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光纖通信是以光波作載波以光纖為傳輸媒介的通信方式。光纖通信由于傳輸距離遠、信息容量大且通信質(zhì)量高等特點(diǎn)而成為當今信息傳輸的主要手段，是“信息高速公路”的基石。光纖測試技術(shù)是光纖應用領(lǐng)域中最廣泛、最基本的一項專(zhuān)門(mén)技術(shù)。OTDR是光纖測試技術(shù)領(lǐng)域中的主要儀表，它被廣泛應用于光纜線(xiàn)路的維護、施工之中，可進(jìn)行光纖長(cháng)度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。OTDR具有測試時(shí)間短、測試速度快、測試精度高等優(yōu)點(diǎn)。 1 支持OFDR技術(shù)的兩個(gè)基本公式 OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光時(shí)域反射儀)是利用光脈沖在光纖中傳輸時(shí)的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的高科技、高精密的光電一體化儀表。半導體光源(LED或LD)在驅動(dòng)電路調制下輸出光脈沖，經(jīng)過(guò)定向光耦合器和活動(dòng)連接器注入被測光纜線(xiàn)路成為入射光脈沖。入射光脈沖在線(xiàn)路中傳輸時(shí)會(huì )在沿途產(chǎn)生瑞利散射光和菲涅爾反射光，大部分瑞利散射光將折射入包層后衰減，其中與光脈沖傳播方向相反的背向瑞利散射光將會(huì )沿著(zhù)光纖傳輸到線(xiàn)路的進(jìn)光端口，經(jīng)定向耦合分路射向光電探測器，轉變成電信號，經(jīng)過(guò)低噪聲放大和數字平均化處理，最后將處理過(guò)的電信號與從光源背面發(fā)射提取的觸發(fā)信號同步掃描在示波器上成為反射光脈沖。返回的有用信息由OTDR的探測器來(lái)測量，它們就作為被測光纖內不同位置上的時(shí)間或曲線(xiàn)片斷。根據發(fā)射信號到返回信號所用的時(shí)間，再確定光在石英物質(zhì)中的速度，就可以計算出距離(光纖長(cháng)度)L(單位：m)，如式(1)所示。 式中，n為平均折射率，△t為傳輸時(shí)延。利用入射光脈沖和反射光脈沖對應的功率電平以及被測光纖的長(cháng)度就可以計算出衰減a(單位：dB／km)，如式(2)所示： 2 保障OTDR精度的五個(gè)參數設置 2．1 測試波長(cháng)選擇 由于OTDR是為光纖通信服務(wù)的，因此在進(jìn)行光纖測試前先選擇測試波長(cháng)，單模光纖只選擇1 310 nm或1 550 nm。由于1 550 nm波長(cháng)對光纖彎曲損耗的影響比1 310 nm波長(cháng)敏感得多，因此不管是光纜線(xiàn)路施工還是光纜線(xiàn)路維護或者進(jìn)行實(shí)驗、教學(xué)，使用OTDR對某條光纜或某光纖傳輸鏈路進(jìn)行全程光纖背向散射信號曲線(xiàn)測試，一般多選用1 550 nm波長(cháng)。1 310nm和1 550 nm兩波長(cháng)的測試曲線(xiàn)的形狀是一樣的，測得的光纖接頭損耗值也基本一致。若在1 550 nm波長(cháng)測試沒(méi)有發(fā)現問(wèn)題，那么1 310 nm波長(cháng)測試也肯定沒(méi)問(wèn)題。選擇1 550 nm波長(cháng)測試，可以很容易發(fā)現光纖全程是否存在彎曲過(guò)度的情況。若發(fā)現曲線(xiàn)上某處有較大的損耗臺階，再用1 310 nm波長(cháng)復測，若在1 310 nm波長(cháng)下?lián)p耗臺階消失，說(shuō)明該處的確存在彎曲過(guò)度情況，需要進(jìn)一步查找并排除。若在1 310 nm波長(cháng)下?lián)p耗臺階同樣大，則在該處光纖可能還存在其他問(wèn)題，還需要查找排除。在單模光纖線(xiàn)路測試中，應盡量選用1 550 nm波長(cháng)，這樣測試效果會(huì )更好。 2．2 光纖折射率選擇 現在使用的單模光纖的折射率基本在1．460 0～1．480 0范圍內，要根據光纜或光纖生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的實(shí)際值來(lái)精確選擇。對于G．652單模光纖，在實(shí)際測試時(shí)若用1 310 nm波長(cháng)，折射率一般選擇在1．468 0；若用1 550 nm波長(cháng)，折射率一般選擇在1．468 5。折射率選擇不準，影響測試長(cháng)度。在式(1)中折射率若誤差0．001，則在50 000 m的中繼段會(huì )產(chǎn)生約35 m的誤差。在光纜維護和故障排查時(shí)很小的失誤便會(huì )帶來(lái)明顯的誤差，測試時(shí)一定要引起足夠的重視。 2．3 測試脈沖寬度選擇 設置的光脈沖寬度過(guò)大會(huì )產(chǎn)生較強的菲涅爾反射，會(huì )使盲區加大。較窄的測試光脈沖雖然有較小的盲區，但是測試光脈沖過(guò)窄時(shí)光功率肯定過(guò)弱，相應的背向散射信號也弱，背向散射信號曲線(xiàn)會(huì )起伏不平，測試誤差大。設置的光脈沖寬度既要能保證沒(méi)有過(guò)強的盲區效應，又要能保證背向散射信號曲線(xiàn)有足夠的分辨率，能看清光纖沿線(xiàn)上每一點(diǎn)的情況。一般是根據被測光纖長(cháng)度，先選擇一個(gè)適當的測試脈寬，預測試一兩次后，從中確定一個(gè)最佳值。被測光纖的距離較短(小于5 000m)時(shí)，盲區可以在10 m以下；被測光纖的距離較長(cháng)(小于50 000 m)時(shí)，盲區可以在200 m以下；被測光纖的距離很長(cháng)(小于2 500 000 m)時(shí)，盲區可高達2 000 m以上。在單盤(pán)測試時(shí)，恰當選擇光脈沖寬度(50 nm)可以使盲區在10 m以下。通過(guò)雙向測試或多次測試取平均值，盲區產(chǎn)生的影響會(huì )更小。 2. 4 測試量程選擇 OTDR的量程是指OTDR的橫坐標能達到的最大距離。測試時(shí)應根據被測光纖的長(cháng)度選擇量程，量程是被測光纖長(cháng)度的1．5倍比較好。量程選擇過(guò)小時(shí)，光時(shí)域反射儀的顯示屏上看不全面；量程選擇過(guò)大時(shí)，光時(shí)域反射儀的顯示屏上橫坐標壓縮看不清楚。根據工程技術(shù)人員的實(shí)際經(jīng)驗，測試量程選擇能使背向散射曲線(xiàn)大約占到OTDR顯示屏的70％時(shí)，不管是長(cháng)度測試還是損耗測試都能得到比較好的直視效果和準確的測試結果。在光纖通信系統測試中，鏈路長(cháng)度在幾百到幾千千米，中繼段長(cháng)度40～60 km，單盤(pán)光纜長(cháng)度2～4km，合選擇OTDR的量程可以得到良好的測試效果。 2．5 平均化時(shí)間選擇 由于背向散射光信號極其微弱，一般采用多次統計平均的方法來(lái)提高信噪比。OTDR測試曲線(xiàn)是將每次輸出脈沖后的反射信號采樣，并把多次采樣做平均化處理以消除隨機事件，平均化時(shí)間越長(cháng)，噪聲電平越接近最小值，動(dòng)態(tài)范圍就越大。平均化時(shí)間為3 min獲得的動(dòng)態(tài)范圍比平均化時(shí)間為1 min獲得的動(dòng)態(tài)范圍提高0．8 dB。一般來(lái)說(shuō)平均化時(shí)間越長(cháng)，測試精度越高。為了提高測試速度，縮短整體測試時(shí)間，測試時(shí)間可在0．5～3 min內選擇。 在光纖通信接續測試中，選擇1．5 min(90 s)就可獲得滿(mǎn)意的效果。 3 實(shí)施OTDR測試的三種常用方法 OTDR對光纜和光纖進(jìn)行測試時(shí)節，測試場(chǎng)合包括光纜和光纖的出廠(chǎng)測試，光纜和光纖光纜的施工測試，光纜和光纖的維護測試以及定期測試。OTDR的測試連接如圖1所示。 測試連接的方法是：OTDR一光纖連接器一第1盤(pán)光纜一第2盤(pán)光纜一第n盤(pán)光纜，終端不連接任何設備。根據實(shí)際測試工作主要有以下三種方法： 3．1 OTDR后向測試法 采用這種方法主要對光纜接續進(jìn)行監測，光纜接續一定要配備專(zhuān)用光纖熔接機和光時(shí)域反射儀(OTDR)。熔接機在熔接完一根纖芯后一般都會(huì )給出這個(gè)接點(diǎn)的估算衰耗值。這種方法測試有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)： (1)OTDR固定不動(dòng)，省略了儀表轉移所需車(chē)輛和大量人力物力； (2)測試點(diǎn)選在有市電而不需配汽油發(fā)電機的地方； (3)測試點(diǎn)固定，減少了光纜開(kāi)剝。 同時(shí)該方法也有兩個(gè)缺點(diǎn)： (1)因受距離和地形限制，有時(shí)無(wú)法保證聯(lián)絡(luò )的暢通； (2)隨著(zhù)接續距離的不斷增加，OTDR的測試量程和精度受到限制。 目前解決這些問(wèn)題一般有三種方法： ①在市內和市郊用移動(dòng)電話(huà)可使測試人員和接續人員隨時(shí)保持聯(lián)絡(luò )，便于組織和協(xié)調，有利于提高工作效率。 ②用光電話(huà)進(jìn)行聯(lián)絡(luò )。確定好用一根光纖(如藍色光纖單元紅色光纖)接在光電話(huà)上作聯(lián)絡(luò )線(xiàn)。當然最后這根作聯(lián)絡(luò )用的光纖在熔接和盤(pán)纖時(shí)就因無(wú)法聯(lián)絡(luò )而不能進(jìn)行監測了。即使這樣，出現問(wèn)題的可能性仍會(huì )大大降低(如果是24芯光纜，出現問(wèn)題的概率會(huì )降到原來(lái)的1／24以下)。 ③當光纜接續達到一個(gè)中繼距離時(shí)，OTDR向前移動(dòng)。 測試實(shí)踐證明，這些監測方法對保證質(zhì)量、減少返工是行之有效的。 3．2 OTDR前向單程測試法 OTDR在光纖接續方向前一個(gè)接頭點(diǎn)進(jìn)行測試，用施工車(chē)輛將測試儀表和測試人員始終超前轉移。使用這種方法進(jìn)行監測，測試點(diǎn)與接續點(diǎn)始終只有一盤(pán)光纜長(cháng)度，測試接頭衰耗準確性高，而且便于通信聯(lián)絡(luò )。目前一盤(pán)光纜長(cháng)度大約為2～3 km，一般地形下利用對講機就可保證通信聯(lián)絡(luò )。若光纜有皺紋鋼帶保護層，也可使用磁石電話(huà)進(jìn)行聯(lián)絡(luò )。 這種測試方法的缺點(diǎn)也很明顯，OTDR要搬到每個(gè)測試點(diǎn)費工費時(shí)，又不利于儀表的保護；測試點(diǎn)還受地形限制，尤其是線(xiàn)路遠離公路、地形復雜時(shí)更為麻煩。選用便攜型OTDR進(jìn)行監測，近距離測試對儀表的動(dòng)態(tài)范圍要求不高，且小型0TDR體積小重量輕移動(dòng)方便，這樣可大大減小測試人員工作量，提高測試速度和工作效率。 3．3 OTDR前向雙程測試法 OTDR位置仍同“前向單程”監測，但在接續方向的始端將兩根光纖分別短接，組成回路。這種方法即可滿(mǎn)足中繼段光纖測試，也可對光纖接續進(jìn)行監測。對中繼段光纖測試可以在光時(shí)域反射儀的顯示屏上很清楚地看到入射光脈沖、反射光脈沖、接頭點(diǎn)、斷裂點(diǎn)、故障點(diǎn)以及衰減分布曲線(xiàn)。OTDR測試事件類(lèi)型及顯示如圖 2所示，它可以為光纜維護提供方便。 對光纖接續進(jìn)行監測時(shí)由于增加了環(huán)回點(diǎn)，所以能在OTDR上測出接續衰耗的雙向值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能準確評估接頭的好壞。 由于測試原理和光纖結構上的原因，用OTDR單向監測會(huì )出現虛假增益的現象，相應地也會(huì )出現虛假大衰耗現象。對一個(gè)光纖接頭來(lái)說(shuō)，兩個(gè)方向衰減值的數學(xué)平均數才能準確反映其真實(shí)的衰耗值。比如一個(gè)接頭從A到B測衰耗為0．16 dB，從B到A測為-0．12 dB，實(shí)際上此頭的衰耗為[0．16+(-0．12)]／2=0．02 dB。 4 結 語(yǔ) OTDR作為光纖通信的主要儀表，在科研、教學(xué)、工廠(chǎng)、施工、維護等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。就目前而言OTDR不論進(jìn)口設備還是國產(chǎn)設備，對測試精度和盲區兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題都會(huì )因為測試者的技術(shù)發(fā)揮有一定的差異。隨著(zhù)時(shí)間的推移和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使用新一代人工智能OTDR進(jìn)行光纖參數全自動(dòng)測試，速率會(huì )更快、效果會(huì )更好。 |
