基于OTDR 的光纜自動監(jiān)測定位中減少盲區(qū)影響的智能測試方法

［王強 房瑜丹］

1 引言

傳統(tǒng)的光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)中，當光功率告警產(chǎn)生時，光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)中的主控模塊會驅(qū)動OTDR 模塊對監(jiān)測光纖使用參考曲線的測試參數(shù)進行測試，然后用該測試曲線與參考曲線進行比較分析，從而得到告警位置[1]。

然而實際情況是，當監(jiān)測光纖發(fā)生斷裂后，其長度就發(fā)生了改變，原來的測試脈寬很可能就不再適合當前斷裂后的線路。特別地，當100 km 以上的光纖斷裂成了幾百米的光纖，原先測試100 km 以上使用的測試脈寬用來測試幾百米的光纖時，就會導致測試出來的OTDR 曲線盲區(qū)過大，拖尾嚴重而分析不出準確的光纖長度，從而無法準確定位告警位置。

針對上述情況，很有必要選用符合當前斷纖的測試脈寬再次進行第二次測試，以便能準確確定斷纖位置。最顯而易見的做法是對于不同長度的光纖配置一個典型的測試脈寬，但是這種做法忽略了兩個前提：一是當監(jiān)測光纖發(fā)生斷裂時，原有的測試參數(shù)下OTDR 可能得不到可靠的光纖鏈長，此時根據(jù)該實際纖長來選擇測試脈寬的前提條件就不存在。二是在實際的光纜監(jiān)測中，待測光纖一般劣化嚴重，這種不考慮光纖實際損耗的測試脈寬可能滿足不了測試需要的動態(tài)范圍而測試不了該光纖，從而導致測試結(jié)果異常。

在光纜自動監(jiān)測領域，用戶不僅關注告警定位位置的精度，同時還關注告警的響應時間。如何以有限的時間快速確定最優(yōu)且實際有效的測試脈寬，從而在告警定位精度和告警響應時間上達到一個合理的平衡，這是一個很有實用價值的問題。

2 基于OTDR 的光纜自動監(jiān)測原理

2.1 OTDR 盲區(qū)產(chǎn)生的原理及影響

光時域反射儀（OTDR，Optical Time Domain Reflectometer）是發(fā)射光脈沖并檢測其在光纖傳輸過程中產(chǎn)生的瑞利散射和菲涅爾反射的光電一體化精密儀表。由于光纖中菲涅耳反射的光強度比瑞利后向散射的光強度高104 倍左右，OTDR 檢測器的核心部件雪崩光電二極管（APD）受高強度的菲涅爾反射光的影響，進入到飽和狀態(tài)，需要一定時間才能恢復到正常狀態(tài)。在檢測器恢復期間，OTDR 不能準確檢測光信號，導致在一定距離內(nèi)的OTDR曲線無法反映光纖線路的衰減信息，于是測試結(jié)果中出現(xiàn)了盲區(qū)。

OTDR 盲區(qū)理論上的長度跟光脈沖寬度和APD 的性能有關[2]，因為APD 集成在OTDR 模塊中，我們這里只討論OTDR 外部測試參數(shù)的光脈沖寬度。理想情況下，盲區(qū)可以近似認為是在脈沖寬度時間內(nèi)光信號沿光纖傳播的距離，如公式（1）所示。

其中，式中L 代表盲區(qū)長度，C 代表光速，n 代表光纖折射率，τ 代表脈沖寬度，由此可見，OTDR 理論上的盲區(qū)與其測試的脈沖寬度成正比，即脈沖寬度越大，盲區(qū)也越大。盲區(qū)帶來的危害是反射事件點后方的一段長度的光纖無法被探測到。但是，脈沖寬度控制著注入光纖的光能量，脈寬大接收到的后向散射信號就強，有利于測試更長的光纖。在實際使用OTDR 測試光纖的過程中，常常需要人工根據(jù)測試光纖的長度和光纖損耗的情況來選取合適的脈寬，即測試短距離用小脈寬檔，測試長距離用大脈寬檔。

2.2 基于OTDR 的光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)

光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)通過實時監(jiān)測光纖狀態(tài)，當光纖發(fā)生故障時，能第一時間自動啟動OTDR 模塊進行測試分析，得出準確的斷纖位置，并將告警信息通過網(wǎng)絡傳輸給用戶，從而為用戶提供直觀、方便、快捷的光纖網(wǎng)監(jiān)控和管理工具，提高了網(wǎng)絡維護工作效率、大大縮短了故障時間。

傳統(tǒng)的光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)中的RTU（遠程測試單元）由主控模塊、光開關模塊、光功率模塊、OTDR 模塊以及電源模塊組成。主控模塊監(jiān)測控制和設置各模塊狀態(tài)，接收模塊狀態(tài)和反饋信息，根據(jù)各模塊信息進行告警邏輯分析，并通過網(wǎng)口與網(wǎng)管系統(tǒng)進行通訊；光功率模塊每隔一段時間測試待測光纖末端的接收光功率，一旦發(fā)現(xiàn)接收光功率值下降超過了告警門限，就會將光功率告警信息上報至主控模塊；光開關模塊負責為OTDR 模塊進行測試光路擴展，一旦主控模塊收到光功率模塊發(fā)出的光功率告警，主控模塊就會通知光開關模塊切換到告警光路上，以等待OTDR 模塊進行測試；OTDR 模塊接收主控模塊的測試命令并得到OTDR 測試曲線和光纖鏈路的事件點分析結(jié)果，并將OTDR 曲線和鏈路信息返回給主控模塊，由主控模塊將該測試曲線與其存儲的正常情況下的參考曲線進行對比分析，然后得出最終的告警位置，并通過網(wǎng)絡將該告警信息上報至網(wǎng)管系統(tǒng)。其工作原理流程圖如圖1 所示。

3 減小盲區(qū)影響的OTDR 告警定位方法

由圖1 我們可以看到，傳統(tǒng)的光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)中OTDR 模塊是使用參考曲線對應的測試參數(shù)對待測的光纖進行測試得到當前的實時OTDR 曲線，然后由主控模塊將其與光纖線路正常時的參考曲線進行比較分析而得出故障位置的，這種方法在大部分應用場景下是有效的。但是，當監(jiān)測的光纖比較長，而光纖發(fā)生斷裂的位置比較短時，就會出現(xiàn)因測試參數(shù)產(chǎn)生的OTDR 盲區(qū)從而影響告警精確定位的問題。為此我們提出并設計了一種縮短盲區(qū)的OTDR 告警定位方法，主要是在主控模塊中增加了自適應脈寬探測模塊，該模塊可以軟件實現(xiàn)，其方法步驟如下：

圖1 基于OTDR 的光纜自動監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理流程圖

（1）選用合適的測試參數(shù)對待測光纖進行OTDR 測試，并將得到的測試曲線作為參考曲線保存在主控模塊中。其中，參考曲線信息包括OTDR 測試參數(shù)、曲線點信息、事件點信息、鏈長以及鏈損耗等，OTDR 測試參數(shù)包括量程、波長、脈寬、折射率、非反射事件的門限和測試時長等；

（2）將OTDR 模塊所有測試參數(shù)條件下預先測得的對應動態(tài)范圍一一對應存儲于主控模塊中，OTDR 的動態(tài)范圍是OTDR 模塊的固有指標，它決定了OTDR 模塊在該測試條件下可測光纖的最大長度；

（3）當光功率告警產(chǎn)生時，光纜監(jiān)測系統(tǒng)中的主控模塊會驅(qū)動OTDR 模塊對待測光纖使用參考曲線的測試參數(shù)進行第一次測試，當能得到實際鏈長時，實際鏈長若小于參考測試線路的鏈長，則光纖斷裂，并以該實際鏈長作為斷纖告警位置。

（4）若參考曲線的測試參數(shù)導致OTDR 曲線盲區(qū)過大從而得不到實際光纖鏈長，則考察待測光纖末尾位置的損耗值，若低于噪聲水平，則光纖斷裂，并且說明原有測試脈寬不能精確定位斷纖位置，此時則進入智能選擇脈寬的步驟，以便進行第二次OTDR 測試。

（5）當發(fā)現(xiàn)光纖斷裂又無法精確定位時，依據(jù)參考測試線路特定位置點的累積損耗以及各測試參數(shù)下的動態(tài)值進行比較，優(yōu)選出適合斷裂后的測試線路的測試脈寬。即將當前測試線路的鏈損耗記為CurFiberLoss，將不同脈寬和不同測試時長的測試參數(shù)下測試得到的動態(tài)值記為Dynamic，選取步驟（1）中參考測試線路上的1km 位置的點并計算該點的累積損耗TotalLoss，該值可以在配置參考曲線時計算并保存在主控模塊中。然后將該值作為當前測試線路的鏈損耗，即CurFiberLoss=TotalLoss。

（6）遍歷該測試量程下的各脈寬，從最小脈寬開始尋找，比如5 ns，一直尋找到最大脈寬，比如20 μs，當Dynamic– CurFiberLoss– diff的值大于等于零時，即意味著找到合適測試線路的測試脈寬參數(shù)，停止尋找，其中，diff 為損耗余量記，diff 一般取為1～2 dB；

（7）用步驟（6）得到的測試線路的測試脈寬參數(shù)，對斷裂后的被測線路重新進行第二次OTDR 測試，依據(jù)新測試得到的OTDR 測試曲線與參考曲線的比較分析得到精確的斷纖告警位置。

4 試驗設計及論證分析

為驗證上述方法的有效性，我們設計了如下圖2 所示的簡化的實驗系統(tǒng)。

圖2 實驗系統(tǒng)原理框圖

它由一個OTDR 模塊、一個PC 端軟件以及一些測試光纖組成。PC 端軟件用來模擬主控模塊，它的主要功能包括通過網(wǎng)絡實現(xiàn)對OTDR 模塊的測試，參考曲線的配置保存以及自適應脈寬探測模塊的實現(xiàn)，這包括各測試參數(shù)下動態(tài)范圍的信息保存，參考曲線特定點的累積損耗的計算與保存以及自適應脈寬探測算法的實現(xiàn)等。

OTDR 模塊以G-Link 廠家TR300 型號為例，其光口接915 m G.652 光纖和100 km G.652 光纖（由兩盤50 km 的G.652光纖通過光纖活動連接器B連接組成），100 km G.652光纖接在915 m G.652 光纖后面，兩者用光纖活動連接器A連接在一起，通過拔掉光纖活動連接器A 來模擬長距離光纖斷裂成短纖的情況。PC 端的軟件界面如圖3 所示。

圖3 PC 端軟件主界面

在正常情況下，我們根據(jù)當前光纖總長（100 km+915 m）來選擇合理的測試參數(shù)，這里我們選擇量程180 km，脈寬5 μs，測試時長8 s 進行測試，測試完成后將得到的曲線作為參考曲線保存到本地。測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 180 km，5 μs 測試得到的參考曲線

然后，我們將915 m G.652 光纖與100 km G.652 光纖的光纖活動連接器A 斷開以模擬光纖斷裂成短纖的情況，此時OTDR 光口相當于只接了915 m G.652 光纖，再次以原來的測試參數(shù)，即量程180 km，脈寬5 μs，測試時長8 s進行測試，我們對得到的測試曲線進行了橫向放大，可以看到在A 標桿1 682 m 前出現(xiàn)了平頂，看不到任何事件，即由于該OTDR 模塊盲區(qū)的原因，其沒有找到準確的結(jié)束事件點，導致無法得到準確的光纖長度，如圖5 所示。

通過圖5我們發(fā)現(xiàn)測試曲線在原光纖末尾100.915 km附近都處于噪聲中，故我們啟動脈寬自動探測算法分析，我們在參考曲線的1 km 處計算該點的累積損耗為5.65 dB，即CurFiberLoss=5.65 dB。而該OTDR 模塊在180 km 量程下支持的測試脈寬有80 ns、160 ns、320 ns、640 ns、1 μs、5 μs、10 μs、20 μs 等，在波長為1 550 nm，測試時長為8 秒的前提下，其動態(tài)分別依次為9 dB、11 dB、13 dB、15 dB、17 dB、19 dB、22 dB、24 dB，根據(jù)Dynamic– CurFiberLoss– diff公式，我們?nèi)iff為1 dB，而CurFiber-Loss為5.65 dB，只要某測試脈寬對應的Dynamic 大于等于6.65 dB就可以滿足線路損耗，而80 ns 脈寬對應的動態(tài)為9 dB，從而確定80 ns 是最佳的測試脈寬。根據(jù)量程180 km，脈寬80 ns，測試時長8 s 對斷纖進行第二次OTDR 測試，我們對得到的測試曲線進行了橫向放大，可以看到由于脈寬的減小，該OTDR 模塊的盲區(qū)也隨著縮小，可以在測試曲線上明顯的看到最后一個反射事件，從而可以準確分析出光纖長度，實現(xiàn)斷纖告警的準確定位，測試結(jié)果如圖6 所示。

圖5 180 km，5 μs 測試斷纖得到的經(jīng)橫向放大的測試曲線

圖6 180 km，80 ns 二次測試斷纖得到的經(jīng)橫向放大的測試曲線

我們沒有從第一次的測試曲線中直接分析線路損耗，因為這比較復雜和耗時，同時由于盲區(qū)和拖尾的影響，這有時是個不可能的任務。我們通過從參考曲線的特殊點的累積損耗（這些值可以事先計算好并保存在本地）和當前曲線的測試結(jié)果來綜合推算出當前線路的有效鏈損耗，這有效節(jié)省了時間。再根據(jù)保存的各測試參數(shù)下的動態(tài)范圍，就可以查表得到適合該線路損耗的最佳的測試脈寬，通過開啟再次測試來達到減小盲區(qū)的目的。

5 結(jié)束語

工程實際中，由于OTDR 中信號放大電路的非理想特性和電路中各種噪聲疊加以及信號處理方法不同等其它因素的影響，實際其表現(xiàn)出的盲區(qū)比理論上的要大，所以OTDR 模塊中有很多降低盲區(qū)擴寬的方法[3～5]，但是，OTDR 理論盲區(qū)長度是固有存在的，是不可消除的，本文提出了一種基于OTDR 的光纜自動監(jiān)測定位中縮短盲區(qū)影響的方法，即增加自適應脈寬探測模塊，智能而快速的選出適合斷纖線路對應OTDR 的最優(yōu)的測試脈寬，然后用新的測試脈寬進行第二次自動測試，從而實現(xiàn)更精確的告警定位。這種方法能避免因為待測光纖斷裂后OTDR 模塊使用原先測試脈寬而引起的盲區(qū)過大以及引發(fā)的拖尾問題，從而提高光纜斷裂告警定位的準確性。同時又由于其簡單有效，便于軟件實現(xiàn)，可以在系統(tǒng)集成時不必選擇盲區(qū)指標更好更昂貴的OTDR 模塊，具有較好的經(jīng)濟效益。該方法已經(jīng)應用到研發(fā)的光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)中，在實際的運營中取得了良好的效果。