兰州交通大学现代传输技术课程设计

1、兰州交通大学本科生课程设计中文题目： 光时域反射仪在实际工程中的应用 英文题目：Optical Time Domain Reflectometer Used in the Actual Project学 院： 电子与信息工程学院课 程：现 代 传 输 技 术 专 业： 通信工程 班 级： 通信工程 班姓 名： 学 号： 指导教师： 高丽 二零一五年七月兰州交通大学现代传输技术课程设计摘要目前在数字光纤通信实验教学中开设了光纤传输特性测试实验，其中对于光纤损耗的测量方法普遍采用的是插入法，为了让学生掌握如何在工程实际中进行光纤损耗的测量，在实验中引入了基于光时域反射仪（OTDR）进行测量的后向散

2、射法，并通过两者的比较得出结论。同时也使学生了解光时域反射仪的工作原理和基本操作。介绍光时城反射仪的工作原理、测试故降点的分析，重点介绍接头损耗的计算和分析方法，提出在使用光时城反射仪时要注意的几个问题。基于光时域反射仪（OTDR）的后向散射法不仅可以测量出光纤或光缆的总损耗、接续损耗、总回损等还能测量其物理缺陷、断点的准确位置和光纤总长度，这样既加强了学生对光纤损耗概念的理解和测量方法的掌握，又对光纤连接器的插入损耗有所了解，同时为他们以后进行实际的工程测量打下一定的基础。关键词:光纤损耗；光时域反射仪；光纤实验；光功率AbstractCurrently offers digital opt

3、ical fiber communication experiment teaching fiber transmission characteristics of the test experiments in which the method for measuring fiber loss is commonly used insertion method,in order to allow students to learn how to fiber loss measurements in engineering practice,introduced in the experime

4、nt after measurement based on optical time domain reflectometer (OTDR) to scattering method,and concluded by comparing the two.But also to enable students to understand the optical time domain reflectometer principle and basic operations.Introducing the city of light reflection analysis instrument w

5、orks,test it drop points,focusing on the calculation and analysis of splice loss,and raised several questions in the use of light when the city Reflectometer to note.After the light-based domain reflectometer (OTDR) to the scattering method can not only measure the total loss of the optical fiber or

6、 cable,splice loss and total return loss,and so on can measure their physical defects,the exact location and the total length of the fiber break,so both strengthen the students' understanding of concepts and methods of measurement of fiber loss of control,but also on the optical fiber connector

7、insertion loss of understanding,as well as their subsequent measurement of the actual project to lay a foundation.Keywords: Fiber loss;Optical Time Domain Reflectometer;Fiber test;Optical powerII目录摘要IAbstractII1. 绪论12. 光时域反射仪的工作原理简介23. 光时域反射仪测试故障点的分析54. 光时域反射计的主要参数分析64.1 动态范围64.2 测试距离74.3 脉冲宽度74.4 盲

8、区84.5 平均值94.6 采样分辨率和采样点95. 光时域反射仪在使用中应注意的问题105.1 正确设置参数105.2 正确分析测试曲线10参考文献11兰州交通大学现代传输技术课程设计1. 绪论人类社会离不开信息技术的交流和沟通，最早的通信方式有烽火、鸡毛信、飞鸽传书、千里驿站等，由于传递速度慢、信息量小，不能满足社会生产发展的需要。自古以来人们都在用自己的智慧来解决远距离、快速通信的问题，而衡量人类历史进步的尺度之一是人与人之间传递信息的能力，尤其是远距离传递消息的能力。通信技术的发展使社会产生了深远的变革，为人类社会带来了巨大的利益。在当今和未来的信息社会中，通信是人们获取、传递和交换信

9、息的重要手段。随着大规模集成电路技术、激光技术、空间技术等新型技术的不断发展以及计算机技术的广泛应用，现代通信技术日新月异。近二三十年来出现的数字通信、卫星通信、光纤通信是现代通信中具有代表性的新领域。而在这些新领域中，数字通信尤为重要，它是现代通信系统的基础。特别是数字通信技术和计算机技术的紧密结合可以说是通信发展史上的一次飞跃。随着光纤通信技术的飞速发展，在通信工程等相关专业开设数字光纤通信原理课程已经成为培养通信人才的必然趋势。由于该课程涉及到的内容比较多，不仅涵盖了光纤传输理论、光纤物理特性，以及光电器件等基础知识，而且还包括整个光纤系统、光纤通信网等内容。这样就给光纤通信的实验课教学

10、提出了很高的要求。在光纤传输特性测试实验中，单纯的采用插入法仅能测量出光纤的传输损耗，而基于光时域反射仪（OTDR）的后向散射法不仅可以测量出光纤或光缆的总损耗、接续损耗、总回损等还能测量其物理缺陷、断点的准确位置和光纤总长度，这样既加强了学生对光纤损耗概念的理解和测量方法的掌握，又对光纤连接器的插入损耗有所了解，同时为他们以后进行实际的工程测量打下一定的基础。2. 光时域反射仪的工作原理简介光时域反射仪（OTDR）又叫光纤分析仪。光在光纤中传播时会被瑞利散射的效应所削弱，这是由光纤中存在着结构不均匀、光纤本身的缺陷和掺杂成分的非均匀性等造成的，在接续点、对接处和光纤的端面连续发生的散射，一些

11、光被直接向后散射回来，称之为后向散射，光时域反射仪就是通过对发送的光脉冲与接收后向散射光之间的传输时差的测量，实现对光纤线路的长度、光纤的损耗、光纤接续点的损耗和线路故障点的位置等测量。在控制器控制下，激光二极管LD发生一系列经过脉冲调制的光脉冲通过光方向藕合器注人光纤端面，光脉冲沿着光纤线路传播时，在光纤中有几何缺陷或断裂面的位置，产生的后向散射光将不断地返回光纤的人射端，经过光方向祸合器到光接收电路变为电信号，然后经过信号放大、均衡处理，根据后向光脉冲的大小和到达时间，在显示器上显示出光纤的衰减、长度等确定故障点。例如，若光纤始端到反射故障点之间的长度是L，光脉冲在光纤中传输速度为V，光纤

12、输人端发送光脉冲与返回光脉冲前沿之间的时间差为T。由于光纤在加热制造过程中，热骚动使原子产生压缩性的不均匀，造成材料密度不均匀，进一步造成折射率不均匀。这种不均匀性在冷却过程中固定了下来并引起光的散射。因此，当光脉冲通过光纤传输时，沿光纤长度上的各点均会引起散射，其强弱与通过该处的光功率成正比，而后者又与光纤的衰耗有直接关系，因此，其强弱也就反映了光纤各点的衰耗大小。由于散射光是向四面八方的，反射光也会形成较大的反射角，因此这些散射和反射光总有一部分（那怕是极少一部分）能够进入光纤的孔径角而反向传输到输入端。同时，如果传输通道完全中断，则从此点以后的背向散射光功率也降到零，因此，根据反向传输回

13、来的散射光的情况又可以判断光纤断点的位置和光纤的长度。总之，只要能够设法将反向传至输入端的背向散射光和菲涅尔反射光收集并进行适当的处理，就可以测出这段光纤沿线各点的衰耗情况（当然也包括其中的接头衰耗）以及断点的位置和光纤的长度。光时域反射仪会打入一连串的光突波进入光纤来检验。检验的方式是由打入突波的同一侧接收光讯号，因为打入的讯号遇到不同折射率的介质会散射及反射回来。反射回来的光讯号强度会被量测到，并且是时间的函数，因此可以将之转算成光纤的长度。光时域反射仪可以用来量测光纤的长度、衰减，包括光纤的熔接处及转接处皆可量测。在光纤断掉时也可以用来量测中断点。OTDR动态范围的大小对测量精度的影响初

14、始背向散射电平与噪声低电平的DB差值被定义为OTDR的动态范围。其中，背向散射电平初始点是入射光信号的电平值，而噪声低电平为背向散射信号为不可见信号。动态范围的大小决定OTDR可测光纤的距离。当背向散射信号的电平低于OTDR噪声时，它就成为不可见信号。随着光纤熔接技术的发展，人们可以将光纤接头的损耗控制在0.1DB以下，为实现对整条光纤的所有小损耗的光纤接头进行有效观测，人们需要大动态范围的OTDR。增大OTDR 动态范围主要有两个途径：增加初始背向散射电平和降低噪声低电平。影响初始背向散射电平的因素是光的脉冲宽度。影响噪声低电平的因素是扫描平均时间。 多数的型号OTDR允许用户选择注入被测光

15、纤的光脉冲宽度参数。在幅度相同的情况下，较宽脉冲会产生较大的反射信号，即产生较高的背向散射电平，也就是说，光脉冲宽度越大，OTDR的动态范围越大。OTDR向被测的光纤反复发送脉冲，并将每次扫描的曲线平均得到结果曲线，这样，接收器的随机噪声就会随着平均时间的加长而得到抑制。在OTDR的显示曲线上体现为噪声电平随平均时间的增长而下降。于是，动态范围会随平均时间的增大而加大。在最初的平均时间内，动态范围性能的改善显著，在接下来的平均时间内，动态范围性能的改善显著，在接下来的平均时间内，动态范围性能的改善会逐渐变缓，也就是说，平均时间越长，OTDR的动态范围就越大。盲区对OTDR测量精度的影响。我们将

16、诸如活动连接器、机械接头等特征点产生反射引起的OTDR接收端饱和而带来的一系列“盲点”称为盲区。光纤中的盲区分为事件盲区和衰减盲区两种：由于介入活动连接器而引起反射峰，从反射峰的起始点到接收器饱和峰值之间的长度距离，被称为事件盲区；光纤中由于介入活动连接器引起反射峰，从反射峰的起始点到可识别其他事件点之间的距离，被称为衰减盲区。对于OTDR来说，盲区越小越好。盲区会随着脉冲宽的宽度的增加而增大，增加脉冲宽度虽然增加了测量长度，但也增大了测量盲区，所以，我们在测试光纤时，对OTDR附件的光纤和相邻事件点的测量要使用窄脉冲，而对光纤远端进行测量时要使用宽脉冲。OTDR的“增益”现象由于光纤接头是无

17、源器件，所以，它只能引起损耗而不能引起“增益”。OTDR通过比较接头前后背向散射电平的测量值来对接头的损耗进行测量。如果接头后光纤的散射系数较高，接头后面的背向散射电平就可能大于接头前的散射电平，抵消了接头的损耗，从而引起所谓的“增益”。在这种情况下，获得准确接头损耗的唯一方法是：用OTDR从被测光纤的两端分别对该接头进行测试，并将两次测量结果取平均值。这就是双向平均测试法，是目前光纤特性测试中必须使用的方法。如果使用单模OTDR模块对多模光纤进行测量，或使用一个多模OTDR模块对诸如芯径为62.5mm的单模光纤进行测量，光纤长度的测量结果不会受到影响，但诸如光纤损耗、光接头损耗、回波损耗的结

18、果却都是不正确的。这是因为，光从小芯径光纤入射到大芯径光纤时，大芯径不能被入射光完全充满，于是在损耗测量上引起误差。所以，在测量光纤时，一定要选择与被测光纤相匹配的OTDR进行测量，这样才能得到各项性能指标均正确的结果。3. 光时域反射仪测试故障点的分析通过OTDR测量光纤线路故障点的位置通常有以下几种情况。（l）光纤接续质量不好或两根熔接光纤的模场直径相差较大时，在屏幕上出现高损耗点。（2）光纤受到某种应力使局部产生附加损耗引起的损耗增大，这种损耗比较常见，也比较容易恢复，只需要将弯曲半径较小和受压的光纤恢复到光纤自然状态就可以。（3）光纤断裂，光信号在断裂处不能通过，光纤断点会产生后向散射

19、，通过测试到的线路曲线可以找到故障点的位置。（4）光纤发生断裂，但是光信号在断裂处可以通过，通过OTDR测试的线路曲线上会出现盲区，很难直接判断故障点的位置，但通过一定的分析仍可以准确判断出故障点位置。4. 光时域反射计的主要参数分析OTDR分析能够检测到光流量连续性中存在的任何差异。也就是说，光通过近乎理想的光纤链路时不产生任何损耗，但是真正的光纤径距并非如此；其中的杂质会造成光强度衰减。而且，光纤径距与熔接或连接器链接在一起，对光流量造成了额外的障碍，因此会影响光的传输方向。在光遇到这些障碍的精确位置，光线将被反射回发送器或被迫射出光纤，或者二者兼有。当遇到较严重的障碍时，就定义为事件。事

20、件检测、衰减和长度测量取决于OTDR在任意指定的曲线分析点处获得的信噪比（SNR）。SNR是背反射信号和噪音级别之间的比率，它取决于脉冲宽度、采样点、测量距离、接收器带宽精度和平均数值。脉冲宽度决定背向散射-反射信号的功率。很宽的脉冲能够放大接收到的信号，从而更轻松的将其与背景噪音区分开，因此可提高SNR。另一方面，所采用的脉冲宽度若大于分离两个事件的距离，将导致事件检测和测量不再精确。而且，如果脉冲宽度增加，衰减盲区也会增加，这便限制了初始事件之后其他事件的检测能力。信号平均也会扩大SNR。噪音降低与所使用的平均数值平方根成比例。这能够提供改进的事件检测和测量以及空间分辨率，特别是在信号微弱

21、的情况下。平均数值是指，为获得平均值而在同一采样点获取的测量值。由于背景噪音的不平滑及无规律特性，因此增加平均数值可以降低噪音级别，提高SNR，从而提高事件测量和检测的精度。在分析间距很小的事件时，平均数值还可以提高空间分辨率，原因是它有助于降低高带宽分析期间的噪音。接收器带宽的影响表现在低带宽传输可以平滑曲线并削弱尖峰跳变。尽管这样可以降低噪音并提高远距离测量的远端 SNR，但是却会增加盲区。另一方面，较高的接收器带宽可以传输背向散射和反射信号的尖峰跳变，但也会通过噪音。尽管这样能够缩短盲区，但是为了降低噪音级别可能需要进行多次平均。很高的接收器带宽范围会受到限制，主要原因是其中包含随机噪音

22、。然而，它可以提高前端光纤链路事件的测量精度及空间分辨率。4.1 动态范围动态范围是OTDR主要的性能指标参数之一，它决定光纤的最大可测量长度。它表示后向散射开始与噪声峰值间的功率损耗比。它决定了OTDR所能测得的最长光纤距离。如果OTDR的动态范围较小，而待测光纤具有较高的损耗，则远端可能会消失在噪声中。动态范围目前还没有一个统一的标准计算方法，通常定义为：始端的后向散射功率与噪声的峰值功率间的dB差。一般来讲，要获得大动态范围有三种途径：a、提高入纤光脉冲峰值功率；b、提高接收机的接收灵敏度；c、提高脉冲宽度。在方法b中常常通过降低光电二极管可探测的最小光功率；同时要使用探测后的信号处理方

23、法提高接收机的信噪比，还要对系统进行抗干扰设计，来提高系统的动态范围。微弱信号检测和大动态范围是OTDR研究的技术难点和关键所在，给OTDR的研制带来较大的技术难度。在具体的设计过程中，首先就是设计光发射机、光路提高入纤光功率。它表示后向散射开始与噪声峰值间的功率损耗比。它决定了OTDR所能测得的最长光纤距离。如果OTDR的动态范围较小，而待测光纤具有较高的损耗，则远端可能会消失在噪声中。目前有两种定义动态范围的方法： 1、峰值法：它测到噪声的峰值，当散射功率达到噪声峰值即认为不可见。2、SNR=1法：这里动态范围测到噪声的RMS电平为止，对于同样性能的OTDR来讲，其指标高于峰值定义大约2.

24、0dB。4.2 测试距离由于光纤制造以后其折射率基本不变，这样光在光纤中的传播速度就不变，这样测试距离和时间就是一致的，实际上测试距离就是光在光纤中的传播速度乘上传播时间，对测试距离的选取就是对测试采样起始和终止时间的选取。测量时选取适当的测试距离可以生成比较全面的轨迹图，对有效的分析光纤的特性有很好的帮助，通常根据经验，选取整条光路长度的1.3到1.5倍之间最为合适。从发射脉冲到接收到反射脉冲所用的时间，再确定光在光纤中的传播速度，就可以计算出距离。4.3 脉冲宽度脉冲宽度实际上是激光器“开启”的时间。正如我们知道的，时间转换为距离，因此脉冲宽度具有长度值，在OTDR中，脉冲携带的能量可以产

25、生鉴定链路所需的背向散射。由于在链路中存在传播损耗，所以脉冲越短，携带的能量越少，传播的距离就越短。长脉冲携带的能量高出很多，可以在非常长的光纤中使用。如果脉冲太短，在到达光纤末端前便丢失了能量，使背向散射级别变得很低，甚至低于噪声下限级别而导致信息丢失。这样会导致无法到达光纤末端。因此，由于返回的光纤距离末端远短于实际的光纤长度，而无法测量完整链路。另一个现象是在接近光纤末端时轨迹中噪声太多。OTDR无法再进行信号分析，测量结果可能出错。当轨迹中噪声太多，有两种简便方法获得较清洁的轨迹。第一种方法，增加取样时间，这样可以极大改善SNR，同时保持良好的短脉冲分辨率。但是，增加平均时间也有限度，

26、因为这不能无限提高SNR。如果轨迹还不够平滑，我们可以使用第二种方法，即使用下一个可用的更高脉冲。但是，请记住，盲区会随着脉冲宽度的增加而变大。短脉冲宽度、短盲区和低功率用于测试事件相距很近的短链路，而长脉冲、长盲区和高功率则用于到达远程网络或高损耗网络中更远的距离。4.4 盲区Fresnel反射引出一个重要的OTDR规格，即盲区。有两类盲区：事件和衰减。两种盲区都由Fresnel反射产生，用随反射功率的不同而变化的距离来表示。盲区定义为持续时间，在此期间检测器受高强度反射光影响暂时“失明”，直到它恢复正常能够重新读取光信号为止。设想一下，当您夜间驾驶时与迎面而来的车相遇，您的眼睛会短期失明。

27、在OTDR领域里，时间转换为距离，因此，反射越多，检测器恢复正常的时间越长，导致的盲区越长。绝大多数制造商都以最短的可用脉冲宽度以及单模光纤-45dB、多模光纤-35dB反射来指定盲区。不同的制造商使用不同的测试条件测量盲区，尤其要注意脉冲宽度和反射值。例如，单模光纤-55dB反射提供的盲区规格要比使用-45dB得到的盲区更短，仅仅因为-55dB是更低的反射，检测器恢复更快。此外，使用不同的方法计算距离也会得到一个比实际值更短的盲区。使得OTDR的事件盲区尽可能短是非常重要的，这样才可以在链路上检测相距很近的事件。例如，在建筑物网络中的测试要求OTDR的事件盲区很短，因为连接各种数据中心的光纤

28、跳线非常短。如果盲区过长，一些连接器可能会被漏掉，技术人员无法识别它们，这使得定位潜在问题的工作更加困难。衰减盲区是Fresnel反射之后，OTDR能在其中精确测量连续事件损耗的最小距离。还使用以上例子，经过较长时间后，您的眼睛充分恢复，能够识别并分析路上可能的物体的属性。检测器有足够的时间恢复，以使得其能够检测和测量连续事件损耗。所需的最小距离从发生反射事件时开始，直到反射降低到光纤的背向散射级别的0.5dB。短衰减盲区使得OTDR不仅可以检测连续事件，还能够返回相距很近的事件损耗。例如，现在就可以得知网络内短光纤跳线的损耗，这可以帮助技术人员清楚了解链路内的情况。盲区也受其他因素影响：脉冲

29、宽度。规格使用最短脉冲宽度是为了提供最短盲区。但是，盲区并不总是长度相同，随着脉冲变宽，盲区也会拉伸。使用最长的可能的脉冲宽带会导致特别长的盲区，然而这有不同的用途。4.5 平均值平均值是为了在OTDR形成良好的显示图样，根据用户需要动态的或非动态的显示光纤状况而设定的参数。由于测试中受噪声的影响，光纤中某一点的瑞利散射功率是一个随机过程，要确知该点的一般情况，减少接收器固有的随机噪声的影响，需要求其在某一段测试时间的平均值。4.6 采样分辨率和采样点OTDR定位事件正确距离的能力依赖于不同参数组合，其中包括采样分辨率和采样点。采样分辨率定义为仪器所要求的两个连续采样点之间的最小距离。此参数很重要，因为它定义了最终的距离精度以及OTDR故障查找的能力。根据选择的脉冲宽度和距离范围，该值变化范围可为4厘米到几米。因此，为了保持最佳分辨率，必须在取样期间取得更多采样点。5. 光时域反射仪在使用