光时域反射仪OTDR的基本原理

OTDR的基本原理

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，会立刻执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，执行信号处理，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。

图 1. OTDR 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收。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。

图 2. 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。

图 3. 由 (1) 机械接头、(2) 光纤适配器和 (3) 打开的连接产生的 Fresnel 反射

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 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 dB 处的距离。该方法返回一个更长的盲区，制造商较少使用。

图 4. 合并长盲区事件

图 5. 测量事件盲区

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 dB，如图 7 所示。

图 6. 衰减盲区

图 7. 测量衰减盲区

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，我们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