè)試都能得到比較好的直視效果和準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。在光纖通信系統(tǒng)測(cè)試中，鏈路長(zhǎng)度在幾百到幾千千米，中繼段長(zhǎng)度40～60 km，單盤光纜長(zhǎng)度2～4km，合選擇OTDR的量程可以得到良好的測(cè)試效果。
2．5 平均化時(shí)間選擇
    由于背向散射光信號(hào)極其微弱，一般采用多次統(tǒng)計(jì)平均的方法來(lái)提高信噪比。OTDR測(cè)試曲線是將每次輸出脈沖后的反射信號(hào)采樣，并把多次采樣做平均化處理以消除隨機(jī)事件，平均化時(shí)間越長(zhǎng)，噪聲電平越接近最小值，動(dòng)態(tài)范圍就越大。平均化時(shí)間為3 min獲得的動(dòng)態(tài)范圍比平均化時(shí)間為1 min獲得的動(dòng)態(tài)范圍提高0．8 dB。一般來(lái)說(shuō)平均化時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)試精度越高。為了提高測(cè)試速度，縮短整體測(cè)試時(shí)間，測(cè)試時(shí)間可在0．5～3 min內(nèi)選擇。
    在光纖通信接續(xù)測(cè)試中，選擇1．5 min(90 s)就可獲得滿意的效果。

3 實(shí)施OTDR測(cè)試的三種常用方法
    OTDR對(duì)光纜和光纖進(jìn)行測(cè)試時(shí)節(jié)，測(cè)試場(chǎng)合包括光纜和光纖的出廠測(cè)試，光纜和光纖光纜的施工測(cè)試，光纜和光纖的維護(hù)測(cè)試以及定期測(cè)試。OTDR的測(cè)試連接如圖1所示。

    測(cè)試連接的方法是：OTDR一光纖連接器一第1盤光纜一第2盤光纜一第n盤光纜，終端不連接任何設(shè)備。根據(jù)實(shí)際測(cè)試工作主要有以下三種方法：
3．1 OTDR后向測(cè)試法
    采用這種方法主要對(duì)光纜接續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，光纜接續(xù)一定要配備專用光纖熔接機(jī)和光時(shí)域反射儀(OTDR)。熔接機(jī)在熔接完一根纖芯后一般都會(huì)給出這個(gè)接點(diǎn)的估算衰耗值。這種方法測(cè)試有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
    (1)OTDR固定不動(dòng)，省略了儀表轉(zhuǎn)移所需車輛和大量人力物力；
    (2)測(cè)試點(diǎn)選在有市電而不需配汽油發(fā)電機(jī)的地方；
    (3)測(cè)試點(diǎn)固定，減少了光纜開剝。
    同時(shí)該方法也有兩個(gè)缺點(diǎn)：
    (1)因受距離和地形限制，有時(shí)無(wú)法保證聯(lián)絡(luò)的暢通；
    (2)隨著接續(xù)距離的不斷增加，OTDR的測(cè)試量程和精度受到限制。
    目前解決這些問(wèn)題一般有三種方法：
    ①在市內(nèi)和市郊用移動(dòng)電話可使測(cè)試人員和接續(xù)人員隨時(shí)保持聯(lián)絡(luò)，便于組織和協(xié)調(diào)，有利于提高工作效率。
    ②用光電話進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。確定好用一根光纖(如藍(lán)色光纖單元紅色光纖)接在光電話上作聯(lián)絡(luò)線。當(dāng)然最后這根作聯(lián)絡(luò)用的光纖在熔接和盤纖時(shí)就因無(wú)法聯(lián)絡(luò)而不能進(jìn)行監(jiān)測(cè)了。即使這樣，出現(xiàn)問(wèn)題的可能性仍會(huì)大大降低(如果是24芯光纜，出現(xiàn)問(wèn)題的概率會(huì)降到原來(lái)的1／24以下)。
    ③當(dāng)光纜接續(xù)達(dá)到一個(gè)中繼距離時(shí)，OTDR向前移動(dòng)。
    測(cè)試實(shí)踐證明，這些監(jiān)測(cè)方法對(duì)保證質(zhì)量、減少返工是行之有效的。[!--empirenews.page--]
3．2 OTDR前向單程測(cè)試法
    OTDR在光纖接續(xù)方向前一個(gè)接頭點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，用施工車輛將測(cè)試儀表和測(cè)試人員始終超前轉(zhuǎn)移。使用這種方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試點(diǎn)與接續(xù)點(diǎn)始終只有一盤光纜長(zhǎng)度，測(cè)試接頭衰耗準(zhǔn)確性高，而且便于通信聯(lián)絡(luò)。目前一盤光纜長(zhǎng)度大約為2～3 km，一般地形下利用對(duì)講機(jī)就可保證通信聯(lián)絡(luò)。若光纜有皺紋鋼帶保護(hù)層，也可使用磁石電話進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。
    這種測(cè)試方法的缺點(diǎn)也很明顯，OTDR要搬到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)費(fèi)工費(fèi)時(shí)，又不利于儀表的保護(hù)；測(cè)試點(diǎn)還受地形限制，尤其是線路遠(yuǎn)離公路、地形復(fù)雜時(shí)更為麻煩。選用便攜型OTDR進(jìn)行監(jiān)測(cè)，近距離測(cè)試對(duì)儀表的動(dòng)態(tài)范圍要求不高，且小型0TDR體積小重量輕移動(dòng)方便，這樣可大大減小測(cè)試人員工作量，提高測(cè)試速度和工作效率。
3．3 OTDR前向雙程測(cè)試法
    OTDR位置仍同“前向單程”監(jiān)測(cè)，但在接續(xù)方向的始端將兩根光纖分別短接，組成回路。這種方法即可滿足中繼段光纖測(cè)試，也可對(duì)光纖接續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)中繼段光纖測(cè)試可以在光時(shí)域反射儀的顯示屏上很清楚地看到入射光脈沖、反射光脈沖、接頭點(diǎn)、斷裂點(diǎn)、故障點(diǎn)以及衰減分布曲線。OTDR測(cè)試事件類型及顯示如圖2所示，它可以為光纜維護(hù)提供方便。

    對(duì)光纖接續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)由于增加了環(huán)回點(diǎn)，所以能在OTDR上測(cè)出接續(xù)衰耗的雙向值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能準(zhǔn)確評(píng)估接頭的好壞。
    由于測(cè)試原理和光纖結(jié)構(gòu)上的原因，用OTDR單向監(jiān)測(cè)會(huì)出現(xiàn)虛假增益的現(xiàn)象，相應(yīng)地也會(huì)出現(xiàn)虛假大衰耗現(xiàn)象。對(duì)一個(gè)光纖接頭來(lái)說(shuō)，兩個(gè)方向衰減值的數(shù)學(xué)平均數(shù)才能準(zhǔn)確反映其真實(shí)的衰耗值。比如一個(gè)接頭從A到B測(cè)衰耗為0．16 dB，從B到A測(cè)為-0．12 dB，實(shí)際上此頭的衰耗為[0．16+(-0．12)]／2=0．02 dB。

4 結(jié) 語(yǔ)
    OTDR作為光纖通信的主要儀表，在科研、教學(xué)、工廠、施工、維護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。就目前而言O(shè)TDR不論進(jìn)口設(shè)備還是國(guó)產(chǎn)設(shè)備，對(duì)測(cè)試精度和盲區(qū)兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題都會(huì)因?yàn)闇y(cè)試者的技術(shù)發(fā)揮有一定的差異。隨著時(shí)間的推移和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使用新一代人工智能OTDR進(jìn)行光纖參數(shù)全自動(dòng)測(cè)試，速率會(huì)更快、效果會(huì)更好。