OTDR曲線原理分析（細節舉例，簡單理解）
???????? OTDR將激光光源和檢測器組合在一起以提供光纖鏈路的內視圖。激光光源發送信號到光纖中，檢測器接收從鏈路的不同元素反射的光。激光光源發送信號到光纖中，檢測器在光纖中接收從鏈路的不同元素反射的光。發送的信號是一個短脈沖，其攜帶有一定數量的能量。然后，時鐘精確計算出脈沖傳播的時間，然后將時間轉換為距離，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，發送第二個脈沖-直到取樣時間結束。因此，會立刻執行多次取樣并平均化以提供鏈路元件的清晰特性圖。取樣結束后，執行信號處理，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量或查找網絡故障
????? ?? 反射是關鍵
? 如前文所述，OTDR通過讀取從所發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：光纖產生的連續低級別光稱為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。該現象來源于光纖內部雜質固有的反射和吸收。當光照射到雜質上時，一些雜質顆粒將光重定向到不同的方向，同時產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。圖2說明了Rayleigh背向散射。
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。圖3說明了產生Fresnel反射的不同連接。
什么是盲區？
Fresnel反射引出一個重要的OTDR規格，即盲區。有兩類盲區：事件和衰減。兩種盲區都由Fresnel反射產生，用隨反射功率的不同而變化的距離（米）來表示。盲區定義為持續時間，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，導致的盲區越長。絕大多數制造商以最短的可用脈沖寬度以及單模光纖-45dB、多模光纖-35dB反射來指定盲區。為此，閱讀規格表的腳注很重要，因為制造商使用不同的測試條件測量盲區，尤其要注意脈沖寬度和反射值。例如，單模光纖-55dB反射提供的盲區規格比使用-45dB得到的盲區更短，僅僅因為-55dB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。
事件盲區
事件盲區是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，您會發現路上有物體，但您不能正確識別它。轉過頭來說OTDR，可以檢測到連續事件，但不能測量出損耗（如圖4所示）。OTDR合并連續事件，并對所有合并的事件返回一個全局反射和損耗。為了建立規格，最通用的業界方法是測量反射峰的每一側-1.5dB處之間的距離（見圖5）。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-1.5dB處的距離。該方法返回一個更長的盲區，制造商較少使用。
使得OTDR的事件盲區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，在建筑物網絡中的測試要求OTDR的事件盲區很短，因為連接各種數據中心的光纖跳線非常短。如果盲區過長，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
衰減盲區是Fresnel反射之后，OTDR能在其中精確測量連續事件損耗的最小距離。還使用以上例子，經過較長時間后，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。如圖6所示，檢測器有足夠的時間恢復，以使得其能夠檢測和測量連續事件損耗。所需的最小距離是從發生反射事件時開始，直到反射降低到光纖的背向散射級別的0.5dB，如圖7所示。
盲區的重要性
短衰減盲區使得OTDR不僅可以檢測連續事件，還能夠返回相距很近的事件損耗。例如，現在就可以得知網絡內短光纖跳線的損耗，這可以幫助技術人員清楚了解鏈路內的情況。
盲區也受其他因素影響：脈沖寬度。規格使用最短脈沖寬度是為了提供最短盲區。但是，盲區并不總是長度相同，隨著脈沖變寬，盲區也會拉伸。使用最長的可能的脈沖寬帶會導致特別長的盲區，然而這有不同的用途，下文會提到。
動態范圍
動態范圍是一個重要的OTDR參數。此參數揭示了從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，在一個較長時段內進行平均并使用適當的距離范圍是增加最大可測量距離的關鍵。大多數動態范圍規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，仔細閱讀規格腳注標注的詳細測試條件非常重要。
憑經驗，我們建議選擇動態范圍比可能遇到的最大損耗高5到8dB的OTDR。例如，使用動態范圍是35dB的單模OTDR就可以滿足動態范圍在30dB左右的需要。假定在1550nm上的典型光纖典型衰減為0.20dB/km，在每2公里處熔接（每次熔接損耗0.1dB），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范圍。請記住，網絡中損耗越多，需要的動態范圍越大。請注意，在20μ指定的大動態范圍并不能確保在短脈沖時動態范圍也這么大，過度的軌跡過濾可能人為夸大所有脈沖的動態范圍，導致不良故障查找解決方案（在即將發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。圖8說明了作為時間函數的脈沖寬度。
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，盲區會隨著脈沖寬度的增加而變大。幸運的是，市場上絕大多數OTDR都有”自動”模式，可以為被測光纖選擇適當的脈沖寬度。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、長盲區和高功率則用于到達遠程網絡或高損耗網絡中更遠的距離。
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采樣點之間的最小距離”。此參數很重要，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。圖9a和9b說明高分辨率在故障查找中所起的作用。
結論
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。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問題。OTDR具有復雜的規格，絕大多數都是折衷的結果。深入了解這些參數以及如何去驗證這些參數可以幫助購買者作出滿足其需求的正確選擇，最大化生產率和成本效益。
我們的下一篇OTDR文章會討論其他一些重要參數，比如測量范圍、線性以及如何測量和比較動態范圍；還將深入探討宏彎問題以及OTDR的各種局限性。
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| 圖 1. OTDR 框圖? |
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| ?圖 2. Rayleigh 背向散射 |
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| 圖 3. 由 (1) 機械接頭、(2) 光纖適配器和 (3)打開的連接產生的 Fresnel 反射? |
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| 圖 4. 合并長盲區事件? |
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| 圖 5. 測量事件盲區? |
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| ?圖 6. 衰減盲區 |
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| ?圖 7. 測量衰減盲區 |
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| 圖 8. 短脈沖與長脈沖? |
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| ??????????? a)???????????????????????????????????????????????????????????????b)
????圖 9：分辨率與故障查找效率：(a) 5 米分辨率（較高分辨率）。(b)15 米分辨率（較低分辨率）。 |
反射是關鍵
如前文所述，OTDR通過讀取從所發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：光纖產生的連續低級別光稱為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。該現象來源于光纖內部雜質固有的反射和吸收。當光照射到雜質上時，一些雜質顆粒將光重定向到不同的方向，同時產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。圖2說明了Rayleigh背向散射。
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。圖3說明了產生Fresnel反射的不同連接。
什么是盲區？
Fresnel反射引出一個重要的OTDR規格，即盲區。有兩類盲區：事件和衰減。兩種盲區都由Fresnel反射產生，用隨反射功率的不同而變化的距離（米）來表示。盲區定義為持續時間，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，導致的盲區越長。絕大多數制造商以最短的可用脈沖寬度以及單模光纖-45dB、多模光纖-35dB反射來指定盲區。為此，閱讀規格表的腳注很重要，因為制造商使用不同的測試條件測量盲區，尤其要注意脈沖寬度和反射值。例如，單模光纖-55dB反射提供的盲區規格比使用-45dB得到的盲區更短，僅僅因為-55dB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。
事件盲區
事件盲區是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，您會發現路上有物體，但您不能正確識別它。轉過頭來說OTDR，可以檢測到連續事件，但不能測量出損耗（如圖4所示）。OTDR合并連續事件，并對所有合并的事件返回一個全局反射和損耗。為了建立規格，最通用的業界方法是測量反射峰的每一側-1.5dB處之間的距離（見圖5）。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-1.5dB處的距離。該方法返回一個更長的盲區，制造商較少使用。
使得OTDR的事件盲區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，在建筑物網絡中的測試要求OTDR的事件盲區很短，因為連接各種數據中心的光纖跳線非常短。如果盲區過長，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
衰減盲區是Fresnel反射之后，OTDR能在其中精確測量連續事件損耗的最小距離。還使用以上例子，經過較長時間后，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。如圖6所示，檢測器有足夠的時間恢復，以使得其能夠檢測和測量連續事件損耗。所需的最小距離是從發生反射事件時開始，直到反射降低到光纖的背向散射級別的0.5dB，如圖7所示。
盲區的重要性
短衰減盲區使得OTDR不僅可以檢測連續事件，還能夠返回相距很近的事件損耗。例如，現在就可以得知網絡內短光纖跳線的損耗，這可以幫助技術人員清楚了解鏈路內的情況。
盲區也受其他因素影響：脈沖寬度。規格使用最短脈沖寬度是為了提供最短盲區。但是，盲區并不總是長度相同，隨著脈沖變寬，盲區也會拉伸。使用最長的可能的脈沖寬帶會導致特別長的盲區，然而這有不同的用途，下文會提到。
動態范圍
動態范圍是一個重要的OTDR參數。此參數揭示了從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，在一個較長時段內進行平均并使用適當的距離范圍是增加最大可測量距離的關鍵。大多數動態范圍規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，仔細閱讀規格腳注標注的詳細測試條件非常重要。
憑經驗，我們建議選擇動態范圍比可能遇到的最大損耗高5到8dB的OTDR。例如，使用動態范圍是35dB的單模OTDR就可以滿足動態范圍在30dB左右的需要。假定在1550nm上的典型光纖典型衰減為0.20dB/km，在每2公里處熔接（每次熔接損耗0.1dB），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范圍。請記住，網絡中損耗越多，需要的動態范圍越大。請注意，在20μ指定的大動態范圍并不能確保在短脈沖時動態范圍也這么大，過度的軌跡過濾可能人為夸大所有脈沖的動態范圍，導致不良故障查找解決方案（在即將發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。圖8說明了作為時間函數的脈沖寬度。
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，盲區會隨著脈沖寬度的增加而變大。幸運的是，市場上絕大多數OTDR都有”自動”模式，可以為被測光纖選擇適當的脈沖寬度。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、長盲區和高功率則用于到達遠程網絡或高損耗網絡中更遠的距離。
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采樣點之間的最小距離”。此參數很重要，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。圖9a和9b說明高分辨率在故障查找中所起的作用。
結論
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。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問題。OTDR具有復雜的規格，絕大多數都是折衷的結果。深入了解這些參數以及如何去驗證這些參數可以幫助購買者作出滿足其需求的正確選擇，最大化生產率和成本效益。
我們的下一篇OTDR文章會討論其他一些重要參數，比如測量范圍、線性以及如何測量和比較動態范圍；還將深入探討宏彎問題以及OTDR的各種局限性。
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圖 1. OTDR 框圖? |
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| ?圖 2. Rayleigh 背向散射 |
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圖 3. 由 (1) 機械接頭、(2) 光纖適配器和 (3)打開的連接產生的 Fresnel 反射? |
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| 圖 4. 合并長盲區事件? |
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| 圖 5. 測量事件盲區? |
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| ?圖 6. 衰減盲區 |
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| ?圖 7. 測量衰減盲區 |
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| 圖 8. 短脈沖與長脈沖? |
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| ??????????? a)???????????????????????????????????????????????????????????????b)
???? 圖 9：分辨率與故障查找效率：(a) 5 米分辨率（較高分辨率）。(b)15 米分辨率（較低分辨率）。 |
本文關鍵字:
原創標題：OTDR曲線原理分析（細節舉例，簡單理解）
原文鏈接：http://www.whjsdny.com/archives/otdr-theorem.html
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