TDR/OTDR时域反射技术介绍

TDR工作原理

TDR(Time-Domain Reflectometry/时域反射技术)指一种对反射波进行分析的遥控测量技术,在遥控位置掌握被测量物件的状况。爲了区分,应用在光纤綫路的TDR称爲OTDR(Optic TDR/光学性质TDR),而应用在金属綫路的TDR则称爲MTDR(Metallic TDR/金属性质TDR)。

OTDR

OTDR(Optic Time-Domain Reflectometer/光学时域反射仪)是一种依据光学脉冲及其反射波来掌握光缆状况的测量仪器,用来获取光缆的衰减因数或衰减比率。衰减因数包含了查找光缆綫路事件的资讯,和事件点的相关距离与损耗。这里提及的“事件",包括光缆的粘合连接或连接器连接,还包括会使传输特性改变的光缆的弯曲度。

传输到光纤的光脉冲通过光纤的细微波动,建立了瑞利散射。部分与传输方向相反的散射光,称爲瑞利反向散射。通过测量瑞利反向散射,能分析出光纤的衰减量;而通过测量反射讯号的时间,能知道测量的距离。在两种IOR(反射系数)不同的介质材料的边界之间,会出现菲涅耳反射。例如,光缆的连接不适当,和用连接器和接綫端来连接光缆,都会形成菲涅耳反射,利用菲涅耳反射能发现光缆的不连续点,反射讯号的大小由边界面的情况和IOR来决定。

OTDR使光脉冲进入光缆,测量接收的讯号,包括各种事件所産生的反射讯号和光脉冲的散射讯号。即时每一位置的测量值都显示在液晶显示屏上。横轴爲距离,纵轴爲以dB爲单位的反向散射光幅度。“事件点"指散射光有变化出现或産生衰减的位置, “事件"包括诸如光缆弯曲、连接、破损等各种损耗。

显示在液晶显示幕上的事件,表现爲偏离了直綫基波的波形,可划分爲反射事件和非反射事件。典型的反射事件如图1的①,是上冲的波形,因爲反射讯号的幅度大于一般的散射讯号。典型的非反射事件如图1的②,是下降的波形,因爲讯号有损耗。通过测量事件点的反射时间,可计算出每个事件点的距离。因爲光缆中的光速是恒定的,接收光讯号的时间与事件的距离成正比。距离=所用的时间×光速;利用讯号的波形和上述的接收时间,能够分析出某点的距离以及光缆的连接状态。

MTDR

如果将电压脉冲施加在由一对金属导体组成的金属电缆的一端,电磁波将沿电缆传播,在电缆的介质特性(表现爲特性阻抗)有变化的点産生反射。这些电缆状况有改变的点定义爲事件点。通过测量反射波的形状和反射波回车的时间,可知变化的类型和事件点的距离。

典型的特性阻抗变化包括开路和短路。波形见图2,位置①爲输入到电缆的脉冲讯号,位置②爲开路或短路的反射讯号。开路时,输入脉冲和反射脉冲同向(同相),短路时,输入脉冲和反射脉冲方向相反(不同相)。

通过测量点与点之间的时间,可以确定位置①和位置②之间的距离。这与VOP(Velocity of propagation 传播速率)有关。VOP是电缆的固有特性,指电磁波经过电缆的速度与光在真空中的速度的比率。例如,如果VOP是66%,表示电缆的讯号传输速度是光速的66%。VOP是由导体和绝缘体之间的几何发布来确定的。它是电缆生産厂家提供的一个电缆规格,其数值在30%至90%之间。 已知VOP,用以下公式可计算到发生反射位置点的距离: 距离=所用的时间×VOP,一段未知VOP值,但已知准确长度的样品电缆,也可用上述公式求出它的VOP。

OTDR测量介绍

用OTDR进行光纤测量可分爲三步:参数设置、资料获取和曲綫分析,人工设置测量参数包括:

(1)波长选择(λ):因不同的波长对应不同的光綫特性(包括衰减、微弯等),测试波长一般遵循与系统传输通信波长相对应的原则,即系统开放1550波长,则试波长爲1550nm。

(2)脉宽(Pulse Width):脉宽越长,动态测量范围越大,测量距离更长,但在OTDR曲綫波形中産生盲区更大;短脉冲注入光平低,但可减小盲区。脉宽周期通常以ns来表示。

(3)测量范围(Range):OTDR测量范围是指OTDR获取资料取样的最大距离,此参数的选择决定了取样解析度的大小。最佳测量范围爲待测光纤长度1.5~2倍距离之间。

(4)平均时间:由于后向散射光信号极其微弱,一般采用统计平均的方法来提高信噪比,平均时间越长,信噪比越高。例如,3min的获得取将比1min的获得取提高 0.8dB的动态。但超过 10min的获得取时间对信噪比的改善幷不大。一般平均时间不超过3min。

(5)光纤参数:光纤参数的设置包括折射率n和后向散射系数n和后向散射系数η的设置。折射率参数与距离测量有关,后向散射系数则影响反射与回波损耗的测量结果。这两个参数通常由光纤生産厂家给出。

参数设置好后,OTDR即可发送光脉冲幷接收由光纤链路散射和反射回来的光,对光电探测器的输出取样,得到OTDR曲綫,对曲綫进行分析即可了解光纤质量。

经验与技巧

(1)光纤质量的简单判别:正常情况下,OTDR测试的光綫曲綫主体(单盘或几盘光缆)斜率基本一致,若某一段斜率较大,则表明此段衰减较大;若曲綫主体爲不规则形状,斜率起伏较大,弯曲或呈弧状,则表明光纤质量严重劣化,不符合通信要求。

(2)波长的选择和单双向测试:1550波长测试距离更远,1550nm比 1310nm光纤对弯曲更敏感,1550nm比1310nm单位长度衰减更小、1310nm比1550nm测的熔接或连接器损耗更高。在实际的光缆维护工作中一般对两种波长都进行测试、比较。对于正增益现象和超过距离綫路均须进行双向测试分析计算,才能获得良好的测试结论。

(3)接头清洁:光纤活接头接入OTDR前,必须认真清洗,包括OTDR的输出接头和被测活接头,否则插入损耗太大、测量不可靠、曲綫多噪音甚至使测量不能进行,它还可能损坏OTDR。避免用酒精以外的其他清洗剂或折射率匹配液,因爲它们可使光纤连接器内粘合剂溶解。

(4)折射率与散射系数的校正:就光纤长度测量而言,折射系数每0.01的偏差会引起7m/km之多的误差,对于较长的光綫段,应采用光缆制造商提供的折射率值。

(5)鬼影的识别与处理:在OTDR曲綫上的尖峰有时是由于离入射端较近且强的反射引起的回音,这种尖峰被称之爲鬼影。识别鬼影:曲綫上鬼影处未引起明显损耗;沿曲綫鬼影与始端的距离是强反射事件与始端距离的倍数,成对称状。消除鬼影:选择短脉冲宽度、在强反射前端(如 OTDR输出端)中增加衰减。若引起鬼影的事件位于光纤终结,可”打小弯”以衰减反射回始端的光。

(6)正增益现象处理:在OTDR曲綫上可能会産生正增益现象。正增益是由于在熔接点之后的光纤比熔接点之前的光纤産生更多的后向散光而形成的。事实上,光纤在这一熔接点上是熔接损耗的。常出现在不同模场直径或不同后向散射系数的光纤的熔接过程中,因此,需要在两个方向测量幷对结果取平均作爲该熔接损耗。在实际的光缆维护中,也可采用≤0。08dB即爲合格的简单原则。

(7)附加光纤的使用:附加光纤是一段用于连接OTDR与待测光纤、长300~2000m的光纤,其主要作用爲:前端盲区处理和终端连接器插入测量。

一般来说,OTDR与待测光纤间的连接器引起的盲区最大。在光纤实际测量中,在OTDR与待测光纤间加接一段过渡光纤,使前端盲区落在过渡光纤内,而待测光纤始端落在OTDR曲綫的綫性稳定区。光纤系统始端连接器插入损耗可通过OTDR加一段过渡光纤来测量。如要测量首、尾两端连接器的插入损耗,可在每端都加一过渡光纤。

测试误差的主要因素

1)OTDR测试仪表存在的固有偏差:由OTDR的测试原理可知,它是按一定的周期向被测光纤发送光脉冲,再按一定的速率将来自光纤的背向散射信号抽样、量化、编码后,存储幷显示出来。 OTDR仪表本身由于抽样间隔而存在误差,这种固有偏差主要反映在距离分辩率上。OTDR的距离分辩率正比于抽样频率。

2)测试仪表操作不当産生的误差:在光缆故障定位测试时,OTDR仪表使用的正确性与障碍测试的准确性直接相关,仪表参数设置和准确性、仪表量程范围的选择不当或光标设置不准等都将导致测试结果的误差。

(1) 设定仪表的折射率偏差産生的误差:不同类型和厂家的光纤的折射率是不同的。使用OTDR测试光纤长度时,必须先进行仪表参数设置,折射率的设置就是其中之一。当几段光缆的折射率不同时可采用分段设置的方法,以减少因折射率设置误差而造成的测试误差。
(2) 量程范围选择不当:OTDR仪表测试距离分辩率爲1米时,它是指图形放大到水平刻度爲25米/格时才能实现。仪表设计是以游标每移动25步爲1满格。在这种情况下,游标每移动一步,即表示移动1米的距离,所以读出分辩率爲1米。如果水平刻度选择2公里/每格,则光标每移动一步,距离就会偏移80米。由此可见,测试时选择的量程范围越大,测试结果的偏差就越大。
(3) 脉冲宽度选择不当: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的动态范围也越大,相应盲区也就大。
(4) 平均化处理时间选择不当:OTDR测试曲綫是将每次输出脉冲后的反射信号采样,幷把多次采样做平均处理以消除一些随机事件,平均化时间越长,杂讯电平越接近最小值,动态范围就越大。平均化时间越长,测试精度越高,但达到一定程度时精度不再提高。爲了提高测试速度,缩短整体测试时间,一般测试时间可在0.5~3分钟内选择。
(5) 光标位置放置不当:光纤活动连接器、机械接头和光纤中的断裂都会引起损耗和反射,光纤末端的破裂端面由于末端端面的不规则性会産生各种菲涅尔反射峰或者不産生菲涅尔反射。如果游标设置不够准确,也会産生一定误差。

接头损耗的标准数值

光纤接续标准多年来一直是一个有争议的问题,部颁YDJ44-89《电信网光纤数位传输系统施工及验收暂行规定》简称《暂规》,对光纤接续损耗的测量方法做了规定,但没有规定明确的标准。原信産部郑州设计院在中国电信南九试验段以后的工程中提出了中继段单纤平均接续损耗0。08dB/个的设计标准,以后的干綫工程均沿用。

ITU有关接续介入损耗的原文如下。”本试验使用于一个竣工的光纤接头, 用以度量接头质量。

应按照IEC 1073-1进行试验。测量可在实验室或现场进行。实验室用剪回法较好,现场可用双向OTDR法。介入损耗的典型值可能随应用场合和(或)所用方法而变化。最小的接头损耗典型值≤0。1dB。在某些场合中,介入损耗典型值≤0。5dB是可能接受的。有许多熔接机和机械接续装置在制作接头后可以估算接头损耗值。某些主管部门和私营运行机构在现场接续安装时采用这些估算值,幷且在全部綫路施工完成后,再用OTDR对綫路全程进行复测。在现场安装时,也可用其他一些方法来估算接头损耗值,例如采用夹上去的功率计和本地注入检测的方法。

(1)该建议是基于单纤接头损耗的可接受值≤0.5dB,平均值没有规定的情况下而言的。从目前的熔接机情况看, 熔接机所显示的资料配合观察光纤接头断面情况, 能够粗略估计光纤接续点损耗的状况, 但不能精确到目前我国所要求的光纤接续损耗指标的数量级。我们认爲,这些熔接机的设计目的和依据是基于ITU建议的。

(2)目前的熔接机接续是通过对光纤X轴和Y轴方向的错位调整,在轴心错位最小时进行熔接的,这种能调整轴心的方法称爲纤芯直视法,这种方法不同于功率检测法,现场是无法知道接头损耗确切数值的。但是在整个调整轴心和熔接接续过程中,通过摄像机把探测到所熔接纤芯状态的信息送到熔接机的专用程序中,可以计算出接续后的损耗值。但它只能说明光纤轴心对准的程度,幷不含有光纤本身的固有特性所影响的损耗。而OTDR的测试方法是后向散射法,它包含有光纤参数的不同形成反射的损耗。

比较上述两种测试原理,两者有很大区别。通过实践证明,两种方法测出资料一致性也较差,通过最近几年对干綫工程接续测试发现,很多情况下熔接机显示损耗很小(小于0.05dB)甚至爲零,但OTDR测试则大于0.08dB,且没发现有对应的规律。

日本的接头损耗标准(NTT光缆施工验收规程)最小值小于0。9dB,无平均值要求,只有中继段总衰减要求,只要满足,就能开通设计要求的或将来要增加的设备,在接续操作方面则与ITU建议一致。美国、欧洲诸国也都采取了大致与ITU建议一致的做法。

事实上,影响光缆安全的主要是机械损伤,光纤接续损耗大一点幷不会影响接续强度,因此我们时候在验收测试中发现,有些点数值确实偏大,大约有1%左右的接头回超标准,幷且在多次接续后仍无法降低.在这种情况下,也是可以判断合格的.有的时候会按照中级段总衰减来要求,从而验收合格。

TDR应用范围

OTDR在安装和维护光纤通讯网络时用来分析光纤的物理情况。爲用户提供光纤的衰减损耗、反射损耗或非反射损耗的全部资讯,以便进行光纤的故障定位,连接连接器和接合。MTDR适用于如CATV(有綫电视)电缆、CCTV(闭路电视)电缆、同轴电缆、电力电缆、电话綫路UTP电缆等至少由两条导綫组成的金属电缆,用来安装、维护和故障寻找(完全开路和短路、局部开路和短路、载入綫圈,连接不牢、綫路中断等等)。

应用举例

查找FTTX或HFC网络的光纤电缆的各种故障;
查找敷设在墙内、天花板内和地下的电话綫路和光纤电缆的各种故障;
在CATV网络中,无需访问每个家庭,就能识别用户的modem;
在地铁站、火车站的墙内或天花板内,查找电力电缆、电话电缆、光纤电缆或UTP电缆的各种故障;
查找安装在桥梁或高速公路等处的光纤电缆,应急电话綫路和电力电缆的各种故障;
查找安装在隧道等处的光纤电缆,应急电话綫路、供热电缆或电力电缆的各种故障;
查找沿渠道安装的包括光纤电缆的各种电缆的任何故障;
查找安装在大型工厂、发电站或水处理厂等处的光纤电缆、电话綫路、UTP电缆或电力电缆的各种故障;
查找安装地下渠道等处的应急电缆或电力电缆的各种故障;
查找安装在建筑物或工作站等处的应急电话綫路或电力电缆的各种故障;
查找安装在大型船舶、军舰或潜艇等处的光纤电缆、各种通讯电缆或电力电缆的各种故障;
查找安装在桑拿浴室、雪站等处的供热电缆的各种故障。

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