光纤通信网的光缆故障监测仿真系统的设计

任鲁涌 孙生健

（山东理工大学计算机科学与技术学院，山东 淄博 255049）

0 引言

随着光纤通信技术的发展和成熟，光纤通信已是目前最为主流的通信技术之一。我国各地大力铺设光纤线路光缆，使得光缆线路长度逐年快速增加。 因此对光缆线路出现的故障进行监测成了一个很重要的问题。 对于规模庞大的光缆线路进行监测工作，初期的传统人工光缆监测方式已不太适用，这种方法已无法很好地完成现代大量光缆的监测工作。因此基于光缆故障点监测方法，设计出光缆故障监测系统，对于保证光纤通信网络的可靠工作至关重要。在光纤通信课程的教学中，为培养学生具有创新创业的思想及能力，把实际中一些有需求、至关重要的技术如现代光缆故障检测技术的实现，让学生自己设计光缆故障检测方法下的仿真系统，并应用仿真系统仿真判断光缆发生故障点的位置，很好地实现了学生理论学习到实际应用，提高了学生解决现实问题的能力。

1 光纤通信网的光缆故障监测原理

目前，光缆发生的主要故障有：光纤在使用过程中会发生老化而产生断裂故障；还有是外力人为如施工造成的和自然环境如台风天气造成的光纤断裂故障；再就是铺设完的光纤严重弯曲使光纤中通信信号产生严重衰减故障。

为了能够判断出光纤是否在正常工作，可以根据光纤传输特性来判断光纤产生故障的原因。 可以用OTDR（光时域反射仪）来对光纤的光纤传输特性进行测试，OTDR 能根据瑞利散射的特性来测出光纤的光纤传输特性。 其原理是先将光脉冲发射到光纤的内部，然后光脉冲会在光纤的内部进行传输，由于光纤自身的性质而产生散射以及反射，然后散射以及反射的激光脉冲返回发射端。 在实际测试过程中，可以根据反射激光的接收时间，再确定激光在光纤介质中的传播速度，便能够测算出距离，根据反射激光的时间以及强度画出光纤反射的测试曲线，得到该光纤的光纤传输特性，根据光纤传输特性曲线中发生菲涅尔反射光的位置确定对应距离存在光纤连接点或是光纤断裂。

2 光纤通信网的光缆故障监测仿真系统的组成

光缆故障监测仿真系统由光功率监测模块、波分复用器模块、OTDR 测试模块、分光器、滤波器设备等组成。 重点设计光功率监测模块和OTDR 测试模块。

光功率监测模块是光缆故障监测仿真系统重要测试模块，能够监测光缆的状态。 光功率监测模块采用的是光功率监测方式，是通过监测被测光纤的光功率变化情况来判断光纤是否发生故障。具体来说是先通过光功率采集光纤的光功率数据，为了使设计的仿真系统更加实际，考虑避免在光信号采集过程中对正常的光纤通信造成影响。用分光器将整个光信号分成两部分， 一部分含有原来全部光信号的百分之九十七， 这部分光信号仍然作为正常传输的光通信信号；另一部分的光信号占百分之三，这一部分用于光功率检测，由于抽取的光信号比例很小，所以不会影响到正常的光纤通信。 通过对光功率的监测，可以与设定的门限相比，若超过门限，发出告警。

OTDR 测试模块作为另一测量模块，是根据光信号的衰减情况来监测光纤的工作情况。它的具体工作是OTDR 测试模块可以记录脉冲信号的往返时间以及反射回来的信号强度，并通过这些数据作出相应的对应曲线，根据曲线的变化情况观察是否存在菲涅尔反射，从而确定是否发生故障。 同时根据曲线可以计算出故障点的位置。但是OTDR 测试频繁使用会加重设备的负担，缩短设备的使用寿命。 由于进行OTDR检测需要使用到波分复用器与滤波器，波分复用器是为了将发送的检测信号与正常光纤通信信号混合到一起，同时保证不能影响到正常的光纤通信。 滤波器是为防止OTDR 测试发送的检测信号对正常的光纤通信产生影响，对发送的检测信号进行过滤。 所以先用光功率监测的方式对光缆进行监测，当发出故障告警后，再使用OTDR 测试技术对发生故障的光纤进行检测， 确定具体的故障点， 这样可以有效地减少OTDR 测试次数以及减小OTDR 测试的工作范围，提高设备的使用寿命。

3 光纤通信网的光缆故障监测仿真系统的设计

用Optisystem 软件，设计的光功率监测模块如图1 所示， 主要包含光功率计和分光器； 设计的OTDR测试模块如图2 所示，主要有光时域反射仪，波分复用器以及滤波器。

4 光纤通信网的光缆故障监测仿真

进行光纤光功率监测的仿真，首先运行正常光纤系统，然后点击光功率仪，观察光功率仪得出光纤的光功率为6.749 dBm。然后导入截断光纤的系统，运行后，再次点击光功率仪，观察光功率仪得到光纤的光功率为-100.000 dBm。 通过进行光功率的测量对比，确定光纤发生故障。 再启动OTDR 监测模块，对光纤的故障点进行定位仿真。

OTDR 模块进行光纤故障点定位的仿真。 由于仿真软件没有光时域反射仪， 所以仿真中用两个光时域观察仪对同一系统进入光纤前后的光信号进行了两次时域曲线的观测，通过前后两次观测，观察光信号在光纤中的传输情况，得出故障定位监测结论。 具体操作：OTDR 对正常的光纤进行检测，系统运行后，点击左侧的光时域观察仪，光信号的最大值为0.104 9W；点击右侧的光时域观察仪， 光信号的最大值为0.040554W，如图3 所示，得出光信号在光纤的传输过程中，信号会发生衰减，但无故障；对故障光纤进行OTDR 检测，系统运行后，再点击右侧的光时域观察仪，可以看到振幅的最大值为2.821 8×10-102W，如图4 所示，数值相当的小，判断光纤发生了故障及定位。

5 结束语

光纤通信网的光缆故障监测仿真系统的设计与仿真分析过程中，OTDR 测试模块在仿真环节实现准确故障点的定位问题还不能很好地解决，随着课题研究的不断深入， 后期持续不断地对系统进行调试，不断地完善整个仿真系统，使光缆监测仿真系统能够更加完善。 为光纤通信课程的教学提供更有利支撑。

图3 无故障光纤的信号曲线

图4 故障光纤的信号曲线