光時域反射儀試驗

1、圖1OTDR工作原理圖光時域反射儀(OTDR)實驗摘要：簡述光時域反射儀的工作原理，使用光時域反射儀對未知光纖進行測量，分析圖像.獲得其基本工作參數(shù)，并進一步探窕光時域反射儀參數(shù)對實驗結(jié)果的影響。1、 光時域反射儀工作原理光時域反射儀(opticaltime-domainreflectometer;OTDR)是一種通過對測量曲線的分析，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，通過測后分析這些后向散射光的功

2、率，可以得到沿光纖長度分布的衰減曲線。其中瑞利散射是當(dāng)光線在光纖中傳播時，由于光纖中存在分子級別大小的結(jié)構(gòu)上的不均勻，光線的一部分能展會被改變其原有的傳播方向而向四周散射的現(xiàn)象。其強度與波長的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、 實驗用具CMA4000i型OTDR、光纖連接器、適配器、光纖/光纜等。3、 實驗記錄與數(shù)據(jù)分析1 .熟悉儀器閱讀說明書，接入光纖，熟悉儀器。啟用自動測量，儀器自動選擇脈寬250ns的激光源，并設(shè)置測量距離為16km,中速測量，得出曲線為OTDR進行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,可見辨認出為部分重疊的兩峰。其余部分為一直線，可初步斷定被測光纖只存在一個機械連接事件。2 .使用兩種脈沖寬度對光纖事件進行測量使用脈寬為10ns的脈沖,測最長度設(shè)為8km/1.0m,所得曲線如圖3所示：1/6102)圖3脈寬10ns下OTDR測量曲線如圖3中A,B,C所示,測量曲線有3個峰值，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機械連接進行定位，如圖4：可

4、從儀器讀書得光纖機械連接位于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的測量曲線相仿。均有A,B,C三個反射峰，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探測到的信號均比10ns脈寬2/6卜的要強。這是因為脈寬增大了，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，脈沖起始點和終結(jié)點之間時間間隔增大,通過OTDR的探測便轉(zhuǎn)化為空間域上的寬度增加；(2)OTDR專門用于

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

6、的脈沖應(yīng)該沒有影響。因為測量的是零點到出端非涅爾反射峰的起點的距離，脈寬不影響儀器零點設(shè)置，并且木實驗中出端非涅爾反射沒有處在別的時間造成的盲區(qū)里，因此不會有影響。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為測量范圍C如前所述，250ns脈寬的激光會導(dǎo)致機械連接處處在輸入端的盲區(qū)里，故只選用10ns的進行測量。表格1光纖全程損耗記錄表脈寬A點/kmB點/km光纖長度/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)測最誤差主要來源于對入射段菲涅爾反射峰的結(jié)束點判斷的不準(zhǔn)確。從圖中可以知道，與反射峰起點不同，反射峰終點附近，曲線斜率逐漸趨于衰減系數(shù)，難以正確選擇測量起點。5 .光纖分段損耗系數(shù)測量避開3處反射峰進行測量，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)測量表脈寬光纖長度/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對于脈寬為10ns部分分段測得管線的損耗系數(shù)為：3©ons=093(dB/km)i=l對于脈寬為250ns部分分段測得管線的損耗系數(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從前面的測最結(jié)果可知，被測光纖除了一處機械連接以外沒有其他的非損耗衰減或增益,因此避開反射峰進行測量即測量光纖無故障時候的工作特性。如上表2測量結(jié)果所示，脈寬為10nsb250ns下測得的損耗系數(shù)均約為0.2(dB/km),與實驗室提供的數(shù)據(jù)相符合。理論上，不同脈寬卜.測得的損耗系數(shù)應(yīng)該是相同的，而這次試驗測得的結(jié)果不完全一致，這是測量誤差造成的°測量誤差有兩部分：(1)儀器本身的誤差，這是實驗的固有誤差。里而包括激光源功率的波動，光功率計響應(yīng)的誤差，以及平均次數(shù)的限制。(2)取樣誤差。實驗中光纖段的選取是靠人手進行操作

10、選取，然后直接從機器讀數(shù)得到的，取樣數(shù)量不足、取樣沒有代表性等，都會引出一定的誤差。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行測最，得卜.表：4/6表格3連接點損耗記錄表A點/kmB點/kmA,B間距/km損耗/dB0.03130.05440.02310.191由于取點的間距較小，可以直接以A,B點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點間瑞利散射帶來的損耗，則連接處實際損耗為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)生的機理，在實驗中如何區(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，由于光纖中存在分子級別大小的結(jié)構(gòu)上的不均勻，光線的一部分能量會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)面時產(chǎn)生的一種反射現(xiàn)象,其反射強度與兩種媒質(zhì)的相對折射率的平方成正比。由于OTDR接收到的信號是與輸入反向的光，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逐步減少，因此OTDR接收到的信號應(yīng)為一條斜率為負數(shù)的曲線，又因為光纖基本上是均勻的，得到的往往就是一條斜率為負數(shù)的直線。而對于菲涅爾反射，反射回來的光遠遠大于瑞利散射回來的光，因此在曲線上表現(xiàn)為一個凸起的峰。通過兩者的形狀可以判斷區(qū)分兩種效應(yīng)。2 .光時域

12、反射儀的工作原理，說明主要部件的作用。光時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,光功率探測器通過檢測放大接收反射回來的光信號。再按照儀器內(nèi)置時鐘對信號進行定時，并將功率關(guān)于時間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為關(guān)于空間的關(guān)系。再通過對信號變化的分析，可以對光纖工作參數(shù)進行測最，時光纖內(nèi)的故障進行定位。主要部件為：激光源：用于產(chǎn)生測試用的激光脈沖。透鏡組；使激光匯聚進入光纖，以及接受光纖返回的光并匯聚進入探測器。分光盒：對進入光纖的光透射，對光纖返回的光信號反射，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：包括探測與放大光纖返

13、回的光信號數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：將時域轉(zhuǎn)換為空間域內(nèi)置時鐘：用于對接收到的信號進行定時3 .分析參數(shù)設(shè)定更變對測量結(jié)果的影響，有哪些參數(shù)是比較關(guān)鍵的？實驗中可以設(shè)置的參數(shù)有測量距離，脈沖寬度，脈沖波長，折射率，散射率。測最距離設(shè)置過小會導(dǎo)致不能完全測量整段光纖，設(shè)置太長會使儀器分辨率降低；脈沖寬度則影響脈沖能量和盲區(qū)大小，脈沖寬度越大，動態(tài)范圍越大，同時盲區(qū)也越大。調(diào)小脈沖可以提高分辨率，但測量范圍會減?。好}沖波長，折射率，散射率三者是配套設(shè)置的，應(yīng)該根據(jù)光線實際用途進行設(shè)置。4 .實驗中用兩種脈寬測得的結(jié)果有何差異？對此你有何感想？實驗中，在測量光纖長度，分段損耗系數(shù)時，兩者并沒有什么區(qū)別。但在定位機械連接處時，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。實際使用中，應(yīng)該根據(jù)對纖長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 .實驗中有可能引起誤差的因素仃哪些？應(yīng)該如何避免？實驗中的誤差有：儀器固有誤差，實驗參數(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儀器進行校準(zhǔn)，做好儀器維護，測量時注意光纖接頭的潔凈等。實驗參數(shù)選擇則應(yīng)根據(jù)實際測量對象，測量目的進行設(shè)置。曲線分析的誤差應(yīng)先增加儀器測試