常葆荣，封 洋，任 亮

（1.大连理工大学 物理与光电工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024）

本实验目的在于使学生加深对光纤基础知识、光纤连接及测试理论的理解，掌握光纤的熔接技术、光时域反射仪（optical time domain reflect meter，OTDR）的操作方法和使用要点，了解菲涅尔反射和瑞利散射的原因及特点，能够根据OTDR测试曲线得出事件点位置及其产生原因，提高工程应用能力。

1 实验原理

光波在光纤内部传输的过程中，吸收损耗和散射损耗是光波能量降低的主要原因［1］。吸收损耗主要由于光纤自身材料原因及制作缺陷所致，在探测光沿光纤传输时，存在瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射，探测光的能量也将不断损耗，同时在光纤中存在一种背向瑞利散射光，这都是产生散射损耗的原因［2－4］。

OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的用于光纤测试的光电一体化仪表，这种背向瑞利散射技术主要是通过测定脉冲光波在光纤中传输所需要的时间来对发生散射损耗部位进行定位［5－6］，它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，还可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。

OTDR的工作原理［7－8］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信息。整个过程重复进行，并将测试结果取平均值以轨迹的形式显示，这个轨迹就描绘了在整段光纤内信号的强弱［9］。因此，只要通过观察示波器上的信号图形，就能对光纤线路中的事件点进行迅速定位。

在实际测量操作中，由于光纤纤芯部位的折射率与空气间隙部位的折射率不同，会出现很强的菲涅尔反射，主要出现在被测光纤传输线路中相邻两端光纤的连接部位、光纤线路的初始部位以及末端部位［10］。

2 实验系统设计与实现

本实验通过熔接和法兰连接的方式将不同长度的光纤连接起来，并根据OTDR来测试线路的事件点位置和损耗特征。主要器材包括光纤、尾纤、剥线钳、光纤切割器、光纤熔接机、常规法兰及固定衰减法兰、自主设计的实验台和具有0.1m测距分辨率的AE3 0 0 0型OTDR，如图1所示。测量前对OTDR进行测试设置及门限设置，设置参数见表1。

图1 实验系统实物

表1 OTDR测试设置及门限设置参数

2.1 熔接

在实际工程中，光纤线路往往是通过熔接将不同长度的光纤连接在一起，熔接质量直接影响到整个线路的质量。尽管实验中用到的熔接机具有全自动操作功能，能够自动完成清洁、调整间隙、调芯和放电熔接等一系列操作，但为了对比熔接质量对线路中光损耗的影响，在实验中采用手动操作方式进行熔接。

光纤端面在垂直于纤轴的情况下才能熔接，因此在熔接前需要对光纤端面进行切割。光纤端面差、纤芯轴线错位、两侧光纤间隙大都将影响熔接效果，甚至导致熔接失败，如图2所示。使用剥纤钳剥去光纤保护层后，光纤周围残留的涂覆材料和灰尘未能彻底清洁或切割不当将导致光纤端面差；在调节左右光纤时，操作不当会引起轴线错位、间隙大等情况。

图2 熔接过程中影响熔接效果的情况图示

将2盘长度分别约为2km和1km的光纤熔接在一起。切割并清洁后，将两段光纤纤芯微小错位放入光纤熔接机，使得光纤熔接后产生微弯，如图2（d）所示，经过OTDR测试得到曲线如图3所示，图3中事件点①处出现明显台阶，光损耗达到0.773dB，距离为2.083km，经过判断可知此处为光纤熔接点。测试曲线能够直观地观察到熔接质量对整个链路中光损耗的影响。为了避免由于熔接失误而导致实验误差甚至实验失败，在熔接过程中遇到熔接效果较差的情况时，应当重新熔接，直到熔接成功。

图3 光纤熔接产生微弯后的OTDR测试曲线

2.2 法兰连接

将2盘长度约为1km的光纤通过不同法兰连接，经过OTDR测试得到的测试曲线如图4所示。图中的蓝色、红色曲线分别为光纤通过常规法兰和3dB衰减法兰连接后的测试所得曲线，两条曲线在连接处分别产生0.580dB、3.005dB光损耗，测试结果与实验预期相符。并且法兰接头处出现反射峰，这是由接头处连接间隙发生菲尼尔反射而导致的。通过比较可知，使用衰减法兰形成的曲线（红色）在连接处的光损耗及反射峰均明显大于使用常规法兰形成的曲线（蓝色）。

图4 光纤通过法兰连接时的OTDR测试曲线

2.3 弯折

为了控制光纤的弯折方向及弯折程度，实验中设计了一种实验台，如图5所示。该实验台的固定结构可以确保整个系统的稳定，并为上部系统提供一个可以沿水平方向运动的轨道，当系统左右两部分滑动到指定位置时，可以通过图5中2号固定螺母进行固定。两块钢板通过图5中7号夹持块固定，调节图5中3号水平调节螺母，在两块钢板间留有一定距离，将2盘长约1km的光纤熔接，然后用胶带将光纤粘接在实验台的钢板上。

图5 控制光纤弯折方向及弯折程度的实验台示意图

调节4号水平调节螺母，使两块钢板在水平方向上产生错动，粘贴在钢板上的光纤发生横向弯折，如图6（a）所示。图7（a）为2块钢板缝隙为3mm、水平错动为6mm时OTDR的测试曲线。调节图5中5号垂直调节螺母，使2块钢板在竖直方向上产生错动，粘贴在钢板上的光纤发生纵向弯折，如图6（b）所示。图7（b）为两块钢板缝隙为3mm、垂直错动为3mm时OTDR的测试曲线。

图6 光纤弯折示意图

图7 光纤通过弯折时的OTDR测试曲线

传感光纤发生弯折时，光纤核心处传输的光信号向周围扩散，引起背向瑞利散射导致光功率降低，从OTDR的测试曲线上可以看出，光信号在弯折点发生衰减，曲线出现明显台阶，弯折点前后曲线斜率相同。

随着两块钢板错动距离的不断增大，光纤弯折程度变大，测得的光损耗也随之增大。实验中，在钢板缝隙为3mm、错动距离不同的情况下进行了多组实验，通过OTDR得到的数据能够描绘出钢板错动距离与光信号衰减大小的关系曲线如图8所示。

图8 光纤弯折实验曲线

观察实验数据曲线可以发现：实验测得的光损耗量都随着钢板错动距离的增加而增大；两组实验中，纵向弯折首次测得光损耗所对应的弯折程度较低；在错动距离相同的情况下，横向弯折引起的光损耗量比纵向弯折引起的光损耗量低，并且变化比较缓慢；两个方向的错动实验曲线在开始部分和终止部分的光损耗量变化比实验中间部分缓慢，并且在终止部分都表现出变化变缓的趋势。

3 实验结果与分析

将一盘长度约为1km的光纤，一盘长度约为2 km的光纤熔接后，再通过2dB固定衰减法兰连接一盘长度约为1km的光纤，将2km光纤中间约1km处粘贴在弯折实验台上，组成一个光纤线路，经过OTDR测试得到测试曲线如图9所示。

实验得到的测试曲线与经典曲线［11］相同。图9中1点位置为熔接节点，2点为弯折点，两点均发生光信号衰减，曲线出现明显台阶；3点为法兰连接点，测试曲线中该点处出现明显反射峰，并且光信号在峰后出现衰减；4点处为光纤末端。由于光信号通过法兰连接处时出现强烈的菲涅尔反射，并且后向散射衰减很大，但是在光纤末端并没有出现明显反射峰，而是直接降到噪声电平，这是因为光信号通过法兰后衰减到较低水平，OTDR将3点处（3km）法兰连接处误认为是光纤末端，而实际上4点处（4.5km）附近的小反射峰才是真正的末端反射峰。

图9 两盘1km光纤与一盘2km光纤通过熔接和2dB法兰连接后的OTDR测试曲线

4 结束语

实验教学是理论教学与具体实践相结合，巩固理论教学、培养学生综合运用所学理论知识进行实际操作能力的重要环节［12］。本实验基于工程实际中的常用器材，针对熔接、法兰连接及弯折3种工程状况通过OTDR进行了实验，得到OTDR测试曲线，总结出3种不同工况下测试曲线的反应。通过实验帮助学生把理论和实践联系起来，使学生更好地理解传感光纤在实际应用中的工作原理。通过实验激发学生对光纤传感的兴趣和积极性，帮助学生理解课堂所学理论知识的实际含义，提高工程应用能力。

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