OTDR

OTDR的英文全稱是Optical Time Domain Reflectometer，中文意思為光時域反射儀。OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產生的背向散射而製成的精密的光電一體化儀表，它被廣泛套用於光纜線路的維護、施工之中，可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。

基本介紹

• 中文名：光時域反射儀
• 外文名：Optical Time Domain Reflectometer
• 簡稱：OTDR
• 套用：光纜線路的維護、施工之中
• 國產品牌：中電34所
• 原理：瑞利散射和菲涅爾反射

工作原理

OTDR(光學時域反射技術)的基本原理是利用分析光纖中後向散射光或前向散射光的方法測量因散射、吸收等原因產生的光纖傳輸損耗和各種結構缺陷引起的結構性損耗，當光纖某一點受溫度或應力作用時，該點的散射特性將發生變化，因此通過顯示損耗與光纖長度的對應關係來檢測外界信號分布於感測光纖上的擾動信息。

OTDR測試是通過發射光脈衝到光纖內,然後在OTDR連線埠接收返回的信息來進行。當光脈衝在光纖內傳輸時，會由於光纖本身的性質，連線器，接合點，彎曲或其它類似的事件而產生散射，反射。其中一部分的散射和反射就會返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測器來測量，它們就作為光纖內不同位置上的時間或曲線片斷。從發射信號到返回信號所用的時間，再確定光在玻璃物質中的速度，就可以計算出距離。以下的公式就說明了OTDR是如何測量距離的。

d=(c×t)/2(IOR)

在這個公式里，c是光在真空中的速度，而t是信號發射後到接收到信號（雙程）的總時間（兩值相乘除以2後就是單程的距離）。因為光在玻璃中要比在真空中的速度慢，所以為了精確地測量距離，被測的光纖必須要指明折射率（IOR）。IOR是由光纖生產商來標明。

工作特徵

OTDR使用瑞利散射和菲涅爾反射來表征光纖的特性。瑞利散射是由於光信號沿著光纖產生無規律的散射而形成。OTDR就測量回到OTDR連線埠的一部分散射光。這些背向散射信號就表明了由光纖而導致的衰減（損耗/距離）程度。形成的軌跡是一條向下的曲線，它說明了背向散射的功率不斷減小，這是由於經過一段距離的傳輸後發射和背向散射的信號都有所損耗。

給定了光纖參數後，瑞利散射的功率就可以標明出來，如果波長已知，它就與信號的脈衝寬度成比例：脈衝寬度越長，背向散射功率就越強。瑞利散射的功率還與發射信號的波長有關，波長較短則功率較強。也就是說用1310nm信號產生的軌跡會比1550nm信號所產生的軌跡的瑞利背向散射要高。

在高波長區（超過1500nm），瑞利散射會持續減小，但另外一個叫紅外線衰減（或吸收）的現象會出現，增加並導致了全部衰減值的增大。因此，1550nm是最低的衰減波長；這也說明了為什麼它是作為長距離通信的波長。很自然，這些現象也會影響到OTDR。作為1550nm波長的OTDR，它也具有低的衰減性能，因此可以進行長距離的測試。而作為高衰減的1310nm或1625nm波長，OTDR的測試距離就必然受到限制，因為測試設備需要在OTDR軌跡中測出一個尖鋒，而且這個尖鋒的尾端會快速地落入到噪音中。

菲涅爾反射是離散的反射，它是由整條光纖中的個別點而引起的，這些點是由造成反向係數改變的因素組成，例如玻璃與空氣的間隙。在這些點上，會有很強的背向散射光被反射回來。因此，OTDR就是利用菲涅爾反射的信息來定位連線點，光纖終端或斷點。

OTDR的工作原理就類似於一個雷達。它先對光纖發出一個信號，然後觀察從某一點上返回來的是什麼信息。這個過程會重複地進行，然後將這些結果進行平均並以軌跡的形式來顯示，這個軌跡就描繪了在整段光纖內信號的強弱。

盲區概念

Fresnel 反射引出一個重要的 OTDR 規格，即盲區。有兩類盲區：事件和衰減。兩種盲區都由 Fresnel 反射產生，用隨反射功率的不同而變化的距離（米）來表示。盲區定義為持續時間，在此期間檢測器受高強度反射光影響暫時“失明”，直到它恢復正常能夠重新讀取光信號為止，構想一下，當您夜間駕駛時與迎面而來的車相遇，您的眼睛會短期失明。在 OTDR 領域裡，時間轉換為距離，因此，反射越多，檢測器恢復正常的時間越長，導致的盲區越長。絕大多數製造商以最短的可用脈衝寬度以及單模光纖 -45 dB、多模光纖 -35 dB 反射來指定盲區。為此，閱讀規格表的腳註很重要，因為製造商使用不同的測試條件測量盲區，尤其要注意脈衝寬度和反射值。例如，單模光纖 -55 dB 反射提供的盲區規格比使用 -45 dB 得到的盲區更短，僅僅因為 -55 dB 是更低的反射，檢測器恢復更快。此外，使用不同的方法計算距離也會得到一個比實際值更短的盲區。

圖五 測量事件盲區

事件盲區

事件盲區是 Fresnel 反射後 OTDR 可在其中檢測到另一個事件的最小距離。換而言之，是兩個反射事件之間所需的最小光纖長度。仍然以之前提到的開車為例，當您的眼睛由於對面車的強光刺激睜不開時，過幾秒種後，您會發現路上有物體，但您不能正確識別它。轉過頭來說 OTDR，可以檢測到連續事件，但不能測量出損耗（如圖 4 所示）。OTDR 合併連續事件，並對所有合併的事件返回一個全局反射和損耗。為了建立規格，最通用的業界方法是測量反射峰的每一側 -1.5 dB 處之間的距離（見圖 5）。還可以使用另外一個方法，即測量從事件開始直到反射級別從其峰值下降到 -1.5 dB 處的距離。該方法返回一個更長的盲區，製造商較少使用。

圖 6. 衰減盲區

圖四 合併長盲區事件

使得 OTDR 的事件盲區儘可能短是非常重要的，這樣才可以在鏈路上檢測相距很近的事件。例如，在建築物網路中的測試要求 OTDR 的事件盲區很短，因為連線各種數據中心的光纖跳線非常短。如果盲區過長，一些連線器可能會被漏掉，技術人員無法識別它們，這使得定位潛在問題的工作更加困難。

衰減盲區

衰減盲區是 Fresnel 反射之後，OTDR 能在其中精確測量連續事件損耗的最小距離。還使用以上例子，經過較長時間後，您的眼睛充分恢復，能夠識別並分析路上可能的物體的屬性。如圖 6 所示，檢測器有足夠的時間恢復，以使得其能夠檢測和測量連續事件損耗。所需的最小距離是從發生反射事件時開始，直到反射降低到光纖的背向散射級別的 0.5 dB，如圖 7 所示。

盲區的重要性

短衰減盲區使得 OTDR 不僅可以檢測連續事件，還能夠返回相距很近的事件損耗。例如，可以得知網路內短光纖跳線的損耗，這可以幫助技術人員清楚了解鏈路內的情況。

盲區也受其他因素影響：脈衝寬度。規格使用最短脈衝寬度是為了提供最短盲區。但是，盲區並不總是長度相同，隨著脈衝變寬，盲區也會拉伸。使用最長的可能的脈衝寬頻會導致特別長的盲區，然而這有不同的用途，下文會提到。

動態範圍

動態範圍是一個重要的 OTDR 參數。此參數揭示了從 OTDR 連線埠的背向散射級別下降到特定噪聲級別時 OTDR 所能分析的最大光損耗。換句話說，這是最長的脈衝所能到達的最大光纖長度。因此，動態範圍（單位為 dB）越大，所能到達的距離越長。顯然，最大距離在不同的套用場合是不同的，因為被測鏈路的損耗不同。連線器、熔接和分光器也是降低 OTDR 最大長度的因素。因此，在一個較長時段內進行平均並使用適當的距離範圍是增加最大可測量距離的關鍵。大多數動態範圍規格是使用最長脈衝寬度的三分鐘平均值、信噪比 (SNR)=1（均方根 (RMS) 噪聲值的平均級別）而給定。再次請注意，仔細閱讀規格腳註標註的詳細測試條件非常重要。

圖 7. 測量衰減盲區

憑經驗，我們建議選擇動態範圍比可能遇到的最大損耗高 5 到 8 dB 的 OTDR。例如，使用動態範圍是 35 dB 的單模 OTDR 就可以滿足動態範圍在 30 dB 左右的需要。假定在 1550 nm 上的典型光纖典型衰減為 0.20 dB/km，在每 2 公里處熔接（每次熔接損耗 0.1 dB），這樣的一個設備可以精確測算的距離最多 120 公里。最大距離可以使用光纖衰減除 OTDR 的動態範圍而計算出近似值。這有助於確定使設備能夠達到光纖末端的動態範圍。請記住，網路中損耗越多，需要的動態範圍越大。請注意，在 20 μ 指定的大動態範圍並不能確保在短脈衝時動態範圍也這么大，過度的軌跡過濾可能人為誇大所有脈衝的動態範圍，導致不良故障查找解決方案。