光時域反射儀在工程及科研生產中的應用

胡建超

（桂林聚聯科技有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

OTDR（Optical Time Domain Reflectometer，光時域反射儀）是一種光纖測試儀表，廣泛應用于光纖鏈路的衰減測量、光纖連接頭和光纖熔接點的質量檢查、光纖缺陷檢查、光纖失效探測。既可以測量光纖的光學長度，又可以分析光纖全鏈路的損耗分布等物理參數。OTDR在光纖光纜施工維護以及跟光纖有關的場合下，與萬用表對電子產品生產調試一樣重要。

然而由于OTDR作為一種光電一體化儀器，早期價格昂貴，制約了OTDR的普及，導致很多工程技術人員對OTDR的基本原理理解不深，使用中存在一些概念上的偏差，不能高效地使用OTDR進行光纖線路的測試分析，降低了工作效率甚至得出錯誤結論。本文從OTDR的幾個重要參數出發，結合不同應用場景進行分析，旨在糾正常見認知誤區，提高用戶使用OTDR分析解決光纖線路問題的能力。

1 OTDR基本原理

由于光纖結構不均勻、光纖本身的制造缺陷及其內部摻雜分布不均勻等因素，光脈沖在光纖中傳播時，會產生各個方向的瑞利散射信號。沿光信號傳播方向相反散射的信號稱為瑞麗后向散射，同時光信號在光纖端面會產生反射信號，這個現象被稱為菲涅爾反射。OTDR是一種通過測量注入光纖中的脈沖信號與后向瑞利散射、菲涅爾反射信號之間的傳輸時間差、信號強度變化，實現光纖鏈路長度、光纖線路損耗等分析的儀器設備。

OTDR的基本組成包括：光脈沖發生器、光信號接收機、光方向耦合器、信號處理、顯示和控制單元。其中，光信號發生器主要是驅動激光器發送所需強度以及寬度脈沖的組件，信號經過光信號耦合器將光信號耦合進入光纖進行定向傳播。經光纖后向瑞利散射、菲涅爾反射的光信號被光信號接收機接收并轉換成電信號以供后續處理。為了實現光電轉換信號的數字化處理，信號處理單元通過AD轉換器將光電信號轉換成數字信號，并通過累加、對數變換、濾波等處理手段，從而在顯示控制單元上呈現測試結果。

2 OTDR重要指標及其意義

（1）動態范圍：表示從OTDR端口的后向散射功率電平降到特定噪聲電平的電平差值（單位：dB），是OTDR能分析的最大光損耗，它衡量OTDR進行測量時能夠達到的最大光纖衰減。OTDR的動態范圍跟測試脈寬、測量時長、工作波長有關，甚至環境溫度變化時，OTDR動態范圍也有一定幅度的波動。

（2）盲區：包括事件盲區與衰減盲區。事件盲區是由反射事件造成的，是反應能夠分辨出兩個反射事件的最小距離的指標。OTDR測試儀給出的事件盲區通常指的是最小事件盲區，是使用最小測量脈沖寬度情況下獲得的。使用不同測量脈寬進行測試時，OTDR事件盲區的范圍在1m-2km。如使用5-10ns的測量脈寬，可以獲得1m左右的事件盲區；使用20μs的測量脈寬，事件盲區則會高達2km左右。使用較寬測量脈寬進行測量時，可能分辨不出間隔很近的兩個反射事件，但換成使用較小的測量脈寬進行測量，則能較容易地分辨這兩個反射事件。“衰減盲區”的定義是：從反射起點到信號回歸到線性后向散射跡線的給定允許錯誤帶的最小距離。通常錯誤帶取0.1-0.5dB，典型取值為0.5dB。衰減盲區是能夠分辨出下一個非反射的距離，比如分辨兩個熔接點的距離。衰減盲區可能是由反射事件造成的，但也可能由非反射事件造成。通常情況下，由反射事件造成的衰減盲區比非反射事件造成的衰減盲區要大。

3 OTDR使用注意事項

通常情況下，工程技術人員能夠理解上述OTDR技術指標，并使用OTDR進行一些諸如光纖鏈長測試、光纖斷點查找等操作。但是由于缺乏相關的背景知識，對OTDR使用中涉及的一些較為復雜情況缺乏深入了解，從而影響了對所測光纖線路的準確分析。以下將結合一些較容易出現理解偏差的概念進行分析，幫助使用者有效地使用OTDR進行被測光纖線路的分析，正確利用所獲得的信息指導工作。

3.1 關于自動測量模式的使用

市面上大多數OTDR儀表都具有自動測試功能，只需設定測試波長，OTDR便會進行自動測試。OTDR首先發出試探測試脈沖，初步估計出被測光纖鏈路的長度，然后根據估算出來的光纖鏈路長度，自動匹配一組優化的OTDR測量參數開始測量。由于試探階段時間極短，使用過程中用戶覺察不到差異，所以儀表看似進行了智能化自動測試。對于不是很熟悉OTDR儀表或者不是很熟悉光纖鏈路情況時，采用自動模式在一定程度上避免需要熟悉具體的OTDR儀表設置操作，能夠盡快進入測量狀態。但光纖鏈路狀態是多種多樣的，在一些特殊狀態下，軟件自動選擇的測量參數不一定適用，需要人工修改工作參數才能讓OTDR測試有較好的結果。

比如在使用自動測試模式的時候，如果為了達到較高的測試動態，自動匹配了偏大的測量脈沖寬度導致對應的盲區偏大，測試光纜線路的時候就有可能出現將間距較小的兩個事件誤判為一個事件，從而產生誤判。

雖然自動測量模式是根據普遍經驗以及OTDR生產廠家的經驗進行自動匹配的，但是它的測量結果只能給出初步參考，無法全面滿足科研、生產現場測試的要求。

對測量的精度要求決定了測量參數的選取，如果被測光纖較短，而且光纖中存在一些連接器、熔接點，則需要選擇具有最佳動態條件下的最小測試脈沖寬度，實現較小的盲區，準確查找線路中的異常損耗點。由于OTDR測試曲線是通過多次測量疊加來去除噪聲影響的，適當延長測量時長（一般OTDR儀表的測量時長從5s-180s不等）可以提高所選脈沖寬度下的動態范圍，使所測線路具有更高信噪比，提高發現熔接點的能力。可見合理地設置OTDR測量參數而不是采用自動模式，可以準確地展現出被測光纖的線路長度、連接器/熔接點的位置及對應損耗，對光纜線路質量作出準確評估。

同理，當光纖線路較長的時候，在自動測量模式下某些廠家為了將長距離線路測試曲線展示得“好看”一些，往往在自動測量參數中將脈沖寬度設置成最大/非常大，結合前面所介紹的參數設置對測試結果的影響可知，當脈沖寬度達到20μs時，測試所得事件盲區已經達到2km以上，光纖線路中很多細節信息被丟失了，提供給現場施工人員的信息非常有限。所以實際使用中，自動測量所提供的信息并非是現場真實需求，而要根據測試場景合理地選擇測量參數，如測試波長、脈沖寬度、測量時長。

3.2 動態范圍不能直接體現對光纖的最大測量長度

由于對OTDR測量原理以及光纜施工細節缺乏足夠理解，通常情況下，很多工程技術人員對OTDR性能評價的第一直覺就是“這款OTDR能測多遠”，能測多長的光纖？需要一款測試多長光纖的OTDR是根據實際使用要求來定的，而不是所選OTDR動態越大越好。更重要的是，OTDR能測多長的光纖，除了跟OTDR儀表本身的動態范圍有關，還與被測光纖線路的接續質量，線路插損以及老化情況等密切相關。

根據OTDR儀表動態范圍的定義，動態范圍是在儀表所支持的最大脈沖寬度、最長測量時長情況下測得的，通常所用OTDR儀表的最大脈沖寬度為20μs，此時其盲區已經超過2km。所以在實際使用中，需要使用較小的測量脈沖寬度才能對光纜線路作出準確的評估。在不同的測量脈沖寬度參數下，OTDR的動態范圍是不一樣的，一般情況下在同樣的測量時長時，同一臺OTDR儀表的動態范圍隨脈沖寬度減小而降低。

通信光纜線路是由多段光纜連接而成，通常按照每段2km的標準光纜進行接續，接續一般是通過光纖熔接機進行熔接，但也不排除某些地方使用冷接子、普通光纖連接器（例如法蘭盤）進行連接，導致光纜線路中存在一定的損耗。除了考慮接續點損耗之外，光纜彎曲、老化也會帶來額外的損耗，光纜線路上的損耗越大，同樣一臺OTDR所能測量的光纜長度也會降低。

因此，基于對光纜線路損耗的考慮，通常使用中建議預留6dB作為余量。結合前面所述20μs測量脈沖寬度的使用弊端，工程中建議使用2μs以下脈沖寬度，而此時OTDR儀表所對應的動態范圍要降低8dB左右。以一臺標稱42dB動態范圍的OTDR儀表在光纜施工應用中，“有效”的動態范圍則成了28（42-6-8）dB。以1550nm測試波長為例，光纖損耗為0.2dB/km，假定線路平均熔接損耗為0.05dB/km，則該OTDR儀表所能測試的“有效”光纜長度為110km左右，而非170km（42/0.25）。

一切測試都是為了實際應用需求服務的，必須根據工程應用實際需求來合理選擇測量參數，否則測量結果偏差會對實際施工維護工作產生不利影響。

3.3 普通OTDR在PON網絡測試中的短板

與普通光纜網絡不同，PON網絡最大的特點是光纜線路長度短，使用多級光分路器模式。通常有一級分光模式（通常為OLT到小區后分為64分支入戶）；二級分光模式（采用兩級8分支光分路器進行網絡部署）等情況。

PON網絡中光纜線路通常都比較短，光分路器后每段光纜長度僅有100m左右，此時OTDR測量脈沖寬度只能選擇100ns以內，一臺45dB的普通OTDR此時對應動態范圍只有25dB左右，而以PON網絡中32路光分路器為例，其插入損耗已經超過18dB，再加上線路損耗3-5dB，測試結果可想而知。

第二個要注意的是光分路器后存在非常大的衰減盲區，通常情況下可達100m，使用普通OTDR測試根本無法區分光分路器后續的多條光纖線路的實際情況。所以使用普通OTDR對PON網絡光纜線路進行測試時，最好是以光分路器為界進行分段測試。

但是如果使用專門針對PON網絡應用優化后的PON網絡OTDR進行測試，則能夠避免以上尷尬，獲得較好的測試效果。PONOTDR是一種專門針對PON網絡應用而設計的OTDR儀表，主要特點是在較小脈沖寬度（100ns以下）能夠提供較大動態范圍、較小盲區，有利于穿透光分路器，對光分路器之后長度差異較小的入戶光纖進行分辨，對PON網絡作出準確評估。

3.4 光纖光學長度不等同于光纜長度

很多人會使用OTDR測試鏈路信息進行按圖索驥查找光纜故障，比如OTDR測試結果顯示，在距離測試點25.186km處的光纜有較大的損耗，從而懷疑該處光纜受外力損傷，前往排查故障，但是這樣往往會事與愿違。故障的真實物理位置與之相去甚遠，甚至達幾百米距離，這往往是相隔好幾個人井的距離。其主要原因有以下幾個：

（1）光纜的實際物理長度與光纖光學長度之間的差

異。由于考慮到光纜在工程應用中會受到外力拉伸等因素，光纖在光纜中與加強單元是呈扭結狀態的，從而保證光纖在光纜中處于松弛狀態，不至于因外力拉伸而斷裂。光纖長度一般是在光纜長度的基礎上增加0.1%左右。（2）在使用OTDR測試中，會要求用戶根據不同光纖所對應的折射率進行設置。比如康寧光纖在1550nm波長時對應的光纖折射率為1.4682。按照OTDR測量光纖長度的公式：

式中，L為光纖長度；C為光在真空中的傳輸速率；T為OTDR測試光信號在被測光纖中一個往返所需的時間；n為被測光纖所對應的折射率。

一盤經過校正的50km標準光纖，如果使用OTDR內置的默認折射率（如n=1.4685），測試所得長度為49.990km，測試結果與標準長度相差10m。如果按照通常OTDR儀表所支持的折射率范圍1.0000-2.0000測試，則所得光纖長度在73.410km-36.705km，可見合理準確地選擇折射率對測試結果有著非常重要的意義。

（3）光纜余長。為了后續維護維修等需要，施工人員會在每個人井、光交箱內將光纖/光纜預留一定長度，通常為幾米盤制其中，這樣積少成多，經過較長距離累加之后，預留的光纖/光纜長度也是相當可觀的。

綜上所述，OTDR測試所得光纖光學長度、光纜實際鋪設的物理長度、故障對應的地理坐標三者相去甚遠。需要結合施工資料以及其他技術手段，才能準確定位故障的真實位置。

4 結束語

OTDR是光纜施工維護、科研生產的重要儀器設備，掌握一定的光纜施工工程經驗以及OTDR技術原理，對正確使用OTDR，并更具測試結果獲得正確的參考信息，提高工作效率是非常重要的。本文結合工程技術人員使用OTDR過程中常見的認知誤區給出了闡述以及使用建議，具有一定的參考價值。