GB/T 33779.2-2017 光纤特性测试导则 第2部分：OTDR后向散射曲线解析 GB/T33779.2-2017 标准压缩包解压密码：www.bzxz.net

ICS33.180.10
中华人民共和国国家标准
GB/T33779.2—2017
光纤特性测试导则
第2部分：OTDR后向散射曲线解析Guidance for special characteristic of optical fibre-Part 2:Interpretation of OTDR backscattering traces(IEC/TR62316:2007,GuidancefortheinterpretationofOTDRbackscatteringtraces,MOD)
2017-05-31发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
2017-12-01实施
GB/T33779.2—2017
规范性引用文件
3后向散射现象
3.1瑞利散射
3.2菲涅尔反射和盲区
4OTDR的测量
后向散射功率的表示
噪声和扰动
5后向散射曲线解析
5.1单向曲线
5.2双向曲线
6不确定性、偏差和分辨率·
6.1概述
6.2衰减系数的测量
6.3故障定位
附录A（资料性附录）本部分与IEC/TR62316：2007相比的结构变化情况附录B（资料性附录）本部分与IEC/TR62316：2007的技术性差异及其原因参考文献
GB/T33779《光纤特性测试导则》预计分为以下几个部分：一第1部分：衰减均勾性：
一第2部分：OTDR后向散射曲线解析；第3部分：有效面积（A）。
本部分为GB/T33779的第2部分。本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。GB/T33779.2—2017
本部分使用重新起草法修改采用IEC/TR62316：2007《OTDR后向散射曲线的解析导则》。本部分与IEC/TR62316：2007相比在结构上有调整，附录A中列出了本部分与IEC/TR62316：2007的章条编号对照一览表。
本部分与IEC/TR62316：2007相比存在技术性差异，这些差异涉及的条款已通过在其外侧页边空白位置的垂直单线（I)进行了标示，附录B中给出了相应技术性差异及其原因的一览表。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本部分由中华人民共和国工业和信息化部（通信）归口。本部分起草单位：武汉烽火科技集团有限公司，长飞光纤光缆有限公司、深圳市特发信息股份有限公司，湖北凯乐科技股份有限公司，江苏南方通信科技有限公司。本部分主要起草人：史惠萍、陈浩、李靖、张伟民、张拥军、黄正欧。Hii KAoNhi KAca
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1范围
光纤特性测试导则
第2部分：OTDR后向散射曲线解析GB/T33779.2—2017
GB/T33779的本部分规定了光时域反射仪（OTDR)后向散射曲线的解析导则。本部分适用于对独立的和嵌人到设备内的OTDR测量的光纤衰减曲线的解析。2规范性引用文件wwW.bzxz.Net
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T15972.40一2008光纤试验方法规范第40部分：传输特性和光学特性的测量方法和试验程序——衰减（IEC60793-1-40：2001，MOD）IEC61746（所有部分）光时域反射计（OTDR）的校准[Calibrationofopticaltime-domainreflectometers(OTDR)
3后向散射现象
3.1瑞利散射
光纤材料密度发生波动使折射率不均勾就会产生瑞利后向散射。由于光纤是由二氧化硅组成，因此其密度的波动通常是在生产过程中产生。3.2菲涅尔反射和盲区
当一束光线以一定角度人射到两种不同折射率介质间的界面上时，一部分光线被折射进第二种介质单面，一部分被反射回第一种介质中，这便是菲涅尔反射。菲涅尔反射有时可以达到很高的值。菲涅尔反射既与两种介质的折射率差相关，也与界面本身相关，如界面的粗糙度、人射角度和界面缺陷。有时可以检测到非常强烈的菲涅尔反射，甚至能使接收器达到饱和，即表现为对时间信号的平坦响应。当一段光纤的后向散射信号比饱和的反射信号低时，这段光纤的后向散射信号不能被检测到或者在OTDR曲线上无法反映出来，这部分OTDR测试曲线就被定义为盲区。通常测试时在OTDR输出端和被测光纤之间可连接一段短段的过渡光纤以减少盲区的影响。4OTDR的测量
4.1通则
一根光纤的后向散射的强度可通过OTDR来测量，其原理是从测试端向光纤末端发送光脉冲时，OTDR测量从光纤沿途后向散射回到始端的光功率。在OTDR曲线中，距离和时间符合式（1)的关系：tn.a)
..（1)
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式中：
距离，单位为米（m）；
t时间，单位为秒(s)；
C——光在真空中的速度，单位为米每秒（等于299792458m/s）；n.光纤群折射率。
式（1）中的光纤群折射率应由光纤制造商提供。群折射率可调节光在材料中的速度，其大小取决光纤的波导特性和包层及芯层的材料属性，群折射率与相指数相关，其中相指数是光纤的本征属性，可通过测量得到，三者之间满足式(2）：ng=np-A
式中：
群折射率：
相指数；
A——波长，单位为微米（μm）。4.2后向散射功率的表示
.（2）
波长为入的OTDR脉冲信号光在光纤的传输过程中，在光纤的距离处，OTDR测得的后向散射功率与脉冲宽度、衰减系数和模场直径(MFD)之间的关系如式(3)所示：P(z)=C
式中：
后向散射功率，单位为瓦特（W)：A
波长，单位为微米（μm）；
P:Tw10-(2ag/10）
OTDR输人光脉冲功率，单位为瓦特（W)：-OTDR输人光脉冲宽度，单位为微米（um）；到起点的距离，单位为千米(km）；光纤的衰减系数，单位为分贝每千米（dB/km）；w（z）——z点的光纤模场直径，单位为微米（μm）：C
一比例因子，它取决于光纤材料的一些参数或折射率。（3)
式（3)通常转换为对数表示，这样测试结果就为一条直线，其斜率就是光纤的衰减系数αα的详细解释见第5章。
4.3噪声和扰动
通常情况下，噪声和扰动对后向散射曲线的影响表现为一些干扰线。从式（3）可以知道，信号随着距离的增大以指数形式快速减小，同时，信噪比（SNR）也快速降低。当光纤距离较长时，其后向散射曲线会显示出一些不可避免的振动影响。为了减小振动的影响，可对光纤进行多次测量，并对测量数据进行平均后取其平均值。这种处理方法可能会使OTDR花费更长的时间才能获得测量结果。如果采用这种方法后效果还不理想，可加大脉宽以提高后向散射功率，增强SNR。光纤的宏弯和微弯也会干扰OTDR的曲线，典型的特征是出现局部损耗。对单模光纤宏弯损耗的影响在较长波长处表现得更明显（例如在1550nm或1625nm处），原因是长波长离截止波长较远，模场直径（MFD)会更天，进而减少了对进人光纤中的光的限制。图1为一根光纤的典型OTDR曲线，其中纵坐标P表示光功率，横坐标Z表示距离。为了表示清楚，曲线中光纤输人端的反射峰被放大了。正常情况下，应在过渡纤和被测光纤之间使用合适的折射率2
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匹配液可使输人端的反射峰变小。过渡光纤
输入端
（菲涅尔反射）
输出端
（菲涅尔反射）
图1单向OTDR曲线示意图
5后向散射曲线解析
5.1单向曲线
5.1.1概述
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只从光纤的一端搜集光的回波进行处理得到的OTDR曲线被称为单向曲线。通过单向曲线可快速地估算出光纤的连续性和衰减系数。但是其可靠性会受到诸如光纤内的噪声、MFD的变化和极化峰等因素的影响。
光纤衰减系数
将式（3)两边取对数，得到式（4)：10lgP(z)=const+20lg(
式中：
w（）
后向散射功率，单位为瓦特（W）常数；
监测的波长，单位为微米（μm）；测量点到起点的距离，单位为千米（km）：光纤的衰减系数，单位为分贝每千米（dB/km）；-Z点的模场直径，单位为微米（μm）。其中常数为式(5)：
—2α2
const=1o(lgC+lgP,+lgt)
式(4)中的直线斜率。就是光纤的衰减系数。由于SNR的原因，衰减系数估算时宜采用最佳直线拟合法。5.1.3杂质和不连续点
（4）
（5）
当在光纤内或者模场直径区域内存在杂质或者不连续的点，就会产生菲涅尔反射（见3.2），并且会3
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在OTDR曲线上出现一个尖峰。尖峰的峰值大小反映出不连续点的大小。通过式（1)可以对这些不连续点或者杂质点进行定位，但是，当后向散射的功率大到可以干扰光源时，这些尖峰就可能会对链路性能造成损害。用定义和描述连接器特性的光回波损耗（ORL）指标可以用来评估尖峰值的影响。注：关于此项内容的详细规定可参见GB/T15972.40—2008。5.1.4脉冲宽度
脉冲宽度对反射峰幅值具有很重要的影响。脉宽越大，峰值就越小（反射的平均时间就越长）。选择合适的脉宽要充分考虑光功率大小、量程和需要的测试精度之间的平衡。注：关于脉冲宽度的详细规定可参见GB/T15972.40—2008。5.1.5偏振效应
OTDR包含一个分路器，它能在输出脉冲和反射脉冲接收端的分析器中起到偏光镜的作用。其他的因素也能使光发生偏振，如光纤中偏振模色散（PMD)的存在。偏振光的斯托克斯分量在光纤前向和后向反射传输过程中围绕着邦加球旋转，沿着光纤在前进方向和反射方向同时传播，同时它还随着光频和波长旋转。
如果暂态的OTDR脉冲宽度或者光谱宽度足够宽的话，OTDR的接收器会将许多斯托克斯分量转换为一个平均值，那么不同偏振态产生的影响就可忽略。如果脉宽或光谱宽带减小到与光纤的偏振模色散（PMD)可比较的程度，或者与脉宽相比光纤的PMD足够低，那么就只有少量的斯托克斯分量被平均，可明显观察到沿着光纤长度光脉冲幅度变化呈波动曲线。通过快速地改变光源的偏振态或者使用扰偏器及其他合适的仪器等可减少这种脉冲。5.2双向曲线
5.2.1概述
从光纤的两端进行测量并将两次测量结果进行有效的合并而得到的曲线为双向曲线。通过坐标转换=L一2，从式（4)能够直接计算出双向OTDR曲线，其中，L表示光纤的总长度，2，2表示两条曲线上的同一点，由此得到式（6)和式（7）：101g P,(z)=const + 20lg(（)-2az10lg P:(2)=const+20lg((2))
)-2aL+2az
..（6）
.........-(7)
P，和P分别是从光纤的两端获得的曲线。两式相加减，分别得到S和S\，如式(8)和式（9)：S 4lg(-)
中的*（8)
s' oc 4lg(())
sniniin（9)
式（8)和式（9)表示了双向曲线在原理上允许由于光纤的模场直径（MFD）不同而导致的衰减系数的差异性。S和S'的详细计算见5.2.2和5.2.3。5.2.2衰减均匀性
5.2.2.1通则
衰减均勾性是基于双向后向散射技术的一项指标。双向后向散射曲线可以用函数y（z）表示，即3是位置的函数。曲线上的每一点的衰减都可以对单向曲线进行反向计算而得到。双向曲线可以通过多次测量得到，也可以通过对数据进行适当处理而得到。4
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5.2.2.2滑动窗口
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根据滑动窗口(SW)的算法可以定义均勾性参数XA。通过固定光纤的一段位置（即滑动窗口宽度，用SL表示）可估算出这段光纤的衰减系数。从设置的位置&沿着光纤滑动到位置&：则这段窗口间的光纤衰减系数可用式（10)表示：A(SL)=()(z+SL)J/SL
.（10)
也可用给定位置区间的曲线斜率替代A（z:;SL)值。这里所指的均勾性参数XA并不同于A（ziSL）最大值或整个光纤段的平均衰减系数，如GB/T15972.40一2008中所规定，它们三者之间有式（11）所示的关系：
XA=max[A(SL)J-a
5.2.2.3广义滑动窗口
广义滑动窗口(GSW)运算法则是用a，，E，等系数来界定SL的范围，如式（12)所示：max[A(z;SL)]=a,+E,/SL
式中：
基线的衰减系数，单位为分贝每千米（dB/km）；损耗损失参数，单位为分贝（dB）。.（11)
-（12）
E，可随不同的SW长度进行适当缩放。按照式（12)可计算不同SL值下的滑动窗口最大值。5.2.3MFD的均匀性
将双向后向散射的两条曲线P，和P，进行相加再除以2可以得到S（z），如式（13）：S(z)=[10lgP,(+10lgP(L—z)]/2（13）
由于MFD是位置（z）的函数，如果在被测光纤前端z。处插人一段已知MFD的参考光纤则可以很容易地计算出被测光纤的MFD。若忽略α的纵向变化，则见式（14）：S'(z)=S(z)-S(zo)
=20lg[(z。)/w(z）
由式(14)可以推导出：
5.2.4接头损耗的评估
(z，A)=(z0=）10-S()/20
-（14）
（15）
由于目前存在几种不同的测量方法，并且用这些方法之间会产生误差，因此仅通过测量接头损耗来评估整个系统的损耗预算是不准确的。采用端到端的光功率计测量法是常用的方法，但这种方法不能定位光纤缺陷位置。由式（3）可以看出，OTDR可灵敏地反映光纤的MFD变化。具有不同几何参数的光纤可捕捉到不同的脉冲信号水平下后向散射光并传回到OTDR的发射端。当两个模场直径不同的光纤相连接时，用OTDR测量时光纤界面间会出现明显的“损失”或者“增益”现象，见图2所示。但此现象通常被认为是OTDR单向测量时的一种假象，产生这种假象主要是由式（16）导致的。aod =10lg(w2/1)
式中：
第一根光纤的模场半径（上游方向），单位为微米（μm）@2——第二根光纤的模场半径（下游方向），单位为微米（μm）。（16）
例如，当接续两边的光纤模场直径分别为9.0μm和9.2um时，按式（16）可以得到单向测试时接头处的损失值或者增益值为0.1dB。5
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图2具有不同MFD光纤的OTDR曲线实际上，接续时由于模场直径的不同而引起的真实损耗应为式（17）所示：αmmd=-201g[2wz1/（*+2)]
同例，根据式（17)可算出由于MFD不匹配所导致的接头损耗只有0.002dB。（17）
式（18)表示由单向OTDR测量出的各种损耗的组成，其中aaothers包含了纤芯错位、倾斜和其他因素引起的损耗。
ameasured =[a othen +amfa]splice +aatd?（18)
当两根光纤的模场直径不匹配的程度在1um范围以下时，αm就可以忽略不计，则上式可简化为式(19)：
menured=aotheraJaplice 十aod（19）
解决单向测量误差最有效的方法就是采用双向OTDR测量法，用此方法对接头损耗值进行评估可采取如下步骤：
·分别从接续光纤的两个相反方向进行测量得到后向散射曲线；·分别从两个方向测量在接续位置z。点产生的损耗或增益值，记为G，和G2；按式（20)计算接头损耗值：
式中：
接头损耗值，单位为分贝（dB)；G——从一端测量的位置z。点处的损耗或增益值，单位为分贝（dB)；G一从另一端测量的位置2。点处的损耗或增益值，单位为分贝（dB)。（20）
即便双向OTDR测试方法由于地理位置等条件限制不能在任何情况下都可行，但接头损耗应是通过双向OTDR测试得到的两个曲线，然后取平均值才能得到准确的值。6不确定性、偏差和分辨率
6.1概述
用OTDR进行衰减系数测量和缺陷定位时，要考虑其不确定度、偏差和分辨率等因素：不确定度是指相对于目标值进行多次重复测量后的结果为一个分布状态，当这种分布满足高6
斯分布时，不确定度即为与平均值的标准差。GB/T33779.2—2017
偏差是指测量结果与真实、或可接受的参考结果之间的差。偏差可进行校准，具体校准偏差的方法见IEC61746（所有部分）。分辨率是指在测量中区分细节的能力。6.2衰减系数的测量
与用OTDR测量衰减系数相关的不确定度会受到测量时长（如背向信号的平均次数）和后向散射信号的功率值的影响。反过来说是取决于光纤的长度和耦合损耗。在适当的条件下，衰减系数的测量不确定度很小，如0.001dB/km左右衰减系数测量准确值取决于测量仪器的校准值，同时也要注意到，不同的OTDR有着不同的光源波长，因此测量出来的结果会有差异。衰减系数测量分辨率与测量结果的最小有效数字有关，如0.001dB/km。6.3故障定位
光纤的断裂点，存在的杂质或者两根光纤的耦合，都会在OTDR曲线上显示出高的反射峰或者高的损耗，或者两者都有。通过光在光纤中的速度可以得到一半的传播时间（/2）和传播距离（）的关系，见式（21）：
式中：
t光在被测光纤中的传播时间，单位为秒（s）：（21）
U一一光在光纤中的传播速度，u=c/n，n是光纤的有效群折射率，c是光速，单位为米每秒（m/s）；一传播距离，单位为米（m）。
故障定位的偏离和不准确度是由于后向散射功率的大小和光纤群折射率的不确定性造成的，光纤群折射率值一般是近似值，尽管如此，在典型应用中，该近似值是可以接受的。分辨率是指可测量出细小缺陷并能区别两个可检测到的连续缺陷最小间距的能力。通常，当某个缺陷小到连OTDR都检测不出时就可以认为它对系统运行的影响也是可忽略不计的。但当连续出现两个可以检测出的缺陷时，应引起足够的注意。
图3为具有两个连续缺陷的示意图。缺陷
图3具有2个连续缺陷的示意图
是光在光纤中的传播速度，脉冲宽度d是时间t的函数，可表示为式（22）：At=d/u
设从1点到2点的距离为△X，则光传播所需的时间t见式（23）：.*（22)
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+（23)
为了使两处缺陷都可以测量出来，当缺陷1点处的反射脉冲完全被OTDR接收到时，缺陷2点处的反射脉冲也应到达OTDR，为此需满足式（24)所示条件：2t>At
-（24)
输人脉冲应在后向散射产生之前到达第二个缺陷，因此光的距离是一个来回，是公X的两倍，由于u=/t，式（20）可以转换为式（25）：24x>d
·（25)
即，两个连续的缺陷被检测出来的条件是两点之间的距离应大于OTDR脉冲宽度的一半。也就是说，若测量时使用10μs的脉冲，可覆盖2km的长度，则在OTDR曲线上可测量的连续2个缺陷点间的距离为1km及以上。
注：2km的值来自于公式d=△t·u=△z·（），式中c表示真空中的光速，约为3×10°m/s，n表示光纤的折射率，大约为1.5，则d~10×10-×3×10°/1.5=2×10°m=2km。8
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