多形態(tài)OTDR光纜監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡光雄 劉偉 王傳志

摘要：隨著5G等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的深入推進(jìn)，承栽業(yè)務(wù)的光纜總量還在不斷增大。光纖作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕浇椋湓诰W(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量直接影響到上層網(wǎng)絡(luò)的健康性、可靠性和穩(wěn)定性。光時(shí)域反射儀OTDR （Optical Time-Domain Reflectometer）是一種檢測(cè)光纖是否存在斷裂、接頭耦合性不佳、介質(zhì)非均勻性等缺陷的檢測(cè)儀，主要包括用于臨時(shí)測(cè)試的手持式便攜型和24 h實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)型兩大類。面向光纜OTDR手持式測(cè)試儀設(shè)計(jì)通用型通信接口程序，建立一套基于SOR數(shù)據(jù)文件的通信流程和解析方法，針對(duì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)型檢測(cè)設(shè)備以SOCKET實(shí)現(xiàn)定制化的網(wǎng)絡(luò)化接口程序，針對(duì)離散的OTDR光纜監(jiān)測(cè)設(shè)備建立系統(tǒng)化的采集接口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將多形態(tài)OTDR光纜監(jiān)測(cè)的原始測(cè)試數(shù)據(jù)解析后集中推送到上層光纜質(zhì)量應(yīng)用分析系統(tǒng)的功能。該接口系統(tǒng)在某局的試點(diǎn)應(yīng)用結(jié)果表明：接口運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好，對(duì)光纜的運(yùn)行監(jiān)測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：OTDR;光纖;通訊接口：光纜監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TN913.33;TP316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（ 2022） 02-0106-03

0 引言

20世紀(jì)60年代，光纖通信首次被高錕等人提出并被廣泛應(yīng)用到光通信領(lǐng)域。隨著高清視頻業(yè)務(wù)的普及，移動(dòng)通信技術(shù)開始向5G （5th Ceneration Mobile Communica-tion Technology）的邁進(jìn)，5G等新形態(tài)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用被大范圍的推進(jìn)商用，通信網(wǎng)絡(luò)的流量需求持續(xù)攀升，光纜作為通信網(wǎng)絡(luò)最主要的傳輸媒介，其應(yīng)用規(guī)模在不斷增長(zhǎng)。全球90%以上數(shù)據(jù)信息都需要借助光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸與交換，利用5G+4K/8K VR直播、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等獲得迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)流量需求呈現(xiàn)十倍甚至百倍的增長(zhǎng)勢(shì)頭，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字洪流時(shí)代已經(jīng)開啟。

光纖作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕浇椋湓诰W(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量直接影響到上層網(wǎng)絡(luò)的健康性、可靠性和穩(wěn)定性。針對(duì)光纖的檢測(cè)研究，國(guó)外學(xué)者運(yùn)用分叉理論推導(dǎo)光纖舞動(dòng)方程近似解并討論分叉臨界條件以及提出偏心慣性耦合失穩(wěn)機(jī)理，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了基于受激布里淵效應(yīng)的分布式光纖傳感器件的研究，提出一種基于正交雙頻探測(cè)光的BOTDR傳感技術(shù)，有效地解決BOTDR技術(shù)中出現(xiàn)泵浦脈沖頻譜畸變的問題[1-6]。

現(xiàn)階段對(duì)光纜進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)主要是通過光時(shí)域反射儀OTDR （Optica Time-Domain Reflectometer）來檢測(cè)光纖是否存在斷裂、接頭耦合性不佳、介質(zhì)非均勻性等缺陷，主要包括用于臨時(shí)測(cè)試的手持式便攜型和24 h實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)型兩大類。本文面向光纜OTDR手持式測(cè)試儀利用JAVA設(shè)計(jì)通用型通信接口程序，建立一套基于SOR數(shù)據(jù)文件的通信流程，再以JAVA的SOCKET實(shí)現(xiàn)定制化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)型檢測(cè)設(shè)備的接口程序，以建立多形態(tài)的多形態(tài)的OTDR光纜監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊接口系統(tǒng)。

1 光時(shí)域反射技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

光時(shí)域反射（ OTDR）技術(shù)是目前用于檢測(cè)光纜纖芯是否存在損耗特性的一種探測(cè)技術(shù)，由于沿途地震、臺(tái)風(fēng)、雷擊、舞動(dòng)、覆冰、桿塔傾斜、偷盜、竊聽等外部因素，借助OTDR技術(shù)檢測(cè)光纜的質(zhì)量是一種有力技術(shù)手段，結(jié)合CIS等技術(shù)能夠方便地實(shí)現(xiàn)空間故障定位分析。OTDR的基本工作原理是：借助雙向耦合器將探測(cè)脈沖光注入被測(cè)光纖通路中，由于該脈沖光在光纖介質(zhì)中將向前傳輸?shù)耐瑫r(shí)還會(huì)產(chǎn)生背向瑞利散射光，利用雙向耦合器將這些背向瑞利散射光耦合到光電檢測(cè)電路中，通過返回的信號(hào)來分析和判斷光纖承載業(yè)務(wù)的質(zhì)量情況[7-8];

假設(shè)脈沖光從光纖的起始端到接收到該脈沖光在光纖中某處的瑞利散射光所需要的時(shí)間為t，在t時(shí)間內(nèi)脈沖光從起始端至該處實(shí)際上往返傳播了一次，那么該位置到光纖起始端的距離L為：

由式（4）可知，經(jīng)過OTDR探測(cè)的結(jié)果將轉(zhuǎn)為光纖沿線瑞利散射曲線，通過這條曲線可直觀表達(dá)出該光纖纖芯通路起止端沿線的損耗情況。通過這些曲線的變化特征能夠直觀反映出光纖的熔接點(diǎn)、接頭、裂紋甚至斷點(diǎn)等異常情況時(shí)，從而用來檢測(cè)光纖是否存在斷裂、接頭耦合性不佳、介質(zhì)非均勻性等缺陷。

圖1所示為典型的OTDR曲線的變化特征反應(yīng)在光纖上典型的缺陷點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的關(guān)系。圖中縱軸是光功率的衰減值，橫坐標(biāo)為光纜的距離。

1.2 OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OTDR探測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示，在脈沖發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)下光源產(chǎn)生有規(guī)律的探測(cè)脈沖光，探測(cè)脈沖光通過定向耦合器從起始端面射入被測(cè)光纖通路，在被測(cè)光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射和反射信號(hào)經(jīng)過定向耦合器輸出到光電探測(cè)器中，通過光電探測(cè)器捕獲并輸出信號(hào)，對(duì)該信號(hào)經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)形成探測(cè)結(jié)果信號(hào)，最終將該數(shù)字信號(hào)處理成以橫坐標(biāo)為光纜的距離、縱坐標(biāo)為衰減值的二維數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)纖芯以距離為單位的衰耗特征的定位[9]。由于OTDR直接探測(cè)背向瑞利散光的規(guī)律，光源輸出功率越高，背向散射信號(hào)就越強(qiáng)，因此，應(yīng)根據(jù)被測(cè)纖芯的纖芯通路的距離選擇合適的光源輸出功率。

2 通信接口設(shè)計(jì)

2.1 整體接口系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體接口架構(gòu)包括三層：傳感層、采集層、應(yīng)用層，其中傳感層主要包括用于臨時(shí)行測(cè)試用的手持式OTDR測(cè)試儀和安裝于機(jī)房并與固定光纖連接的24 h實(shí)時(shí)在線OTDR設(shè)備。因此，采集OTDR數(shù)據(jù)要采取兩種手段。首先，當(dāng)前階段手持式OTDR測(cè)試儀不具備網(wǎng)絡(luò)通信能力，更無法提供標(biāo)準(zhǔn)化的二次開發(fā)接口，因此，手持式OTDR測(cè)試儀將通過其數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，將測(cè)試結(jié)果導(dǎo)出為SOR數(shù)據(jù)文件，并通過解析服務(wù)器，將SOR中的數(shù)據(jù)解析處理，送達(dá)到采集層的采集服務(wù)器。其次，針對(duì)實(shí)時(shí)在線OTDR往往提供二次開發(fā)接口，將該OTDR通過網(wǎng)絡(luò)與實(shí)施在線設(shè)備采集服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接，通過調(diào)用二次開發(fā)的API接口實(shí)現(xiàn)可動(dòng)態(tài)調(diào)用的數(shù)據(jù)采集。當(dāng)采集層完成數(shù)據(jù)解析和采集后，將所有不同來源的OTDR原始數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到上層應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，供上層應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行圖形化分析和呈現(xiàn)。

2.2 手持終端型接口設(shè)計(jì)

手持式OTDR測(cè)試儀完成測(cè)試后將自動(dòng)生成SOR數(shù)據(jù)文件，該文件通過USB口導(dǎo)出到制定U盤后上傳至SOR數(shù)據(jù)解析服務(wù)器。由于SOR數(shù)據(jù)文件保存了測(cè)試結(jié)果的原始數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)量十分龐大，為了減輕數(shù)據(jù)解析的壓力，提升數(shù)據(jù)解析效率，減輕電腦終端或手機(jī)APP端的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)效率，數(shù)據(jù)解析服務(wù)將利用道格拉斯抽稀算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。該算法是一種將OTDR曲線近似表示為一系列點(diǎn)，并減少點(diǎn)的數(shù)量的一種算法，該算法的原始類型分別由烏爾斯·拉默（Urs Ramer）于1972年以及大衛(wèi)·道格拉斯（David Douglas）和托馬斯·普克（Thomas Peucker）于1973年提出，并在之后的數(shù)十年中由其他學(xué)者予以完善。SOR數(shù)據(jù)文件的處理過程如下：

（1）將OTDR曲線首尾兩點(diǎn)連接形成直線AB;

（2）在OTDR曲線中檢索離該直線段距離最大的點(diǎn)C，并通過計(jì)算獲得點(diǎn)C與到直線AB的距離D;

（3）預(yù)先設(shè)定閾值T，通過計(jì)算獲得距離D與T的差S;

（4）當(dāng)S≥T時(shí)，則用C點(diǎn)將該曲線分割成AC和BC兩段，并將AC和BC兩段分別再按步驟（1）～（3）的操作;

（5）當(dāng)S

（6）以上步驟完成后依次將各個(gè)分割點(diǎn)連接并形成折線，最終就快速形成能反應(yīng)OTDR衰耗特征的近似曲線。

通過以上算法的應(yīng)用，縮短了對(duì)原數(shù)OTDR測(cè)數(shù)據(jù)解析所需的時(shí)間，也為后續(xù)的數(shù)據(jù)存取和應(yīng)用呈現(xiàn)提高了效率。

2.3 實(shí)時(shí)在線型接口設(shè)計(jì)

由于OTDR光源、傳感器等核心部件比較昂貴，而需要被檢測(cè)的光纜纖芯數(shù)量很龐大，為了減少光纜檢測(cè)是應(yīng)用成本，需要將實(shí)時(shí)在線實(shí)時(shí)在線型OTDR進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，增加光開關(guān)（OSW），實(shí)際測(cè)試時(shí)能夠根據(jù)上層應(yīng)用系統(tǒng)的指令自動(dòng)切換被測(cè)光纖，實(shí)現(xiàn)1：Ⅳ的探測(cè)需求。因此，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與主控卡進(jìn)行通信，主控卡根據(jù)指令控制光開關(guān)（OSW），最后光開關(guān)（OSW）與OTDR模塊建立鏈接，在采集服務(wù)配置好OTDR監(jiān)測(cè)參數(shù)，譬如測(cè)試量程、測(cè)試脈寬、測(cè)量時(shí)間、群折射率、結(jié)束門限、非反射門限等參數(shù)后，通過Socket與OTDR模塊建立動(dòng)態(tài)通信，發(fā)送相關(guān)測(cè)試指令到OTDR模塊，并由OTDR模塊返回測(cè)試結(jié)果給采集服務(wù)器[12-13]。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

采用基于Windows操作系統(tǒng)的JAVA開發(fā)語言和以SQLServer2012SP1作為原始數(shù)據(jù)和解析結(jié)果的數(shù)據(jù)庫完成接口系統(tǒng)的開發(fā)，主要完成了接口參數(shù)界面的設(shè)計(jì)、各種OTDR硬件驅(qū)動(dòng)程序的封裝、二次開發(fā)和算法設(shè)計(jì)，針對(duì)手持式OTDR測(cè)試儀和實(shí)時(shí)在線OTDR設(shè)備實(shí)現(xiàn)配套的接口，圖4-5為部分系統(tǒng)解析出來的OTDR分析結(jié)構(gòu)曲線。

通過以上OTDR接口采集到數(shù)據(jù)后傳送到上層應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，通過上層應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行分析后可通過圖形化方式呈現(xiàn)OTDR衰耗曲線。圖4所示為某運(yùn)營(yíng)商單條纖芯通路的OTDR的衰耗曲線圖，圖5所示為某運(yùn)營(yíng)商一條承載5G業(yè)務(wù)的光纜段中多條纖芯批量測(cè)試的OTDR的衰耗曲線圖。從這些衰耗曲線圖中能夠直觀呈現(xiàn)光纜的衰耗特征，同時(shí)也看出同一條光纜內(nèi)不同纖芯的衰耗僮不完全一致，這為光路調(diào)度時(shí)選擇優(yōu)質(zhì)纖芯通路提供了直觀有效的篩選手段[14-16]。

該系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)運(yùn)營(yíng)商及電力通信企業(yè)投入使用，接口系統(tǒng)完成了承載5G或其他通信業(yè)務(wù)的光纜質(zhì)量檢測(cè)任務(wù)，節(jié)省了大量的人力物力，在很大程度上提高了光纜現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的效率，保障了光路調(diào)度的質(zhì)量，為光纜業(yè)務(wù)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套多形態(tài)OTDR光纜監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊接口設(shè)計(jì)方案，針對(duì)不同的手持式OTDR儀表和實(shí)時(shí)在線的OTDR設(shè)備分別實(shí)現(xiàn)了通訊接口，整套接口方案實(shí)現(xiàn)了與上層應(yīng)用系統(tǒng)的對(duì)接，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用檢驗(yàn)，整套接口方案對(duì)下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的設(shè)備層數(shù)據(jù)采集功能，對(duì)上層應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可靠的原數(shù)數(shù)據(jù)推送的能力，通過圖形化手段呈現(xiàn)光纜是否存在斷裂、接頭耦合性不佳、介質(zhì)非均勻性等不良情況，為承載運(yùn)營(yíng)商5G業(yè)務(wù)、廣電乃至電網(wǎng)等通信業(yè)務(wù)提提了直觀有效的篩選手段。

本文所述方案需要將手持式OTDR儀表的測(cè)試結(jié)果導(dǎo)出為SOR數(shù)據(jù)文件，并將該文件通過第三方載體（譬如U盤）導(dǎo)入到系統(tǒng)進(jìn)行解析，在操作方便性方面存在一定的障礙，在實(shí)際的光路業(yè)務(wù)調(diào)度時(shí)反應(yīng)及時(shí)性還不夠。因此，建議在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究手持式OTDR儀表與接口服務(wù)器建立實(shí)時(shí)對(duì)接的可行性，不斷提升接口服務(wù)的便利性和及時(shí)性。

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