接頭盒智能化在通信光纜故障定位中的應(yīng)用

文/楊海昀

隨著電力通信網(wǎng)的不斷發(fā)展、完善，光纜敷設(shè)形式多樣化、復(fù)雜化，架空與地埋管道光纜混合搭配，給電力傳輸網(wǎng)絡(luò)提供了穩(wěn)定、可靠的通道保障。但是隨之而來的是運(yùn)維難度不斷增加，在人員數(shù)量有限的情況下，光纜缺陷處理的時間過長。近幾年昭通的城市建設(shè)中，所轄的街道基本都進(jìn)行了改造。同時，電力光纜、運(yùn)營商光纜也逐漸進(jìn)入地埋管道敷設(shè)，可是管道的狹窄、錯綜復(fù)雜、高低壓電纜同管道等情況也隨之出現(xiàn)。在部分光纜未做好標(biāo)識等防范措施的情況下，光纜運(yùn)行并不穩(wěn)定、可靠。那么如何采取有效的措施，在人力資源有限的狀況下，做好主城區(qū)光纜的監(jiān)控，在發(fā)生故障后如何能夠第一時間到達(dá)現(xiàn)場，省去反復(fù)測試、二次定位、故障查找等工作，也是我們值得思考的問題。因此為了更好的開展對運(yùn)行光纜（特別是城區(qū)管道光纜）的維護(hù)及故障消缺工作，提出了“智能”光纜接頭盒的研究，幫助電力通信通道能夠?qū)崟r的監(jiān)測及故障的立即定位。

然而現(xiàn)有通信光纜故障定位主要依賴于OTDR檢測設(shè)備。OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的精密光學(xué)儀表。OTDR設(shè)備在通信光纜故障定位中，由于光纜絞縮率、光纜接頭/ODF內(nèi)纖芯預(yù)留、光纜預(yù)留、光纜敷設(shè)時的自然彎曲、光纜的非直線敷設(shè)等，無法準(zhǔn)確地理定位。將光纜接頭盒智能化，將光纜分段監(jiān)測，可將定位誤差控制在可接受范圍，有效提高通信光纜故障修復(fù)率。

1 接頭盒智能化

接頭盒智能化，是指將接頭盒改造為光學(xué)可識別或可區(qū)分，使其可以使用現(xiàn)有光學(xué)儀器比如OTDR表識別，以實現(xiàn)接頭盒的監(jiān)測、識別和定位。目前接頭盒智能化的方法主要有：接頭盒內(nèi)備用纖芯上接入特定光柵，接頭盒內(nèi)備用纖芯上接入特定衰耗值的光衰，接頭盒內(nèi)備用纖芯上接入特定跳纖序列等方法。

（1）接頭盒內(nèi)備用纖芯上接入特定光柵：利用光柵“對特定波長反射其他波長透傳”的光學(xué)特性，將特定的光柵內(nèi)置到接頭盒內(nèi)，就可“光學(xué)標(biāo)定”這個接頭盒。其局限是在同一條光纜上，不能使用相同波長的光柵。一般這類光柵的波長間隔為0.1um，能夠滿足光纜的接續(xù)使用，如圖1所示。

（2）接頭盒內(nèi)備用纖芯上接入特定衰耗值的光衰：利用光衰對反射光的衰減特性來“光學(xué)標(biāo)定”接頭盒。在光纜中接入光衰后，使用OTDR表測試，可以得到與熔接點類似的衰減“臺階”。該衰減“臺階”一般比熔接點“臺階”大。通過內(nèi)置不同衰減值的光衰，不通大小的衰減代表不同的接頭盒，從而“光學(xué)”標(biāo)定接頭盒。其局限性是對反射光衰減過大，從而影響測量識別距離。同時這類光衰必須采用帶尾纖熔接。如果采用接頭跳接的方式，會導(dǎo)致光衰后端面的菲涅爾反射峰掩蓋光衰對反射光的衰減，從而不可識別。

（3）接頭盒內(nèi)備用纖芯上接入特定跳纖序列：利用在用OTDR表測試時，跳纖端面會形成菲涅爾反射峰，不同的跳纖序列形成不同的反射峰序列，從而識別接頭盒，“光學(xué)標(biāo)定”接頭盒。比如以O(shè)TDR表的距離識別精度L為基數(shù)，制備n*L長度的跳纖，并將不同長度基數(shù)的跳纖串聯(lián)起來，可形成不同的編組序列。如圖2中左側(cè)所示，串聯(lián)了三根不同長度的跳纖，其長度分別為2L、6L、4L，在圖2右側(cè)中可以看出，其光學(xué)波形圖中，形成4個尖峰，4個尖峰之間的距離分別為2L、6L、4L，這樣就形成了一個完整的唯一的三位數(shù)序列光學(xué)編組為“264”，以此類推，可以利用規(guī)則性的不同長度n*L的跳纖組成不同的編組。

圖2：跳纖序列“光學(xué)標(biāo)定”接頭盒原理圖

2 光纜故障定位中智能接頭盒的運(yùn)用

目前光纜故障排查主要是在中繼段的端點，先利用OTDR測得故障點距離測試端的光纖長度,然后再按“全程計算法”算出故障點距測試端的地面長度。

式中LF為光纜故障點距測試端的地面長度；L為OTDR所顯示的測試端至故障點之間的光纖長度；ΣL2為測試端至故障點之間每個光纜接頭盒中盤留的光纖長度；ΣL3為測試端至故障點之間路由光纜的光纜預(yù)留長度；ΣL4為以上每個光纜接頭內(nèi)的裸纖預(yù)留長度；ΣL5為測試端至故障點之間光纜沿地表形敷設(shè)時所增加的長度；P為光纖成纜時的絞縮率；α為光纜敷設(shè)時的自然彎曲率。

顯然式（1）中，ΣL3，ΣL4，ΣL5，α這幾個參數(shù)在光纜施工中都不可能準(zhǔn)確控制。隨著接頭盒的增加，計算誤差也在累加。如果我們以接頭盒為參考點，實現(xiàn)分段監(jiān)測，可以避免誤差的累積。這就要求接頭盒必須可以光學(xué)識別，即采用智能化的接頭盒。

表1：智能接頭盒參數(shù)對比表

圖3：智能接頭盒協(xié)助故障定位原理圖

圖4：故障點地理坐標(biāo)計算流程

圖5：智能接頭盒在光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

采用智能化的接頭盒后，光纜正常時，可測定每個接頭盒相對于測試端的光纖距離Li（i=1,2,3…）。并錄入光纜檔案庫。故障時，可把故障定位在兩個接頭盒之間。

比如：

Ln

則故障點在第n個接頭盒和第n+1個接頭盒之間。

以第n個接頭盒為參考點，則可把計算公式優(yōu)化為：

式中L為光纜故障點距第n個接頭盒的地面長度； LF為OTDR所顯示的測試端至故障點之間的光纖長度；Ln為測試端至第n個接頭盒的光纖長度；P為接頭盒n和接頭盒n+1之間光纜成纜時的絞縮率；αn為光纜在第n個接頭盒與第n+1個接頭盒之間敷設(shè)時的自然彎曲率。

公式（2）中LF，Ln都可以準(zhǔn)確測定，αn可在光纜正常時計算得到一個相對于公式（1）的可信值。因此通過公式（2）計算出的位置相對于公式（1）要可信很多。

這樣，智能接頭盒中接入的光學(xué)可識別介質(zhì)，可協(xié)助故障定位，等效于故障定位器，如圖3所示。

如果在智能接頭盒安裝時，采集其地理位置信息（經(jīng)緯度），錄入數(shù)據(jù)庫。還可以計算出故障點的大致經(jīng)緯度，實現(xiàn)光纜故障的精準(zhǔn)定位。

式（3）中XF、YF為光纜故障點的經(jīng)緯度坐標(biāo)；LF為OTDR所顯示的測試端至故障點之間的光纖長度；Ln為測試端至第n個接頭盒的光纖長度； Ln+1為測試端至第n個接頭盒的光纖長度。式（3）是按照第n個接頭盒與第n+1個接頭盒之間的光纜按照直線布線的，且沒有考慮故障點兩側(cè)的余纜，因此只能得出大致的故障點地理位置，計算流程如圖4所示。

在有GIS系統(tǒng)（如GoogleMaps技術(shù)）的光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)中，根據(jù)光纖網(wǎng)絡(luò)資源的實際敷設(shè)情況，用GIS系統(tǒng)采集終端采集光纜布放路由，并采用智能接頭盒的分段監(jiān)測和故障定位，還可得到故障點更精準(zhǔn)的經(jīng)緯度信息，智能接頭盒在光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖5所示。

前述是光纜完全中斷的情況，然而很多時候是光纜中部分纖芯中斷的情況。這時我們同樣可以用OTDR測出故障纖芯故障點局測試點的距離LF，以備用纖芯上的故障定位器為參考點，采用相同的計算方法得出故障點位置。

3 三種智能化接頭盒的應(yīng)用比較

前述的三種智能化接頭盒中，根據(jù)其原理，其應(yīng)用有很大差異。

3.1 光柵型智能接頭盒

光學(xué)識別度高；由于其附加尾纖很短，因此對被測光纜的長度影響小；附加的插入損耗小，可適用于長距離光纜；但其識別必須使用寬帶光源，因此不能使用一般的OTDR，因此造價最貴。

3.2 光衰型智能接頭盒

光學(xué)識別度不高，容易與熔接質(zhì)量不好的熔接頭混淆；其附加尾纖很短，因此對被測光纜的長度影響?。粚嵤┖唵危捎靡话鉕TDR，造價低。但其附加的損耗大，嚴(yán)重影響OTDR表的測試距離，因此只適合短距光纜。

3.3 跳纖序列型智能接頭盒

光學(xué)識別度較高；其附加尾纖很長，因此對被測光纜的長度影響大；實施簡單，可用一般OTDR，造價低。對比參數(shù)如表1所示。

4 結(jié)束語

接頭盒智能化后，可協(xié)助故障定位，讓光纜分段故障地位可以實現(xiàn)，有效提升故障定位精度。用光柵改造接頭盒的方法，也可在現(xiàn)場紫外光在備用纖芯上光刻，可以減少附加尾纖對長度的影響。也可在光纜生產(chǎn)時按照一定的距離直接光刻在備用纖芯上。根據(jù)現(xiàn)在的運(yùn)維狀況，利用光纜接續(xù)盒的“智能”化研究，可以滿足當(dāng)前狀況的故障查找等問題，在電力通信系統(tǒng)缺陷消除的時間限制條件下，盡可能的做好相關(guān)工作，保證全年的運(yùn)行指標(biāo)到位，為地方電力通信網(wǎng)的運(yùn)維工作增添了科學(xué)的技術(shù)保障。