光纤劣化分析技术研究 - 信息谷 - ICITU

[摘 ;要本文通过对光纤劣化的现状进行分析，提出了提高对非反射事件的检测精度的要求。首先，介绍了OTDR的工作原理及其检测曲线的特点，根据曲线特点不同，利用两点法和斜率法对反射事件及始端和终端事件进行分析辨别;采用区域分割还原和噪声统计对非反射事件进行分析。最后将两者数据整合在一起存入数据库，完成对光纤的劣化分析。

随着社会信息化程度的不断提高，电力智能光网络发展迅速，成为当前电力行业最主要的通信网络，承担着高速、远程骨干通信的建设，时时刻刻为计算机系统和通信系统提供正常的运行环境。随着光网规模的不断扩大，网络的传输结构越来越复杂，对光缆的维护、光缆状态的监测变的越来越重要且越来越困难。因此我们需要自动监测并预警光缆潜在的故障隐患，及时的掌握光缆的劣化程度，做到提前预警，防患于未然。

OTDR是以瑞利背向散射理论为基础，利用光时域反射原理，向光纤发射激光脉冲，接收并测量光纤连续光反射信号的强度和时间，得到反映光纤长度和衰减变化的光功率测试曲线，供监测中心分析处理光纤长度、衰减、接头损耗、故障精确位置等信息。工作原理如图2.1所示。

控制模块通过以太网接口接收到OTDR光纤检测命令，通过简单运算器使脉冲驱动电路产生符合检测要求的电脉冲信号，周期为T。进而控制激光器发射脉冲激光并通过方向耦合器发送到被测光纤。光脉冲经过一段时间后，光信号的一部分便被反射回OTDR，在反射回OTDR的这部分光中，包含了背向散射光和光纤连接器、光纤接头及光纤终端处的菲涅尔反射光，通过耦合器返回到接收器，接收器中的光敏二极管将光信号转换为电信号，然后经过信号放大器放大，A/D转换单元进行模数转换，最终通过采样器采样将这个与时间有关的反射光信号连续记录下来，并在显示器上显示出反射光的功率与时间的关系曲线，根据这一曲线，就能确定被测光纤的长度，连接器和接头的位置，以及接头的损耗和衰减等数据。

OTDR能识别各类光纤事件，包括链路中的熔接点、弯曲、连接器和断裂等。OTDR中的事件包括头端反射事件、终端事件、反射事件和非反射事件（衰减事件）。其中，前三者的幅度一般大于0.5dB，非反射事件一般是光纤熔接，不均匀和老化等情况，幅度最小可达 0.01dB。本方案采用最小二乘法和两点法找出散射曲线的奇点，通过分析这些奇点处的曲线斜率，得出事件位置和事件值;由于非反射事件幅度一般不大，因此先对非反射事件进行信号放大，然后针对OTDR曲线噪声区域的分布特性，采用区域分割还原理论和噪声统计检测准则，实现对非反射事件的快速准确定位。

OTDR模块由OTDR测试板卡和处理软件组成。OTDR测试板卡对被测光纤发出测试光，接收返回的散射光，并控制光敏二极管对返回光进行光电转换，按时序绘制成OTDR测试曲线。测试曲线包含几万个采样点，软件算法分析模块直接对采样点进行分析运算。处理软件从OTDR卡获得采样点后，先采用最小二乘法和两点法分析出头端事件、终端事件和反射事件，剩下的部分就是非反射事件。

区域噪声计算完成后，对各段曲线作差分运算。原始曲线经差分变换后曲线斜率变为零，整体水平偏移不为零，水平偏移值即曲线整体斜率值。经偏移修正后，水平偏移为零。原始曲线中的反射点经差分变换后变为一对采样点个数相同、幅值正负相反的峰，且两个峰的交界点对应反射事件起点，第二个峰的结束点对应反射事件终点。原始曲线中的非反射点经差分变换后变为一个幅值为负的峰，且峰谷对应非反射事件起点，峰结束点对应非反射事件终点。原始曲线中的噪声点经差分变换后仍为噪声，且幅度变大。反射事件包含的采样点个数与一个脉宽内的采样点数相同;非反射事件的采样点个数与一个脉宽内的采样点数相同，变换后负峰的采样点个数是一个脉宽内的采样点数的两倍。由此可以直接根据事件起点位置算出终点位置。

如上所述，针对差分变换偏移修正曲线设计合适的阈值，检测出小于阈值的点，进一步定位峰谷，峰谷对应原始曲线非反射事件起点。然后进行区域还原，区域还原的作用是将分割的区域与差分变换偏移修正曲线相应点一一对应。区域还原后，分区与变换曲线完全对应。利用统计检测准则，对大量光纤线路统计变换曲线峰谷幅度，设计一张噪声与阈值对应表。从第一个分区开始，将每个分区按长度与变换曲线依次对应，查找阈值表得到区间阈值，在该区间内，小于阈值的峰谷点对应非反射事件起点，该点后一个脉宽点对应非反射事件终点。匹配结束，检测到所有的非反射点，计算每个点的损耗值和位置值，存入事件分析库。

本文通过对OTDR测试曲线进行劣化分析，能够在不中断正常业务的情况下，实现电力光缆的长期在线监测，掌握光缆的长期参数变化趋势，实现故障预警，将事故后抢修变成事前计划性检修。