從目前的光纖鏈路的測(cè)試來看，主要分為OLTS和OTDR兩種測(cè)試，OLTS即Optical Loss Test  Set的縮寫，意即傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)光源與光功率計(jì)（光表）相結(jié)合，測(cè)量光鏈路損耗的測(cè)試方法，OLTS的測(cè)試設(shè)備價(jià)格低廉、使用簡便，能快速評(píng)估光鏈路成效，但不能描述光鏈路故障點(diǎn)和故障原因。而OTDR則是光纖測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域中另外一個(gè)重要的儀表，它可進(jìn)行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測(cè)量，具有測(cè)試時(shí)間短、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

     什么是OTD OTDR是Optical Time Domain Reflectometer的縮寫，中文全名為“光時(shí)域反射儀”。

    光在光纖中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生瑞利散射（Rayleigh backscattering）以及菲涅爾反射（Fresnel reflection），OTDR就是利用了光這一特點(diǎn)，采集光脈沖的在通路中的背向散射及反射而制成的高科技、高精密的光電一體化儀表。這種測(cè)量方法由M. Barnoskim 和 M. Jensen 在1976發(fā)明的。

     瑞利散射是由英國物理學(xué)家瑞利的名字命名的。它是半徑比光的波長小很多的微粒對(duì)入射光的散射。瑞利散射光的強(qiáng)度和入射光波長λ的4次方成反比：

其中   是入射光的光強(qiáng)分布函數(shù)，也就是說，波長較短的藍(lán)光比波長較長的紅光更易散射，這就可以解釋天空為什么是藍(lán)色的——白天，當(dāng)日光經(jīng)過大氣層時(shí)，與空氣分子(其半徑遠(yuǎn)小于可見光的波長)發(fā)生瑞利散射，因?yàn)樗{(lán)光比紅光波長短，瑞利散射發(fā)生的比較激烈，被散射的藍(lán)光布滿了整個(gè)天空，從而使天空呈現(xiàn)藍(lán)色，但是太陽本身及其附近呈現(xiàn)白色或黃色，是因?yàn)榇藭r(shí)你看到更多的是直射光而不是散射光，所以日光的顏色（白色）基本未改變——波長較長的紅黃色光與藍(lán)綠色光（少量被散射了）的混合。當(dāng)日落或日出時(shí)，太陽幾乎在我們視線的正前方，此時(shí)太陽光在大氣中要走相對(duì)很長的路程，你所看到的直射光中的藍(lán)光大量都被散射了，只剩下紅橙色的光，這就是為什么日落時(shí)太陽附近呈現(xiàn)紅色，而天空的其它地方由于光線很弱，只能說是非?；璋档乃{(lán)黑色。如果是在月球上，因?yàn)闆]有大氣層，光未產(chǎn)生瑞利散射，這時(shí)候天空即使在白天也是黑的。

       瑞利散射無時(shí)無刻不在我們身邊發(fā)生，比如夜間我們打開手電，我們所看到的“光柱”就是因?yàn)槿鹄⑸涠纬傻?。同樣，在光纖中注入的光也會(huì)在光纖中形成這么一道“光柱”從而被放置在光脈沖入射端的OTDR所“看到”。

        菲涅耳(1788～1827)是法國土木工程兼物理學(xué)家。他是光波動(dòng)說的的創(chuàng)始人之一，被人們稱為“物理光學(xué)的締造者”。在只有39歲的短暫一生中，菲涅耳對(duì)經(jīng)典光學(xué)的波動(dòng)理論作出了卓越的貢獻(xiàn)，其中之一就是著名的“菲涅耳公式”，即電磁波通過不同介質(zhì)的分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射，菲涅耳以光是橫波的設(shè)想為基礎(chǔ),把入射光分為振動(dòng)平面平行于入射面的線偏振光和垂直于入射面的線偏振光,并導(dǎo)出了光的折射比、反射比之間關(guān)系的菲涅耳公式。由菲涅耳公式可以求出一定入射角下反射和透射的振幅、強(qiáng)度等?？梢院芎玫亟忉尮獾姆瓷渑c折射的起偏問題及半波損失問題等。菲涅耳公式是光學(xué)和電磁理論的一個(gè)重要基本公式。

        同樣菲涅耳反射也時(shí)刻發(fā)生在我們身邊。正如我們能清楚地看到玻璃的裂縫一樣，OTDR也能“看到”光纖通路里的各種縫隙。與瑞利散射遍布整段光纖，是一個(gè)連續(xù)的反射不同，菲涅爾反射是離散的反射，它由光纖的個(gè)別點(diǎn)產(chǎn)生，能夠產(chǎn)生反射的點(diǎn)大體包括光纖連接器（玻璃與空氣的間隙）、阻斷光纖的平滑鏡截面、光纖的終點(diǎn)等。

        OTDR的工作原理就類似于一個(gè)雷達(dá)。它先對(duì)光纖發(fā)出一個(gè)信號(hào)，然后觀察從某一點(diǎn)上返回來的是什么信息。這個(gè)過程會(huì)重復(fù)地進(jìn)行，然后將這些結(jié)果進(jìn)行平均并以軌跡的形式來顯示，這個(gè)軌跡就描繪了在整段光纖內(nèi)信號(hào)的強(qiáng)弱（或光纖的狀態(tài)）。OTDR是通過發(fā)送及接收到的反射信號(hào)的之間的時(shí)間長短來確定事件距離的，即測(cè)量反射光在不同時(shí)間的特性，把它看成是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)f(t)來測(cè)量，這種測(cè)量就稱為時(shí)域測(cè)量，這也就是OTDR名稱的由來。

       下面是OTDR設(shè)備的一個(gè)結(jié)構(gòu)簡圖

                    

    支持OTDR技術(shù)的兩個(gè)基本公式

      OTDR在半導(dǎo)體光源(LED或LD)在驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制下輸出光脈沖，經(jīng)過定向光耦合器和活動(dòng)連接器注入被測(cè)光纜線路成為入射光脈沖。入射光脈沖在線路中傳輸時(shí)在沿途產(chǎn)生瑞利散射光和菲涅爾反射光，大部分瑞利散射光將折射入包層后衰減，其中與光脈沖傳播方向相反的背向瑞利散射光將會(huì)沿著光纖傳輸?shù)骄€路的進(jìn)光端口，經(jīng)定向耦合分路射向光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)過低噪聲放大和數(shù)字平均化處理，最后將處理過的電信號(hào)與從光源背面發(fā)射提取的觸發(fā)信號(hào)同步掃描在示波器上成為反射光脈沖。返回的有用信息由OTDR的探測(cè)器來測(cè)量，它們就作為被測(cè)光纖內(nèi)不同位置上的時(shí)間或曲線片斷。根據(jù)發(fā)射信號(hào)到返回信號(hào)所用的時(shí)間，再確定光在石英物質(zhì)中的速度，就可以計(jì)算出距離（光纖長度）L（單位：m），如下式所示。

                  
 式中，n為平均折射率，△t為傳輸時(shí)延。利用入射光脈沖和反射光脈沖對(duì)應(yīng)的功率電平以及被測(cè)光纖的長度就可以計(jì)算出衰減α（單位：dB／km），如下式所示：
                                 
                   
  OTDR儀中的幾個(gè)參數(shù)
  測(cè)試距離、脈沖寬度、折射率、測(cè)試光波長、平均化時(shí)間、動(dòng)態(tài)范圍、死區(qū)、“鬼影”
      一、 測(cè)試距離選擇

       由于光纖制造以后其折射率基本不變，這樣光在光纖中的傳播速度就不變，這樣測(cè)試距離和時(shí)間就是一致的，實(shí)際上測(cè)試距離就是光在光纖中的傳播速度乘上傳播時(shí)間，對(duì)測(cè)試距離的選取就是對(duì)測(cè)試采樣起始和終止時(shí)間的選取。測(cè)量時(shí)選取適當(dāng)?shù)臏y(cè)試距離可以生成比較全面的軌跡圖，對(duì)有效的分析光纖的特性有很好的幫助，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取整條光路長度的1.5－2倍之間最為合適。選擇過大時(shí)，光時(shí)域反射儀的顯示屏上橫坐標(biāo)壓縮看不清楚。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，測(cè)試量程選擇能使背向散射曲線大約占到OTDR顯示屏的70％時(shí)，不管是長度測(cè)試還是損耗測(cè)試都能得到比較好的直視效果和準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。在光纖通信系統(tǒng)測(cè)試中，鏈路長度在幾百到幾千千米，中繼段長度40～60 km，單盤光纜長度2～4km，合選擇OTDR的量程可以得到良好的測(cè)試效果。
     二、 測(cè)試脈沖寬度選擇

          可以用時(shí)間表示，也可以用長度表示，很明顯，在光功率大小恒定的情況下，脈沖寬度的大小直接影響著光的能量的大小，光脈沖越長光的能量就越大。同時(shí)脈沖寬度的大小也直接影響著測(cè)試死區(qū)的大小，也就決定了兩個(gè)可辨別事件之間的最短距離，即分辨率。顯然，脈沖寬度越小，分辨率越高，脈沖寬度越大分辨率越低。如圖所示：
                    

                      
        t1＝t0＋τ。在此段時(shí)間內(nèi)，將有菲涅爾反射和瑞利散射同時(shí)返回OTDR，由于菲涅爾反射的光功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于瑞利散射的光功率，瑞利散射就會(huì)淹沒在菲涅爾反射中，在形成的軌跡圖中就看不到瑞利散射，只看到菲涅爾反射，形成一個(gè)死區(qū)。死區(qū)的大小直接與脈沖寬度τ有關(guān)。
         設(shè)置的光脈沖寬度過大會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的菲涅爾反射，會(huì)使盲區(qū)加大。較窄的測(cè)試光脈沖雖然有較小的盲區(qū)，但是測(cè)試光脈沖過窄時(shí)光功率肯定過弱，相應(yīng)的背向散射信號(hào)也弱，背向散射信號(hào)曲線會(huì)起伏不平，測(cè)試誤差大。設(shè)置的光脈沖寬度既要能保證沒有過強(qiáng)的盲區(qū)效應(yīng)，又要能保證背向散射信號(hào)曲線有足夠的分辨率，能看清光纖沿線上每一點(diǎn)的情況。一般是根據(jù)被測(cè)光纖長度，先選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)臏y(cè)試脈寬，預(yù)測(cè)試一兩次后，從中確定一個(gè)最佳值。被測(cè)光纖的距離較短(小于5000m)時(shí)，盲區(qū)可以在10 m以下；被測(cè)光纖的距離較長(小于50000 m)時(shí)，盲區(qū)可以在200 m以下；被測(cè)光纖的距離很長(小于2500000  m)時(shí)，盲區(qū)可高達(dá)2000 m以上。在單盤測(cè)試時(shí)，恰當(dāng)選擇光脈沖寬度(50 nm)可以使盲區(qū)在10 m以下。通過雙向測(cè)試或多次測(cè)試取平均值，盲區(qū)產(chǎn)生的影響會(huì)更小。
       三、 光纖折射率選擇

        折射率就是待測(cè)光纖實(shí)際的折射率，這個(gè)數(shù)值由待測(cè)光纖的生產(chǎn)廠家給出，單模石英光纖的折射率大約在1.4－1.6之間，現(xiàn)在使用的單模光纖的折射率基本在1.4600～1.4800范圍內(nèi)，要根據(jù)光纜或光纖生產(chǎn)廠家提供的實(shí)際值來精確選擇。對(duì)于G.652單模光纖，在實(shí)際測(cè)試時(shí)若用1310 nm波長，折射率一般選擇在1.4680；若用1550 nm波長，折射率一般選擇在1.4685。折射率選擇不準(zhǔn)，影響測(cè)試長度。折射率若誤差0.001，則在50000 m的中繼段會(huì)產(chǎn)生約35 m的誤差。在光纜維護(hù)和故障排查時(shí)很小的失誤便會(huì)帶來明顯的誤差，測(cè)試時(shí)一定要引起足夠的重視。
       四、 測(cè)試波長選擇

        測(cè)試光波長的就是指OTDR激光器發(fā)射的激光的波長，波長越短，瑞利散射的光功率就越強(qiáng)，在OTDR  的接收段產(chǎn)生的軌跡圖就越高，所以1310的脈沖產(chǎn)生的瑞利散射的軌跡圖樣就要比1550nm產(chǎn)生的圖樣要高。但是在長距離測(cè)試時(shí)，由于1310nm衰耗較大，激光器發(fā)出的激光脈沖在待測(cè)光纖的末端會(huì)變得很微弱，這樣受噪聲影響較大，形成的軌跡圖就不理想，宜采用1550nm作為測(cè)試波長。在高波長區(qū)（1500nm以上），瑞利散射會(huì)持續(xù)減少，但是一個(gè)紅外線衰減（或吸收）就會(huì)產(chǎn)生，因此1550nm就是一個(gè)衰減最低的波長，因此適合長距離通信。所以在長距離測(cè)試的時(shí)候適合選取1550nm作為測(cè)試波長，而普通的短距離測(cè)試選取1310nm為宜，視具體情況而定。但由于1550 nm波長對(duì)光纖彎曲損耗的影響比1310 nm波長敏感得多，因此不管是光纜線路施工還是光纜線路維護(hù)或者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、教學(xué)，使用OTDR對(duì)某條光纜或某光纖傳輸鏈路進(jìn)行全程光纖背向散射信號(hào)曲線測(cè)試，一般多選用1550 nm波長。1310nm和1550 nm兩波長的測(cè)試曲線的形狀是一樣的，測(cè)得的光纖接頭損耗值也基本一致。若在1550 nm波長測(cè)試沒有發(fā)現(xiàn)問題，那么1310 nm波長測(cè)試也肯定沒問題。選擇1550 nm波長測(cè)試，可以很容易發(fā)現(xiàn)光纖全程是否存在彎曲過度的情況。若發(fā)現(xiàn)曲線上某處有較大的損耗臺(tái)階，再用1310 nm波長復(fù)測(cè)，若在1310 nm波長下?lián)p耗臺(tái)階消失，說明該處的確存在彎曲過度情況，需要進(jìn)一步查找并排除。若在1310 nm波長下?lián)p耗臺(tái)階同樣大，則在該處光纖可能還存在其他問題，還需要查找排除。在單模光纖線路測(cè)試中，應(yīng)盡量選用1 550 nm波長，這樣測(cè)試效果會(huì)更好。
       五、 平均化時(shí)間選擇

        由于測(cè)試中受噪聲的影響，光纖中某一點(diǎn)的瑞利散射功率是一個(gè)隨機(jī)過程。由于背向散射光信號(hào)極其微弱，要確知該點(diǎn)的一般情況，一般采用多次統(tǒng)計(jì)平均的方法來提高信噪比，以減少接收器固有的隨機(jī)噪聲的影響。OTDR測(cè)試曲線是將每次輸出脈沖后的反射信號(hào)采樣，并把多次采樣做平均化處理以消除隨機(jī)事件，平均化時(shí)間越長，噪聲電平越接近最小值，動(dòng)態(tài)范圍就越大。平均化時(shí)間為3  min獲得的動(dòng)態(tài)范圍比平均化時(shí)間為1 min獲得的動(dòng)態(tài)范圍提高0.8 dB。一般來說平均化時(shí)間越長，測(cè)試精度越高。根據(jù)需要設(shè)定該值，如果要求實(shí)時(shí)掌握光纖的情況，那么就需要設(shè)定平均值時(shí)間為0，而看一條永久光路，則可以用無限時(shí)間。為了提高測(cè)試速度，縮短整體測(cè)試時(shí)間，測(cè)試時(shí)間可在0.5～3 min內(nèi)選擇。在光纖通信接續(xù)測(cè)試中，選擇1.5 min(90 s)就可獲得滿意的效果。
       六、 動(dòng)態(tài)范圍

       它表示后向散射開始與噪聲峰值間的功率損耗比。它決定了OTDR所能測(cè)得的最長光纖距離。如果OTDR的動(dòng)態(tài)范圍較小，而待測(cè)光纖具有較高的損耗，則遠(yuǎn)端可能會(huì)消失在噪聲中。目前有兩種定義動(dòng)態(tài)范圍的方法：

       1、 峰值法：它測(cè)到噪聲的峰值，當(dāng)散射功率達(dá)到噪聲峰值即認(rèn)為不可見。
        2、SNR（信噪比）=1法：這里動(dòng)態(tài)范圍測(cè)到噪聲的rms（平均值）電平為止，對(duì)于同樣性能的OTDR來講，其指標(biāo)高于峰值定義大約2.0db。如圖所示：
                    

         七、 后向散射系數(shù)：

        如果連接的兩條光纖的后向散射系數(shù)不同，就很有可能在OTDR上出現(xiàn)被測(cè)光纖是一個(gè)增益器的現(xiàn)象，這是由于連接點(diǎn)的后端散射系數(shù)大于前端散射系數(shù)，導(dǎo)致連接點(diǎn)后端反射回來的光功率反而高于前面反射回的光功率的緣故。這種情況往往發(fā)生在不同模場(chǎng)直徑的光纖被連接在一起的時(shí)候（比如多模50/125的光纜與62.5/125的跳線連接）遇到這種情況，建議大家用雙向測(cè)試取平均值的辦法來對(duì)該光纖進(jìn)行測(cè)量。
         八、 死區(qū)

         死區(qū)的產(chǎn)生是由于反射淹沒散射并且使得接收器飽和引起，通常分為衰減死區(qū)和事件死區(qū)兩種情況。

         1、衰減死區(qū)：從反射點(diǎn)開始到接收點(diǎn)回復(fù)到后向散射電平約0.5db范圍內(nèi)的這段距離。這是OTDR能夠再次測(cè)試衰減和損耗的點(diǎn)。
         2、事件死區(qū)：從OTDR接收到的反射點(diǎn)開始到OTDR恢復(fù)的最高反射點(diǎn)1.5db一下的這段距離，這里可以看到是否存在第二個(gè)反射點(diǎn)，但是不能測(cè)試衰減和損耗。如圖所示
                        

       九、 鬼影

       它是由于光在較短的光纖中，到達(dá)光纖末端B產(chǎn)生反射，反射光功率仍然很強(qiáng)，在回程中遇到第一個(gè)活動(dòng)接頭A，一部分光重新反射回B，這部分光到達(dá)B點(diǎn)以后，在B點(diǎn)再次反射回OTDR，這樣在OTDR形成的軌跡圖中會(huì)發(fā)現(xiàn)在噪聲區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)反射現(xiàn)象。如下圖所示（紅色為一次反射，綠色為二次反射）：
                        

        實(shí)施OTDR測(cè)試的方法

        OTDR對(duì)光纜和光纖進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試場(chǎng)合包括光纜和光纖的出廠測(cè)試，光纜和光纖光纜的施工測(cè)試，光纜和光纖的維護(hù)測(cè)試以及定期測(cè)試。OTDR的測(cè)試連接如下圖所示。
                        

        測(cè)試連接的方法是：OTDR一盲區(qū)光纜一光纖連接器一第1盤光纜一第2盤光纜一第n盤光纜，終端不連接任何設(shè)備。
        OTDR軌跡圖的意義

        下面介紹一些典型的OTDR測(cè)試軌跡圖，供大家一起討論。

        首先給出一個(gè)典型的軌跡圖
                    

         說明：
            .前端活動(dòng)連接器Front Connector：這一個(gè)點(diǎn)就是測(cè)試鏈路的起點(diǎn)。
            .連接器對(duì)Connector 
            .在連接器的交界面會(huì)產(chǎn)生的菲涅爾反射，跡線圖表現(xiàn)為一個(gè)驟然突起的高峰，菲涅爾反射波峰前后的散射曲線鐵落就是連接器的插入損耗。這也是考量連接器性能的指標(biāo)之一。
           .熔接點(diǎn)Fusion Splice：光纖的熔接點(diǎn)缺陷容易造成跡線圖中散射曲線的突然跌落。
           .過度彎曲Bend：彎曲直徑過小，光就會(huì)不再遵循全反射，而是有一部分從光纖被覆層射出，造成跡線圖中散射曲線的突然跌落。
            .斷裂點(diǎn)Crack：光纖斷裂點(diǎn)的波形類似于連接器，但由于斷裂處造成縫隙往往遠(yuǎn)大于連接器，所以菲涅爾反射波峰前后的散射曲線鐵落遠(yuǎn)大于正常的連接器事件，且在之后的信號(hào)產(chǎn)生雜訊。不合格的連接器連接也會(huì)出現(xiàn)這種跡線圖，故要結(jié)合鏈路中器件的實(shí)際連接情況及距離加以辨別事件的類型。
            .后向散射Backscatter：跡線的斜率就代表了光纖衰減系數(shù)的大小。
            .光纖終點(diǎn)Fiber End：由于在測(cè)試時(shí)，光纖終端不安裝任何設(shè)備，此時(shí)終結(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)為光纖玻璃與空氣的交界面，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的菲涅爾反射，之后，光射入空氣中。
            .噪音Noise：這是在光纖總結(jié)點(diǎn)后，外界的光噪音。
     結(jié)束語

         OTDR是光纖通信的主要儀表，在科研、生產(chǎn)、施工、維護(hù)等光通信鄰域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文所列舉的僅是OTDR基礎(chǔ)應(yīng)用，通過對(duì)OTDR事件的分析，我們可以方便地判斷光纖的長短、連接器件的好壞、光纖的故障點(diǎn)等。隨著科技的方展，新一代的OTDR測(cè)試儀更具備了波分復(fù)用（WDM）測(cè)量、PON網(wǎng)分光器測(cè)量等新的功能。盡快熟悉并掌握OTDR的測(cè)試技能，是面對(duì)三網(wǎng)合一這一大趨勢(shì)必不可少的步驟。