光时域反射仪(OTDR)YUAN.doc

实验24 光时域反射仪（OTDR）光信02班 C2组 2013-03-06&2013-03-13一、实验目的和内容：1、学习光时域反射仪的原理和使用操作2、学习光纤传输质量的检测3、了解光纤断点的检测二、实验基本原理：光纤通信技术的发展日新月异，随之而来的是光纤测量仪器的迅速发展。其中，光时域反射仪OTDR（Optical Time Domain Reflector）是最有价值的一种光纤测量仪器。OTDR的基本原理由Barnoski博士于1977首先提出。当激光被注入光纤时，光纤本身会不断对激光产生后向瑞利散射。通过测量分析这些后向散射光的功率，可以得到沿光纤长度分布的衰减曲线。以下是OTDR的工作原理图：图24.1 OTDR的工作原理图由激光器发出的光脉冲注入到光纤后，在开始端接收到的光能量可以分为两种类型：一种是光纤断面和连接面的菲涅耳反射光；另一种是瑞利散射光。通过分析曲线，可以知道光纤对光信号的衰减程度，光纤中的连接点、耦合点和断点的位置，以及光纤弯曲和受压过大的情况。三、实验用具与装置图：CMA4000i型OTDR、光纤跳线，适配器、光纤/光缆。l CMA4000i型OTDR简介CMA4000i型OTDR是美国NETTEST公司的产品，可以满足光纤系统的建设、验收、维护和修复等测试需求，可以在野外环境使用。下面是其外观图：图24.2 CMA4000i型OTDR外观VFL端口直流电源插口OTDR/光源接口功率计接口电源开关测试开始/停止与实时测试键可变功能键显示参考位置选择键游标控制旋钮A/B游标切换与选择确认键曲线坐标范围调节键OTDR设置菜单激活键存储键内置键盘软盘存储指示灯硬盘存储指示灯节能待机状态指示灯电池状态指示灯（橙：正在充电；绿：充电完成）外接电源指示灯光源工作状态指示灯图24.3 CMA4000i型OTDR状态指示灯四、实验操作步骤：1 基本操作待测光纤预先融接光纤条线（FC/PC），用干净镜头纸擦净连接器端面，小心插入OTDR/光源借口，对准卡位。严禁随便转动光纤接头。按下顶部红色的开关接通电源，显示屏就会显示厂家图标、软件版本和日期。接着OTDR会进行自检，同时显示本机的配置和自检结果。当自检完成后，显示出操作模式选择页面。图24.4 CMA4000i型OTDR外观顶部一个有效的测量，必须正确设置测量参数，如光源脉宽、光源波长和测量长度范围等。光源的脉宽可以影响测量精度，脉宽越窄，精度越高，但脉冲能量降低，影响测量长度范围。不同光源波长在光纤中的行为是不一样的，必须针对光纤的用途设置好光源波长。不同测量长度范围的设置，影响到光源的脉宽和脉冲间隔，如果设置的长度范围比光纤实际的长度短，光纤中就会同时存在两个或多个光脉冲，使测试曲线出现“鬼影”。要得到正确的测量结果，还要设置好光纤的折射率，单模还是多模等。第一个按钮是故障定位按钮，也是一次按键自动测量按钮。OTDR能够探测光纤的实际情况，智能设定测量参数，自动完成测量。一般情况下，此按钮就可以满足普通测量的需要。配置模式是对OTDR的一些基本参数的设置，专家模式是高级测量操作，特模式包括图24.5 开机面板其控制键面板多波长、组合、双脉宽和PON等特殊测试。右图是OTDR的控制键面板。F1F6按钮在不同模式下作为屏幕右侧显示的相应功能键。“km”、“ns”、“”按钮在高级模式下可以分别选择测试长度、脉宽和测试波长。“dB”按钮可以选择损耗测量的模式。“DISP FROM”按钮选择测试曲线的显示参考点：屏幕左下角A行高亮时，表示从A游标显示曲线；B行高亮时，表示从B游标显示曲线；没有高亮显示时表示从光纤开始端显示曲线（默认）。“十”字形按钮可以分别增大或缩小两个坐标的显示范围，即可以放大缩小曲线显示。 图24.6开机面板其控制键面板2 光纤长度测量通过记录发出脉冲和接收到反射光的时间差，根据d = c t / 2 n就可以计算出光纤长度。可以看到，正确设置好纤芯的折射率n对长度测量的准确性十分关键。图24.6 距离测试把要测量的光纤连接到OTDR的光源接口处，然后选择故障定位模式。OTDR首先自动检查光纤接头连接情况，检查通过后就自动选择合适的测量长度范围、分辨率和脉宽，完成测量过程。测试完成后，屏幕显示出光纤的长度。选择“查看曲线”按钮查看光纤损耗曲线。如果需要测量光纤中任意两个位置间的距离，步骤如下：1) 按DISP FROM按钮，选择从开始显示（屏幕左下角AB行都没有高亮显示） 2) 按A/B SEL键选择B游标3) 旋转游标调节旋钮调节B游标的位置4) 按DISP FROM按钮，选择从B显示（屏幕左下角B行高亮显示）5) 按“十”字形按钮扩展曲线显示，以便更准确的放置游标位置6) 旋转游标调节旋钮进一步调节B游标的位置7) 对A游标重复步骤1) - 6)8) 从屏幕左下角窗口读取A-B的距离图24.7 OTDR测量曲线3.光纤接点损耗测量把要测量的光纤连接到OTDR的光源接口处，然后选择故障定位模式。OTDR首先自动检查光纤接头连接情况，检查通过后就自动选择合适的测量长度范围、分辨率和脉宽，完成测量过程。测试完成后，屏幕显示出光纤的长度。OTDR有智能分析功能，能够根据测量得到的回反光能量的突变情况，自动分析连接点的情况。选择“事件表”按钮查看光纤各个连接点的测量结果。事件表包括了连接点的类型、位置、损耗和回波损耗。假如OTDR不能正确分析出连接点的情况，可以手工分析。按“查看曲线”按钮查看光纤损耗曲线。分析连接损耗有“两点法”和“最小平方近似LSA法”，后者相对与前者是增加了软件辅助确定事件的始末。图24.8 衰减曲线和相应连接点影响的示意图用“两点法”测量连接点的损耗的步骤如下：1) 确定要测量的两点的位置，步骤与测量长度时确定A、B两游标位置的步骤相同。2) 按“dB”键，选择“两点损耗”模式3) 从屏幕下端中间窗口读取两点损耗值注：开机后，OTDR自动检测光纤测量范围和预设定激光脉宽，一般会设定为：脉冲250ns，测量范围：16km。测量结果显示测量范围太大，不能充分利用仪器的测量精度，需要改变参数设置：可改脉冲宽度为10ns，测量范围为8km。可以同时更改，也可以分别更改。五、实验过程与分析：1. 准备实验：认真阅读仪器使用说明书2. 测量光纤的长度连接光纤与OTDR:待测光纤预先融接光纤连接器（FC/PC），用干净镜头纸擦净良接器端面，小心插入OTDR/光纤接口（FC/PC适配器），对准卡位。严禁随便拧动光纤接头。开机:按下顶部红色开关接通电源，OTDR会进行自检。自检后显示出操作模式选择页面。设定参数:仪器默认的测量范围是16km，默认的测量脉宽为250ns,为充分仪器的测量精度，设置测量范围为：16km/2m。保持纤芯的折射率为n=1.4682不能改动。测量光纤长度：通过记录发出脉冲和接收到的反射光的时间差，根据可算出光纤的长度。分别用脉宽为250ns和10ns的激光测量光纤的长度。测量时所获得的图像和相应的像素点都是取30秒钟的平均值。注意在测量时尽量避免触碰光纤，以免由于外压力造成菲涅尔反射，影响测量。选取了菲涅耳反射的起始点作为测距起点。测量数据如下：表1 光纤长度测量值（n = 1.4682，= 1550 nm）12L/km5.00865.0119取两者平均值可以作为光线长度：3. 分段测量光纤的衰减损耗分别用脉宽为10ns的激光分段测量光纤的平均损耗。每段选择约2km，注意到选择点A和B时应避开融接连接点和机械连接点。在前中后各取一段大约是2km范围内的曲线，将相关数据记录在表2中。并可以由此计算相关统计性质。表2 分段测量光纤的衰减损耗(n = 1.4682，= 1550 nm)脉冲宽度测量段序起点A / km终点B / km光纤长度/ km衰减/ dB衰减系数/ dB km-110ns第一段1.00003.00312.00310.3940.197第二段2.01284.03232.01950.4060.201第三段2.96034.96342.00310.3940.197衰减系数平均值：分析：本次测量用来分析不同长度范围里的光的传播特性。可以看出本光纤的均匀性是不错的，不同的测量区间里的得到的测量值与全长的衰减系数是相差无几的。这与理想情况下的光纤工作状态一致，光纤不同段的衰减系数应该不变，。实际选取A、B点时已经避开菲涅尔和机械损耗峰。4. 测量全段光纤的平均损耗和连接点的损耗分别用脉宽为10ns的激光测量全段光纤的平均损耗。注意到了设置的长度测量范围不能超过光纤的实际长度，否则测试曲线会出现“鬼影”。此外还要设置好光纤的折射率，单模还是多模等，以便得到正确的测量结果。此组数据为了去除菲涅尔反射峰下降沿的影响，特从A事件的平衡点开始测量到B事件的平衡点，连同衰减一起记录在表2中。表3 整段衰减系数平均值与偏差（n = 1.4682， = 1550 nm）脉冲宽度测量项目10ns光纤长度/ km5.0094衰减/ dB8.103衰减系数/ dB/km1.618对比分段测量的光线衰减系数，全段衰减系数为1.618dB/km,相差很大，那是因为分段测量刻意避开了融接连接点和机械连接点，而这些点恰恰损耗很大。我们选取了其中一个连接点，脉冲宽还是10ns因为250ns下的分辨率太低测量得知其两点间损耗0.85dB。5. 利用Networks软件分析图像1)、10ns宽度脉冲OTDR测量曲线示意图：10ns宽度脉冲测量得到的OTDR测量曲线如图1所示。从图1a看出（1）整条曲线出现三个菲涅耳反射峰，均为光进入光路中不同器件之间端面导致。其中A峰为光源与跳线接口反射所致，B峰为跳线与长光纤接口反射所致，C峰则是光纤未端所致。在图b、c中将横坐标尺度放大，可以更清楚的看到ABC峰。（2）除了峰之外，整条曲线平稳地下降，光强在逐渐地减弱，为光纤中瑞利散射的表现。（3）C峰之后是嗓音曲线，为光纤未端外的光的影响结果，不在本实验的研究范围内。（a）整体（b）前端（c）末端2）、250ns与10ns宽度脉冲OTDR测量曲线对比图：把250ns宽度脉冲测量得到的OTDR测量曲线叠加到原图上，如图2所示。整体在上方的为250ns测量结果。从中看出：（1）250ns脉宽测出的图形在上方，由于纵轴是与光源功率的对比，故250ns脉宽下的反射光功率较高。（2）在单位长度上，10ns脉宽下的图形比较精细。分辨率高。250ns脉宽的AB已经无法分辨。（a）整体（b）前端（c）末端3）、结论：可以看出较脉宽的脉冲可以对更长的光纤进行测量，而较窄脉宽的脉冲对距离测量的精确度比较高。六、思考题1、菲涅尔反射光与瑞利散射的差异及产生的机理，在实验中如何区分这两种效应？答：菲涅尔反射是指光在介质传播过程中，遇到折射率不同的介质面时产生的一种反射现象，而瑞利散射是由与介质材料的随机分子结构相联系的本征介质常数分布的微观不均匀性引起的电磁波的散射损耗。当电磁波沿介质传播时，可以从单个分子产生散射，这种散射使波的传播受到阻碍，从而使速度减慢，产生相位滞后。偏离出原来波的传播方向的散射光有随机的相位，这些随机相位的散射子波大部分能相互抵消，而沿传播方向的散射光则相干叠加继续向前传播。此外，尚有少量不相干光没有完全抵消，这些子波逸出传输光束从而形成瑞利散射损耗。正常情况下，由瑞利散射引起的衰减非常小，而由菲尼尔反射引起的衰减则很大。在没有菲涅尔反射的情况下，实验测得的衰减曲线应是一条斜率不变的直线，而一旦出现菲涅尔反射，直线将出现一个较大的波峰。据此可区分这两种效应。2、光时域反射仪的工作原理，说明主要部件的作用。答：光时域反射仪是根据光在介质（光纤）中传播时出现菲涅尔反射和瑞利散射的机制制成的。其工作原理如下：首先由激光器向光纤发出激光脉冲，由于受到散射粒子的散射，或光纤断裂面产生的菲涅尔反射，通过耦合器将其中的反射光和散射光传送到光电探测器上，将光信号转换成电信号，再将信号放大并提供给采样器，通过单片机将结果显示出来。3、分析参数设定更变对测量结果的影响，有哪些参数是比较关键的？答：如光源脉宽、光源波长和测量长度范围等。光源的脉宽可以影响测量精度，脉宽越窄，精度越高，但脉冲能量降低会影响测量长度范围。不同光源波长在光纤中的行为是不一样的。必须针对光纤的用途设置好光源波长。不同测量长度范围的设置会影响到光源的脉宽和脉冲间隔，如果设置的长度范围比实际的长度短，光纤中就会同时存在两个式多少光脉冲，使测试曲线出现“鬼影”。要得到正确的测量结果，还要设置好光纤的折射率，单模还是多模等。 4、利用光时域反射仪测量光纤长度时的误差来源，解释测量分辨率。测量过程中，对于结果影响最重要的参数是探测信号的脉宽。对于脉宽较窄的探测信号，它引起的菲涅尔反射较小，输出能量较少，因此能够更加精确的测量出光纤的故障点。其缺点是，能量如果太小，在一定的衰减情况下，很容易彻底消失，所以其适用于短光纤。如果光纤过长，短脉宽信号将引起很大误差。常脉宽信号则正好相反，优点在于能量比较大，能够传输的距离就相对远很多。但是 由于脉宽较大，也将会引起较大的菲涅尔反射，导致定位的不精确。实际操作中，应该根据具体需要，选择适当的脉宽。 实验中可能引起误差的机制还有以下几个： (1). 仪器固有的误差。这是在仪器设计和制作的过程中所固有的，一旦仪器确定，就无法再改变。 (2). 光纤连接口不洁净，各种污点等会导致物理性能