光纖監測系統設計

王軼鍇，陳 偉，楊振昊

（武漢市郵電科學研究院 湖北 武漢 430074）

隨著光網絡的迅速發展，需要快速測試并獲取通信光纖中的參數。光時域反射儀 (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]有巨大的優勢；較高的精確度，最多可以在21 m的單模光纖上實現0.7 m的分辨率[2]；因此被廣泛用于光網絡的測試與維護中。

1 OTDR的基本原理

OTDR模塊示意圖如圖1所示。

圖1 OTDR模塊結構示意圖Fig.1 Structure of digital OTDR block

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

光纖事件點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為光信號傳輸的距離，p1為入射光信號的功率強度，p2為散射光信號功率強度，單位為dBm；l為事件點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。

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 光纖鏈路監測系統

光纖鏈路監測系統用于對光網絡線路實時、連續的跟蹤和監視，及時發現線路中光纖的物理故障并對其定位，使網絡維護人員對故障采取及時和有效的反應。本文所提出的光纖鏈路監控系統結構如圖3所示。

圖3 光纖鏈路監控系統結構示意圖Fig.3 Architecture of optical cable monitoring system

光纖監測系統由中心服務器、網絡管理軟件、數據庫、通信服務器、微控制器、光開關和OTDR測試模塊組成。將光纖測試、網管告警與維護機制全面結合起來，通過對光纜的實時監視、告警信息的自動分析，自動啟動相應的測試，對故障進行定位，從而將障礙處理時間壓縮到最低，以最大限度的避免通信中斷造成的損失。

各級網管、監測中心各負其責，中心監測中心只對存在的重大問題進行掌握，而各地區監測中心一般承擔維護的主要任務。

主控模塊的啟動示意圖如圖4所示。主控模塊中操作系統啟動后對系統進行自檢，檢測各模塊是否準備就緒，并生成各模塊狀態信息，并試圖與上位機建立聯系，當上位機與主控模塊建立聯系后，主控模塊進入閑置狀態，等待系統管理軟件的測試命令和控制指令?？刂泼畎ǜ淖児忾_關的位置，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的位置，在主控模塊中程序的運行中必須加入保護機制，同時也要對超時測量進行系統重置，以保護系統的良好運行。

本地監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[5](OSW)，耦合器組成。在每次測量后將測試數據上傳到通信服務器，并由通信服務器上傳給中心服務器存儲。本地OTDR模塊使用串行線接口來控制光開關，以此來切換當前被測光纖線路。采用兩級光開關是為了便于系統的擴展。系統所下達的測試指令參數包括：測量模式(平均模式/實時模式)、刷新周期、測試波長、測試量程、測試脈寬，待測光纖折射率、結束門限和非反射門限等。

系統軟件結構示意圖如圖6所示。

圖4 主控模塊啟動流程圖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 系統軟件結構圖Fig.6 Structure of system software

系統管理軟件的基本功能包括系統管理、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據相連使得監控網系統管理員能夠查詢到以往線路測量的信息；同時客戶端軟件也能夠與通信服務器交互，使得管理系統能夠通過通信服務器遠程對測試模塊發出測試請求，使本系統不但能夠滿足系統智能監控的要求，在必要時也可以通過人為方式進行遠程測量。這樣的軟件結構滿足監控網集中管理不在同一地區復雜光網絡線路的需求。

3 結束語

文中提出的光纖線路監測系統結合光開關、微處理器、OTDR測試模塊、以太網及網絡協議，將單個OTDR測試模塊組建成測試系統，能夠在不斷開網絡通信的前提下，對目標光纖段進行跟蹤；通過光開關及耦合器將測試光信號耦合進不同的光纖，極大提高了單個OTDR模塊的利用率。結合系統管理軟件的設置，本系統結構能夠滿足目前復雜光網絡智能實時跟蹤監測光網絡物理故障的要求。

[1]孫圣和，王廷云，徐影.光纖測量與傳感技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，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.

[3]Joseph C Palais.光纖通信[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

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

[5]李紅春，趙巧霞，陶曉燕，等.全光通信中的光開關技術[J].電子設計工程，2011,19(4):50-54.

[6]康晨.OTDR遠程光纜集中監測系統研究[D].北京：北京郵電大學，2007.