光缆常用仪表的使用

光缆线路常用仪表的使用一、光时域反射仪 OTDR （Optical Time Domain Reflectometer）㈠概述⒈ OTDR作用：⑴测量光纤长度；⑵光纤故障点；⑶光纤衰耗；⑷光纤接头损耗⒉工作原理由于光纤本身缺陷和掺杂成分非均匀性，光的作用会发生散射现象，瑞利散射。

其强弱通过该处的光功率成正比，也反应了光纤各点的衰耗大小。

如果光纤中断，从此点以后背向散光功率也降为零。

⑴测量光纤长度CV＝———（m/s）NV——光在光纤中传播速度；N——光纤折射率C——为光在真空中传播速度（3×10 8 m/s ）L＝V.T＝c/n.T/2T＝2L/V＝2N/C .L⑵ OTDR结构图如图1图1 OTDR测试原理图各部分的作用如下：光脉冲发生器--控制光源的发送时间，控制数据分析和显示电路与光源同步，以得到正确的分析结果。

光方向耦合器--将光源发出的光耦合到被测光纤，并将光纤沿线各点反射回的光耦合到光检测器。

放大器—将光检测器送来的电信号放大、整形。

信号处理—将反射回的信号与发送脉冲比较，计算出相关数据；并配有分析配有分析电路，为曲线分析提供支持。

O/E、E/O—光电、电光转换。

3、基本术语⑴背向散射曲线定义：光纤自身反射回的光信号称为背向散射光（简称背向散射）。

原因：产生背向散射光的主要原因是瑞利散射。

瑞利散射是由于光纤折射率的不同而引起的，散射会作用于整个光纤。

瑞利散射将光信号向四面八方散射，我们把其中沿光纤原链路返回OTDR 的散射光称为背向散射光。

应用：OTDR正是利用其接收到的背向散射光强度的变化来衡量被测光纤上各事件损耗的大小；OTDR不仅能对各事件点上的反射光信号进行测量，同时也可以对光纤本身的反射光信号进行测量。

因此我们可以在OTDR上观察到光纤沿线各点上曲线状况。

⑵非反射事件光纤的熔接头和微弯都会带来损耗，但不会引起反射。

由于它们的反射较小，我们称之为非反射事件。

非反射事件在OTDR测试结果曲线上，以背向散射电平上附加一突然下降台阶的形式表现出来。

因此在竖轴上的改变即为该事件的损耗大小，如图2。

图2 OTDR测试事件类型及显示⑶反射事件活动连接器、机械接头和光纤中的断裂点都会引起损耗和反射，我们把这种反射幅度较大的事件称之为反射事件。

反射事件的损耗大小同样是由背向散射电平值的改变量来决定。

反射值（通常以回波损耗的形式表示）是由背向散射曲线上反射峰的幅度所决定，OTDT测试事类型及显示如上图所示。

⑷光纤未端光纤未端有两种情况。

①如果光纤的末端是平整的端面或在末端接有活动连接器（平整、抛光），在光纤的末端就会存在反射率为4%的菲涅尔反射。

②如果光纤端面是破裂的端面，由于末端端面的不规则性会使光线漫射而不引起反射。

在OTDR上的显示如图3反射式光纤末端非反射式光纤末端垂直切割的端面或未使用的连接器无规则的光纤末端或小动态范围时图3 两种光纤未端及曲线显示示意图第一种情况为一个反射幅度较高的菲涅尔反射。

第二种情况光纤末端显示的曲线从背向反射电平简单地降到OTDR噪声电平以下。

有时破裂的末端也可能会引起反射，但它的反射峰不会像平整端面或活动连接带来的反射峰那么大。

③其他几种光纤末端的识别（如图4所示）。

在测量光纤长度确定游标B时，必须选准光纤末端，才能精确测量出光纤长度。

在测试过程中，会遇到以下几种光纤末端的显示曲线，以便于区分。

图44、OTDR的性能参数⑴动态范围①定义：我们把初始背向散射电平与噪声电平的差值（dB）定义为动态范围。

②动态范围的作用：动态范围可决定最大测量长度；大动态范围可提高远端小信号的分辨率；动态范围越大，测试速度越快；动态范围是衡量仪表性能的重要指标。

③动态范围的表示方法：有峰-峰值（又称峰值动态范围）和信噪比（SNR=1）两种表示方法。

峰-峰值（简称峰值）动态范围，是一种传统的、比较有意义的指标，它取背向散射电平初始点的电平值与噪声峰值电平之差为峰值动态范围。

SNR=1动态范围，它取背向散射电平初始点的电平值与噪声电平的均方根值之差为SNR=1时的动态范围。

在峰值动态范围表示中，背向散射信号电平与噪声电平峰值相等或低于噪声电平时，背向散射信号就成为不可见信号（信号被噪声淹没），两种表示如图5。

④动态范围的作用：动态范围大小决定仪器可测量光纤的最大长度。

如果OTDR的动态范围不够大，在测量远距离背向散射信号时，就会被噪声淹没，将不能观察到接头、弯曲等小特征点。

在进行全程光纤链路事件损耗测量时，观察事件点损耗所需的信噪比，再加上光纤的链路损耗即为所需测量仪表的动态范围。

如图6所示。

图5 OTDR动态范围示意图图6 动态范围的应用示意图分辨事件损耗所需信噪比电平值见表例如，当一条端到端的光纤链路损耗为22dB，为了对光纤末端一个损耗为0.02dB的事件进行有效测量时，我们需要一个动态范围为34dB((22dB+12dB,SNR=1)的OTDR。

⑤测量范围与动态范围的关系初始背向散射电平与一定测量精度下可识别事件点电平的最大衰减差值被定义为测量范围，测量范围与动态范围的关系如图7所示。

图7 OTDR动态范围与测量范围示意图针对各种测量事件，其测量范围与动态范围的关系如表2注：动态范围是指SNR=1时的动态范围。

⑥距离刻度距离刻度是表示OTDR测量光纤的长度指标，是OTDR的主要参数。

仪表一般只给出最大测试距离刻度。

把仪表给出的最大距离刻度理解为可测光纤的最大距离是一种常见的错误，最长测量距离一般由仪表的动态范围和被测光纤的衰减所决定。

当背向散射电平低于OTDR噪声电平时，背向散射信号成了不可见信号，在此之外的距离刻度上只能显示噪声。

⑵盲区盲区决定OTDR测量精细程度的重要指标。

①定义我们将由活动连接器和机械接头等特征点产生反射（菲涅尔反射）后，引起OTDR接收端饱合而带来的一系列“盲点”称为盲区。

主要有衰减盲区和事件盲区。

②衰减盲区从反射峰的起点到接收器从饱和峰值恢复到距线性背向散射后延线上0.5dB点间的距离（贝尔实验室建议0.1dB到0.5dB更常用）。

③事件盲区从反射峰的起始点到接收器从饱和峰值恢复到距峰值1.5dB点间的距离。

在这点之后紧接的第二个反射为可识别反射，但这时非反射事件、损耗和衰减仍为不可测事件。

衰减盲区和事件盲区可参照图8。

图8 事件、衰减盲区示意图盲区决定了2个可测特征点靠近程度，盲区有时也被称为OTDR的2点分辨率。

对OTDR来说，盲区越小越好。

④盲区和动态范围间的关系盲区：决定OTDR横轴上事件的精确程度；动态范围：决定OTDR纵轴上事件的损耗情况和可测光纤的最大距离。

影响动态范围和盲区的因素：主要有脉冲宽度、平均时间、反射和OTDR接收电路设计等。

◆脉宽的影响对动态范围的影响：在脉冲幅度相同的条件下，脉冲宽度越大，脉冲能量就越大，此时，OTDR 的动态范围也越大。

仪表给出的动态范围是在最大脉冲时的指标。

对盲区的影响：脉冲宽度越宽，盲区就越大；较窄的脉冲会有较小的盲区，使我们能分辨出光纤中部两个相近的机械接头，而宽脉冲则不能显示出来；仪表给出的盲区是指最小脉宽时的指标。

脉冲宽度的选择：如需对靠近OTDR附近的光纤和紧邻事件进行观测时可选择窄脉冲，以便于分辨两个事件，提高清晰度；如需对光纤远端进行观察时，可选择宽脉冲，以提高仪表的动态范围，观测更长的距离。

对于两个非常接近的事件，当采用窄、宽脉冲测试时有如图9所示不同的曲线。

图9 脉冲宽度对测量的影响◆平均时间对动态范围的影响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处理以消除一些随机事件，平均时间越长，噪声电平越接近最小值，动态范围就越大。

OTDR的动态范围是按贝尔实验室TRTSY-000196中定义的平均时间为3min时的指标。

平均时间越长,测试精度越高，但达到一定程度时精度不再提高。

为提高测试速度，缩短整体测试时间，一般测试时间可在0.5—3min内选择（厂家建议平均时间不小于30s）。

平均时间对动态范围的影响如图10所示。

图10 平均时间对动态范围的影响◆反射对盲区的影响OTDR是利用光纤对光信号的后向散射来观察沿光纤分布的光纤质量，对于一般的后向散射信号，不会出现盲区。

但对于某些点出现较大反射峰（光纤端面），产生的盲区也越大（接收器恢复时间较长）。

⑶距离精度距离精度是指测试光纤长度时仪表的准确度（又叫一点分辨率）。

OTDR的距离精度与仪表的采样间隔、时钟精度、光纤折射率、光缆的成缆因素和仪表的测试误差有关。

①采样间隔的影响OTDR对反射信号按一定时间间隔进行采样（其过程A/D转换），然后再将这些分离的采样点连接起来形成最后显示的测量曲线（后向散射曲线）。

仪表的采样点的数是有限的，故仪表的精度也是有限的。

采样间隔越小，仪表的测试精度就越高，由采样点偏差而带来的测量误差就越小。

普通分辨率时，HP8147的采样点数为16000；高分辨率时，HP8147的采样点数为32000。

采样间隔对测试的影响示意图如图11所示。

图11 采样点对测试的影响②时钟的影响时钟对OTDR的影响的有两个方面：当采用仪表内部时钟时，对测量精度影响较小；当利用外部时钟时，测量精度取决于外部时钟的精度。

③折射率的影响OTDR是通过对反射信号时间参数进行测量后再按特定的公式来计算距离参数。

计算公式为： L＝V×T＝T×C/n式中：C为光在真空中的速度，n为纤芯的折射率，T为光在光纤中传播时间的一半。

当用户对光纤折射率设置存在偏差时，即使很小（1%）对于长距离测量也会引起显著的误差（20km时1%的误差为200m）。

为减少折率射对测试距离的影响，在OTDR测试时输入的折射率必须准确（或尽量准确）；当几段光缆的折射率不同时可采用分段设置的方法，以减小因折射率设置误差而造成的测试误差。

分段设置折射率示意图如图12所示。

图12 分段设置折率射率示意图④光缆成缆因素的影响OTDR测量的是光纤的长度，通常光纤的长度大于光缆的长度。

在确定光缆上各点位置时，一定要考虑成缆因素对测试造成的影响。

光缆成缆时的扭绞系数一般在7%左右。

⑤仪表的测试误差仪表测试的误差与仪表的设计、制造技术和仪表应用软件有关。

HP8147给出的测试误差为100km小于17米。

在以上影响OTDR的距离精度的因素中，折射率设置偏差影响最大；采样间隔、成缆因素和仪表误差影响次之；时钟精度影响可忽略不计（采用内部时钟时）。

OTDR给出的距离精度一般只包括采样间隔和时钟带来的测量误差，此时误差指标较小。

⑷ OTDR接收电路设计（简称OTDR设计）OTDR设计：主要是指接收电路部分可分为高分辨率和长距离两种优化设计，表现在仪表上为高分辨率OTDR和长距离OTDR两种优化模式。