李贵华1，陈广辉1，李燚2
（1.中国人民解放军73141部队，福建泉州362300；2.中国人民解放军73142部队，福建泉州362300）摘要：针对人工检测纤芯通信质量不易检测的特点，结合单位业务实际和对纤芯通信质量检测管理需求，设计了一套基于OTDR的光纤传感节点感知光缆纤芯质量的光纤纤芯质量检测系统。该系统主要采用多通路OTDR光缆监测，综合应用光时域反射、计算机和地理信息系统技术，利用移相采样技术和跨阻偏压可变接收机技术提升了OTDR模块的性能并有效地控制了成本，实时获得被测光缆纤芯通信质量信息，有效提高光纤通信网的可靠性和使用效益。
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关键词 ：OTDR；移相采样；模/数转换；跨阻偏压
0 引言
目前，在光纤通信网中判断光纤纤芯质量的传统做法是使用人工方式定期测试纤芯，采用这种方法虽然可靠性好，但在测试在用纤芯时难度大、周期长，且不易检测，每年最多只能安排两到三次，无法实时掌握纤芯通信质量变化等情况，也无法根据纤芯质量变化趋势及时预测和消除光缆线路隐患，影响到光纤通信网运行的可靠性[1]。为了更加高效地对光缆纤芯质量进行自动测试和智能管理，综合应用光时域反射、计算机和地理信息系统技术，研发了光纤通信传送纤芯质量监测系统并投入到实际应用中，实现了光纤质量的实时监测与管理功能。
1 光时域反射仪工作原理
光时域反射仪（Optical Time?Domain Reflectometer，OTDR）是光纤测试特别是在网络建设的实际施工布线中经常使用的仪器。OTDR 使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。瑞利散射是由于光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成，也就是OTDR 测量回到OTDR 端口的一部分散射光。这些背向散射信号表明了由光纤而导致的衰减（损耗/距离）程度，其形成的轨迹是一条向下的曲线，说明背向散射的功率不断减小，这是由于经过一段距离的传输后发射和背向散射的信号都有所损耗。同时菲涅尔反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点引起的，这些点是由造成反向系数改变的因素组成，例如玻璃与空气的间隙，也在这些点上会有很强的背向散射光被反射回来[2]。因此，OTDR就是利用菲涅尔反射的信息定位连接点、光纤终端或断点。OTDR工作原理主要是通过发射光脉冲到光纤内，然后在OTDR 端口接收返回的信息确定光纤纤芯的衰减度。
2 系统设计
系统对光纤纤芯通信质量的监测主要通过对光缆内某一根光纤或者几根光纤的监测，获取到被测光纤纤芯的通信质量情况，实现对整条光纤的间接监测。该系统主要采用基于OTDR 的光纤传感节点感知光缆纤芯质量，通过监控终端连接到传感信息数据库服务器，获取被测光缆纤芯通信质量信息，对光缆网纤芯质量进行实时监控，其系统结构如图1所示[3]。
系统的光纤传感设备采用多通路OTDR 光缆监测设计方案，该方案设计的系统结构简单，适用于不同监测光缆数量的要求。系统关键就是光纤传感设备将多个OTDR 模块集成到一个板卡上，板卡上的独立OTDR 子模块可根据需要选择不同的波长、动态范围，由于每根被测光纤都有独立的OTDR进行监测，因此可以避免使用机械式光开关带来的插入损耗及光开关磨损等问题，具有可靠性高、实时性好、管理方便、配置灵活等优点。系统传感设备模块结构如图2所示。
3 主要功能模块
纤芯质量监测系统主要分为资源管理、告警管理、配置管理、性能管理和安全管理五个功能模块，实现对在用光纤质量的实时监测和管理。
3.1 资源管理模块
该模块的主要功能就是录入被监测对象（在用或未用光纤及传感节点）的信息，形成光纤资源信息数据库。利用计算机和地理信息系统，在电子地图上显示光缆网络分布，通过显示目标属性的方式查询和获取所需要的网络资源信息，并实时显示光纤纤芯通信质量。
3.2 告警管理模块
该模块的主要功能是收集光纤传感节点产生的告警数据，包含被监测光纤段衰减变化产生的告警和光纤传感节点内部故障产生的告警。整理告警数据，形成当前告警、历史告警列表，并提供告警滤除、告警证实、告警清除等辅助管理[4]。
3.3 配置管理模块
该模块的主要功能是配置管理系统网管软件的工作参数。例如：周期性测量的时间、目标列表；设置各个光纤传感节点的工作参数。例如：OTDR 模块名称、地址和告警门限等。
3.4 性能管理模块
该模块的主要功能是根据用户命令或事先设定的指令，向指定地址的光纤传感节点（OTDR模块）发送测试命令，测量光纤的衰减特性，该功能主要用于光纤故障定位。按规定的时间间隔，收集、存储被监测光纤段的衰减参数，形成较长时间段的统计数据，供维护人员分析光纤的劣化趋势，采取措施预防故障发生。
3.5 安全管理模块
该模块的主要功能是设置管理系统用户的账户、密码、权限，并提供用户日志管理功能。
4 两种关键技术及实现方法
为了提高OTDR子模块的性能和降低成本，在本系统中OTDR子模块使用了两种关键技术：移相采样技术和跨阻偏压可变接收机技术。
4.1 移相采样技术
根据OTDR工作原理可知，模拟信号的采样率会直接影响OTDR 事件盲区，采样率越高事件盲区越小，事件距离精度越高。例如100 MHz 采样率的模/数转换（Analog to Digital，A/D），采样一个数据需要10 ns，转化为OTDR曲线距离约为1 m。如果A/D的采样率提高到400 MHz，则A/D 采样一个数据只需要2.5 ns，转化为OTDR曲线距离约为0.25 m。虽然高速A/D会使事件盲区很小，但会导致器件成本成倍上升，高速信号的处理难度也比较大，其中包括PCB 布板、高速信号处理等。因此本系统采用控制A/D 采样时钟的相位来间接提高A/D的采样率，可以有效解决高采样率带来的成本以及信号处理问题。移相采样流程如图3所示。
移相采样主要控制过程如下：假设A/D采样周期为T，时钟移相模块产生0°相位、90°相位、180°相位与270°相位的4 个时钟，则相邻的两个相位时钟的时间差为T 4；光脉冲产生模块产生4种时延相差T 4 的光脉冲信号[5]；光脉冲选择模块交替选择这4个光脉冲信号，第一次测试选择0°相位的光脉冲信号，第二次测试选择90°相位的光脉冲信号，第三次测试选择180°相位的光脉冲信号，第四次测试选择270°相位的光脉冲信号；存储控制模块根据光脉冲选择模块输出哪种时延的光脉冲信号进行存储控制。如果光脉冲信号是0°相位的，则存储在第1，第5，第9等对4取模为1的存储地址空间中；如果光脉冲信号是90°相位的，则存储在第2，第6，第10等对4取模为2的存储地址空间中；如果光脉冲信号是180°相位的，则存储在第3，第7，第11等对4取模为3的存储地址空间中；如果光脉冲信号是270°相位的，则存储在第4，第8，第12 等对0 取模为0 的存储地址空间中，这样存储器中连接地址采样点的间隔就是T 4，事件距离精度相当于A/D采样周期为T 4，即事件距离精度提高到原来的4倍。实验证明，系统应用移相采样技术后，最大量程可以达到198 km，在82 km 处断缆时的定位精度为±13 m。
4.2 跨阻偏压可变接收机技术
由于OTDR 接收到的从光纤返回的信号中不仅有微弱的瑞利散射信号，还有强烈的菲涅尔反射信号，有时候这两种信号的差别甚至达到50 dB 以上。如果反射信号很强，将导致OTDR 曲线的盲区变化很大，可能会使一些与反射点距离较近的事件被强反射事件所掩盖，造成事件的漏报。因此，在系统中采用了一种跨阻可变、APD偏压可调的OTDR接收机技术[6]。OTDR子模块首先对被测光纤进行粗略测试，对测试结果进行智能分析，判断和选定当前被测光纤的最佳测试条件，最后控制FPGA按照最佳测量参数进行更精确的测试。
5 使用效益
传统的纤芯质量测试维护方式组织难度大，在用纤芯质量测试要安排在停机时间进行，投入的人力物力多、工作效率低，影响了光纤通信网效益的发挥。该系统投入运行后，能对通信光缆纤芯质量的变化情况进行实时监测，能对大衰耗点和故障点进行定位分析和告警。系统实现了光缆性能的长期渐变分析和预警，通过对纤芯劣化分析、纤芯事件分析和故障原因统计，使维护人员及时了解光缆质量变化趋势，及早采取预防整治措施，有效防止因纤芯质量急剧下降造成的通信中断，将过去传统的事后抢修光缆维护模式转变为事先预防维护模式，提高了光纤通信传送网的可靠性和应用效益。
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