光時(shí)域反射儀試驗(yàn)

1、圖1OTDR工作原理圖光時(shí)域反射儀(OTDR)實(shí)驗(yàn)摘要：簡(jiǎn)述光時(shí)域反射儀的工作原理，使用光時(shí)域反射儀對(duì)未知光纖進(jìn)行測(cè)量，分析圖像.獲得其基本工作參數(shù)，并進(jìn)一步探窕光時(shí)域反射儀參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。1、 光時(shí)域反射儀工作原理光時(shí)域反射儀(opticaltime-domainreflectometer;OTDR)是一種通過對(duì)測(cè)量曲線的分析，了解光纖的均勻性、缺陷、斷裂、接頭耦合等若干性能的儀器。測(cè)量曲線的獲取原理如圖1所示。由激光器發(fā)出的光脈沖注入到光纖后，在開始端接收到的光能最可以分為兩種類型：一種是光纖斷面或者連接界面的菲涅爾反射光；另一種是瑞利散射光(背向散射，通過測(cè)后分析這些后向散射光的功

2、率，可以得到沿光纖長(zhǎng)度分布的衰減曲線。其中瑞利散射是當(dāng)光線在光纖中傳播時(shí)，由于光纖中存在分子級(jí)別大小的結(jié)構(gòu)上的不均勻，光線的一部分能展會(huì)被改變其原有的傳播方向而向四周散射的現(xiàn)象。其強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比，其中有部分散射光線與原來的傳播方向相反，被稱為背向散射，如圖2：入射光圖2瑞利散射與背向散射2、 實(shí)驗(yàn)用具CMA4000i型OTDR、光纖連接器、適配器、光纖/光纜等。3、 實(shí)驗(yàn)記錄與數(shù)據(jù)分析1 .熟悉儀器閱讀說明書，接入光纖，熟悉儀器。啟用自動(dòng)測(cè)量，儀器自動(dòng)選擇脈寬250ns的激光源，并設(shè)置測(cè)量距離為16km,中速測(cè)量，得出曲線為OTDR進(jìn)行32000多次平均的結(jié)果。觀察所得曲線，可見入射

3、端口與出射端各有明顯的峰值；放大入射端反射峰,可見辨認(rèn)出為部分重疊的兩峰。其余部分為一直線，可初步斷定被測(cè)光纖只存在一個(gè)機(jī)械連接事件。2 .使用兩種脈沖寬度對(duì)光纖事件進(jìn)行測(cè)量使用脈寬為10ns的脈沖,測(cè)最長(zhǎng)度設(shè)為8km/1.0m,所得曲線如圖3所示：1/6102)圖3脈寬10ns下OTDR測(cè)量曲線如圖3中A,B,C所示,測(cè)量曲線有3個(gè)峰值，A峰是入射端的菲涅爾反射峰,C峰是出射端的菲涅爾反射峰，B峰則便是光纖中機(jī)械連接產(chǎn)生的菲涅爾反射峰。曲線其余部分為一斜率基本均勻的直線,沒有抬升或下沉，可知光纖是均勻的，光纖中并不存在耦合，缺陷，應(yīng)力過大等情況。放大曲線開始部分對(duì)機(jī)械連接進(jìn)行定位，如圖4：可

4、從儀器讀書得光纖機(jī)械連接位于0.0337km處。圖4圖3局部放大圖從圖中可以看出，曲線特征與脈寬10ns的測(cè)量曲線相仿。均有A,B,C三個(gè)反射峰，其余部分是斜率均勻的直線。與10ns脈寬的曲線的不同點(diǎn)在于，相同橫坐標(biāo)卜，250ns的曲線要位于10ns的曲線之上，換句話說，250ns脈寬下，OTDR探測(cè)到的信號(hào)均比10ns脈寬2/6卜的要強(qiáng)。這是因?yàn)槊}寬增大了，使光源總功率增大了，如圖6：其次是250ns曲線的各個(gè)反射峰寬度變大了，也稱作盲區(qū)變大了。這是由兩部分原因造成的：(1)脈沖寬度增加，脈沖起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)之間時(shí)間間隔增大,通過OTDR的探測(cè)便轉(zhuǎn)化為空間域上的寬度增加；(2)OTDR專門用于

5、探測(cè)微弱的背向散射，機(jī)械連接處，耦合處等反射事件反射的光功率較大，會(huì)使探測(cè)器出現(xiàn)飽和，而脈寬增大會(huì)使光源功率增大，從而菲涅爾反射光的功率也會(huì)增大，使得探測(cè)器飽和程度更深，需要更長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)，再經(jīng)過OTDR的處理，就造成了空間域上的寬度增加。正因?yàn)?50ns脈寬的激光盲區(qū)較大，在實(shí)驗(yàn)中覆蓋了機(jī)械連接點(diǎn)的反射峰的起點(diǎn)，因此無法用250ns脈寬的光源測(cè)得機(jī)械連接*的位置。km2。6圖6脈寬10ns與250ns所得曲線對(duì)比圖3 .光纖長(zhǎng)度測(cè)量使用兩種脈寬進(jìn)行測(cè)最，量取零點(diǎn)至出射端菲涅爾反射峰的起點(diǎn)的距離作為光纖總長(zhǎng)度,兩種脈寬都有如下結(jié)果：纖長(zhǎng)L=5.0119(km)本次試驗(yàn)中，時(shí)于纖長(zhǎng)的測(cè)最，不同脈寬

6、的脈沖應(yīng)該沒有影響。因?yàn)闇y(cè)量的是零點(diǎn)到出端非涅爾反射峰的起點(diǎn)的距離，脈寬不影響儀器零點(diǎn)設(shè)置，并且木實(shí)驗(yàn)中出端非涅爾反射沒有處在別的時(shí)間造成的盲區(qū)里，因此不會(huì)有影響。4 .光纖全程損耗標(biāo)準(zhǔn)偏差:(5-a)2=0.011a0.01(dB/km)光纖全程損耗不應(yīng)包括輸入端和光纖末端反射造成的損耗，所以應(yīng)該在輸入端菲涅爾反射峰以后，到末端菲涅爾反射峰的起點(diǎn)為測(cè)量范圍C如前所述，250ns脈寬的激光會(huì)導(dǎo)致機(jī)械連接處處在輸入端的盲區(qū)里，故只選用10ns的進(jìn)行測(cè)量。表格1光纖全程損耗記錄表脈寬A點(diǎn)/kmB點(diǎn)/km光纖長(zhǎng)度/km損耗/dB損耗系數(shù)。/dB/km0.02355.01194.98841.4120.

7、28310ns0.02805.01194.98391.3380.2680.03095.01194.980913000.261測(cè)得的光纖全程損耗系數(shù)為：a=:2乙%=0.271(dB/km)故全程損耗系數(shù)為：a=(0.27±0.01)dB/kin3/6全程損耗系數(shù)測(cè)最誤差主要來源于對(duì)入射段菲涅爾反射峰的結(jié)束點(diǎn)判斷的不準(zhǔn)確。從圖中可以知道，與反射峰起點(diǎn)不同，反射峰終點(diǎn)附近，曲線斜率逐漸趨于衰減系數(shù)，難以正確選擇測(cè)量起點(diǎn)。5 .光纖分段損耗系數(shù)測(cè)量避開3處反射峰進(jìn)行測(cè)量，選取2km左右光纖，記錄損耗與損耗系數(shù)如表格2表格2分段損耗系數(shù)測(cè)量表脈寬光纖長(zhǎng)度/km損耗/dB損耗系數(shù)a/dB/km

8、1.988803880.19510ns1.988803790.1911.98880.3820.1921.988803940.198250ns1.98880.4090.2061.98880.4080.205對(duì)于脈寬為10ns部分分段測(cè)得管線的損耗系數(shù)為：3©ons=093(dB/km)i=l對(duì)于脈寬為250ns部分分段測(cè)得管線的損耗系數(shù)為：31250ns=gW0，=0.203(dB/km)標(biāo)準(zhǔn)偏差:10ns)2=0.002(dB/km)標(biāo)準(zhǔn)偏差:?_5(Q一”2504)2i=l=0.004(dB/km)故損耗系數(shù)為：a10rts=(0.193±0.002)dB/kin故損耗系

9、數(shù)為：a250M=(0203±0.004)dB/kin從前面的測(cè)最結(jié)果可知，被測(cè)光纖除了一處機(jī)械連接以外沒有其他的非損耗衰減或增益,因此避開反射峰進(jìn)行測(cè)量即測(cè)量光纖無故障時(shí)候的工作特性。如上表2測(cè)量結(jié)果所示，脈寬為10nsb250ns下測(cè)得的損耗系數(shù)均約為0.2(dB/km),與實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)相符合。理論上，不同脈寬卜.測(cè)得的損耗系數(shù)應(yīng)該是相同的，而這次試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果不完全一致，這是測(cè)量誤差造成的°測(cè)量誤差有兩部分：(1)儀器本身的誤差，這是實(shí)驗(yàn)的固有誤差。里而包括激光源功率的波動(dòng)，光功率計(jì)響應(yīng)的誤差，以及平均次數(shù)的限制。(2)取樣誤差。實(shí)驗(yàn)中光纖段的選取是靠人手進(jìn)行操作

10、選取，然后直接從機(jī)器讀數(shù)得到的，取樣數(shù)量不足、取樣沒有代表性等，都會(huì)引出一定的誤差。6 .光纖連接處的損耗從10ns的曲線中取連接處反射峰的兩端進(jìn)行測(cè)最，得卜.表：4/6表格3連接點(diǎn)損耗記錄表A點(diǎn)/kmB點(diǎn)/kmA,B間距/km損耗/dB0.03130.05440.02310.191由于取點(diǎn)的間距較小，可以直接以A,B點(diǎn)間的損耗代表連接處的損耗，即連接處損耗為0,191(dB)。若要考慮A,B點(diǎn)間瑞利散射帶來的損耗，則連接處實(shí)際損耗為0.191-0.0231*0.193=0.186(dB)4、 思考題1 .菲涅爾反射光弓瑞利散射的差異及產(chǎn)生的機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)中如何區(qū)分這兩種效應(yīng)？瑞利散射是當(dāng)光線在

11、光纖中傳播時(shí)，由于光纖中存在分子級(jí)別大小的結(jié)構(gòu)上的不均勻，光線的一部分能量會(huì)被改變其原有的傳播方向而向四周散射的現(xiàn)象。菲涅爾反射是指光在介質(zhì)傳播過程中，遇到折射率不同的介質(zhì)面時(shí)產(chǎn)生的一種反射現(xiàn)象,其反射強(qiáng)度與兩種媒質(zhì)的相對(duì)折射率的平方成正比。由于OTDR接收到的信號(hào)是與輸入反向的光，激光在傳輸過程中不斷衰減，發(fā)生瑞利故射往反方向傳播的光也會(huì)逐步減少，因此OTDR接收到的信號(hào)應(yīng)為一條斜率為負(fù)數(shù)的曲線，又因?yàn)楣饫w基本上是均勻的，得到的往往就是一條斜率為負(fù)數(shù)的直線。而對(duì)于菲涅爾反射，反射回來的光遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瑞利散射回來的光，因此在曲線上表現(xiàn)為一個(gè)凸起的峰。通過兩者的形狀可以判斷區(qū)分兩種效應(yīng)。2 .光時(shí)域

12、反射儀的工作原理，說明主要部件的作用。光時(shí)域反射儀匚作原理圖如圖T所示。激光器向光纖發(fā)出激光脈沖，激光脈沖在光纖內(nèi)由于瑞利散射效應(yīng)與菲涅爾反射效應(yīng)形成反向的光信片,光功率探測(cè)器通過檢測(cè)放大接收反射回來的光信號(hào)。再按照儀器內(nèi)置時(shí)鐘對(duì)信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，并將功率關(guān)于時(shí)間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為關(guān)于空間的關(guān)系。再通過對(duì)信號(hào)變化的分析，可以對(duì)光纖工作參數(shù)進(jìn)行測(cè)最，時(shí)光纖內(nèi)的故障進(jìn)行定位。主要部件為：激光源：用于產(chǎn)生測(cè)試用的激光脈沖。透鏡組；使激光匯聚進(jìn)入光纖，以及接受光纖返回的光并匯聚進(jìn)入探測(cè)器。分光盒：對(duì)進(jìn)入光纖的光透射，對(duì)光纖返回的光信號(hào)反射，目的是用來空間上分離入射光與反射光便于接收光功率計(jì)：包括探測(cè)與放大光纖返

13、回的光信號(hào)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：將時(shí)域轉(zhuǎn)換為空間域內(nèi)置時(shí)鐘：用于對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行定時(shí)3 .分析參數(shù)設(shè)定更變對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，有哪些參數(shù)是比較關(guān)鍵的？實(shí)驗(yàn)中可以設(shè)置的參數(shù)有測(cè)量距離，脈沖寬度，脈沖波長(zhǎng)，折射率，散射率。測(cè)最距離設(shè)置過小會(huì)導(dǎo)致不能完全測(cè)量整段光纖，設(shè)置太長(zhǎng)會(huì)使儀器分辨率降低；脈沖寬度則影響脈沖能量和盲區(qū)大小，脈沖寬度越大，動(dòng)態(tài)范圍越大，同時(shí)盲區(qū)也越大。調(diào)小脈沖可以提高分辨率，但測(cè)量范圍會(huì)減?。好}沖波長(zhǎng)，折射率，散射率三者是配套設(shè)置的，應(yīng)該根據(jù)光線實(shí)際用途進(jìn)行設(shè)置。4 .實(shí)驗(yàn)中用兩種脈寬測(cè)得的結(jié)果有何差異？對(duì)此你有何感想？實(shí)驗(yàn)中，在測(cè)量光纖長(zhǎng)度，分段損耗系數(shù)時(shí)，兩者并沒有什么區(qū)別。但在定位機(jī)械連接處時(shí)，由于250ns脈寬的脈沖盲區(qū)較大，入射端耦合產(chǎn)生菲涅爾反射峰覆蓋了機(jī)械連接產(chǎn)生5/6的反射峰。這反映了脈沖寬度越大，盲區(qū)越大，分辨率越低。實(shí)際使用中，應(yīng)該根據(jù)對(duì)纖長(zhǎng)的大約估算選擇合適的脈沖寬度，避免出現(xiàn)脈沖能量過低,不能測(cè)完整段光纖或者脈沖寬度太大，精度太低，使故障被陷藏了的情況。5 .實(shí)驗(yàn)中有可能引起誤差的因素仃哪些？應(yīng)該如何避免？實(shí)驗(yàn)中的誤差有：儀器固有誤差，實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇不當(dāng)引起的誤差，曲線取樣分析的誤差等。減少儀器固有誤差可以對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，做好儀器維護(hù)，測(cè)量時(shí)注意光纖接頭的潔凈等。實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇則應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)量對(duì)象，測(cè)量目的進(jìn)行設(shè)置。曲線分析的誤差應(yīng)先增加儀器測(cè)試