基于OTDR技术的光纤测试方法探讨

    光纤通信是以光波作载波以光纤为传输媒介的通信方式。光纤通信由于传输距离远、信息容量大且通信质量高等特点而成为当今信息传输的主要手段，是“信息高速公路”的基石。光纤测试技术是光纤应用领域中最广泛、最基本的一项专门技术。OTDR是光纤测试技术领域中的主要仪表，它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。OTDR具有测试时间短、测试速度快、测试精度高等优点。

1 支持OFDR技术的两个基本公式
    OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光时域反射仪)是利用光脉冲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高科技、高精密的光电一体化仪表。半导体光源(LED或LD)在驱动电路调制下输出光脉冲，经过定向光耦合器和活动连接器注入被测光缆线路成为入射光脉冲。入射光脉冲在线路中传输时会在沿途产生瑞利散射光和菲涅尔反射光，大部分瑞利散射光将折射入包层后衰减，其中与光脉冲传播方向相反的背向瑞利散射光将会沿着光纤传输到线路的进光端口，经定向耦合分路射向光电探测器，转变成电信号，经过低噪声放大和数字平均化处理，最后将处理过的电信号与从光源背面发射提取的触发信号同步扫描在示波器上成为反射光脉冲。返回的有用信息由OTDR的探测器来测量，它们就作为被测光纤内不同位置上的时间或曲线片断。根据发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在石英物质中的速度，就可以计算出距离(光纤长度)L(单位：m)，如式(1)所示。
   
    式中，n为平均折射率，△t为传输时延。利用入射光脉冲和反射光脉冲对应的功率电平以及被测光纤的长度就可以计算出衰减a(单位：dB／km)，如式(2)所示：
   

2 保障OTDR精度的五个参数设置
2．1 测试波长选择
    由于OTDR是为光纤通信服务的，因此在进行光纤测试前先选择测试波长，单模光纤只选择1 310 nm或1 550 nm。由于1 550 nm波长对光纤弯曲损耗的影响比1 310 nm波长敏感得多，因此不管是光缆线路施工还是光缆线路维护或者进行实验、教学，使用OTDR对某条光缆或某光纤传输链路进行全程光纤背向散射信号曲线测试，一般多选用1 550 nm波长。1 310nm和1 550 nm两波长的测试曲线的形状是一样的，测得的光纤接头损耗值也基本一致。若在1 550 nm波长测试没有发现问题，那么1 310 nm波长测试也肯定没问题。选择1 550 nm波长测试，可以很容易发现光纤全程是否存在弯曲过度的情况。若发现曲线上某处有较大的损耗台阶，再用1 310 nm波长复测，若在1 310 nm波长下损耗台阶消失，说明该处的确存在弯曲过度情况，需要进一步查找并排除。若在1 310 nm波长下损耗台阶同样大，则在该处光纤可能还存在其他问题，还需要查找排除。在单模光纤线路测试中，应尽量选用1 550 nm波长，这样测试效果会更好。
2．2 光纤折射率选择
    现在使用的单模光纤的折射率基本在1．460 0～1．480 0范围内，要根据光缆或光纤生产厂家提供的实际值来精确选择。对于G．652单模光纤，在实际测试时若用1 310 nm波长，折射率一般选择在1．468 0；若用1 550 nm波长，折射率一般选择在1．468 5。折射率选择不准，影响测试长度。在式(1)中折射率若误差0．001，则在50 000 m的中继段会产生约35 m的误差。在光缆维护和故障排查时很小的失误便会带来明显的误差，测试时一定要引起足够的重视。
2．3 测试脉冲宽度选择
    设置的光脉冲宽度过大会产生较强的菲涅尔反射，会使盲区加大。较窄的测试光脉冲虽然有较小的盲区，但是测试光脉冲过窄时光功率肯定过弱，相应的背向散射信号也弱，背向散射信号曲线会起伏不平，测试误差大。设置的光脉冲宽度既要能保证没有过强的盲区效应，又要能保证背向散射信号曲线有足够的分辨率，能看清光纤沿线上每一点的情况。一般是根据被测光纤长度，先选择一个适当的测试脉宽，预测试一两次后，从中确定一个最佳值。被测光纤的距离较短(小于5 000m)时，盲区可以在10 m以下；被测光纤的距离较长(小于50 000 m)时，盲区可以在200 m以下；被测光纤的距离很长(小于2 500 000 m)时，盲区可高达2 000 m以上。在单盘测试时，恰当选择光脉冲宽度(50 nm)可以使盲区在10 m以下。通过双向测试或多次测试取平均值，盲区产生的影响会更小。
2. 4 测试量程选择
    OTDR的量程是指OTDR的横坐标能达到的最大距离。测试时应根据被测光纤的长度选择量程，量程是被测光纤长度的1．5倍比较好。量程选择过小时，光时域反射仪的显示屏上看不全面；量程选择过大时，光时域反射仪的显示屏上横坐标压缩看不清楚。根据工程技术人员的实际经验，测试量程选择能使背向散射曲线大约占到OTDR显示屏的70％时，不管是长度测试还是损耗测试都能得到比较好的直视效果和准确的测试结果。在光纤通信系统测试中，链路长度在几百到几千千米，中继段长度40～60 km，单盘光缆长度2～4km，合选择OTDR的量程可以得到良好的测试效果。
2．5 平均化时间选择
    由于背向散射光信号极其微弱，一般采用多次统计平均的方法来提高信噪比。OTDR测试曲线是将每次输出脉冲后的反射信号采样，并把多次采样做平均化处理以消除随机事件，平均化时间越长，噪声电平越接近最小值，动态范围就越大。平均化时间为3 min获得的动态范围比平均化时间为1 min获得的动态范围提高0．8 dB。一般来说平均化时间越长，测试精度越高。为了提高测试速度，缩短整体测试时间，测试时间可在0．5～3 min内选择。
    在光纤通信接续测试中，选择1．5 min(90 s)就可获得满意的效果。

3 实施OTDR测试的三种常用方法
    OTDR对光缆和光纤进行测试时节，测试场合包括光缆和光纤的出厂测试，光缆和光纤光缆的施工测试，光缆和光纤的维护测试以及定期测试。OTDR的测试连接如图1所示。

    测试连接的方法是：OTDR一光纤连接器一第1盘光缆一第2盘光缆一第n盘光缆，终端不连接任何设备。根据实际测试工作主要有以下三种方法：
3．1 OTDR后向测试法
    采用这种方法主要对光缆接续进行监测，光缆接续一定要配备专用光纤熔接机和光时域反射仪(OTDR)。熔接机在熔接完一根纤芯后一般都会给出这个接点的估算衰耗值。这种方法测试有三个优点：
    (1)OTDR固定不动，省略了仪表转移所需车辆和大量人力物力；
    (2)测试点选在有市电而不需配汽油发电机的地方；
    (3)测试点固定，减少了光缆开剥。
    同时该方法也有两个缺点：
    (1)因受距离和地形限制，有时无法保证联络的畅通；
    (2)随着接续距离的不断增加，OTDR的测试量程和精度受到限制。
    目前解决这些问题一般有三种方法：
    ①在市内和市郊用移动电话可使测试人员和接续人员随时保持联络，便于组织和协调，有利于提高工作效率。
    ②用光电话进行联络。确定好用一根光纤(如蓝色光纤单元红色光纤)接在光电话上作联络线。当然最后这根作联络用的光纤在熔接和盘纤时就因无法联络而不能进行监测了。即使这样，出现问题的可能性仍会大大降低(如果是24芯光缆，出现问题的概率会降到原来的1／24以下)。
    ③当光缆接续达到一个中继距离时，OTDR向前移动。
    测试实践证明，这些监测方法对保证质量、减少返工是行之有效的。
3．2 OTDR前向单程测试法
    OTDR在光纤接续方向前一个接头点进行测试，用施工车辆将测试仪表和测试人员始终超前转移。使用这种方法进行监测，测试点与接续点始终只有一盘光缆长度，测试接头衰耗准确性高，而且便于通信联络。目前一盘光缆长度大约为2～3 km，一般地形下利用对讲机就可保证通信联络。若光缆有皱纹钢带保护层，也可使用磁石电话进行联络。
    这种测试方法的缺点也很明显，OTDR要搬到每个测试点费工费时，又不利于仪表的保护；测试点还受地形限制，尤其是线路远离公路、地形复杂时更为麻烦。选用便携型OTDR进行监测，近距离测试对仪表的动态范围要求不高，且小型0TDR体积小重量轻移动方便，这样可大大减小测试人员工作量，提高测试速度和工作效率。
3．3 OTDR前向双程测试法
    OTDR位置仍同“前向单程”监测，但在接续方向的始端将两根光纤分别短接，组成回路。这种方法即可满足中继段光纤测试，也可对光纤接续进行监测。对中继段光纤测试可以在光时域反射仪的显示屏上很清楚地看到入射光脉冲、反射光脉冲、接头点、断裂点、故障点以及衰减分布曲线。OTDR测试事件类型及显示如图2所示，它可以为光缆维护提供方便。

    对光纤接续进行监测时由于增加了环回点，所以能在OTDR上测出接续衰耗的双向值。这种方法的优点是能准确评估接头的好坏。
    由于测试原理和光纤结构上的原因，用OTDR单向监测会出现虚假增益的现象，相应地也会出现虚假大衰耗现象。对一个光纤接头来说，两个方向衰减值的数学平均数才能准确反映其真实的衰耗值。比如一个接头从A到B测衰耗为0．16 dB，从B到A测为-0．12 dB，实际上此头的衰耗为[0．16+(-0．12)]／2=0．02 dB。

4 结 语
    OTDR作为光纤通信的主要仪表，在科研、教学、工厂、施工、维护等领域发挥着重要作用。就目前而言OTDR不论进口设备还是国产设备，对测试精度和盲区两个关键问题都会因为测试者的技术发挥有一定的差异。随着时间的推移和科学技术的进步，使用新一代人工智能OTDR进行光纤参数全自动测试，速率会更快、效果会更好。