光时域反射（OTDR）实验 中国计量学院光学与电子科技学院 制作人：余向东
实验的意义 OTDR可以看作光纤雷达，工作原理与无线电雷达类似。OTDR向光纤中发射探测光，接收光纤中的后向光信号，从光纤的一端非破坏性地迅速探测光纤、光缆的特性，能显示光纤沿线损耗分布特性曲线，能测试光纤的长度、断点位置、接头位置及光纤的衰减系数和链路损耗、接头损耗、弯曲损耗、反射损耗等，应用于光纤通信系统研制、生产、施工、监控、维修等各个环节，如光缆生产过程中每道工序的光纤检测、光纤接续时实时监测和接头损耗测量、光缆线路自动监控、光纤故障探测和定位等等，是光纤通信中必不可少的测试仪器。
1.实验目的 了解光时域反射计（OTDR）的工作原理，掌握使用光时域反射计（OTDR）测量光纤的长度、衰减系数、两点间损耗、接头损耗等参数。
2.实验原理 基本原理及概念 光在光纤传输中的瑞利散射现象 光纤长度的测量 光在光纤传输中的损耗 光时域反射仪工作原理
基本原理及概念 光在光纤中传输时，由于光纤密度、光纤掺杂不均匀等因素在光纤每一处都会产生瑞利散射现象。其中一部分向后传输的瑞利后向散射光可沿光纤传回到光入射端。 返回的瑞利后向散射光功率为： Psb=(1/2)P0Sαs(C/n)We(-2βL) …………… (1) 式中：P0为入射光的峰值功率，W为光脉冲宽度，C为真空中光速，n为光纤群折射率，αs为瑞利散射因子，S为后向散射系数，β为光纤衰耗常数，L为光纤其散射点距离入射端的长度。 对于均匀的光纤，后向散射光随光纤长度呈指数衰减函数关系，对数变换后用dB数表示即随光纤长度呈线性下降关系。沿光纤的散射曲线反映了光纤的损耗特性。
基本原理及概念 光纤长度由发射脉冲与返回光信号的时间间隔以及光纤中的光速计算得到。光纤长度计算公式为： L＝(C／n)×Δt/2 ……………… (2) 式中：C为真空中光速，n为光纤群折射率，C／n即是光纤中的光速；Δt为发射脉冲与返回光信号的时间间隔；光传输经过往返双程，故计算光纤长度时乘以系数1/2。
基本原理及概念 光纤损耗特性取决于光纤各点返回信号与初始返回信号光功率的比值。 光纤两点间损耗α12(dB)由下面公式得到： α12＝5lg(P1/P2)=5(lgP1-lgP2)…… (3) 式中：P1为光纤上第一点返回功率值；P2为 光纤上第二点返回功率值。 光纤两点间衰耗常数β由下式得到： β＝α12/L12 …………………… (4) 式中：L12为光纤上两点间距离。
光时域反射仪工作原理 OTDR的原理框图如图1所示。OTDR由脉冲光源、光定向耦合器、光接收单元(O/E)、放大器、A/D变换、加法器、定时器、精密延时器、微处理器、显示器、3.5英寸软驱、热敏打印机、键盘和旋轮、GPIB接口、开关电源等部分组成。 图1 OTDR 电原理框图
光时域反射仪工作原理 OTDR中微处理器根据程序来控制定时器发出同步脉冲，触发脉冲信号经驱动器形成电流脉冲去驱动LD发出脉冲光。LD输出光经过光定向耦合器注入被测光纤，光纤中返回的菲涅尔反射和后向散射光再经过光定向耦合器进入光接收端，由APD光电管变换为电信号，经过前置放大器、程控放大器、滤波器进行模拟信号处理，便得到可显示光纤信号曲线的模拟信号。由于信号很弱，混叠了大量噪声，曲线模糊。因此，OTDR将信号经A/D变换为数字信号后进一步处理。OTDR定时器控制按一定距离间隔取样变换，数据暂存到RAM，同时采样顺序记录了时间信息。经过多次测量，控制每一距离点的对应数据经加法器叠加求平均值以降低噪声。之后微处理器进行对数变换和计算处理得到测试结果，在屏幕上显示出测试波形和数据，还可将测试结果打印输出或存盘保留。
OTDR测试的典型信号曲线如图2所示。图中横轴为时间轴，对应于光纤距离，纵轴表示光信号强度的对数值。 光时域反射仪工作原理 OTDR测试的典型信号曲线如图2所示。图中横轴为时间轴，对应于光纤距离，纵轴表示光信号强度的对数值。 dB 后向散射 菲涅尔反射 始端 熔接点 活接头 未端 被测光纤链 km 图2 OTDR测试的典型信号曲线 噪声
3.实验仪器
4.实验内容 1、仔细阅读仪器说明书，了解仪器的正确操作方法及注意事项。 2、本实验的测试对象是四盘用光纤连接器互接的光纤，其总长度为10km左右，请用OTDR测出四盘光纤的长度、平均损耗，三个光纤连接器的连接损耗、反射损耗。请记录实验图形及数据。测试条件选择为：量程16km、脉宽80ns、波长1310nm SM、衰减值10dB、光纤折射率1.47200、算法TPA-LSA。
1、不同的脉宽选择对测量结果有何影响？为什么？ 2、为什么要选择合适的光纤折射率？ 3、在光纤活接头或光纤端面为什么会出现菲涅尔反射？ 5.思考练习 1、不同的脉宽选择对测量结果有何影响？为什么？ 2、为什么要选择合适的光纤折射率？ 3、在光纤活接头或光纤端面为什么会出现菲涅尔反射？