光纖劣化分析技術(shù)研究

胡偉

[摘 ?要]本文通過對光纖劣化的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了提高對非反射事件的檢測精度的要求。首先，介紹了OTDR的工作原理及其檢測曲線的特點，根據(jù)曲線特點不同，利用兩點法和斜率法對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)計對非反射事件進(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，完成對光纖的劣化分析。

[關(guān)鍵詞]OTDR事件分析;非反射事件;故障定位

中圖分類號：TN929.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0118-01

一、研究背景

隨著社會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)，時時刻刻為計算機系統(tǒng)和通信系統(tǒng)提供正常的運行環(huán)境。隨著光網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，網(wǎng)絡(luò)的傳輸結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對光纜的維護(hù)、光纜狀態(tài)的監(jiān)測變的越來越重要且越來越困難。因此我們需要自動監(jiān)測并預(yù)警光纜潛在的故障隱患，及時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)，利用光時域反射原理，向光纖發(fā)射激光脈沖，接收并測量光纖連續(xù)光反射信號的強度和時間，得到反映光纖長度和衰減變化的光功率測試曲線，供監(jiān)測中心分析處理光纖長度、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。

控制模塊通過以太網(wǎng)接口接收到OTDR光纖檢測命令，通過簡單運算器使脈沖驅(qū)動電路產(chǎn)生符合檢測要求的電脈沖信號，周期為T。進(jìn)而控制激光器發(fā)射脈沖激光并通過方向耦合器發(fā)送到被測光纖。光脈沖經(jīng)過一段時間后，光信號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，通過耦合器返回到接收器，接收器中的光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過信號放大器放大，A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終通過采樣器采樣將這個與時間有關(guān)的反射光信號連續(xù)記錄下來，并在顯示器上顯示出反射光的功率與時間的關(guān)系曲線，根據(jù)這一曲線，就能確定被測光纖的長度，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能識別各類光纖事件，包括鏈路中的熔接點、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法找出散射曲線的奇點，通過分析這些奇點處的曲線斜率，得出事件位置和事件值;由于非反射事件幅度一般不大，因此先對非反射事件進(jìn)行信號放大，然后針對OTDR曲線噪聲區(qū)域的分布特性，采用區(qū)域分割還原理論和噪聲統(tǒng)計檢測準(zhǔn)則，實現(xiàn)對非反射事件的快速準(zhǔn)確定位。

OTDR模塊由OTDR測試板卡和處理軟件組成。OTDR測試板卡對被測光纖發(fā)出測試光，接收返回的散射光，并控制光敏二極管對返回光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，按時序繪制成OTDR測試曲線。測試曲線包含幾萬個采樣點，軟件算法分析模塊直接對采樣點進(jìn)行分析運算。處理軟件從OTDR卡獲得采樣點后，先采用最小二乘法和兩點法分析出頭端事件、終端事件和反射事件，剩下的部分就是非反射事件。

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

（1）設(shè)定分區(qū)間隔為N，即一個連續(xù)的非反射事件區(qū)域最多包含N個點，對于不同的測試條件，總采樣點個數(shù)不同，使分區(qū)個數(shù)保持在5～10之間。

（2）若任意一個區(qū)域包含點數(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，計算每個區(qū)域的噪聲水平。

區(qū)域噪聲計算完成后，對各段曲線作差分運算。原始曲線經(jīng)差分變換后曲線斜率變?yōu)榱?，整體水平偏移不為零，水平偏移值即曲線整體斜率值。經(jīng)偏移修正后，水平偏移為零。原始曲線中的反射點經(jīng)差分變換后變?yōu)橐粚Σ蓸狱c個數(shù)相同、幅值正負(fù)相反的峰，且兩個峰的交界點對應(yīng)反射事件起點，第二個峰的結(jié)束點對應(yīng)反射事件終點。原始曲線中的非反射點經(jīng)差分變換后變?yōu)橐粋€幅值為負(fù)的峰，且峰谷對應(yīng)非反射事件起點，峰結(jié)束點對應(yīng)非反射事件終點。原始曲線中的噪聲點經(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個數(shù)與一個脈寬內(nèi)的采樣點數(shù)相同;非反射事件的采樣點個數(shù)與一個脈寬內(nèi)的采樣點數(shù)相同，變換后負(fù)峰的采樣點個數(shù)是一個脈寬內(nèi)的采樣點數(shù)的兩倍。由此可以直接根據(jù)事件起點位置算出終點位置。

如上所述，針對差分變換偏移修正曲線設(shè)計合適的閾值，檢測出小于閾值的點，進(jìn)一步定位峰谷，峰谷對應(yīng)原始曲線非反射事件起點。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相應(yīng)點一一對應(yīng)。區(qū)域還原后，分區(qū)與變換曲線完全對應(yīng)。利用統(tǒng)計檢測準(zhǔn)則，對大量光纖線路統(tǒng)計變換曲線峰谷幅度，設(shè)計一張噪聲與閾值對應(yīng)表。從第一個分區(qū)開始，將每個分區(qū)按長度與變換曲線依次對應(yīng)，查找閾值表得到區(qū)間閾值，在該區(qū)間內(nèi)，小于閾值的峰谷點對應(yīng)非反射事件起點，該點后一個脈寬點對應(yīng)非反射事件終點。匹配結(jié)束，檢測到所有的非反射點，計算每個點的損耗值和位置值，存入事件分析庫。

四、總結(jié)

本文通過對OTDR測試曲線進(jìn)行劣化分析，能夠在不中斷正常業(yè)務(wù)的情況下，實現(xiàn)電力光纜的長期在線監(jiān)測，掌握光纜的長期參數(shù)變化趨勢，實現(xiàn)故障預(yù)警，將事故后搶修變成事前計劃性檢修。

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.

[2] 方建成，張曉聲，顧懷德.光電線纜檢側(cè)技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，1996.