OTDR在公路机电工程光缆线路施工中的应用

周智龙

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃兰州 730030）

0 引言

光时域反射仪一般简称为OTDR。它是以图形曲线的形式将整个中继段或整个链路光纤的质量及故障（损害）点清晰地体现出来。通过观察曲线和OTDR 所列出的事件点，准确快速地找到被测光纤故障点的位置，并判断造成损害的原因。从而为修复故障提供可靠的技术支持。OTDR 最基础的测量是光纤长度和损耗（衰减系数）测试，光纤长度的测量有助于光缆线路工程施工前的精确配盘，避免光纤浪费，损耗（衰减系数）测试可以很好地判断光纤故障点位及光纤本身的整体质量。

1 光时域反射仪

1.1 工作原理

背向瑞利散射和菲涅尔反射是光时域反射仪（OTDR）工作的两个基本理论[1]。OTDR 的激光器打开后，光源向通信光纤中发射光脉冲。光信号在光纤中向前传输的过程中，由于光纤自身折射率，导致部分光信号无法继续向前传播而出现连续的瑞利散射。当光纤链路中接续点或故障点（断裂、弯折等）的折射率产生突变就会引起菲涅尔反射。OTDR 就是通过观察背向瑞利散射和菲涅尔反射光的强度变化，分析判断光纤质量，包括被测光纤的链路长度、接续质量、衰减系数、故障位置等。

1.2 基本术语

1.2.1 非反射事件

非反射事件一般出现在光纤熔接点、断裂点（弯折点）等地方。在光纤链路上，这些点是不连续的，在OTDR 图形曲线上表现为一个骤然向下的台阶，曲线坐标轴纵轴衰减的变化为该事件点的衰减大小。

1.2.2 反射事件

与非反射事件不同，反射事件一般出现在光纤活动连接器或光纤尾部，是一种反射强度比较大的事件点。它的大小由背向散射幅度值的变化量来衡量。

1.2.3 光纤末端

光纤末端有两种情况：一是连接光纤活动连接器的末端，端面一般比较平整，光信号存在少部分菲涅尔反射光，大部分为背向散射信号，并最终淹没在噪声中；二是光纤末端未进行端面处理，端面比较粗糙，且呈不规则状态，光信号在末端会产生漫反射，表现在OTDR 曲线上为不明显的反射峰。OTDR 测试事件类型及显示如图1 所示。不同的连接方式在曲线图上表现出不同的曲线形式。

图1 OTDR 测试事件类型及显示

2 光时域反射仪的应用

2.1 光缆单盘测试

光缆单盘测试在光缆敷设施工前进行，是对运输到施工存放点的光缆原材料进行检验、复测和评价，是对光缆原材料的进场检验。光缆单盘测试的内容有：外观检查、规格数量核对、长度测量、衰减（衰减系数）测量、背向散射曲线观察等。

2.1.1 外观检查

检查光缆盘包装有无破损，线缆有无损坏、压扁等情况，并详细记录质量缺陷。对包装受损、外护层有损伤的单盘光缆，在光缆单盘测试时要重点检测。

2.1.2 规格数量核对

收集并核对每盘光缆的出厂检验报告和合格证书，检查核对光缆的规格、型号及数量。剥开光缆端头，核对光缆的端别和种类，核查是否满足合同及设计文件要求。

2.1.3 长度测量

按照厂家标明的光纤折射率，用光时域反射仪（OTDR）进行检测，要求光缆的出厂长度只允许有正偏差。在光缆单盘测试时，对于出现负偏差的光缆要重点复核。必要时，试放丈量，以得到光缆的实际长度，在光缆配盘敷设时可避免差错。

2.1.4 衰减系数测量

单位长度上的损耗量被称为衰减系数，单位为dB/km。光缆单盘损耗测量主要是测量衰减系数[2]。公式（1）为：

光纤损耗的测量有三种方法，分别为截断法、插入法、背向散射法（OTDR 法）。

（1）截断法是基准测量方法，是以多次测量为基础的带有破坏性的测量方法。沿光纤的长度方向将光纤割断多次，形成多段光纤；对每一段光纤进行测量，最终形成输入（出）光功率与长度的表达公式，从而可计算出光纤损耗（衰减系数）。

（2）插入法又称介入损耗法，是一种非破坏性检测方法。首先，用一段短光纤代替被测光纤，调节光纤连接器，测得最大光功率值；然后，将被测光纤接入测试系统，同时调节光纤连接器，测得光功率计最大示值，从而可计算得出光纤损耗及损耗系数。

（3）背向散射法（OTDR 法）也是一种非破坏性的测量方法，并且可以单端（单向）测量，适用于光缆线路工程施工现场测量，也是这一方法被普遍使用的原因。

2.1.5 背向散射曲线观察

对于光缆线路工程的施工测量，背向散射曲线观察是最关键的光缆单盘测试项目。通过观察曲线可以精确地分析判断出光纤在沿长度方向上的损耗是否均匀，是否有缺陷，光纤是否有轻微的损害等，从而可以判断光纤质量是否满足设计要求。

2.2 光纤长度测量

用光时域反射仪（OTDR）进行光纤长度测量有两种情况，即单盘光缆长度测量和中继段光纤链路长度测量。

2.2.1 单盘光缆长度测量

单盘光缆长度测量是对进场光缆的长度复测和评价，测试的目的是避免在光缆配盘和敷设中存在差错，导致光缆浪费和接续点增加。

2.2.2 中继段光纤链路长度测量

中继段光纤链路长度测量是对两个通信设备或光纤入局点之间传输距离的测量。中继段不是一个定长的距离，中继段一般是指，Rx 与Tx 也就是发送机与接收机之间设的两个点，S 点和R 点，也就是接收机与发送机之间的距离。中继段光纤链路长度测量是光缆线路工程竣工测试必测的内容，也是一个经常需要进行测量的参数。在光缆线路工程完工后，应精确测量中继段光纤链路长度，并做好记录，与光缆线路工程其他竣工资料一并保存。

还有一个概念是全链路光纤长度测量，需要将光纤入局点入、出光纤用跳线接通，该点表现在背向散射曲线图上为向上的一个菲涅尔反射点。

2.3 光纤接头损耗测量

产生光纤接头损耗的原因主要有两种：一是损耗点两侧光纤折射率不同或光纤材料自身原因所造成的，这种损耗称为光纤的自有损耗。光纤模场直径的差异、模场与包（护）层的同心度差异、不圆度等都有可能使自有损耗增大。二是由外界因素引起的光纤接头损耗，如接续质量较差，接续工艺不良或熔接设备精度较差等，这一类由外界因素引起的损耗称为接续损耗或接头损耗。接续人员操作水平、操作步骤、盘纤工艺水平，熔接机中电极的清洁程度、熔接参数设置，工作环境清洁程度等都会决定光纤接头损耗的大小。

光纤接头损耗测量可直接采用OTDR 进行，通过观察背向散射曲线图和事件列表，准确分析、判断接续点的位置及该点损耗的大小。

2.4 中继段光缆线路损耗测量

中继段光缆线路损耗是指相邻两个光纤配线架之间光纤链路的总损耗，包括光纤损耗和固定接头损耗。

中继段光纤传输特性测量主要是进行光缆线路损耗测量，一般情况下，把某个中继段的总损耗定义为：

式（2）中：α为中继段中某根光纤衰减系数（dB/km）；L 为中继段中某根光纤的长度（km）；αs为固定接头的平均损耗（dB）；M为中继段中固定接头的数量；αc为光纤活动连接器的平均插入损耗（dB），N为中继段中光纤活动连接器的总数量。

测量中继段光缆线路损耗的方法同光缆单盘测试一样，普遍使用的是背向散射法（OTDR 法）。在确保被测光纤的测试方向对端未连接任何设备的前提下，将提前设置好的OTDR 接入被测光纤并启动测试，测试结束后观察曲线图并读取记录事件信息，通过事件列表即可获取中继段光缆线路损耗。

为了准确测量中继段光缆线路损耗，可以通过在OTDR 和测量光纤之间接入一段长度在1～2km 的辅助光纤，消除仪表的盲区，从而得到光缆线路准确、完整的损耗信息，包括成端外的连接器损耗和连接器尾纤的损耗。

2.5 光缆线路故障点快速定位

OTDR 作为光缆线路工程施工与后期维护中普遍使用的仪器设备，用它来快速定位光缆线路故障点也是一大应用亮点。

排查光纤传输系统故障的步骤一般为：先外部，后传输。先排查是否电源供电问题，是否因塌方导致光缆断开问题等，然后再查看是否传输设备故障原因。将机线故障分清且确认为光缆线路故障后，可使用OTDR 对站与站之间的光缆进行测试检查，以确定光缆线路故障性质及具体位置。具体如下：在测试点，即光纤数字配线架上找到故障光纤，将OTDR 接入该光纤，启动测试并观察背向散射曲线图，在背向散射曲线图上找出菲涅尔反射峰的位置，即可得到测试点至故障点的大致距离。

一般情况下，背向散射曲线图上会有以下几种情况：

其一，OTDR 显示屏幕上未显示背向散射曲线。出现这种情况可判断光纤故障点在仪表的盲区内，可能出现在固定接头和光纤活动连接器上。可借助大于1km 的辅助光纤，精确判断故障点的位置。

其二，背向散射曲线图末端长度比中继段长度短。出现这种情况即可判定此时光缆线路的末端即故障点。如若对结果仍有异议，可进行对端测试[3]。若两侧测量的结果均表明疑似故障点为测量光纤的末端，即可判断故障点定位准确。

其三，背向散射曲线图无异常且末端与中继段长度一样。出现这种情况可判定故障点可能处于终端的光纤活动连接器处。应重点检查终端盒或光纤数字配线架，以确定故障点。

其四，背向散射曲线图上有明显的高损耗点或高损耗区。出现高损耗点的位置一般为光纤接头处，该点损耗增大，说明该处接头损耗变大，可对接头处进行重新熔接处理。高损耗区在图形上一般表现为该段光纤曲线斜率增大，由光纤材料本身所引起，可对该段光纤进行更换处理。

2.6 光缆线路维护

2.6.1 收集并建立施工技术档案

施工单位在完成施工并通过竣工验收后，应及时提交竣工资料，包括线路路由、熔接点的位置，中继段每一芯光纤损耗、接头损耗、总损耗以及OTDR 曲线图。将这些资料进行整理并绘制路由图表，参照OTDR 曲线图将熔接点、损耗值等信息一一标注在图表上，更加有利于后期的故障定位及光缆线路维修。

2.6.2 制定相关操作规程

运营维护单位应根据实际情况，制定详细的维护操作规程，结合线路路由中的薄弱环节、熔接点位置信息、路由环境情况等，对不同的故障要有不同的维护措施。

2.6.3 定期组织维护人员进行培训

通信光缆线路工程维护质量的水平在于维护人员的技术水平的高低。维护人员要有比较强的责任心和技术能力。运营养护单位应定期组织技术培训，提高维护人员的技术水平，使他们很好地了解和掌握通信光缆线路相关的知识及工作原理，对保证光缆线路畅通具有重要作用。

2.6.4 建立并实施光缆线路巡检制度

维护人员应定期对光缆线路进行巡检。检查架空光缆和直埋光缆的外观质量及人（手）工盘起来的光缆等。发现可疑异常时，应及时做好记录并定期或持续观察。这样做的目的是可以很好地掌握光缆线路的状况，出现故障时，可优先排查这些可疑点，可以更快地定位故障点。

2.6.5 使用OTDR 定期检测光缆线路

通信质量的好坏往往取决于光缆线路损耗的大小，维护人员应定期使用OTDR 对光缆线路损耗进行测量并保存测试记录，包括总损耗、接头损耗等。要及时掌握各中继段光缆线路衰减变化，并观察曲线图有无菲涅尔反射点。

2.6.6 快速定位及时修复

目前通信中使用最多的通信介质是光缆，具有传输信息量大的特点。因此，在出现光缆线路异常或通信质量较差时，应快速定位故障位置并及时修复。维护人员在平时的工作中，应该具备快速修复的能力。避免信息传输不及时，导致不必要的经济损失。

3 结语

从光缆运输到施工现场的单盘测试到施工完成后的测试，以及后期的光缆线路维护，光时域反射仪（OTDR）始终贯穿公路机电工程施工的整个过程。使用光时域反射仪（OTDR）进行光缆单盘测试是对光缆原材料的检验。施工过程中的光纤接头损耗测量、中继段光缆线路损耗等是对施工工艺质量的检查，施工完成后的测试及后期维护是为了保障光缆通畅。因此，光时域反射仪（OTDR）是光缆线路施工人员及维护人员必须熟练掌握和使用的设备，能够根据背向散射曲线准确判定光纤长度、光纤接头损耗、中继段光缆线路损耗等，在后期的运营中能快速定位故障并进行及时修复。