淺談OTDR在光纜故障定位中的使用

李景財(cái)

【摘要】光纖作為光信號(hào)的傳播媒介，在光纖通信系統(tǒng)里具有舉足輕重的意義。一旦光纖中斷，將直接影響正常通信。OTDR是光纜線路維護(hù)必不可少的測(cè)量儀器。本文對(duì)OTDR的原理及使用特性進(jìn)行分析，并結(jié)合工作實(shí)際，提出OTDR的使用經(jīng)驗(yàn)和技巧，有助于快速查找光纜故障點(diǎn)，為進(jìn)一步排除故障奠定基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】光纖通信；OTDR；故障定位：經(jīng)驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】TN913.33 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）04-0181-02

一、概述

近年來，光纖通信技術(shù)以其傳輸頻帶寬、抗干擾性高、信號(hào)衰減小的傳輸特點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用11l。而光纖作為光信號(hào)的傳播媒介，其重要性是不言而喻的：光纖一旦中斷，將直接影響正常的光纖通信。因此，如何快速定位光纖故障點(diǎn)，成為迅速排除故障的關(guān)鍵。光時(shí)域反射儀（OTDR）可以進(jìn)行光纖長度、光纖的傳輸衰耗、接頭衰耗和故障定位等的測(cè)量，是光纖通信工程施工和維護(hù)工作中必不可少的測(cè)試儀器。本文對(duì)OTDR的原理及使用方法進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際工作，總結(jié)出使用OTDR的經(jīng)驗(yàn)和技巧。

二、OTDR測(cè)試原理

（一）測(cè)試原理

光時(shí)域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）是利用光線在光纖中傳輸時(shí)的瑞利散射所產(chǎn)生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表，它可測(cè)量整個(gè)光纖鏈路的衰減并提供與長度有關(guān)的衰減細(xì)節(jié)，以一定斜率直線（曲線）的形式清晰地顯示在幾英寸的液晶屏上。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可對(duì)光纖鏈路中的事件點(diǎn)及故障點(diǎn)精確定位，并可分析整個(gè)光纖鏈路的性能。

OTDR的原理框圖如圖1所示。脈沖信號(hào)發(fā)生器用來產(chǎn)生各種寬度的脈沖信號(hào)，由光源變成光信號(hào)后（EIO），以耦合器送入光纖。光纖中的背向信號(hào)由耦合器送至探測(cè)器完成光/電轉(zhuǎn)換（O/E）。信號(hào)處理部分是對(duì)電信號(hào)部分進(jìn)行采樣、放大及對(duì)數(shù)處理后送到顯示器上，以曲線的形式顯示出來。

OTDR測(cè)試是通過發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi)，然后在OTDR端口接收返回的信息來進(jìn)行。當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，由于光纖本身的性質(zhì)，連接器，接合點(diǎn)，彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射，反射。其中一部分的散射和反射就會(huì)返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測(cè)器來測(cè)量，它們就作為光纖內(nèi)不同位置上的時(shí)間或曲線片斷。從發(fā)射信號(hào)到返回信號(hào)所用的時(shí)間，再確定光在光纖中的傳播速度，就可以計(jì)算出距離。

因此，用OTDR測(cè)量距離的公式如下：

d=（c*t）/2n

在這個(gè)公式里，c是光在真空中的速度，t是光脈沖發(fā)射后到接收到信號(hào)（雙程）的總時(shí)間，n為光纖的折射率。n一般由光纖生產(chǎn)商來標(biāo)明。

（二）性能參數(shù)

1.動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是OTDR的重要參數(shù)，該參數(shù)顯示從OTDR端口的背向散射水平降到特定噪聲水平時(shí)OTDR所能分析的最大光損耗。換句話說，它是最長的脈沖所能到達(dá)的光纖最大長度。因此，動(dòng)態(tài)范圍越大（以dB為單位），到達(dá)的距離越長。顯而易見，最大距離因應(yīng)用不同而變化，因?yàn)楸粶y(cè)鏈路的損耗不同。連接器、熔接點(diǎn)和分光器是降低OTDR最大作用長度的因素。因此，對(duì)較長時(shí)間進(jìn)行平均并使用合適的距離范圍是增加最大可測(cè)距離的關(guān)鍵。大多數(shù)動(dòng)態(tài)范圍規(guī)范使用3分鐘內(nèi)的平均最長脈沖寬度，信噪比（SNR）為1（均方根噪聲值的平均水平）來給定。

2.盲區(qū)

OTDR的盲區(qū)是指：由于光纖和儀表耦合時(shí)存在空隙，由此產(chǎn)生的菲涅爾反射遠(yuǎn)大于背向散射，致使放大器飽和，而掩蓋了背向散射信號(hào)，致使儀表無法測(cè)量的那段光纖長度。

盲區(qū)的長度和儀表發(fā)射光脈沖的寬度成正比。一般的儀表均設(shè)有多個(gè)光脈沖寬度供不同的測(cè)試條件選擇。為了減少盲區(qū)可選用最小的光脈沖寬度進(jìn)行短距離測(cè)量，但應(yīng)注意此時(shí)儀表處于最小動(dòng)態(tài)范圍工作。在實(shí)際的工程測(cè)量中，常加入一段300m～2km的附加光纖來減少盲區(qū)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

三、OTDR參數(shù)設(shè)置

只有準(zhǔn)確地設(shè)置測(cè)試儀表的基本參數(shù)，才能為準(zhǔn)確地測(cè)試創(chuàng)造條件。

1.波長選擇

因?yàn)椴煌牟ㄩL對(duì)應(yīng)不同的光線特性，測(cè)試波長一般遵循與系統(tǒng)傳輸通信波長相對(duì)應(yīng)的原則：如系統(tǒng)開放1310nm波長，則測(cè)試波長為1310nm。若系統(tǒng)采用1550nm波長，測(cè)試用1310nm波長則所測(cè)損耗值偏大。1550nm Hil310nm單位長度衰減更小，1310nm比1550nm測(cè)的熔接或連接器損耗更高。由于光纖微彎等對(duì)于1550nm波長影響更大，因此采用1550nm進(jìn)行測(cè)試，更能反映光纖接續(xù)的質(zhì)量。在實(shí)際的光纜維護(hù)工作中一般對(duì)兩種波長都進(jìn)行測(cè)試、比較，以便進(jìn)行綜合分析。

2.脈寬

脈沖寬度事實(shí)上是激光處于開通狀態(tài)的時(shí)間。根據(jù)OTDR的測(cè)試原理，時(shí)間被轉(zhuǎn)化為距離，因此脈沖寬度具有長度值。在OTDR中，脈沖攜帶產(chǎn)生背向散射實(shí)現(xiàn)鏈路鑒定所需要的能量。因?yàn)檠刂溌反嬖趽p耗（即衰減、連接器和熔接點(diǎn)），所以脈沖越短，攜帶的能量越低，傳輸?shù)木嚯x越短。較長的脈沖可以攜帶較多的能量，可在特別長的光纖中使用。脈寬越長，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍越大，測(cè)量距離更長，但在OTDR曲線波形中產(chǎn)生盲區(qū)更大；短脈沖注入光平低，但可減小盲區(qū)。脈寬周期通常以ns來表示。一般10公里以下選用lOOns、300 ns，10公里以上選用300ns、1μs。

3.測(cè)量范圍

OTDR測(cè)量范圍是指OTDR獲取數(shù)據(jù)取樣的最大距離，此參數(shù)的選擇決定了取樣分辨率的大小。最佳測(cè)量范圍為待測(cè)光纖長度1.5倍距離之間。

4.平均時(shí)間

由于后向散射光信號(hào)極其微弱，一般采用統(tǒng)計(jì)平均的方法來提高信噪比，平均時(shí)間越長，信噪比越高。例如，3min的獲得取將比1min的獲得取提高0.8dB的動(dòng)態(tài)。但超過10min的獲得取時(shí)間對(duì)信噪比的改善并不大。一般平均時(shí)間不超過3min，以20s為宜。

5.折射率設(shè)置

在日常測(cè)試中，折射率一般在1.47左右，折射率越大，則光纖測(cè)試長度越短；折射率越小，光纖測(cè)試長度越長。就光纖長度測(cè)量而言，折射系數(shù)每0.01的偏差會(huì)引起7m/km之多的誤差，因此，對(duì)于較長的光纖段，應(yīng)該采用光纜生產(chǎn)廠家提供的折射率，有助提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

四、OTDR使用經(jīng)驗(yàn)和技巧

進(jìn)行測(cè)量前，要做好接頭的清潔工作。光纖活接頭接入OTDR前，必須認(rèn)真清洗，包括OTDR的輸出接頭和被測(cè)活接頭，否則插入損耗太大、測(cè)量不可靠、曲線多噪音甚至使測(cè)量難以進(jìn)行。避免用酒精以外的其它清洗劑或折射率匹配液，因?yàn)樗鼈兛墒构饫w連接器內(nèi)粘合劑溶解。

除了做好接頭的清潔工作外，還應(yīng)準(zhǔn)備被測(cè)光纖的原始資料，以便測(cè)量后進(jìn)行綜合分析，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，達(dá)到快速消缺的目的。

前期準(zhǔn)備工作做好以后，合理設(shè)置OTDR的各項(xiàng)參數(shù)，就可對(duì)光纖進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)行光纜故障定位時(shí)，測(cè)試點(diǎn)離故障點(diǎn)的距離應(yīng)盡可能地縮短。遠(yuǎn)端進(jìn)行光纖測(cè)試時(shí)，應(yīng)該判斷故障點(diǎn)位于哪兩個(gè)光纜接頭點(diǎn)之間。如果條件允許，測(cè)試人員可以到最近或比較近接頭點(diǎn)處將光纖斷開，待測(cè)試結(jié)束后再恢復(fù)。這樣能最近、最準(zhǔn)確地測(cè)試光纖故障點(diǎn)的位置。

在測(cè)得光纖長度之后，必須把光纖長度折換成光纜長度才有實(shí)際意義。光纖在成纜過程中會(huì)設(shè)定余長，即光纖纖芯長度總是比光纜長度要長一些。這是由于光纜在敷設(shè)時(shí)的拉伸以及光纜安裝后熱脹冷縮造成的。不同結(jié)構(gòu)的光纜，其光纖余長不盡相同。現(xiàn)假設(shè)故障點(diǎn)距測(cè)試點(diǎn)的纖長是60kin，光纖余長值為5%，則實(shí)際故障點(diǎn)光纜長度應(yīng)為60km*（1-5%）=57km。可見，光纖余長對(duì)光纜故障定位的影響是不容忽視的。3km的誤差，給現(xiàn)場(chǎng)處理故障帶來很大麻煩。因此，在進(jìn)行故障定位前，應(yīng)知悉該型號(hào)光纜的光纖余長值，該值可從光纜生產(chǎn)廠家處獲得。

當(dāng)把光纖長度換成光纜長度后，我們應(yīng)該觀察測(cè)試點(diǎn)或接頭點(diǎn)的光纜長度標(biāo)記。現(xiàn)假設(shè)用OTDR測(cè)得故障點(diǎn)距離測(cè)試點(diǎn)的纖長為3km，則光纜長度為3*（1-5%）=2.85km。假設(shè)纜標(biāo)的起始值為0015m，那么故障點(diǎn)的纜標(biāo)值應(yīng)為2850m+0015m=2865m。根據(jù)上面的例子的計(jì)算，我們?cè)诘竭_(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，就可以在纜標(biāo)值為2865m前后幾米的光纜范圍內(nèi)手工尋找光纜故障點(diǎn)了。

此外，為了快速做到光纜故障定位，測(cè)試人員應(yīng)該盡量做到以下三點(diǎn)：

1.建立準(zhǔn)確的原始資料，并及時(shí)更新

在光纜投產(chǎn)時(shí)，應(yīng)記錄測(cè)試端至每個(gè)接頭點(diǎn)位置的光纖累計(jì)長度及中繼段光纖總衰減值，同時(shí)也將測(cè)試儀表型號(hào)、測(cè)試時(shí)折射率的設(shè)定值等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行記錄，準(zhǔn)確記錄各種光纜余留。此外，還必須及時(shí)更新原始資料，以使資料能準(zhǔn)確反映真實(shí)情況。

2.保持測(cè)試條件的一致

測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量保證測(cè)試儀表型號(hào)、操作方法及儀表參數(shù)設(shè)置等的一致性，使得測(cè)試結(jié)果有可比性。假如每次測(cè)量使用的儀器不同，測(cè)試參數(shù)也不同，即使測(cè)試相同的光纜段，其結(jié)果也會(huì)有較大誤差，這為排除故障帶來一定麻煩。因此，每次測(cè)試儀表的型號(hào)、測(cè)試參數(shù)的設(shè)置都要做詳細(xì)記錄，便于日后參考利用。

3.隨機(jī)應(yīng)變，綜合分析

障礙點(diǎn)的定位要求測(cè)試人員要有清晰的思路和靈活的處理方式。一般情況下，可在光纜線路兩端進(jìn)行雙向故障測(cè)試，并結(jié)合原始資料，計(jì)算出故障點(diǎn)的位置，再將兩個(gè)方向的測(cè)試和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析、比較，以使故障點(diǎn)具體位置的判斷更加準(zhǔn)確。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果，要綜合各種資料進(jìn)行分析。例如：24芯的光纜，測(cè)試所得23芯都在相近的地方中斷，則很有可能是光纜在外力作用下光纜被劇烈破壞，幾乎整條光纜都已斷開；如果測(cè)得纖芯并非全部斷開，而是部分光纖曲線在某一點(diǎn)（非接頭點(diǎn)）有較大臺(tái)階時(shí)，很有可能是光纜敷設(shè)工程中有“背扣”的現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)情況多樣，測(cè)試人員要有清晰思路，靈活應(yīng)對(duì)，才能在最快的時(shí)間長到故障點(diǎn)，排除光纜中斷故障。

五、結(jié)束語

光纖中斷將直接影響正常的光纖通信。快速找查光纜中斷點(diǎn)是排除故障的關(guān)鍵。運(yùn)維人員必須熟練使用包括OTDR在內(nèi)的各種儀器儀表，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高知識(shí)水平，才能將通信設(shè)備的運(yùn)維工作做得更好。