光纤光缆测试是光缆施工、维护、抢修重要技术手段,采用OTDR(光时域反射仪)进行光纤连接的现场监视和连接损耗测量评价,是目前比较有效的方式。这种方法直观、可信并能打印出光纤后向散射信号曲线。

OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表。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)。OTDR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。

  OTDR  原理
瑞利后向散射

瑞利散射是由于光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成。OTDR就测量回到OTDR端口的一部分散射光。这些背向散射信号就表明了由光纤而导致的衰减(损耗/距离)程度。形成的轨迹是一条向下的曲线,它说明了背向散射的功率不断减小,这是由于经过一段距离的传输后发射和背向散射的信号都有所损耗。

给定光纤参数后,瑞利散射的功率就可以标明出来,如果波长已知,它就与信号的脉冲宽度成比例:脉冲宽度越长,背向散射功率就越强。瑞利散射的功率还与发射信号的波长有关,波长较短则功率较强。也就是说用1310nm信号产生的轨迹会比1550nm信号所产生的轨迹的瑞利背向散射要高。

菲涅尔反射
菲涅尔反射是离散的反射,它是由整条光纤中的个别点而引起的,这些点是由造成反射系数改变的因素组成,例如玻璃与空气的间隙。在这些点上,会有很强的背向散射光被反射回来。因此,OTDR就是利用菲涅尔反射的信息来定位连接点,光纤终端或断点。

在不同折射率两传输介质的边界(如连接器、机械接续、断裂或光纤终结处)会发生菲涅耳反射,此现象被OTDR用于准确确定沿光纤长度上不连续点的位置。反射的大小依赖于边界表面的平整度及折射率差,利用折射率匹配液可减小菲涅耳反射。

OTDR结构方框图

脉冲发生器发出宽度可调的窄脉冲驱动激光二极管(LD),产生所需宽度的光脉冲(通常为 2ns~20μs),经方向耦合器后入射到被测光纤,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,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,由放大器放大后送信号处理部件处理(包括取样、模数转换和平均),结果由显示部件显示:纵轴表示功率电平,横轴表示距离。时基与控制单元控制脉冲宽度、取样和平均。

 OTDR主要性能指标
对OTDR的性能参数的了解有助于OTDR的实际光纤测量。OTDR性能参数主要包括动态范围、盲区、分辨率、精度等。

动态范围
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。

OTDR的动态范围为初始背向散射电平与噪声电平的dB差值。背向散射电平初始点是入射光信号的电平值,而噪声电平为背向散射信号,是不可见信号,当信号的信噪比(S/N)小于一定值时,我们将无法准确地分析这些信号的部分或全部特性,所以动态范围越大越好。

增大动态范围主要有两个途径:增加初始背向散射电平和降低噪声电平。影响初始背向散射电平的因素是扫描平均时间。多数OTDR允许用户选择注入被测光纤的光脉冲宽度参数,我们可以根据光脉冲宽度越大,OTDR的动态范围越大的原则来改变OTDR的动态范围。OTDR向被测的光纤反复发送脉冲,并将每次扫描的曲线进行平均从而得出结果曲线,这样接收器的随机噪声应付随着平均时间的加长而得到抑制,也就是说,平均时间越长,OTDR的动态范围就越大,(1)背向散射曲线上起始电平和噪声均方根电平之差,即信噪比=1;(2)背向散射曲线上起始电平和噪声峰值电平之差。

盲区
盲区又称死区,是指受菲涅尔反射的影响,在一定的距离范围内OTDR曲线无法反映光纤状态的部分。此现象的出现主要是由于光纤链路上菲涅尔反射信号使得光电探测器饱和,从而需要一定的恢复时间。盲区可发生在OTDR面板前的活结头或光纤链路中其它有菲涅尔反射的地方。盲区的大小决定了OTDR的测量精度,所以盲区越小越好。盲区会随着脉冲宽度的增加而增大,增加脉冲宽度虽然增加了测量长度,但也增加了测量盲区,所以,我们在测试光纤时,对OTDR的光纤附件和相邻事件点的测量要使用窄脉冲,而对光纤远端进行测量时要使用宽脉冲。脉宽超短盲区越小,但短脉冲同时又减小了动态范围,因此要在盲区和动态范围之间折衷选择脉宽。

其中有衰减盲区(ADZ)和事件盲区(EDZ)如下图所示:

分辨率
OTDR 有四种主要分辨率指标:取样分辨率、显示分辨率(又叫读出分辨率)、事件分辨率和距离分辨率。

取样分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。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。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。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。

精度
精度是OTDR的测量值与参考值的接近程度,包括衰减精度和距离精度。衰减精度主要是由光电二极管的线性度决定的,目前大多数OTDR的线性度可达0.02dB/dB。距离精度依赖于折射率误差、时基误差(10-4~10-5范围内变动)以及取样分辨率,在不考虑折射率误差时,距离精度可用下式表达〔1〕:距离精度=±1m±5×10-5×距离±取样分辨率。

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