OTDR在公路機(jī)電工程光纜線路施工中的應(yīng)用

周智龍

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

光時(shí)域反射儀一般簡(jiǎn)稱為OTDR。它是以圖形曲線的形式將整個(gè)中繼段或整個(gè)鏈路光纖的質(zhì)量及故障（損害）點(diǎn)清晰地體現(xiàn)出來。通過觀察曲線和OTDR 所列出的事件點(diǎn)，準(zhǔn)確快速地找到被測(cè)光纖故障點(diǎn)的位置，并判斷造成損害的原因。從而為修復(fù)故障提供可靠的技術(shù)支持。OTDR 最基礎(chǔ)的測(cè)量是光纖長(zhǎng)度和損耗（衰減系數(shù)）測(cè)試，光纖長(zhǎng)度的測(cè)量有助于光纜線路工程施工前的精確配盤，避免光纖浪費(fèi)，損耗（衰減系數(shù)）測(cè)試可以很好地判斷光纖故障點(diǎn)位及光纖本身的整體質(zhì)量。

1 光時(shí)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(shí)域反射儀（OTDR）工作的兩個(gè)基本理論[1]。OTDR 的激光器打開后，光源向通信光纖中發(fā)射光脈沖。光信號(hào)在光纖中向前傳輸?shù)倪^程中，由于光纖自身折射率，導(dǎo)致部分光信號(hào)無法繼續(xù)向前傳播而出現(xiàn)連續(xù)的瑞利散射。當(dāng)光纖鏈路中接續(xù)點(diǎn)或故障點(diǎn)（斷裂、彎折等）的折射率產(chǎn)生突變就會(huì)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(qiáng)度變化，分析判斷光纖質(zhì)量，包括被測(cè)光纖的鏈路長(zhǎng)度、接續(xù)質(zhì)量、衰減系數(shù)、故障位置等。

1.2 基本術(shù)語

1.2.1 非反射事件

非反射事件一般出現(xiàn)在光纖熔接點(diǎn)、斷裂點(diǎn)（彎折點(diǎn)）等地方。在光纖鏈路上，這些點(diǎn)是不連續(xù)的，在OTDR 圖形曲線上表現(xiàn)為一個(gè)驟然向下的臺(tái)階，曲線坐標(biāo)軸縱軸衰減的變化為該事件點(diǎn)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(xiàn)在光纖活動(dòng)連接器或光纖尾部，是一種反射強(qiáng)度比較大的事件點(diǎn)。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(dòng)連接器的末端，端面一般比較平整，光信號(hào)存在少部分菲涅爾反射光，大部分為背向散射信號(hào)，并最終淹沒在噪聲中；二是光纖末端未進(jìn)行端面處理，端面比較粗糙，且呈不規(guī)則狀態(tài)，光信號(hào)在末端會(huì)產(chǎn)生漫反射，表現(xiàn)在OTDR 曲線上為不明顯的反射峰。OTDR 測(cè)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(xiàn)出不同的曲線形式。

圖1 OTDR 測(cè)試事件類型及顯示

2 光時(shí)域反射儀的應(yīng)用

2.1 光纜單盤測(cè)試

光纜單盤測(cè)試在光纜敷設(shè)施工前進(jìn)行，是對(duì)運(yùn)輸?shù)绞┕ご娣劈c(diǎn)的光纜原材料進(jìn)行檢驗(yàn)、復(fù)測(cè)和評(píng)價(jià)，是對(duì)光纜原材料的進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)。光纜單盤測(cè)試的內(nèi)容有：外觀檢查、規(guī)格數(shù)量核對(duì)、長(zhǎng)度測(cè)量、衰減（衰減系數(shù)）測(cè)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(xì)記錄質(zhì)量缺陷。對(duì)包裝受損、外護(hù)層有損傷的單盤光纜，在光纜單盤測(cè)試時(shí)要重點(diǎn)檢測(cè)。

2.1.2 規(guī)格數(shù)量核對(duì)

收集并核對(duì)每盤光纜的出廠檢驗(yàn)報(bào)告和合格證書，檢查核對(duì)光纜的規(guī)格、型號(hào)及數(shù)量。剝開光纜端頭，核對(duì)光纜的端別和種類，核查是否滿足合同及設(shè)計(jì)文件要求。

2.1.3 長(zhǎng)度測(cè)量

按照廠家標(biāo)明的光纖折射率，用光時(shí)域反射儀（OTDR）進(jìn)行檢測(cè)，要求光纜的出廠長(zhǎng)度只允許有正偏差。在光纜單盤測(cè)試時(shí)，對(duì)于出現(xiàn)負(fù)偏差的光纜要重點(diǎn)復(fù)核。必要時(shí)，試放丈量，以得到光纜的實(shí)際長(zhǎng)度，在光纜配盤敷設(shè)時(shí)可避免差錯(cuò)。

2.1.4 衰減系數(shù)測(cè)量

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

光纖損耗的測(cè)量有三種方法，分別為截?cái)喾ā⒉迦敕ā⒈诚蛏⑸浞ǎ∣TDR 法）。

（1）截?cái)喾ㄊ腔鶞?zhǔn)測(cè)量方法，是以多次測(cè)量為基礎(chǔ)的帶有破壞性的測(cè)量方法。沿光纖的長(zhǎng)度方向?qū)⒐饫w割斷多次，形成多段光纖；對(duì)每一段光纖進(jìn)行測(cè)量，最終形成輸入（出）光功率與長(zhǎng)度的表達(dá)公式，從而可計(jì)算出光纖損耗（衰減系數(shù)）。

（2）插入法又稱介入損耗法，是一種非破壞性檢測(cè)方法。首先，用一段短光纖代替被測(cè)光纖，調(diào)節(jié)光纖連接器，測(cè)得最大光功率值；然后，將被測(cè)光纖接入測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)調(diào)節(jié)光纖連接器，測(cè)得光功率計(jì)最大示值，從而可計(jì)算得出光纖損耗及損耗系數(shù)。

（3）背向散射法（OTDR 法）也是一種非破壞性的測(cè)量方法，并且可以單端（單向）測(cè)量，適用于光纜線路工程施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)于光纜線路工程的施工測(cè)量，背向散射曲線觀察是最關(guān)鍵的光纜單盤測(cè)試項(xiàng)目。通過觀察曲線可以精確地分析判斷出光纖在沿長(zhǎng)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(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 光纖長(zhǎng)度測(cè)量

用光時(shí)域反射儀（OTDR）進(jìn)行光纖長(zhǎng)度測(cè)量有兩種情況，即單盤光纜長(zhǎng)度測(cè)量和中繼段光纖鏈路長(zhǎng)度測(cè)量。

2.2.1 單盤光纜長(zhǎng)度測(cè)量

單盤光纜長(zhǎng)度測(cè)量是對(duì)進(jìn)場(chǎng)光纜的長(zhǎng)度復(fù)測(cè)和評(píng)價(jià)，測(cè)試的目的是避免在光纜配盤和敷設(shè)中存在差錯(cuò)，導(dǎo)致光纜浪費(fèi)和接續(xù)點(diǎn)增加。

2.2.2 中繼段光纖鏈路長(zhǎng)度測(cè)量

中繼段光纖鏈路長(zhǎng)度測(cè)量是對(duì)兩個(gè)通信設(shè)備或光纖入局點(diǎn)之間傳輸距離的測(cè)量。中繼段不是一個(gè)定長(zhǎng)的距離，中繼段一般是指，Rx 與Tx 也就是發(fā)送機(jī)與接收機(jī)之間設(shè)的兩個(gè)點(diǎn)，S 點(diǎn)和R 點(diǎn)，也就是接收機(jī)與發(fā)送機(jī)之間的距離。中繼段光纖鏈路長(zhǎng)度測(cè)量是光纜線路工程竣工測(cè)試必測(cè)的內(nèi)容，也是一個(gè)經(jīng)常需要進(jìn)行測(cè)量的參數(shù)。在光纜線路工程完工后，應(yīng)精確測(cè)量中繼段光纖鏈路長(zhǎng)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(gè)概念是全鏈路光纖長(zhǎng)度測(cè)量，需要將光纖入局點(diǎn)入、出光纖用跳線接通，該點(diǎn)表現(xiàn)在背向散射曲線圖上為向上的一個(gè)菲涅爾反射點(diǎn)。

2.3 光纖接頭損耗測(cè)量

產(chǎn)生光纖接頭損耗的原因主要有兩種：一是損耗點(diǎn)兩側(cè)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(chǎng)直徑的差異、模場(chǎng)與包（護(hù)）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(xù)質(zhì)量較差，接續(xù)工藝不良或熔接設(shè)備精度較差等，這一類由外界因素引起的損耗稱為接續(xù)損耗或接頭損耗。接續(xù)人員操作水平、操作步驟、盤纖工藝水平，熔接機(jī)中電極的清潔程度、熔接參數(shù)設(shè)置，工作環(huán)境清潔程度等都會(huì)決定光纖接頭損耗的大小。

光纖接頭損耗測(cè)量可直接采用OTDR 進(jìn)行，通過觀察背向散射曲線圖和事件列表，準(zhǔn)確分析、判斷接續(xù)點(diǎn)的位置及該點(diǎn)損耗的大小。

2.4 中繼段光纜線路損耗測(cè)量

中繼段光纜線路損耗是指相鄰兩個(gè)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(cè)量主要是進(jìn)行光纜線路損耗測(cè)量，一般情況下，把某個(gè)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(shù)（dB/km）；L 為中繼段中某根光纖的長(zhǎng)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(shù)量；αc為光纖活動(dòng)連接器的平均插入損耗（dB），N為中繼段中光纖活動(dòng)連接器的總數(shù)量。

測(cè)量中繼段光纜線路損耗的方法同光纜單盤測(cè)試一樣，普遍使用的是背向散射法（OTDR 法）。在確保被測(cè)光纖的測(cè)試方向?qū)Χ宋催B接任何設(shè)備的前提下，將提前設(shè)置好的OTDR 接入被測(cè)光纖并啟動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)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(zhǔn)確測(cè)量中繼段光纜線路損耗，可以通過在OTDR 和測(cè)量光纖之間接入一段長(zhǎng)度在1～2km 的輔助光纖，消除儀表的盲區(qū)，從而得到光纜線路準(zhǔn)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(diǎn)快速定位

OTDR 作為光纜線路工程施工與后期維護(hù)中普遍使用的儀器設(shè)備，用它來快速定位光纜線路故障點(diǎn)也是一大應(yīng)用亮點(diǎn)。

排查光纖傳輸系統(tǒng)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(dǎo)致光纜斷開問題等，然后再查看是否傳輸設(shè)備故障原因。將機(jī)線故障分清且確認(rèn)為光纜線路故障后，可使用OTDR 對(duì)站與站之間的光纜進(jìn)行測(cè)試檢查，以確定光纜線路故障性質(zhì)及具體位置。具體如下：在測(cè)試點(diǎn)，即光纖數(shù)字配線架上找到故障光纖，將OTDR 接入該光纖，啟動(dòng)測(cè)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(cè)試點(diǎn)至故障點(diǎn)的大致距離。

一般情況下，背向散射曲線圖上會(huì)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(xiàn)這種情況可判斷光纖故障點(diǎn)在儀表的盲區(qū)內(nèi)，可能出現(xiàn)在固定接頭和光纖活動(dòng)連接器上。可借助大于1km 的輔助光纖，精確判斷故障點(diǎn)的位置。

其二，背向散射曲線圖末端長(zhǎng)度比中繼段長(zhǎng)度短。出現(xiàn)這種情況即可判定此時(shí)光纜線路的末端即故障點(diǎn)。如若對(duì)結(jié)果仍有異議，可進(jìn)行對(duì)端測(cè)試[3]。若兩側(cè)測(cè)量的結(jié)果均表明疑似故障點(diǎn)為測(cè)量光纖的末端，即可判斷故障點(diǎn)定位準(zhǔn)確。

其三，背向散射曲線圖無異常且末端與中繼段長(zhǎng)度一樣。出現(xiàn)這種情況可判定故障點(diǎn)可能處于終端的光纖活動(dòng)連接器處。應(yīng)重點(diǎn)檢查終端盒或光纖數(shù)字配線架，以確定故障點(diǎn)。

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

2.6 光纜線路維護(hù)

2.6.1 收集并建立施工技術(shù)檔案

施工單位在完成施工并通過竣工驗(yàn)收后，應(yīng)及時(shí)提交竣工資料，包括線路路由、熔接點(diǎn)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(jìn)行整理并繪制路由圖表，參照OTDR 曲線圖將熔接點(diǎn)、損耗值等信息一一標(biāo)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(guān)操作規(guī)程

運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，制定詳細(xì)的維護(hù)操作規(guī)程，結(jié)合線路路由中的薄弱環(huán)節(jié)、熔接點(diǎn)位置信息、路由環(huán)境情況等，對(duì)不同的故障要有不同的維護(hù)措施。

2.6.3 定期組織維護(hù)人員進(jìn)行培訓(xùn)

通信光纜線路工程維護(hù)質(zhì)量的水平在于維護(hù)人員的技術(shù)水平的高低。維護(hù)人員要有比較強(qiáng)的責(zé)任心和技術(shù)能力。運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)單位應(yīng)定期組織技術(shù)培訓(xùn)，提高維護(hù)人員的技術(shù)水平，使他們很好地了解和掌握通信光纜線路相關(guān)的知識(shí)及工作原理，對(duì)保證光纜線路暢通具有重要作用。

2.6.4 建立并實(shí)施光纜線路巡檢制度

維護(hù)人員應(yīng)定期對(duì)光纜線路進(jìn)行巡檢。檢查架空光纜和直埋光纜的外觀質(zhì)量及人（手）工盤起來的光纜等。發(fā)現(xiàn)可疑異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)做好記錄并定期或持續(xù)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(xiàn)故障時(shí)，可優(yōu)先排查這些可疑點(diǎn)，可以更快地定位故障點(diǎn)。

2.6.5 使用OTDR 定期檢測(cè)光纜線路

通信質(zhì)量的好壞往往取決于光纜線路損耗的大小，維護(hù)人員應(yīng)定期使用OTDR 對(duì)光纜線路損耗進(jìn)行測(cè)量并保存測(cè)試記錄，包括總損耗、接頭損耗等。要及時(shí)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(diǎn)。

2.6.6 快速定位及時(shí)修復(fù)

目前通信中使用最多的通信介質(zhì)是光纜，具有傳輸信息量大的特點(diǎn)。因此，在出現(xiàn)光纜線路異常或通信質(zhì)量較差時(shí)，應(yīng)快速定位故障位置并及時(shí)修復(fù)。維護(hù)人員在平時(shí)的工作中，應(yīng)該具備快速修復(fù)的能力。避免信息傳輸不及時(shí)，導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

3 結(jié)語

從光纜運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)的單盤測(cè)試到施工完成后的測(cè)試，以及后期的光纜線路維護(hù)，光時(shí)域反射儀（OTDR）始終貫穿公路機(jī)電工程施工的整個(gè)過程。使用光時(shí)域反射儀（OTDR）進(jìn)行光纜單盤測(cè)試是對(duì)光纜原材料的檢驗(yàn)。施工過程中的光纖接頭損耗測(cè)量、中繼段光纜線路損耗等是對(duì)施工工藝質(zhì)量的檢查，施工完成后的測(cè)試及后期維護(hù)是為了保障光纜通暢。因此，光時(shí)域反射儀（OTDR）是光纜線路施工人員及維護(hù)人員必須熟練掌握和使用的設(shè)備，能夠根據(jù)背向散射曲線準(zhǔn)確判定光纖長(zhǎng)度、光纖接頭損耗、中繼段光纜線路損耗等，在后期的運(yùn)營(yíng)中能快速定位故障并進(jìn)行及時(shí)修復(fù)。