OTDR 的工作原理和特征

什么是 OTDR?

光时域反射仪 (OTDR) 是一种用于对光通信网络进行特征分析、故障排查和维护的光纤仪器。通过在光纤中传输脉冲激光并对其进行分析来执行 OTDR 测试。测量可以说是单向性的,因为光是在光纤线缆链路的末端插入的。

使用从反射或散射回起始点的合成光信号中获取的信息,OTDR 充当一种光学雷达系统,为用户提供有关接头、连接、缺陷的位置和总体状况以及其他所关注特性的详细信息。

OTDR 工作原理

如果没有作为其前提基础的技术,OTDR 测试的准确性和实用性便无从实现。通过了解仪器背后的物理原理,您将能够洞察 OTDR 的工作原理,其价值是无可估量的。

电子在受激之后可以发出特定波形,而在阿尔伯特·爱因斯坦建立相关理论之后,最终导致首款可操作激光器在 1960 年面世的可能性的种子便已萌芽。尽管当时所预期的应用并未包括使用光纤进行全球通信,但这项技术现在已经成为 21 世纪连通性的代名词了。

多年以来,OTDR 测试仪的开发中实现并利用了许多突破性的发现。

OTDR 包含一个激光二极管光源、一个发光二极管探测器,以及一个高度准确的定时电路(或时基)。激光器以特定波长发出光脉冲,这种光脉冲沿所测试的光纤传播,在脉冲向下移动时,在光纤中传输的光将会沿光纤反射/折射或散射回 OTDR 中的光探测器。通过检测这种返回的光的强度以及它返回到探测器所花费的时间,我们可以得知光纤链路中某个事件的损耗值(插入和反射)、类型以及位置。OTDR working principle illustration

光通过多种机制返回到光探测器:

  • 瑞利散射和反向散射

    上一世纪的物理学家仍然被像“为什么天空是蓝色的?”这样的基础问题所折磨。这个问题的答案(瑞利爵士在 1904 年发现)现在称为瑞利散射。当可见光子从空气中的细微颗粒散射出去时,所产生的在地球上可见的光波主要位于光谱的蓝色一端,因为蓝光的散射效率要高于红光。

    当光射入光纤时,由于光纤中存在微观粒子,因此光的某些光子会在随机方向上散射,这种效应就是瑞利散射。此外,某些光会沿透射光的相反方向散射回来,这称为反向散射。
    Rayleigh scattering and backscattering effects in fiber

    瑞利散射的可预测性质已经被用作 OTDR 技术中的基本工作原理。反向散射到探测器的来源光能量能够可靠地指明光纤链路中的衰减和信号损耗(或光损耗)。

  • 菲涅尔反射

    由光学物理学家奥古斯丁·简·菲涅尔加以特征化的光反射特性早于瑞利的发现,但对于 OTDR 工作原理的制定具有同等的重要性。

    菲涅尔发现了反射系数,即反射光波振幅相对于原始入射光波的比率。他发现,对于两种材料的接触面,可以根据两种材料成分各自的折射率对反射系数进行预测。

    当光从两种可透射光的材料(各自有不同的折射率)的边界向外反射时,就会发生菲涅尔反射。这种边界可能出现在接合点(连接器或机械接头)处、非端接光纤末端处或断裂处。

    Fresnel reflection illustration
    因为光纤链路中许多感兴趣的事件(例如接合、中断、连接和端接)都代表特定的材料交点(例如玻璃和空气),所以可以使用菲涅尔反射来确定这些事件的类型、位置和强度。

  • 吸收

    对于光纤性能不可或缺的另一项物理特性是光纤的吸收。顾名思义,入射光强度的一小部分会被整个光纤纤芯中的内部杂质吸收。光纤的纯度越高,发生的吸收就越少,这意味着更高质量的材料导致的信号损耗(或光损耗)就越少。

    由于引起吸收的元素从根本上说是非反射的,因此无法通过菲涅尔反射测量检测到它们。相反,可通过反向散射效应来捕获吸收效应,因为返回到光源的光会被按比例吸收到入射光中。

OTDR 功能

OTDR 测试的内在价值来自于对在其他情况下不可能看到的光纤线缆状况的诊断。当链路包含多个可能容易出现故障的接合点和连接,这是至关重要的。

光回波损耗 (ORL) 和反射系数可用于诊断光纤线路中的特定位置出现超过预期的损耗的状况。也可以对光纤总衰减进行评估,因为反向散射量可以指明此值。

这些相同的原理可用于计算距离测量值,当维修、故障排查或维护需求出现时,这些测量值非常重要。将可通过菲涅尔反射检测光纤链路末端或光纤断裂,因为断裂或未端接的光纤末端也是材料介质的变化(玻璃变为空气)。除了光纤的总长度外,使用通过分析得到的研究结果的图形表示形式还可以确定距故障点的距离、接合点和连接。

OTDR 类型

在 OTDR 测试的功能效用随着对增强的测试速度、准确性、报告生成及存储功能的需求增加时,提供的各种相关产品也在不断多元化。两种主要类别为台式和手持式。台式 OTDR 本质上是一种带有直连交流电源的功能丰富的仪器,而手持式或紧凑型 OTDR 则通常是一种用于在现场使用的轻型电池供电式设备。

除了这种基本划分之外,还应该根据预期用途对可用于 OTDR 的功能和选项加以仔细考虑。要考虑的一个重要因素是您将测试的光纤的类型 - 多模、单模还是两者兼有。另一个可变因素是您将测试的光纤的长度。针对长距离应用设计的产品通常具有较高的动态范围功能,这些功能对于较短的光纤链路(例如 FTTA)的测试而言不是必需的。

可用性特征也因产品而异,而这也是在选择产品时应将 OTDR 的预期应用作为最重要考虑因素的另一个原因(选择 OTDR 时的重要考虑因素)。举例来说,轻型产品对于定置测试而言可能不是必需,但如果测试将由攀爬基站发射塔或在活跃环境中的技术人员执行,那么,重量以及像电池续航时间和产品外壳牢固性这样的特征将变得更加重要。

OTDR 参数

对于各种各样的 OTDR 测试应用,为手头上的任务准确地设置参数将能确保准确测量。对于某些测试,使用自动测试功能可能已经足够,但考虑到光纤线路的长度、类型和复杂性的变化,仍然建议手动设置参数。设置了用于测试给定光纤线路的正确参数之后,下次在对相同或类似的线路进行评估时,可以从仪器内存中重新调用这些 OTDR 测试配置。

  • 脉冲宽度

    设置可调整的脉冲宽度可确定射入光纤链路的脉冲的持续时间。通常会为较短的线缆长度选择较短的脉冲宽度,因为这将最大程度地提升分辨率,同时使能量输出达到最大。在对比较靠近 OTDR 的线缆段进行评估时,短脉冲宽度特别有用。由于这些较短的脉冲宽度生成的盲区也较短,因此您将能更加有效地检测靠近连接或接合处的事件。在测试较长的线缆线路时可能需要较长的脉冲宽度,因为需要更多的光能才能在距离 OTDR 很远的位置产生足够的反向散射。

  • 盲区

    当 OTDR 探测器在光纤链路中检测到太多的高反射接口时,OTDR 的恢复期将转换为距事件的距离(称为盲区),其本质上是线缆中数据不可用的一部分。空气间隙、不良接合点、扁平光纤端面(连接器或光纤末端)以及产生高菲涅尔反射的其他事件都是导致盲区的常见原因。

  • 距离范围

    OTDR 上的距离范围设置控制要在屏幕上呈现的线缆量的显示范围。它还定义脉冲发射的速率,因为每个脉冲必须返回到探测器,之后才会发出下一个脉冲。

    适当地设置此参数需要光纤链路的准确文档。如果 OTDR 有预设的距离范围设置,则您应选择仍然比最大光纤长度长的最短设置。举例来说,如果仪器具有 10、100、200 和 500 千米的设置,而您的实际光纤链路为 150 千米,则您将选择 200 千米的设置。

  • 平均时间

    一般而言,通过对多次重复的相同测试取平均值,通常可生成更准确的测量结果。同样的原理也适用于 OTDR 测量。取平均值的时间越长,转换的多次重复的相同测试越多,生成的测量结果的信噪比就越好,但要花费较长的时间来捕获。对于准确性和噪声不太重要的情况,没有取平均值功能的“实时测量”可能已经足够。但是,对于距离和损耗数据必须尽可能精确的情形,使用较长的取平均值时间可能是合理的。

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