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OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射（ Rayleigh ）和菲涅爾（Fresnel ）反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表，它被廣泛應用于光纜線路的維護、施工之中，可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。
工作原理
OTDR(光學時域反射技術)的基本原理是利用分析光纖中后向散射光或前向散射光的方法測量因散射、吸收等原因產(chǎn)生的光纖傳輸損耗和各種結(jié)構缺陷引起的結(jié)構性損耗，當光纖某一點受溫度或應力作用時，該點的散射特性將發(fā)生變化，因此通過顯示損耗與光纖長度的對應關系來檢測外界信號分布于傳感光纖上的擾動信息。
基礎
OTDR 將激光光源和檢測器組合在一起以提供光纖鏈路的內(nèi)視圖。激光光源發(fā)送信號到光纖中，檢測器接收從鏈路的不同元素反射的光。發(fā)送的信號是一個短脈沖，其攜帶有一定數(shù)量的能量。時鐘精確計算出脈沖傳播的時間，然后將時間轉(zhuǎn)換為距離，便可以得知該光纖的屬性。當脈沖沿著光纖傳播時，由于連接和光纖自身的反射，一小部分脈沖能量會返回檢測器。當脈沖完全返回檢測器時，發(fā)送第二個脈沖 — 直到取樣時間結(jié)束。因此，會立刻執(zhí)行多次取樣并平均化以提供鏈路元件的清晰特性圖。取樣結(jié)束后，執(zhí)行信號處理，除了計算總鏈路長度、總鏈路損耗、光回損 (ORL) 和光纖衰減外，還計算每個事件的距離、損耗和反射。使用 OTDR 的主要優(yōu)勢在于單端測試，只需要一位操作人員和一臺儀器來鑒定鏈路質(zhì)量或查找網(wǎng)絡故障。
反射是關鍵
OTDR 通過讀取從所發(fā)送脈沖返回的光級別以顯示鏈路情況。請注意，有兩種類型的反射光：光纖產(chǎn)生的連續(xù)低級別光稱為 Rayleigh 背向散射，連接點處的高反射峰值稱為 Fresnel 反射。Rayleigh 背向散射用于作為距離的函數(shù)以計算光纖中的衰減級別（單位是 dB/km），在 OTDR 軌跡中顯示為直線斜率。該現(xiàn)象來源于光纖內(nèi)部雜質(zhì)固有的反射和吸收。當光照射到雜質(zhì)上時，一些雜質(zhì)顆粒將光重定向到不同的方向，同時產(chǎn)生了信號衰減和背向散射。波長越長，衰減越少，因此，在標準光纖上傳輸相同距離所需的功率越小。
OTDR 使用的第二種反射（Fresnel 反射）可檢測鏈路沿線的物理事件。當光到達折射率突變的位置（比如從玻璃到空氣）時，很大一部分光被反射回去，產(chǎn)生 Fresnel 反射，它可能比 Rayleigh 背向散射強上千倍。Fresnel 反射可通過 OTDR 軌跡的尖峰來識別。這樣的反射例子有連接器、機械接頭、光纖、光纖斷裂或打開的連接器。
什么是盲區(qū)？
Fresnel 反射引出一個重要的 OTDR 規(guī)格，即盲區(qū)。有兩類盲區(qū)：事件和衰減。兩種盲區(qū)都由 Fresnel 反射產(chǎn)生，用隨反射功率的不同而變化的距離（米）來表示。盲區(qū)定義為持續(xù)時間，在此期間檢測器受高強度反射光影響暫時“失明”，直到它恢復正常能夠重新讀取光信號為止，設想一下，當您夜間駕駛時與迎面而來的車相遇，您的眼睛會短期失明。在 OTDR 領域里，時間轉(zhuǎn)換為距離，因此，反射越多，檢測器恢復正常的時間越長，導致的盲區(qū)越長。絕大多數(shù)制造商以最短的可用脈沖寬度以及單模光纖 -45 dB、多模光纖 -35 dB 反射來指定盲區(qū)。為此，閱讀規(guī)格表的腳注很重要，因為制造商使用不同的測試條件測量盲區(qū)，尤其要注意脈沖寬度和反射值。例如，單模光纖 -55 dB 反射提供的盲區(qū)規(guī)格比使用 -45 dB 得到的盲區(qū)更短，僅僅因為 -55 dB 是更低的反射，檢測器恢復更快。此外，使用不同的方法計算距離也會得到一個比實際值更短的盲區(qū)。
事件盲區(qū)
事件盲區(qū)是 Fresnel 反射后 OTDR 可在其中檢測到另一個事件的最小距離。換而言之，是兩個反射事件之間所需的最小光纖長度。仍然以之前提到的開車為例，當您的眼睛由于對面車的強光刺激睜不開時，過幾秒種后，您會發(fā)現(xiàn)路上有物體，但您不能正確識別它。轉(zhuǎn)過頭來說 OTDR，可以檢測到連續(xù)事件，但不能測量出損耗（如圖 4 所示）。OTDR 合并連續(xù)事件，并對所有合并的事件返回一個全局反射和損耗。為了建立規(guī)格，最通用的業(yè)界方法是測量反射峰的每一側(cè) -1.5 dB 處之間的距離。還可以使用另外一個方法，即測量從事件開始直到反射級別從其峰值下降到 -1.5 dB 處的距離。該方法返回一個更長的盲區(qū)，制造商較少使用。
使得 OTDR 的事件盲區(qū)盡可能短是非常重要的，這樣才可以在鏈路上檢測相距很近的事件。例如，在建筑物網(wǎng)絡中的測試要求 OTDR 的事件盲區(qū)很短，因為連接各種數(shù)據(jù)中心的光纖跳線非常短。如果盲區(qū)過長，一些連接器可能會被漏掉，技術人員無法識別它們，這使得定位潛在問題的工作更加困難。
衰減盲區(qū)
衰減盲區(qū)是 Fresnel 反射之后，OTDR 能在其中精確測量連續(xù)事件損耗的最小距離。還使用以上例子，經(jīng)過較長時間后，您的眼睛充分恢復，能夠識別并分析路上可能的物體的屬性。檢測器有足夠的時間恢復，以使得其能夠檢測和測量連續(xù)事件損耗。所需的最小距離是從發(fā)生反射事件時開始，直到反射降低到光纖的背向散射級別的 0.5 dB.
盲區(qū)的重要性
短衰減盲區(qū)使得 OTDR 不僅可以檢測連續(xù)事件，還能夠返回相距很近的事件損耗。例如，現(xiàn)在就可以得知網(wǎng)絡內(nèi)短光纖跳線的損耗，這可以幫助技術人員清楚了解鏈路內(nèi)的情況。
盲區(qū)也受其他因素影響：脈沖寬度。規(guī)格使用最短脈沖寬度是為了提供最短盲區(qū)。但是，盲區(qū)并不總是長度相同，隨著脈沖變寬，盲區(qū)也會拉伸。使用最長的可能的脈沖寬帶會導致特別長的盲區(qū)，然而這有不同的用途，下文會提到。
動態(tài)范圍
動態(tài)范圍是一個重要的 OTDR 參數(shù)。此參數(shù)揭示了從 OTDR 端口的背向散射級別下降到特定噪聲級別時 OTDR 所能分析的最大光損耗。換句話說，這是最長的脈沖所能到達的最大光纖長度。因此，動態(tài)范圍（單位為 dB）越大，所能到達的距離越長。顯然，最大距離在不同的應用場合是不同的，因為被測鏈路的損耗不同。連接器、熔接和分光器也是降低 OTDR 最大長度的因素。因此，在一個較長時段內(nèi)進行平均并使用適當?shù)木嚯x范圍是增加最大可測量距離的關鍵。大多數(shù)動態(tài)范圍規(guī)格是使用最長脈沖寬度的三分鐘平均值、信噪比 (SNR)=1（均方根 (RMS) 噪聲值的平均級別）而給定。再次請注意，仔細閱讀規(guī)格腳注標注的詳細測試條件非常重要。
憑經(jīng)驗，建議選擇動態(tài)范圍比可能遇到的最大損耗高 5 到 8 dB 的 OTDR。例如，使用動態(tài)范圍是 35 dB 的單模 OTDR 就可以滿足動態(tài)范圍在 30 dB 左右的需要。假定在 1550 nm 上的典型光纖典型衰減為 0.20 dB/km，在每 2 公里處熔接（每次熔接損耗 0.1 dB），這樣的一個設備可以精確測算的距離最多 120 公里。最大距離可以使用光纖衰減除 OTDR 的動態(tài)范圍而計算出近似值。這有助于確定使設備能夠達到光纖末端的動態(tài)范圍。請記住，網(wǎng)絡中損耗越多，需要的動態(tài)范圍越大。請注意，在 20 μ 指定的大動態(tài)范圍并不能確保在短脈沖時動態(tài)范圍也這么大，過度的軌跡過濾可能人為夸大所有脈沖的動態(tài)范圍，導致不良故障查找解決方案（在即將發(fā)表的下一篇文章中將對此進行深入探討）。
脈沖寬度
什么是脈沖寬度？
脈沖寬度實際上是激光器“開啟”的時間。正如我們知道的，時間轉(zhuǎn)換為距離，因此脈沖寬度具有長度值。在 OTDR 中，脈沖攜帶的能量可以產(chǎn)生鑒定鏈路所需的背向散射。由于在鏈路中存在傳播損耗（即，衰減、連機器、熔接等），所以脈沖越短，攜帶的能量越少，傳播的距離就越短。長脈沖攜帶的能量高出很多，可以在非常長的光纖中使用。
如果脈沖太短，在到達光纖末端前便丟失了能量，使背向散射級別變得很低，甚至低于噪聲下限級別而導致信息丟失。這樣會導致無法到達光纖末端。因此，由于返回的光纖距離末端遠短于實際的光纖長度，而無法測量完整鏈路。另一個現(xiàn)象是在接近光纖末端時軌跡中噪聲太多。OTDR 無法再進行信號分析，測量結(jié)果可能出錯。
處理脈沖寬度
當軌跡中噪聲太多，有兩種簡便方法獲得較清潔的軌跡。第一種方法，增加取樣時間，這樣可以極大改善（增加）SNR，同時保持良好的短脈沖分辨率。但是，增加平均時間也有限度，因為這不能無限提高 SNR。如果軌跡還不夠平滑，我們可以使用第二種方法，即使用下一個可用的更高脈沖（更多能量）。但是，請記住，盲區(qū)會隨著脈沖寬度的增加而變大。幸運的是，市場上絕大多數(shù) OTDR 都有“自動”模式，可以為被測光纖選擇適當?shù)拿}沖寬度。當被測光纖長度或損耗未知時，使用該選項會非常方便。
當鑒定網(wǎng)絡或光纖特性時，強制要求為被測鏈路選擇正確脈沖寬度。短脈沖寬度、短盲區(qū)和低功率用于測試事件相距很近的短鏈路，而長脈沖、長盲區(qū)和高功率則用于到達遠程網(wǎng)絡或高損耗網(wǎng)絡中更遠的距離。
采樣分辨率和采樣點
OTDR 定位事件正確距離的能力依賴于不同參數(shù)組合，其中包括采樣分辨率和采樣點。采樣分辨率定義為“儀器所要求的兩個連續(xù)采樣點之間的最小距離”。此參數(shù)很重要，因為它定義了最終的距離精度以及OTDR 故障查找的能力。根據(jù)選擇的脈沖寬度和距離范圍，該值變化范圍可為 4 厘米到幾米。因此，為了保持最佳分辨率，必須在取樣期間取得更多采樣點。
結(jié)論
市場上有很多型號的 OTDR — 從基礎的故障尋找器到高級儀器，可滿足不同的測試和測量需求。要在購買 OTDR 時做出正確的選擇，必須考慮基本參數(shù)。因為如果所選型號不適用于應用，那么僅基于總體性能和價格去選擇設備將會出現(xiàn)問題。OTDR 具有復雜的規(guī)格，絕大多數(shù)都是折衷的結(jié)果。深入了解這些參數(shù)以及如何去驗證這些參數(shù)可以幫助購買者作出滿足其需求的正確選擇，最大化生產(chǎn)率和成本效益。
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