图2。1  光时域反射仪

2。1。1 瑞利散射

光脉冲在光纤中传播时，因为传播介质的不均匀性，一些光量子被随机方向的微小粒子分散所形成的背向散射称为瑞利散射，也可以说成是光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成。

OTDR 是利用瑞利反向散射制作的仪器。由光纤一端反射一个探测光脉冲，它沿着光纤传输过程中边衰减且产生瑞利反向散射。由于光功率逐渐衰减，反向散射正比地减小。测量反向散射功率减小的速率就可以得光功率沿光纤衰减的速率，形成一条向下的曲线。

从理论公式上分析，在光纤中某点 z 的瑞利散射强度为：

             （2-1）

              （2-2）

   （2-3）

    式中，光功率最大值，入射光的脉冲宽，为后向散射因子，单模光纤后向散射因子大小为 10W/J， 光在光纤中损耗系数，是光纤在 z 点光纤背向反射光百分含量，为光纤中瑞利散射背向反射光传输系数， 为光在光纤中传播特有速度值，入射光在介质中传播波长参量，、 是折射率分别为芯径和包层的（单模光纤），V 光在光纤传播的归一化频率（单模光纤）()，w是指光纤中的模场值。

    可以从理论上得出瑞利散射强度大小不仅跟散射因子有关，还与入射光功率值、后向散射衰减值，整条光纤衰减值等参数相关，这些都是多模光纤和单模光纤后向散射理论方程也是设计整个 OTDR 系统理论依据。

2。1。2 菲涅尔反射

    光在光纤传播时，在光纤断点或者断面接口由于折射率不同会发生菲涅尔反射，这种光向各个方向发散，形成背向反射光。菲涅尔反射的光强度往往比瑞利散射的光强度大得多，所以反向散射功率的曲线会有一个明显的变化。

2。1。3完整的OTDR系统框图

图2。2  完整的OTDR系统框图

    1．激光器发出的光进过电光调制器和脉冲发生器的共同调制得到脉冲光脉冲编码序列信号（实验表明这种脉冲编码有利于提高 OTDR 动态范围）。

2．光环形器对光脉冲编码信号与反射回来的光信号进行分离。瑞利散射发生于光在光纤中传播的过程中，散射之后沿光纤返回的信号，再经过光环形器的分离。掺饵光纤放大器的作用是对背向散射信号进行放大。

3．光纤环形器不仅对激光器保护作用，而且可以收集瑞利散射信号。光电探测器完成了光信号到电信号的转换。

4．光电探测器将光信号转换成电信号，电信号经过放大器的放大和A/D 模块转换成数字信号，瑞利后向散射光传输得很快，这决定了必须采用高速的A/D转换才能所采集的信号 的精确性和完整性。

5。 A/D转换的输出信号进入数据采集系统，通过累加平均的方法改善信噪比。

2。1。4 OTDR的主要技术指标

（1）动态范围

OTDR的动态范围定义为最小检测功率与最大检测功率的差，当背景噪声远远大于后向散射信号时，就不能进行测量。无法测量的临界点对应的光纤长度即最大光纤长度，由接收机的检测灵敏度和光纤的衰减系数决定。动态范围越大，可测量的最大光纤长度也越长。

   OTDR的动态范围用公式表示如下：

                （2-4）

式中，Pn为接收灵敏度，η为后向散射系数，τ为光脉冲宽度。1/2这个系数表明是单程的动态范围。此公式是从理论上给出的。由于光电探测器对动态范围的改善，一般用一个更有实际意义的公式：