OTDR的基本原理

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OTDR的基本原理

什么是 OTDR？

基础

OTDR 将激光光源和检测器组合在一起以提供光纤链路的内视图。激光光源发送信号到光纤中，检测器接收从链路的不同元素反射的光。激光光源发送信号到光纤中，检测器在光纤中接收从链路的不同元素反射的光。发送的信号是一个短脉冲，其携带有一定数量的能量。然后，时钟精确计算出脉冲传播的时间，然后将时间转换为距离，便可以得知该光纤的属性。当脉冲沿着光纤传播时，由于连接和光纤自身的反射，一小部分脉冲能量会返回检测器。当脉冲完全返回检测器时，发送第二个脉冲 — 直到取样时间结束。因此，会立即实行多次取样并平均化以提供链路元件的清晰特性图。取样结束后，实行信号处理，除了计算总链路长度、总链路损耗、光回损 (ORL) 和光纤衰减外，还计算每个事件的距离、损耗和反射。使用 OTDR 的主要优势在于单端测试，只需要一位操作人员和一台仪器来鉴定链路质量或查找网络故障。图 #1 显示了 OTDR 的框图。

反射是关键

如前文所述，OTDR 通过读取从所发送脉冲返回的光级别以显示链路情况。请注意，有两种类型的反射光：光纤产生的连续低级别光称为 Rayleigh 背向散射，连接点处的高反射峰值称为 Fresnel 反射。Rayleigh 背向散射用于作为距离的函数以计算光纤中的衰减级别（单位是 dB/km），在 OTDR 轨迹中显示为直线斜率。该现象来源于光纤内部杂质固有的反射和吸取。当光照射到杂质上时，一些杂质颗粒将光重定向到不同的方向，同时产生了信号衰减和背向散射。波长越长，衰减越少，因此，在标准光纤上传输相同距离所需的功率越小。图 2 说明了 Rayleigh 背向散射。

OTDR 使用的第二种反射（Fresnel 反射）可检测链路沿线的物理事件。当光到达折射率突变的位置（比如从玻璃到空气）时，很大一部分光被反射回去，产生 Fresnel 反射，它可能比 Rayleigh 背向散射强上千倍。Fresnel 反射可通过 OTDR 轨迹的尖峰来识别。这样的反射例子有连接器、机械接头、光纤、光纤断裂或打开的连接器。图 3 说明了产生 Fresnel 反射的不同连接。

什么是盲区？

Fresnel 反射引出一个重要的 OTDR 规格，即盲区。有两类盲区：事件和衰减。两种盲区都由 Fresnel 反射产生，用随反射功率的不同而变化的距离（米）来表示。盲区定义为持续时间，在此期间检测器受高强度反射光影响暂时“失明”，直到它恢复正常能够重新读取光信号为止，设想一下，当您夜间驾驶时与迎面而来的车相遇，您的眼睛会短期失明。在 OTDR 领域里，时间转换为距离，因此，反射越多，检测器恢复正常的时间越长，导致的盲区越长。绝大多数制造商以最短的可用脉冲宽度以及单模光纤 -45 dB、多模光纤 -35 dB 反射来指定盲区。为此，阅读规格表的脚注很重要，因为制造商使用不同的测试条件测量盲区，尤其要注意脉冲宽度和反射值。例如，单模光纤 -55 dB 反射提供的盲区规格比使用 -45 dB 得到的盲区更短，仅仅因为 -55 dB 是更低的反射，检测器恢复更快。此外，使用不同的方法计算距离也会得到一个比实际值更短的盲区。

事件盲区

事件盲区是 Fresnel 反射后 OTDR 可在其中检测到另一个事件的最小距离。换而言之，是两个反射事件之间所需的最小光纤长度。仍然以之前提到的开车为例，当您的眼睛由于对面车的强光刺激睁不开时，过几秒种后，您会发现路上有物体，但您不能正确识别它。转过头来说 OTDR，可以检测到连续事件，但不能测量出损耗（如图 4 所示）。OTDR 合并连续事件，并对所有合并的事件返回一个全局反射和损耗。为了建立规格，最通用的业界方法是测量反射峰的每一侧 -1.5 dB 处之间的距离（见图 5）。还可以使用另外一个方法，即测量从事件开始直到反射级别从其峰值下降到 -1.5 dB 处的距离。该方法返回一个更长的盲区，制造商较少使用。

使得 OTDR 的事件盲区尽可能短是非常重要的，这样才可以在链路上检测相距很近的事件。例如，在建筑物网络中的测试要求 OTDR 的事件盲区很短，因为连接各种数据中心的光纤跳线非常短。如果盲区过长，一些连接器可能会被漏掉，技术人员无法识别它们，这使得定位潜在问题的工作更加困难。

衰减盲区

衰减盲区是 Fresnel 反射之后，OTDR 能在其中精确测量连续事件损耗的最小距离。还使用以上例子，经过较长时间后，您的眼睛充分恢复，能够识别并分析路上可能的物体的属性。如图 6 所示，检测器有足够的时间恢复，以使得其能够检测和测量连续事件损耗。所需的最小距离是从发生反射事件时开始，直到反射降低到光纤的背向散射级别的 0.5 dB，如图 7 所示。

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盲区的重要性

短衰减盲区使得 OTDR 不仅可以检测连续事件，还能够返回相距很近的事件损耗。例如，现在就可以得知网络内短光纤跳线的损耗，这可以帮助技术人员清楚了解链路内的情况。

盲区也受其他因素影响：脉冲宽度。规格使用最短脉冲宽度是为了提供最短盲区。但是，盲区并不总是长度相同，随着脉冲变宽，盲区也会拉伸。使用最长的可能的脉冲宽带会导致特别长的盲区，然而这有不同的用途，下文会提到。

动态范围

动态范围是一个重要的 OTDR 参数。此参数揭示了从 OTDR 端口的背向散射级别下降到特定噪声级别时 OTDR 所能分析的最大光损耗。换句话说，这是最长的脉冲所能到达的最大光纤长度。因此，动态范围（单位为 dB）越大，所能到达的距离越长。显然，最大距离在不同的应用场合是不同的，因为被测链路的损耗不同。连接器、熔接和分光器也是降低 OTDR 最大长度的因素。因此，在一个较长时段内进行平均并使用适当的距离范围是增加最大可测量距离的关键。大多数动态范围规格是使用最长脉冲宽度的三分钟平均值、信噪比 (SNR)=1（均方根 (RMS) 噪声值的平均级别）而给定。再次请注意，仔细阅读规格脚注标注的详细测试条件非常重要。

凭经验，大家建议选择动态范围比可能遇到的最大损耗高 5 到 8 dB 的 OTDR。例如，使用动态范围是 35 dB 的单模 OTDR 就可以满足动态范围在 30 dB 左右的需要。假定在 1550 nm 上的典型光纤典型衰减为 0.20 dB/km，在每 2 公里处熔接（每次熔接损耗 0.1 dB），这样的一个设备可以精确测算的距离最多 120 公里。最大距离可以使用光纤衰减除 OTDR 的动态范围而计算出近似值。这有助于确定使设备能够达到光纤末端的动态范围。请记住，网络中损耗越多，需要的动态范围越大。请注意，在 20 μ 指定的大动态范围并不能确保在短脉冲时动态范围也这么大，过度的轨迹过滤可能人为夸大所有脉冲的动态范围，导致不良故障查找解决方案（在即将发表的下一篇文章中将对此进行深入探讨）。

脉冲宽度

什么是脉冲宽度？

脉冲宽度实际上是激光器“开启”的时间。正如大家知道的，时间转换为距离，因此脉冲宽度具有长度值。在 OTDR 中，脉冲携带的能量可以产生鉴定链路所需的背向散射。由于在链路中存在传播损耗（即，衰减、连机器、熔接等），所以脉冲越短，携带的能量越少，传播的距离就越短。长脉冲携带的能量高出很多，可以在非常长的光纤中使用。图 8 说明了作为时间函数的脉冲宽度。

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图 8. 短脉冲与长脉冲

如果脉冲太短，在到达光纤末端前便丢失了能量，使背向散射级别变得很低，甚至低于噪声下限级别而导致信息丢失。这样会导致无法到达光纤末端。因此，由于返回的光纤距离末端远短于实际的光纤长度，而无法测量完整链路。另一个现象是在接近光纤末端时轨迹中噪声太多。OTDR 无法再进行信号分析，测量结果可能出错。

处理脉冲宽度

当轨迹中噪声太多，有两种简便方法获得较清洁的轨迹。第一种方法，增加取样时间，这样可以极大改善（增加）SNR，同时保持良好的短脉冲分辨率。但是，增加平均时间也有限度，因为这不能无限提高 SNR。如果轨迹还不够平滑，大家可以使用第二种方法，即使用下一个可用的更高脉冲（更多能量）。但是，请记住，盲区会随着脉冲宽度的增加而变大。幸运的是，市场上绝大多数 OTDR 都有“自动”模式，可以为被测光纤选择适当的脉冲宽度。当被测光纤长度或损耗未知时，使用该选项会非常方便。

当鉴定网络或光纤特性时，强制要求为被测链路选择正确脉冲宽度。短脉冲宽度、短盲区和低功率用于测试事件相距很近的短链路，而长脉冲、长盲区和高功率则用于到达远程网络或高损耗网络中更远的距离。

采样分辨率和采样点

OTDR 定位事件正确距离的能力依赖于不同参数组合，其中包括采样分辨率和采样点。采样分辨率定义为“仪器所要求的两个连续采样点之间的最小距离”。此参数很重要，因为它定义了最终的距离精度以及 OTDR 故障查找的能力。根据选择的脉冲宽度和距离范围，该值变化范围可为 4 厘米到几米。因此，为了保持最佳分辨率，必须在取样期间取得更多采样点。图 9a 和 9b 说明高分辨率在故障查找中所起的作用。

图 9：分辨率与故障查找效率：(a) 5 米分辨率（较高分辨率）。(b) 15 米分辨率（较低分辨率）。

如上所示，采样点越多，分辨率越高（采样点之间距离短），这是故障查找的终极条件。

结论

市场上有很多型号的 OTDR — 从基础的故障寻找器到高级仪器，可满足不同的测试和测量需求。要在购买 OTDR 时做出正确的选择，必须考虑基本参数。因为如果所选型号不适用于应用，那么仅基于总体性能和价格去选择设备将会出现问题。OTDR 具有复杂的规格，绝大多数都是折衷的结果。深入了解这些参数以及如何去验证这些参数可以帮助购买者作出满足其需求的正确选择，最大化生产率和成本效益。