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。下图是一个 OTDR 的内部结构简图。

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。换句话说， OTDR 的工作原理就类似于一个雷达。它先对光纤发出一个信号，然后观察从某一点上返回来的是什么信息。这个过程会重复地进行，然后将这些结果进行平均并以轨迹的形式来显示，这个轨迹就描绘了在整段光纤内信号的强弱（或光纤的状态）。