通信光纜線路中故障點(diǎn)智能定位檢測(cè)技術(shù)

楊新華

【摘要】隨著我國(guó)通信信息技術(shù)的不斷發(fā)展，通信光纖傳輸需求逐漸增大，傳輸安全性和穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，為了更好的實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸穩(wěn)定，需要定期對(duì)通信光纜故障點(diǎn)智能定位檢修，避免出現(xiàn)故障點(diǎn)誤判或者漏判，本文基于通信光纜線路故障點(diǎn)定位分析，詳細(xì)分析了OTDR光時(shí)域反射儀對(duì)故障點(diǎn)的檢測(cè)，通過(guò)小波變換模極大值信號(hào)奇異點(diǎn)理論，結(jié)合閾值法解決去噪問(wèn)題，準(zhǔn)確找出光纜故障點(diǎn)位置，有效提升通信速度，推動(dòng)通信事業(yè)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】通信技術(shù);光纜線路;故障點(diǎn);定位檢測(cè)

隨著我國(guó)光纜通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖已經(jīng)應(yīng)用到國(guó)家建設(shè)中，光纖具有傳輸效率高、穩(wěn)定、安全的特點(diǎn)，大大方便了工業(yè)生產(chǎn)和人們生活，但是，如果光纖設(shè)施發(fā)生損害，勢(shì)必會(huì)引起通信故障，影響通信的正常傳輸，因此，在通信光纜線路鋪設(shè)中一定要做好監(jiān)察工作，出現(xiàn)故障就能準(zhǔn)確找出故障點(diǎn)的位置，及時(shí)進(jìn)行搶修，減少經(jīng)濟(jì)損失。目前，光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多數(shù)采用OTDR（光時(shí)域反射儀）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)觀察返回的曲線進(jìn)行故障點(diǎn)的檢測(cè)任務(wù)，但是該方法存在一定的弊端，并且信號(hào)會(huì)出現(xiàn)不同程度的誤差，所以，在進(jìn)行OTDR曲線分析的時(shí)候，一定要考慮到噪音的影響，解決的方法就是要對(duì)OTDR曲線進(jìn)行降噪處理，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，保留信號(hào)本身的特性，本文采用小波變換模極大值方法，對(duì)OTDR曲線進(jìn)行故障點(diǎn)智能定位檢測(cè)，增強(qiáng)對(duì)故障點(diǎn)的識(shí)別判斷能力，將模極大值和閾值法結(jié)合起來(lái)，根據(jù)模極大值隨尺度的變化進(jìn)行噪音和信號(hào)識(shí)別，確定合適的閾值，去除噪音對(duì)信號(hào)的損害，以此來(lái)判斷故障點(diǎn)的位置。

1. 通信光纜傳播原理及監(jiān)測(cè)方式

1.1 傳播原理

通信光纜在進(jìn)行光傳播的時(shí)候，從攝入角度α進(jìn)入光纖內(nèi)，在光纖入射段纖芯處接受光纖容量，可以用數(shù)學(xué)孔徑NA表示，如圖-1所示：

在等式中，α0是最大的臨界角入射角度，n1和n2分別為光纖芯折射率和包層折射率，光纖大于臨界角α0時(shí)，無(wú)法進(jìn)行穩(wěn)定;反之，能夠在光纖中穩(wěn)定性傳輸，隨著信號(hào)入射角度的不同，光纖傳輸是不同的，從一個(gè)很小的入射角度入手的信號(hào)，可以從另外一個(gè)光纖中射出，同時(shí)，大入射角進(jìn)入的信號(hào)會(huì)從一個(gè)很小的角度并且很長(zhǎng)的軌道中傳輸出來(lái)，這樣就是入射角越大，所傳輸?shù)木嚯x也越短。

1.2 通信光纜的特性

通信光纜的監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈分布式設(shè)立。光纜一般深埋或者架高，并且在固定位置會(huì)設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)于長(zhǎng)距離通信光纜，需設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，人工維護(hù)難道較大。

其次，通信光纜敷設(shè)距離長(zhǎng)。長(zhǎng)距離的通信光纜傳輸，需要很長(zhǎng)的線路作為載體，其維護(hù)費(fèi)用和線路經(jīng)過(guò)的地點(diǎn)也很高。再次，由于在光纖傳輸中，線路太長(zhǎng)，不可避免的出現(xiàn)線路中斷情況，經(jīng)過(guò)的地點(diǎn)環(huán)境復(fù)雜，自然災(zāi)害以及人為破壞的幾率是非常大的。此外，受到環(huán)境影響大。光纖很脆弱，容易發(fā)生斷裂，主要是受到不同環(huán)境影響會(huì)發(fā)生變化。

通信電纜一般都設(shè)置在室外，其線路長(zhǎng)、環(huán)境復(fù)雜、其自然災(zāi)害、社會(huì)環(huán)境的影響，光纜受到的外在損害非常大，對(duì)于不可抗力或者人為損害，檢修人員也無(wú)法進(jìn)行預(yù)判，不能完全預(yù)測(cè)到光纜故障的損害情況，目前，維護(hù)部門通常采用人工檢測(cè)監(jiān)督工作，強(qiáng)化維護(hù)管理，提升管理效率，結(jié)合當(dāng)下的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)。

1.3 監(jiān)測(cè)方式分析

目前，通信光纜線路故障點(diǎn)的監(jiān)測(cè)方式有以下幾種：

①在線監(jiān)測(cè)：利用OTDR（光時(shí)域反射儀）和光傳輸設(shè)備工作波長(zhǎng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，利用波分復(fù)用器（WDM）濾光器（FILTER）和程控光開關(guān)（OSW），通過(guò)以上幾種技術(shù)，可以實(shí)時(shí)對(duì)通信光纜線路運(yùn)行進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);

②備纖監(jiān)測(cè)：通過(guò)OTDR（光時(shí)域反射儀）對(duì)通信光纜中備用光纖運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);

③離線監(jiān)測(cè)：在光纖設(shè)備整機(jī)停用、定期維護(hù)以及更換或者離開光纜線路時(shí)，該系統(tǒng)可以對(duì)被監(jiān)測(cè)光纖運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè);

④跨段檢測(cè)：一般可以采用光纖設(shè)置源設(shè)備和無(wú)源光器件檢測(cè)，可以對(duì)光纜上的設(shè)備點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、離線以及備纖監(jiān)測(cè)。

2. 通信光纜故障檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

光纖通訊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合通信技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、光學(xué)測(cè)量技術(shù)、地理信息技術(shù)以及北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)等等，系統(tǒng)的綜合運(yùn)用能對(duì)通性光纜和被監(jiān)測(cè)光纜傳輸?shù)奶匦浴⒐收宵c(diǎn)、阻斷障礙實(shí)現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)。采用TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)互通，通信光纜線路引進(jìn)該系統(tǒng)，能夠強(qiáng)化對(duì)光纖傳輸中問(wèn)題的反饋和及時(shí)處理，提升通信光纜的傳輸性能，隨著國(guó)家提升通信服務(wù)質(zhì)量，光纖通信傳輸?shù)臄?shù)量和質(zhì)量將有很大提升，傳輸信息能力也在逐步增強(qiáng)，隨之單位時(shí)間線路阻斷損耗也會(huì)加大，因此，通信光纜故障點(diǎn)檢測(cè)十分必要，這對(duì)進(jìn)一步提高光纖通信可靠性，如何更加合理有效的監(jiān)控和管理，準(zhǔn)確捕捉故障隱患，防止光纖傳輸中中斷具有重要意義。

當(dāng)前，通信光纜故障點(diǎn)的檢測(cè)技術(shù)主要依賴于光纖檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)對(duì)被監(jiān)測(cè)光纖進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路的故障和安全隱患，檢測(cè)的種類分為：定期測(cè)試、點(diǎn)名測(cè)試以及故障警告測(cè)試等。在通信光纜日常運(yùn)行過(guò)程中，需要進(jìn)行定期檢修，檢測(cè)光纖或者某一條指定光纖傳輸損耗、長(zhǎng)度以及傳輸數(shù)據(jù)以及接口連接參數(shù)等等，一旦發(fā)現(xiàn)光纖出現(xiàn)損害的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行預(yù)警，并實(shí)時(shí)對(duì)光纖故障點(diǎn)判斷，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化流程體系發(fā)出告警信號(hào)，準(zhǔn)確、迅速找出故障點(diǎn)問(wèn)題，并通知相關(guān)檢修人員檢修。在光纖檢測(cè)中，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)模塊通過(guò)采集設(shè)備單元檢測(cè)光功率數(shù)據(jù)采集，不斷將收集的信息傳輸?shù)焦夤β士刂茊卧?，另外，光功率控制單元?duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常會(huì)告警并將異常數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心上，監(jiān)測(cè)中心再對(duì)比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)發(fā)生的警告限值光功率變化實(shí)時(shí)警告，判斷是哪一段光纜出現(xiàn)故障。同時(shí)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)快速啟動(dòng)監(jiān)測(cè)站的光時(shí)城反射測(cè)試儀和光開光對(duì)故障電纜和光纖進(jìn)行故障告警測(cè)試，將測(cè)試異常數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒治鲋行?，進(jìn)行綜合比對(duì)后，確定故障點(diǎn)的位置、告警信息以及類型，采取相應(yīng)的告警方式。

3. 通信光纜線路結(jié)構(gòu)及影響故障點(diǎn)的因素

3.1 通信光纜線路主要結(jié)構(gòu)

通信光纜線路主要結(jié)構(gòu)由纜芯、護(hù)層組成，纜芯是通信光纜的核心，是最重要的部分，它包括光導(dǎo)纖維、絕緣銅導(dǎo)線以及加強(qiáng)芯等，光導(dǎo)纖維就是光纖，用于信號(hào)的傳輸，信息會(huì)從一點(diǎn)傳輸?shù)搅硪稽c(diǎn);加強(qiáng)芯主要是鋼絞線，主要起到強(qiáng)化光纜的拉力作用;絕緣銅帶線主要是方便維護(hù)和操作等，傳輸不會(huì)中斷;護(hù)層主要保護(hù)整個(gè)光纜不受到外力及自然力的損害，保護(hù)并覆蓋整個(gè)纜芯外面。

3.2 影響光纜線路故障點(diǎn)準(zhǔn)確性的因素

3.2.1 故障點(diǎn)產(chǎn)生原因

對(duì)通信光纜線路故障點(diǎn)的處理，首先，要確定外部點(diǎn)位是否有損傷，比如：光纖斷裂、電源中斷情況等等，還應(yīng)該考慮傳輸設(shè)備故障問(wèn)題，光纜線路的故障主要原因可以分為：

①光板側(cè)發(fā)出R-Los警告，可判斷出光纜受到外力影響，比如查看光纜是否挖斷、拉斷情況;②系統(tǒng)發(fā)出誤碼的告警，這是因?yàn)楣饫|在敷設(shè)過(guò)程中，光纜線路不穩(wěn)定、通信中斷或者輕微污染導(dǎo)致的。③光纖周期使用過(guò)長(zhǎng)，不加以維護(hù)和修理，必然會(huì)導(dǎo)致性能下降，衰耗指數(shù)、色散特性受到影響，光纖會(huì)出現(xiàn)中斷，另外，光纖受到外力影響，也會(huì)造成衰耗周期增加。

因此，只有確定通信光纜線路故障點(diǎn)，運(yùn)用PTDR對(duì)其整體檢修，才能判斷故障點(diǎn)位置以及性質(zhì)，在受到自然災(zāi)害、線路測(cè)試的時(shí)候，光纜會(huì)出現(xiàn)告警，這就需要檢修人員及時(shí)檢查點(diǎn)位位置，快速處理解決。

3.2.2、故障點(diǎn)查找的準(zhǔn)確度影響

精準(zhǔn)找到通信光纜線路故障點(diǎn)位置，必須提前將各個(gè)光纜線路、卡扣做出詳細(xì)了解，由于OTDR自身存在一定偏差，其主要工作原理是根據(jù)周期內(nèi)被檢測(cè)光纖發(fā)出光脈沖，依據(jù)設(shè)置的速率對(duì)光纖背向散射信號(hào)執(zhí)行抽樣、編碼等，將信息進(jìn)行分析攝取，OTDR儀表存在一定的誤差，誤差主要在分辨率上存在，對(duì)通信光纜繼續(xù)故障點(diǎn)定位，如果采用OTDR儀表，其使用參數(shù)定位不準(zhǔn)、為恰當(dāng)采用里程范圍、光標(biāo)定位不準(zhǔn)等，極易造成誤差，所以，OTDR儀表與故障點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

另外，不同廠家生產(chǎn)的儀器設(shè)備，因生產(chǎn)工藝和配置參數(shù)不同，所檢測(cè)的光纖故障點(diǎn)定位也存在一定差異，這就需要在使用OTDR儀表時(shí)，要充分了解儀器性能和功能特性，做好提前規(guī)劃，首先設(shè)定合理的儀表參數(shù)，折射率是一個(gè)重要的參數(shù)，如果在通信光纜線路故障點(diǎn)檢測(cè)存在差異，可通過(guò)分段法，減少因?yàn)檎凵渎蕦?dǎo)致誤差，OTDR儀表一般設(shè)置檢測(cè)距離分辨率為1米，表示圖形放大到水平刻度25米/格下，可以順利實(shí)現(xiàn)。這樣儀表設(shè)置為每25格代表1滿格，在這樣的背景下，光標(biāo)每次移動(dòng)一步，表示移動(dòng)為1米，讀出響應(yīng)分辨率，如果設(shè)置為分辨率為2公里一格的話，光標(biāo)每次移動(dòng)一步，距離會(huì)產(chǎn)生80米的偏差，所以，具體測(cè)量檢查的時(shí)候，所選擇的范圍越大，測(cè)試結(jié)果差別越大，針對(duì)此種情況，OTDR曲線要通過(guò)采集不同的參數(shù)，多次采樣，計(jì)算出執(zhí)行平均數(shù)，有效減小誤差。

4. 故障點(diǎn)定位檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用

4.1 光時(shí)域反射儀的作用

對(duì)通信光纜故障點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，可通過(guò)光時(shí)域反射儀，能夠清楚的找到故障點(diǎn)位置，為后續(xù)的維修工作開展提供便利，工作人員能便于檢修，通過(guò)光時(shí)域反射儀對(duì)光敏性、瑞利散射以及菲涅爾反射特性的檢測(cè)，對(duì)通信傳輸過(guò)程發(fā)射應(yīng)用到激光脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光時(shí)域反射和檢測(cè)光纜新路的鏈接，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和編碼處理，從而得出故障點(diǎn)信息。

4.2 光時(shí)域反射儀的運(yùn)用方法

4.2.1 參數(shù)設(shè)置要點(diǎn)

在實(shí)際故障點(diǎn)定位檢測(cè)工作中，工作人員可根據(jù)儀器特性，保障儀器檢測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)的規(guī)范性，因?yàn)?，受到環(huán)境和人為因素的影響，其檢測(cè)參數(shù)設(shè)置會(huì)有一定的誤差，影響準(zhǔn)確性，其參數(shù)主要包括折射率、分辨率以及光標(biāo)，這就需要專業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行分段式定位和檢測(cè)，避免誤差，分辨率控制在1米，光標(biāo)定位為20步為一個(gè)滿格。

4.2.2 去噪處理要點(diǎn)

通信光纜線路故障點(diǎn)智能定位檢測(cè)中，噪聲污染是一個(gè)重要因素，為了能夠準(zhǔn)確獲取故障點(diǎn)數(shù)據(jù)，避免因?yàn)樵肼晫?duì)光信號(hào)的不利影響，就需要對(duì)光源信號(hào)進(jìn)行去噪處理，采用小波段變換方法對(duì)儀器曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得不同尺度下小波段系數(shù)對(duì)應(yīng)的模塊數(shù)值，再進(jìn)行閾值處理，對(duì)小波段重構(gòu)，最終完成去噪。

在實(shí)際工作中，專業(yè)技術(shù)人員要多了解光時(shí)域反射儀的功能和使用方法，強(qiáng)化對(duì)儀器的測(cè)試控制，縮短檢測(cè)時(shí)間，降低噪音影響。

4.2.3 奇異信號(hào)處理要點(diǎn)

使用光時(shí)域反射儀時(shí)，對(duì)可識(shí)別信號(hào)和異常信號(hào)做好處理，其中可供模式下的識(shí)別信息都會(huì)出現(xiàn)在儀器中，就是異常狀態(tài)下的事變信號(hào)或者瞬態(tài)信號(hào)，進(jìn)行檢修過(guò)程中，對(duì)奇異信號(hào)的運(yùn)用能提高檢測(cè)準(zhǔn)確率和工作效率，為工作人員檢修提供便利，在工作中，如果發(fā)現(xiàn)可微性表述的信號(hào)函數(shù)出現(xiàn)中斷或者導(dǎo)數(shù)沒(méi)有連續(xù)，說(shuō)明存在奇異點(diǎn)，所以，在進(jìn)行去噪處理的時(shí)候，通過(guò)計(jì)算Lipschitz指數(shù)α，準(zhǔn)確找出故障點(diǎn)定位。

5. 通信光纜故障點(diǎn)修復(fù)對(duì)策

5.1 OTDR技術(shù)的使用

通信光纜線路故障點(diǎn)檢測(cè)中，OTDR技術(shù)起到了關(guān)鍵性作用，這對(duì)前期檢測(cè)工作十分必要，OTDR可以檢測(cè)光纖長(zhǎng)度、距離、衰耗、鏈接質(zhì)量等等，通過(guò)光纖發(fā)射光脈沖，利用端口進(jìn)行信息接收、確定信息質(zhì)量，在光脈沖傳輸中，光纖性質(zhì)、彎曲度、結(jié)合點(diǎn)等進(jìn)行反射、散射。通過(guò)反饋傳輸?shù)絆TDR上，隨后后臺(tái)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)光纖測(cè)試熔點(diǎn)值和彎曲情況，這些都會(huì)造成光能損耗，OTDR檢測(cè)散射強(qiáng)度降低，如果脈沖遇到了連接器、光纖遠(yuǎn)端就會(huì)產(chǎn)生反射，根據(jù)反射光的實(shí)際情況即可得出損耗量和故障距離。

5.2 OTDR曲線分析處理

當(dāng)通信光纜線路出現(xiàn)故障的時(shí)候，OTDR曲線會(huì)顯示異常，并且提前做出告警，系統(tǒng)可判斷故障點(diǎn)位置，如果曲線沒(méi)有什么變化，則表示光纖故障出現(xiàn)在盲區(qū)中，盲區(qū)位置為10米到20米，這就要準(zhǔn)確找出故障點(diǎn)的位置，對(duì)室內(nèi)ODF進(jìn)行檢查，要檢查終端盒的卡扣、尾纖盤留半徑、尾纖擠壓狀態(tài)、拉拽情況等等，采用紅筆頭繼續(xù)斷點(diǎn)檢查，出現(xiàn)了尾纖、法蘭問(wèn)題紀(jì)要及時(shí)更換，確保露天線纜的安全穩(wěn)定。

5.3 曲線遠(yuǎn)端和實(shí)際長(zhǎng)度不符

曲線遠(yuǎn)端和實(shí)際長(zhǎng)度不符一個(gè)重要的原因是光纖損耗過(guò)大或者光纖斷裂，在實(shí)際智能定位檢測(cè)工作中，要準(zhǔn)確找到這些故障點(diǎn)，對(duì)于光纖斷裂情況要檢測(cè)接頭位置，一旦發(fā)現(xiàn)接頭沒(méi)接好，就需要打開接頭盒，進(jìn)行仔細(xì)排查，如果接頭沒(méi)有問(wèn)題，就要將光纖纏繞在手指上，對(duì)光纖型號(hào)衰減測(cè)試，如果出現(xiàn)信號(hào)異常情況，就要找到故障點(diǎn)的位置，如果還有異常信號(hào)，還需要纏繞手指，直到檢查出故障點(diǎn)，在檢查的時(shí)候，要格外的仔細(xì)，按照規(guī)范操作流程來(lái)，及時(shí)將熔斷點(diǎn)或者斷裂點(diǎn)，及時(shí)修復(fù)，保障通信光纖線路暢通安全。

6. 總結(jié)

綜上所述，通信光纜線路中故障點(diǎn)智能定位檢測(cè)對(duì)保障信號(hào)傳輸至關(guān)重要，光時(shí)域反射儀作為重要的檢測(cè)工具，值得推廣應(yīng)用，通過(guò)本文的分析，在實(shí)際故障點(diǎn)定位檢修中，通信專業(yè)技術(shù)人員要學(xué)會(huì)運(yùn)用光時(shí)域反射儀數(shù)據(jù)參數(shù)，通過(guò)小波變化模極大值進(jìn)行光信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)光脈沖信號(hào)的不失真，從而準(zhǔn)確找出故障點(diǎn)，做出及時(shí)處理，保障通信光纜線路傳輸暢通。

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