光时域反射仪实验

1/6光时域反射仪(OTDR)实验摘要：简述光时域反射仪的工作原理，使用光时域反射仪对未知光纤进行测量，分析图像，获得其基本工作参数，并进一步探究光时域反射仪参数对实验结果的影响。一、光时域反射仪工作原理光时域反射仪（opticaltime-domainreflectometer;OTDR）是一种通过对测量曲线的分析，了解光纤的均匀性、缺陷、断裂、接头耦合等若干性能的仪器。测量曲线的获取原理如图1所示。由激光器发出的光脉冲注入到光纤后，在开始端接收到的光能量可以分为两种类型：一种是光纤断面或者连接界面的菲涅尔反射光；另一种是瑞利散射光（背向散射）。通过测量分析这些后向散射光的功率,可以得到沿光纤长度分布的衰减曲线。其中瑞利散射是当光线在光纤中传播时，由于光纤中存在分子级别大小的结构上的不均匀，光线的一部分能量会被改变其原有的传播方向而向四周散射的现象。其强度与波长的4次方成反比，其中有一部分散射光线与原来的传播方向相反，被称为背向散射，如图2：图2瑞利散射与背向散射二、实验用具CMA4000i型OTDR、光纤连接器、适配器、光纤/光缆等。三、实验记录与数据分析1.熟悉仪器阅读说明书，接入光纤，熟悉仪器。启用自动测量，仪器自动选择脉宽250ns的激光源，并设置测量距离为16km，中速测量，得出曲线为OTDR进行32000多次平均的结果。观察所得曲线，可见入射端口与出射端各有明显的峰值；放大入射端反射峰，可见辨认出为部分重叠的两峰。其余部分为一直线，可初步断定被测光纤只存在一个机械连接事件。2.使用两种脉冲宽度对光纤事件进行测量使用脉宽为10ns的脉冲，测量长度设为8km/1.0m，所得曲线如图3所示：图1OTDR工作原理图2/6图3脉宽10ns下OTDR测量曲线如图3中A,B,C所示，测量曲线有3个峰值，A峰是入射端的菲涅尔反射峰，C峰是出射端的菲涅尔反射峰，B峰则便是光纤中机械连接产生的菲涅尔反射峰。曲线其余部分为一斜率基本均匀的直线，没有抬升或下沉，可知光纤是均匀的，光纤中并不存在耦合，缺陷，应力过大等情况。放大曲线开始部分对机械连接进行定位，如图4：可从仪器读书得光纤机械连接位于0.0337km处。使用脉宽为250ns的激光进行测量，测量长度选择8km/1.0m，所得曲线如图5所示：图5脉宽250ns下OTDR测量曲线从图中可以看出，曲线特征与脉宽10ns的测量曲线相仿。均有A,B,C三个反射峰，其余部分是斜率均匀的直线。与10ns脉宽的曲线的不同点在于，相同横坐标下，250ns的曲线要位于10ns的曲线之上，换句话说，250ns脉宽下，OTDR探测到的信号均比10ns脉宽图4图3局部放大图3/6下的要强。这是因为脉宽增大了，使光源总功率增大了，如图6：其次是250ns曲线的各个反射峰宽度变大了，也称作盲区变大了。这是由两部分原因造成的：（1）脉冲宽度增加，脉冲起始点和终结点之间时间间隔增大，通过OTDR的探测便转化为空间域上的宽度增加；（2）OTDR专门用于探测微弱的背向散射，机械连接处，耦合处等反射事件反射的光功率较大，会使探测器出现饱和，而脉宽增大会使光源功率增大，从而菲涅尔反射光的功率也会增大，使得探测器饱和程度更深，需要更长时间恢复，再经过OTDR的处理，就造成了空间域上的宽度增加。正因为250ns脉宽的激光盲区较大，在实验中覆盖了机械连接点的反射峰的起点，因此无法用250ns脉宽的光源测得机械连接点的位置。3.光纤长度测量使用两种脉宽进行测量，量取零点至出射端菲涅尔反射峰的起点的距离作为光纤总长度，两种脉宽都有如下结果：纤长L=5.0119(km)本次试验中，对于纤长的测量，不同脉宽的脉冲应该没有影响。因为测量的是零点到出端菲涅尔反射峰的起点的距离，脉宽不影响仪器零点设置，并且本实验中出端菲涅尔反射没有处在别的时间造成的盲区里，因此不会有影响。4.光纤全程损耗光纤全程损耗不应包括输入端和光纤末端反射造成的损耗，所以应该在输入端菲涅尔反射峰以后，到末端菲涅尔反射峰的起点为测量范围。如前所述，250ns脉宽的激光会导致机械连接处处在输入端的盲区里，故只选用10ns的进行测量。表格1光纤全程损耗记录表脉宽A点/kmB点/km光纤长度/km损耗/dB损耗系数α/dB/km10ns0.02355.01194.98841.4120.2830.02805.01194.98391.3380.2680.03095.01194.98091.3000.261测得的光纤全程损耗系数为：𝛼̅=13∑𝛼𝑖3𝑖=1=0.271(dB/km)标准偏差：σ=√13−1∑(𝛼𝑖−𝛼̅)23𝑖=1=0.011≈0.01(𝑑𝐵/𝑘𝑚)故全程损耗系数为：α=(0.27±0.01)dB/km图6脉宽10ns与250ns所得曲线对比图图7图6局部放大图4/6全程损耗系数测量误差主要来源于对入射段菲涅尔反射峰的结束点判断的不准确。从图中可以知道，与反射峰起点不同，反射峰终点附近，曲线斜率逐渐趋于衰减系数，难以正确选择测量起点。5.光纤分段损耗系数测量避开3处反射峰进行测量，选取2km左右光纤，记录损耗与损耗系数如表格2表格2分段损耗系数测量表脉宽光纤长度/km损耗/dB损耗系数α/dB/km10ns1.98880.3880.1951.98880.3790.1911.98880.3820.192250ns1.98880.3940.1981.98880.4090.2061.98880.4080.205对于脉宽为10ns部分分段测得管线的损耗系数为：𝛼̅10ns=13∑𝛼𝑖3𝑖=1=0.193(dB/km)标准偏差：σ=√13−1∑(𝛼𝑖−𝛼̅10𝑛𝑠)23𝑖=1=0.002(𝑑𝐵/𝑘𝑚)故损耗系数为：α10𝑛𝑠=(0.193±0.002)dB/km对于脉宽为250ns部分分段测得管线的损耗系数为：𝛼̅250ns=13∑𝛼𝑖3𝑖=1=0.203(dB/km)标准偏差：σ=√13−1∑(𝛼𝑖−𝛼̅250𝑛𝑠)23𝑖=1=0.004(𝑑𝐵/𝑘𝑚)故损耗系数为：α250𝑛𝑠=(0.203±0.004)dB/km从前面的测量结果可知，被测光纤除了一处机械连接以外没有其他的非损耗衰减或增益，因此避开反射峰进行测量即测量光纤无故障时候的工作特性。如上表2测量结果所示，脉宽为10ns与250ns下测得的损耗系数均约为0.2(dB/km)，与实验室提供的数据相符合。理论上，不同脉宽下测得的损耗系数应该是相同的，而这次试验测得的结果不完全一致，这是测量误差造成的。测量误差有两部分：(1)仪器本身的误差，这是实验的固有误差。里面包括激光源功率的波动，光功率计响应的误差，以及平均次数的限制。(2)取样误差。实验中光纤段的选取是靠人手进行操作选取，然后直接从机器读数得到的，取样数量不足、取样没有代表性等，都会引出一定的误差。6.光纤连接处的损耗从10ns的曲线中取连接处反射峰的两端进行测量，得下表：5/6表格3连接点损耗记录表A点/kmB点/kmA,B间距/km损耗/dB0.03130.05440.02310.191由于取点的间距较小，可以直接以A,B点间的损耗代表连接处的损耗，即连接处损耗为0,191(dB)。若要考虑A,B点间瑞利散射带来的损耗，则连接处实际损耗为0.191-0.0231*0.193=0.186(dB)四、思考题1.菲涅尔反射光与瑞利散射的差异及产生的机理，在实验中如何区分这两种效应？瑞利散射是当光线在光纤中传播时，由于光纤中存在分子级别大小的结构上的不均匀，光线的一部分能量会被改变其原有的传播方向而向四周散射的现象。菲涅尔反射是指光在介质传播过程中，遇到折射率不同的介质面时产生的一种反射现象，其反射强度与两种媒质的相对折射率的平方成正比。由于OTDR接收到的信号是与输入反向的光，激光在传输过程中不断衰减，发生瑞利散射往反方向传播的光也会逐步减少，因此OTDR接收到的信号应为一条斜率为负数的曲线，又因为光纤基本上是均匀的，得到的往往就是一条斜率为负数的直线。而对于菲涅尔反射，反射回来的光远远大于瑞利散射回来的光，因此在曲线上表现为一个凸起的峰。通过两者的形状可以判断区分两种效应。2.光时域反射仪的工作原理，说明主要部件的作用。光时域反射仪工作原理图如图1所示。激光器向光纤发出激光脉冲，激光脉冲在光纤内由于瑞利散射效应与菲涅尔反射效应形成反向的光信号，光功率探测器通过检测放大接收反射回来的光信号。再按照仪器内置时钟对信号进行定时，并将功率关于时间的关系转换为关于空间的关系。再通过对信号变化的分析，可以对光纤工作参数进行测量，对光纤内的故障进行定位。主要部件为：激光源：用于产生测试用的激光脉冲。透镜组：使激光汇聚进入光纤，以及接受光纤返回的光并汇聚进入探测器。分光盒：对进入光纤的光透射，对光纤返回的光信号反射，目的是用来空间上分离入射光与反射光便于接收光功率计：包括探测与放大光纤返回的光信号数据处理系统：将时域转换为空间域内置时钟：用于对接收到的信号进行定时3.分析参数设定更变对测量结果的影响，有哪些参数是比较关键的？实验中可以设置的参数有测量距离，脉冲宽度，脉冲波长，折射率，散射率。测量距离设置过小会导致不能完全测量整段光纤，设置太长会使仪器分辨率降低；脉冲宽度则影响脉冲能量和盲区大小，脉冲宽度越大，动态范围越大，同时盲区也越大。调小脉冲可以提高分辨率，但测量范围会减小；脉冲波长，折射率，散射率三者是配套设置的，应该根据光线实际用途进行设置。4.实验中用两种脉宽测得的结果有何差异？对此你有何感想？实验中，在测量光纤长度，分段损耗系数时，两者并没有什么区别。但在定位机械连接处时，由于250ns脉宽的脉冲盲区较大，入射端耦合产生菲涅尔反射峰覆盖了机械连接产生6/6的反射峰。这反映了脉冲宽度越大，盲区越大，分辨率越低。实际使用中，应该根据对纤长的大约估算选择合适的脉冲宽度，避免出现脉冲能量过低，不能测完整段光纤或者脉冲宽度太大，精度太低，使故障被隐藏了的情况。5.实验中有可能引起误差的因素有哪些？应该如何避免？实验中的误差有：仪器固有误差，实验参数选择不当引起的误差，曲线取样分析的误差等。减少仪器固有误差可以对仪器进行校准，做好仪器维护，测量时注意光纤接头的洁净等。实验参数选择则应根据实际测量对象，测量目的进行设置。曲线分析的误差应先增加仪器测试重复次数，而后处理数据时应该对曲线多次取样，进行平均。五、参考文献[1]李玲，黄永清.光纤通信基础.北京：国防工业出版社，1999[2]蔡志岗，靳珂等.光时域反射仪(OTDR)的研制.半导体光电，Vol.23,No.1,48-50,2002[3]CMA4000i快速指南(QuickStartGuide)GNNettest公司，2001[4]CMA4000i光时域反射仪操作手册(UnderstandingOTDRs)GNNettest公司，2001