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北京邮电大学研究生倾十学位论文 集中式0 t d r 检测系统 摘要 随着现代光纤通信技术的飞速发展，对应用于光纤通信的测量仪表 技术提出了新的要求。光时域反射仪( o t d r ) ，又叫背向散射仪，主要 是用来测量光纤长度、光纤故障点、光纤衰耗以及光纤接头损耗，是光 纤生产、施工、维护不可缺少的仪表，是在光纤通信领域中非常重要的 测量仪器。但由于这种仪表的价格比较昂贵、自动化程度低、硬件资源 功能比较专，无法自己对该仪器的功能和结构进行二次开发和改造， 器件的老化导致仪器的使用寿命降低，如何有效地实现对它的维护管理 和拓宽现有仪表的功能成为目前迫切需要解决的问题。集中式0 t d r 检测 系统就是为了弥补当前仪器的不足而设计的一种新型光纤检测系统，它 使得0 t d r 钡, u 量整体性上有了较大的提高。 本论文主要由四部分构成。一部分首先介绍了当前光纤光缆工程的 现状及发展，然后对主要的光纤检测技术进行了介绍；第二部分主要讲 述了在光纤生产、施工、维护中使用的都常广泛的光时域反射仪 ( o t d r ) ；第三部分介绍集中式o t d r 检测系统的整体设计方案，包括 系统的硬件环境和软件平台；第四部详细的讲述了本系统的服务器端功 能的实现，主要包括服务器对o t d r 模块的集中控制、服务器响应客户 端的服务请求、检测数据的管理维护、虚拟o t d r 四个功能模块。 关键词：o t d r ；集中式；客户端朋畏务器：数据库；虚拟仪器 北京i i l l j i u 人学研究生坝1 学位论艾 c e n t r a l i z e do t d r d e t e c t i n gs y s t e m a b s t r a c t e w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n t h e d e t e c t i n gt e c h n o l o g y o ft h ei n s t r u m e n tt h a ti s a p p l i e d i n o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o nm u s tb e i m p r o v e d t h eo p t i c a l t i m ed o m a i n r e f l e c t o m e t e r ( o t d r ) m a i n l yb e u s e dt od e t e c tt h el e n g t h ，t r o u b l ep o i n t ，l o s s s p l i c el o s so fo p t i c a lf i b e r i ti st h ev e r yi m p o r t a n ti n s t r u m e n ta p p l i e di nt h e m a n u f a c t u r e ，c o n s t r u c t i o n ，m a i n t e n a n c eo fo p t i c a lf i b e r b u tt h eo t d ri s e x p e n s i v e ，i sl o w i na u t o m a t i o na n di sn o tc o n v e n i e n t l ym a i n t a i n e d a n dt h e c o n f i g u r a t i o no f f u n c t i o no ft h eo t d rc a nn o tb ed e v e l o p e da n da d v a n c e d a g a i n 。t h et i m e o ft h eo t d r b e i n gu s e dw i l ld e c r e a s eb e c a u s ei t sa g i n g 。s o a t p r e s e n t t h em a t t e rt h a tm u s tb e a c c o m p l i s h e d i s e x p a n d i n g o t d r s f u n c t i o na n de f f e c t i v e l ym a n a g i n go t d r t h ec e n t r a l i z e dc o n t r o lo t d r d e t e c t i n gs y s t e mc a nm a k eu pf o rt r a d i t i o n a lo t d r f a u l ta n da d v a n c et h e t o t a lp e r f o r m a n c eo fo t d r t h e r ea r ef o u r p a r t si nt h ep a p e r i nt h ef i r s tp a r tt h eo p t i c a lf i b e rc a b l e e n g i n e e r i n g a n dt h e o p t i c a l f i b e r d e t e c t i n gt e c h n o l o g y a r ei n t r o d u c e d ， o t d r e x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h em a n u f a c t u r e ，c o n s t r u c t i o n ，m a i n t e n a n c eo f o p t i c a lf i b e ri si n t r o d u c e di nt h es e c o n dp a r t w ew i l li n t r o d u c et h ed e s i g n p r o j e c to f t h ec e n t r a l i z e dc o n t r o l0 百d r d e t e c t i n gs y s t e mi nt h et h i r dp a r t i n t h ef i n a lp a r tt h ea c c o m p l i s h m e n to f t h es e r v e r sf u n c t i o nw i l lb ed e t a i t e d l y i n t r o d u c e d t h es e r v e rsf u n c t i o n i s ：c e n t r a l i z e d l y c o n t r o l m a n yo t d r m o d u l e s ；r e s p o n s et h ec l i e n tsr e q u e s t ；m a i n t a i nt h ed e t e c t e dd a t a ；s i m u l a t e 0 t d r k e yw o r d s ：o t d r ；c e n t r a l i z e dm a n n e r ；c l i e n t s e r v e r ；d a t a b a s e ；v i r t u a l i n s t r u m e n t 独创性( 或仓4 新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谤 中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 以在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 闩期： 逸丛! 圭：2q 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论 本人签名： 导师签名： 用本授权书。 同期：竺垄! 圭：! 三 r 期： 翌堕! 三= ! 之 一 实 不 一一蛾 一尊 北京邮电人学研究生坝i 学位论史 第1 章序论 1 1 光缆工程的现状及光纤发展过程 1 1 1 光缆工程的现状 中国在通信网络建设中应用光纤是从第六个五年计划( “六五”) 期间丌始的。 此后，中国信息产业高速发展，光纤市场平均年增长率高达2 0 3 0 。到2 0 0 5 年底，我国光缆总敷设量将达到2 5 0 力_ 皮长公旱，其中长途干线光缆将达到5 0 多 万皮长公里，光缆网络将基本覆盖全国城乡，连接世界各地。光纤通信网络已经延 率到地球的各个角落，光缆正朝着锚设到家庭，光纤到桌面的方向发展。 目前，国内以中国电信为首的各大运营商纷纷在规划建设全新的骨干光传输网 络以迎接逐步开放的电信大战。中国电信已宣布在过去“八纵八横”的基础骨干 网之外建设以三个l o g b i t sd w d m ( 密集波分复用) 坏状为主体的全国高速大容量 骨干网；中国铁通已全面启动以个l o g b i t sd w d m 环网为主的全国网一期工程；中 国联通也将建设以五个l o g b i t sd w d m 环网为主的国家级高速骨干网：中国移动正 在积极规划建设自身的国家干线网和省内二级干线网；中国网通也正在策划其骨干 网络的扩展和提速。 据统计，1 9 9 9 年我国总敷设光缆约5 6 0 万芯公里，2 0 0 0 年总敷设光缆约t 2 0 万芯公里，2 0 0 1 年光缆总需求为1 0 0 0 万芯公罩，2 c 0 2 年达1 l s o 力芯公罩，2 0 0 3 年达到1 3 0 0 万芯公里，2 0 0 5 年可达到1 7 0 0 万芯公罩。 与此同时，国家一级干线光缆线路的施工方式是硅芯管和简易塑料管道，省内 二级干线是硅芯管、直埋、管道与架空几种形式的结合。铺设硅芯管及塑料管道光 缆现已经采用气送光缆的先进敷设方法。 在本地网的光缆线路中，城市光缆线路的主要施工方法是管道在农村及少数 县城仍以架空或直埋方式为主。 ! ! 皇! ! ! ! ! 生查兰坐壅竺竺! ：兰丝堡兰 1 1 2 光纤的发展过程 1 光纤类型的发展过程 1 9 7 5 年第一个实用的光纤通信系统是应用于市话中继，而且当时的速率是 4 5 m b i t s ，所使用的是多模光纤，而且应用在8 5 0 n m 的短波长窗口。随着光纤通信 系统的应用从市话扩展到长途，光纤8 5 0 n m 窗口的衰减显然较大，当时又研制出了 1 3 0 0 n m 的长波长器件，于是就产生了应用1 3 0 0 n m 窗口的长波长光纤通信系统，这 些系统都还是使用g 6 5 1 规范的多模光纤。随着传输距离迸一步延伸和传输速率的 提高，多模光纤已经不能满足系统要求。当单模激光器研制成功的时候，g 6 5 2 单 模光纤也应运而生。而且由于光纤的1 5 5 0 n m 窗口的衰减比1 3 1 0 n m 窗口的衰减低， 所以更高速率系统由于光接收灵敏度的降低，但又希望保持一定的传输距离，逐步 转到。1 5 5 0 r i m 窗口来应用。 从系统的角度来说，2 5 g b i t s 以下的系统一般为衰减限制系统，而1 0 g b i t s 及其以上速率的系统为色散限制系统。从衰减尽可能小的方面看，1 0 ( j b i t s 及其以 上速率的系统应工作在1 5 5 0 n m 窗口，但g 6 5 2 光纤在该窗口的色散太大，达到1 8 2 0 p s n m k m ，传输距离被限制在7 0 8 0 k m 左右。能否使光纤在1 5 5 0 n m 密口的衰 减小而且色散也小呢? 当时研制出来的g 6 5 3 色教位移光纤，就是在o 6 5 2 光纤的 基础上，将零色散点从1 3 1 0 n m 窗口移动到1 5 5 0 n m 窗口实现的。但是当d w d m 系 统大量推广应用时发现，出于e d f a 在d w d m 中的使用，使进入光纤的光功率 有很大的提高，会使光纤产生非线性效应。由于g 6 5 3 光纤在1 5 5 0 a m 窗口的色散 值太小，使得在g 6 5 3 光纤上工作的d w d m 系统受四波混频效应的影响太严重。 虽然可以采用非均匀波道间隔、色散支持技术等方法来克服，但毕竟使系统变得复 杂，或者还减少了有效使用波道数，所以并不理想。g 6 5 2 光纤在1 5 5 0 n m 窗臼的色 散较大，足以抑制四波混频现象，但因色散太大，不利于以1 0 g b i t s 及其以上速 率为基础的d w d m 系统长距离传输。虽然可以采用色散管理等技术柬解决，也并 不方便。所以人们就去寻求种使光纤在1 5 5 0 n m 窗口的色散既不很大、又不为零 的解决方案，这就是当时称为g 6 5 x ，后来规范为g 6 5 5 的非零色散位移光纤。而 且各个不同的光纤厂家又设计制造出多种不同的g 6 5 5 光纤，如大有效面积、低色 北京邮电大学研究生颂一：学位论文 散斜率等等。 实际上，l o g b i t s 及其以上速率的系统在光纤中的传输距离不仅受通常光纤的 色度色散限制，更严重的是受偏振模色救p m d 的限制，普通g 6 5 2 光纤和g 6 5 5 光纤的p m d 较大且具有统计特性，系统补偿比较困难为了满足高速率系统的要求， 在2 0 0 0 年1 0 月g 6 5 2 光纤和g 6 5 5 光纤的标准修订的时候，将g 6 5 2 光纤细分为 g 6 5 2 a 、g 6 5 2 b 、g 6 5 2 c 三种类型。规定g 6 5 2 a 光纤只能支持2 5 g b i t s 及其以 下速率的系统( 对缆内光纤的p m d 系数不提要求) ，g 6 5 2 b 光纤可以支持i o g b i t s 速率的系统( 粗略地说，要求缆内光纤的p r d 系数小于0 5 p s k m 。= ) 。类似地，g 6 5 5 光纤也相应划分为g 6 5 5 a 光纤和g 6 5 5 b 光纤，前者可支持波道间隔为2 0 0 g h z 以 上的d w d m 系统，后者可以支持波道间隔为i o o g h z 及其以下的d w d m 系统，并能支 持l o g b i t s 传输4 0 0 k m 以上的距离。同时出于光纾制造工艺的不断成熟，特别是 脱水工艺的改进，使原来在1 3 8 0 n m 附近出现的水吸收峰基本消失，使得g 6 5 2 光 纤从1 2 6 0 r i m 到1 6 7 0 n m 的整个范围都可用以通信。于是把这种光纤命名为g 6 5 2 c 光纤，g 6 5 2 c 光纤也可以支持l o g b i t s 速率的传输。 当在光纤上传输的单信道速率达到4 0 g b i t s 或对于以4 0 g b i t s 为基础的w d m 系统- p f i d 的影响更为显著必须进一步严格对光纤的p m i ) 指标的要求。另一方面， 1 0 g b i t s 系统已成为光纤传输的主流速率，希望所有的光纤包括g 6 5 2 a 、g 6 5 5 a 都能支持l o g b i t s 系统的传输，对g 。6 5 2 b 希望能支持l o g b i t s 传输3 0 0 0 k r a 以 上的距离，显然也必须减小p m d 的影响。于是在2 0 0 3 年1 月修订g 6 5 2 光纤和g 6 5 5 光纤标准时，不仅对原g 6 5 2 a 、g 6 5 2 b 、c - 6 5 2 c 以及g 6 5 5 a 、g 6 5 5 b 的指标做 了调整，又定义了两种新型的光纤g 6 5 2 d 和g 6 5 5 c 光纤。 初期的d w d m 系统通常工作在c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) ，然而，c 波段只有3 5 n m 的范围，即使采用0 4 n m 的波道间隔，在1 5 2 9 1 5 6 0 也只能安排8 0 个波道。要进 一步增加波道数，就必须增大可利用的波长范围，例如可以把l 波段( 1 5 6 5 1 6 2 5 n m ) 利用起来，这样，就有9 5 n m 的范围可利用。由于1 6 0 0 1 6 2 5 n m 范围光纤的色散太 大，所以在l 波段1 5 7 0 1 6 0 3 n m 范围内可安排8 0 个间隔为0 4 n m 的波道。c + l 波 段可以实现1 6 0 波的系统。要继续增加波道数，当然可以再减小波道间隔，但波道 间隔的减小是有限度的，方面增大了去复用的难度，另- x 面x 4 、的间隔使每个 韭皇! ! ! ! ! 鱼生兰型：塞兰堡! ：堂竺堡兰 波道可传送的速率受到较大的限制。所以寄希望于再扩大可利用波长范围。g 6 5 2 c 光纤的可用波长范围达4 1 0 r i m ，但整个范围内色散的变化太大，系统进行补偿的难 度和代价太大。于是人们想到，利用s + c * l 三个波段，为了减少系统的麻烦，又应 让光纤在这个范围内色散的变化维持在一个较小的范围，这就引出了对另一种新型 光纤的研究，i t u - t 把这种光纤命名为g 6 5 6 光纤。 目前为止i t u - t 标准有： g 6 5 2 ：单模光纤光缆特性，2 0 0 3 ： g 6 5 3 ：色散位移单模光纤光缆特性，2 0 0 0 ； g 6 5 4 ：截止波长位移型单模光纤光缆特性，2 0 0 0 ： g 6 5 5 ：非零色散位移单模光纤光缆特性，2 0 0 3 ； 另外，g 6 5 6 ：宽带光传输用非零色散单模光纤和光缆特性正在制订中，很一陕 将发布正式版本。 2 我国常用的光纤类型 g 6 5 2 和g 6 5 5 类光纤是国内常用的单模光纤，g 6 5 3 和g 6 5 4 类光纤在国内很 少使用。 ( 1 ) g 6 5 2 光纤的型式 g 6 5 2 类型光纤由2 0 0 0 年版本的三个型式进一步分为了g ，6 5 2 a 、g 6 5 2 b 、 g 6 5 2 c 、g ，6 5 2 d 共4 个型式，增加了g 6 5 2 d 。主要根据光纤支持的应用对p m d 的要 求和1 3 8 3 n m 衰减的要求区分。 g 6 5 2 a 光纤主要支持i t u tg 9 5 7 规定的s d h 传输系统、g 6 9 1 规定的带光放 大的单通道直到s t m 一1 6 的s d h 传输系统，和对于g 6 9 3 应用的直到4 0 k i n 的l o g b i t s 以太网系统及s t m - 2 5 6 。 g 6 5 2 b 光纤主要支持更高速率，支持l o g b i t s 系统传输距离可达3 0 0 0 k m 以上， 4 0 g b i t s 系统的传输距离为8 0 k m 。该类型光纤最大p m d q 为0 2 0 p s k m “2 。 g 6 5 2 c 光纤( 即波长段扩展的非色散位移单模光纤，又称为低水峰光纤) 的属性 与g 6 5 2 a 的属性是类似的，该类型光纤使1 3 8 0 h m 附近出现的水吸收峰基本消失， 从而系统可以工作在1 3 6 0 1 5 3 0 波段，使得g 6 5 2 光纤从1 2 6 0 n m 到1 6 7 0 n m 的整 个范围都可以通信。 4 北京螂电大学研窕生烦： ：学位论文 g 6 5 2 d 光纤的属性与g 6 5 2 b 的属性类似，衰减系数于g 6 5 2 c 光纤相同( 在 】3 1 0 1 6 2 5 波段最大值为0 4 d b k m ，在1 3 8 3 3 n m 波段最大值不超过1 3 1 0 n t o 的值) ， 系统可以工作在1 3 6 0 1 5 3 0 波段。 ( 2 ) g 6 5 5 光纤的型式 g 6 5 5 类型光纤由2 0 0 0 年版本的0 6 5 5 a 、g 6 5 5 b 两个型式进步分成了 g 6 5 5 a 、g 6 5 5 b 、g 6 5 5 c 三个型式。主要根据对p m d 的要求和色散特性的要求区分。 g 6 5 5 a 光纤主要支持i t u tg 6 9 1 、g 6 9 2 、g 6 9 3 和g 9 5 9 1 应用。支持2 0 0 g h z 及其以上间隔的d w d m 系统在c 波段的应用。 g 6 5 5 b 光纤主要支持i t u tg 6 9 1 、g 6 9 2 、g 6 9 3 和g 9 5 9 1 应用。即支持以 l o g b i t s 为基础的i o o g h z 及其以下间隔的d w d m 系统在c 和l 波段的应用。 g 6 5 5 c 型式光纤的属性与g 6 5 5 b 类似，但它具有比g 6 5 5 b 光纤对p m d 更严的 要求，允许s m t 一6 4 系统传输距离比4 0 0 k m 长得更多和g 9 5 9 1s m t 一2 5 6 的应用。能 够满足i o o g h z 及其以下间隔d w d m 系统在c 、l 波段的应用。 ( 3 ) g 6 5 6 新型光纤 2 0 0 2 年，日本n 1 u r 公司和c l p a g 公司提出应规范一种适用于d w d m 系统s + c + l 波段应用的新型光纤，即在s + c + l 波段为非零色散的光纤，得到各国专家的广泛支 持。经过9 个月的研究，提出了这种光纤的基本规范，各公司对这种光纤也都丌展 了研究，提出了对一些关键指标取值的建议。在激烈的讨论之后，除少数参数外( 虽 然少数，却很关键) ，基本达成了一致的意见，并把这种新型光纤命名为g ，6 5 6 光 纤。为了满足不断增长的城域网( m e t r o n e t w o r k ) 和长途网大容量数据传输系统的要 求，一个最有效的解决办法是在更宽的传输波段上( s 、c 和l 三个波段) 应用d w d m 传 输技术。g 6 5 6 光纤在1 4 6 0 1 6 2 5f lm 波段比现有g 6 5 5 光纤标准具有更大的f 色 散值，且色散的斜率更低。这种更大的色散值可更有效地抑制密集波分复用( d w d m ) 系统中所引起的四波混频、交叉相位调制等非线性效应。 i 2 光纤检测技术介绍 光纤通信技术的不断发展，促进了光纤测试新技术的研发和原有技术的拓震 北京邮电大学研究生硕卜学位论文 以及相应国际标准的制定：而光纤测试技术的发展反过来又有力地支撑光纤通信技 术的不断推进。 由于集中式o t d r 检测系统主要是对光纤的衰减损耗进行测量，下面重点介绍 一下光纤衰减的测量原理及测量方法。 衰减是光纤传输特性的重要参量，它的测量是光纤传输特性测量的重要内容之 一，衰减直接影响光纤的传输效率。衰减是光纤中光功率减少的种度量，它取决 于光纤的工作( 波长) 类型和长度，并受测量条件的影响。 在波长 处，段光纤上相距距离为l 的两个横截面l 和2 之间的衰减a ( x ) 定 义为 删圳l g 舞 ( d b ) 1 ) 式中：异) 在波长为丑时，通过横截面1 的光功率 b ( ) 在波长为五时，通过横截面2 的光功率。 通常，对于均匀光纤来说，可用单位长度的衰减，即衰减系数反映光纤衰减性 能的好坏。衰减系数口( ) 定义为 口( a ) = a ( x ) 工 ( 1 2 ) 式中：l 光纤长度c k m ) d ( 五) 值与选择的光纤长度相关。 常用的光纤衰减测量方法有切断法、后向散射法和插入损耗法。 ( 1 ) 切断法 切断法是严格按照定义建立起来的测试方法，其基本原理如图卜1 所示。在 稳态注入条件下，首先测出待测光纤的输出光功率只( a ) ，然后保持注入条件不变， 在离注入端约2 m 3 m 处切断光纤，测量出短光纤的输出光功率只( 五) 。将j p ( 五) 作 为待测光纤的起端注入光功率，按照定义式( i - i ) 和式( 卜2 ) 就可计算出待测光纤的 衰减和衰减系数。在图卜1 中，进行单一波长衰减测量时，光源可使用谱宽窄的发 北京j | i f 乜人学研究生彤ji 学位论文 待洲光纤 卜一 例1 1 切断法删村原理幽 光二极管( l e d ) 或激光器( l d ) ，以提高动态范围；激励器的作用是保证光纤输入端 激励条件的稳定性，即达到稳态模式分布。由于切断法测量光纤衰减时，测量准确 度与光纤切割端面有较大的关系，所以测量样品的端头要认真地处理，端面必须是 一个平整的与轴垂直的镜面并保持洁净。由于这种测量方法需要切断光纤，显然它 是破坏性的。但是这种方法的测量精度高，可以低于0 。l d b ，所以它是光纤衰减测 量的一种标准测试方法。 ( 2 ) 插入损耗法 切断法具有破坏性，而且用于现场测试时很困难、很费时。因此现场测试时常 用插入损耗法代替切断法。插入损耗法在实质上是将切断法做成仪器，如图l 一2 所示。由光发射设备和光接收设备组成一个完整的光纤传输系统，待测光纤即为传 输部分a 在测试前首先对测量仪器进行校准，用l c m 左右长的”短路”光纤连接系 统的发射和接收部分，通过调整光源的输出功率使得接收部分显示的功率为o d b m ， 然后拆去”短路”光纤，接入待测光纤，此时接收部分显示的即为待测光纤的总平 发射机端活动连接器 i 固定频率 电一光 i 振荡器转换器 激励器 待测光纤 lo 接受机端 一一- 一- - 一- _ - 一一一一一一一。- - i 圈1 2 插入法测量原理幽 北京1 1 j | jl 乜大学研究生硕十学位论义 均损耗( d b ) ，用此值除以光纤的长度即为光纤的损耗系数口( 丑) 。插入损耗法韵测量 精确度和重复性要受到耦合接头( 或连接器) 的精确度和重复眭的影响，所以这种测 试方法不如切断法的精确度高。但是因为这种测试方法是非破坏性的，所以测量简 单方便，很适合于工程、维护使用。 ( 3 ) 后向散射法 后向散射法也是一种非破坏性的测试方法，与切断法和插入损耗法有本质上的 不同。这种测试只需在光纤的一端进行，而且一般有较好的重复性。它不仅可以测 量光纤的衰减系数，还能提供沿光纤长度损耗特性的详细情况，并且可以检测光纤 的物理缺陷或断裂点位置，测定接头的损耗和位置，测量光纤的长度等等，所有测 试结果都可以在仪器上自动记录和显示出来。利用这种方法做成的测量仪器叫做光 待测光纤 二二二二 光信号 电信号 圈1 - 3 屙向散射法测黛原理i j | 时域反射计( o t d r ) ，其基本原理如图卜3 所示。测量时将大功率的窄脉冲光注入到 待测光纤中，通过分析光脉冲在光纤中由于后向散射返回到注入端的光信号的变 化，可以得到光信号沿光纤传输的情况。 后向散射法是一种对特性均匀、连续、无接头的光纤进行衰减测量的可选之法， 它还能够测定物理缺陷和接头的大致位置。背向散射法同样适用于单模光纤的衰减 测量，此外，它在研究两路光传输的互相串扰或光纤传感仪的灵敏度时也是很有用 处的a 它的缺点在于无法控制后相散射光的模式分布，对光纤的非均匀性很敏感。 北京邮电人学研究生坝j 学位论史 1 3 本课题的目的和主要工作 当前，在光纤生产、施工、线路维护中，检测光纤所使用的一种非常重要检测 仪器是光时域反射议( o t d r ) 。0 t d r 仪器主要有两种样式，一种是传统仪器、仪表形 式的o t d r ，这种仪表价格昂贵，而且寿命较短，自己无法对浚仪表的功能进行二次 开发；另一种是基于虚拟仪器的o t d r 检测设备，即通过计算机串口或在计算机上 加入模块化硬件来连接o t d r 仪表模块，并利用软件在计算机屏幕上生成仪器面板， 通过计算机控制0 t d r 进行检测，该种形式的设备操控每台o t d r 使用台计算机 这无疑增加了工厂企业的检测成本，并且计算机作为检测终端需占用较大的空划。 本课题的研究目的是在将传统仪器硬件( o t d r 模块) 与计算机软件技术结合起来 的基础上实现并扩展传统仪器( o t d r ) 的功能。该集中式o t d r 系统采用服务器 进行集中管理，可以比较方便地采集，记录，存储各终端的测试数据，还可以自动 生成各种报表，也便于与e r p 以及企业的内部管理网相连。这将使采用集中式 o t d r 系统的企业得到较大的便利。 课题初期主要实现服务器端主要的管理功能和嵌入式客户端的平台搭建以及 客户端的操作控制功能。服务器端所要实现的主要功能包括服务器对多个o t d r 模 块的控制、对多个客户端的管理、采集数据的处理以及虚拟o t d r 功能。 9 北京邮l 乜大学研究生f ! ；jk 学位论文 第2 章光时域反射仪( o t d r ) 2 1 光时域反射仪的用途 光时域反射仪( o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e ro t d r ) 是表征光纤传输特 性的测量仪器。o t d r 可测量整个光纤链路的衰减并提供与长度有关的衰减细节，具 体表现为探测、定位和测量光纤链路上任何位置的事件( 事件是指因光纤链路中熔 接、连接器、弯曲或断裂等形成的缺陷，其光传输特性的变化可以被测量) 。o t d r 测试是一种非常简便、实用的测量方法，它不但省时、测量方便而且具有非破坏性。 因而广泛地应用于光纤、光缆的生产、现场铺设中。随着分布式光纤传感器技术的 发展，o t o r 在光纤传感器中也得到了一定的应用。在近几年，随着光纾通信网的大 量建设，现代信息的传播主要依靠光传输系统来传输，因此保证光纤通信网的f 常 运行有重要意义。建立以o t d r 为中心的在线监测系统，不仅可以建立光纤通信网 的运行状念数据库，而且可以实现故障定点，方便维护，有利于保证光纤通信网的 正常运行。因此o t d r 是光纤与光通信技术中必不可少的测量仪器。 2 2o t d r 的工作原理 2 2 1 背向散射理论 背向散射法是将大功率的窄脉冲光注入待测光纤，然后在同端，检测沿光纤轴 向返回的散射光功率。出于光纤材料密度不均匀、本身有缺陷和掺杂成分不均匀当 光脉冲通过光纤传输时，沿光纤长度上的每一点均会引起瑞利散射。这种散射向四面 八方，其中总有一部分会进入光纤的数值孔径角，沿光纡轴反向传输到输入端。瑞利 散射光的波长与入射光的波长相同，其光功率与散射点的入射光功率成f 比。由于主 要的散射是瑞利散射，且瑞利散射光的波长与入射光的波长相同。其光功率与散射点 的入射光功率成正比，因此测量沿光纤轴向返回的背向瑞利散射光功率就可以获得光 沿光纤传输损耗的信息，从而测得光纤的衰减。 北京邮电大学研究生顶i “学位论文 背向散射法的测量原理如图2 1 所示。光脉冲通过方向偶合器，经偶合部件注 入待测光纤。沿光纤各点产生的背向瑞利散射光返回到光纤的注入端，再经偶合部 件，由方向偶合器反射到探测器，经信号处理输出，便可观察和记录所测量的结果。 图2 - 1 背向散射法测量原理框图 图2 - 2 是背向散射测量的典型汜录曲线，其各段分别反映如下特性： a 由于耦合部件和光纤前端面引起的菲涅耳反射脉冲。 b 光脉冲沿具有均匀损耗的光纤段传播时的背向瑞利散射曲线。 c 由于接头或藕合不完善引起的损耗，或由于光纤存在某些缺陷引起的高 损耗区。 懂 粒 靛 砰 图2 2 背向散射剥裁的媳型记录曲线 簪霄攘凝 北京邮r u 大学研究生硕i 学位论文 d 光纤未端引起的菲涅耳反射脉冲。 当被测光纤存在接头或缺陷时，由于各段的背向散射系数不同，背向散射法测 得的衰减是不准确的，可能有很大偏差。但对于均匀、连续、无接头和缺陷的光纤 这种方法测量衰减的结果是足够准确的。此时根据图中的均匀线段，即曲 线斜率为常数的b 段，可以计算出衰减系数。出于信号经过对数放大器处理，故浚 益线的相对背向散射功率用对数坐标表示，即纵坐标读数是电平值，且是经过f 向 和反向两次的衰减值。因而b 段光纤的衰减和衰减系数为 4 ( ) 4 8 = ( 尸_ 一只) ( d b )i -(2-1) 口( z ) = 彳( 五) 月( d b l k m ) j 如果不采用对数放大器，则测得的均匀、连续光纤的衰减曲线是按指数规律下 降的。这时，纵坐标标读不是电平值，而是从示波器标读上读出的电压值。由于探 测器输出的电流( 或电压) 正比于光功率，故不采用对数放大器时光纤的衰减和衰 减系数可按下式计算 州h 2 扣s 争扣s 铮，防：， r 口( 五) = a ( z ) l 口( d b k m )j 衰减曲线横坐标的长度标尺是通过时标换算出来的，即根据光在光纤中的传播 速度和传播时间换算成长度。 背向散射法除可测量光纤衰减外，还可用于诊断故障点。探测故障点的分辨率 与光脉冲的宽度有关。图2 - 3 所示的矩形光脉冲是由相继的两个孤立的散射体( 故 障点) 反射回来的脉冲。在图2 - 3 ( a ) 中，大的输入脉冲刚好在第一个散射体处发 生了反射。图中虚线示出的小的反射脉冲向左方向行进。在图2 3 ( b ) 中，输入脉 冲恰好通过第二个散射体，故此时存在两个反射脉冲。这两个反射脉冲f n j 的m 隔 是 l = 2 b d ( 2 3 ) 式中，b 表示两个散射体之间的距离，而d 是脉冲的宽度。如果把空间分辨率的极 限定义为l = o ，则可得到恰好能分辨得两个散射体之自j 得晟小距离是 b 。= 妄d ( 2 - 4 ) z 脉冲得空间宽度d 等于脉冲得速度v ( 它近似为v = c n ，c 是光速，n 是纤芯折 射率得最大值) 与其时间宽度t 的乘积，即 d = v t = ( c n ) t( 2 - 5 ) 观测背向散射脉冲的到达时间，可以测得相应得故障点位置。如果背向散射脉 冲在时刻t ( 由输入脉冲出发时刻算起) 到达，则故障点的位置在 f = ( c 2 n ) + t( 2 6 ) 处。故障点定位的准确度由式( 2 - 4 ) 给出。 k b h + 一8 - _ h k 一( 2 b - o ) 叫d h 一 ( b ) 图2 3 在确定光时域反射仪的空间分辨率 与光脉冲宽度d 的关系使用的图形 综上所述，背向散射法是一种对特性均匀、连续、无接头的光纤进行衰减测量 得有效方法。它也能测定物理缺陷和接头的位置。使用这种仪器测量衰减时，对仪 器显示的数值应小心处理，因为背向散射系数可能不同。此外，要注意接头损耗只 有按两个方向测得结果取平均才能准确得确定。 2 2 20 1 1 ) r 的工作原理 o t d r 测试是通过发射光脉冲到光纤内，然后在o t d r 端口接收返回的信息来 进行。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲 或其它类似的事件而产生散射、反射。其中一部分的散射和反射就会返回到o t d r 中。返回的有用信息由o t d r 的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置上的时 间或曲线片断。 从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以计 = i l ：l l g , 1 3 大学研究生顾十学位论文 算出距离。公式( 2 7 ) 就说明了o t d r 是如何测量距离的。 d = ( c 4 t ) 2 ( o r )( 2 - 7 ) 在这个公式罩，c 是光在真空中的速度，而t 是信号发射后到接收到信号( 双 程) 的总时间( 两值相乘除以2 后就是单程的距离) 。因为光在玻璃中要比在真空 中的速度馒，所以为了精确地测量距离，被测的光纤必须要指明折射率( 1 0 r ) 。 0 r 是出光纤生产商来标明的。 o t d r 使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。瑞利散射是出于光信号沿 着光纤产生无规律的散射而形成。o t d r 就测量回到o t d r 端口的一部分散射光。这 些背向散射信号就表明了由光纤而导致的衰减( 损耗距离) 程度。形成的轨迹是 一条向下的曲线，它说明了背向散射的功率不断城小，这是由于经过一段距离的传 输后发射和背向散射的信号都有所损耗。 给定了光纤参数后，瑞利散射的功率就可以标明出来，如果波长已知，它就与 信号的脉冲宽度成比例：脉冲宽度越长背向散射功率就越强。瑞利散射的功率还 与发射信号的波长有关，波长较短则功率较强。也就是说用t 3 1 0 n m 信号产生的轨 迹会比1 5 5 0 n m 信号所产生的轨迹的瑞利背向散射要高。 在高波长区( 超过1 5 0 0 n m ) ，瑞利散射会持续减小，但另外个叫红外线衰减 ( 或吸收) 的现象会出现，增加并导致了全部衰减值的增大。因此，1 5 5 0 n m 是最低 的衰减波长；这也说明了为什么它是作为长距离通信的波长。很自然，这些现象也 会影响到o t d r 。作为1 5 5 0 n m 波长的0 t d r 它也具有低的衰减性能，因此可以进行 长距离的测试。而作为高衰减的1 3 1 0 n m 或1 6 2 5 n m 渡长，o t i ) r 的测试距离就必然受 到限制，因为测试设备需要在0 t d r 轨迹中测出一个尖锋，而且这个尖锋的尾端会 快速地落入到噪音中。 另一方面，菲涅尔反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点而引起的， 这些点是由造成反向系数改变的因素组成，例如玻璃与空气的间隙，在这些点上， 会有很强的背向散射光被反射回来。此时，若假定入射光垂直于反射面，雨反射面 又是清晰的跃变界面时，则反射光的功率和入射光的功率之比，可由下述菲涅尔方 程给出 北京邮电大学研究生硕士学位论立 r ：生：堕望( 2 8 )r = 二兰= 二( 2 8 ) 只+ 1 ) 2 式中，n = n ，n 是传输媒质折射率n ：和反射媒质折射率啊之比，如果以位于空气中 的玻璃光纤端面为例时，那么玻璃的折射率为m ，= 1 5 ，而空气的折射率 ，= 1 0 代 入式2 - 8 则有 r ：螋：0 0 4( 2 9 ) ( 1 ，5 + 1 ) 这就意味着从光纤米端反射回来的光功率近似为入射光功率的4 ，若用分贝 数来表示r 的值并称作为返回损耗( 简写为r l ) ，可出下式给出 r l ( d b ) = i o l o g ( r )( 2 - 1 0 ) 因此，当r = o 0 4 时，返回损耗r l 的值是- 1 4 d b 。换句话说，末端处于空气中 的光纤界面，由于菲涅尔反射产，土的返回损耗为一1 4 d b 。因此，o t d r 就是利用菲涅 尔反射的信息来定位连接点，光纤终端或断点。 换句话说，o t d r 的工作原理就类似于一个雷达。它先对光纤发出一个信号，然 后观察从某一点上返回来的是什么信息。这个过程会重复地进行，然后将这些结果 进行平均并以轨迹的形式束显示这个轨迹就掐绘了在整段光纤内信号的强弱( 或 光纤的状态) 。图2 - 4 是o t d r 的原理结构框图。 脉冲发生器发出宽度可调的窄脉冲驱动激光二极管( l d ) ，产生所需宽度的光脉 冲( 通常为2 n s 2 0us ) ，经方向耦合器后入射到被测光纤，光纤中的后向散射光和菲 涅耳反射光经耦合器进入光电探测器，光电探测器把接收到的散射光和反射光信号转 换成电信号，由放大器放大后送信号处理部件处理包括取样、模数转换和平均) ， 结果由显示部件显示：纵轴表示功率电平，横轴表示距离。时基与控制单元控制脉冲宽 度、取样和平均。 韭室坐生叁兰型壅皇堡! 堂竺堡兰 厂面订 ，一 厂羽 1 一 信号处理 一+ 光纤 一_ p 一 图2 - 4o t d r 原理结构方框幽 2 。3o t d r 的主要性能指标 对o t d r 的性能参数的了解有助于o t d r 的实际光纤测量。o t d r 性能参数主要 包括动态范围、盲区、分辨率、精度等。 1 动态范围( d y n a m i cr a n g e ) 动态范围是o t d r 主要性能指标之一，它决定光纤的最大可测量长度。动念范圈越 大。曲线线型越好，可测距离也越长。常用的动态范围定义主要有以下四种： i e c 定义( 8 e 1 1 c o r e ) ：常用的动态范围定义之一。取始端后向散射电平与 噪声峰值电平间的d b 差，测量条件为取o t d r 最大脉冲宽度( 1 8 0 秒) 的测量 时间。 r m s 定义：最常用的动态范围定义。取始端后向散射电平与r m s 噪声电平 间的d b 差。若噪声电平呈高斯分布，则r m s 的定义值比i e c 定义值高约 1 。5 6 d b 。 n = 0 1 d b 定义：最实用的定义方法。取可以测量损耗为0 1 d b 事件时的 最大允许衰减值。n = 0 1 d b 定义值比信噪比s n r = 1 的r m s 定义值小大 约6 6 d b ，这意味着若o t d r 有3 0 d b 的r m s 动态范围，则n = 0 1 d b 定义的动 北京邮电人学研究生硕i 学位论史 态范围只有2 3 4 d b ，即只能在2 3 4 d b 衰减范围内测量损耗为0 1 d b 的事 件。 端探测( e n dd e t e c t i o n ) ：光纤始端的4 菲涅耳反射峰与r m s 噪声电平 的d b 差，此值比l e g 定义值高约i 2 d b 。 需要注意的是，对同样性能d r ，不同的定义方法，动态范围值不同，在检查o d