光纖監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王軼鍇，陳 偉，楊振昊

（武漢市郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢 430074）

隨著光網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，需要快速測試并獲取通信光纖中的參數(shù)。光時(shí)域反射儀 (OTDR，Optical Time Domain Reflectometer),是光纖中光信號的背向散射原理制成，用于檢測光纖長度，測量光纖固有損耗和光纖斷點(diǎn)的儀器。由于OTDR測量僅需要光纖單端口且非破壞性，相對于剪斷法和插入損耗法[1]有巨大的優(yōu)勢；較高的精確度，最多可以在21 m的單模光纖上實(shí)現(xiàn)0.7 m的分辨率[2]；因此被廣泛用于光網(wǎng)絡(luò)的測試與維護(hù)中。

1 OTDR的基本原理

OTDR模塊示意圖如圖1所示。

圖1 OTDR模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of digital OTDR block

OTDR模塊主要分為脈沖信號產(chǎn)生單元、信號檢測與分析單元、顯示與存儲單元。有激光器產(chǎn)生光脈沖信號，通過耦合器將光脈沖信號耦合進(jìn)待測光纖，然后在同一端口檢測光纖沿軸的背向散射光信號，并根據(jù)時(shí)基單元來確定測試光脈沖與后向散射光脈沖的時(shí)間差，來判斷光纖的故障點(diǎn)和光纖長度。

光纖事件點(diǎn)距離測量端口的距離由式(1)決定[3]：

c為光纖在真空中的傳播速度，一般為3×108 m/s；Δt為測試光脈沖和散射光脈沖相隔的時(shí)間差；n為纖芯群折射率。

光纖的衰耗[4]由公式(2)定義：

α為光纖損耗，單位dB/km；A為光信號的總衰耗；L為光信號傳輸?shù)木嚯x，p1為入射光信號的功率強(qiáng)度，p2為散射光信號功率強(qiáng)度，單位為dBm；l為事件點(diǎn)距離測試端口的距離，單位km。

典型的OTDR曲線形式如圖2所示。

圖2 典型的OTDR測試曲線示意圖Fig.2 Typical curve measured by OTDR

各段解釋如下：

a:光纖入射端面引起的菲涅爾反射峰。

b:正常光纖段中均勻損耗引起的瑞利散射曲線。

c:異常光纖段引起的高損耗區(qū)。

d:光纖段斷裂處引起的菲涅爾反射，反射峰值的大小表征損壞程度。

e:光纖末端引起的菲涅爾脈沖。

2 光纖鏈路監(jiān)測系統(tǒng)

光纖鏈路監(jiān)測系統(tǒng)用于對光網(wǎng)絡(luò)線路實(shí)時(shí)、連續(xù)的跟蹤和監(jiān)視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路中光纖的物理故障并對其定位，使網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員對故障采取及時(shí)和有效的反應(yīng)。本文所提出的光纖鏈路監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光纖鏈路監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Architecture of optical cable monitoring system

光纖監(jiān)測系統(tǒng)由中心服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)管理軟件、數(shù)據(jù)庫、通信服務(wù)器、微控制器、光開關(guān)和OTDR測試模塊組成。將光纖測試、網(wǎng)管告警與維護(hù)機(jī)制全面結(jié)合起來，通過對光纜的實(shí)時(shí)監(jiān)視、告警信息的自動(dòng)分析，自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的測試，對故障進(jìn)行定位，從而將障礙處理時(shí)間壓縮到最低，以最大限度的避免通信中斷造成的損失。

各級網(wǎng)管、監(jiān)測中心各負(fù)其責(zé)，中心監(jiān)測中心只對存在的重大問題進(jìn)行掌握，而各地區(qū)監(jiān)測中心一般承擔(dān)維護(hù)的主要任務(wù)。

主控模塊的啟動(dòng)示意圖如圖4所示。主控模塊中操作系統(tǒng)啟動(dòng)后對系統(tǒng)進(jìn)行自檢，檢測各模塊是否準(zhǔn)備就緒，并生成各模塊狀態(tài)信息，并試圖與上位機(jī)建立聯(lián)系，當(dāng)上位機(jī)與主控模塊建立聯(lián)系后，主控模塊進(jìn)入閑置狀態(tài)，等待系統(tǒng)管理軟件的測試命令和控制指令。控制命令包括改變光開關(guān)的位置，修改控制模塊IP地址，上傳底層模塊的全部信息等；由于在模塊正在測試的過程中不允許改變光開關(guān)的位置，在主控模塊中程序的運(yùn)行中必須加入保護(hù)機(jī)制，同時(shí)也要對超時(shí)測量進(jìn)行系統(tǒng)重置，以保護(hù)系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

本地監(jiān)測模塊連接的示意圖如圖5所示。

本地模塊主要由OTDR模塊、光開關(guān)[5](OSW)，耦合器組成。在每次測量后將測試數(shù)據(jù)上傳到通信服務(wù)器，并由通信服務(wù)器上傳給中心服務(wù)器存儲。本地OTDR模塊使用串行線接口來控制光開關(guān)，以此來切換當(dāng)前被測光纖線路。采用兩級光開關(guān)是為了便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。系統(tǒng)所下達(dá)的測試指令參數(shù)包括：測量模式(平均模式/實(shí)時(shí)模式)、刷新周期、測試波長、測試量程、測試脈寬，待測光纖折射率、結(jié)束門限和非反射門限等。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖4 主控模塊啟動(dòng)流程圖Fig.4 Flow-process diagram of control module

圖5 測試模塊與待測光纖連接示意圖Fig.5 Measurement module and the optical cable measured

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of system software

系統(tǒng)管理軟件的基本功能包括系統(tǒng)管理、配置管理、故障管理、性能管理、安全管理和賬戶管理[6]。

客戶端軟件與中心數(shù)據(jù)相連使得監(jiān)控網(wǎng)系統(tǒng)管理員能夠查詢到以往線路測量的信息；同時(shí)客戶端軟件也能夠與通信服務(wù)器交互，使得管理系統(tǒng)能夠通過通信服務(wù)器遠(yuǎn)程對測試模塊發(fā)出測試請求，使本系統(tǒng)不但能夠滿足系統(tǒng)智能監(jiān)控的要求，在必要時(shí)也可以通過人為方式進(jìn)行遠(yuǎn)程測量。這樣的軟件結(jié)構(gòu)滿足監(jiān)控網(wǎng)集中管理不在同一地區(qū)復(fù)雜光網(wǎng)絡(luò)線路的需求。

3 結(jié)束語

文中提出的光纖線路監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合光開關(guān)、微處理器、OTDR測試模塊、以太網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將單個(gè)OTDR測試模塊組建成測試系統(tǒng)，能夠在不斷開網(wǎng)絡(luò)通信的前提下，對目標(biāo)光纖段進(jìn)行跟蹤；通過光開關(guān)及耦合器將測試光信號耦合進(jìn)不同的光纖，極大提高了單個(gè)OTDR模塊的利用率。結(jié)合系統(tǒng)管理軟件的設(shè)置，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠滿足目前復(fù)雜光網(wǎng)絡(luò)智能實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測光網(wǎng)絡(luò)物理故障的要求。

[1]孫圣和，王廷云，徐影.光纖測量與傳感技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[2]Shatalin S V,TreschikovV N，RogersA J.Interferometric optical time-domain reflectometry for distributed optical-fiber sensing[J].Appl.Opt,1998(37):5600-5604.

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[4]劉德明,向清,黃德修.光纖光學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.

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[6]康晨.OTDR遠(yuǎn)程光纜集中監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2007.