1．概述
光时域反射计（OTDR，Optical Time Domain Reflectometer）是光缆线路工程施工和维护工作中最重要、也是使用频率最高的测试仪表，它能将光纤链路的完好情况和故障状态，以曲线的形式清晰地显示出来。根据曲线反映的事件情况，能确定故障点的位置和判断故障的性质。OTDR所能完成的最重要也是最基本的测试就是光纤长度测试和损耗测试。精确的光纤长度测试有助于光缆线路或光纤链路的障碍定位，OTDR光纤损耗测试能反映出光纤链路全程或局部的质量（包括光缆敷设质量、光纤接续质量以及光纤本身质量等）。
1）工作原理
OTDR的理论依据为背向瑞利散射和菲涅尔反射原理。OTDR的激光光源向光纤中发射探测光脉冲，由于光在光纤中传输时，光纤本身折射率的微小起伏可引起连续的瑞利散射，光纤端面、机械连接或故障点（几何缺陷、断裂等）折射率突变会引起菲涅尔反射。OTDR利用观察背向瑞利散射和菲涅尔反射光强度变化和返回仪表的时间，即可从光纤的一端非破坏性地迅速探测光纤的特性，显示光纤沿长度的损耗分布特性曲线，测试光纤的长度、断点位置、接头位置、光纤损耗系数和链路损耗、接头损耗、弯曲损耗、反射损耗等。OTDR因此被广泛应用于光纤通信系统研制、生产、施工、监控及维护等环节。
OTDR的原理结构如图1所示。图中光源（E/O变换器）在脉冲发生器的驱动下产生窄光脉冲，此光脉冲经定向耦合器入射到被测光纤；在光纤中传播的光脉冲会因瑞利散射和菲涅尔反射产生反射光，该反射光再经定向耦合器后由检测器（O/E变换器）收集，并转换成电信号；最后对该微弱的电信号进行放大，并通过对多次反射信号进行平均化处理以改善信噪比后，由显示器显示出来或由打印机打印出测试波形和结果。
显示器上所显示的波形即通常所称的“OTDR背向散射曲线”，由该曲线图便可确定出被测光纤的长度、损耗，接头损耗以及光纤的故障点（若有故障的话），分析出光纤沿长度的质量分布情况等。
图1 OTDR原理框图
2）基本术语
OTDR光纤测试中常用的基本术语包括背向瑞利散射、菲涅尔反射、非反射事件、反射事件和光纤未端等。
（1）背向瑞利散射（Rayleigh backscattering）
定义：光纤自身由于瑞利散射反射回OTDR的光信号称为背向瑞利散射光。
原因：产生背向散射光的主要原因是瑞利散射。瑞利散射是由于光纤折射率的起伏波动引起的，散射连续作用于整个光纤。瑞利散射将光信号向四面八方散射，将其中沿光纤原链路返回到OTDR的散射光称为背向瑞利散射光。
应用：OTDR利用其接收到的背向散射光强度来衡量被测光纤上各事件点的损耗大小，同时也可对光纤本身的背向散射光信号进行测量，以得到光纤信号的损耗信息。
（2）菲涅尔反射（Fresnel reflection）
菲涅尔反射就是光反射。菲涅尔反射是离散的，它由光纤的个别点产生，能够产生菲涅尔反射的点包括光纤连接器、光纤的断裂点、阻断光纤的截面、光纤链路的终点等。
（3）非反射事件
除了光纤本身的瑞利散射产生的背向散射光外，在光纤链路上的一些不连续的特征点，如光纤熔接头、过分弯曲或受力点会对光信号产生影响（损耗、反射等），我们将其称为非反射事件。
非反射事件在OTDR测试曲线上，以背向散射电平上附加一个突然下降台阶的形式表现出来。因此在曲线纵轴上的改变即为该事件的损耗大小，如图2所示。
（4）反射事件
链路中的活动连接器、机械接头和光纤中的折裂都会同时引起OTDR测试光信号的损耗和反射，我们把这种反射幅度较大的事件称之为反射事件。
反射事件损耗大小同样是由背向散射电平值的改变量平决定。反射值（以回波损耗的形式表示）是由背向散射曲线上反射峰的幅度决定，OTDR测试事件类型及显示如图2所示。
图2 OTDR测试事件类型及显示
（5）光纤末端
光纤末端通常有两种情况，在OTDR上的显示如图3所示。
光纤末端是平整的端面或在末端接有连接器，在光纤的末端就会存在反射率为4%的菲涅尔反射，可以曲线上看到，然后背向散射信号淹没在噪声中。光纤的末端是破碎的端面，由于末端端面的粗糙、不规则，光线漫反射而不引起明显的反射峰
图3 两种光纤末端及曲线显示示意图
2．性能参数、常见问题及使用方法
1）性能参数
OTDR的性能参数一般包括OTDR的动态范围、盲区、距离精确度、光纤的回波损耗和反射损耗等。
（1）动态范围
①定义
从OTDR端口的初始背向散射水平降到特定噪声水平时OTDR所能分辨的最大光损耗值（dB）。
②作用
动态范围决定了最大测量长度，大动态范围可提高远端小信号的分辨率，动态范围是衡量OTDR性能的重要指标。
③表示方法
动态范围通常有两种表示方法，如图4所示：
a. 峰-峰值（峰值）动态范围，即初始背向散射电平与噪声电平峰值之差；
b. SNR=1时的动态范围，即初始背向散射电平与噪声电平均方根之差。
图4 OTDR动态范围示意图
在峰值动态范围表示中，背向散射信号电平与噪声电平峰值相等或低于噪声电平时，背向散射信号就称为不可见信号（信号被噪声淹没）。
④应用
动态范围大小决定了仪器可测量光纤的最大长度。如果OTDR的动态范围不够大，在测量远距离背向散射信号时，就会被噪声淹没，将不能观测到接头、弯曲等小特征点。
在进行全程光纤链路事件损耗测量时，观察事件损耗所需的信噪比，再加上光纤的链路损耗即为所需测试仪表的动态范围，如图5所示。
图5 动态范围的应用示意图
分辨事件损耗所需信噪比电平值如表1所示。
表1 分辨事件损耗所需信噪比电平值表
⑤测量范围和动态范围的关系
初始背向散射电平与一定测量精度下的可识别事件点电平的最大损耗差值被定义为测量范围，测量范围与动态范围的关系如图6所示。
图6 动态范围与测量范围关系示意图
针对各种测量事件，其测量范围与动态范围的关系如表2所示：
表2 动态范围与测量范围关系对照表
⑥距离刻度
距离刻度是表示OTDR测量光纤的长度指标，是OTDR的主要参数。仪表一般只给出最大测试距离刻度。把仪表给出的最大距离刻度理解为可测光纤的最大距离是一种常见的错误，最长测量距离一般由OTDR的动态范围和被测光纤的损耗所决定的。当背向散射电平低于OTDR噪声电平时，背向散射信号成了不可见信号，在此之外的距离刻度上只能显示噪声。
（2）盲区
盲区是决定OTDR测量精细程度的重要指标。
①定义
由活动连接器和机械接头等特征点产生反射（菲涅尔反射）后引起OTDR接收端饱和而带来的一系列“盲点”称为盲区（又称为2点分辨率）。主要包括衰减盲区和事件盲区两种。
②衰减盲区
衰减盲区是在出现菲涅尔反射后OTDR能准确测量连续事件损耗的最小距离，一般是指从反射峰的起始点到接收器从饱合峰值恢复到距线性背向散射后延线上0.5dB点间的距离，如图7所示。
图7 衰减盲区示意图
③事件盲区
出现菲涅尔反射后OTDR能够检测出另一事件的最小距离，也即两个反射事件之间所需的最小光纤距离，定义为从反射峰的峰值降低至距峰值1.5dB点间的距离，如图8所示。
图8 事件盲区示意图
盲区决定了两个可测特征点的靠近程度，盲区有时也称为OTDR的2点分辨率。对于OTDR来说，盲区越小越好。
④盲区和动态范围的关系
盲区决定了OTDR横轴上事件的精确程度，而动态范围决定了纵轴上事件的损耗情况和可测光纤的最大距离。影响动态范围和盲区的主要因素有：脉冲宽度、平均时间、反射和OTDR接收电路设计是否合理等。
A. 脉宽的影响
对动态范围的影响：在脉冲幅度相同的条件下，脉冲宽度越大，脉冲能量就越大，此时OTDR的动态范围就越大。仪表给出的动态范围是在最大脉冲时的指标。
对盲区的影响：脉冲宽度越宽，盲区就越大；较窄的脉冲会有较小的盲区，便于分辨出光纤中两个相接近的机械接头，而宽脉冲则不能显示出来；仪表给定的盲区是指最小脉宽时的指标。
脉冲宽度的选择：如需对靠近OTDR附近的光纤和紧邻事件进行观测时可选择窄脉冲，以便分辨两个事件，提高清晰度；如需对光纤远端进行观察时，可选择宽脉冲，以提高仪表的动态范围，观测更长的距离。对于两个非常接近的事件，当采用窄、宽脉冲测试时有如图9所示不同的曲线。
图9 脉冲宽度对测试的影响
B. 平均时间对动态范围的影响
OTDR测试曲线是将每次输出脉冲后的反射信号采样，并把多次采样做平均化处理以消除一些随机事件，平均时间越长，噪声电平越接近最小值，动态范围就越大。OTDR动态范围是依据贝尔实验室TRTSY-000196中定义的平均时间为3min的指标。
平均时间越长，测试精度越高，但达到一定程度时精度不再提高。为了提高测试精度，缩短整体测试时间，一般测试时间可在0.5～3min内选择（厂家建议平均时间不小于30s）。平均时间对动态范围的影响如图10所示。
图10 平均化时间对动态范围的影响
C. 反射对盲区的影响
OTDR是利用光纤对光信号的背向散射来观察沿光纤分布的光纤质量，对于一般背向散射信号，不会出现盲区。但对于某些点出现较大反射峰（光纤端面），产生的盲区也会较大（接收器恢复时间较长）。
（3）距离精度
距离精度是指测试长度时仪表的精确度（又称一点分辨率）。OTDR的距离精度与仪表的采样间隔、时钟精度、光纤折射率、光缆的成缆因素和仪表的测试误差有关。
①采样间隔的影响
OTDR对反射信号按一定时间间隔进行采样（其过程为A/D转换），然后再将这些分离的采样点连接起来形成最终显示的测量曲线（背向散射曲线）。仪表采样点的数量是有限的，故仪表的精度也是有限的。采样间隔越小，仪表的测试精度就越高，由采样点偏差而带来的测量误差就越小。采样间隔对测试的影响如图11所示。
图11 采样间隔对测试的影响
②时钟的影响
时钟对OTDR的影响有两个方面：当采用仪表内部时钟时，对测量精度影响较小；当利用外部时钟时，测量精度取决于外部时钟的精度。
③折射率的影响
OTDR是通过对反射信号时间参数进行测量后再按特定的公式来计算距离参数的。计算如式（1）所示：
（1）
其中，C为光在真空中的速度，n为纤芯的折射率，T为光在光纤中传播时间的一半。
当用户对光纤折射率设置存在偏差时，即使这个偏差很小（1%），但对于长距离测量也会引起显著的误差（20km时1%的误差为200m）。
为减小折射率对测试距离的影响，在OTDR测试时设置的折射率必须准确（或尽量准确）；当几段光缆的折射率不同时可采用分段设置的方法，以减小因折射率设置误差而造成的测试误差。分段设置折射率如图12所示。
图12 分段设置折射率示意图
④光缆成缆因素的影响
OTDR测量的是光纤的长度，通常光纤的长度大于光缆的长度。在确定光缆上各点位置时，一定要考虑成缆因素对测试造成的影响。光缆成缆时扭绞系数一般在7‰左右。
⑤仪表的测试误差
仪表的测试误差与仪表的设计、制造技术和仪表应用软件有关。在以上影响OTDR距离精度的因素中，折射率设置偏差影响最大；采样间隔、成缆因素和仪表误差影响次之；时钟精度影响可忽略不计（采用内部时钟时）。
OTDR给出的距离精度一般只包括采样间隔和时钟带来的测量误差，此时误差指标较小。
（4）回波损耗和反射损耗
①定义
回波损耗是指光波反向传输时的损耗，回波损耗简称为回损。
反射损耗是指光波正向传输时由于反射造成损耗（也可用反射系数表示）。
②回波损耗和反射损耗的计算分别如式（2）、（3）所示：
（2）
（3）
其中：P入—反射点的入射功率；
P反—反射点的反射功率。
③对链路的影响
回波损耗（回损）对链路的影响：回损越小，反射波越大，链路性能越差。
反射损耗对链路的影响：反射损耗越大，反射波越大，链路性能越差。
④减小反射峰的措施
OTDR的输出口应经常清洗，每次测试都必须用无水酒精清洗被测光纤端面（包括不与OTDR连接的端面），处理好光纤端面。
2）常见问题
（1）光纤类型不匹配
光纤类型不匹配是指OTDR的测试输出光纤与被测光纤的芯径不同，在连接器处出现光纤类型不匹配。此时的光纤测试将出现竖轴测试不准确（即光纤的损耗），但横轴测量准确。
产生光纤类型不匹配的原因是因为当光从芯径小的光纤入射到较大芯径光纤时，大芯径光纤不能被入射光线完全充满，于是在损耗参数上引起了测试误差。
消除光纤类型不匹配的方法是正确选择仪表的输出光纤，使被测光纤与输出光纤相匹配，即用单模光纤的OTDR测单模光纤，用多模光纤的OTDR测多模光纤；或根据被测光纤的类型和尺寸，选择仪表输出光纤的类型和尺寸，使之相匹配，以缩小测试误差。
（2）增益现象
增益现象一般易出现在光纤接头处。增益现象又称为伪增益，伪增益现象及产生原因如图13所示。
图13 伪增益现象及产生原因
①伪增益定义
把接头后光反射电平高于接头前光反射电平的现象称为伪增益现象。
②产生原因
OTDR测试是通过比较接续点前后背向散射电平值来对接续损耗进行测试的，一般情况下，接续损耗会使接头后的背向散射电平小于接续点前的电平。但当接续损耗非常小，并且接续点后光纤的背向散射系数较高时（对于同样的光强，反射系数大时会引起大的背向反射），接续后的背向散射电平就可能大于接续点前的背向散射电平，而且抵消了接续点的损耗。
最直接原因是因为接续点之后的光纤反射系数大于接续点前的光纤反射系数。
③伪增益的意义
出现伪增益说明接续点后的光纤比接续点之前的光纤反射系数大，而且接续点的接续损耗小，接续效果良好。
④伪增益的测试
伪增益并不是真正的增益，在对光纤接续点插入损耗进行测试时可采用双向测试的方法测量，求两次测试的平均值并作为该接续点的接续损耗。
（3）盲区影响的消除
产生盲区的主要因素是反射事件，紧靠OTDR的活动连接器产生的反射（菲涅尔反射）对OTDR测量的影响最大，为了更好地对光纤始端进行测量，必须使用辅助光纤来消除盲区，如图14所示。
图14 用辅助光纤消除盲区
对辅助光纤的要求是辅助光纤与被测光纤连接必须采用熔接方式，辅助光纤的长度必须大于OTDR的衰减盲区。
有时为了检查第一个活动连接器是否存在问题，要对其进行测量，我们也可采用在OTDR内部或外部接入部分光纤来实现对第一个活动连接器的测量。利用一个外部的或者内部的包含活动连接器的接入光纤，插入到第一个活动连接器与OTDR输出之间，以辅助完成第一个活动连接器的测量，如图15所示。
图15 用辅助光纤测试第一个活动连接器
（4）幻峰
①幻峰的定义
幻峰是指在光纤末端之后出现的光反射峰，又称为鬼点。
②形成的原因
主要是由于光在光纤中多次反射而引起的。入射光信号到达光纤末端后，由于末端的反射，一部分反射光逆向朝入射端传输，达到入射端后，由于入射端反射较大，又有部分光纤再次进入光纤，第二次达到光纤末端而形成幻峰。
③幻峰的判定
已知光纤长度，超出长度后形成的的反射峰即为鬼点。鬼点距始端的距离正好等于光纤尾端与始端距离的两倍。
在短距离测量时容易出现鬼点。
④幻峰的消除
减小包括始、末端的反射。可将入射、末端的端面处理干净、平整，符合测试要求；把光纤末端放入光纤匹配液中，或把光纤末端打一个直径较小的结也可以达到减小反射的目的。
3）使用方法
OTDR的操作使用方法具体可参考相关型号OTDR的使用说明书。
（注：文中图片均来自于网络。）
投稿邮箱：guanglanwang@163.com
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