通信光纜線路中的故障定位和檢測

李永杰，張毓琪，宋 騰，戚曉勇

（國網(wǎng)河南省電力公司信息通信公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

通信技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，光纖已經(jīng)在各領(lǐng)域廣泛使用。光通信的發(fā)展重點是光纖穩(wěn)定、安全、高效地傳輸信號，如果光纖出現(xiàn)損傷或斷裂等問題，則會引起嚴重的通信故障，影響人們的工作和生活。實際工程中，需要實時在線監(jiān)控光纜，如果出現(xiàn)故障，則需要精準判斷故障點的位置并及時搶修，從而降低損失[1]。監(jiān)控系統(tǒng)中，采用光時域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）監(jiān)測光纜線路，觀察OTDR 的返回曲線，從而全面判斷光纜線路故障點。噪聲會導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此在對OTDR曲線分析的過程中要考慮噪聲影響，避免出現(xiàn)誤判。為解決該問題，需要對OTDR 曲線信號進行去噪處理，從而提高故障點檢測的精準性，同時保留信號的特征[2]。

1 通信光纜線路的傳播原理

通信即信息交換，包括有線通信和無線通信[3]。光通信是有線通信，其所使用的光纜屬于光傳輸通信線纜。了解通信光纜線路傳播過程，需要充分掌握光纖光纜的傳輸特點。光纖彎曲時，傳輸界面法線出現(xiàn)轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致入射角度比較小，因此有一部分光線無法全反射。但是，原本入射角比較大的光線仍然能夠發(fā)生全反射，因此光纖彎曲時也能傳輸光信號，但是會出現(xiàn)能量損耗。

使用通信光纜線路的過程中，光信號以一定的入射角度進入光纖內(nèi)部區(qū)域，利用數(shù)學(xué)孔徑NA表示入射端纖芯位置區(qū)域能夠接收的光纖容量，其計算公式為

式中：α0表示最高臨界角入射角度；n1和n2表示光纖芯和包層的折射率指標。

光纖入射角度高于臨界角時，無法保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。此外，信號入射角度不同會導(dǎo)致傳輸狀態(tài)不同。信號通過小入射角進入光纖，能夠?qū)⑿盘柹涑?；通過大入射角進入光纖，則從大長度和小角度的軌道中傳輸。如果入射角度高，那么傳輸距離小[4]。

使用通信光纜線路故障點的智能化定位技術(shù)前，需要分析線路特點與情況，完善檢測系統(tǒng)和模式的設(shè)計。光纜線路具體特點如下。

（1）長度大。通信光纜傳輸?shù)木€路通常比較長，提高了日常維護成本。同時，線路長度大會導(dǎo)致信號傳輸出現(xiàn)中斷，并且線路周圍環(huán)境復(fù)雜，會出現(xiàn)災(zāi)害或者人為破壞等情況，從而使線路出現(xiàn)故障和損壞。此外，由于光纖材料比較脆弱，會出現(xiàn)斷裂等情況。

（2）外部環(huán)境問題。室外復(fù)雜環(huán)境中，由于不同地區(qū)的人文和氣候特點不同，如果無法對線路進行維護監(jiān)測與管理，就會導(dǎo)致線路出現(xiàn)故障問題。

（3）信號串?dāng)_問題。通信光纜具有保密性，在光纖材料中實現(xiàn)光波傳輸，不會出現(xiàn)信號泄漏等問題。將消光劑涂抹在光纜或者光纖材料外部，能夠起到良好的保護作用，避免不同線路的干擾和串聯(lián)，并且避免對其他通信基礎(chǔ)設(shè)施造成影響。此外，光纖線路具備抗干擾性能，能夠保證信號的傳輸質(zhì)量，并且具備良好的抗電磁干擾性能，避免在外部磁場中出現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性不足的問題。

（4）原材料來源廣泛。傳統(tǒng)信號通過有線線纜進行傳輸，其制作材料為銅和鉛，資源來源的范圍較小。而通信光纜線路利用石英材料制作，來源范圍廣泛。利用光纖材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬線纜，能夠增加傳輸容量和原材料的源渠道，降低制作成本。

（5）重量輕。一般通信光纜材料比較輕，容易制作、運輸和安裝，能夠解決地下隧道空間環(huán)境擁擠的問題，降低投資建設(shè)成本，延長材料使用周期和線路壽命。

2 導(dǎo)致光纜線路故障的原因

2.1 自然因素

自然因素是指由于外界環(huán)境問題損壞光纜線路，包括因時間長或者暴雨、雷電、臺風(fēng)等自然因素而導(dǎo)致線路出現(xiàn)老化和磨損的情況[5]。

2.2 光纜原材料

光纜線路纜芯的原材料通常是玻璃與塑料纖維，如果光纜線路使用時間較長，則無法保證其質(zhì)量，如果線路長期處于靜態(tài)疲勞的狀態(tài)中，則會出現(xiàn)老化等情況，進而導(dǎo)致光纜線路出現(xiàn)故障。同時，光纜線路接頭盒出現(xiàn)進水故障會加深光纖耗損程度。此外，如果光纜線路的有關(guān)參數(shù)不在設(shè)定范圍，光纖線路則會出現(xiàn)故障。例如：如果工作溫度較低，會導(dǎo)致接頭盒被冰封，絕緣套萎縮，進而導(dǎo)致光纖斷裂；如果工作溫度較高，會降低絕緣套材料的質(zhì)量，縮短光纜線路的使用壽命，進而導(dǎo)致線路出現(xiàn)故障。

2.3 光纜線路質(zhì)量

外界氫損壓力會影響網(wǎng)絡(luò)通信建設(shè)工程的光纜線路，降低線路的整體質(zhì)量。同時，線路的拉力或壓力超過其承受能力時，會出現(xiàn)氫化反應(yīng)，降低光纖線纜的質(zhì)量，從而導(dǎo)致光纜線路出現(xiàn)故障[6]。

3 通信光纜線路的故障定位與檢測技術(shù)

3.1 OTDR 工作原理

OTDR 在光纖測試過程中被廣泛使用，其能夠精準定位通信光纜線路的故障點，并排除故障。首先，利用菲涅爾反射原理檢測通信光纜線路；其次，在通信光纜線路中傳輸激光脈沖；最后，利用發(fā)送端探測反射的反方向光，并以前后端回波脈沖光通過通信光纜線路的時間作為間隔，計算光纖長度值。技術(shù)人員在檢測通信光纜故障后，通過光纜線路輸入端和回波脈沖能夠定位故障點。利用瑞利散射的原理，能夠?qū)⒄}沖注入輸入端，并應(yīng)用于通信光纜線路的不同位置。

通信光纜線路中的返回光和傳輸光的光功率存在正相關(guān)的關(guān)系，只需要計算返回光的光功率，就能夠同時得出傳輸光的光功率，從而明確光纖衰減情況。如果通信光纜線路出現(xiàn)傳輸中斷，則會出現(xiàn)菲涅爾反射。在設(shè)置周期的OTDR 能夠?qū)⒚}沖發(fā)射到通信光纜線路，并以預(yù)設(shè)的速率存儲計算結(jié)果。工作人員通過檢測OTDR，能夠提高檢測與定位的準確性[7]。

3.2 OTDR 的使用

3.2.1 參數(shù)的設(shè)置

故障點定位檢測過程中，工作人員能夠以儀器的特殊性為基礎(chǔ)，保證儀器檢測數(shù)據(jù)參數(shù)的規(guī)范性。OTDR 的參數(shù)包括分辨率、折射率以及光標，受人為因素和環(huán)境因素的影響，檢測參數(shù)設(shè)置存在誤差。專業(yè)人員可以通過使用分段式定位與檢測的方法，避免出現(xiàn)誤差。設(shè)置分辨率為1 m，光標滿格定位為20 步。

3.2.2 去噪處理

智能定位通信光纜線路故障點時，需要重視噪聲污染。為精準定位故障點，避免噪聲影響光信號，需要進行去噪處理。首先利用小波段變換的方法計算儀器的曲線數(shù)據(jù)，得出小波段系統(tǒng)模塊數(shù)值，其次處理閾值，最后進行去噪。工作過程中，專業(yè)人員需要研究OTDR 的功能和使用方法，強化儀器測試控制效果，縮短檢測時間，降低噪聲影響[8]。

3.2.3 奇異信號處理

OTDR 能夠有效處理異常信號與可識別信號。儀器中包括異常狀態(tài)下的瞬態(tài)與事態(tài)信號，在檢修過程中使用奇異信號能夠提高檢測準確率，方便工作人員檢修。工作過程中，如果可微性表述信號函數(shù)出現(xiàn)中斷，說明存在奇異點，那么在去噪處理過程中，需要計算Lipschitz 指數(shù)α，從而精準尋找故障點定位。

4 通信光纜故障點的修復(fù)

4.1 OTDR 技術(shù)的使用

通信光纜線路故障點檢測過程中，OTDR 技術(shù)具有重要作用，其對于前期檢測工作尤為重要。OTDR技術(shù)能夠檢測光纖長度、衰耗、距離以及鏈接質(zhì)量，利用光纖發(fā)射光脈沖，通過端口接收信息，并且確定信息質(zhì)量。光脈沖傳輸過程中，通過光纖性質(zhì)、結(jié)合點和彎曲度實現(xiàn)散射與反射，利用反饋在OTDR 中傳輸，再測量后臺數(shù)據(jù)，檢測光纖測試熔點值與彎曲情況。一旦脈沖遇到光纖遠端和連接器，就會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，根據(jù)反射光實際情況，能夠得出故障距離和損耗量。

4.2 OTDR 曲線分析處理

通信光纜線路存在故障時，如果OTDR 曲線出現(xiàn)異常，那么儀器會提前告警，使系統(tǒng)判斷故障點位置。如果曲線沒有變化，那么說明盲區(qū)存在光纖故障，盲區(qū)位置為10 ～20 m，精準查找故障點位置。檢查室內(nèi)光纖配線架（Optical Distribution Frame，ODF）、終端盒卡扣、尾纖擠壓狀態(tài)以及盤留半徑等，使用紅筆頭開展斷點檢查，如果出現(xiàn)光纖問題，需要及時更換，保證露天線纜的穩(wěn)定性。

4.3 曲線遠端與實際長度不符

曲線遠端和實際長度不符主要是因為光纖斷裂或損耗過大。檢測過程中，要精準尋找故障點。如果光纖出現(xiàn)斷裂，那么需要精準定位接頭的位置，若接頭沒有接好，可以將光纖纏繞在手指測試光纖衰減程度。如果信號出現(xiàn)問題，那么需要精準尋找故障點的位置。若依然存在異常信號，則需要再次將光纖纏繞在手指進行測試，直到檢測出故障點。檢查過程中要仔細，根據(jù)規(guī)范操作流程分析，及時修復(fù)斷裂點和熔斷點，保證通信光纖線路的通暢性[9]。

5 方法實現(xiàn)和仿真

5.1 方法實現(xiàn)

利用最大和最小原則確定閾值B，對比各尺度閾值B和小波系數(shù)，設(shè)置小波系數(shù)為0。模比閾值B比較大，實現(xiàn)小波處理，兩者相減，由于軟閾值函數(shù)的作用，小波域系數(shù)光滑。

5.2 仿 真

分析處理OTDR 的測試數(shù)據(jù)，設(shè)置采樣點個數(shù)為19 600 個，采樣頻率為2 000 kHz，含噪聲的原始信號如圖1 所示。

圖1 含噪聲的原始信號

通過dB3 小波實現(xiàn)4 層小波信號分解，并且計算各尺度細節(jié)系數(shù)局部極大值，各尺度細節(jié)系數(shù)的局部模極大值如圖2 所示。

圖2 各尺度細節(jié)系數(shù)的局部模極大值

根據(jù)文章提出的去噪方法實現(xiàn)信號的去噪后重構(gòu)，重構(gòu)后的信號如圖3 所示。

圖3 重構(gòu)后的信號

通過對比圖1 和圖3，文章提出的去噪方法能夠?qū)崿F(xiàn)去噪處理。圖3 中的信號突變點由纖芯打折、光纖彎曲和斷裂導(dǎo)致的噪聲引起，以事件點序號判斷故障點位置，將噪聲剔除后的局部信號波段并沒有失真。根據(jù)小波變換模的極大值，能夠采取有關(guān)措施去除噪聲，重構(gòu)信號接近原始信號，通過閾值和各尺度細節(jié)系數(shù)局部模極大值實現(xiàn)信號去噪[10]。

6 結(jié) 論

通過對通信光纜線路的故障點進行智能定位檢測，能夠保證信號傳輸?shù)陌踩院托?。實驗表明，基于OTDR 的檢測技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。在實際故障點定位檢修過程中，要求專業(yè)技術(shù)人員利用OTDR 儀數(shù)據(jù)參數(shù)和小波變化模極大值對光信號進行處理，能夠避免光脈沖信號出現(xiàn)失真的情況，實現(xiàn)故障點的精準尋找和處理，保證通信光纜線路傳輸?shù)耐〞承浴?/p>