基于OTDR的光缆故障点精确定位方法
发布时间：2020-02-10
摘要：光缆维护时存在着故障点的位置定位不精确的问题，给光缆维护和抢修带来了困难。为解决这一问题提出了基于光时域反射仪(OpticalTimeDomainReflectometer，OTDR)的光缆故障点精确定位方法。该方法结合了OTDR和偏振光时域反射技术(PolarizationOpticalTimeDomainReflectometry，POTDR)，使用OTDR得到光缆故障点的光纤光学长度，利用POTDR分别获取光缆弯曲时和光缆恢复原状时的两组后向散射数据，用差值法和寻找斜率变化的方法对两组后向散射数据进行处理，可以确定光缆弯曲点的位置。结合光纤光学长度、弯曲点的位置及光缆余长系数，得出弯曲点与光缆故障点的距离，当弯曲点距离光缆故障点位置比较近时(小于200m)，对光缆故障点的定位很精确。实验结果表明，该方法能够精确地定位光缆故障点位置，结构简单，操作方便且不损伤光缆。
关键词：OTDR;POTDR;光缆故障;精确定位
1引言
光时域反射仪(OpticalTimeDomainReflec-tometer，OTDR)是目前维护光缆网络时，最方便、最常用的工具[1]。在使用OTDR对光缆故障点定位时，通过OTDR测量得到的是光纤的光学长度，而不是光缆的实际长度。另外，由于各种因素的影响，如在光缆的各个节点人为预留长度不等的光缆[2]，这样OTDR测出的光缆故障点位置与真实的光缆故障点位置会存在一定的误差，这种误差通常在200m左右，维护人员需要对这200m的光缆进行仔细观察、辨别，才能确定光缆故障点的准确位置，如此一来，寻找故障点的时间较长，为维护和抢修带来了困难。
偏振光时域反射(PolarizationOpticalTimeDomainReflectometry，POTDR)技术是在OTDR技术的基础上发展出来的[3-4]。POTDR的特点是能够对光缆上的干扰(压力、振动)进行定位。POTDR虽然也能够测量光缆故障点的光纤光学长度，实现对光缆故障点的定位，但是由于引入了偏振态信息会导致定位不精确，有时POTDR定位误差甚至会达到几十米，由于这种误差的存在，使用POTDR很难做到对光缆故障点精确定位。而OTDR测试曲线线性度比较好，更容易准确测量光缆故障点的光纤光学长度。
本文提出基于OTDR的光缆故障点精确定位方法，该方法的优点是在一个设备中实现OTDR和POTDR功能，先用OTDR测出光缆故障点的光纤光学长度，然后利用POTDR获取两组后向散射数据，通过数据分析找出弯曲光缆的位置，两者结合确定出光缆故障点位置。该方法能通过简单的弯曲光缆获取操作人员位置，这样就知道距离故障点还有多远，在操作点距离故障点位置小于200m时结合光缆余长系数得出故障点位置，定位精准。
2原理及实验装置设计
OTDR是利用光线在光纤中传输时的Ray-leigh背向散射和Fresnel反射来表征光纤的特性。当激光器发出的光沿着光纤传输时，光纤中某些小的变化(如折射率方面出现的变化和不连续性)引起光向所有方向散射时，就发生Rayleigh背向散射，它提供了与长度有关的衰减细节，表明了由光纤而导致的衰减程度。当沿着光纤传输的光遇到材料密度方面的突然变化时就发生了Fresnel反射，材料密度的变化可能发生在存在空隙的连接处或断裂处，它可以反映出光纤线路中不连续点的位置。
POTDR利用光的偏振态受振动、压力等因素影响的特性，当光纤受到振动或压力干扰时，光纤中瑞利背向散射光信号的偏振态会因振动或压力信号的干扰而发生变化，偏振态的变化导致偏振光的强度发生变化，因此通过研究光纤背向瑞利散射偏振光信号的强度变化可以获得光纤受外界干扰的信息[5-7]。
本文设计的实验装置如图1所示。其中A点为选取的参考点，B点为光缆故障点位置。该装置通过控制2×2光开关可以分别实现OTDR和POTDR功能。当激光器输出的光经过环形器进入2×2光开关端口1，然后从2×2光开关端口3进入被测光缆时该装置具备OTDR功能。当激光器输出的光经过环形器进入2×2光开关端口1，经过2×2光开关端口4进入起偏器，经过2×2光开关端口2从2×2光开关端口3进入被测光缆时该装置具备POTDR功能。
3方法与实验结果分析
3.1光缆故障点精确定位方法
光缆故障点精确定位方法实施步骤如下：
(1)用实验装置的OTDR功能单元对故障光缆进行测试，获得故障光缆故障点到实验装置的光纤光学长度Lb，并确定Lb点距离测试装置的位置点为B点;
(2)在故障光缆上选取一个参考点A，参考点A到实验装置的光缆长度为0.85×Lb～0.95×Lb。
(3)在参考点A处，先将故障光缆弯曲一圈(光缆弯曲的曲率半径为故障光缆直径的20倍以上，50cm以下)，然后使用实验装置的POTDR单元获取被测故障光缆中光纤的第一组后向散射曲线数据D1。测试使用的脉冲宽度为40～320ns，测量时间1～15s。
(4)在参考点A处，先将被弯曲的故障光缆恢复原状，再实使用验装置的POTDR单元获取被测故障光缆中光纤的第二组后向散射曲线数据D2。测试使用的脉冲宽度为40～320ns，测量时间1～15s。
(5)数据D1和数据D2为被测故障光缆中光纤的后向散射幅度与时间的函数，将这两次数据进行相减运算，得到信号数据序列D，通过光在光纤中的传输速度与时间得到光纤长度，信号数据序列D的曲线用坐标方式进行显示，Y轴表示后向散射信号幅度的变化，X轴表示光纤长度;
(6)从坐标原点开始，向X轴正向逐点位移计算数据序列D，当后向散射信号幅度的变化值的绝对值大于设定的阈值(0.3～1dB)时，记录曲线上的阈值点，并从阈值点往坐标原点方向进行逐点位移、计算，当曲线上某一点的曲线斜率由正值变为负值或零、或者由负值变为正值或零时，则该点对应于故障光缆被弯曲处，记为c点，c点的X轴的值为故障光缆被弯曲处到实验装置的光纤光学长度La;
(7)比较La和Lb：如果Lb减La小于200m，则将A作为参考点;
如果Lb减La大于200m，则向B点方向移动，重新选择下一个弯曲点，重复步骤(3)至步骤(6)，直至找到一个Lb减La小于200m的参考点A，以此参考点为最终的参考点A;
(8)以最终的参考点A、(Lb-La)值、光缆余长系数R为依据，计算(Lb-La)/(1+R)得到长度Lc，从最终参考点A向B点方向移动长度Lc，此时的位置即是故障点实际位置。光缆余长系数R为2%～5%。
3.2实验结果及分析
测试使用8219m光纤和110m光纤，110m光纤接在8219m光纤后面。先用图1所示实验装置的OTDR功能单元对光纤进行测试，测试条件为激光器波长1550nm，测试脉宽160ns，测试曲线如图2所示，测得光纤长度为8329.78m，也就是步骤(1)中故障点B的光纤光学长度Lb为8329.78m。
选取参考点A的位置在8219m，距离故障点110m。
在8219m处将光纤弯曲，使用图1所示实验装置的POTDR功能单元进行测试，测试条件为激光器波长1550nm，测试脉宽160ns得到数据D1，如图3所示。
将光纤恢复原状用图1所示实验装置的POTDR功能单元进行测试，测试条件为激光器波长1550nm，测试脉宽160ns得到数据D2，如图4所示。
将数据D1减去数据D2得到数据D，如图5所示。
按照步骤(6)中方法基于数据D进行计算，其中阈值设置为0.3dB，得到阈值点位置8242.6m，其纵向幅度为0.30744dB超过了阈值，见图6中“+”号标注点的位置。从阈值点向坐标原点方向寻找斜率变化的点，在8212m处斜率发生了变化，该点就是光纤弯曲处，从弯曲处到实验装置的光纤光学长度La为8212m，见图6中“o“标注的位置。
(Lb-La)为117.78m，小于200m，所以选取的参考点可以作为最终参考点。
按照步骤(8)中公式Lc=(Lb-La)/(1+R)，可以得到Lc为117.78m，因为实验中使用的光纤所以光缆余长系数R取0。由此可以得出从参考点位置向后117.78m的位置就是故障点位置，这与真实距离110m相差7.78m。
为进一步验证本文所述方法的精确度，按照本文所述方法对三组不同长度的光纤进行了测试，每组光纤测试三次，实验结果如表1所示。从测试结果可以看出多次测试误差均在10m以内，可见本文所述方法定位精确。
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4结论
本文提出了基于OTDR的光缆故障点精确定位方法，与过去使用OTDR定位光缆故障点位置不同的是该方法结合了OTDR和PODTR，在一个装置内部实现了OTDR和POTDR功能，使用OTDR获得故障点的光纤光学长度，利用POTDR确定光缆弯曲点的位置，根据光纤光学长度、弯曲点的位置及光缆余长系数，得出光缆故障点的位置。实验结果表明当弯曲点位置与光缆故障点距离小于200m且在光缆故障点之前，这时得出的光缆故障点位置很精确。该方法定位精确，操作方便且不损伤光纤，具有很高的实用价值。
