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光缆线路维护技术培训讲义资料
光缆线路维护技术培训资料
成都军通通信工程有限公司
二00四年八月
第一节光纤通信的基本知识---------------4
一、移动通信的组成概况
二、单模光纤结构参数
三、光纤的特性
四、菲涅尔反射、瑞利散射
五、光纤的色散及产生的原因
第二节光缆及光缆的结构----------------15
一、光缆
二、光缆的结构
三、光缆型号的编制方法
第三节光纤特性的测试-----------------18
一、剪断法测量光纤衰耗
二、插入法测量光纤衰耗
三、后向散射法
四、光纤的接续及接续损耗的测量
第四节光缆线路工程及维护有关要求-----------29
一、架空光缆
二、直埋光缆
三、管道光缆维护
四、光缆障碍抢修及使用的机具仪表
五、光缆线路故障点的准确测试与查找
第五节光缆加强芯及金属护套的接续-----------41
一、光缆加强芯及金属护套的接续
二、直埋光缆监测标石的监测线在测试中的应用
第六节地线电阻的测试-----------------48
附录：
“中国移动通信长途光缆线路维护管理规定”和代维合同的有关内容----------------------50
光缆线路维护技术培训资料
第一节光纤通信的基本知识
一、移动通信的组成概况
1、系统的组成：
上述是一个移动通信系统的组成图：
MSC—移动交换中心；BS—基地站；
MS—移动用户、市话局和电话用户。
实际上，现代通信发展到今天，移动、固定电话都成为一个系统，信号传输时都实现光纤化，上图所示的中继线、各基地站之间的连接都采用光纤光缆传输。
2、什么是移动通信？
即是指通信双方至少有一方是在移动中进行信息交换的通信方式。
如固定点与移动体汽车、轮船、飞机之间，或移动本之间，或人与人和人与移动体之间的通信都属这个范畴。
3、移动通信的特点：
（1）、用户经常移动；
（2）、电波传播条件恶劣；（3）、强干扰情况下工作；（4）、具有多卜勒效应（当运动体达到一定速度，固定点接收到的载波频率将随运动速度（U）的不同，产生不同的频移，称“多卜勒效应”。
fa=μ/λ×cosθλ—接收信号载波的波长；
θ—电波到达时的入射角。
4、光纤通信系统是以光为载波，以光纤为传输媒质的通信系统；由光发送、光传输、光接收三个部份组成。
5、光纤通信的优缺点：
优点是：
（1）信息传输量大；
（2）无电磁干扰；（3）无短路引起事故；（4）不发生火花；（5）接地设计容易；（6）传输频带宽、传输损失小；（7）线径细、重量轻、有可绕性。
其缺点：
如要进行光电变换、切断接续技术很复杂、光直接传输电力困难。
6、光缆线路维护在移动通信工作中的重要性：
从系统图可看出：
一个基站BS所覆盖的范围很有限，一般只有2-3km的半径，但要形成县—市—省—全国—世界的一个庞大通信网的远距离连接，信息的传输都采用光纤传输，若光纤一旦中断、传输信息也就会中断；对社会效益、党政军民通信及经济效益都会带来重大影响。
所以对光缆进行维护，对于保证通信畅通、不出障碍或少出障碍，是维护部门至关重要职责。
二、单模光纤结构参数
1、光纤材料及光的传输原理：
什么是光纤？
光纤就是由纯度很高的石英玻璃（SiO2）等光传播损耗小的介质做成的细园柱体。
由于细园柱体中的纤芯和包层折射率不同，利用此介质分界面上光的折射现象（光在介质分界面上进行反复全反射）将光封闭在内部而引导到远距离方向的波导。
2、光纤的结构尺寸：
纤芯直径=10um±1um（匹配型包层）
=9um±0.9um（凹陷型包层）
包层外径（2D）=125um±3um
一次涂敷层外径=250um
3、折射率：
折射率是表征光学材料的一个重要参数，用n表示。
n=c/v式中：
c—光在真空中的传播速度
v—光在材料中（光纤玻璃）传播速度
通信用石英玻璃的折射率约为1.5。
纤芯n1
图示：
纤芯折射率n1：
一般n1=1.46
包层折射率n2：
一般n2=1.458
4、相对折射率差Δ：
Δ是表征纤芯与包层折射率不同程度的参数
Δ=（n1–n2）/n1
Δ«1，用n1=1.46n2=1.458
计算出的Δ=（1.46-1.458）/1.46=0.00137
5、数值孔径（NA）：
数值孔径是表征一根光纤当光从端面射进来时，接收光能量大小的一个参数，用NA表示。
包层n2
纤芯n1
包层n2
2θmax
如图示，把受光角2θmax的一半的正弦定义为光纤的数值孔径NA，即NA=Sinθmax。
受光角（2θmax）-表示光从空气中射入光纤端面，为了使光能在光纤中传输，光线入射角必须小于2θmax（否则满足不了全反射条件），光就能在光纤中传输，所以2θmax称受光角。
对阶跃型光纤的数值孔径为：
NA=（n12–n22）1/2≈n1（2Δ）1/2
如光纤为纯石英玻璃，n1=1.452，相对折射率差为1％，则NA=0.2，受光角度约24°
从立体观点看：
2θmax是一个园锥，从光源发出的光只有射入园锥内的光才能在光纤中形成全反射面向前传播，CCITT在G651中建议：
NA=（0.18-0.28）±0.02。
在光纤接续时，若连接二条数值孔径NA不同的光纤，在接续部份光被辐射，会产生接续损耗，两条纤数值孔径相差越大，其损耗越大。
6、模场直径：
模场直径表示单模光纤中基模场强在光纤截面内分布的范围。
A
光功率计
光源
P
1/e点
D
um
上图示，光在传输中，若在A点将光纤切断，再接触上进行横向错位一点，光功率计测得的光功率损失一点，错位越多损失越大，而得出一条横向错位曲线，当光功率损失到1/e点时的直径为模场直径D。
因为e=2.718，所以1/e≈0.368
SM单模光纤的模场直径为（9-10）um±10％，使用模场直径这个参量替代光纤的芯径。
Δ
7、同心度：
是指纤芯的园心与包层园心之间的距离Δ与纤芯直径d的百分比。
即Δ/d×100％
d
指标要求：
模场同心度0.5-3um
目前国内已能达到1um
8、不园度：
是指纤芯或包层不是正园而是呈椭园形，最长直径a（长轴）与最短直径b（短轴）之差与纤芯或包层的标称直径D之比的百分比，即：
（a-b）/D×100％
a
b
单模光纤标准：
模场不园度‹6％
包层不园度‹2％
上述参数在评价光纤接续损耗时是很重要的。
9、截止波长：
截止波长λc是保证单模传输的必要条件。
当传输的光的波长大于λc时，光纤只能传输基模，而其他模的光能向外辐射，不能传输。
结构一定的单模光纤，实际上还有第二个模能以较短的波长传输，截止波长就是能传输这第二个模的最高波长。
三、光纤的传输特性
1、光纤的损耗波长特性曲线：
光纤的主要特性有“传输特性”、“机械特性”和“温度特性”。
现仅介绍传输特性中“低损耗光纤的损耗波长特性”：
100（1.24μｍ）1977年
50（0.94μｍ）（1.38μｍ）
1978年
5.0
1.0瑞利散射损耗1979年
0.5红外线吸收
紫外线吸收
0.10.81.01.21.41.6（μｍ）
第一窗口第二窗口第三窗口
光纤的损耗波长特性曲线（OH根形成的吸收损耗）
从波长特性曲线中可以看出：
有衰减系数低的“窗口”，即工作窗口，其波长分别是λ=0.85um、1.31um、1.55um三个窗口。
2、光纤产生损耗的原因：
可以分为二个方面，一是光纤本身的固有损耗；二是光纤在实际敷设使用过程中产生的附加损耗。
具体如下：
瑞利散射损耗
固有损耗吸收损耗
波导结构不完善损耗
光纤损耗
微弯损耗
附加损耗弯曲损耗
接续损耗
（1）、瑞利散射损耗：
光与微粒子相遇时，光向各方向散射现象。
光纤在拉丝过程中，从2000℃高温速冷到20℃左右，在2000℃时产生的密度不均匀和成份组成不规则，将残留在光纤中，产生瑞利散射。
（2）、吸收损耗：
光纤材料对光能的固有吸收并转换成热能；光纤玻璃中的杂质最大影响是OH根离子成分引起的吸收损耗。
（3）、波导不完善引起的损耗：
纤芯与包层界面并不是理想的光滑园柱面，有非常微小结构的凸凹现象，如存在着这种不均匀表面，使光纤损耗增加，传输模变成辐射模。
（4）、微弯：
与波导结构不完善引起的损耗一样，在光纤生产制造出来后光纤侧面受到不均匀压力，使光纤在轴向上发生微米（10-6M）级的弯曲而产生的损耗。
（5）、弯曲损耗：
是光纤弯曲时所产生的损耗。
在弯曲半径较小时，使光纤内的光在纤芯与包层界面上因入射角余角大于临界角余角，使光泄漏到包层而产生的损耗。
所以光纤弯曲半径不得小于允许的弯曲半径。
（6）、接续损耗：
来至二个方面，一是光纤参数不同，如芯径、相对折射率差不同等引起的损耗；二是接续操作不完善，如光纤端面切割不清洁，轴心未对准，纤芯间有间隙等引起的损耗。
四、菲涅尔反射、瑞利散射
1、菲涅尔反射
光经过不同折射率的介质所发生的反射现象叫做菲涅尔反射。
常发生在光纤活接头、光纤断裂处、纤芯与空气界面。
在光纤入射端、出射端或光纤断裂处，各端面与光纤轴线方面垂直并呈平面镜状时，反射功率计算为：
Pf=[（n1-n0）/（n1+n0）]²*Pt
Pf:
菲涅尔反射功率Pt:
菲涅尔反射点传输光功率
n1:
纤芯折射率（约为1.46）n0:
空气折射率（约为1.0）
2、瑞利散射
我们知道，物质的原子是由原子核和电子构成（光纤也一样），原子、分子中的微小粒子-电子是以某固定频率进行振动的，并能释放出与该振动频率相应波长的光；一旦这些粒子受到具有一定波长的光的照射时，若光频率与该粒子固有频率相同，即引起共振，粒子内电子便以该振动频率开始振动，结果该粒子向四面散射出光，入射光的能量被吸收。
对于从外部观察的人来说，好似看到光撞到粒子以后向四面八方飞散一样，此现象称光的散射。
由发明者瑞利发现，故命名为瑞利散射。
光纤中对于上述的粒子是指：
在光纤制造拉丝过程中，从2000°C高温急剧冷却到20°C室温时，在光纤内产生的密度不均匀性，以及成分组成的微小变化的那些部份。
根据光纤目前的制造工艺，瑞利散射是不可避免的。
在光纤内所产生的瑞利散射中，只有一小部分沿着与入射光信号传播方向相反的方向返回到入射端，这部分光称为背向瑞利散射光。
背向瑞利散射光功率可用下式表示：
PR=ω•Δ•C•ｄr•PT/4n1
PR:
背向瑞利散射光功率PT：
散射点处的传输光功率
ω：
光脉冲宽度n1：
纤芯折射率
Δ：
光纤相对折射率差C：
真空中的光速（3＊108m/s）
ｄr:
单位长度光纤的瑞利散射系数
五、光纤的色散及产生原因
1、色散：
光纤输出端的光脉冲与输入端相比较，波形发生了时间上的展宽，这种现象称为色散。
如图示：
DP
输入输出
tt
2、色散产生的原因：
a.模式色散：
在多模光纤中，各传输模式的传输路径不同，各模式到达出射端的时间不同，引起脉冲展宽的色散称模式色散。
单模光纤没有模式色散。
b.材料色散：
太阳光通过棱镜以后可分成七种不同颜色就是一个证明。
在通信中，实际使用的光源并不是理想的单一波长，有一定波谱线宽。
光波的传播速度由下式表示：
Vn=C/n式中：
C—光在真空中传播速度
Vn—光在折射率为n的光纤中
传播速度
n—光纤折射率
光波长不同，折射率n不同，波速Vn将随光波长的不同而改变，到达出射端时将产生时间差，从而引起波形展宽。
（C为光在真空中传播速度，为一个定数）。
c.波导色散：
光纤纤芯与包层折射率差别很小，在界面产生全反射现象进行传播，但有一部分光将会进入包层之内，出现在包层的这部分光与光波长有关，就相当于传输路径长度与光波波长不同而异，具有一定波谱线宽的光源所发出的光脉冲入射到光纤后，不同光波长的传输路程不完全相同，到达出射端时间不同，从而使脉冲展宽。
此称波导色散。
各色散大小顺序是：
模式色散>>材料色散>波导色散
单模光纤只有材料、波导色散，所以色散只决定光纤制造材料和传输光波波长，与维护工作如何没有直接关系。
第二节光缆及光缆的结构：
一、光缆：
就是由若干光纤纤芯组成的缆线。
二、光缆的结构：
光缆可分为缆芯、护层及加强元件两部分。
1、缆芯：
缆芯是光缆的主体，结构是否合理对光纤安全运行关系很大，一般应满足：
a.裸纤在缆内应处于最佳位置、状态，保证光纤传输性能稳定，有良好机械保护，不应承受外力影响。
b.缆中的金属线对（如果有）应妥善安排，并保证电气性能。
c.缆芯中的加强元件应能承受允许的拉力。
d.缆芯截面应可能小，以降低成本。
2、护层及加强元件：
光缆护层是由护套和护层构成的多层组合体，护层的作用是进一步保护光纤，使光纤能适应各种敷设使用场合，如架空、直埋、管道、河流、室内等。
目前光缆护层常用材料有聚乙烯（PE）、铝箔聚乙烯粘接护层（PAP）、双面涂塑皱纹钢带（PSP）等。
架空、管道光缆常使用PAP护层；直埋光缆常用PSP护层。
加强元件：
光纤对任何拉伸、压缩、侧压等承受能力很差，因而光缆必设有“加强元件”。
目前我国多用层绞式、骨架式两种。
三、光缆型号的编制方法：
1、型号的构成：
由光缆型式的代号和规格的代号构成，用一短横划分开。
2、型式：
（1）构成：
光缆型式由五个部份构成，如下示，各部份均用代号表示。
外护层
护套
派生（形状、特征等）
加强构件
分类
Ⅴ
（2）分类代号：
GY—通信用室（野）外光缆
GR—通信用软光缆
GJ—通信用室（局）内光缆
（3）加强构件代号：
无符号—金属加强构件
F—非金属加强构件
G—金属重型加强构件
H—非金属重型加强构件
（4）派生特征代号：
B—扁平形状
Z—自承式结构
T—填充式结构
（5）护套的代号：
Y—聚乙烯护套
V—聚氯脂护套
U—聚氨脂护套
A—铝-聚乙烯粘接护套
L—铝护套
G—钢护套
Q—铅护套
（6）外护层的代号：
02—聚氯乙烯套
03—聚乙烯套
20—裸钢带铠装
22—钢带铠装聚氯乙烯套
23—钢带铠装聚乙烯套
例如：
GYTA23-20D
表示为：
GY：
通信室外用光缆；T：
填充式；A：
铝-聚乙烯粘接护层；23：
钢带铠装聚乙烯套；20D：
20芯
第三节光纤特性测试
在光缆线路维护中，光纤特性测试主要是测量光纤衰耗、后向散射曲线、光纤接头损耗、光纤故障判断等。
按CCITT建议G652规定：
单模光纤衰减测量的基本方法是剪断法；第一替代方法是后向散射法；第二替代法是插入法、而在实际光缆线路维护测试中主要用后向散射法。
一、剪断法测量光纤衰耗：
优点是测量结果精确、重复性好；其缺点是人为地剪断2-3m光纤。
通常情况，只适用单盘光纤衰减测试，不适用维护上的各项技术测试。
被测光纤
1、测量装置图：
光功率计M2
注入系统
光源
×
剪断处
2-3m
光功率计M1
2、测量步骤：
上图示：
注入系统：
可以是500m长，相对折射率和芯径比被测光纤小的光纤（或用微弯曲法，在测量衰减时，用一个半径为30mm的园柱，将被测光纤在上面绕一周），光源发出的光通过这段光纤激励后，入射到被测光纤的高阶模就很小，测量的误差可小于0.05dB。
（1）测量时调光源输出的光功率，使末端接收光功率P2为最大，记下P2。
（2）保持光源输出功率不变，将光纤离光源2-3m处剪断，再测此时短段光纤输出光功率P1，记录P1。
此时光纤衰减P=P1-P2（dB）
若光纤距离LKM，则被测光纤的衰耗常数为α=P/L（dB/KM）
测中继段光纤总衰耗时，用2台光功率计，但测量前应对2台光功率计用光源进行校正，以免引起误差。
二、插入法测量光纤衰减
是不剪断光纤测量光纤衰耗的一种方法，要求测量连接设备精密度高。
其重复性、精确度比剪断法差。
适用于光缆工程竣工测试和维护中光缆中继段光纤衰减测量。
连接器
连接器
被测光纤
光功率计P2
光源
B端
A端
连接器
光功率计P1
测试如上图示：
用光源将P1、P2两台光功率校准后，将P2送到对端。
1、将光源P1在A端测出光源输出功率P1，保持光源输出功率不变。
2、A端用连接器将光源（功率不变）送入光纤。
3、B端用光功率计P2测出其光功率为P2。
被测光纤总衰减为P=P1-P2
若光纤长度为L，则衰减常数Q=（P1-P2）/L
测试中，因连接器不清洁等原因产生连接损耗的不确定性，给测试准确度带来一定影响。
三、后向散射法
用后向散射法能测量：
光纤断裂点位置、光纤的衰减、光纤的长度、光纤的接头损耗、光纤沿长度的衰减分布。
1、光时域反射仪（OTDR）测量原理
当探测光脉冲注入光纤后，从光纤沿途返回到入射端的光其物理起因是：
（1）纤芯折射率不匹配或不连续（连接器、接头和光纤不匹配处）产生菲涅尔反射。
（2）纤芯折射率微观的不均匀性引起瑞利散射。
半导体激光器分光镜
脉冲发生器被测光纤1被测光纤2
终点或断裂处
光电变换器
显示或记录装置
OTDR测试原理图
脉冲发生器产生电脉冲驱动激光器发光脉冲，入射到被测光纤，在纤中产生瑞利背向散射和菲涅尔反射光，经过到反射点的距离成正比例延迟时间之后，返回到入射端；返回来的光信号利用分光镜分离取出后，变成电信号，经放大、平均化处理，馈送到显示器对波形进行测定。
dB
接收光功率
菲涅尔反射菲涅尔反射
接续损耗
瑞利散射形成的
背向散射光
曲线斜率对应光纤损耗
传输时间（对应距离）t
OTDR光时域测试仪屏幕上显示的后向散射曲线图
图中：
大的反射点为菲涅尔反射信号，较均匀的反射信号为瑞利散射信号。
2、平均化处理功能：
所测量背向散射光非常微弱，需对光纤上某一点背向散射光信号作多次测量，取其数据的平均值作为测定值，这就是平均化处理。
平均化处理方式大体分二种：
（1）取样积分器的模拟平均方式：
由于信号与取样脉冲间有相关性，而噪声是随机的，信号经过多次取样积分，不断积累增长，使信号平均值能够接近于实际值，而噪声经过多次取样积分后，其平均值越来越小，使信噪比得以提高。
（2）模/数（A/D）转换器的数字平均方式：
对信号进行高速多点取样，由微机进行平均化处理。
根据需要，平均的次数为2n（n=2---4）。
通过平均化处理，可以得清晰曲线。
3、后向散射法
它是测量光纤数值孔径内返回到光纤注入端的瑞利散射的光功率，在光纤的单端测试。
测量光纤衰耗、接头损耗时，通常进行双方向测试取平均值作为光纤衰耗、接头损耗值。
由于用OTDR测试时在始端有一盲区，盲区距离100米左右，为了清除盲区对测试精确度的影响在OTDR光输出端接入500-1000米左右假纤再进行测试。
（1）被测光纤端面制作：
端面应清洁、平滑，并与光纤中心轴相垂直。
（2）OTDR仪的调整：
折射率、设置测试长度（至少是被测光缆长度的2倍）、脉冲宽度、增益等。
脉冲宽，提高信噪比，但距离信号会变模糊；脉冲窄，降低信噪比，但提高了距离信号清晰度。
一般测距离长，脉冲用宽点；反之用窄脉冲（一般1μm）。
折射率应调到与光纤同，以免测试不准确。
假纤被测纤
（a）
A菲涅尔反射
①
（b）（c）
瑞利散射
B②
上图示：
（a）光纤输入端菲涅尔反射区应接入假纤才能进行测，否则入射端菲涅尔反
（b）被测光纤射会产生盲区效应
（c）光纤输出端菲涅尔反射区
当尾端反射区不明显时，游标②位置设置不明确，影响测试准确度，此时应对尾端进行端面处理，使之与光纤中心轴相垂直（最多不超过4度偏差）。
测量光纤衰耗可采用（在仪表中可以显示出来）：
a.两点近似法（TPA法）
b.最小平方近似法（LSA法），一般采用此法误差小
四、光纤的接续及接续损耗的测量
1、光纤接续方法：
一般分成固定接续和连接器接续两种。
（1）固定接续：
a.非熔接法：
一般可分为V型槽法、套管法、三心固定法等，在光缆线路维护中此法用得较少。
b.熔接法：
在光缆线路工程施工、维护上基本上用此法。
其特点是光纤轴心对准之后，采用加热光纤的端面使其熔接，是一种热熔接法。
目前光纤熔接机都采用“气体放电加热”方式。
在实际运用中，由于光纤端面制作的不完整性和光纤端面压力不均匀性，一次性放电熔接光纤的接头损耗还较大；目前熔接机都采用“预热熔接法”（即二次放电熔接法）。
这种方法是正式放电熔接前，对光纤端面进行预放电、给端面整形、去除灰尘和杂物；使光纤端面压力均匀。
从而达到减小接续损耗之目的。
在实际接续中，当光纤接好后，经测试接续损耗较大，或观察接头中有气泡等现象；再追加一次放电可能有效。
不过再追加放电就不会再起作用了。
（2）连接器接续（又称活接头）
连接器是光通信传输、测量等工作中不可缺少的器件；连接器通常由一对插头和配合机构构成；其最重要的技术是定心技术和端面处理技术。
定心方式分为调心型和非调心型两种。
目前使用的大部分连接器都以非调心为主。
连接损耗在0.3dB以下。
常用的有：
a.FC/FC型；b.FC/PC型；c.DIN47256/7型；d.D4型；
e.V型槽连接器：
是一种裸光纤连接器，一般在现场用于两根裸光纤连接，使用方便，连接损耗低，最好的连接损耗可达0.2dB左右。
为减少菲涅尔反射损耗，在接口处可以使用光纤匹配液。
匹配液一般用丙三醇（甘油）、四氯化碳或液态石腊。
2、光纤接续的操作方法：
操作方法：
光纤端面的处理、光纤的接续安装、光纤的熔接、光纤接头的保护、余纤盘留五个步骤。
其中光纤端面的处理是接续的关键。
（1）光纤端面处理工具：
光纤护套剥除器、光纤松套管切割器、光纤涂层剥除钳、光纤切割器和光纤清洗工具、超声波清洗槽等。
（2）光纤端面处理操作步骤：
a.剥除光纤的松套管、一、二次涂（被）覆层；
b.清洗光纤；
c.切割光纤断面；
d.清洗光纤端面。
（3）光缆接头盒性能的要求：
a.适应性；
b.气闭性和水密性；
c.机械性能；
d.耐腐蚀耐老化；
e.操作的优越性。
（4）接头盒内光纤余纤的长度一般应在0.8-1m。
3、光纤接续损耗产生的原因：
一是两根光纤特性的差异或自身不完善造成；二是接续外部原因增大衰耗。
光纤接续损耗产生的原因是：
（1）光纤的模场直径不同；
（2）光纤的芯径不同；
（3）相对折射率差不同；
（4）光纤的轴心错位；
（5）光纤的间隙；
（6）折角；
（7）端面倾斜、不完整。
原因分析
（1）模场直径不同
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