【《光时域反射仪OTDR基本原理及其结构分析》4100字】

光时域反射仪OTDR基本原理及其结构分析OTDR是在测试光纤链路工作中使用率非常高的一种仪器，可以清晰测得光纤状况和定位故障点，而在测试过程中主要依靠的光学原理便是瑞利散射和菲涅尔反射两种，瑞利散射主要用于测量光纤损耗，菲涅尔反射主要用于定位事件点。进行OTDR测量也需要了解OTDR仪表的结构和测试参数，对正确使用OTDR进行测量具有重要意义。1.1瑞利散射散射主要分为两大类，一类是弹性散射，另一类是非弹性散射。弹性散射和非弹性散射的区别是弹性散射涉及的能量转移非常小。弹性散射主要有瑞利散射和米氏散射，非弹性散射主要有布里渊散射，拉曼散射和康普顿散射等。而同样属于弹性散射的瑞利散射和米氏散射也有区别，两种散射以光和粒子的尺寸区分，当粒子尺寸比光波波长要小得多时，该散射就可以视为瑞利散射，当粒子尺度与光波波长相差不大时，该散射便可视为米氏散射。使用OTDR测量时，光纤内部发生的散射即为瑞利散射[5]，下面将详细介绍瑞利散射。瑞利散射是一种由微粒引起的散射现象，是指入射光波由于碰撞到小于光波长十分之一尺度的微粒时发生的散射，而这些微粒是在光纤加热制造的过程使原子产生压缩性的不均匀，造成材料密度的不均匀，进一步造成折射率的不均匀，从而产生沉积微粒。散射光的光强与入射光波长的四次方成反比[6]，公式如下：I0瑞利散射的公式在不同领域中的表现形式有很大的差异，在这里使用的公式如下：I=24其中I表示散射光强度，Io表示入射光强度，λ表示入射光波长，N表示单位体积内粒子的数目，ν表示一个粒子的体积，n1表示分散相的折射率，虽然瑞利散射在各个方向上都有发生，但实际上散射各个方向的光强度并不相同，而是与散射的角度θ有关，公式如下：Iθ=I0(1+cos从式（2-3）可以看出，在散射光群中，背向散射光最强，而OTDR主要检测的就是瑞利背向散射光，通过对背向散射光的测量得到光纤的基本损耗[7]，需要注意的是能够产生瑞利背向散射的微粒遍布整段被测光纤，是连续的。1.2菲涅尔反射菲涅尔反射是指当光入射到折射率不同的两种介质表面时，一部分光会被反射的现象[8]。菲涅尔反射区别于瑞利散射，它是离散的，只有光纤中的个别点才可以产生，而不是像瑞利散射一样处处存在。在测量过程中，测试光在入射到机械固定接头、光纤的断裂处、光纤连接器以及光纤的终端处时，由于不同介质的折射率不同，例如光纤与空气接触，光纤与熔接材料接触，都会有菲涅尔反射的发生，反射光回传到OTDR系统，在测试曲线上表现为反射突起峰，OTDR系统即通过这种方式定位事件点。菲涅尔反射的公式如下：rs其中，n1和n2分别表示两种介质的折射率，θi和θt分别表示入射角和折射角，电场是一个矢量，将其进行矢量分解，分解为一对正交分量，一个振动方向垂直于分界面，另一个振动方向平行于分界面，rs和trs基于这个公式，系统设定的光纤折射率为1.4685，空气的折射率为1.0，代入上述公式，得出反射系数rs1.3OTDR组成结构和参数1.3.1组成结构OTDR仪表主要由脉冲发生器、光源、光定向耦合器、光纤连接器、光电检测器、放大器、信号处理器、内部时钟、显示器等几个部分组成[9]。其结构如图2-1所示：图2-1OTDR仪表组成结构简要介绍各个部分的功能：1、脉冲发生器：输入普通的电信号，输出所需要的正弦电脉冲波。2、光源：将从脉冲发生器接收到的电信号转换成测试使用的光信号。3、光定向耦合器：使输入光信号和输出光信号按照特定的方向传播。4、光纤连接器：连接OTDR和被测光纤。5、光电检测器：将背向散射的光信号转换成电信号。6、放大器：将光电检测器转换的微弱电信号进行放大。7、信号处理器：将经过放大的电信号进行处理，把处理后的结果发送到显示屏上显示。1.3.2重要参数光纤具有固有参数，测量参数和性能参数三种参数。光纤固有参数包括光纤折射率和散射系数；测量参数包括量程、脉冲宽度、光波长、平均时间和门限；性能参数包括动态范围、盲区、分辨率。下面将对这几类参数进行介绍。（1）光纤固有参数折射率指的就是被测光纤的折射率，而数值一般由生产该光纤的厂家给出，一般单模石英光纤的折射率大约在1.4—1.6之间。根据光波在不同折射率中的传播速度和光波发射到接收的时间间隔，可以计算出事件点位于光纤的位置。计算公式为：L=c∗t2n 其中，c表示光在真空中传播的速度，在该系统中使用的为299792458m/s，t表示光波从发射到再次接收的时间间隔，n表示被测光纤的折射率。折射率要求的精度较高，即便是0.001的偏差都会在定位事件中造成较大的误差。由折射率引起的定位误差的计算公式为：d=Lr∗n其中，d为由折射率引起的事件定位误差，Lr为被测光纤的长度，nr为进行测量工作时填写的折射率参数，散射系数指的是测试光发射后散射回OTDR光线量的度量，会对回波损耗的测量产生影响。散射系数的值是OTDR发射端的光脉冲功率与光纤近端处的后向瑞利散射功率的比值，并且与脉冲宽度成反比。（2）测量参数量程，也可以称为测试距离，表示OTDR测量的最长距离。量程不应过小，否则会导致无法完整显示出整条光纤的测试结果，只显示量程部分的损耗状况；量程也不应过大，超出光纤长度太大对导致被测光纤部分在整个测试曲线中占比较小，容易影响到OTDR的测量精度和数据分析时的准确性并且会造成存储空间的浪费。脉冲宽度指的是脉冲持续的宽度，也可以认为是脉冲持续的时间，脉冲宽度的大小直接影响到动态范围、盲区和分辨率的大小。脉冲宽度越大，光波的能量也就越大，动态范围也越大，光纤衰减系数越小，可测的距离越大，但是过大的脉冲宽度会导致盲区增大，可能会导致无法辨别两个短距离事件；而过小的脉冲宽度虽然产生的盲区也小，但是噪声将会增大，测试曲线将会很粗糙，使得测试结果不准确。光波长指的是OTDR发射的测试光的波长[11]。本设计所使用的OTDR可发射两种波长的测试光：1310nm和1550nm。波长越长，接收到的瑞利散射的背向散射光就越小，所以对于同一条被测光纤，当使用1310nm的测试光时，得到的测试曲线要高于使用1550nm的测试光得到的测试曲线，这也说明了1310nm的测试光在光纤中的损耗更大，光脉冲在被测光纤末端处强度会很微弱，使得极易受到噪声的影响，测得的数据不准确，所以对于长距离光纤测试时，应当选用1550nm波长的测试光。并且1550nm波长比1310nm波长在测试中更为敏感，使用1550nm波长的测试光更容易发现光纤链路上是否存在弯曲过度的情况。一般在使用1550nm波长的测试光测得某处有较大台阶起伏时，再使用1310nm的测试光重新测量，若是此处台阶消失，则说明光纤该处存在过度弯曲的情况。平均时间指的是在某段测试时间中进行多次采样取平均值。因为光纤中某点发生的瑞利散射的过程是随机的，所以要减少随机噪声对测试结果带来的影响，平均时间越长，采样次数就越多，随机噪声的影响也就越小，测量值也更趋近于真实值。门限一般分为非反射事件门限、反射事件门限、结束门限，表示判断各个事件是否发生的阈值。合适的门限设置能够更快速准确地定位事件点。（3）性能参数动态范围指的是初始背向散射电平与噪声电平的dB差值。对于同一光纤，同一测试光，动态范围越大，对光纤的测量长度就越长[12]。测试光入射进光纤后，受到光纤中微粒造成的瑞利散射，对测试光造成损耗，而当测试光损耗到一定程度，以至于无法区分是散射光还是噪声，所以如果动态范围越大，测试光可损耗的程度就可以越大，测试的距离就可以越远。有两种方法可以增大动态范围，第一种方法是提高初始背向散射电平，第二种方法是降低噪声电平。提高初始背向散射电平可以通过增加测试光的脉冲宽度做到，脉冲宽度越大，脉冲携带的能量就越大，初始的背向散射电平就越高。而降低噪声电平可以通过增大平均时间做到，平均时间越长，随机噪声造成的影响就越低，噪声电平也将越小。盲区是指测试光波在光纤中传输时，在事件点会发生菲涅尔反射，产生很强的反射脉冲信号，受到菲涅尔反射信号的影响，使得OTDR的光电探测器达到饱和状态，在一定时间和范围内无法进行测量，这个范围即为盲区[13]。为了提高测量精度，减少无法反应光纤状况的测试曲线，应当适当减小盲区。盲区的大小受到脉冲宽度的影响，脉冲宽度增大，脉冲所携带的能量就越大，菲涅尔反射时的信号强度就会越大，导致的盲区范围也将越大。但是过短的脉冲宽度会减小动态范围，因此脉冲宽度的选择要适当。盲区存在两种定义：事件盲区和衰减盲区。事件盲区指的是在OTDR接收到菲涅尔反射光后，光电探测器达到饱和，在恢复时间内无法再次识别下一个事件的范围。事件盲区被严格定义为：在测试曲线上，反射峰峰值下降1.5dB的左右两点之间的距离。衰减盲区指的是OTDR接受到菲涅尔反射光后，无法对瑞利散射造成的衰减进行正常测量的范围。衰减盲区被严格定义为：在测试曲线上，从反射脉冲的起点到反射峰衰减到瑞利散射曲线线性部分0.5dB处之间的距离。分辨率在OTDR中有四种主要指标：取样分辨率、显示分辨率、事