TDR/OTDR時域反射技術介紹

TDR工作原理

TDR(Time-Domain Reflectometry/時域反射技術)指一種對反射波進行分析的遙控測量技術,在遙控位置掌握被測量物件的狀況。爲了區分,應用在光纖綫路的TDR稱爲OTDR(Optic TDR/光學性質TDR),而應用在金屬綫路的TDR則稱爲MTDR(Metallic TDR/金屬性質TDR)。

OTDR

OTDR(Optic Time-Domain Reflectometer/光學時域反射儀)是一種依據光學脈沖及其反射波來掌握光纜狀況的測量儀器,用來獲取光纜的衰減因數或衰減比率。衰減因數包含了查找光纜綫路事件的資訊,和事件點的相關距離與損耗。這里提及的“事件",包括光纜的粘合連接或連接器連接,還包括會使傳輸特性改變的光纜的彎曲度。

傳輸到光纖的光脈沖通過光纖的細微波動,建立了瑞利散射。部分與傳輸方向相反的散射光,稱爲瑞利反向散射。通過測量瑞利反向散射,能分析出光纖的衰減量;而通過測量反射訊號的時間,能知道測量的距離。在兩種IOR(反射系數)不同的介質材料的邊界之間,會出現菲涅耳反射。例如,光纜的連接不適當,和用連接器和接綫端來連接光纜,都會形成菲涅耳反射,利用菲涅耳反射能發現光纜的不連續點,反射訊號的大小由邊界面的情況和IOR來決定。

OTDR使光脈沖進入光纜,測量接收的訊號,包括各種事件所産生的反射訊號和光脈沖的散射訊號。即時每一位置的測量值都顯示在液晶顯示屏上。橫軸爲距離,縱軸爲以dB爲單位的反向散射光幅度?!笆录c"指散射光有變化出現或産生衰減的位置, “事件"包括諸如光纜彎曲、連接、破損等各種損耗。

顯示在液晶顯示幕上的事件,表現爲偏離了直綫基波的波形,可劃分爲反射事件和非反射事件。典型的反射事件如圖1的①,是上沖的波形,因爲反射訊號的幅度大于一般的散射訊號。典型的非反射事件如圖1的②,是下降的波形,因爲訊號有損耗。通過測量事件點的反射時間,可計算出每個事件點的距離。因爲光纜中的光速是恒定的,接收光訊號的時間與事件的距離成正比。距離=所用的時間×光速;利用訊號的波形和上述的接收時間,能夠分析出某點的距離以及光纜的連接狀態。

MTDR

如果將電壓脈沖施加在由一對金屬導體組成的金屬電纜的一端,電磁波將沿電纜傳播,在電纜的介質特性(表現爲特性阻抗)有變化的點産生反射。這些電纜狀況有改變的點定義爲事件點。通過測量反射波的形狀和反射波回車的時間,可知變化的類型和事件點的距離。

典型的特性阻抗變化包括開路和短路。波形見圖2,位置①爲輸入到電纜的脈沖訊號,位置②爲開路或短路的反射訊號。開路時,輸入脈沖和反射脈沖同向(同相),短路時,輸入脈沖和反射脈沖方向相反(不同相)。

通過測量點與點之間的時間,可以確定位置①和位置②之間的距離。這與VOP(Velocity of propagation 傳播速率)有關。VOP是電纜的固有特性,指電磁波經過電纜的速度與光在真空中的速度的比率。例如,如果VOP是66%,表示電纜的訊號傳輸速度是光速的66%。VOP是由導體和絕緣體之間的幾何發布來確定的。它是電纜生産廠家提供的一個電纜規格,其數值在30%至90%之間。 已知VOP,用以下公式可計算到發生反射位置點的距離: 距離=所用的時間×VOP,一段未知VOP值,但已知準確長度的樣品電纜,也可用上述公式求出它的VOP。

OTDR測量介紹

用OTDR進行光纖測量可分爲三步:參數設置、資料獲取和曲綫分析,人工設置測量參數包括:

(1)波長選擇(λ):因不同的波長對應不同的光綫特性(包括衰減、微彎等),測試波長一般遵循與系統傳輸通信波長相對應的原則,即系統開放1550波長,則試波長爲1550nm。

(2)脈寬(Pulse Width):脈寬越長,動態測量范圍越大,測量距離更長,但在OTDR曲綫波形中産生盲區更大;短脈沖注入光平低,但可減小盲區。脈寬周期通常以ns來表示。

(3)測量范圍(Range):OTDR測量范圍是指OTDR獲取資料取樣的最大距離,此參數的選擇決定了取樣解析度的大小。最佳測量范圍爲待測光纖長度1.5~2倍距離之間。

(4)平均時間:由于后向散射光信號極其微弱,一般采用統計平均的方法來提高信噪比,平均時間越長,信噪比越高。例如,3min的獲得取將比1min的獲得取提高 0.8dB的動態。但超過 10min的獲得取時間對信噪比的改善幷不大。一般平均時間不超過3min。

(5)光纖參數:光纖參數的設置包括折射率n和后向散射系數n和后向散射系數η的設置。折射率參數與距離測量有關,后向散射系數則影響反射與回波損耗的測量結果。這兩個參數通常由光纖生産廠家給出。

參數設置好后,OTDR即可發送光脈沖幷接收由光纖鏈路散射和反射回來的光,對光電探測器的輸出取樣,得到OTDR曲綫,對曲綫進行分析即可了解光纖質量。

經驗與技巧

(1)光纖質量的簡單判別:正常情況下,OTDR測試的光綫曲綫主體(單盤或幾盤光纜)斜率基本一致,若某一段斜率較大,則表明此段衰減較大;若曲綫主體爲不規則形狀,斜率起伏較大,彎曲或呈弧狀,則表明光纖質量嚴重劣化,不符合通信要求。

(2)波長的選擇和單雙向測試:1550波長測試距離更遠,1550nm比 1310nm光纖對彎曲更敏感,1550nm比1310nm單位長度衰減更小、1310nm比1550nm測的熔接或連接器損耗更高。在實際的光纜維護工作中一般對兩種波長都進行測試、比較。對于正增益現象和超過距離綫路均須進行雙向測試分析計算,才能獲得良好的測試結論。

(3)接頭清潔:光纖活接頭接入OTDR前,必須認真清洗,包括OTDR的輸出接頭和被測活接頭,否則插入損耗太大、測量不可靠、曲綫多噪音甚至使測量不能進行,它還可能損壞OTDR。避免用酒精以外的其他清洗劑或折射率匹配液,因爲它們可使光纖連接器內粘合劑溶解。

(4)折射率與散射系數的校正:就光纖長度測量而言,折射系數每0.01的偏差會引起7m/km之多的誤差,對于較長的光綫段,應采用光纜制造商提供的折射率值。

(5)鬼影的識別與處理:在OTDR曲綫上的尖峰有時是由于離入射端較近且強的反射引起的回音,這種尖峰被稱之爲鬼影。識別鬼影:曲綫上鬼影處未引起明顯損耗;沿曲綫鬼影與始端的距離是強反射事件與始端距離的倍數,成對稱狀。消除鬼影:選擇短脈沖寬度、在強反射前端(如 OTDR輸出端)中增加衰減。若引起鬼影的事件位于光纖終結,可”打小彎”以衰減反射回始端的光。

(6)正增益現象處理:在OTDR曲綫上可能會産生正增益現象。正增益是由于在熔接點之后的光纖比熔接點之前的光纖産生更多的后向散光而形成的。事實上,光纖在這一熔接點上是熔接損耗的。常出現在不同模場直徑或不同后向散射系數的光纖的熔接過程中,因此,需要在兩個方向測量幷對結果取平均作爲該熔接損耗。在實際的光纜維護中,也可采用≤0.08dB即爲合格的簡單原則。

(7)附加光纖的使用:附加光纖是一段用于連接OTDR與待測光纖、長300~2000m的光纖,其主要作用爲:前端盲區處理和終端連接器插入測量。

一般來說,OTDR與待測光纖間的連接器引起的盲區最大。在光纖實際測量中,在OTDR與待測光纖間加接一段過渡光纖,使前端盲區落在過渡光纖內,而待測光纖始端落在OTDR曲綫的綫性穩定區。光纖系統始端連接器插入損耗可通過OTDR加一段過渡光纖來測量。如要測量首、尾兩端連接器的插入損耗,可在每端都加一過渡光纖。

測試誤差的主要因素

1)OTDR測試儀表存在的固有偏差:由OTDR的測試原理可知,它是按一定的周期向被測光纖發送光脈沖,再按一定的速率將來自光纖的背向散射信號抽樣、量化、編碼后,存儲幷顯示出來。 OTDR儀表本身由于抽樣間隔而存在誤差,這種固有偏差主要反映在距離分辯率上。OTDR的距離分辯率正比于抽樣頻率。

2)測試儀表操作不當産生的誤差:在光纜故障定位測試時,OTDR儀表使用的正確性與障礙測試的準確性直接相關,儀表參數設置和準確性、儀表量程范圍的選擇不當或光標設置不準等都將導致測試結果的誤差。

(1) 設定儀表的折射率偏差産生的誤差:不同類型和廠家的光纖的折射率是不同的。使用OTDR測試光纖長度時,必須先進行儀表參數設置,折射率的設置就是其中之一。當幾段光纜的折射率不同時可采用分段設置的方法,以減少因折射率設置誤差而造成的測試誤差。
(2) 量程范圍選擇不當:OTDR儀表測試距離分辯率爲1米時,它是指圖形放大到水平刻度爲25米/格時才能實現。儀表設計是以游標每移動25步爲1滿格。在這種情況下,游標每移動一步,即表示移動1米的距離,所以讀出分辯率爲1米。如果水平刻度選擇2公里/每格,則光標每移動一步,距離就會偏移80米。由此可見,測試時選擇的量程范圍越大,測試結果的偏差就越大。
(3) 脈沖寬度選擇不當:在脈沖幅度相同的條件下,脈沖寬度越大,脈沖能量就越大,此時OTDR的動態范圍也越大,相應盲區也就大。
(4) 平均化處理時間選擇不當:OTDR測試曲綫是將每次輸出脈沖后的反射信號采樣,幷把多次采樣做平均處理以消除一些隨機事件,平均化時間越長,雜訊電平越接近最小值,動態范圍就越大。平均化時間越長,測試精度越高,但達到一定程度時精度不再提高。爲了提高測試速度,縮短整體測試時間,一般測試時間可在0.5~3分鐘內選擇。
(5) 光標位置放置不當:光纖活動連接器、機械接頭和光纖中的斷裂都會引起損耗和反射,光纖末端的破裂端面由于末端端面的不規則性會産生各種菲涅爾反射峰或者不産生菲涅爾反射。如果游標設置不夠準確,也會産生一定誤差。

接頭損耗的標準數值

光纖接續標準多年來一直是一個有爭議的問題,部頒YDJ44-89《電信網光纖數位傳輸系統施工及驗收暫行規定》簡稱《暫規》,對光纖接續損耗的測量方法做了規定,但沒有規定明確的標準。原信産部鄭州設計院在中國電信南九試驗段以后的工程中提出了中繼段單纖平均接續損耗0.08dB/個的設計標準,以后的干綫工程均沿用。

ITU有關接續介入損耗的原文如下。”本試驗使用于一個竣工的光纖接頭, 用以度量接頭質量。

應按照IEC 1073-1進行試驗。測量可在實驗室或現場進行。實驗室用剪回法較好,現場可用雙向OTDR法。介入損耗的典型值可能隨應用場合和(或)所用方法而變化。最小的接頭損耗典型值≤0.1dB。在某些場合中,介入損耗典型值≤0.5dB是可能接受的。有許多熔接機和機械接續裝置在制作接頭后可以估算接頭損耗值。某些主管部門和私營運行機構在現場接續安裝時采用這些估算值,幷且在全部綫路施工完成后,再用OTDR對綫路全程進行復測。在現場安裝時,也可用其他一些方法來估算接頭損耗值,例如采用夾上去的功率計和本地注入檢測的方法。

(1)該建議是基于單纖接頭損耗的可接受值≤0.5dB,平均值沒有規定的情況下而言的。從目前的熔接機情況看, 熔接機所顯示的資料配合觀察光纖接頭斷面情況, 能夠粗略估計光纖接續點損耗的狀況, 但不能精確到目前我國所要求的光纖接續損耗指標的數量級。我們認爲,這些熔接機的設計目的和依據是基于ITU建議的。

(2)目前的熔接機接續是通過對光纖X軸和Y軸方向的錯位調整,在軸心錯位最小時進行熔接的,這種能調整軸心的方法稱爲纖芯直視法,這種方法不同于功率檢測法,現場是無法知道接頭損耗確切數值的。但是在整個調整軸心和熔接接續過程中,通過攝像機把探測到所熔接纖芯狀態的信息送到熔接機的專用程序中,可以計算出接續后的損耗值。但它只能說明光纖軸心對準的程度,幷不含有光纖本身的固有特性所影響的損耗。而OTDR的測試方法是后向散射法,它包含有光纖參數的不同形成反射的損耗。

比較上述兩種測試原理,兩者有很大區別。通過實踐證明,兩種方法測出資料一致性也較差,通過最近幾年對干綫工程接續測試發現,很多情況下熔接機顯示損耗很?。ㄐ∮?.05dB)甚至爲零,但OTDR測試則大于0.08dB,且沒發現有對應的規律。

日本的接頭損耗標準(NTT光纜施工驗收規程)最小值小于0.9dB,無平均值要求,只有中繼段總衰減要求,只要滿足,就能開通設計要求的或將來要增加的設備,在接續操作方面則與ITU建議一致。美國、歐洲諸國也都采取了大致與ITU建議一致的做法。

事實上,影響光纜安全的主要是機械損傷,光纖接續損耗大一點幷不會影響接續強度,因此我們時候在驗收測試中發現,有些點數值確實偏大,大約有1%左右的接頭回超標準,幷且在多次接續后仍無法降低.在這種情況下,也是可以判斷合格的.有的時候會按照中級段總衰減來要求,從而驗收合格。

TDR應用范圍

OTDR在安裝和維護光纖通訊網絡時用來分析光纖的物理情況。爲用戶提供光纖的衰減損耗、反射損耗或非反射損耗的全部資訊,以便進行光纖的故障定位,連接連接器和接合。MTDR適用于如CATV(有綫電視)電纜、CCTV(閉路電視)電纜、同軸電纜、電力電纜、電話綫路UTP電纜等至少由兩條導綫組成的金屬電纜,用來安裝、維護和故障尋找(完全開路和短路、局部開路和短路、載入綫圈,連接不牢、綫路中斷等等)。

應用舉例

查找FTTX或HFC網絡的光纖電纜的各種故障;
查找敷設在墻內、天花板內和地下的電話綫路和光纖電纜的各種故障;
在CATV網絡中,無需訪問每個家庭,就能識別用戶的modem;
在地鐵站、火車站的墻內或天花板內,查找電力電纜、電話電纜、光纖電纜或UTP電纜的各種故障;
查找安裝在橋梁或高速公路等處的光纖電纜,應急電話綫路和電力電纜的各種故障;
查找安裝在隧道等處的光纖電纜,應急電話綫路、供熱電纜或電力電纜的各種故障;
查找沿渠道安裝的包括光纖電纜的各種電纜的任何故障;
查找安裝在大型工廠、發電站或水處理廠等處的光纖電纜、電話綫路、UTP電纜或電力電纜的各種故障;
查找安裝地下渠道等處的應急電纜或電力電纜的各種故障;
查找安裝在建筑物或工作站等處的應急電話綫路或電力電纜的各種故障;
查找安裝在大型船舶、軍艦或潛艇等處的光纖電纜、各種通訊電纜或電力電纜的各種故障;
查找安裝在桑拿浴室、雪站等處的供熱電纜的各種故障。

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