基于COTDR技術(shù)的光纖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳凌希，秦 蒙*，李 宏，曹美卿

(1. 重慶電力高等專科學(xué)校，重慶 4000532； 2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司合川供電分公司，重慶 401520)

0 引言

隨著國(guó)家電網(wǎng)“三型兩網(wǎng)”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，電力通信網(wǎng)已逐步發(fā)展成為智能電網(wǎng)不可或缺的重要組成部分，是電力信息化平臺(tái)建設(shè)的重要支撐，是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和保障。電力通信網(wǎng)作為電網(wǎng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在提高電網(wǎng)企業(yè)信息化水平等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前，電力通信網(wǎng)的通信方式主要包括光纖通信、電力線載波通信、微波通信及衛(wèi)星通信等。基于電網(wǎng)運(yùn)行對(duì)通信系統(tǒng)在穩(wěn)定、高效、實(shí)時(shí)等方面的特別要求，目前，電力通信網(wǎng)以光纖通信為主，主要承載著電力生產(chǎn)中的變電站監(jiān)控及信息化建設(shè)等直接關(guān)系著電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要業(yè)務(wù)[1，2]。目前，電力通信網(wǎng)中光纖故障的處理主要依靠光端機(jī)告警，結(jié)合運(yùn)維人員的工作經(jīng)驗(yàn)，人工判斷是設(shè)備故障還是線路故障。如果發(fā)現(xiàn)是線路故障，再利用儀器設(shè)備進(jìn)行故障定位。參與故障處理的人員多，整個(gè)過(guò)程工作量大，處理環(huán)節(jié)多，自動(dòng)化程度低，效率不高，對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行有較大影響。目前采用的預(yù)防工作主要是通過(guò)定期對(duì)光纖進(jìn)行測(cè)試，人工分析測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)光纖性能的變化。事實(shí)上，光纖傳輸性能的漸變是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要分析長(zhǎng)期積累的測(cè)試數(shù)據(jù)才能發(fā)現(xiàn)光纖隱患。而這個(gè)過(guò)程工作量大、效果也不甚理想。目前，光纖監(jiān)測(cè)主要依靠傳統(tǒng)的光時(shí)域反射技術(shù)(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)技術(shù)，用于測(cè)量光纖的衰減和損耗、故障點(diǎn)位置、光纖的長(zhǎng)度以及光纖損耗點(diǎn)的分布情況等，但是該類系統(tǒng)存在測(cè)試操作復(fù)雜、監(jiān)測(cè)距離存在衰減盲區(qū)和事件盲區(qū)、長(zhǎng)距監(jiān)測(cè)誤差大以及不能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)光纖傳輸性能變化等缺點(diǎn)[3]。在此背景下，本文研究設(shè)計(jì)了一種基于COTDR光纖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以有效提高光纖管理和維護(hù)的自動(dòng)化水平，變被動(dòng)維護(hù)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，給維護(hù)人員提供預(yù)警機(jī)制，提高人員對(duì)故障的快速反應(yīng)能力，提高通信鏈路的運(yùn)行率，對(duì)提高光纖網(wǎng)絡(luò)資源的利用率有著較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 基于COTDR技術(shù)的光纖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)勢(shì)

1.1 COTDR技術(shù)原理

通信線路中通常使用摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA)等光放大器來(lái)補(bǔ)償信號(hào)光的傳輸損耗，進(jìn)而使通信線路延伸到數(shù)千甚至上萬(wàn)公里的距離，增強(qiáng)通信效率。但摻餌光纖放大器對(duì)信號(hào)光進(jìn)行功率放大的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的自發(fā)輻射放大噪聲。而由于OTDR采用的是直接功率探測(cè)方式，對(duì)通信線路中EDFA產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲(Amplified Spontaneous Emission，ASE)噪聲功率與背向瑞利散射信號(hào)功率無(wú)法區(qū)分，從而造成系統(tǒng)測(cè)量的信噪比大幅降低。同時(shí)，在多個(gè)EDFA級(jí)聯(lián)的通信線路中，ASE噪聲會(huì)持續(xù)加強(qiáng)，從而使OTDR無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)到瑞利散射信號(hào)，對(duì)通信線路的監(jiān)測(cè)效果將大打折扣甚至完全失效。而相干光檢測(cè)技術(shù)(Coherent Optical Time Domain Reflectometer，COTDR)通過(guò)相干光進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以將微弱的瑞利散射信號(hào)從較強(qiáng)的ASE噪聲中提取出來(lái)，確保對(duì)長(zhǎng)距離通信線路的監(jiān)測(cè)效果[4]。

COTDR系統(tǒng)在用于探測(cè)的信號(hào)光基礎(chǔ)上增加了用于與信號(hào)光進(jìn)行相干探測(cè)的參考光。耦合器將信號(hào)光與參考光耦合到光電探測(cè)器中，光電探測(cè)器將信號(hào)光和參考光耦合時(shí)產(chǎn)生的差頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)濾波器濾波，放大器放大，即可獲得信號(hào)光與參考光的差頻信號(hào)。在COTDR系統(tǒng)中，信號(hào)光即為探測(cè)光波在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生的背向瑞利散射信號(hào)，參考光則由激光光源通過(guò)耦合器分出的一部分光波充當(dāng)，如圖1所示。為了使信號(hào)光與參考光存在頻率差，通常利用聲光調(diào)制器的衍射效應(yīng)對(duì)信號(hào)光進(jìn)行移頻處理。同時(shí)，實(shí)際從單模光纖中不同位置產(chǎn)生的信號(hào)光的偏振態(tài)并不相同，為了有效避免由于從光纖中某些位置產(chǎn)生的信號(hào)光的偏振態(tài)與參考光的偏振態(tài)失配而導(dǎo)致相干檢測(cè)失敗，在COTDR系統(tǒng)中，一般需要擾亂信號(hào)光或參考光的偏振態(tài)，并經(jīng)多次測(cè)量以獲得信號(hào)光與參考光在不同偏振態(tài)匹配條件下的平均相干檢測(cè)結(jié)果[5]。

圖1 COTDR技術(shù)原理

1.2 COTDR技術(shù)對(duì)比OTDR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

本文在深入研究OTDR和CODTR技術(shù)的工作原理上，總結(jié)二者的技術(shù)特點(diǎn)及各自優(yōu)缺點(diǎn)，制定針對(duì)基于COTDR的光纖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案與基于OTDR技術(shù)基于光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的異同點(diǎn)如圖2和表1所示。

圖2 COTDR與OTDR核心技術(shù)對(duì)比

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于COTDR技術(shù)的光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由光纖在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、光纖監(jiān)控控制軟件及云端服務(wù)器中心組成。系統(tǒng)可根據(jù)調(diào)制信號(hào)在單模光纖中的衰減和反射來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖指紋信息生成，結(jié)合系統(tǒng)光纖衰耗曲線功能，使用經(jīng)過(guò)獨(dú)特編碼調(diào)制的連續(xù)的弱激光脈沖組，接收反射回來(lái)的檢測(cè)脈沖組，系統(tǒng)解調(diào)之后，得到光鏈路的指紋信息，包括光纖長(zhǎng)度、損耗、接頭、故障位置等信息，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與運(yùn)維的效果。

其中，光纖在線監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由CPU核心處理模塊、FPGA模塊和雙電源模塊3大部分構(gòu)成，而FPGA模塊又包含連續(xù)脈沖發(fā)生器、激光器、耦合器及光檢測(cè)器等部分組成。其中，CPU核心處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，選用Atmel公司的AT91 微處理器系列產(chǎn)品SAM9X25為CPU核心處理模塊的處理器，主要負(fù)責(zé)接收光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等操作。FPGA模塊采用的是Xilinx公司的 Spartan-6系列的 FPGA處理器，其主要通過(guò)模塊集成的耦合器、激光器及脈沖發(fā)生器等核心部件，完成系統(tǒng)光波的發(fā)送與接收以及信號(hào)的調(diào)制解調(diào)等操作。雙電源模塊提供2路-48V直流電源接口，可單獨(dú)供電，支持兩個(gè)電源單元相互熱備份，確保供電的高可靠性。

表1 COTDR與OTDR詳細(xì)功能對(duì)比

光纖監(jiān)控控制軟件選擇Linux操作系統(tǒng)作為CPU核心處理模塊的板載操作系統(tǒng)。控制軟件具有簡(jiǎn)單直觀的圖形化操作界面，有較好的可操作性和可維護(hù)性，使用簡(jiǎn)潔方便。軟件在運(yùn)行過(guò)程中，完成MCU的初始化，板卡各種外圍硬件芯片的初始化，與設(shè)備內(nèi)部的FPGA通信，實(shí)時(shí)采集外部網(wǎng)絡(luò)的各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，將各種狀態(tài)處理后與上層網(wǎng)管進(jìn)行通信。可以實(shí)現(xiàn)光纖實(shí)時(shí)物理特性監(jiān)測(cè)診斷、光纖業(yè)務(wù)線路自動(dòng)切換保護(hù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)判別處理及WDM波分復(fù)用多波合解波等操作。其系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示。

圖3 控制軟件系統(tǒng)構(gòu)架

云端服務(wù)器中心完成數(shù)據(jù)分析、判別及告警管理，通過(guò)歷史指紋信息對(duì)比，預(yù)測(cè)未來(lái)光纖物理參數(shù)變化，提前預(yù)警光纖故障，同時(shí)為光纖路由規(guī)劃提供重要依據(jù)。

3 系統(tǒng)主要組成

光纖智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是通過(guò)相干光時(shí)域反射技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)光纖物理狀態(tài)，從而得到光纖的指紋信息，包括光纖長(zhǎng)度、衰耗、接頭及故障位置等。光纖智能監(jiān)測(cè)運(yùn)維系統(tǒng)由獨(dú)立的監(jiān)測(cè)設(shè)備、無(wú)源波分模塊、智能網(wǎng)管軟件及服務(wù)器構(gòu)成。其監(jiān)測(cè)設(shè)備主要收集光纖資源的物理數(shù)據(jù)信息，包括光纖長(zhǎng)度、衰耗、接頭及故障位置等，然后監(jiān)測(cè)設(shè)備將監(jiān)測(cè)的光纖數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)管服務(wù)器端，服務(wù)器上的網(wǎng)管軟件進(jìn)行指紋數(shù)據(jù)的對(duì)比、分析，自動(dòng)告警，告警信息通過(guò)聲音、短信、郵件等方式通知運(yùn)維人員。同時(shí)存儲(chǔ)告警信息的原始數(shù)據(jù)，并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析預(yù)警光纖隱患。無(wú)源波分模塊采用無(wú)源器件，業(yè)務(wù)波和監(jiān)測(cè)波通過(guò)無(wú)源波分模塊進(jìn)行合/解波，二者共同在業(yè)務(wù)光纖中傳輸，互不影響，對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期可視化監(jiān)測(cè)而不影響數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)光纖實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)無(wú)源波分模塊的合/解波功能，實(shí)現(xiàn)多段光纖的級(jí)聯(lián)監(jiān)控，節(jié)省監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)端口；智能網(wǎng)管軟件及服務(wù)器對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備收集的光纖物理信息進(jìn)行分析，形成光纖指紋、數(shù)據(jù)管理，在網(wǎng)管軟件上顯示故障及告警，并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析預(yù)警光纖隱患。

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備

監(jiān)測(cè)設(shè)備在接入光纖資源后，通過(guò)監(jiān)測(cè)模塊發(fā)出的監(jiān)測(cè)波實(shí)時(shí)收集光纖物理信息，其主要包括光纖長(zhǎng)度、衰耗、接頭及故障位置等。監(jiān)測(cè)設(shè)備支持4個(gè)通道同時(shí)工作，可以實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，提供持續(xù)的監(jiān)控和故障定位(自動(dòng)告警)，實(shí)時(shí)精確地傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，最高分辨率可達(dá)10 m。此外，監(jiān)測(cè)設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城域網(wǎng)或者骨干網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期的可視性監(jiān)控而不影響業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作波長(zhǎng)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的1 625 nm測(cè)試波長(zhǎng)，可提供100 km長(zhǎng)距的監(jiān)測(cè)方案，雙向?qū)y(cè)可達(dá)200 km。

3.2 智能網(wǎng)管軟件及服務(wù)器

監(jiān)測(cè)設(shè)備將監(jiān)測(cè)的光纖數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)管服務(wù)器端，服務(wù)器上的網(wǎng)管軟件進(jìn)行指紋數(shù)據(jù)的對(duì)比、分析、自動(dòng)告警，告警信息通過(guò)聲音、短信、郵件等方式通知運(yùn)維人員。同時(shí)存儲(chǔ)告警信息的原始數(shù)據(jù)，并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析預(yù)警光纖隱患。此外，網(wǎng)管軟件還具有遠(yuǎn)程管理能力，同時(shí)具有與電力綜合網(wǎng)管平臺(tái)對(duì)接接口，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控。通過(guò)比對(duì)存儲(chǔ)的歷史指紋信息，可以自動(dòng)判斷是否光纖故障，不需要人為判斷，并實(shí)時(shí)提供告警。

3.3 無(wú)源波分模塊

無(wú)源波分模塊采用無(wú)源器件，業(yè)務(wù)波和監(jiān)測(cè)波通過(guò)無(wú)源波分模塊進(jìn)行合/解波，二者共同在業(yè)務(wù)光纖中傳輸，互不影響。對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期可視化監(jiān)測(cè)而不影響數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)光纖實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)無(wú)源波分模塊的合/解波功能，實(shí)現(xiàn)多段光纖的級(jí)聯(lián)監(jiān)控，節(jié)省監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)端口。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托瑞利散射基本原理，在光時(shí)域反射技術(shù)OTDR的基礎(chǔ)上，使用相干光檢測(cè)技術(shù)COTDR解決傳統(tǒng)光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在衰減盲區(qū)和事件盲區(qū)、 長(zhǎng)距監(jiān)測(cè)誤差大以及不能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)光纖傳輸性能變化等問(wèn)題。整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試的結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)多段光纖橋接，在不影響業(yè)務(wù)的傳輸?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離，光纖運(yùn)維狀況7×24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)測(cè)試光纖長(zhǎng)度與實(shí)際測(cè)試長(zhǎng)度誤差不超過(guò)10 m，且系統(tǒng)最大監(jiān)測(cè)距離可達(dá)100 km，初步證明了基于COTDR技術(shù)的光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)定位光纖故障位置及長(zhǎng)度等方面具有高精度定位、誤差小的特性。