OTDR在公路機電工程光纜線路施工中的應用

周智龍

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

光時域反射儀一般簡稱為OTDR。它是以圖形曲線的形式將整個中繼段或整個鏈路光纖的質量及故障（損害）點清晰地體現出來。通過觀察曲線和OTDR 所列出的事件點，準確快速地找到被測光纖故障點的位置，并判斷造成損害的原因。從而為修復故障提供可靠的技術支持。OTDR 最基礎的測量是光纖長度和損耗（衰減系數）測試，光纖長度的測量有助于光纜線路工程施工前的精確配盤，避免光纖浪費，損耗（衰減系數）測試可以很好地判斷光纖故障點位及光纖本身的整體質量。

1 光時域反射儀

1.1 工作原理

背向瑞利散射和菲涅爾反射是光時域反射儀（OTDR）工作的兩個基本理論[1]。OTDR 的激光器打開后，光源向通信光纖中發射光脈沖。光信號在光纖中向前傳輸的過程中，由于光纖自身折射率，導致部分光信號無法繼續向前傳播而出現連續的瑞利散射。當光纖鏈路中接續點或故障點（斷裂、彎折等）的折射率產生突變就會引起菲涅爾反射。OTDR 就是通過觀察背向瑞利散射和菲涅爾反射光的強度變化，分析判斷光纖質量，包括被測光纖的鏈路長度、接續質量、衰減系數、故障位置等。

1.2 基本術語

1.2.1 非反射事件

非反射事件一般出現在光纖熔接點、斷裂點（彎折點）等地方。在光纖鏈路上，這些點是不連續的，在OTDR 圖形曲線上表現為一個驟然向下的臺階，曲線坐標軸縱軸衰減的變化為該事件點的衰減大小。

1.2.2 反射事件

與非反射事件不同，反射事件一般出現在光纖活動連接器或光纖尾部，是一種反射強度比較大的事件點。它的大小由背向散射幅度值的變化量來衡量。

1.2.3 光纖末端

光纖末端有兩種情況：一是連接光纖活動連接器的末端，端面一般比較平整，光信號存在少部分菲涅爾反射光，大部分為背向散射信號，并最終淹沒在噪聲中；二是光纖末端未進行端面處理，端面比較粗糙，且呈不規則狀態，光信號在末端會產生漫反射，表現在OTDR 曲線上為不明顯的反射峰。OTDR 測試事件類型及顯示如圖1 所示。不同的連接方式在曲線圖上表現出不同的曲線形式。

圖1 OTDR 測試事件類型及顯示

2 光時域反射儀的應用

2.1 光纜單盤測試

光纜單盤測試在光纜敷設施工前進行，是對運輸到施工存放點的光纜原材料進行檢驗、復測和評價，是對光纜原材料的進場檢驗。光纜單盤測試的內容有：外觀檢查、規格數量核對、長度測量、衰減（衰減系數）測量、背向散射曲線觀察等。

2.1.1 外觀檢查

檢查光纜盤包裝有無破損，線纜有無損壞、壓扁等情況，并詳細記錄質量缺陷。對包裝受損、外護層有損傷的單盤光纜，在光纜單盤測試時要重點檢測。

2.1.2 規格數量核對

收集并核對每盤光纜的出廠檢驗報告和合格證書，檢查核對光纜的規格、型號及數量。剝開光纜端頭，核對光纜的端別和種類，核查是否滿足合同及設計文件要求。

2.1.3 長度測量

按照廠家標明的光纖折射率，用光時域反射儀（OTDR）進行檢測，要求光纜的出廠長度只允許有正偏差。在光纜單盤測試時，對于出現負偏差的光纜要重點復核。必要時，試放丈量，以得到光纜的實際長度，在光纜配盤敷設時可避免差錯。

2.1.4 衰減系數測量

單位長度上的損耗量被稱為衰減系數，單位為dB/km。光纜單盤損耗測量主要是測量衰減系數[2]。公式（1）為：

光纖損耗的測量有三種方法，分別為截斷法、插入法、背向散射法（OTDR 法）。

（1）截斷法是基準測量方法，是以多次測量為基礎的帶有破壞性的測量方法。沿光纖的長度方向將光纖割斷多次，形成多段光纖；對每一段光纖進行測量，最終形成輸入（出）光功率與長度的表達公式，從而可計算出光纖損耗（衰減系數）。

（2）插入法又稱介入損耗法，是一種非破壞性檢測方法。首先，用一段短光纖代替被測光纖，調節光纖連接器，測得最大光功率值；然后，將被測光纖接入測試系統，同時調節光纖連接器，測得光功率計最大示值，從而可計算得出光纖損耗及損耗系數。

（3）背向散射法（OTDR 法）也是一種非破壞性的測量方法，并且可以單端（單向）測量，適用于光纜線路工程施工現場測量，也是這一方法被普遍使用的原因。

2.1.5 背向散射曲線觀察

對于光纜線路工程的施工測量，背向散射曲線觀察是最關鍵的光纜單盤測試項目。通過觀察曲線可以精確地分析判斷出光纖在沿長度方向上的損耗是否均勻，是否有缺陷，光纖是否有輕微的損害等，從而可以判斷光纖質量是否滿足設計要求。

2.2 光纖長度測量

用光時域反射儀（OTDR）進行光纖長度測量有兩種情況，即單盤光纜長度測量和中繼段光纖鏈路長度測量。

2.2.1 單盤光纜長度測量

單盤光纜長度測量是對進場光纜的長度復測和評價，測試的目的是避免在光纜配盤和敷設中存在差錯，導致光纜浪費和接續點增加。

2.2.2 中繼段光纖鏈路長度測量

中繼段光纖鏈路長度測量是對兩個通信設備或光纖入局點之間傳輸距離的測量。中繼段不是一個定長的距離，中繼段一般是指，Rx 與Tx 也就是發送機與接收機之間設的兩個點，S 點和R 點，也就是接收機與發送機之間的距離。中繼段光纖鏈路長度測量是光纜線路工程竣工測試必測的內容，也是一個經常需要進行測量的參數。在光纜線路工程完工后，應精確測量中繼段光纖鏈路長度，并做好記錄，與光纜線路工程其他竣工資料一并保存。

還有一個概念是全鏈路光纖長度測量，需要將光纖入局點入、出光纖用跳線接通，該點表現在背向散射曲線圖上為向上的一個菲涅爾反射點。

2.3 光纖接頭損耗測量

產生光纖接頭損耗的原因主要有兩種：一是損耗點兩側光纖折射率不同或光纖材料自身原因所造成的，這種損耗稱為光纖的自有損耗。光纖模場直徑的差異、模場與包（護）層的同心度差異、不圓度等都有可能使自有損耗增大。二是由外界因素引起的光纖接頭損耗，如接續質量較差，接續工藝不良或熔接設備精度較差等，這一類由外界因素引起的損耗稱為接續損耗或接頭損耗。接續人員操作水平、操作步驟、盤纖工藝水平，熔接機中電極的清潔程度、熔接參數設置，工作環境清潔程度等都會決定光纖接頭損耗的大小。

光纖接頭損耗測量可直接采用OTDR 進行，通過觀察背向散射曲線圖和事件列表，準確分析、判斷接續點的位置及該點損耗的大小。

2.4 中繼段光纜線路損耗測量

中繼段光纜線路損耗是指相鄰兩個光纖配線架之間光纖鏈路的總損耗，包括光纖損耗和固定接頭損耗。

中繼段光纖傳輸特性測量主要是進行光纜線路損耗測量，一般情況下，把某個中繼段的總損耗定義為：

式（2）中：α為中繼段中某根光纖衰減系數（dB/km）；L 為中繼段中某根光纖的長度（km）；αs為固定接頭的平均損耗（dB）；M為中繼段中固定接頭的數量；αc為光纖活動連接器的平均插入損耗（dB），N為中繼段中光纖活動連接器的總數量。

測量中繼段光纜線路損耗的方法同光纜單盤測試一樣，普遍使用的是背向散射法（OTDR 法）。在確保被測光纖的測試方向對端未連接任何設備的前提下，將提前設置好的OTDR 接入被測光纖并啟動測試，測試結束后觀察曲線圖并讀取記錄事件信息，通過事件列表即可獲取中繼段光纜線路損耗。

為了準確測量中繼段光纜線路損耗，可以通過在OTDR 和測量光纖之間接入一段長度在1～2km 的輔助光纖，消除儀表的盲區，從而得到光纜線路準確、完整的損耗信息，包括成端外的連接器損耗和連接器尾纖的損耗。

2.5 光纜線路故障點快速定位

OTDR 作為光纜線路工程施工與后期維護中普遍使用的儀器設備，用它來快速定位光纜線路故障點也是一大應用亮點。

排查光纖傳輸系統故障的步驟一般為：先外部，后傳輸。先排查是否電源供電問題，是否因塌方導致光纜斷開問題等，然后再查看是否傳輸設備故障原因。將機線故障分清且確認為光纜線路故障后，可使用OTDR 對站與站之間的光纜進行測試檢查，以確定光纜線路故障性質及具體位置。具體如下：在測試點，即光纖數字配線架上找到故障光纖，將OTDR 接入該光纖，啟動測試并觀察背向散射曲線圖，在背向散射曲線圖上找出菲涅爾反射峰的位置，即可得到測試點至故障點的大致距離。

一般情況下，背向散射曲線圖上會有以下幾種情況：

其一，OTDR 顯示屏幕上未顯示背向散射曲線。出現這種情況可判斷光纖故障點在儀表的盲區內，可能出現在固定接頭和光纖活動連接器上。可借助大于1km 的輔助光纖，精確判斷故障點的位置。

其二，背向散射曲線圖末端長度比中繼段長度短。出現這種情況即可判定此時光纜線路的末端即故障點。如若對結果仍有異議，可進行對端測試[3]。若兩側測量的結果均表明疑似故障點為測量光纖的末端，即可判斷故障點定位準確。

其三，背向散射曲線圖無異常且末端與中繼段長度一樣。出現這種情況可判定故障點可能處于終端的光纖活動連接器處。應重點檢查終端盒或光纖數字配線架，以確定故障點。

其四，背向散射曲線圖上有明顯的高損耗點或高損耗區。出現高損耗點的位置一般為光纖接頭處，該點損耗增大，說明該處接頭損耗變大，可對接頭處進行重新熔接處理。高損耗區在圖形上一般表現為該段光纖曲線斜率增大，由光纖材料本身所引起，可對該段光纖進行更換處理。

2.6 光纜線路維護

2.6.1 收集并建立施工技術檔案

施工單位在完成施工并通過竣工驗收后，應及時提交竣工資料，包括線路路由、熔接點的位置，中繼段每一芯光纖損耗、接頭損耗、總損耗以及OTDR 曲線圖。將這些資料進行整理并繪制路由圖表，參照OTDR 曲線圖將熔接點、損耗值等信息一一標注在圖表上，更加有利于后期的故障定位及光纜線路維修。

2.6.2 制定相關操作規程

運營維護單位應根據實際情況，制定詳細的維護操作規程，結合線路路由中的薄弱環節、熔接點位置信息、路由環境情況等，對不同的故障要有不同的維護措施。

2.6.3 定期組織維護人員進行培訓

通信光纜線路工程維護質量的水平在于維護人員的技術水平的高低。維護人員要有比較強的責任心和技術能力。運營養護單位應定期組織技術培訓，提高維護人員的技術水平，使他們很好地了解和掌握通信光纜線路相關的知識及工作原理，對保證光纜線路暢通具有重要作用。

2.6.4 建立并實施光纜線路巡檢制度

維護人員應定期對光纜線路進行巡檢。檢查架空光纜和直埋光纜的外觀質量及人（手）工盤起來的光纜等。發現可疑異常時，應及時做好記錄并定期或持續觀察。這樣做的目的是可以很好地掌握光纜線路的狀況，出現故障時，可優先排查這些可疑點，可以更快地定位故障點。

2.6.5 使用OTDR 定期檢測光纜線路

通信質量的好壞往往取決于光纜線路損耗的大小，維護人員應定期使用OTDR 對光纜線路損耗進行測量并保存測試記錄，包括總損耗、接頭損耗等。要及時掌握各中繼段光纜線路衰減變化，并觀察曲線圖有無菲涅爾反射點。

2.6.6 快速定位及時修復

目前通信中使用最多的通信介質是光纜，具有傳輸信息量大的特點。因此，在出現光纜線路異常或通信質量較差時，應快速定位故障位置并及時修復。維護人員在平時的工作中，應該具備快速修復的能力。避免信息傳輸不及時，導致不必要的經濟損失。

3 結語

從光纜運輸到施工現場的單盤測試到施工完成后的測試，以及后期的光纜線路維護，光時域反射儀（OTDR）始終貫穿公路機電工程施工的整個過程。使用光時域反射儀（OTDR）進行光纜單盤測試是對光纜原材料的檢驗。施工過程中的光纖接頭損耗測量、中繼段光纜線路損耗等是對施工工藝質量的檢查，施工完成后的測試及后期維護是為了保障光纜通暢。因此，光時域反射儀（OTDR）是光纜線路施工人員及維護人員必須熟練掌握和使用的設備，能夠根據背向散射曲線準確判定光纖長度、光纖接頭損耗、中繼段光纜線路損耗等，在后期的運營中能快速定位故障并進行及時修復。