中鐵五局電務(wù)公司 龍安仁

OTDR光纖測試法及在光纜施工中的應(yīng)用

中鐵五局電務(wù)公司 龍安仁

OTDR作為光纖通信的主要測試儀表之一，在光纜施工、維護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。為提高測試者技術(shù)水平，解決測試精度和盲區(qū)兩個關(guān)鍵問題，本文對OTDR基本原理、參數(shù)設(shè)置和OTDR光纖測試法在光纜施工中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，總結(jié)了解決OTDR光纖測試中出現(xiàn)問題的經(jīng)驗(yàn)與措施。

OTDR；參數(shù)設(shè)置；光纖測試法；光纜施工；經(jīng)驗(yàn)與措施

OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光時(shí)域反射儀)是表征光纖傳輸特性的測試儀器。OTDR是光纖測試領(lǐng)域中的主要儀表，被廣泛應(yīng)用于光纜線路的施工、維護(hù)之中，可進(jìn)行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。OTDR具有非破壞性、測試時(shí)間短、測試速度快、測試精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.支持OTDR技術(shù)的兩個基本公式

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)動電路調(diào)制下輸出光脈沖，經(jīng)過定向光耦合器和活動連接器注入被測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器，轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)過低噪聲放大和數(shù)字平均化處理，最后將處理過的電信號與從光源背面發(fā)射提取的觸發(fā)信號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的探測器來測量，它們就作為被測光纖內(nèi)不同位置上的時(shí)間或曲線片斷。根據(jù)發(fā)射信號到返回信號所用的時(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(光纖長度)L(單位：m)，如式(1)所示。

式（1）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應(yīng)的功率電平以及被測光纖的長度就可以計(jì)算出衰減a(單位：dB／km)，如式(2)所示：

2.OTDR結(jié)構(gòu)方框圖

圖1是OTDR原理結(jié)構(gòu)方框圖。脈沖發(fā)生器發(fā)出寬度可調(diào)的窄脈沖驅(qū)動激光二極管(LD)，產(chǎn)生所需寬度的光脈沖(通常為2ns～20μs)，經(jīng)方向耦合器后入射到被測光纖，光纖中的后向散射光和菲涅耳反射光經(jīng)耦合器進(jìn)入光電探測器，光電探測器把接收到的散射光和反射光信號轉(zhuǎn)換成電信號，由放大器放大后送信號處理部件處理(包括取樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換和平均)，結(jié)果由顯示部件顯示：縱軸表示功率電平，橫軸表示距離。時(shí)基與控制單元控制脈沖寬度、取樣和平均。

3.保障OTDR精度的五個參數(shù)設(shè)置

3.1 測試波長選擇

波長，這樣測試效果會更好。

由于OTDR是為光纖通信服務(wù)的，因此在進(jìn)行光纖測試前先選擇測試波長，單模光纖只選擇1310nm或1550nm。由于1550nm波長對光纖彎曲損耗的影響比1310nm波長敏感得多，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曲線測試，一般多選用1550nm波長。

1310nm和1550nm兩波長的測試曲線的形狀是一樣的，測得的光纖接頭損耗值也基本一致。若在1550nm波長測試沒有發(fā)現(xiàn)問題，那么1310nm波長測試也肯定沒問題。

選擇1550nm波長測試，可以很容易發(fā)現(xiàn)光纖全程是否存在彎曲過度的情況。若發(fā)現(xiàn)曲線上某處有較大的損耗臺階，再用1310nm波長復(fù)測，若在1310nm波長下?lián)p耗臺階消失，說明該處的確存在彎曲過度情況，需要進(jìn)一步查找并排除。若在1310nm波長下?lián)p耗臺階同樣大，則在該處光纖可能還存在其他問題，還需要查找排除。在單模光纖線路測試中，應(yīng)盡量選用1550nm

圖1 OTDR原理結(jié)構(gòu)方框圖

圖2 OTDR測試連接圖

圖3 OTDR測試曲線事件類型及顯示

3.2 光纖折射率選擇

現(xiàn)在使用的單模光纖的折射率基本在1.4600-1.4800范圍內(nèi)，要根據(jù)光纜或光纖生產(chǎn)廠家提供的實(shí)際值來精確選擇。對于G.652單模光纖，在實(shí)際測試時(shí)若用1310nm波長，折射率一般選擇在1.4680；若用1550nm波長，折射率一般選擇在1.4685。折射率選擇不準(zhǔn)，影響測試長度。

在式(1)中折射率若誤差0.001，則在50000m的中繼段會產(chǎn)生約35m的誤差。在光纜維護(hù)和故障排查時(shí)很小的失誤便會帶來明顯的誤差，測試時(shí)一定要引起足夠的重視。

3.3 測試脈沖寬度選擇

設(shè)置的光脈沖寬度過大會產(chǎn)生較強(qiáng)的菲涅爾反射，會使盲區(qū)加大。較窄的測試光脈沖雖然有較小的盲區(qū)，但是測試光脈沖過窄時(shí)光功率肯定過弱，相應(yīng)的背向散射信號也弱，背向散射信號曲線會起伏不平，測試誤差大。設(shè)置的光脈沖寬度既要能保證沒有過強(qiáng)的盲區(qū)效應(yīng)，又要能保證背向散射信號曲線有足夠的分辨率，能看清光纖沿線上每一點(diǎn)情況。

一般是根據(jù)被測光纖長度，先選擇一個適當(dāng)?shù)臏y試脈寬，預(yù)測試一兩次后，從中確定一個最佳值。被測光纖的距離較短(小于5000m)時(shí)，盲區(qū)可以在10m以下；被測光纖的距離較長(小于50000m)時(shí)，盲區(qū)可以在200m以下；被測光纖的距離很長(小于2500000m)時(shí)，盲區(qū)可高達(dá)2000m以上。

在單盤測試時(shí)，恰當(dāng)選擇光脈沖寬度(50nm)可以使盲區(qū)在10m以下。通過雙向測試或多次測試取平均值，盲區(qū)產(chǎn)生的影響會更小。

3.4 測試量程選擇

OTDR的量程是指OTDR的橫坐標(biāo)能達(dá)到的最大距離。測試時(shí)應(yīng)根據(jù)被測光纖的長度選擇量程，量程是被測光纖長度的1.5倍比較好。量程選擇過小時(shí)，光時(shí)域反射儀的顯示屏上看不全面；量程選擇過大時(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)，不管是長度測試還是損耗測試都能得到比較好的直視效果和準(zhǔn)確的測試結(jié)果。

在光纖通信系統(tǒng)測試中，鏈路長度在幾百到幾千千米，中繼段長度40-60km，單盤光纜長度2-4km，合選擇OTDR的量程可以得到良好的測試效果。

3.5 平均化時(shí)間選擇

由于背向散射光信號極其微弱，一般采用多次統(tǒng)計(jì)平均的方法來提高信噪比。OTDR測試曲線是將每次輸出脈沖后的反射信號采樣，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，噪聲電平越接近最小值，動態(tài)范圍就越大。平均化時(shí)間為3min獲得的動態(tài)范圍比平均化時(shí)間為1min獲得的動態(tài)范圍提高0.8dB。

一般來說平均化時(shí)間越長，測試精度越高。為了提高測試速度，縮短整體測試時(shí)間，測試時(shí)間可在0.5-3min內(nèi)選擇。

在光纖通信接續(xù)測試中，選擇1.5min(90s)就可獲得滿意的效果。

4.OTDR光纖測試法在光纜施工中的應(yīng)用

應(yīng)用OTDR在光纜施工中對光纖進(jìn)行測試時(shí)，包括光纜到貨后的單盤測試、光纖接續(xù)測試、光纖中繼段測試和光纖故障點(diǎn)測量。OTDR的測試連接如圖2所示。

測試連接的方法是：OTDR-過渡光纖-光纖連接器-第1盤光纜-第2盤光纜-第n盤光纜，終端不連接任何設(shè)備。OTDR測試曲線事件類型及顯示如圖3所示。

4.1 單盤測試

在光纜到貨后進(jìn)行的單盤測試中，應(yīng)用OTDR測試光纖平均損耗和光纖長度，并通過對光纖OTDR測試曲線的觀察分析，確認(rèn)光纜的質(zhì)量合格與否。

4.2 光纖接續(xù)測試

在用光纖熔接機(jī)對光纖進(jìn)行接續(xù)時(shí)，熔接機(jī)在熔接完一根纖芯后一般都會給出這個接點(diǎn)的估算衰耗值，但為保證光纖接續(xù)損耗符合要求，應(yīng)采用光時(shí)域反射儀(OTDR)進(jìn)行監(jiān)測。

由于測試原理和光纖結(jié)構(gòu)上的原因，用OTDR單向監(jiān)測會出現(xiàn)虛假增益的現(xiàn)象，相應(yīng)地也會出現(xiàn)虛假大衰耗現(xiàn)象。對一個光纖接頭來說，兩個方向衰減值的數(shù)學(xué)平均數(shù)才能準(zhǔn)確反映其真實(shí)的衰耗值。比如一個接頭從A到B測衰耗為0.16dB，從B到A測為-0.12dB，實(shí)際上此頭的衰耗為[0.16+(-0.12)]／2=0.02dB。

現(xiàn)場監(jiān)測主要有以下三種方法：

4.2.1 OTDR后向測試法

OTDR在光纖接續(xù)方向后端進(jìn)行測試，始終保持固定不動。采用這種方法主要對光纜接續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，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)。這種方法測試有三個優(yōu)點(diǎn)：

(1)OTDR固定不動，省略了儀表轉(zhuǎn)移所需車輛和大量人力物力；

(2)測試點(diǎn)選在有市電而不需配汽油發(fā)電機(jī)的地方；

(3)測試點(diǎn)固定，減少了光纜開剝。

同時(shí)該方法也有兩個缺點(diǎn)：

(1)因受距離和地形限制，有時(shí)無法保證聯(lián)絡(luò)的暢通；

(2)隨著接續(xù)距離的不斷增加，OTDR的測試量程和精度受到限制。

目前解決這些問題一般有三種方法：

①在市內(nèi)和市郊用移動電話可使測試人員和接續(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)就因無法聯(lián)絡(luò)而不能進(jìn)行監(jiān)測了。即使這樣，出現(xiàn)問題的可能性仍會大大降低(如果是24芯光纜，出現(xiàn)問題的概率會降到原來的1／24以下)。

③當(dāng)光纜接續(xù)達(dá)到一個中繼距離時(shí)，OTDR向前移動。

測試實(shí)踐證明，這些監(jiān)測方法對保證質(zhì)量、減少返工是行之有效的。

4.2.2 OTDR前向單程測試法

OTDR在光纖接續(xù)方向前一個接頭點(diǎn)進(jìn)行測試，用施工車輛將測試儀表和測試人員始終超前轉(zhuǎn)移。使用這種方法進(jìn)行監(jiān)測，測試點(diǎn)與接續(xù)點(diǎn)始終只有一盤光纜長度，測試接頭衰耗準(zhǔn)確性高，而且便于通信聯(lián)絡(luò)。目前一盤光纜長度大約為2-3km，一般地形下利用對講機(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)。

這種測試方法的缺點(diǎn)也很明顯，OTDR要搬到每個測試點(diǎn)費(fèi)工費(fèi)時(shí)，又不利于儀表的保護(hù)；測試點(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，近距離測試對儀表的動態(tài)范圍要求不高，且小型0TDR體積小重量輕移動方便，這樣可大大減小測試人員工作量，提高測試速度和工作效率。

4.2.3 OTDR前向雙程測試法

OTDR位置仍同“前向單程”監(jiān)測，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試，也可對光纖接續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。對中繼段光纖測試可以在光時(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。

對光纖接續(xù)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)由于增加了環(huán)回點(diǎn)，所以能在OTDR上測出接續(xù)衰耗的雙向值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能準(zhǔn)確評估接頭的好壞。

4.3 中繼段測試

在中繼段測試中可應(yīng)用OTDR測試中繼段光纖總損耗、平均損耗、光纖長度和回波損耗，并通過對光纖OTDR測試曲線的觀察分析，確認(rèn)整個中繼段光纖的質(zhì)量合格與否。但由于OTDR測試存在近端盲區(qū)，會造成損耗測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，光纖中繼段損耗宜使用穩(wěn)定光源和光功率計(jì)進(jìn)行測試，用OTDR進(jìn)行測試曲線觀察分析。

4.4 故障點(diǎn)測試

應(yīng)用OTDR測試，可以較為準(zhǔn)確的測定故障點(diǎn)與測試點(diǎn)之間的距離。為提高測試精度，可在離故障點(diǎn)最近的光纖接頭處進(jìn)行測試。

5.解決OTDR光纖測試中出現(xiàn)問題的經(jīng)驗(yàn)與措施

5.1 接頭清潔

不清潔的連接器導(dǎo)致測量不可靠、曲線多噪音甚至使測量不能進(jìn)行，它還可能損壞OTDR。要獲得精確的、可重復(fù)的測量，光系統(tǒng)內(nèi)所有物理連接點(diǎn)清潔極為重要，單模光纖的模場直徑不到10μm，50μm直徑的塵粒有可能完全中斷光傳輸。即使遮攔5%的光傳輸區(qū)域，也會增加0.22dB的插入損耗。避免用酒精以外的其它清洗劑或折射率匹配液，因?yàn)樗鼈兛墒构饫w連接器內(nèi)粘合劑溶解。如不可避免地要用折射率匹配液，則要用專用于光纖連接器的特殊匹配液。

5.2 熔接增益

不同模場直徑或不同后向散射系數(shù)的光纖的熔接，在OTDR曲線上可能會產(chǎn)生一正增益，這一正增益是由于在熔接點(diǎn)之后的光纖比熔接點(diǎn)之前的光纖產(chǎn)生更多的后向散射光而形成的。事實(shí)上，光纖在這一熔接點(diǎn)上是熔接損耗的，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。

5.3 鬼影

在OTDR曲線上的尖峰有時(shí)并不是有真正的連接器或斷點(diǎn)引起的菲涅爾反射峰，而是由于離入射端較近且強(qiáng)的反射引起的回音，這種尖峰被稱為鬼影，如圖4所示。入射光脈沖在兩個連接器1，2之間來回反射，使得在OTDR曲線的G1處產(chǎn)生一個尖峰(鬼影)，圖4中終結(jié)強(qiáng)反射還可以引起鬼影G2。有兩個特征可用于識別鬼影：曲線上鬼影處未引起明顯損耗；沿曲線鬼影與始端的距離是強(qiáng)反射事件與始端距離的倍數(shù)。可通過以下方法消除鬼影：在強(qiáng)反射處使用折射率匹配液以減小反射、選擇短脈沖寬度以減小注入功率、在強(qiáng)反射之前的光纖中增加衰減。如果引起鬼影的事件位于光纖終結(jié)，可繞合適的工具(如鉛筆)幾圈以衰減反射回始端的光而得到消除鬼影的目的。

5.4 折射率與散射系數(shù)的校正

就光纖長度測量而言，折射率系數(shù)每0.01的偏差會引起每公里7米之多的誤差，對于較長的光纖段，應(yīng)采用光纜制造商提供的折射率值。如果折射率系數(shù)未知，但一段相同種類光纖的長度已知，那么可以將光標(biāo)放在已知長度的光纖末端，并調(diào)整折射率系數(shù)直至測得的兩點(diǎn)距離符合已知距離，則折射率系數(shù)就可以計(jì)算出來了。工程中，為了施工和搶修的方便，提出光纜折射率，它是把光纜絞縮率或光纖余長考慮在內(nèi)的折射率，可以幫助測試人員快速測試光纜皮長。如果需要精確測量光纖段的回波損耗或連接器的反射，需采用光纜制造商提供的散射系數(shù)值。若散射系數(shù)未知，但在一條類似的光纖中也存在反射且回波損耗已知，那么相應(yīng)的散射系數(shù)可以通過下述方法獲得：對已知反射進(jìn)行回波損耗測量，調(diào)節(jié)散射系數(shù)直至測量的回?fù)p值符合已知的回?fù)p值。需要注意的是，當(dāng)將距離測量和以前對同一光纖段的測量進(jìn)行比較時(shí)，應(yīng)使用同一個折射率系數(shù)；當(dāng)把一個回?fù)p測量值與先前對同一光纖連接所測的回?fù)p值進(jìn)行比較時(shí)，應(yīng)使用同一個散射系數(shù)。

5.5 過渡光纖的使用

過渡光纖是一段用于連接OTDR與待測光纖、長300-2000m的光纖，其主要用處為：前端盲區(qū)處理和終端連接器插入損耗測量。一般來說，OTDR與待測光纖間的連接器引起的盲區(qū)最大。在光纖實(shí)際測量中，有時(shí)為避免這一大的前端盲區(qū)淹沒待測光纖開始一段內(nèi)的細(xì)節(jié)，在OTDR與待測光纖間加接一段過渡光纖，使前端盲區(qū)落在過渡光纖內(nèi)，而待測光纖始端落在OTDR曲線的線性穩(wěn)定區(qū)。過渡光纖的長度視具體情況而定。光纖系統(tǒng)終端連接器插入損耗可通過OTDR加一段過渡光纖來測量。如要測量首端連接器的插入損耗，可在OTDR與待測光纖首端加一過渡光纖；如要測量首、尾兩端連接器的插入損耗，可在每端都加一過渡光纖。過渡光纖的特性應(yīng)與被測光纖一致，且連接器應(yīng)是高質(zhì)量的。

5.6 超長中繼測量

當(dāng)光纖線路損耗在OTDR動態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，一般應(yīng)對兩個方向各測一次，每個方向的測試曲線應(yīng)包括全部長度的完整曲線。對超長中繼段，當(dāng)其線路損耗超出OTDR的動態(tài)范圍時(shí)，可從兩個方向測至中間(中間匯合點(diǎn)不應(yīng)落在接頭位置，且兩個方向的測量距離各為全程的一半左右)，曲線記錄時(shí)，移動光標(biāo)至“合攏處”的匯合點(diǎn)，使顯示數(shù)據(jù)長度相加值為中繼段全長，損耗值相加即為中斷段線路損耗。此方法雖未全部雙向測量，但實(shí)際統(tǒng)計(jì)分析表明，由于中繼段是由很多光纜連接而成，方向誤差呈自然平衡狀態(tài)，兩個方向各測一半，其結(jié)果與由中間分兩段雙向測量的統(tǒng)計(jì)值基本一致。

圖4 鬼影的形成

6.結(jié)束語

OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光時(shí)域反射儀)作為光纖通信的主要測試儀表之一，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)備還是國產(chǎn)設(shè)備，對測試精度和盲區(qū)兩個關(guān)鍵問題都會因?yàn)闇y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)全自動測試，速率會更快、效果會更好。

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