[普及知识]光时域反射仪（OTDR）

1.基本概念

OTDR的英文全称是Optical Time Domain Reflectometer，即光时域反射仪。OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅耳反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。

瑞利散射是光纤材料的固有特性，当窄的光脉冲注入光纤后沿着光纤向前传播时，所到之处将发生瑞利散射。

瑞利散射光向各个方向散射，其中一部分的方向与入射方向相反，沿着光纤返回到入射端，这部分散射光称为背向散射光，如图2.17所示。

图2.17 瑞利散射和背向散射光

另外，当光脉冲遇到裂纹或其他缺陷时，也有一部分光因反射而返回到入射端，而且反射信号比散射信号强得多。这种现象称为菲涅耳反射，如图2.18所示。

这些返回到入射端的光信号中包含有损耗信息，经过适当的耦合、探测和处理，就可以分析到光脉冲所到之处的光纤损耗特性。

图2.18 菲涅耳反射

2.OTDR的结构

OTDR仪表主要是由脉冲发生器、光源、光定向耦合器、光纤连接器、光电检测器、放大器、信号处理器、内部主时钟和显示器等几部分组成，如图2.19所示。

图2.19 OTDR结构图

（1）由图2.19可知，脉冲发生器的功能是产生所需要的规则的电脉冲信号。

（2）光源的功能是将电信号转换成光信号，即将脉冲发生器产生的电脉冲转换为光脉冲进行测试使用。

（3）光定向耦合器的功能是使光按照规定的特定方向输出/输入。

（4）光纤连接器的功能是将OTDR仪表与被测光纤相连接。

（5）光电检测器的功能是将光信号转换成电信号，即将经光定向耦合器传来的背向散射光转换成电信号。

（6）放大器的作用是将光电检测器转换的微弱电信号进行放大，以便处理。

（7）信号处理器的作用是对由背向散射光转换的含有光纤特性的电信号进行平均化处理。

（8）显示器的功能是将处理后的结果显示出来。

（9）内部主时钟的作用：一方面是为脉冲产生器提供时钟，使其有频率地产生电脉冲信号；另一方面是为信号处理器提供工作频率，使其处理频率与脉冲频率保持同步。

3.OTDR工作原理

OTDR工作过程：机器内的脉冲发生器产生脉冲，驱动半导体激光器发出光脉冲，入射到被测光纤中，将返回来的光信号利用光定向耦合器分离取出后，在光接收装置中（光电检测器）变成电信号，经过放大和平均处理馈送到显示器，对波形进行显示。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质，连接器结合点，弯曲或其他类似的事件而产生散射、反射，其中一部分的散射和反射就会返回到 OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。首先测量从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在光纤中的速度，就可以计算出距离，即

d=（c×t）/2（IOR）

式中 c——光在真空中的速度；

t——信号发射后到接收到信号（双程）的总时间（两值相乘除以2后就是单程的距离）；

IOR——折射率。

因为光在光纤中要比在真空中的速度慢，所以为了精确地测量距离，被测的光纤必须要指明折射率（IOR）。IOR是由光纤生产厂家来标明。

OTDR的工作原理就类似于一个雷达。它先对光纤发出一个信号，然后观察从某一点上返回来的是什么信息。这个过程会重复地进行，然后将这些结果进行平均并以轨迹的形式来显示，这个轨迹就描绘了在整段光纤内信号的强弱（或光纤的状态），这条轨迹称为背向散射信号曲线。

OTDR使用瑞利散射和菲涅耳反射来表征光纤的特性。OTDR测量回到OTDR端口的一部分散射光，这些背向散射信号表明了由光纤而导致的衰减（损耗/距离）程度，形成的轨迹是一条向下的曲线，它说明了背向散射的功率不断减小，这是由于经过一段距离的传输后发射和背向散射的信号都是有所损耗的。菲涅耳反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点而引起的，这些点是由造成反向系数改变的因素组成，如玻璃与空气的间隙。在这些点上，会有很强的背向散射光被反射回来。因此，OTDR就是利用菲涅耳反射的信息来定位连接点、光纤终端或断点。