光时域反射仪(OTDR)

实验24 光时域反射仪（OTDR）A13组陆林轩033012017[实验目的]1、光时域反射仪的原理和使用操作。

2、光纤传输长度和光纤损耗系数的测量。

3、光纤故障点的监测方法。

[实验原理]光时域反射仪OTDR工作原理图如图1。

由激光器发出的光脉冲注入到光纤后，在开始端接收到的光能量可以分为两种类型：一种是光纤断面或者连接界面的菲涅尔反射光；另一种是瑞利散射光。

通过测量分析这些后向散射光的功率,可以得到沿光纤长度分布的衰减曲线。

通过分析衰减曲线，可以知道光纤对光信号的衰减程度，光纤中的联结点、耦合点和断点的位置，以及光纤弯曲和受压过大的情况也可以容易测到(如图2所示)。

图1 OTDR工作原理图图2 OTDR测量图像对于菲涅耳反射光，设入射光功率为fin P ，反射光功率为fre P ，则由菲涅耳公式可得：222112211fin frecos n cos n cos n cos n P P ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-=θθθθ （24.1） 上式中21θθ、分别为入射角和折射角，其反射率（用dB 表示）为：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-⋅==222112211finfref f cos n cos n cos n cos n P P 10lg R 10lg dB R θθθθ)()( （24.2） 至于瑞利散射，它是由介质材料的随机分子结构相联系的本征介质常数分布的微观不均匀性所引起的电磁波的散射损耗。

在微观分子尺度上来看，当电磁波沿介质传播时，可以从单个分子产生散射，这种散射使波的传播受到阻碍，从而使速度减慢，产生相位滞后。

偏离出原来波的传播方向的散射光有随机的相位，这些随机相位的散射子波大部分能相互抵消，而沿传播方向的散射光则相干叠加继续向前传播，其速度为c c/n 。

与此同时，尚有少量由分子散射的不相干光没有完全抵消，这些子波逸出传输光束从而形成瑞利散射损耗，其中部分散射功率朝反向传播，此后向散射光功率即为OTDR 的物理基础。

当激光不断射入光纤中时，光纤本身会不断产生反向的瑞利散射，通过测量分析瑞利散射光的功率，可以得到沿光纤长度分布的衰减曲线。

入射光功率为0P ，频率为ν。

当光纤中l 处的反向散射光传播到光纤初始端时的功率为s P ，光纤l 处的损耗为)(l α，则有：)(l 2P P ln dz d 0sα=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ （24.3） 由上式知一根好的光纤的OTDR 曲线应该趋于一条斜率不变的直线。

根据上式，光纤中1l 和2l 之间的平均衰减系数为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=211202011212P P ln 2l 1PP ln P P ln 2l 1α (24.4) 上式的量纲为1/km ，将其化为dB/km 后，衰减系数公式变为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛=211212P P lg 2l 10α （24.5） 利用OTDR 进行光纤线路的测试，一般有三种方式：自动方式、手动方式、实时方式。

当需要概览整条线路的状况是，采用自动方式，它只需要设置折射率、波长最基本的参数，其它由仪表在测试中自动设定，按下自动测试键，整条曲线和事件表都会被显示，测试时间短、速度快、操作简单，宜在查找故障的段落和部位时使用。

手动方式需要对几个主要的参数全部进行设置，主要用于对测试曲线上的时间进行详细分析，一般通过变换、移动游标、放大曲线的某一段落等功能对事件进行准确定位，提高测试的分辨率。

增加测试的精度，在光纤线路的实际测试中常被采用。

实时方式是对曲线不断的扫描刷新，可以对光纤网路进行实时监测。

OTDR 可测试的主要参数有：（1）纤长和事件点的位置；（2）光纤的衰减和衰减分布情况；（3）光纤的接头损耗；（4）光纤全回损的测量。

光纤距离的测量是以激光进入光纤到它遇到故障点返回光时域反射仪的时间间隔来计量纤长的。

为了提高测量的精确度，应根据被测纤的长度设置合适的“距离范围”和“脉冲宽度”，距离一般选被测纤长的1.5倍，使曲线占满屏的2/3为宜。

脉冲宽度直接影响着OTDR 的动态范围，随着被测光纤长度的增加，脉冲宽度也应逐渐加大，脉冲越大，功率越大，可测的距离越长，但分辨率变低。

脉宽越窄，分辨率越高，测量也就越精确。

一般根据所测纤长选择一个适当大小的脉冲宽度，经常是测试两次后，确定一个最佳值。

光纤的衰减是客观的反映光纤制作质量的一个参数，是光纤固有的损耗，它代表着光在光纤中传输光功率损耗的情况，相同长度的光纤衰减越小，光可传输的距离就越远。

衰减还包括光纤接头、连接器、光纤弯曲度断裂等引起的损耗。

衰减测试有两点法和五点法，前者适合于图线的线性较好，噪声较小的情况，在测量整条光纤或某两点间的衰减值时一般也采用此方式。

后者适用于光纤的一致性较差，噪声较大的情况，测接头损耗，连接器等反射引起的损耗也常用此方法，其测量精度较高。

[实验设备]实验用具：CMA4000i型OTDR、光纤连接器、适配器、光纤/光缆等，一台OTDR测量仪。

OTDR测量仪组成：1)光学部分（1）半导体激光二极管：产生激光脉冲输入到被测光纤中。

（2）耦合器：将激光脉冲耦合到光纤中，同时将从光纤中散射回来的光信号耦合到光电探测器上。

（3）光纤适配器与光纤跳线：用于连接两段光纤。

2)电子部分（1）光电探测器：将返回的散射光信号转换为电信号。

（2）放大器：将返回的散射光信号放大，同时也放大由光信号转成的电信号。

（3）电源：供电给激光二极管、光电探测器和放大器。

3)数据采集（1）数据采集卡：需要频率很高（如100MHz）的数据采集卡来采集信号才能得到高的分辨率。

（2）微机处理器：用来处理测量采集到的信号。

4)测量软件通过软件处理，将光纤损耗沿长度的分布以曲线的形式显示出来。

OTDR的外观界面如图3，图中标号说明如下：图3 CMA4000i型OTDR外观（1）VEL端口（2）直流电源插口（3）OTDR/光源接口（4）功率计接口（5）电源开关（6）测试开始/停止与实时测试键 （7）可变功能键（8）显示参考位置选择键 （9）游标控制旋钮（10）A/B 游标切换与选择确认键 （11）曲线坐标范围调节键 （12）OTDR 设置菜单激活键 （13）存储键 （14）内置键盘OTDR 指示灯说明：① 软盘存储指示灯 ② 硬盘存储指示灯 ③ 节能待机状态指示灯④ 电池状态指示灯（橙：正在充电；绿：充电完成） ⑤ 外接电源指示灯 ⑥ 光源工作状态指示灯[实验步骤]1、认真阅读仪器使用说明书。

2、连接光纤与OTDR:待测光纤预先融接光纤连接器（FC/PC ），用干净镜头纸擦净良接器端面，小心插入OTDR/光纤接口（FC/PC 适配器），对准卡位。

严禁随便拧动光纤接头。

3、开机:按下顶部红色开关接通电源，OTDR 会进行自检。

自检后显示出操作模式选择页面。

4、设定参数:仪器默认的测量范围是16km ，默认的测量脉宽为100ns,为充分仪器的测量精度，设置测量范围为：8km/0.5m 。

注意纤芯的折射率为n =1.4682不能改动.5、测量光纤长度：通过记录发出脉冲和接收到的反射光的时间差，根据2ntc d ⋅=可算出光纤的长度。

分别用脉宽为10ns 和250ns 的激光测量光纤的长度。

测量时所获得的图像和相应的像素点都是取30秒钟的平均值。

注意在测量时尽量避免触碰光纤，以免由于外压力造成菲涅尔反射，影响测量。

可选取菲涅耳反射的起始点作为测距起点。

7、分段测量光纤的平均损耗:分别用脉宽为10ns 和250ns 的激光分段测量光纤的平均损耗。

每段选择约2km，注意选择点A和B时应避开融接连接点和机械连接点。

8、测量全段光纤的平均损耗:分别用脉宽为10ns和250ns的激光测量全段光纤的平均损耗。

注意设置的长度测量范围不能超过光纤的实际长度，否则测试曲线会出现“鬼影”。

此外还要设置好光纤的折射率，单模还是多模等，以便得到正确的测量结果。

9、分析图像:利用GnPC仿真软件对从OTDR获得的图像进行处理，分析实验数据。

[实验过程记录与分析]实验过程记录：本组按照以上实验步骤进行实验，分别测量光纤长度，分段测量光纤的平均衰减损耗，测量整段光纤的平均衰减损耗。

实验过程中出现了一个小问题，在设定OTDR各项参数的时候，将脉冲宽度锁定在了100ns，因此每次测量前我们都把脉冲宽度改为10ns，但是测量时都会重新跳回100ns。

最后在老师的帮助下，终于找到了问题的所在，解除了锁定。

以下图4~图7为实验所得到的OTDR测量曲线：10ns宽度脉冲测量得到的OTDR测量曲线如图4所示。

图4中，A峰为光纤连接器接口反射所致，B峰为光纤末端接口反射所致，而C峰则是光纤中一机械连接反射所致。

在图5中将横坐标尺度放大，可以更清楚的看到A峰与C峰。

图4 OTDR测量曲线(10ns)图5 OTDR测量曲线（10ns，局部放大）250ns宽度脉冲测量得到的OTDR测量曲线如图6所示。

图6中，A峰为光纤进光端口反射所致，B峰为光纤末端口反射所致，而光纤中的机械连接反射所致的C峰则由于测量脉冲宽度过大、分辨率过小，所以与A峰重叠在一起无法分辨（见放局部大图图7）。

图6 OTDR测量曲线(250ns)图7 OTDR测量曲线(250ns，局部放大)比较：从图4~图7可以看出，10ns脉冲测量到的OTDR图像比250ns测量到的图像更加精确。

图5中A、C两峰能清晰的分辨出来，而图7中A、C两峰则由于测量脉冲宽度过宽无法分辨而重叠在一起。

1、测量光纤长度：脉冲宽度/ns 测量长度d / km10 5.0486250 5.0477(注：测量光纤长度时，是从光纤连接器接口处的“零点”算起，至光纤末端接口，所以应将A轴移至A峰峰前的0点，B轴移至B峰峰前处，因为峰前正是开始发生菲涅耳反射的点，即是光纤的0点或者末端接口处。

)2、分段测量光纤的衰减损耗脉冲宽度测量段序第一段第二段第三段第四段10ns起点A / km 1.5074 1.1400 2.1881 3.1994 终点B / km 2.4599 2.1513 3.3833 4.6888 光纤长度ABl/ km 0.9555 1.0113 1.1952 1.4894衰减ABABlα⋅/ dB0.18 0.20 0.22 0.31衰减系数ABα/ dB/km0.1883830.1977650.184070.208138250ns起点A / km 1.5821 1.7311 2.8371 3.7246 终点B / km 2.3076 2.7688 3.8611 4.6803 光纤长度ABl/ km 0.7255 1.0377 1.0240 0.9558衰减ABABlα⋅/ dB 0.15 0.20 0.20 0.18衰减系数ABα/ dB/km 0.2067540.1927340.1953130.188324对上表数据作数据处理：（1）对10ns ：衰减系数平均值：10ns α= 0.19459 dB/km 标准偏差：()∑=--=41i 210ns 10nsi 10ns141αασ= 0.02 dB/km10ns 脉宽测出的衰减系数：10ns 10ns 10ns σαα±== 0.19±0.02 dB/km（2）对250ns ：衰减系数平均值：250ns α=0.19578 dB/km标准偏差：()∑=--=41i 2250ns 250nsi 250ns141αασ= 0.008dB/km250ns 脉宽测出的衰减系数：250ns 250ns 250ns σαα±== 0.196±0.008 dB/km3、测量整段光纤的平均损耗对上表数据作误差计算与分析：（1）对10ns ：衰减系数平均值：10ns α= 0.37313 dB/km 标准偏差：()∑=--=41i 210ns10nsi 10ns141αασ= 0.03 dB/km10ns 脉宽测出的衰减系数：10ns 10ns 10ns σαα±== 0.37±0.03 dB/km（2）对250ns ：衰减系数平均值：250ns α=0.37359 dB/km标准偏差：()∑=--=41i 2250ns250nsi 250ns141αασ= 0.02dB/km250ns 脉宽测出的衰减系数：250ns 250ns 250ns σαα±== 0.37±0.02 dB/km[实验结果分析]从以上实验数据分析可以看到，两次测量得到的光纤平均衰减系数有一定偏差，而且这个偏差较大，分段测量得到结果为0.19±0.02 dB/km (10ns)和0.196±0.008 dB/km (250ns)，而整段测量得到的结果为0.37±0.03 dB/km (10ns)和0.37±0.02 dB/km (250ns)。