OTDR光纤测试法及在光缆施工中的应用

中铁五局电务公司 龙安仁

OTDR光纤测试法及在光缆施工中的应用

中铁五局电务公司 龙安仁

OTDR作为光纤通信的主要测试仪表之一，在光缆施工、维护等领域发挥着重要作用。为提高测试者技术水平，解决测试精度和盲区两个关键问题，本文对OTDR基本原理、参数设置和OTDR光纤测试法在光缆施工中的应用进行了介绍，总结了解决OTDR光纤测试中出现问题的经验与措施。

OTDR；参数设置；光纤测试法；光缆施工；经验与措施

OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光时域反射仪)是表征光纤传输特性的测试仪器。OTDR是光纤测试领域中的主要仪表，被广泛应用于光缆线路的施工、维护之中，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具有非破坏性、测试时间短、测试速度快、测试精度高等优点。

1.支持OTDR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（1）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.OTDR结构方框图

图1是OTDR原理结构方框图。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。

3.保障OTDR精度的五个参数设置

3.1 测试波长选择

波长，这样测试效果会更好。

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1310nm或1550nm。由于1550nm波长对光纤弯曲损耗的影响比1310nm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1550nm波长。

1310nm和1550nm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1550nm波长测试没有发现问题，那么1310nm波长测试也肯定没问题。

选择1550nm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1310nm波长复测，若在1310nm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1310nm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1550nm

图1 OTDR原理结构方框图

图2 OTDR测试连接图

图3 OTDR测试曲线事件类型及显示

3.2 光纤折射率选择

现在使用的单模光纤的折射率基本在1.4600-1.4800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1310nm波长，折射率一般选择在1.4680；若用1550nm波长，折射率一般选择在1.4685。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50000m的中继段会产生约35m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。

3.3 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5000m)时，盲区可以在10m以下；被测光纤的距离较长(小于50000m)时，盲区可以在200m以下；被测光纤的距离很长(小于2500000m)时，盲区可高达2000m以上。

在单盘测试时，恰当选择光脉冲宽度(50nm)可以使盲区在10m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。

3.4 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40-60km，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。

3.5 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3min获得的动态范围比平均化时间为1min获得的动态范围提高0.8dB。

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0.5-3min内选择。

在光纤通信接续测试中，选择1.5min(90s)就可获得满意的效果。

4.OTDR光纤测试法在光缆施工中的应用

应用OTDR在光缆施工中对光纤进行测试时，包括光缆到货后的单盘测试、光纤接续测试、光纤中继段测试和光纤故障点测量。OTDR的测试连接如图2所示。

测试连接的方法是：OTDR-过渡光纤-光纤连接器-第1盘光缆-第2盘光缆-第n盘光缆，终端不连接任何设备。OTDR测试曲线事件类型及显示如图3所示。

4.1 单盘测试

在光缆到货后进行的单盘测试中，应用OTDR测试光纤平均损耗和光纤长度，并通过对光纤OTDR测试曲线的观察分析，确认光缆的质量合格与否。

4.2 光纤接续测试

在用光纤熔接机对光纤进行接续时，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，但为保证光纤接续损耗符合要求，应采用光时域反射仪(OTDR)进行监测。

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0.16dB，从B到A测为-0.12dB，实际上此头的衰耗为[0.16+(-0.12)]／2=0.02dB。

现场监测主要有以下三种方法：

4.2.1 OTDR后向测试法

OTDR在光纤接续方向后端进行测试，始终保持固定不动。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)。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。

4.2.2 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2-3km，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。

4.2.3 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。

4.3 中继段测试

在中继段测试中可应用OTDR测试中继段光纤总损耗、平均损耗、光纤长度和回波损耗，并通过对光纤OTDR测试曲线的观察分析，确认整个中继段光纤的质量合格与否。但由于OTDR测试存在近端盲区，会造成损耗测试数据不准确，光纤中继段损耗宜使用稳定光源和光功率计进行测试，用OTDR进行测试曲线观察分析。

4.4 故障点测试

应用OTDR测试，可以较为准确的测定故障点与测试点之间的距离。为提高测试精度，可在离故障点最近的光纤接头处进行测试。

5.解决OTDR光纤测试中出现问题的经验与措施

5.1 接头清洁

不清洁的连接器导致测量不可靠、曲线多噪音甚至使测量不能进行，它还可能损坏OTDR。要获得精确的、可重复的测量，光系统内所有物理连接点清洁极为重要，单模光纤的模场直径不到10μm，50μm直径的尘粒有可能完全中断光传输。即使遮拦5%的光传输区域，也会增加0.22dB的插入损耗。避免用酒精以外的其它清洗剂或折射率匹配液，因为它们可使光纤连接器内粘合剂溶解。如不可避免地要用折射率匹配液，则要用专用于光纤连接器的特殊匹配液。

5.2 熔接增益

不同模场直径或不同后向散射系数的光纤的熔接，在OTDR曲线上可能会产生一正增益，这一正增益是由于在熔接点之后的光纤比熔接点之前的光纤产生更多的后向散射光而形成的。事实上，光纤在这一熔接点上是熔接损耗的，因此，需要在两个方向测量并对结果取平均作为该熔接损耗。

5.3 鬼影

在OTDR曲线上的尖峰有时并不是有真正的连接器或断点引起的菲涅尔反射峰，而是由于离入射端较近且强的反射引起的回音，这种尖峰被称为鬼影，如图4所示。入射光脉冲在两个连接器1，2之间来回反射，使得在OTDR曲线的G1处产生一个尖峰(鬼影)，图4中终结强反射还可以引起鬼影G2。有两个特征可用于识别鬼影：曲线上鬼影处未引起明显损耗；沿曲线鬼影与始端的距离是强反射事件与始端距离的倍数。可通过以下方法消除鬼影：在强反射处使用折射率匹配液以减小反射、选择短脉冲宽度以减小注入功率、在强反射之前的光纤中增加衰减。如果引起鬼影的事件位于光纤终结，可绕合适的工具(如铅笔)几圈以衰减反射回始端的光而得到消除鬼影的目的。

5.4 折射率与散射系数的校正

就光纤长度测量而言，折射率系数每0.01的偏差会引起每公里7米之多的误差，对于较长的光纤段，应采用光缆制造商提供的折射率值。如果折射率系数未知，但一段相同种类光纤的长度已知，那么可以将光标放在已知长度的光纤末端，并调整折射率系数直至测得的两点距离符合已知距离，则折射率系数就可以计算出来了。工程中，为了施工和抢修的方便，提出光缆折射率，它是把光缆绞缩率或光纤余长考虑在内的折射率，可以帮助测试人员快速测试光缆皮长。如果需要精确测量光纤段的回波损耗或连接器的反射，需采用光缆制造商提供的散射系数值。若散射系数未知，但在一条类似的光纤中也存在反射且回波损耗已知，那么相应的散射系数可以通过下述方法获得：对已知反射进行回波损耗测量，调节散射系数直至测量的回损值符合已知的回损值。需要注意的是，当将距离测量和以前对同一光纤段的测量进行比较时，应使用同一个折射率系数；当把一个回损测量值与先前对同一光纤连接所测的回损值进行比较时，应使用同一个散射系数。

5.5 过渡光纤的使用

过渡光纤是一段用于连接OTDR与待测光纤、长300-2000m的光纤，其主要用处为：前端盲区处理和终端连接器插入损耗测量。一般来说，OTDR与待测光纤间的连接器引起的盲区最大。在光纤实际测量中，有时为避免这一大的前端盲区淹没待测光纤开始一段内的细节，在OTDR与待测光纤间加接一段过渡光纤，使前端盲区落在过渡光纤内，而待测光纤始端落在OTDR曲线的线性稳定区。过渡光纤的长度视具体情况而定。光纤系统终端连接器插入损耗可通过OTDR加一段过渡光纤来测量。如要测量首端连接器的插入损耗，可在OTDR与待测光纤首端加一过渡光纤；如要测量首、尾两端连接器的插入损耗，可在每端都加一过渡光纤。过渡光纤的特性应与被测光纤一致，且连接器应是高质量的。

5.6 超长中继测量

当光纤线路损耗在OTDR动态范围内时，一般应对两个方向各测一次，每个方向的测试曲线应包括全部长度的完整曲线。对超长中继段，当其线路损耗超出OTDR的动态范围时，可从两个方向测至中间(中间汇合点不应落在接头位置，且两个方向的测量距离各为全程的一半左右)，曲线记录时，移动光标至“合拢处”的汇合点，使显示数据长度相加值为中继段全长，损耗值相加即为中断段线路损耗。此方法虽未全部双向测量，但实际统计分析表明，由于中继段是由很多光缆连接而成，方向误差呈自然平衡状态，两个方向各测一半，其结果与由中间分两段双向测量的统计值基本一致。

图4 鬼影的形成

6.结束语

OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光时域反射仪)作为光纤通信的主要测试仪表之一，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。

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