基于滲透測試的通信光纜損傷點定位方法

薛趙劍

（江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 南通 226463）

0 引 言

相比網絡中其他類型的通信方式，光纖通信的優勢更為顯著。在實際應用中，通信光纖具有體積小、受外界磁場干擾低、通信效率高以及單位時間傳輸距離長等特點。在通信產業高速發展的背景下，社會需求呈現多元化趨勢，光纖通信也在此時逐漸成為了通信行業的核心支撐，甚至成為了多個行業之間跨網交互信息的主要渠道[1]。并且，相比電力通信或其他模式的通信，光纖通信的市場經濟效益也相對較高。而要保障光纖通信的穩定性與可持續性，需要排除外界相關因素對光纖通信的干擾與影響。在對光纖通信方式的研究中發現，通信光纜在投入使用中存在一些不可避免的缺陷。例如，當光纜彎曲半徑過大時會導致光纜的質地變脆，若受到外力作用，極易發生損毀。此外，通信點接線較為復雜，一旦通信中斷，則難以在短時間內準確定位故障點。同時早期投入使用的通信光纜已嚴重老化，會引發通信故障。上述問題已經嚴重影響了通信行業的發展，為了避免通信光纜對光纖通信造成影響，本文引進滲透測試技術，提出一種針對通信光纜的損傷點定位方法，希望通過此次的研究解決光纖通信中斷的問題，實現通信產業的安全、穩定、可持續發展。

1 基于滲透測試的通信光纜損傷點定位方法

1.1 基于滲透測試生成通信光纜OTDR曲線

為了準確定位通信光纜損傷點，引入滲透測試方法，并生成通信光纜OTDR曲線，可以為定位工作提供參考。為了確保滲透測試行為的有效實施，需要在測試前定義一個光時域反射區間，并使用專業的反射設備作為支撐。通常情況下，光時域反射設備的動態接收范圍在35 dB以上，可檢測長度超過50 km的通信光纜線路。實際應用中，在前端發射一束激光，通過計算激光射入適宜角度來使其準確射入待測試通信光纜線路，并以一種正常的方式沿著光纜傳播[2]。由于通信光纜的材質并非無雜質的石英晶體，因此射入的激光在向前傳導過程中可能會發生散射。當其在通信光纜傳導過程中遇到轉接頭時，便會由于介質的變化而發生折射，可將此類折射行為定義為一種較強的反射。滲透測試原理如圖1表示。

圖1 滲透測試原理

對通信光纜損傷部位進行OTDR檢測，并在此基礎上繪制通信光纜OTDR典型曲線。為了確保測試結果的有效性，需要提前設定滲透測試的參數。光纖影響散射系數與回波損耗的計算結果，可根據通信光纖材質選擇參數。測試范圍可決定取值的最終分辨率，應大于測試長度的1.5倍且小于測試長度的2倍。脈沖寬度與光功率呈現正相關關系，應大于長度分辨率與光纖通信折射率比值的8倍。此外，不同長度的波長存在的衰減行為不同，波長選擇大于傳輸波長即可[3]。

在完成滲透測試參數設定后，描述滲透測試全過程所獲取的故障信息。通信光纜OTDR曲線如圖2所示。

圖2 OTDR典型曲線

在滲透測試盲區中，入射光纜的脈沖屬于前端脈沖，入射的光脈沖相對較小，可直接通過接收機終端飽和狀態對其進行判斷。在恒定斜率測試區域內，滲透測試具體表現為一條均勻且呈現下降趨勢的傾斜曲線，導入通信光纜的光纖材質內部可能會存在氣泡或雜質，輸出的脈沖在傳輸過程中出現損耗。在非反射事件發生區域內，滲透測試結果呈現為一個較為顯著的臺階變化趨勢，產生此種現象的主要原因為熔接接頭彎曲度過小或通信光纜出現彎折等。在反射事件發生區域內，透測試曲線表現為一個顯著的尖峰，此時導入的光線受到了脈沖能量的影響，發生了菲涅爾反射行為，產生此種現象的主要原因為通信光纖斷裂或接頭連接異常等。在通信光纖末端區域內，滲透曲線通常呈現為一個較大的尖峰信號，產生此種現象的主要原因在于通信光纜末端存在斷裂點。但區別于反射事件發生區域，末端區域的滲透測試結果曲線中通常會伴隨一些噪聲干擾曲線[4]。

1.2 基于小波降噪處理通信光纜故障區段冗余噪聲

在完成滲透測試結果曲線的繪制后，考慮在此過程中可能會出現測試事件的損耗或冗余噪聲，這些因素均會在某種程度上對測試結果造成影響。OTDR曲線中不僅包含突變信息，在繪制并構建曲線時還會存在平穩度較差的白噪聲。即便在滲透測試中使用了精密度較高的測試設備，仍無法保證完全去除冗余噪聲，尤其在通信光纜末端區域更是會受到冗余噪聲的干擾而影響終端對光纜損傷點的定位判斷[5]。如果要更加精準的分析這些信號，就需要對繪制的通信光纜OTDR曲線進行降噪處理，抑制曲線中存在的多種噪聲。基于此，本文引進小波降噪方法對通信光纜OTDR曲線的門限閾值進行處理，處理過程可被分為硬閾值處理與軟閾值處理兩部分。硬閾值處理過程中需要保留數值相對較大的小波系數，并將數值相對較小的小波系數進行歸零處理。而軟閾值處理過程中需要將數值相對較小的小波系數進行歸零處理，并將數值較大的小波系數向“0”收縮[6-8]。即：

式中，ηH(·)表示硬閾值處理過程，ηS(·)表示軟閾值處理過程，w表示小波系數，t表示處理系數，T表示單次降噪處理周期。

按照上述計算方式，結合滲透測試的實際需求，選擇不同的降噪處理方式，以此完成對通信光纜故障區段冗余噪聲的有效處理[9]。

1.3 基于動態區段定位通信光纜損傷點

在完成滲透測試與相關噪聲處理工作后，基于通信光纜的動態區段來定位通信光纜的損傷點。在此過程中，可通過計算通信光纜常規運行與發生光纜損傷后運行兩種不同運行環境下光功率運行差值的方式，獲取損傷點的實際位置[10]。此時，可定義射入通信光纜的初始光脈沖功率為P(0)，則入射光在向前行進了z長度后的光功率P(z)可以表示為：

式中，α為光纖通信的衰減系數。

當射入光行進超過z長度后，發現通信光纜并無顯著異常信號，光纜中也不存在接頭，此時射入的光脈沖在通信光纜中僅出現瑞利散射現象，此時z位置處經過散射后的光功率Pbs(z)可以表示為：

式中，γ(z)為散射系數。

在完成上述計算后，可基本掌握動態區段內通信光纜在無故障情況下的散射效果。

當射入光行進超過z長度后發現通信電纜存在損傷點，此時入射光脈沖不發生散射反應，而是發生菲涅爾反射。根據菲涅爾計算原理，發生菲涅爾反射的光功率Pf(z)為：

式中，λ(z)為菲涅爾系數。

通信光纜在出現損傷點前后的光功率差值ΔP為：

根據上述計算公式，散射系數的實際值小于菲涅爾系數的實際值，因此可直接在滲透測試結果曲線中對二者進行異常區分，如圖3所示。

圖3 通信光纜損傷點位置

根據圖3所示的對比方式，可以精準地發現通信光纜損傷點發生位置，從而完成對通信光纜損傷點定位方法的設計。

2 實驗論證分析

在完成通信光纜損傷點定位方法的理論設計后，為了證明該設計方法在實際應用中真實有效，設計了對比實驗。實驗中，選擇某區段的GYTFY-30A2.0光纖通信故障光纜作為實驗對象，該故障光纜的總長度約為500 m，含有228個工作節點、5個熔纖盤（12.0芯）以及35條跳接光纖，其子管長度約為450 m。在掌握故障通信光纜的相關規格信息后，使用高程地圖定位此段光纜所處的位置，發現該段光纜的周邊存在盤線，盤線主要位于電纜通信架構上，總長度約為120 m。使用物探設備對此故障光纜進行故障區間定位，異常信號在物探區域內存在反射。為了確保實驗結果的公平性，在相同環境下分別使用本文設計方法與傳統方法對故障區段進行損傷點定位。在完成定位后，獲取通信光纜損傷點信號，并將信息傳輸到終端計算機設備，使其在終端設備上呈現一個完整的波形圖。比較本文方法與傳統方法所獲取通信光纜損傷點信號中的異常信息，以此作為評估通信光纜損傷點定位方法有效性的依據。在完成實驗過程的相關描述后，實施對比實驗，整理兩種方法的實驗結果，輸出定位到損傷點A的異常信號波形圖，如圖4和圖5所示。

圖4 本文方法定位到損傷點A的異常信號波形圖

圖5 傳統方法定位到損傷點A的異常信號波形圖

由圖4和圖5可知，傳統通信光纜損傷點定位方法獲取的損傷點異常信號波形較為稀疏，并且信號整體穩定性較差，極易對終端造成誤判干擾。而本文設計的基于滲透測試的通信光纜損傷點定位方法所獲取的損傷點異常信號波形較為密集，且信號的排布較為緊密，在實際應用中可以更有效地輔助終端人員精準定位損傷點。

3 結 論

從生成通信光纜OTDR曲線、處理通信光纜故障區段冗余噪聲以及定位通信光纜損傷點3個方面對通信光纜損傷點定位方法展開設計研究，并通過對比實驗證明基于滲透測試的光纜損傷點定位方法所獲取的損傷點異常信號波形和信號的排布較為緊密，定位結果較為準確，具有一定的應用價值。