胡偉

[摘 ?要]本文通過(guò)對(duì)光纖劣化的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了提高對(duì)非反射事件的檢測(cè)精度的要求。首先，介紹了OTDR的工作原理及其檢測(cè)曲線(xiàn)的特點(diǎn)，根據(jù)曲線(xiàn)特點(diǎn)不同，利用兩點(diǎn)法和斜率法對(duì)反射事件及始端和終端事件進(jìn)行分析辨別;采用區(qū)域分割還原和噪聲統(tǒng)計(jì)對(duì)非反射事件進(jìn)行分析。最后將兩者數(shù)據(jù)整合在一起存入數(shù)據(jù)庫(kù)，完成對(duì)光纖的劣化分析。

[關(guān)鍵詞]OTDR事件分析;非反射事件;故障定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）27-0118-01

一、研究背景

隨著社會(huì)信息化程度的不斷提高，電力智能光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，成為當(dāng)前電力行業(yè)最主要的通信網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著高速、遠(yuǎn)程骨干通信的建設(shè)，時(shí)時(shí)刻刻為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)提供正常的運(yùn)行環(huán)境。隨著光網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)的傳輸結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)光纜的維護(hù)、光纜狀態(tài)的監(jiān)測(cè)變的越來(lái)越重要且越來(lái)越困難。因此我們需要自動(dòng)監(jiān)測(cè)并預(yù)警光纜潛在的故障隱患，及時(shí)的掌握光纜的劣化程度，做到提前預(yù)警，防患于未然。

二、OTDR工作原理

OTDR是以瑞利背向散射理論為基礎(chǔ)，利用光時(shí)域反射原理，向光纖發(fā)射激光脈沖，接收并測(cè)量光纖連續(xù)光反射信號(hào)的強(qiáng)度和時(shí)間，得到反映光纖長(zhǎng)度和衰減變化的光功率測(cè)試曲線(xiàn)，供監(jiān)測(cè)中心分析處理光纖長(zhǎng)度、衰減、接頭損耗、故障精確位置等信息。工作原理如圖2.1所示。

控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)接口接收到OTDR光纖檢測(cè)命令，通過(guò)簡(jiǎn)單運(yùn)算器使脈沖驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生符合檢測(cè)要求的電脈沖信號(hào)，周期為T(mén)。進(jìn)而控制激光器發(fā)射脈沖激光并通過(guò)方向耦合器發(fā)送到被測(cè)光纖。光脈沖經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，光信號(hào)的一部分便被反射回OTDR，在反射回OTDR的這部分光中，包含了背向散射光和光纖連接器、光纖接頭及光纖終端處的菲涅爾反射光，通過(guò)耦合器返回到接收器，接收器中的光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器放大，A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終通過(guò)采樣器采樣將這個(gè)與時(shí)間有關(guān)的反射光信號(hào)連續(xù)記錄下來(lái)，并在顯示器上顯示出反射光的功率與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，根據(jù)這一曲線(xiàn)，就能確定被測(cè)光纖的長(zhǎng)度，連接器和接頭的位置，以及接頭的損耗和衰減等數(shù)據(jù)。

三、劣化分析方案

OTDR能識(shí)別各類(lèi)光纖事件，包括鏈路中的熔接點(diǎn)、彎曲、連接器和斷裂等。OTDR中的事件包括頭端反射事件、終端事件、反射事件和非反射事件（衰減事件）。其中，前三者的幅度一般大于0.5dB，非反射事件一般是光纖熔接，不均勻和老化等情況，幅度最小可達(dá) 0.01dB。本方案采用最小二乘法和兩點(diǎn)法找出散射曲線(xiàn)的奇點(diǎn)，通過(guò)分析這些奇點(diǎn)處的曲線(xiàn)斜率，得出事件位置和事件值;由于非反射事件幅度一般不大，因此先對(duì)非反射事件進(jìn)行信號(hào)放大，然后針對(duì)OTDR曲線(xiàn)噪聲區(qū)域的分布特性，采用區(qū)域分割還原理論和噪聲統(tǒng)計(jì)檢測(cè)準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)非反射事件的快速準(zhǔn)確定位。

OTDR模塊由OTDR測(cè)試板卡和處理軟件組成。OTDR測(cè)試板卡對(duì)被測(cè)光纖發(fā)出測(cè)試光，接收返回的散射光，并控制光敏二極管對(duì)返回光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，按時(shí)序繪制成OTDR測(cè)試曲線(xiàn)。測(cè)試曲線(xiàn)包含幾萬(wàn)個(gè)采樣點(diǎn)，軟件算法分析模塊直接對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行分析運(yùn)算。處理軟件從OTDR卡獲得采樣點(diǎn)后，先采用最小二乘法和兩點(diǎn)法分析出頭端事件、終端事件和反射事件，剩下的部分就是非反射事件。

從始端事件開(kāi)始，選取一段連續(xù)的非反射事件曲線(xiàn)，對(duì)其按以下步驟進(jìn)行區(qū)域分割：

（1）設(shè)定分區(qū)間隔為N，即一個(gè)連續(xù)的非反射事件區(qū)域最多包含N個(gè)點(diǎn)，對(duì)于不同的測(cè)試條件，總采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)不同，使分區(qū)個(gè)數(shù)保持在5～10之間。

（2）若任意一個(gè)區(qū)域包含點(diǎn)數(shù)大于N，則按N繼續(xù)進(jìn)行二次分割。

（3）剩余非反射事件依次按照上述方案分割。分區(qū)結(jié)束后，計(jì)算每個(gè)區(qū)域的噪聲水平。

區(qū)域噪聲計(jì)算完成后，對(duì)各段曲線(xiàn)作差分運(yùn)算。原始曲線(xiàn)經(jīng)差分變換后曲線(xiàn)斜率變?yōu)榱悖w水平偏移不為零，水平偏移值即曲線(xiàn)整體斜率值。經(jīng)偏移修正后，水平偏移為零。原始曲線(xiàn)中的反射點(diǎn)經(jīng)差分變換后變?yōu)橐粚?duì)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)相同、幅值正負(fù)相反的峰，且兩個(gè)峰的交界點(diǎn)對(duì)應(yīng)反射事件起點(diǎn)，第二個(gè)峰的結(jié)束點(diǎn)對(duì)應(yīng)反射事件終點(diǎn)。原始曲線(xiàn)中的非反射點(diǎn)經(jīng)差分變換后變?yōu)橐粋€(gè)幅值為負(fù)的峰，且峰谷對(duì)應(yīng)非反射事件起點(diǎn)，峰結(jié)束點(diǎn)對(duì)應(yīng)非反射事件終點(diǎn)。原始曲線(xiàn)中的噪聲點(diǎn)經(jīng)差分變換后仍為噪聲，且幅度變大。反射事件包含的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)與一個(gè)脈寬內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)相同;非反射事件的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)與一個(gè)脈寬內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)相同，變換后負(fù)峰的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)是一個(gè)脈寬內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的兩倍。由此可以直接根據(jù)事件起點(diǎn)位置算出終點(diǎn)位置。

如上所述，針對(duì)差分變換偏移修正曲線(xiàn)設(shè)計(jì)合適的閾值，檢測(cè)出小于閾值的點(diǎn)，進(jìn)一步定位峰谷，峰谷對(duì)應(yīng)原始曲線(xiàn)非反射事件起點(diǎn)。然后進(jìn)行區(qū)域還原，區(qū)域還原的作用是將分割的區(qū)域與差分變換偏移修正曲線(xiàn)相應(yīng)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。區(qū)域還原后，分區(qū)與變換曲線(xiàn)完全對(duì)應(yīng)。利用統(tǒng)計(jì)檢測(cè)準(zhǔn)則，對(duì)大量光纖線(xiàn)路統(tǒng)計(jì)變換曲線(xiàn)峰谷幅度，設(shè)計(jì)一張?jiān)肼暸c閾值對(duì)應(yīng)表。從第一個(gè)分區(qū)開(kāi)始，將每個(gè)分區(qū)按長(zhǎng)度與變換曲線(xiàn)依次對(duì)應(yīng)，查找閾值表得到區(qū)間閾值，在該區(qū)間內(nèi)，小于閾值的峰谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)非反射事件起點(diǎn)，該點(diǎn)后一個(gè)脈寬點(diǎn)對(duì)應(yīng)非反射事件終點(diǎn)。匹配結(jié)束，檢測(cè)到所有的非反射點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的損耗值和位置值，存入事件分析庫(kù)。

四、總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)OTDR測(cè)試曲線(xiàn)進(jìn)行劣化分析，能夠在不中斷正常業(yè)務(wù)的情況下，實(shí)現(xiàn)電力光纜的長(zhǎng)期在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，掌握光纜的長(zhǎng)期參數(shù)變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，將事故后搶修變成事前計(jì)劃性檢修。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙梓森等.光纖通信工程.北京：人民郵電出版社，1994.

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