关键字：OTDR 瑞利散射 反射

提要：本文简单介绍OTDR原理，并对其中的一些参数进行了简要说明。

在传输分局，OTDR是一个使用率非常高的测试仪表之一，它在光路维护中起着非常重要的作用。大家在日常的维护中也积累了大量的OTDR的使用经验。在理解了OTDR的工作原理和基本技术参数的情况下，利用OTDR对光纤进行准确测试，对出现的光路故障进行快速准确的判断定位都会有重要的意义。

OTDR的工作原理

OTDR的英文全称为Optical Time Domain Reflectometer。

OTDR的用到的光学理论主要有瑞利散射(Rayleigh backscattering)和菲涅尔反射(Fresnel reflection)。

这种测量方法由M. Barnoskim 和 M. Jensen 在1976发明的。

菲涅尔反射就是大家平常所理解的光反射。

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，进一步造成折射率的不均匀。这种不均匀在冷却过程中固定下来，引起光的散射，称为瑞利散射。正如大气中的颗粒散射了光，使天空变成蓝色一样。瑞利散射的能量大小与波长的四次方的倒数成正比。所以波长越短散射越强，波长越长散射越弱。

需要注意的是能够产生后向瑞利散射的点遍布整段光纤，是一个连续的，而菲涅尔反射是离散的反射，它由光纤的个别点产生，能够产生反射的点大体包括光纤连接器（玻璃与空气的间隙）、阻断光纤的平滑镜截面、光纤的终点等。

OTDR类似一个光雷达。它先对光纤发出一个测试激光脉冲，然后观察从光纤上各点返回（包括瑞利散射和菲涅尔反射）的激光的功率大小情况，这个过程重复的进行，然后将这些结果根据需要进行平均，并以轨迹图的形式显示出来，这个轨迹图就描述了整段光纤的情况。

它的工作原理如下：

一个功率为P（0），脉冲宽度为T0的光脉冲射入光纤后，经过距离Z后，光功率P（Z）

其中α为衰减系数，由于瑞利散射的作用，在Z点有一部分光射回到光纤输入端，Z处的背向散射光功率为

其中表示Z处的背向散射系数。定义为

V表示光在纤芯中的群速率，表示瑞利散射系数，S表示背向散射功率与瑞利散射总功率之比。

设Z处的背向散射系数光功率为

可以得到0－Z之间的平均衰减系数为

假设光纤是均匀的，γ（0）＝γ（Z），则0－Z之间的平均衰减系数为

这时可以从背向散射曲线得到实际平均衰减系数。

下面是OTDR设备的一个结构简图

OTDR中测试仪表中的几个参数

测试距离、脉冲宽度、折射率、测试光波长、平均值、动态范围、死区、“鬼影”

下面简单介绍上面各个参数（术语）代表的意义

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1.5－2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。以下公式说明测量距离

c：光在真空的速度

t：脉冲发射到接收的总体时间（双程）

IOR：光纤的折射率

脉冲宽度：可以用时间表示，也可以用长度表示，很明显，在光功率大小恒定的情况下，脉冲宽度的大小直接影响着光的能量的大小，光脉冲越长光的能量就越大。同时脉冲宽度的大小也直接影响着测试死区的大小，也就决定了两个可辨别事件之间的最短距离，即分辨率。显然，脉冲宽度越小，分辨率越高，脉冲宽度越大分辨率越低。如图所示：

折射率就是待测光纤实际的折射率，这个数值由待测光纤的生产厂家给出，单模石英光纤的折射率大约在1.4－1.6之间。越精确的折射率对提高测量距离的精度越有帮助。这个问题对配置光路由也有实际的指导意义，实际上，在配置光路由的时候应该选取折射率相同或相近的光纤进行配置，尽量减少不同折射率的光纤芯连接在一起形成一条非单一折射率的光路。

测试光波长的就是指OTDR激光器发射的激光的波长，波长越短，瑞利散射的光功率就越强，在OTDR 的接收段产生的轨迹图就越高，所以1310的脉冲产生的瑞利散射的轨迹图样就要比1550nm产生的图样要高。但是在长距离测试时，由于1310nm衰耗较大，激光器发出的激光脉冲在待测光纤的末端会变得很微弱，这样受噪声影响较大，形成的轨迹图就不理想，宜采用1550nm作为测试波长。在高波长区（1500nm以上），瑞利散射会持续减少，但是一个红外线衰减（或吸收）就会产生，因此1550nm就是一个衰减最低的波长，因此适合长距离通信。所以在长距离测试的时候适合选取1550nm作为测试波长，而普通的短距离测试选取1310nm为宜，视具体情况而定。

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。根据需要设定该值，如果要求实时掌握光纤的情况，那么就需要设定平均值时间为0，而看一条永久光路，则可以用无限时间。

动态范围：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2.0db。（图）

后向散射系数：如果连接的两条光纤的后向散射系数不同，就很有可能在OTDR上出现被测光纤是一个增益器的现象，这是由于连接点的后端散射系数大于前端散射系数，导致连接点后端反射回来的光功率反而高于前面反射回的光功率的缘故。遇到这种情况，建议大家用双向测试平均趣值的办法来对该光纤进行测量。

死区：死区的产生是由于反射淹没散射并且使得接收器饱和引起，通常分为衰减死区和事件死区两种情况。

1、衰减死区：从反射点开始到接收点回复到后向散射电平约0.5db范围内的这段距离。这是OTDR能够再次测试衰减和损耗的点。

2、事件死区：从OTDR接收到的反射点开始到OTDR恢复的最高反射点1.5db一下的这段距离，这里可以看到是否存在第二个反射点，但是不能测试衰减和损耗。如图所示

鬼影：它是由于光在较短的光纤中，到达光纤末端B产生反射，反射光功率仍然很强，在回程中遇到第一个活动接头A，一部分光重新反射回B，这部分光到达B点以后，在B点再次反射回OTDR，这样在OTDR形成的轨迹图中会发现在噪声区域出现了一个反射现象。如下图所示（红色为一次反射，绿色为二次反射）：

OTDR轨迹图的意义

下面介绍一些典型的OTDR测试轨迹图，供大家一起讨论。

首先给出一个典型的轨迹图

说明：

Front Connector：前端连接器

Fusion Splice：熔接点，光纤的熔接点缺陷容易造成轨迹图中散射曲线的突然跌落。

Bend：弯曲。弯曲直径过小，光就会不再遵循全反射，而是有以部分从纤衣出射，造成轨迹图中散射曲线的突然跌落。

参考资料

《光纤通信原理与系统》         张明德 孙小菡

《安捷伦Mini-OTDR指南》        安捷司

《光缆通信系统指标与测试》        韦乐平等

《光纤通信工程（修订本）》        赵梓森等

《使用OTDR注意的几点》        杨育卿

作者简介：

张红国 男 2000年7月毕业于北京邮电大学计算机科学与技术学院，2000.7－至今在广州市电信局传输分局任职，负责传输设备维护工作，对SDH，MSTP以及计算机网络等有一定研究。

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