光纤监测系统设计

王轶锴，陈 伟，杨振昊

（武汉市邮电科学研究院 湖北 武汉 430074）

随着光网络的迅速发展，需要快速测试并获取通信光纤中的参数。光时域反射仪 (OTDR，Optical Time Domain Reflectometer),是光纤中光信号的背向散射原理制成，用于检测光纤长度，测量光纤固有损耗和光纤断点的仪器。由于OTDR测量仅需要光纤单端口且非破坏性，相对于剪断法和插入损耗法[1]有巨大的优势；较高的精确度，最多可以在21 m的单模光纤上实现0.7 m的分辨率[2]；因此被广泛用于光网络的测试与维护中。

1 OTDR的基本原理

OTDR模块示意图如图1所示。

图1 OTDR模块结构示意图Fig.1 Structure of digital OTDR block

OTDR模块主要分为脉冲信号产生单元、信号检测与分析单元、显示与存储单元。有激光器产生光脉冲信号，通过耦合器将光脉冲信号耦合进待测光纤，然后在同一端口检测光纤沿轴的背向散射光信号，并根据时基单元来确定测试光脉冲与后向散射光脉冲的时间差，来判断光纤的故障点和光纤长度。

光纤事件点距离测量端口的距离由式(1)决定[3]：

c为光纤在真空中的传播速度，一般为3×108 m/s；Δt为测试光脉冲和散射光脉冲相隔的时间差；n为纤芯群折射率。

光纤的衰耗[4]由公式(2)定义：

α为光纤损耗，单位dB/km；A为光信号的总衰耗；L为光信号传输的距离，p1为入射光信号的功率强度，p2为散射光信号功率强度，单位为dBm；l为事件点距离测试端口的距离，单位km。

典型的OTDR曲线形式如图2所示。

图2 典型的OTDR测试曲线示意图Fig.2 Typical curve measured by OTDR

各段解释如下：

a:光纤入射端面引起的菲涅尔反射峰。

b:正常光纤段中均匀损耗引起的瑞利散射曲线。

c:异常光纤段引起的高损耗区。

d:光纤段断裂处引起的菲涅尔反射，反射峰值的大小表征损坏程度。

e:光纤末端引起的菲涅尔脉冲。

2 光纤链路监测系统

光纤链路监测系统用于对光网络线路实时、连续的跟踪和监视，及时发现线路中光纤的物理故障并对其定位，使网络维护人员对故障采取及时和有效的反应。本文所提出的光纤链路监控系统结构如图3所示。

图3 光纤链路监控系统结构示意图Fig.3 Architecture of optical cable monitoring system

光纤监测系统由中心服务器、网络管理软件、数据库、通信服务器、微控制器、光开关和OTDR测试模块组成。将光纤测试、网管告警与维护机制全面结合起来，通过对光缆的实时监视、告警信息的自动分析，自动启动相应的测试，对故障进行定位，从而将障碍处理时间压缩到最低，以最大限度的避免通信中断造成的损失。

各级网管、监测中心各负其责，中心监测中心只对存在的重大问题进行掌握，而各地区监测中心一般承担维护的主要任务。

主控模块的启动示意图如图4所示。主控模块中操作系统启动后对系统进行自检，检测各模块是否准备就绪，并生成各模块状态信息，并试图与上位机建立联系，当上位机与主控模块建立联系后，主控模块进入闲置状态，等待系统管理软件的测试命令和控制指令。控制命令包括改变光开关的位置，修改控制模块IP地址，上传底层模块的全部信息等；由于在模块正在测试的过程中不允许改变光开关的位置，在主控模块中程序的运行中必须加入保护机制，同时也要对超时测量进行系统重置，以保护系统的良好运行。

本地监测模块连接的示意图如图5所示。

本地模块主要由OTDR模块、光开关[5](OSW)，耦合器组成。在每次测量后将测试数据上传到通信服务器，并由通信服务器上传给中心服务器存储。本地OTDR模块使用串行线接口来控制光开关，以此来切换当前被测光纤线路。采用两级光开关是为了便于系统的扩展。系统所下达的测试指令参数包括：测量模式(平均模式/实时模式)、刷新周期、测试波长、测试量程、测试脉宽，待测光纤折射率、结束门限和非反射门限等。

系统软件结构示意图如图6所示。

图4 主控模块启动流程图Fig.4 Flow-process diagram of control module

图5 测试模块与待测光纤连接示意图Fig.5 Measurement module and the optical cable measured

图6 系统软件结构图Fig.6 Structure of system software

系统管理软件的基本功能包括系统管理、配置管理、故障管理、性能管理、安全管理和账户管理[6]。

客户端软件与中心数据相连使得监控网系统管理员能够查询到以往线路测量的信息；同时客户端软件也能够与通信服务器交互，使得管理系统能够通过通信服务器远程对测试模块发出测试请求，使本系统不但能够满足系统智能监控的要求，在必要时也可以通过人为方式进行远程测量。这样的软件结构满足监控网集中管理不在同一地区复杂光网络线路的需求。

3 结束语

文中提出的光纤线路监测系统结合光开关、微处理器、OTDR测试模块、以太网及网络协议，将单个OTDR测试模块组建成测试系统，能够在不断开网络通信的前提下，对目标光纤段进行跟踪；通过光开关及耦合器将测试光信号耦合进不同的光纤，极大提高了单个OTDR模块的利用率。结合系统管理软件的设置，本系统结构能够满足目前复杂光网络智能实时跟踪监测光网络物理故障的要求。

[1]孙圣和，王廷云，徐影.光纤测量与传感技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，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.光纤通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[4]刘德明,向清,黄德修.光纤光学[M].北京:国防工业出版社,1995.

[5]李红春，赵巧霞，陶晓燕，等.全光通信中的光开关技术[J].电子设计工程，2011,19(4):50-54.

[6]康晨.OTDR远程光缆集中监测系统研究[D].北京：北京邮电大学，2007.