【《光时域反射仪OTDR测试系统使用和测试数据分析案例》3300字】

光时域反射仪OTDR测试系统使用和测试数据分析案例1.1测试系统使用本课题主要任务是监测控制系统的设计和对其所测数据进行研究分析，便于后续在远程监测控制方向的延展开发。OTDR测试是通过发射光脉冲到光纤内，然后在OTDR端口接收返回的信息，为了了解系统所测数据，我们需要对数据进行分析，例如回波损耗、插入损耗、衰减系数等。回波损耗又称反射损耗，在OTDR测试中是测试光纤中返回起始端光多少的参数，指的是在光纤连接处后向散射光与输入光的比值的分贝数。计算公式为：RL=10lg回波损耗一般为正值，在输入和输出都进行规定，由式（4-1）可知，回波损耗越大越好，回波损耗越大就意味着反射光功率越小，即有更多的光向前传递，也意味着测试光的传播距离将会增长。插入损耗在OTDR测试中指的是除开始事件外的事件点处光功率与输入端口处光功率比值的分贝数。计算公式为：IL=10lg插入损耗的数值越小表示性能越好，影响插入损耗的因素有：纤芯错位损耗，倾斜角度引起的损耗，光纤端面间隙损耗，光纤端面多次菲涅尔反射引起的损耗，连接直径不同的纤芯引起的损耗等。衰减系数也称光纤损耗，指的是光纤上每单位长度上的衰减，单位为dB/km。计算公式为：α=10测试光在通过光纤时，由于通道内发生的瑞利散射和菲涅尔反射，会有一部分光被阻挡无法通过，造成光信号的衰减，减少测试光的传输距离，所以光纤衰减系数的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近。光纤损耗分为两种，固有损耗和附加损耗，固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗，附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。附加损耗是在铺设过程中人为造成的，是可以尽量避免的。为了更直观的分析这些数据，需要进行非常多次测量，而使用该系统每次向OTDR发送命令码调整参数等操作耗费时间较多，所以决定使用基于上述命令码开发出的OTDRModule客户端软件，通过该软件可以与OTDR模块进行通信，控制OTDR模块进行测量。客户端的主界面主要由菜单栏、工具栏、曲线窗口、测试参数窗口、测量结果窗口和事件列表窗口组成。OTDRModule客户端软件的主界面如图4-2所示：图4-2软件主界面当硬件系统连接完成后，用网线将OTDR模块和计算机的以太网接口连接，拿下OTDR模块光纤接口的防尘帽，接入被测光纤后，接通电源，启动上述的测量软件并配置计算机的IP地址，使计算机和OTDR模块在同一个子网下，点击连接按钮，输入模块的IP地址192.168.111.249和端口号5000后连接，提示连接成功后即可进行光纤测量，在后续工作中可以对模块地址通过配置模块IP进行更改，但是端口号固定为5000，不能更改。连接成功后首先需要配置测试参数，测试参数配置界面如图4-3所示：图4-3测量参数配置界面 当量程设置为自动时，脉宽也会选为自动，无需进行设定，脉宽必须与量程关联起来，不同的量程支持的脉宽也有差别，如表4-1所示：表4-1量程与脉宽对应表量程（km）可选脉宽（ns）110，20，40，80，160520，40，80，160，3201040，80，160，320，6403080，160，320，640，128060160，320，640，1280，2560100640，1280，2560，5120，102401801280，2560，5120，10240，20480测量时长只需要在平均模式下设定，在实施模式下该值不起作用，设定为15s即可。激光波长可选择1310nm，1550nm，1625nm，1650nm，本设计的OTDR模块只支持1310nm和1550nm的测试波长。结束门限典型值为5，在OTDR模块中，它被定义为当曲线下降到该值后，后续的事件点被滤除，而不是被定义为当某一事件的插入损耗超过该值时，它被作为光纤链路的结束点。对于数据分析，选取了2013m长的一段光纤进行测量。首先使用自动量程测量，测量结果分为三个窗口，曲线显示窗口、事件列表窗口、测量参数和测试结果窗口。曲线显示窗口如图4-4所示：图4-4曲线显示窗口事件列表窗口如图4-5所示：图4-5事件列表窗口测量参数和测试结果窗口如图4-6所示：图4-6测量参数和测试结果窗口1.2测试数据分析对测试系统了解后便可进行数据测试，需要多组数据对光纤的各项参数深入理解，例如量程、脉冲宽度、测试波长、折射率等数据对结果的影响。OTDR测试首端和尾端都有盲区，在盲区处是无法看到此处光纤损耗情况的，要选取适当的部分进行数据分析。在故障维修中根据测试曲线就能够准确判断光纤是否发生断裂，熔接点是否合格，光纤损耗情况等。下面将针对一些参数进行数据研究。1.2.1测试波长选择的影响测试光在光纤中传播时会碰撞微粒发生瑞利散射，由此产生的背向散射信号就表明了光纤的损耗情况，散射光和入射光波波长的四次方的倒数成正比，所以波长越小，产生的瑞利散射光就越强，光纤损耗就越大。使用不同波长的测试结果如图4-7和图4-8所示：图4-7波长1550nm的测试结果图4-8波长1310nm的测试结果两次测量都是在量程5km，脉宽40ns下测得的，在测量结果窗口可以看到使用1550nm波长测量时的光纤衰减系数为0.282dB/km，而使用1310nm波长测量时的光纤衰减系数为0.365dB/km，很明显使用波长较短的测试波长时的衰减系数较大，在其他条件均相同的情况下，测试波长的选择影响着可测试的距离。但是测试波长并不是越高越好，超过1500nm会出现红外线衰减的现象，会使光纤衰减增大，所以在长距离测试中，测试波长最好的选择是1550nm。并且1550nm波长更容易发现光纤链路中是否存在光纤过度弯曲的情况。1.2.2量程取值的影响OTDR测试量程指的是在曲线显示窗口横坐标可以到达的最大距离，在进行测试时，应当根据被测光纤的长度选择合适的量程，一般为被测光纤长度的1.5倍。若量程选择过小，则在测试结果中无法显示出完整的光纤链路的情况，如图4-9所示：图4-9量程过小的测试曲线而量程选取过长则会影响到有效分辨率，下列图片均使用1550nm、脉宽80ns的测试光，在不同量程下的测试结果：图4-10量程5km测试结果图4-11量程10km测试结果图4-12量程30km测试结果从上列图片中可以看出，量程选取为5km时的测试曲线最佳，而10km和30km量程选取过大，测得的无效数据较多，造成存储空间的浪费。在测量结果窗口也可以看到三次测量的链衰减系数均不相同，10km和30km结果不准确的原因便是量程选取过大，而对应的脉宽选取较小，测试精度不够高，并且横坐标刻度较大，光标移动相同的距离，实际距离也会较5km的大，所以测试量程选取越大，测试结果的偏差就越大。1.2.3脉宽取值的影响在光纤测试中，脉宽的取值也尤为重要，适当的脉宽取值才能得到满意的结果。若测试光脉宽选取较窄，虽然产生的盲区会较小，但是测试光脉冲过窄时光功率肯定过弱，产生的瑞利背向散射光也会较弱，测量曲线精度将会过低，导致测试的误差较大。若测试光脉冲宽度选取过大，携带的能量也越大，动态范围越大，测试距离也越大，但是会产生较强的菲涅尔反射，使得盲区增大[16]。下列图片均使用1550nm，量程5km的测试光，脉宽选取不同的测试结果：图4-13脉宽10ns测试结果图4-14脉宽20ns测试结果图4-15脉宽40ns测试结果图4-16脉宽80ns测试结果图4-17脉宽160ns测试结果图4-18脉宽320ns测试结果从这些图片可以看出，随着选取脉宽的增大，光纤衰减系数处于下降趋势，并且尾端噪声的峰值也越小，即动态范围增大，光纤的可测试距离增大。但当选取10ns和20ns脉宽时的测试结果曲线起伏不平，噪声较大，特别是脉宽选取10ns时，测试曲线非常粗糙，测试误差很大。脉宽选取为40ns和80ns时测试结果相对理想，而脉宽选取为160ns和320ns时，虽然动态范围较大，但是首端和尾端的盲区较大，对检测长距离光纤链路状况时有很大的影响。在实际测量中，可以使用小脉宽测试光纤中的事件，再使用大脉宽来测试光纤末端。1.2.4改变折射率的影响光纤折射率是指被测光纤本身实际的折射率，其值应为光在真空中的传播速度除以光脉冲在光纤内的传播速度。该数值由生产光纤的厂家给出，但是在实际测试中很难从厂家获取准确的值，本次测试所使用光纤在使用1550nm波长测量时折射率可取1.4685。在实际应用中，光纤的折射率并不是一成不变的，而是会由于环境和外力的影响发生变化，例如温度变化、波长变化、模场直径、拉丝张力等[17]。而光纤的折射率变化对测量结果也会产生影响，例如光纤损耗和事件点定位。在光纤中由折射率变化引起的瑞利散射损耗公式如