光纖通信網的光纜故障監測仿真系統的設計

任魯涌 孫生健

（山東理工大學計算機科學與技術學院，山東 淄博 255049）

0 引言

隨著光纖通信技術的發展和成熟，光纖通信已是目前最為主流的通信技術之一。我國各地大力鋪設光纖線路光纜，使得光纜線路長度逐年快速增加。 因此對光纜線路出現的故障進行監測成了一個很重要的問題。 對于規模龐大的光纜線路進行監測工作，初期的傳統人工光纜監測方式已不太適用，這種方法已無法很好地完成現代大量光纜的監測工作。因此基于光纜故障點監測方法，設計出光纜故障監測系統，對于保證光纖通信網絡的可靠工作至關重要。在光纖通信課程的教學中，為培養學生具有創新創業的思想及能力，把實際中一些有需求、至關重要的技術如現代光纜故障檢測技術的實現，讓學生自己設計光纜故障檢測方法下的仿真系統，并應用仿真系統仿真判斷光纜發生故障點的位置，很好地實現了學生理論學習到實際應用，提高了學生解決現實問題的能力。

1 光纖通信網的光纜故障監測原理

目前，光纜發生的主要故障有：光纖在使用過程中會發生老化而產生斷裂故障；還有是外力人為如施工造成的和自然環境如臺風天氣造成的光纖斷裂故障；再就是鋪設完的光纖嚴重彎曲使光纖中通信信號產生嚴重衰減故障。

為了能夠判斷出光纖是否在正常工作，可以根據光纖傳輸特性來判斷光纖產生故障的原因。 可以用OTDR（光時域反射儀）來對光纖的光纖傳輸特性進行測試，OTDR 能根據瑞利散射的特性來測出光纖的光纖傳輸特性。 其原理是先將光脈沖發射到光纖的內部，然后光脈沖會在光纖的內部進行傳輸，由于光纖自身的性質而產生散射以及反射，然后散射以及反射的激光脈沖返回發射端。 在實際測試過程中，可以根據反射激光的接收時間，再確定激光在光纖介質中的傳播速度，便能夠測算出距離，根據反射激光的時間以及強度畫出光纖反射的測試曲線，得到該光纖的光纖傳輸特性，根據光纖傳輸特性曲線中發生菲涅爾反射光的位置確定對應距離存在光纖連接點或是光纖斷裂。

2 光纖通信網的光纜故障監測仿真系統的組成

光纜故障監測仿真系統由光功率監測模塊、波分復用器模塊、OTDR 測試模塊、分光器、濾波器設備等組成。 重點設計光功率監測模塊和OTDR 測試模塊。

光功率監測模塊是光纜故障監測仿真系統重要測試模塊，能夠監測光纜的狀態。 光功率監測模塊采用的是光功率監測方式，是通過監測被測光纖的光功率變化情況來判斷光纖是否發生故障。具體來說是先通過光功率采集光纖的光功率數據，為了使設計的仿真系統更加實際，考慮避免在光信號采集過程中對正常的光纖通信造成影響。用分光器將整個光信號分成兩部分， 一部分含有原來全部光信號的百分之九十七， 這部分光信號仍然作為正常傳輸的光通信信號；另一部分的光信號占百分之三，這一部分用于光功率檢測，由于抽取的光信號比例很小，所以不會影響到正常的光纖通信。 通過對光功率的監測，可以與設定的門限相比，若超過門限，發出告警。

OTDR 測試模塊作為另一測量模塊，是根據光信號的衰減情況來監測光纖的工作情況。它的具體工作是OTDR 測試模塊可以記錄脈沖信號的往返時間以及反射回來的信號強度，并通過這些數據作出相應的對應曲線，根據曲線的變化情況觀察是否存在菲涅爾反射，從而確定是否發生故障。 同時根據曲線可以計算出故障點的位置。但是OTDR 測試頻繁使用會加重設備的負擔，縮短設備的使用壽命。 由于進行OTDR檢測需要使用到波分復用器與濾波器，波分復用器是為了將發送的檢測信號與正常光纖通信信號混合到一起，同時保證不能影響到正常的光纖通信。 濾波器是為防止OTDR 測試發送的檢測信號對正常的光纖通信產生影響，對發送的檢測信號進行過濾。 所以先用光功率監測的方式對光纜進行監測，當發出故障告警后，再使用OTDR 測試技術對發生故障的光纖進行檢測， 確定具體的故障點， 這樣可以有效地減少OTDR 測試次數以及減小OTDR 測試的工作范圍，提高設備的使用壽命。

3 光纖通信網的光纜故障監測仿真系統的設計

用Optisystem 軟件，設計的光功率監測模塊如圖1 所示， 主要包含光功率計和分光器； 設計的OTDR測試模塊如圖2 所示，主要有光時域反射儀，波分復用器以及濾波器。

4 光纖通信網的光纜故障監測仿真

進行光纖光功率監測的仿真，首先運行正常光纖系統，然后點擊光功率儀，觀察光功率儀得出光纖的光功率為6.749 dBm。然后導入截斷光纖的系統，運行后，再次點擊光功率儀，觀察光功率儀得到光纖的光功率為-100.000 dBm。 通過進行光功率的測量對比，確定光纖發生故障。 再啟動OTDR 監測模塊，對光纖的故障點進行定位仿真。

OTDR 模塊進行光纖故障點定位的仿真。 由于仿真軟件沒有光時域反射儀， 所以仿真中用兩個光時域觀察儀對同一系統進入光纖前后的光信號進行了兩次時域曲線的觀測，通過前后兩次觀測，觀察光信號在光纖中的傳輸情況，得出故障定位監測結論。 具體操作：OTDR 對正常的光纖進行檢測，系統運行后，點擊左側的光時域觀察儀，光信號的最大值為0.104 9W；點擊右側的光時域觀察儀， 光信號的最大值為0.040554W，如圖3 所示，得出光信號在光纖的傳輸過程中，信號會發生衰減，但無故障；對故障光纖進行OTDR 檢測，系統運行后，再點擊右側的光時域觀察儀，可以看到振幅的最大值為2.821 8×10-102W，如圖4 所示，數值相當的小，判斷光纖發生了故障及定位。

5 結束語

光纖通信網的光纜故障監測仿真系統的設計與仿真分析過程中，OTDR 測試模塊在仿真環節實現準確故障點的定位問題還不能很好地解決，隨著課題研究的不斷深入， 后期持續不斷地對系統進行調試，不斷地完善整個仿真系統，使光纜監測仿真系統能夠更加完善。 為光纖通信課程的教學提供更有利支撐。

圖3 無故障光纖的信號曲線

圖4 故障光纖的信號曲線