OTDR测试讲座解析.ppt

1,用OTDR测试光纤光缆,2,光纤通信的基本原理OTDR的测试原理OTDR的性能指标和参数设置OTDR光纤测试和曲线分析常见问题,用OTDR测试光纤光缆,3,光纤通信的基本原理,4,光功率的单位为dBm对人类来说，波长为380nm(蓝)750nm(红)的光为可见光，通信用光为不可见光，波长通常为850nm、1310nm和1550nm等等。当需要扩充通信系统传输容量时，需用CWDM、DWDM系统，传输用光波长为1525nm1625nm之间的4、8、16、32等波长通道，或增加更多的光纤数。,通信用光,5,例如电灯泡:更多的瓦数灯泡更亮对于通信用光:1mw=0dBm光功率范围:+20dBm70dBm,光功率,6,用光波长来量化光的“颜色”光波长的单位是nm或m不同颜色(波长)的光具有不同的特性,1km,GammaRays,X-Rays,Ultra-Violet,Infrared,RadioWaves:MicrowavesTelevisionRadio,可见光谱,380nm,750nm,0.1nm,1nm,100nm,1mm,1cm,1m,电磁波谱,光波长,7,光纤的导光原理,光纤是一种导光的石英玻璃纤维，光在纤芯内由于反射作用而向前传播当光沿纤芯向前传播时，同时存在反射和折射现象。反射：当纤芯中的光传到芯/包界面时，被反射回纤芯内。折射：当纤芯中的光传到芯/包界面时，透过界面进入包层。,8,光的反射和折射,当光从玻璃向空气中传播时，在玻璃与空气的交界面上，一部分光线向远离法线的方向弯折(折射)，另一部分光被反射回到玻璃中(反射)。对某一波长的光来说，,入射角,折射,“法线”,折射角,空气n2,反射,玻璃n1,9,光的反射和折射,当入射角增大到一定值时，光线不再向空气中折射，而是沿着玻璃-空气界面向前传输，这一入射角为临界角。,10,当入射角超过临界角时，所有的光以同样的角度反射回玻璃中，这种情况称为全反射。,光的反射和折射,空气,全反射,玻璃,11,只要光线以临界角或大于临界角的角度传播到玻璃-空气界面时，就能保留在玻璃中，直到沿传播方向到达玻璃端面。用光纤作为波导的原理，是以光在纤芯和包层的界面发生全反射为基础的,光的反射和折射,12,经散射之后前向传播的光变弱,前向传播的光遇到玻璃中微观上的折射率变化时，部分光会向四面八方散射，称为瑞利散射，其中的一部分散射光经反射后回到入射端，称为背向散射。OTDR的工作原理以这种背向散射为基础的。,瑞利散射,13,菲涅尔（Fresnel）反射,向前传播的光到达光纤端面后发生反射，称之为菲涅尔反射菲涅尔反射也是被OTDR利用的一个重要现象,14,光主要在纤芯中传播，涂覆层起保护光纤的作用,芯（单模810m；多模50m、62.5m）,包层（125m）,涂覆层（250m),光纤的结构,15,多模光纤有较大的芯,单模光纤芯较小,光纤的类型,16,光纤的类型,阶跃型多模光纤,渐变型多模光纤,阶跃型单模光纤,导光机理,几何结构,折射率分布,17,多模光纤中传输光有很多传播路径(“模式”),单模光纤只允许光有一个传播路径,单模光纤和多模光纤,18,单模光纤和多模光纤,多模光纤优点：纤芯大，易熔接，传输系统投资小缺点：色散太大，衰减大。只适用于短距离，小容量的传输应用,单模光纤优点：色散小，衰减小。适用于长距离、大容量的传输应用缺点：纤芯小，熔接衰减大。传输系统投资大,19,折射率和群折射率,折射率是传播光传播媒质的“密度”，是光在真空中的传播速度与光在媒质中的传播速度：n=媒质的折射率；c=光在真空中传播速度(m/s)；v=光在媒质中的传播速度(m/s)。群折射率是光在真空中的传播速度与一个光脉冲在光纤中的传播速度之比群折射率与折射率不同,这是因光脉冲不仅在纤芯中传播（绝大部分光在纤芯中传播），而且有一小部分光在包层中传播，且脉冲实际上是一组不同波长的光波。,20,光纤的几何参数,包层/芯层直径,包层/芯层不圆度,芯/包同心度误差,光纤的几何参数对于光纤熔接损耗有很大的影响，必须将各参数控制在容忍的范围内,21,光纤的几何参数,翘曲度,适当的几何尺寸,不适当的几何尺寸,包层直径,芯/包同心度误差,这些情况对熔接都不利！,22,光纤的几何参数,23,光纤的几何参数,光纤翘曲度对融接质量的影响,24,光纤的模场直径,包层,芯,在光纤中传输的光的强度分布,单模光纤传输的光能不是完全集中在纤芯中，而是有相当大一部分在包层中传输，所以不用纤芯的几何尺寸作为单模光纤参数，而采用模场直径作为描述光纤传输光能集中程度的参量。模场直径是与波长相关的,0,-0,0,25,光纤的模场直径,模场直径大时优点：易对接缺点：聚光能力差，光很容易受弯曲向外泄露模场直径小时优点：对接难缺点：聚光能力强，光不容易受弯曲向外泄露波长越长，模场直径越大，光更容易受弯曲向外泄露，产生宏弯衰减,26,注入光纤中的光,光纤的临界角c对应光纤对光的最大接收角max,当光线注入光纤时，为减少耦合损失，纤芯应尽可能接收更多的入射光，决定纤芯耦合效率的参数是光纤的数值孔径(NA)，,27,数值孔径NA的意义：在光纤的端面，一定锥度范围内的光线才能进入纤芯，锥度范围以外的光线则被包层吸收，这类光线被损失掉是由于它们到达芯/包界面后全部向包层折射，而没有反射回纤芯。光纤芯折射率n1与包层折射率n2不同，这两个值的差别决定了光纤对光的最大接收角，也就决定了光纤的数值孔径NA。,光纤的数值孔径,28,光的衰减：光在光纤中传播时强度会逐渐变弱四种原因引起光纤的衰减1.吸收：光纤中材料的固有吸收或杂质吸收光，使传输光强变弱2.散射：光纤中的固有散射或光纤结构缺陷引起的散射，使传输光强变弱3.宏弯：光纤的弯曲半径小于允许弯曲半径时(弯曲半径大于2mm)，部分光从纤芯向包层折射，使传输光强变弱（通常发生在安装阶段）。4.微弯：光纤侧面受压时，引起光纤微观上的扭曲变形(弯曲半径为2m2mm)，部分光从纤芯向包层折射，使传输光强变弱（通常发生在制造阶段）。,光纤的衰减,29,光纤的衰减,宏弯衰减在长波长更为显著。如果一根光纤的衰减增加，且在1550nm处比在1310nm增加幅度大，原因是宏观弯曲所致。微弯衰减发生在当光纤被压于不平的表面时，微观弯曲的弯曲直径在0.012mm之间，在真正的微观弯曲中，在两种波长上的衰减的增加是相同的。,30,光纤的衰减,石英光纤衰减最低的窗口位于1550nm波长左右,31,光纤的色散,光的色散：光脉冲在光纤中传播时被展宽的现象,多模光纤的色散大于单模光纤的色散，原因？,32,光纤的偏振模色散,33,OTDR的测试原理,34,生产过程控制产品验收检验安装质量检验探测线路缺陷线路故障定位其他故障,为何用OTDR测试光纤?,35,光纤光缆生产时光缆验收时光缆安装时光缆熔接前后设备验收时线路定期维护线路故障时,何时用OTDR测试光纤?,36,衰减系数(dB/Km)跨距长度(Km)接头损耗(dB)反射系数/回波损耗(dB)端到端的总损耗(dB)连续性和均匀性检验,用OTDR测试什么?,37,不同用户的需要,光缆制造者测量传输损耗、长度，检查光纤和光缆内部的故障点系统安装施工者测量传输损耗、接头损耗、光缆的长度和到接头点的距离系统维护者例如测量由于挖掘造成光缆损坏的断点距离。光纤器件制造者测量光纤器件的反射系数和回程损耗,不同的OTDR用户有不同的测试需要,38,测试光缆线路端到端总衰减的最简单的方法是用一个光源和一个光功率计，首先测试参考尾纤的光功率，然后测试被测光纤的光功率，它们的差值为被测光纤的衰减,衰减的测试,39,OTDR的结构,OTDR向光纤中发送一个光脉冲，测量反射回来的光信号。方向耦合器使得光源和光探测器能同时与一个光纤端面相连。,主机：微处理器和显示屏光单元：激光器、光探测器、方向耦合器和光纤连接器,40,OTDR如何工作,OTDR通过设置光纤的折射率可得知被测光纤的纤芯中光的传播速度，通过设置光纤的长度范围可得知需测量多远的距离。根据这些信息，OTDR将对反射光信号重复采样。精密激光公司生产的CMA4000OTDR，对每个输出的光脉冲的反射光采样16,384次，这意味着，如果光纤测试长度设置为128km，那么，每隔8m将采样一次(128km/16,384)，如果光纤测试长度设置为64km，那么，每隔4m将采样一次(64km/16,384)当OTDR处于实时状态(realtime)时，依赖于不同的光脉宽，将对每个曲线发送64256个光脉冲。在平均模式(FAST,MED,SLOW)下，光单元将发送2048,32786或261288个光脉冲，这些采样点被平均后显示在屏幕曲线上。,41,返回的光,OTDR依靠返回的光进行测量，返回的光有两种型式：反射光和散射光。当光从一种折射率介质进入另一种折射率介质时常常有部分光反射回来。由于玻璃和空气之间的界面而在光纤端面处发生的反射称之为菲涅尔反射当光纤之间使用机械连接器进行连接时，在两端面之间常有一段空气间隙，当光从高折射率的纤芯进入低折射率的空气中时，会有大量的光被反射回纤芯，光纤的起始端和尾端的菲涅尔反射是一个很好的从玻璃到空气过渡事件的结果实例。因光纤芯玻璃密度变化引起的散射称为瑞利散射。玻璃密度是不均匀的，当光从一个密度区域进入另一个密度区域时，会产生一些散射光，而其中少部分散射光会返回OTDR。,42,返回的光,衰减系数(dB/Km)跨距长度(Km)接头损耗(dB)反射系数/回波损耗(dB)端到端的总损耗(dB)连续性和均匀性检验,返回的光信号形成的曲线上所包含的信息，使我们能完成这些测试工作：,43,d距离c光在真空中的速度t光在光纤中传播时所用的时间n光纤的群折射率,从上式可知，如果“n”设置错误，光纤距离“d”将测试错误OTDR测试出光脉冲“走过”光纤所用的时间，然后将其换算成光纤的距离,“t”=t1+t0,OTDR的距离测量,“d”,t0,t1,44,在某一个波长下设置好群折射率后测试光纤的长度确定光缆对地位置十分重要，需要补偿光纤比光缆皮长长出的那一部分用地标纠正OTDR测试的对地距离,OTDR的距离测量,45,OTDR测量背向散射光，并探测反射事件比较光纤上两个点之间的背向散射光信号电平差异，测试出这两个点之间的损耗当背向散射光信号电平发生突变时，突变大小为接头损耗,OTDR损耗的测量,46,背向散射光大小与测试用光脉冲直接相关，当脉冲信号减弱时，背向散射光也减弱，两点间背向散射光的强度差异等同于前向传输的脉冲光的强度差异,OTDR损耗的测量,47,OTDR的性能指标和参数设置,48,OTDR的性能指标和参数设置,性能指标动态范围中心波长线性度事件盲区衰减测量盲区距离分辨率衰减测量精度,参数设置距离设置脉冲宽度平均时间测量波长群折射率,49,动态范围,起始背向散射信号电平与噪声基底电平之差,50,动态范围,单位为dB，通常为2040dB或更高。描述OTDR能测试光纤多大的损耗，也可以说OTDR能测试多长的光纤。与脉宽有关，长的脉宽具有更大的动态范围选择更长的脉宽或对信号进行更长时间的平均都能增加动态范围,51,脉冲宽度,OTDR发送一个光脉冲所持续的时间长度，也可换算成光脉冲所覆盖的距离,52,脉冲宽度,脉冲宽度,单位为：时间单位s，ns；距离单位m决定了OTDR的动态范围和盲区设置脉宽时必须综合考虑动态范围和盲区这两个相互矛盾的指标,53,盲区,单位为米，是指OTDR无法进行测量的距离决定了OTDR能测量出一个接头损耗的最短距离决定了OTDR能分辨出两个事件(接头)的最短距离与脉宽有关，更宽的脉宽有更大的盲区衰减测量盲区事件测量盲区,54,盲区,事件盲区：两个反射可分开的最短距离衰减测量盲区：从一个反射事件算起可进行正确测量的最小距离,55,分辨率,用距离来表示两种类型:采样点间距空间分辨率(盲区的另一种表现形式)决定OTDR分辨事件的能力和精度,56,采样点间距,接头,距离,用同样的脉宽不同的采样点间距时，对事件定位的精度不一样,背向散射水平,采样点间距=8m时,采样点间距=16m时,57,空间分辨率,长脉宽产生更长的盲区，使OTDR不易分辨出单独的接头事件上述实例中，从OTDR的测试结果无法确定另一个接头的起始点，无法得知哪一个接头带来了更高的损耗,长脉宽对盲区的影响,58,空间分辨率,短脉宽对盲区的影响,短脉宽产生更短的盲区，使OTDR很容易分辨出单独的接头事件上述实例中，从OTDR的测试结果可以很清楚地确定另一个接头的起始点，可以清楚地知道哪一个接头带来了更高的损耗,59,空间分辨率,+4,+3,+2,+1,10.594,1,2,3,4,TRACECOMPARE,SETLOSSINTERVALS,CURSORLOCK,SHIFTTRACE,MORE,Hoff:0.0000kmVoff:4.55dB,长脉宽曲线,99020272.15C,99020272.152,3.4073.4363.4643.5213.5503.5793.6070.2413.636,A:9.5215kmB:3.5756kmB:0.0542km,2PtLoss:0.635dBH:500ns/50.0mIndex:1.467000,Range/Reso:8km/0.5m#AVGS:28160CM4436/15510nm/SM,A,STATUS,PressTEST/STOPtoBegintheNextTest,F,E,EVENTTABLE,dB,A,B,0.542Km(17710”),短脉宽曲线,0.0046Km(151”),60,空间分辨率,用长脉宽时从第一段光纤到第二段光纤的光信号有较长的过渡距离，短脉宽使过渡距离很小，分辨事件的精度更高,61,线性度,OTDR固有的指标。不同的OTDR，线性度差异较大线性度0.02/0.03/0.05dB/dB,62,中心波长,1310nm5/10/20/25nm1550nm5/10/20/25nm,在1310nm窗口中心波长的偏差比在1550nm窗口同样的偏差带来的测试误差更大,63,OTDR的测试距离设置,测试距离决定了OTDR发送光脉冲的频率(无论是实时状态还是平均状态)对于短的光纤，测试距离须不少于两倍的光纤总长；对于长的光纤，测试距离须至少比光纤总长长出20%。当选择的测试距离过长时，将会导致在规定的期限内对信号的平均次数减少，从而减小了曲线上的信噪比，影响OTDR对衰减的测量精度如果OTDR对每个输出的光脉冲的反射光采样次数不变，当选择的测试距离过长时，则采样点间距会增加，将影响OTDR对距离的测量精度,64,群折射率的设置,光纤的群折射率与波长相关，由光纤光缆制造厂家提供。正确设置群折射率对光纤长度的精确测试十分重要，因为光纤长度计算时需要用到群折射率,65,OTDR光纤测试和曲线分析,66,OTDR光纤测试,依照具体情况正确设置参数被测试光纤与OTDR光源偶合对采集的光信号平均，获得较小噪声的OTDR曲线,67,被测试光纤与OTDR光源偶合,用一段过渡光纤连接OTDR和被测光纤，消除前面板上高的菲涅尔反射峰对测试的不利影响，连接方式有:活动连接固定连接,被连接的光纤必须用特制的光纤切割工具仔细做好端面在光纤连接处用折射率匹配材料减小或消除端面间的菲涅尔反射峰的影响,1.套管连接2.V型槽连接3.三棒连接4.熔融连接,68,曲线平均,平均是通过很多次或一特定时间来完成的，是用来提高信噪比并获得较小噪声的图象。平均所需的时间或次数取决于设定的测距范围、脉宽以及测量的光纤的长度。当关闭平均时，图象每次扫描都更新，这一过程叫“实时状态”(realtime或freerun)。有两种方式进行近似平均：2PA和LSA。当选择2PA作为近似方法时，平均速度快于选择LSA作为近似方法时的速度。,69,OTDR曲线分析,前面板反射背向散射非反射型事件增益型事件反射型事件尾端反射噪声,70,OTDR光纤测试,71,衰减系数测试,用OTDR测试光纤衰减系数时，如果光纤两端散射系数不一样(当光纤两端模场直径不一致时)，从光纤两端测量的结果将有差异。需从光纤两端分别测量，取两次测试结果的平均值即为光纤的实际衰减系数,A,B,B,A,如果AB：0.25dB/kmBA：0.17dB/km光纤实际衰减系数：(0.25+0.17)2=0.21(dB/km)以上仅限于OTDR曲线为近似直线时,0.25dB/km,0.17dB/km,72,接头损耗测试,用OTDR测试接头损耗时，如果被连接的两根光纤散射系数不一样(光纤两端模场直径不一致)，从接头两端测量的结果将有差异。需从接头两端分别测量，取两次测试结果的平均值即为实际的接头损耗,如果AB：0.15dBBA：0.05dB实际接头损耗：(0.15+0.05)2=0.1(dB),A,B,B,A,0.15dB,0.05dB,如果AB：0.25dBBA：-0.15dB实际接头损耗：(0.25+(-0.15)2=0.05(dB),73,接头为什么会有“损耗”或“增益”,TBs总的背向散射系数W1发送光纤的模场半径W2接受光纤的模场半径,从接头的一端测试为“增益”时(接头损耗为负值)，从另一端测试必为“衰减”，且衰减的幅度必定大于增益的幅度，因为接头有损耗是必然现象，“增益”不过是OTDR测试方法带来的假象，用两端测试的平均值可消除这一假象。,74,衰减测试中的LSA和2PA近似方法,若选择LSA，在计算衰减之前，曲线上采用最小均方近似，若