基于OTDR技術(shù)的光纖測試方法探討

    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)量高等特點而成為當(dāng)今信息傳輸?shù)闹饕侄?，是“信息高速公路”的基石?strong>光纖測試技術(shù)是光纖應(yīng)用領(lǐng)域中最廣泛、最基本的一項專門技術(shù)。OTDR是光纖測試技術(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)行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。OTDR具有測試時間短、測試速度快、測試精度高等優(yōu)點。

1 支持OFDR技術(shù)的兩個基本公式
    OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光時域反射儀)是利用光脈沖在光纖中傳輸時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)不同位置上的時間或曲線片斷。根據(jù)發(fā)射信號到返回信號所用的時間，再確定光在石英物質(zhì)中的速度，就可以計算出距離(光纖長度)L(單位：m)，如式(1)所示。
   
    式中，n為平均折射率，△t為傳輸時延。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算出衰減a(單位：dB／km)，如式(2)所示：
   

2 保障OTDR精度的五個參數(shù)設(shè)置
2．1 測試波長選擇
    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1 310 nm或1 550 nm。由于1 550 nm波長對光纖彎曲損耗的影響比1 310 nm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)行實驗、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1 550 nm波長。1 310nm和1 550 nm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1 550 nm波長測試沒有發(fā)現(xiàn)問題，那么1 310 nm波長測試也肯定沒問題。選擇1 550 nm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1 310 nm波長復(fù)測，若在1 310 nm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1 310 nm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1 550 nm波長，這樣測試效果會更好。
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)廠家提供的實際值來精確選擇。對于G．652單模光纖，在實際測試時若用1 310 nm波長，折射率一般選擇在1．468 0；若用1 550 nm波長，折射率一般選擇在1．468 5。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50 000 m的中繼段會產(chǎn)生約35 m的誤差。在光纜維護(hù)和故障排查時很小的失誤便會帶來明顯的誤差，測試時一定要引起足夠的重視。
2．3 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的情況。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5 000m)時，盲區(qū)可以在10 m以下；被測光纖的距離較長(小于50 000 m)時，盲區(qū)可以在200 m以下；被測光纖的距離很長(小于2 500 000 m)時，盲區(qū)可高達(dá)2 000 m以上。在單盤測試時，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。
2. 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，光時域反射儀的顯示屏上看不全面；量程選擇過大時，光時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)人員的實際經(jīng)驗，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，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40～60 km，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。
2．5 平均化時間選擇
    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。平均化時間為3 min獲得的動態(tài)范圍比平均化時間為1 min獲得的動態(tài)范圍提高0．8 dB。一般來說平均化時間越長，測試精度越高。為了提高測試速度，縮短整體測試時間，測試時間可在0．5～3 min內(nèi)選擇。
    在光纖通信接續(xù)測試中，選擇1．5 min(90 s)就可獲得滿意的效果。

3 實施OTDR測試的三種常用方法
    OTDR對光纜和光纖進(jìn)行測試時節(jié)，測試場合包括光纜和光纖的出廠測試，光纜和光纖光纜的施工測試，光纜和光纖的維護(hù)測試以及定期測試。OTDR的測試連接如圖1所示。

    測試連接的方法是：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)實際測試工作主要有以下三種方法：
3．1 OTDR后向測試法
    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)和光時域反射儀(OTDR)。熔接機(jī)在熔接完一根纖芯后一般都會給出這個接點的估算衰耗值。這種方法測試有三個優(yōu)點：
    (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)測試點選在有市電而不需配汽油發(fā)電機(jī)的地方；
    (3)測試點固定，減少了光纜開剝。
    同時該方法也有兩個缺點：
    (1)因受距離和地形限制，有時無法保證聯(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，OTDR向前移動。
    測試實踐證明，這些監(jiān)測方法對保證質(zhì)量、減少返工是行之有效的。
3．2 OTDR前向單程測試法
    OTDR在光纖接續(xù)方向前一個接頭點進(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，測試點與接續(xù)點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2～3 km，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也很明顯，OTDR要搬到每個測試點費工費時，又不利于儀表的保護(hù)；測試點還受地形限制，尤其是線路遠(yuǎn)離公路、地形復(fù)雜時更為麻煩。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。
3．3 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、斷裂點、故障點以及衰減分布曲線。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)測時由于增加了環(huán)回點，所以能在OTDR上測出接續(xù)衰耗的雙向值。這種方法的優(yōu)點是能準(zhǔn)確評估接頭的好壞。
    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)確反映其真實的衰耗值。比如一個接頭從A到B測衰耗為0．16 dB，從B到A測為-0．12 dB，實際上此頭的衰耗為[0．16+(-0．12)]／2=0．02 dB。

4 結(jié) 語
    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)備還是國產(chǎn)設(shè)備，對測試精度和盲區(qū)兩個關(guān)鍵問題都會因為測試者的技術(shù)發(fā)揮有一定的差異。隨著時間的推移和科學(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。