多形態(tài)OTDR光纜監(jiān)測設備通訊接口設計與實現

胡光雄 劉偉 王傳志

摘要：隨著5G等網絡應用的深入推進，承栽業(yè)務的光纜總量還在不斷增大。光纖作為網絡傳輸的主要媒介，其在網運行質量直接影響到上層網絡的健康性、可靠性和穩(wěn)定性。光時域反射儀OTDR （Optical Time-Domain Reflectometer）是一種檢測光纖是否存在斷裂、接頭耦合性不佳、介質非均勻性等缺陷的檢測儀，主要包括用于臨時測試的手持式便攜型和24 h實時在線監(jiān)測型兩大類。面向光纜OTDR手持式測試儀設計通用型通信接口程序，建立一套基于SOR數據文件的通信流程和解析方法，針對實時在線監(jiān)測型檢測設備以SOCKET實現定制化的網絡化接口程序，針對離散的OTDR光纜監(jiān)測設備建立系統(tǒng)化的采集接口系統(tǒng)，實現了將多形態(tài)OTDR光纜監(jiān)測的原始測試數據解析后集中推送到上層光纜質量應用分析系統(tǒng)的功能。該接口系統(tǒng)在某局的試點應用結果表明：接口運行穩(wěn)定，應用效果良好，對光纜的運行監(jiān)測具有現實意義。

關鍵詞：OTDR;光纖;通訊接口：光纜監(jiān)測

中圖分類號：TN913.33;TP316

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（ 2022） 02-0106-03

0 引言

20世紀60年代，光纖通信首次被高錕等人提出并被廣泛應用到光通信領域。隨著高清視頻業(yè)務的普及，移動通信技術開始向5G （5th Ceneration Mobile Communica-tion Technology）的邁進，5G等新形態(tài)網絡應用被大范圍的推進商用，通信網絡的流量需求持續(xù)攀升，光纜作為通信網絡最主要的傳輸媒介，其應用規(guī)模在不斷增長。全球90%以上數據信息都需要借助光網絡進行傳輸與交換，利用5G+4K/8K VR直播、工業(yè)互聯網等獲得迅猛發(fā)展，互聯網流量需求呈現十倍甚至百倍的增長勢頭，互聯網數字洪流時代已經開啟。

光纖作為網絡傳輸的主要媒介，其在網運行質量直接影響到上層網絡的健康性、可靠性和穩(wěn)定性。針對光纖的檢測研究，國外學者運用分叉理論推導光纖舞動方程近似解并討論分叉臨界條件以及提出偏心慣性耦合失穩(wěn)機理，國內學者進行了基于受激布里淵效應的分布式光纖傳感器件的研究，提出一種基于正交雙頻探測光的BOTDR傳感技術，有效地解決BOTDR技術中出現泵浦脈沖頻譜畸變的問題[1-6]。

現階段對光纜進行質量檢測主要是通過光時域反射儀OTDR （Optica Time-Domain Reflectometer）來檢測光纖是否存在斷裂、接頭耦合性不佳、介質非均勻性等缺陷，主要包括用于臨時測試的手持式便攜型和24 h實時在線監(jiān)測型兩大類。本文面向光纜OTDR手持式測試儀利用JAVA設計通用型通信接口程序，建立一套基于SOR數據文件的通信流程，再以JAVA的SOCKET實現定制化的實時在線監(jiān)測型檢測設備的接口程序，以建立多形態(tài)的多形態(tài)的OTDR光纜監(jiān)測設備通訊接口系統(tǒng)。

1 光時域反射技術

1.1 技術原理

光時域反射（ OTDR）技術是目前用于檢測光纜纖芯是否存在損耗特性的一種探測技術，由于沿途地震、臺風、雷擊、舞動、覆冰、桿塔傾斜、偷盜、竊聽等外部因素，借助OTDR技術檢測光纜的質量是一種有力技術手段，結合CIS等技術能夠方便地實現空間故障定位分析。OTDR的基本工作原理是：借助雙向耦合器將探測脈沖光注入被測光纖通路中，由于該脈沖光在光纖介質中將向前傳輸的同時還會產生背向瑞利散射光，利用雙向耦合器將這些背向瑞利散射光耦合到光電檢測電路中，通過返回的信號來分析和判斷光纖承載業(yè)務的質量情況[7-8];

假設脈沖光從光纖的起始端到接收到該脈沖光在光纖中某處的瑞利散射光所需要的時間為t，在t時間內脈沖光從起始端至該處實際上往返傳播了一次，那么該位置到光纖起始端的距離L為：

由式（4）可知，經過OTDR探測的結果將轉為光纖沿線瑞利散射曲線，通過這條曲線可直觀表達出該光纖纖芯通路起止端沿線的損耗情況。通過這些曲線的變化特征能夠直觀反映出光纖的熔接點、接頭、裂紋甚至斷點等異常情況時，從而用來檢測光纖是否存在斷裂、接頭耦合性不佳、介質非均勻性等缺陷。

圖1所示為典型的OTDR曲線的變化特征反應在光纖上典型的缺陷點的對應的關系。圖中縱軸是光功率的衰減值，橫坐標為光纜的距離。

1.2 OTDR系統(tǒng)結構

OTDR探測設備結構如圖2所示，在脈沖發(fā)生器的驅動下光源產生有規(guī)律的探測脈沖光，探測脈沖光通過定向耦合器從起始端面射入被測光纖通路，在被測光纖中產生的背向瑞利散射和反射信號經過定向耦合器輸出到光電探測器中，通過光電探測器捕獲并輸出信號，對該信號經放大和模數轉換后經形成探測結果信號，最終將該數字信號處理成以橫坐標為光纜的距離、縱坐標為衰減值的二維數據集，實現對被測纖芯以距離為單位的衰耗特征的定位[9]。由于OTDR直接探測背向瑞利散光的規(guī)律，光源輸出功率越高，背向散射信號就越強，因此，應根據被測纖芯的纖芯通路的距離選擇合適的光源輸出功率。

2 通信接口設計

2.1 整體接口系統(tǒng)架構

系統(tǒng)整體接口架構包括三層：傳感層、采集層、應用層，其中傳感層主要包括用于臨時行測試用的手持式OTDR測試儀和安裝于機房并與固定光纖連接的24 h實時在線OTDR設備。因此，采集OTDR數據要采取兩種手段。首先，當前階段手持式OTDR測試儀不具備網絡通信能力，更無法提供標準化的二次開發(fā)接口，因此，手持式OTDR測試儀將通過其數據導出功能，將測試結果導出為SOR數據文件，并通過解析服務器，將SOR中的數據解析處理，送達到采集層的采集服務器。其次，針對實時在線OTDR往往提供二次開發(fā)接口，將該OTDR通過網絡與實施在線設備采集服務器建立網絡連接，通過調用二次開發(fā)的API接口實現可動態(tài)調用的數據采集。當采集層完成數據解析和采集后，將所有不同來源的OTDR原始數據通過網絡傳送到上層應用服務器的數據庫，供上層應用系統(tǒng)進行圖形化分析和呈現。

2.2 手持終端型接口設計

手持式OTDR測試儀完成測試后將自動生成SOR數據文件，該文件通過USB口導出到制定U盤后上傳至SOR數據解析服務器。由于SOR數據文件保存了測試結果的原始數據，該數據量十分龐大，為了減輕數據解析的壓力，提升數據解析效率，減輕電腦終端或手機APP端的數據呈現效率，數據解析服務將利用道格拉斯抽稀算法對數據進行壓縮處理。該算法是一種將OTDR曲線近似表示為一系列點，并減少點的數量的一種算法，該算法的原始類型分別由烏爾斯·拉默（Urs Ramer）于1972年以及大衛(wèi)·道格拉斯（David Douglas）和托馬斯·普克（Thomas Peucker）于1973年提出，并在之后的數十年中由其他學者予以完善。SOR數據文件的處理過程如下：

（1）將OTDR曲線首尾兩點連接形成直線AB;

（2）在OTDR曲線中檢索離該直線段距離最大的點C，并通過計算獲得點C與到直線AB的距離D;

（3）預先設定閾值T，通過計算獲得距離D與T的差S;

（4）當S≥T時，則用C點將該曲線分割成AC和BC兩段，并將AC和BC兩段分別再按步驟（1）～（3）的操作;

（5）當S

（6）以上步驟完成后依次將各個分割點連接并形成折線，最終就快速形成能反應OTDR衰耗特征的近似曲線。

通過以上算法的應用，縮短了對原數OTDR測數據解析所需的時間，也為后續(xù)的數據存取和應用呈現提高了效率。

2.3 實時在線型接口設計

由于OTDR光源、傳感器等核心部件比較昂貴，而需要被檢測的光纜纖芯數量很龐大，為了減少光纜檢測是應用成本，需要將實時在線實時在線型OTDR進行適當改進，增加光開關（OSW），實際測試時能夠根據上層應用系統(tǒng)的指令自動切換被測光纖，實現1：Ⅳ的探測需求。因此，數據采集服務器TCP網絡協議與主控卡進行通信，主控卡根據指令控制光開關（OSW），最后光開關（OSW）與OTDR模塊建立鏈接，在采集服務配置好OTDR監(jiān)測參數，譬如測試量程、測試脈寬、測量時間、群折射率、結束門限、非反射門限等參數后，通過Socket與OTDR模塊建立動態(tài)通信，發(fā)送相關測試指令到OTDR模塊，并由OTDR模塊返回測試結果給采集服務器[12-13]。

3 系統(tǒng)實現與應用

采用基于Windows操作系統(tǒng)的JAVA開發(fā)語言和以SQLServer2012SP1作為原始數據和解析結果的數據庫完成接口系統(tǒng)的開發(fā)，主要完成了接口參數界面的設計、各種OTDR硬件驅動程序的封裝、二次開發(fā)和算法設計，針對手持式OTDR測試儀和實時在線OTDR設備實現配套的接口，圖4-5為部分系統(tǒng)解析出來的OTDR分析結構曲線。

通過以上OTDR接口采集到數據后傳送到上層應用系統(tǒng)數據庫，通過上層應用系統(tǒng)進行分析后可通過圖形化方式呈現OTDR衰耗曲線。圖4所示為某運營商單條纖芯通路的OTDR的衰耗曲線圖，圖5所示為某運營商一條承載5G業(yè)務的光纜段中多條纖芯批量測試的OTDR的衰耗曲線圖。從這些衰耗曲線圖中能夠直觀呈現光纜的衰耗特征，同時也看出同一條光纜內不同纖芯的衰耗僮不完全一致，這為光路調度時選擇優(yōu)質纖芯通路提供了直觀有效的篩選手段[14-16]。

該系統(tǒng)已經在多個運營商及電力通信企業(yè)投入使用，接口系統(tǒng)完成了承載5G或其他通信業(yè)務的光纜質量檢測任務，節(jié)省了大量的人力物力，在很大程度上提高了光纜現場質量監(jiān)測的效率，保障了光路調度的質量，為光纜業(yè)務的可靠、穩(wěn)定運行提供有力保障。

4 結束語

本文設計并實現了一套多形態(tài)OTDR光纜監(jiān)測設備通訊接口設計方案，針對不同的手持式OTDR儀表和實時在線的OTDR設備分別實現了通訊接口，整套接口方案實現了與上層應用系統(tǒng)的對接，經實際生產應用檢驗，整套接口方案對下實現了穩(wěn)定的設備層數據采集功能，對上層應用系統(tǒng)實現了可靠的原數數據推送的能力，通過圖形化手段呈現光纜是否存在斷裂、接頭耦合性不佳、介質非均勻性等不良情況，為承載運營商5G業(yè)務、廣電乃至電網等通信業(yè)務提提了直觀有效的篩選手段。

本文所述方案需要將手持式OTDR儀表的測試結果導出為SOR數據文件，并將該文件通過第三方載體（譬如U盤）導入到系統(tǒng)進行解析，在操作方便性方面存在一定的障礙，在實際的光路業(yè)務調度時反應及時性還不夠。因此，建議在現有研究成果的基礎上進一步研究手持式OTDR儀表與接口服務器建立實時對接的可行性，不斷提升接口服務的便利性和及時性。

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