接头盒智能化在通信光缆故障定位中的应用

文/杨海昀

随着电力通信网的不断发展、完善，光缆敷设形式多样化、复杂化，架空与地埋管道光缆混合搭配，给电力传输网络提供了稳定、可靠的通道保障。但是随之而来的是运维难度不断增加，在人员数量有限的情况下，光缆缺陷处理的时间过长。近几年昭通的城市建设中，所辖的街道基本都进行了改造。同时，电力光缆、运营商光缆也逐渐进入地埋管道敷设，可是管道的狭窄、错综复杂、高低压电缆同管道等情况也随之出现。在部分光缆未做好标识等防范措施的情况下，光缆运行并不稳定、可靠。那么如何采取有效的措施，在人力资源有限的状况下，做好主城区光缆的监控，在发生故障后如何能够第一时间到达现场，省去反复测试、二次定位、故障查找等工作，也是我们值得思考的问题。因此为了更好的开展对运行光缆（特别是城区管道光缆）的维护及故障消缺工作，提出了“智能”光缆接头盒的研究，帮助电力通信通道能够实时的监测及故障的立即定位。

然而现有通信光缆故障定位主要依赖于OTDR检测设备。OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密光学仪表。OTDR设备在通信光缆故障定位中，由于光缆绞缩率、光缆接头/ODF内纤芯预留、光缆预留、光缆敷设时的自然弯曲、光缆的非直线敷设等，无法准确地理定位。将光缆接头盒智能化，将光缆分段监测，可将定位误差控制在可接受范围，有效提高通信光缆故障修复率。

1 接头盒智能化

接头盒智能化，是指将接头盒改造为光学可识别或可区分，使其可以使用现有光学仪器比如OTDR表识别，以实现接头盒的监测、识别和定位。目前接头盒智能化的方法主要有：接头盒内备用纤芯上接入特定光栅，接头盒内备用纤芯上接入特定衰耗值的光衰，接头盒内备用纤芯上接入特定跳纤序列等方法。

（1）接头盒内备用纤芯上接入特定光栅：利用光栅“对特定波长反射其他波长透传”的光学特性，将特定的光栅内置到接头盒内，就可“光学标定”这个接头盒。其局限是在同一条光缆上，不能使用相同波长的光栅。一般这类光栅的波长间隔为0.1um，能够满足光缆的接续使用，如图1所示。

（2）接头盒内备用纤芯上接入特定衰耗值的光衰：利用光衰对反射光的衰减特性来“光学标定”接头盒。在光缆中接入光衰后，使用OTDR表测试，可以得到与熔接点类似的衰减“台阶”。该衰减“台阶”一般比熔接点“台阶”大。通过内置不同衰减值的光衰，不通大小的衰减代表不同的接头盒，从而“光学”标定接头盒。其局限性是对反射光衰减过大，从而影响测量识别距离。同时这类光衰必须采用带尾纤熔接。如果采用接头跳接的方式，会导致光衰后端面的菲涅尔反射峰掩盖光衰对反射光的衰减，从而不可识别。

（3）接头盒内备用纤芯上接入特定跳纤序列：利用在用OTDR表测试时，跳纤端面会形成菲涅尔反射峰，不同的跳纤序列形成不同的反射峰序列，从而识别接头盒，“光学标定”接头盒。比如以OTDR表的距离识别精度L为基数，制备n*L长度的跳纤，并将不同长度基数的跳纤串联起来，可形成不同的编组序列。如图2中左侧所示，串联了三根不同长度的跳纤，其长度分别为2L、6L、4L，在图2右侧中可以看出，其光学波形图中，形成4个尖峰，4个尖峰之间的距离分别为2L、6L、4L，这样就形成了一个完整的唯一的三位数序列光学编组为“264”，以此类推，可以利用规则性的不同长度n*L的跳纤组成不同的编组。

图2：跳纤序列“光学标定”接头盒原理图

2 光缆故障定位中智能接头盒的运用

目前光缆故障排查主要是在中继段的端点，先利用OTDR测得故障点距离测试端的光纤长度,然后再按“全程计算法”算出故障点距测试端的地面长度。

式中LF为光缆故障点距测试端的地面长度；L为OTDR所显示的测试端至故障点之间的光纤长度；ΣL2为测试端至故障点之间每个光缆接头盒中盘留的光纤长度；ΣL3为测试端至故障点之间路由光缆的光缆预留长度；ΣL4为以上每个光缆接头内的裸纤预留长度；ΣL5为测试端至故障点之间光缆沿地表形敷设时所增加的长度；P为光纤成缆时的绞缩率；α为光缆敷设时的自然弯曲率。

显然式（1）中，ΣL3，ΣL4，ΣL5，α这几个参数在光缆施工中都不可能准确控制。随着接头盒的增加，计算误差也在累加。如果我们以接头盒为参考点，实现分段监测，可以避免误差的累积。这就要求接头盒必须可以光学识别，即采用智能化的接头盒。

表1：智能接头盒参数对比表

图3：智能接头盒协助故障定位原理图

图4：故障点地理坐标计算流程

图5：智能接头盒在光缆在线监测系统中的应用

采用智能化的接头盒后，光缆正常时，可测定每个接头盒相对于测试端的光纤距离Li（i=1,2,3…）。并录入光缆档案库。故障时，可把故障定位在两个接头盒之间。

比如：

Ln

则故障点在第n个接头盒和第n+1个接头盒之间。

以第n个接头盒为参考点，则可把计算公式优化为：

式中L为光缆故障点距第n个接头盒的地面长度； LF为OTDR所显示的测试端至故障点之间的光纤长度；Ln为测试端至第n个接头盒的光纤长度；P为接头盒n和接头盒n+1之间光缆成缆时的绞缩率；αn为光缆在第n个接头盒与第n+1个接头盒之间敷设时的自然弯曲率。

公式（2）中LF，Ln都可以准确测定，αn可在光缆正常时计算得到一个相对于公式（1）的可信值。因此通过公式（2）计算出的位置相对于公式（1）要可信很多。

这样，智能接头盒中接入的光学可识别介质，可协助故障定位，等效于故障定位器，如图3所示。

如果在智能接头盒安装时，采集其地理位置信息（经纬度），录入数据库。还可以计算出故障点的大致经纬度，实现光缆故障的精准定位。

式（3）中XF、YF为光缆故障点的经纬度坐标；LF为OTDR所显示的测试端至故障点之间的光纤长度；Ln为测试端至第n个接头盒的光纤长度； Ln+1为测试端至第n个接头盒的光纤长度。式（3）是按照第n个接头盒与第n+1个接头盒之间的光缆按照直线布线的，且没有考虑故障点两侧的余缆，因此只能得出大致的故障点地理位置，计算流程如图4所示。

在有GIS系统（如GoogleMaps技术）的光缆在线监测系统中，根据光纤网络资源的实际敷设情况，用GIS系统采集终端采集光缆布放路由，并采用智能接头盒的分段监测和故障定位，还可得到故障点更精准的经纬度信息，智能接头盒在光缆在线监测系统中的应用如图5所示。

前述是光缆完全中断的情况，然而很多时候是光缆中部分纤芯中断的情况。这时我们同样可以用OTDR测出故障纤芯故障点局测试点的距离LF，以备用纤芯上的故障定位器为参考点，采用相同的计算方法得出故障点位置。

3 三种智能化接头盒的应用比较

前述的三种智能化接头盒中，根据其原理，其应用有很大差异。

3.1 光栅型智能接头盒

光学识别度高；由于其附加尾纤很短，因此对被测光缆的长度影响小；附加的插入损耗小，可适用于长距离光缆；但其识别必须使用宽带光源，因此不能使用一般的OTDR，因此造价最贵。

3.2 光衰型智能接头盒

光学识别度不高，容易与熔接质量不好的熔接头混淆；其附加尾纤很短，因此对被测光缆的长度影响小；实施简单，可用一般OTDR，造价低。但其附加的损耗大，严重影响OTDR表的测试距离，因此只适合短距光缆。

3.3 跳纤序列型智能接头盒

光学识别度较高；其附加尾纤很长，因此对被测光缆的长度影响大；实施简单，可用一般OTDR，造价低。对比参数如表1所示。

4 结束语

接头盒智能化后，可协助故障定位，让光缆分段故障地位可以实现，有效提升故障定位精度。用光栅改造接头盒的方法，也可在现场紫外光在备用纤芯上光刻，可以减少附加尾纤对长度的影响。也可在光缆生产时按照一定的距离直接光刻在备用纤芯上。根据现在的运维状况，利用光缆接续盒的“智能”化研究，可以满足当前状况的故障查找等问题，在电力通信系统缺陷消除的时间限制条件下，尽可能的做好相关工作，保证全年的运行指标到位，为地方电力通信网的运维工作增添了科学的技术保障。