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OTDR测试原理及使用方法经验分析
作者:广东藤友通信科技有限公司 来源:广东藤友通信科技有限公司   发布时间:2016-04-07 查看次数:

      光纤光缆测试是光缆施工、维护、抢修重要技术手段,采用OTDR(光时域反射仪)进行光纤连接的现场监视和连接损耗测量评价,是目前比较有效的方式。这种方法直观、可信并能打印出光纤后向散射信号曲线。另外,在监测的同时可以比较精确地测出由局内至各接头点的实际传输距离,对维护中,精确查找故障、有效处理故障是十分必要的。同时要求维护人员掌握仪表性能,操作技能熟练,精确判断信号曲线特征。
 
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精密的光电一体化仪表,它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中,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。

    光时域反射计OTDR是表征光纤传输特性的测试仪器。此仪器主要用于测试整个光纤链路的衰减并提供与长度有关的衰减细节,具体表现为探测、定位和测量光纤链路上任何位置的事件(事件是指因光纤链路中熔接、连接器、弯曲等形成的缺陷,其光传输特性的变化可以被测量)。OTDR测试的非破坏性、只需一端接入及直观快速的优点使其成为光纤光缆生产、施工、维护中不可缺少的仪器。
OTDR测试是通过发射光脉冲到光纤内,然后在OTDR端口接收返回的信息来进行。当光脉冲在光纤内传输时,会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射。其中一部分的散射和反射就会返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探测器来测量,它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。
 
从发射信号到返回信号所用的时间,再确定光在玻璃物质中的速度,就可以计算出距离。以下的公式就说明了OTDR是如何测量距离的。 d=(c×t)/2(IOR)
在这个公式里,c是光在真空中的速度,而t是信号发射后到接收到信号(双程)的总时间(两值相乘除以2后就是单程的距离)。因为光在玻璃中要比在真空中的速度慢,所以为了精确地测量距离,被测的光纤必须要指明折射率(IOR)。IOR是由光纤生产商来标明。  
OTDR使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。瑞利散射是由于光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成。OTDR就测量回到OTDR端口的一部分散射光。这些背向散射信号就表明了由光纤而导致的衰减(损耗/距离)程度。形成的轨迹是一条向下的曲线,它说明了背向散射的功率不断减小,这是由于经过一段距离的传输后发射和背向散射的信号都有所损耗。
 
给定了光纤参数后,瑞利散射的功率就可以标明出来,如果波长已知,它就与信号的脉冲宽度成比例:脉冲宽度越长,背向散射功率就越强。瑞利散射的功率还与发射信号的波长有关,波长较短则功率较强。也就是说用1310nm信号产生的轨迹会比1550nm信号所产生的轨迹的瑞利背向散射要高。
 
在高波长区(超过1500nm),瑞利散射会持续减小,但另外一个叫红外线衰减(或吸收)的现象会出现,增加并导致了全部衰减值的增大。因此,1550nm是最低的衰减波长;这也说明了为什么它是作为长距离通信的波长。很自然,这些现象也会影响到OTDR。作为1550nm波长的OTDR,它也具有低的衰减性能,因此可以进行长距离的测试。而作为高衰减的1310nm或1625nm波长,OTDR的测试距离就必然受到限制,因为测试设备需要在OTDR轨迹中测出一个尖锋,而且这个尖锋的尾端会快速地落入到噪音中。
 
另一方面,菲涅尔反射是离散的反射,它是由整条光纤中的个别点而引起的,这些点是由造成反向系数改变的因素组成,例如玻璃与空气的间隙。在这些点上,会有很强的背向散射光被反射回来。因此,OTDR就是利用菲涅尔反射的信息来定位连接点,光纤终端或断点。
 
    大型的OTDR,就有能力完全、自动地识别出光纤的范围。这种新的能力大部分是源于使用了高级的分析软件,这种软件对OTDR的采样进行审查并创建一个事件表。这个事件表显示了所有与轨迹有关的数据,如故障类型,到故障点的距离,衰减,回损和熔接损耗。

OTDR原理
1.1 瑞利后向散射
由于光纤本身的缺陷和掺杂组分的非均匀性,使得光纤中传播的光脉冲发生瑞利散射。一部分光(大约有0.0001%〔1〕)沿脉冲相反的方向被散射回来,因而被称为瑞利后向散射,后向散射光提供了与长度有关的衰减细节。

      在不同折射率两传输介质的边界(如连接器、机械接续、断裂或光纤终结处)会发生菲涅耳反射,此现象被OTDR用于准确确定沿光纤长度上不连续点的位置。反射的大小依赖于边界表面的平整度及折射率差,利用折射率匹配液可减小菲涅耳反射。
1.2 OTDR结构方框图

OTDR结构图

                          上图2 是OTDR原理结构方框图。
    脉冲发生器发出宽度可调的窄脉冲驱动激光二极管(LD),产生所需宽度的光脉冲(通常为 2ns~20μs),经方向耦合器后入射到被测光纤,光纤中的后向散射光和菲涅耳反射光经耦合器进入光电探测器,光电探测器把接收到的散射光和反射光信号转换成电信号,由放大器放大后送信号处理部件处理(包括取样、模数转换和平均),结果由显示部件显示:纵轴表示功率电平,横轴表示距离。时基与控制单元控制脉冲宽度、取样和平均。

OTDR主要性能指标
    对OTDR的性能参数的了解有助于OTDR的实际光纤测量。OTDR性能参数主要包括动态范围、盲区、分辨率、精度等。
 
2.1 动态范围(Dynamic range)
动态范围是OTDR主要性能指标之一,它决定光纤的最大可测量长度。动态范围越大,曲线线型越好,可测距离也越长。动态范围目前还没有一个统一的标准计算方法〔1〕,常用的动态范围定义主要有以下四种:
 
①IEC定义(Bellcore):常用的动态范围定义之一。取始端后向散射电平与噪声峰值电平间的dB差,测量条件为取OTDR最大脉冲宽度、180 秒的测量时间。
 
②RMS定义:最常用的动态范围定义。取始端后向散射电平与RMS噪声电平间的dB差。若噪声电平呈高斯分布,则RMS的定义值比IEC定义值高约 1.56dB。
 
③N=0.1dB定义:最实用的定义方法。取可以测量损耗为0.1dB事件时的最大允许衰减值。N=0.1dB定义值比信噪比SNR=1 的RMS定义值小大约6.6dB,这意味着若OTDR有 30dB的RMS动态范围,则N=0.1dB定义的动态范围只有23.4dB,即只能在23.4dB衰减范围内测量损耗为 0.1dB的事件。
 
④端探测(Enddetection):光纤始端的4%菲涅耳反射峰与RMS噪声电平的dB差,此值比IEC定义值高约 12dB。
 
2.2 盲区(Deadzone)
“盲区”又称“死区”,是指受菲涅耳反射的影响,在一定的距离范围内OTDR曲线无法反映光纤线路状态的部分。此现象的出现主要是由于光纤链路上菲涅耳反射强信号使得光电探测器饱和,从而需要一定的恢复时间。盲区可发生在OTDR面板前的活结头或光纤链路中其它有菲涅耳反射的地方。
Bellcore定义了两种盲区〔2〕:衰减盲区(ADZ)和事件盲区(EDZ)。衰减盲区是指各自的损耗可以分别被测量时的两反射事件间的最小距离,通常衰减盲区是 5~6倍的脉冲宽度(用距离表示);事件盲区是指两个反射事件仍可分辨的最小距离,此时到每个事件的距离可测,但每个事件各自的损耗不可测。
两种盲区的定义可用下图 4表示。

      盲区的大小与脉冲宽度、反身系数、损耗等因素有关。脉宽越短,盲区越小,但短脉冲同时又减小了动态范围,因此要在盲区和动态范围之间折衷选择脉宽。        
2.3 分辨率(Resolution)
        OTDR 有四种主要分辨率指标:取样分辨率、显示分辨率(又叫读出分辨率)、事件分辨率和距离分辨率。取样分辨率是两取样点之间最小距离,此指标决定了OTDR定位事件的能力。取样分辨率与脉宽和距离范围大小的选取有关。显示分辨率是仪器可显示的最小值。OTDR通过微处理系统将每个取样间隔细分,使光标可在取样间隔内移动,光标移动的最短距离为水平显示分辨率、所显示的最小衰减量垂直显示分辨率。
    事件分辨率是指 OTDR对被测链路中事件点的分辨门限,也就是事件域值(探测阈),OTDR把小于这个阈值的事件变化当作曲线中斜率均匀变化点来处理。事件分辨率由光电二极管的分辨阈决定,根据两接近的功率电平,指定可被测量的最小衰减。距离分辨率指仪器所能分辨的两个相邻事件点间的最短距离,此指标类似与事件盲区,与脉宽、折射率参数有关。

      精度是OTDR的测量值与参考值的接近程度,包括衰减精度和距离精度。衰减精度主要是由光电二极管的线性度决定的,目前大多数OTDR的线性度可达0.02dB/dB。距离精度依赖于折射率误差、时基误差(10-4~10-5范围内变动)以及取样分辨率,在不考虑折射率误差时,距离精度可用下式表达〔1〕:
距离精度=±1m±5×10-5×距离±取样分辨率
除以上几种性能指标外,还包括波长、测量时间等指标。另外,大多数 OTDR还提供曲线存储、输出端口等功能。下表为目前 OTDR典型性能指标值。

OTDR的使用
OTDR可执行下面的测量:
*对每个事件:距离,损耗,反射
*对每个光纤段:段长,段损耗dB或dB/Km,段回波损耗(ORL)
*对整个终端系统:链长度,链损耗dB,链ORL
 
用OTDR进行光纤测量可分为三步:参数设置、数据获取和曲线分析。

3.1 参数设置
大多数OTDR对待测光纤通过发射测试脉冲自动地选择最佳的获取参数,使用者只需选择波长、获取时间及必要的光纤参数(如折射率、散射系数等)。自动获取参数需要一定的时间,因而,在已知测量条件下,操作者可人工选择测量参数。 
3.1.1波长选择
光系统的行为与传输波长直接相关,不同的波长有各自不同的光纤衰减特性及光纤连接中不同的行为:同种光纤,1550nm比 1310nm光纤对弯曲更敏感、1550nm比1310nm单位长度衰减更小、1310nm比1550nm测得熔接或连接器损耗更高。为此,光纤测试应与系统传输的波长相同,这意味着1550nm光系统需选择1550nm的波长。
3.1.2脉宽
脉宽控制OTDR注入光纤的光功率,脉宽越长,动态测量范围越大,可用于测量更长距离的光纤,但长脉冲也将在OTDR曲线波形中产生更大的盲区;短脉冲注入光平低,但可减小盲区。脉宽周期通常以ns来表示,也可根据公式(4)用长度单位(m)来表示。例如100ns脉冲可以解释为“10m”脉冲。
3.1.3测量范围
OTDR测量范围是指OTDR获取数据取样的最大距离,此参数的选择决定了取样分辨率的大小。测量范围通常设置为待测光纤长度 1~2倍距离之间。
3.1.4平均时间 
由于后向散射光信号极其微弱,一般采用统计平均的方法来提高信噪比,平均时间越长,信噪比越高。例如,3min的获得取将比1min的获得取提高0.8dB的动态。但超过10min的获得取时间对信噪比的改善并不大。一般平均时间不超过3min。
3.1.5光纤参数
光纤参数的设置包括折射率n和后向散射系数η的设置。折射率参数与距离测量有关,后向散射系数则影响反射与回波损耗的测量果。这两个参数通常由光纤生产厂家给出,对于大多数种类的光纤来说,表2给出的折射率和后向散射系数可以得到较为准确的距离和回损测量结果。

经验与技巧 
      (1)光纤质量的简单判别: 
       正常情况下,OTDR测试的光线曲线主体(单盘或几盘光缆)斜率基本一致,若某一段斜率较大,则表明此段衰减较大;若曲线主体为不规则形状,斜率起伏较大,弯曲或呈弧状,则表明光纤质量严重劣化,不符合通信要求。 
       (2)波长的选择和单双向测试: 
       1550波长测试距离更远,1550nm比1310nm光纤对弯曲更敏感,1550nm比1310nm单位长度衰减更小、1310nm比1550nm测的熔接或连接器损耗更高。在实际的光缆维护工作中一般对两种波长都进行测试、比较。对于正增益现象和超过距离线路均须进行双向测试分析计算,才能获得良好的测试结论。 
       (3)接头清洁: 
        光纤活接头接入OTDR前,必须认真清洗,包括OTDR的输出接头和被测活接头,否则插入损耗太大、测量不可靠、曲线多噪音甚至使测量不能进行,它还可能损坏OTDR。避免用酒精以外的其它清洗剂或折射率匹配液,因为它们可使光纤连接器内粘合剂溶解。 
        (4)折射率与散射系数的校正:就光纤长度测量而言,折射系数每0.01的偏差会引起7m/km之多的误差,对于较长的光线段,应采用光缆制造商提供的折射率值。 
       (5)鬼影的识别与处理:

 
        在OTDR曲线上的尖峰有时是由于离入射端较近且强的反射引起的回音,这种尖峰被称之为鬼影。 识别鬼影:曲线上鬼影处未引起明显损耗;沿曲线鬼影与始端的距离是强反射事件与始端距离的倍数,成对称状。消除鬼影:选择短脉冲宽度、在强反射前端(如OTDR输出端)中增加衰减。若引起鬼影的事件位于光纤终结,可"打小弯"以衰减反射回始端的光。

 (6)正增益现象处理: 
         在OTDR曲线上可能会产生正增益现象。正增益是由于在熔接点之后的光纤比熔接点之前的光纤产生更多的后向散光而形成的。事实上,光纤在这一熔接点上是熔接损耗的。常出现在不同模场直径或不同后向散射系数的光纤的熔接过程中,因此,需要在两个方向测量并对结果取平均作为该熔接损耗。在实际的光缆维护中,也可采用≤0.08dB即为合格的简单原则。 
         (7)附加光纤的使用: 
          附加光纤是一段用于连接OTDR与待测光纤、长300~2000m的光纤,其主要作用为:前端盲区处理和终端连接器插入测量。 
         一般来说,OTDR与待测光纤间的连接器引起的盲区最大。在光纤实际测量中,在OTDR与待测光纤间加接一段过渡光纤,使前端盲区落在过渡光纤内,而待测光纤始端落在OTDR曲线的线性稳定区。光纤系统始端连接器插入损耗可通过OTDR加一段过渡光纤来测量。如要测量首、尾两端连接器的插入损耗,可在每端都加一过渡光纤。

测试误差的主要因素
1)OTDR测试仪表存在的固有偏差
    由OTDR的测试原理可知,它是按一定的周期向被测光纤发送光脉冲,再按一定的速率将来自光纤的背向散射信号抽样、量化、编码后,存储并显示出来。OTDR仪表本身由于抽样间隔而存在误差,这种固有偏差主要反映在距离分辩率上。OTDR的距离分辩率正比于抽样频率。
   
 2)测试仪表操作不当产生的误差
    在光缆故障定位测试时,OTDR仪表使用的正确性与障碍测试的准确性直接相关,仪表参数设定和准确性、仪表量程范围的选择不当或光标设置不准等都将导致测试结果的误差。
    (1) 设定仪表的折射率偏差产生的误差
    不同类型和厂家的光纤的折射率是不同的。使用OTDR测试光纤长度时,必须先进行仪表参数设定,折射率的设定就是其中之一。当几段光缆的折射率不同时可采用分段设置的方法,以减少因折射率设置误差而造成的测试误差。
    (2) 量程范围选择不当
    OTDR仪表测试距离分辩率为1米时,它是指图形放大到水平刻度为25米/格时才能实现。仪表设计是以光标每移动25步为1满格。在这种情况下,光标每移动一步,即表示移动1米的距离,所以读出分辩率为1米。如果水平刻度选择2公里/每格,则光标每移动一步,距离就会偏移80米。由此可见,测试时选择的量程范围越大,测试结果的偏差就越大。
    (3) 脉冲宽度选择不当
    在脉冲幅度相同的条件下,脉冲宽度越大,脉冲能量就越大,此时OTDR的动态范围也越大,相应盲区也就大。
    (4) 平均化处理时间选择不当
    OTDR测试曲线是将每次输出脉冲后的反射信号采样,并把多次采样做平均处理以消除一些随机事件,平均化时间越长,噪声电平越接近最小值,动态范围就越大。平均化时间越长,测试精度越高,但达到一定程度时精度不再提高。为了提高测试速度,缩短整体测试时间,一般测试时间可在0.5~3分钟内选择。
    (5) 光标位置放置不当
    光纤活动连接器、机械接头和光纤中的断裂都会引起损耗和反射,光纤末端的破裂端面由于末端端面的不规则性会产生各种菲涅尔反射峰或者不产生菲涅尔反射。如果光标设置不够准确,也会产生一定误差。

OTDR常见曲线分析

1、长度测量

      一般采用两点法,将受测光纤与尾纤一端相接,尾纤一端连到OTDR上,调整出显示尾纤和受测光纤的后向散射峰。其曲线见图

方法: 将光标A置于第一个菲涅尔反射峰前沿,将光标B置于第二个菲涅尔反射峰前沿,光标A与光标B之间的相对距离差就为被测光纤长度。
2、光纤衰减的测试

方法:将光标A置于第一个菲涅尔反射峰后沿,曲线平滑的起点,将光标B置于第二个菲涅尔反射峰前沿,光标A与光标B间显示衰减系数就是光纤A、B间衰减系数,但非整根光纤的衰减系数。
3、典型的后向散射信号曲线

a、输入端的Fresnel反射区(即盲区)
b、恒定斜率区
c、局部缺陷、接续或耦合引起的不连续性
d、光纤缺陷、二次反射余波等引起的反射
e、输出端的Fresnel反射 


4、盲区
      决定OTDR所能测到最短距离和最接近距离,是由于活接头的反射引起OTDR接收机饱和所至,盲区通常发生在OTDR面板前的活接头反射,但也可以在光纤的其它地方发生,一般OTDR盲区为100m。 
盲区分为衰减盲区和事件盲区
衰减盲区:从反射点开始至接收机恢复到后向散射电平约0.5dB范围内的这段距离,这段距离就是OTDR能再次测试衰减和损耗的点.

式中:D的长度就为衰减盲区的长度
事件盲区:从OTDR接收到反射点到开始到OTDR恢复到最高反射点1.5DB以下这段距离,在这以后才能发现是否还有第二个反射点,但还不能测试衰减.

式中:D1的长度就为事件盲区的长度。
影响盲区的因素:
a、入射光的脉冲宽度、
b、反射光的脉冲宽度、
c、入射光的脉冲后端形状、
d、所用脉冲越小,盲区越大。
消除盲区的方法:
加尾纤(过渡纤),最好2KM以上


5、接头损耗的测量

方法:将光标定于曲线的转折处如图位置,然后选择测接头损耗功能键,便可测得接头损耗。
6、外部因素引起的可能曲线变化
这里的外部因素指施加于光缆并传递至光纤的张力及侧向受力,还有温度的变化。这些都会造成曲线弓形弯曲。外部因素引起的弓形弯曲在外力作用下使曲线斜率改变。如图所示,外力作用前曲线斜率恒定,在外力作用下可出现如下情况之一: 

波纹曲线图
指曲线有与脉冲频率相似的纹状态曲线。其产生原因有可能是受测光纤工作频率与带宽频率刚好相同,此情况下, 改变测试脉宽,同时应从受测光纤的两端进行测量

实际在测试中最常见的异常曲线、原理和对策

 

现象:光纤未端无菲涅尔反射峰,曲线斜率、衰减正常,无法确认光纤长度
原因:光纤未端面上比较脏或光纤端面质量差;
对策:清洗光纤未端面或重新做端面;

 

现象:曲线成明显弓形,衰减严重偏大或偏小,无菲涅尔反射峰;
原因:量程设置错误(不足被测光纤长度2倍以上);
对策:增大量程

 

现象:在曲线斜率恒定的曲线中间有一个“小山峰”(背向散射剧烈增强所致)
原因:
(1)光纤本身质量原因(小裂纹);
(2)二次反射余波在前端面产生反射;
对策:在这种情况下改变光纤测试量程、脉宽、重新做端面,再测试如“小山峰”消失则为原因(2),如不消失则为原因(1) 

现象:在光纤纤连接器、耦合器、熔接点处产生一个明显的增益;
原因:模场直径不匹配造成的;
对策:测试衰减和接头损耗必须双向测试,取平均值 

现象:曲线斜率正常,光纤均匀性合格,但两端光纤衰减系数相差很大
原因:模场不均匀造成,一般为光纤拉丝引头和结尾部分;
对策:测试衰减必须双向测试,取平均值 

现象:在整根光纤衰减合格,曲线大部分斜率均匀,但在菲涅尔反射峰前沿有一小凹陷
原因:未端几米或几十米光纤受侧压;
对策:复绕观察有无变化

现象:1310nm光纤曲线平滑,光纤衰减斜率基本不变,衰减指标略微偏高,但1550nm光纤衰减斜率增加,衰减指标偏高;
原因:束管内余长过短,光纤受拉伸;
对策:确认束管内的余长,增加束管内的余长 

现象:1310nm光纤曲线平滑,光纤衰减斜率基本正常,衰减指标正常,但1550nm光纤衰减斜率严重不良,衰减指标严重偏高;
原因:束管内余长过长,光纤弯曲半径过小;
对策:确认束管内的余长,减少束管内的余长 

现象:尾纤与过渡纤有部分曲线出现有规则的曲线不良,但被测光纤后半部分曲线正常,整根被测光纤衰减指标基本正常;
原因:一般是由设备本身和测试方法综合造成的;
对策:关机,重新起动,对各个光纤接触部分进行清洁 

正常曲线

A 为盲区, B 为测试末端反射峰。测试曲线为倾斜的,随着距离的增长,总损耗会越来越大。用总损耗( dB )除以总距离( km )就是该段纤芯的平均损耗( dB/Km )。

异常情况

原因:
(1)仪表的尾纤没有插好,光脉冲根本打不出去;
(2)断点位置比较进, OTDR 不足以测试出距离来;

方法:
(1) 要检查尾纤连接情况
(2) 把 OTDR 的设置改一下,把距离、脉冲调到最小,如果还是这种情 况的话,可以判断 1 尾纤有问题; 如果是尾纤问题,更换尾纤。

非反射事件 (台阶)

这种情况比较多见,曲线中间出现一个明显的台阶,多数为该纤芯打折,弯曲过小,受到外界损伤等因素造成。

曲线远端没有反射峰

这种情况一定要引起注意!曲线在末端没有任何反射峰就掉下去了,如果知道纤芯原来的距离,在没有到达纤芯原来的距离,曲线就掉下去了,这说明光纤在曲线掉下去的地方断了,或者是光纤远端端面质量不好。

测试距离过长

 

这种情况是出现在测试长距离的纤芯时, OTDR 所不能达到的距离所产生的情况,或者是距离、脉冲设置过小所产生的情况。如果出现这种情况, OTDR 的距离、脉冲又比较小的话,就要把距离、脉冲调大,以达到全段测试的目的,稍微加长测试时间也是一种办法。 

幻峰(鬼影)的识别与处理

幻峰(鬼影)的识别曲线上鬼影处未引起明显损耗图(a);沿曲线鬼影与始端的距离是强反射事件与始端距离的倍数,成对称状图(b)
消除幻峰(鬼影)选择短脉冲宽度、在强反射前端(如OTDR输出端)中增加衰减。若引起鬼影的事件位于光纤终结,可"打小弯"以衰减反射回始端的光。
正增益现象处理

正增益是由于在熔接点之后的光纤比熔接点之前的光纤产生更多的后向散光而形成的。事实上,光纤在这一熔接点上是熔接损耗的。常出现在不同模场直径或不同后向散射系数的光纤的熔接过程中,因此,需要在两个方向测量并对结果取平均值作为该熔接损耗。

      以上是我们在使用OTDR测试时经常看到的测试曲线并作简要分析,供读者参考。在故障维修中根据测试曲线特点就能准确判断光纤是否断裂、弯曲直径是否过小、熔接点是否有缺陷及障碍点具体位置等。测试人员要灵活应用OTDR测试,不断提高对其操作技能与分析判断水平,才能更好地应对现实工作中有关光链路系统的各类繁杂情况,实现有效测量、准确判断、快速定位,及时排除。