基于OTDR 的光缆自动监测定位中减少盲区影响的智能测试方法

［王强 房瑜丹］

1 引言

传统的光缆自动监测系统中，当光功率告警产生时，光缆自动监测系统中的主控模块会驱动OTDR 模块对监测光纤使用参考曲线的测试参数进行测试，然后用该测试曲线与参考曲线进行比较分析，从而得到告警位置[1]。

然而实际情况是，当监测光纤发生断裂后，其长度就发生了改变，原来的测试脉宽很可能就不再适合当前断裂后的线路。特别地，当100 km 以上的光纤断裂成了几百米的光纤，原先测试100 km 以上使用的测试脉宽用来测试几百米的光纤时，就会导致测试出来的OTDR 曲线盲区过大，拖尾严重而分析不出准确的光纤长度，从而无法准确定位告警位置。

针对上述情况，很有必要选用符合当前断纤的测试脉宽再次进行第二次测试，以便能准确确定断纤位置。最显而易见的做法是对于不同长度的光纤配置一个典型的测试脉宽，但是这种做法忽略了两个前提：一是当监测光纤发生断裂时，原有的测试参数下OTDR 可能得不到可靠的光纤链长，此时根据该实际纤长来选择测试脉宽的前提条件就不存在。二是在实际的光缆监测中，待测光纤一般劣化严重，这种不考虑光纤实际损耗的测试脉宽可能满足不了测试需要的动态范围而测试不了该光纤，从而导致测试结果异常。

在光缆自动监测领域，用户不仅关注告警定位位置的精度，同时还关注告警的响应时间。如何以有限的时间快速确定最优且实际有效的测试脉宽，从而在告警定位精度和告警响应时间上达到一个合理的平衡，这是一个很有实用价值的问题。

2 基于OTDR 的光缆自动监测原理

2.1 OTDR 盲区产生的原理及影响

光时域反射仪（OTDR，Optical Time Domain Reflectometer）是发射光脉冲并检测其在光纤传输过程中产生的瑞利散射和菲涅尔反射的光电一体化精密仪表。由于光纤中菲涅耳反射的光强度比瑞利后向散射的光强度高104 倍左右，OTDR 检测器的核心部件雪崩光电二极管（APD）受高强度的菲涅尔反射光的影响，进入到饱和状态，需要一定时间才能恢复到正常状态。在检测器恢复期间，OTDR 不能准确检测光信号，导致在一定距离内的OTDR曲线无法反映光纤线路的衰减信息，于是测试结果中出现了盲区。

OTDR 盲区理论上的长度跟光脉冲宽度和APD 的性能有关[2]，因为APD 集成在OTDR 模块中，我们这里只讨论OTDR 外部测试参数的光脉冲宽度。理想情况下，盲区可以近似认为是在脉冲宽度时间内光信号沿光纤传播的距离，如公式（1）所示。

其中，式中L 代表盲区长度，C 代表光速，n 代表光纤折射率，τ 代表脉冲宽度，由此可见，OTDR 理论上的盲区与其测试的脉冲宽度成正比，即脉冲宽度越大，盲区也越大。盲区带来的危害是反射事件点后方的一段长度的光纤无法被探测到。但是，脉冲宽度控制着注入光纤的光能量，脉宽大接收到的后向散射信号就强，有利于测试更长的光纤。在实际使用OTDR 测试光纤的过程中，常常需要人工根据测试光纤的长度和光纤损耗的情况来选取合适的脉宽，即测试短距离用小脉宽档，测试长距离用大脉宽档。

2.2 基于OTDR 的光缆自动监测系统

光缆自动监测系统通过实时监测光纤状态，当光纤发生故障时，能第一时间自动启动OTDR 模块进行测试分析，得出准确的断纤位置，并将告警信息通过网络传输给用户，从而为用户提供直观、方便、快捷的光纤网监控和管理工具，提高了网络维护工作效率、大大缩短了故障时间。

传统的光缆自动监测系统中的RTU（远程测试单元）由主控模块、光开关模块、光功率模块、OTDR 模块以及电源模块组成。主控模块监测控制和设置各模块状态，接收模块状态和反馈信息，根据各模块信息进行告警逻辑分析，并通过网口与网管系统进行通讯；光功率模块每隔一段时间测试待测光纤末端的接收光功率，一旦发现接收光功率值下降超过了告警门限，就会将光功率告警信息上报至主控模块；光开关模块负责为OTDR 模块进行测试光路扩展，一旦主控模块收到光功率模块发出的光功率告警，主控模块就会通知光开关模块切换到告警光路上，以等待OTDR 模块进行测试；OTDR 模块接收主控模块的测试命令并得到OTDR 测试曲线和光纤链路的事件点分析结果，并将OTDR 曲线和链路信息返回给主控模块，由主控模块将该测试曲线与其存储的正常情况下的参考曲线进行对比分析，然后得出最终的告警位置，并通过网络将该告警信息上报至网管系统。其工作原理流程图如图1 所示。

3 减小盲区影响的OTDR 告警定位方法

由图1 我们可以看到，传统的光缆自动监测系统中OTDR 模块是使用参考曲线对应的测试参数对待测的光纤进行测试得到当前的实时OTDR 曲线，然后由主控模块将其与光纤线路正常时的参考曲线进行比较分析而得出故障位置的，这种方法在大部分应用场景下是有效的。但是，当监测的光纤比较长，而光纤发生断裂的位置比较短时，就会出现因测试参数产生的OTDR 盲区从而影响告警精确定位的问题。为此我们提出并设计了一种缩短盲区的OTDR 告警定位方法，主要是在主控模块中增加了自适应脉宽探测模块，该模块可以软件实现，其方法步骤如下：

图1 基于OTDR 的光缆自动监控系统的工作原理流程图

（1）选用合适的测试参数对待测光纤进行OTDR 测试，并将得到的测试曲线作为参考曲线保存在主控模块中。其中，参考曲线信息包括OTDR 测试参数、曲线点信息、事件点信息、链长以及链损耗等，OTDR 测试参数包括量程、波长、脉宽、折射率、非反射事件的门限和测试时长等；

（2）将OTDR 模块所有测试参数条件下预先测得的对应动态范围一一对应存储于主控模块中，OTDR 的动态范围是OTDR 模块的固有指标，它决定了OTDR 模块在该测试条件下可测光纤的最大长度；

（3）当光功率告警产生时，光缆监测系统中的主控模块会驱动OTDR 模块对待测光纤使用参考曲线的测试参数进行第一次测试，当能得到实际链长时，实际链长若小于参考测试线路的链长，则光纤断裂，并以该实际链长作为断纤告警位置。

（4）若参考曲线的测试参数导致OTDR 曲线盲区过大从而得不到实际光纤链长，则考察待测光纤末尾位置的损耗值，若低于噪声水平，则光纤断裂，并且说明原有测试脉宽不能精确定位断纤位置，此时则进入智能选择脉宽的步骤，以便进行第二次OTDR 测试。

（5）当发现光纤断裂又无法精确定位时，依据参考测试线路特定位置点的累积损耗以及各测试参数下的动态值进行比较，优选出适合断裂后的测试线路的测试脉宽。即将当前测试线路的链损耗记为CurFiberLoss，将不同脉宽和不同测试时长的测试参数下测试得到的动态值记为Dynamic，选取步骤（1）中参考测试线路上的1km 位置的点并计算该点的累积损耗TotalLoss，该值可以在配置参考曲线时计算并保存在主控模块中。然后将该值作为当前测试线路的链损耗，即CurFiberLoss=TotalLoss。

（6）遍历该测试量程下的各脉宽，从最小脉宽开始寻找，比如5 ns，一直寻找到最大脉宽，比如20 μs，当Dynamic– CurFiberLoss– diff的值大于等于零时，即意味着找到合适测试线路的测试脉宽参数，停止寻找，其中，diff 为损耗余量记，diff 一般取为1～2 dB；

（7）用步骤（6）得到的测试线路的测试脉宽参数，对断裂后的被测线路重新进行第二次OTDR 测试，依据新测试得到的OTDR 测试曲线与参考曲线的比较分析得到精确的断纤告警位置。

4 试验设计及论证分析

为验证上述方法的有效性，我们设计了如下图2 所示的简化的实验系统。

图2 实验系统原理框图

它由一个OTDR 模块、一个PC 端软件以及一些测试光纤组成。PC 端软件用来模拟主控模块，它的主要功能包括通过网络实现对OTDR 模块的测试，参考曲线的配置保存以及自适应脉宽探测模块的实现，这包括各测试参数下动态范围的信息保存，参考曲线特定点的累积损耗的计算与保存以及自适应脉宽探测算法的实现等。

OTDR 模块以G-Link 厂家TR300 型号为例，其光口接915 m G.652 光纤和100 km G.652 光纤（由两盘50 km 的G.652光纤通过光纤活动连接器B连接组成），100 km G.652光纤接在915 m G.652 光纤后面，两者用光纤活动连接器A连接在一起，通过拔掉光纤活动连接器A 来模拟长距离光纤断裂成短纤的情况。PC 端的软件界面如图3 所示。

图3 PC 端软件主界面

在正常情况下，我们根据当前光纤总长（100 km+915 m）来选择合理的测试参数，这里我们选择量程180 km，脉宽5 μs，测试时长8 s 进行测试，测试完成后将得到的曲线作为参考曲线保存到本地。测试结果如图4 所示。

图4 180 km，5 μs 测试得到的参考曲线

然后，我们将915 m G.652 光纤与100 km G.652 光纤的光纤活动连接器A 断开以模拟光纤断裂成短纤的情况，此时OTDR 光口相当于只接了915 m G.652 光纤，再次以原来的测试参数，即量程180 km，脉宽5 μs，测试时长8 s进行测试，我们对得到的测试曲线进行了横向放大，可以看到在A 标杆1 682 m 前出现了平顶，看不到任何事件，即由于该OTDR 模块盲区的原因，其没有找到准确的结束事件点，导致无法得到准确的光纤长度，如图5 所示。

通过图5我们发现测试曲线在原光纤末尾100.915 km附近都处于噪声中，故我们启动脉宽自动探测算法分析，我们在参考曲线的1 km 处计算该点的累积损耗为5.65 dB，即CurFiberLoss=5.65 dB。而该OTDR 模块在180 km 量程下支持的测试脉宽有80 ns、160 ns、320 ns、640 ns、1 μs、5 μs、10 μs、20 μs 等，在波长为1 550 nm，测试时长为8 秒的前提下，其动态分别依次为9 dB、11 dB、13 dB、15 dB、17 dB、19 dB、22 dB、24 dB，根据Dynamic– CurFiberLoss– diff公式，我们取diff为1 dB，而CurFiber-Loss为5.65 dB，只要某测试脉宽对应的Dynamic 大于等于6.65 dB就可以满足线路损耗，而80 ns 脉宽对应的动态为9 dB，从而确定80 ns 是最佳的测试脉宽。根据量程180 km，脉宽80 ns，测试时长8 s 对断纤进行第二次OTDR 测试，我们对得到的测试曲线进行了横向放大，可以看到由于脉宽的减小，该OTDR 模块的盲区也随着缩小，可以在测试曲线上明显的看到最后一个反射事件，从而可以准确分析出光纤长度，实现断纤告警的准确定位，测试结果如图6 所示。

图5 180 km，5 μs 测试断纤得到的经横向放大的测试曲线

图6 180 km，80 ns 二次测试断纤得到的经横向放大的测试曲线

我们没有从第一次的测试曲线中直接分析线路损耗，因为这比较复杂和耗时，同时由于盲区和拖尾的影响，这有时是个不可能的任务。我们通过从参考曲线的特殊点的累积损耗（这些值可以事先计算好并保存在本地）和当前曲线的测试结果来综合推算出当前线路的有效链损耗，这有效节省了时间。再根据保存的各测试参数下的动态范围，就可以查表得到适合该线路损耗的最佳的测试脉宽，通过开启再次测试来达到减小盲区的目的。

5 结束语

工程实际中，由于OTDR 中信号放大电路的非理想特性和电路中各种噪声叠加以及信号处理方法不同等其它因素的影响，实际其表现出的盲区比理论上的要大，所以OTDR 模块中有很多降低盲区扩宽的方法[3～5]，但是，OTDR 理论盲区长度是固有存在的，是不可消除的，本文提出了一种基于OTDR 的光缆自动监测定位中缩短盲区影响的方法，即增加自适应脉宽探测模块，智能而快速的选出适合断纤线路对应OTDR 的最优的测试脉宽，然后用新的测试脉宽进行第二次自动测试，从而实现更精确的告警定位。这种方法能避免因为待测光纤断裂后OTDR 模块使用原先测试脉宽而引起的盲区过大以及引发的拖尾问题，从而提高光缆断裂告警定位的准确性。同时又由于其简单有效，便于软件实现，可以在系统集成时不必选择盲区指标更好更昂贵的OTDR 模块，具有较好的经济效益。该方法已经应用到研发的光缆自动监测系统中，在实际的运营中取得了良好的效果。