OTDR的基本原理

OTDR的基本原理什么是 OTDR？基礎(chǔ)OTDR 將激光光源和檢測(cè)器組合在一起以提供光纖鏈路的內(nèi)視圖。激光光源發(fā)送信號(hào)到光纖中，檢測(cè)器接收從鏈路的不同元素反射的光。激光光源發(fā)送信號(hào)到光纖中，檢測(cè)器在光纖中接收從鏈路的不同元素反射的光。發(fā)送的信號(hào)是一個(gè)短脈沖，其攜帶有一定數(shù)量的能量。然后，時(shí)鐘精確計(jì)算出脈沖傳播的時(shí)間，然后將時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離，便可以得知該光纖的屬性。當(dāng)脈沖沿著光纖傳播時(shí)，由于連接和光纖自身的反射，一小部分脈沖能量會(huì)返回檢測(cè)器。當(dāng)脈沖完全返回檢測(cè)器時(shí)，發(fā)送第二個(gè)脈沖 直到取樣時(shí)間結(jié)束。因此，會(huì)立刻執(zhí)行多次取樣并平均化以提供鏈路元件的清晰特性圖。取樣結(jié)束后，執(zhí)行信號(hào)處理，除了計(jì)算總鏈路長(zhǎng)度、總鏈路損耗、光回?fù)p (ORL) 和光纖衰減外，還計(jì)算每個(gè)事件的距離、損耗和反射。使用 OTDR 的主要優(yōu)勢(shì)在于單端測(cè)試，只需要一位操作人員和一臺(tái)儀器來鑒定鏈路質(zhì)量或查找網(wǎng)絡(luò)故障。圖 #1 顯示了 OTDR 的框圖。圖 1. OTDR 框圖反射是關(guān)鍵如前文所述，OTDR 通過讀取從所發(fā)送脈沖返回的光級(jí)別以顯示鏈路情況。請(qǐng)注意，有兩種類型的反射光：光纖產(chǎn)生的連續(xù)低級(jí)別光稱為 Rayleigh 背向散射，連接點(diǎn)處的高反射峰值稱為 Fresnel 反射。Rayleigh 背向散射用于作為距離的函數(shù)以計(jì)算光纖中的衰減級(jí)別（單位是 dB/km），在 OTDR 軌跡中顯示為直線斜率。該現(xiàn)象來源于光纖內(nèi)部雜質(zhì)固有的反射和吸收。當(dāng)光照射到雜質(zhì)上時(shí)，一些雜質(zhì)顆粒將光重定向到不同的方向，同時(shí)產(chǎn)生了信號(hào)衰減和背向散射。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衰減越少，因此，在標(biāo)準(zhǔn)光纖上傳輸相同距離所需的功率越小。圖 2 說明了 Rayleigh 背向散射。圖 2. Rayleigh 背向散射OTDR 使用的第二種反射（Fresnel 反射）可檢測(cè)鏈路沿線的物理事件。當(dāng)光到達(dá)折射率突變的位置（比如從玻璃到空氣）時(shí)，很大一部分光被反射回去，產(chǎn)生 Fresnel 反射，它可能比 Rayleigh 背向散射強(qiáng)上千倍。Fresnel 反射可通過 OTDR 軌跡的尖峰來識(shí)別。這樣的反射例子有連接器、機(jī)械接頭、光纖、光纖斷裂或打開的連接器。圖 3 說明了產(chǎn)生 Fresnel 反射的不同連接。 圖 3. 由 (1) 機(jī)械接頭、(2) 光纖適配器和 (3) 打開的連接產(chǎn)生的 Fresnel 反射什么是盲區(qū)？Fresnel 反射引出一個(gè)重要的 OTDR 規(guī)格，即盲區(qū)。有兩類盲區(qū)：事件和衰減。兩種盲區(qū)都由 Fresnel 反射產(chǎn)生，用隨反射功率的不同而變化的距離（米）來表示。盲區(qū)定義為持續(xù)時(shí)間，在此期間檢測(cè)器受高強(qiáng)度反射光影響暫時(shí)“失明”，直到它恢復(fù)正常能夠重新讀取光信號(hào)為止，設(shè)想一下，當(dāng)您夜間駕駛時(shí)與迎面而來的車相遇，您的眼睛會(huì)短期失明。在 OTDR 領(lǐng)域里，時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離，因此，反射越多，檢測(cè)器恢復(fù)正常的時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致的盲區(qū)越長(zhǎng)。絕大多數(shù)制造商以最短的可用脈沖寬度以及單模光纖 -45 dB、多模光纖 -35 dB 反射來指定盲區(qū)。為此，閱讀規(guī)格表的腳注很重要，因?yàn)橹圃焐淌褂貌煌臏y(cè)試條件測(cè)量盲區(qū)，尤其要注意脈沖寬度和反射值。例如，單模光纖 -55 dB 反射提供的盲區(qū)規(guī)格比使用 -45 dB 得到的盲區(qū)更短，僅僅因?yàn)?-55 dB 是更低的反射，檢測(cè)器恢復(fù)更快。此外，使用不同的方法計(jì)算距離也會(huì)得到一個(gè)比實(shí)際值更短的盲區(qū)。事件盲區(qū)事件盲區(qū)是 Fresnel 反射后 OTDR 可在其中檢測(cè)到另一個(gè)事件的最小距離。換而言之，是兩個(gè)反射事件之間所需的最小光纖長(zhǎng)度。仍然以之前提到的開車為例，當(dāng)您的眼睛由于對(duì)面車的強(qiáng)光刺激睜不開時(shí)，過幾秒種后，您會(huì)發(fā)現(xiàn)路上有物體，但您不能正確識(shí)別它。轉(zhuǎn)過頭來說 OTDR，可以檢測(cè)到連續(xù)事件，但不能測(cè)量出損耗（如圖 4 所示）。OTDR 合并連續(xù)事件，并對(duì)所有合并的事件返回一個(gè)全局反射和損耗。為了建立規(guī)格，最通用的業(yè)界方法是測(cè)量反射峰的每一側(cè) -1.5 dB 處之間的距離（見圖 5）。還可以使用另外一個(gè)方法，即測(cè)量從事件開始直到反射級(jí)別從其峰值下降到 -1.5 dB 處的距離。該方法返回一個(gè)更長(zhǎng)的盲區(qū)，制造商較少使用。 圖 4. 合并長(zhǎng)盲區(qū)事件 圖 5. 測(cè)量事件盲區(qū) 使得 OTDR 的事件盲區(qū)盡可能短是非常重要的，這樣才可以在鏈路上檢測(cè)相距很近的事件。例如，在建筑物網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)試要求 OTDR 的事件盲區(qū)很短，因?yàn)檫B接各種數(shù)據(jù)中心的光纖跳線非常短。如果盲區(qū)過長(zhǎng)，一些連接器可能會(huì)被漏掉，技術(shù)人員無法識(shí)別它們，這使得定位潛在問題的工作更加困難。衰減盲區(qū)衰減盲區(qū)是 Fresnel 反射之后，OTDR 能在其中精確測(cè)量連續(xù)事件損耗的最小距離。還使用以上例子，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間后，您的眼睛充分恢復(fù)，能夠識(shí)別并分析路上可能的物體的屬性。如圖 6 所示，檢測(cè)器有足夠的時(shí)間恢復(fù)，以使得其能夠檢測(cè)和測(cè)量連續(xù)事件損耗。所需的最小距離是從發(fā)生反射事件時(shí)開始，直到反射降低到光纖的背向散射級(jí)別的 0.5 dB，如圖 7 所示。圖 6. 衰減盲區(qū) 圖 7. 測(cè)量衰減盲區(qū) 盲區(qū)的重要性短衰減盲區(qū)使得 OTDR 不僅可以檢測(cè)連續(xù)事件，還能夠返回相距很近的事件損耗。例如，現(xiàn)在就可以得知網(wǎng)絡(luò)內(nèi)短光纖跳線的損耗，這可以幫助技術(shù)人員清楚了解鏈路內(nèi)的情況。盲區(qū)也受其他因素影響：脈沖寬度。規(guī)格使用最短脈沖寬度是為了提供最短盲區(qū)。但是，盲區(qū)并不總是長(zhǎng)度相同，隨著脈沖變寬，盲區(qū)也會(huì)拉伸。使用最長(zhǎng)的可能的脈沖寬帶會(huì)導(dǎo)致特別長(zhǎng)的盲區(qū)，然而這有不同的用途，下文會(huì)提到。 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)重要的 OTDR 參數(shù)。此參數(shù)揭示了從 OTDR 端口的背向散射級(jí)別下降到特定噪聲級(jí)別時(shí) OTDR 所能分析的最大光損耗。換句話說，這是最長(zhǎng)的脈沖所能到達(dá)的最大光纖長(zhǎng)度。因此，動(dòng)態(tài)范圍（單位為 dB）越大，所能到達(dá)的距離越長(zhǎng)。顯然，最大距離在不同的應(yīng)用場(chǎng)合是不同的，因?yàn)楸粶y(cè)鏈路的損耗不同。連接器、熔接和分光器也是降低 OTDR 最大長(zhǎng)度的因素。因此，在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)進(jìn)行平均并使用適當(dāng)?shù)木嚯x范圍是增加最大可測(cè)量距離的關(guān)鍵。大多數(shù)動(dòng)態(tài)范圍規(guī)格是使用最長(zhǎng)脈沖寬度的三分鐘平均值、信噪比 (SNR)=1（均方根 (RMS) 噪聲值的平均級(jí)別）而給定。再次請(qǐng)注意，仔細(xì)閱讀規(guī)格腳注標(biāo)注的詳細(xì)測(cè)試條件非常重要。 憑經(jīng)驗(yàn)，我們建議選擇動(dòng)態(tài)范圍比可能遇到的最大損耗高 5 到 8 dB 的 OTDR。例如，使用動(dòng)態(tài)范圍是 35 dB 的單模 OTDR 就可以滿足動(dòng)態(tài)范圍在 30 dB 左右的需要。假定在 1550 nm 上的典型光纖典型衰減為 0.20 dB/km，在每 2 公里處熔接（每次熔接損耗 0.1 dB），這樣的一個(gè)設(shè)備可以精確測(cè)算的距離最多 120 公里。最大距離可以使用光纖衰減除 OTDR 的動(dòng)態(tài)范圍而計(jì)算出近似值。這有助于確定使設(shè)備能夠達(dá)到光纖末端的動(dòng)態(tài)范圍。請(qǐng)記住，網(wǎng)絡(luò)中損耗越多，需要的動(dòng)態(tài)范圍越大。請(qǐng)注意，在 20 指定的大動(dòng)態(tài)范圍并不能確保在短脈沖時(shí)動(dòng)態(tài)范圍也這么大，過度的軌跡過濾可能人為夸大所有脈沖的動(dòng)態(tài)范圍，導(dǎo)致不良故障查找解決方案（在即將發(fā)表的下一篇文章中將對(duì)此進(jìn)行深入探討）。脈沖寬度什么是脈沖寬度？脈沖寬度實(shí)際上是激光器“開啟”的時(shí)間。正如我們知道的，時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離，因此脈沖寬度具有長(zhǎng)度值。在 OTDR 中，脈沖攜帶的能量可以產(chǎn)生鑒定鏈路所需的背向散射。由于在鏈路中存在傳播損耗（即，衰減、連機(jī)器、熔接等），所以脈沖越短，攜帶的能量越少，傳播的距離就越短。長(zhǎng)脈沖攜帶的能量高出很多，可以在非常長(zhǎng)的光纖中使用。圖 8 說明了作為時(shí)間函數(shù)的脈沖寬度。圖 8. 短脈沖與長(zhǎng)脈沖如果脈沖太短，在到達(dá)光纖末端前便丟失了能量，使背向散射級(jí)別變得很低，甚至低于噪聲下限級(jí)別而導(dǎo)致信息丟失。這樣會(huì)導(dǎo)致無法到達(dá)光纖末端。因此，由于返回的光纖距離末端遠(yuǎn)短于實(shí)際的光纖長(zhǎng)度，而無法測(cè)量完整鏈路。另一個(gè)現(xiàn)象是在接近光纖末端時(shí)軌跡中噪聲太多。OTDR 無法再進(jìn)行信號(hào)分析，測(cè)量結(jié)果可能出錯(cuò)。 處理脈沖寬度當(dāng)軌跡中噪聲太多，有兩種簡(jiǎn)便方法獲得較清潔的軌跡。第一種方法，增加取樣時(shí)間，這樣可以極大改善（增加）SNR，同時(shí)保持良好的短脈沖分辨率。但是，增加平均時(shí)間也有限度，因?yàn)檫@不能無限提高 SNR。如果軌跡還不夠平滑，我們可以使用第二種方法，即使用下一個(gè)可用的更高脈沖（更多能量）。但是，請(qǐng)記住，盲區(qū)會(huì)隨著脈沖寬度的增加而變大。幸運(yùn)的是，市場(chǎng)上絕大多數(shù) OTDR 都有“自動(dòng)”模式，可以為被測(cè)光纖選擇適當(dāng)?shù)拿}沖寬度。當(dāng)被測(cè)光纖長(zhǎng)度或損耗未知時(shí)，使用該選項(xiàng)會(huì)非常方便。當(dāng)鑒定網(wǎng)絡(luò)或光纖特性時(shí)，強(qiáng)制要求為被測(cè)鏈路選擇正確脈沖寬度。短脈沖寬度、短盲區(qū)和低功率用于測(cè)試事件相距很近的短鏈路，而長(zhǎng)脈沖、長(zhǎng)盲區(qū)和高功率則用于到達(dá)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)或高損耗網(wǎng)絡(luò)中更遠(yuǎn)的距離。采樣分辨率和采樣點(diǎn)OTDR 定位事件正確距離的能力依賴于不同參數(shù)組合，其中包括采樣分辨率和采樣點(diǎn)。采樣分辨率定義為“儀器所要求的兩個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)之間的最小距離”。此參數(shù)很重要，因?yàn)樗x了最終的距離精度以及 OTDR 故障查找的能力。根據(jù)選擇的脈沖寬度和距離范圍，該值變化范圍可為 4 厘米到幾米。因此，為了保持最佳分辨率，必須在取樣期間取得更多采樣點(diǎn)。圖 9a 和 9b 說明高分辨率在故障查找中所起的作用。 a) b) 圖 9：分辨率與故障查找效率：(a) 5 米分辨率（較高分辨率）。(b) 15 米分辨率（較低分辨率）。如上所示，采樣點(diǎn)越多，分辨率越高（采樣點(diǎn)之間距離