光缆监测系统技术及应用

时间：2024-07-28

朱波，王磊（1.中讯邮电咨询设计院有限公司，河南郑州450007；2.华夏邮电咨询监理有限公司，河南郑州450007）

0 前言

光缆网已成为通信网的基础，光缆一旦中断将严重影响上层的传输系统和各种业务。在传统维护中，维护人员接到因光缆故障引发通信系统中断的通知后，首先要前往中继站进行光时域反射仪（OTDR）测试，以便确定故障位置，然后再到故障现场进行抢修。这就使很多时间浪费在故障定位上，网络中断时间会比较长。光缆监测系统可以显著改善这一缺点。

1 工作原理

光缆监测系统采用光功率监控、OTDR 监测等方法，对传输光缆线路进行监控，及时发现线路故障和隐患，结合光缆实际布放的地理位置进行GIS 故障精确定位。

光缆监测系统工作原理如图1所示。光功率采集单元不间断地自动监测各远程光源发送的光功率，接收光功率变化超过门限时立即传送到主控计算机，监测站自动启动OTDR对相应的光缆进行监测。监测中心操作员通过远程监控主机，控制OTDR和光开关，依次向每条光缆的光纤发送OTDR 测试光；利用光时域反射原理，测试各条光缆线路中光纤衰减、接头衰减和光纤长度的变化。

图1 光缆监测系统工作原理示意图

a）光功率采集单元。光功率计对光纤中激光的功率进行实时测量。实际中将16、32、64 路光功率计集成到一起，可同时对16、32、64路光缆的光功率进行测量。带有与控制模块（计算机）的通信接口，将测出的光功率值即时发送到控制模块。

b）光开关（OSC）。1∶N的光开关可以从N条光缆中选择1 条，N 通常为16、32、64。将各条光缆接入光开关，再将光开关连接到OTDR，测试时由计算机控制光开关选择到待测光缆对应端口，这样待测光缆与OTDR连通，即可使用OTDR进行测试。

c）OTDR。测试时通过发射光脉冲到光纤内，光脉冲在被测光纤中传输时，会发生瑞利散射和菲涅尔反射，从而测量出光纤的长度、衰减、衰耗点、中断点等信息。

d）光源LSU。发出稳定激光，实际中将2、4 路集成到一起。

2 监测方式

光缆监测系统应用中有轮询监测方式、备纤监测方式、在线监测方式、多站跳接方式、光开关光功率告警单元级联方式等，可根据实际网络情况选择。这些方式在基本原理上有稍许变化。

2.1 轮询监测方式

轮询监测方式结构比较简单（见图2），用1台OT⁃DR通过光开关，设置固定时间间隔，采用轮询的方式对多条光缆进行周期性测试。缺点是无法实时监测，而且OTDR长期处于工作状态，使用年限不能长久。

图2 轮询监测方式示意图

2.2 备纤监测方式

和轮询监测方式相比，备纤监测方式中OTDR 不是周期性测试，而是根据触发条件测试，改善了轮询监测方式中OTDR 使用年限不能长久的缺点，这需要增加光功率采集单元和控制模块实现。

光功率采集单元持续不间断自动监测收到的远端稳定光源站（LSU）发送的光功率，接收光功率变化超过门限告警时立即传送到控制模块，控制模块将光开关（OCS）切换到对应的纤芯，并启动OTDR 进行测试。服务器的分析系统对所测的数据进行自动分析，并对照参考数据，确定当前测试结果是否处于告警状态，根据分析结果启动不同的处理流程，如发出告警信息，通知值班人员、维护人员等。

备纤监测方式可细分为单备纤监测和双备纤监测方式。单备纤监测即OTDR与远端光源在1根光纤中传输，OTDR 的发射波长选用1 625 nm，则监测光源的波长一般采用1 550 nm，所以在光源的发端和OT⁃DR 的发端分别使用1 个光耦合模块（WDM）对2 种信号进行隔离。双备纤监测使用2 根备纤，不需要增加其他光器件，和图1类似。

图3 在线监测方式示意图

根据实际经验，90%以上的光缆故障会影响光缆中所有纤芯。因此测试了1 根纤芯，基本上可以反映出整条光缆的情况。

2.3 在线监测方式

在线监测方式不额外占用备纤资源，监测信号和传输系统（如WDM、SDH 等）在相同光纤上传送（见图3）。光功率通过分光器按97∶3的分光比分配，97%的通信光进入传输系统，3%的通信光送至光功率采集单元（OPM）的监测端口。和备纤监测方式另一个不同之处在于，需要在一般站增加一块滤波器以便分离OTDR 测试光和传输系统光。该方式有如下缺点。

a）对现有的传输系统引入了1～2 dB 的插损，影响传输系统的性能。

b）增加的分光器、滤波器如果故障也会影响传输系统，即引入了新的故障点。

c）后建设光缆监测系统时需要对现有传输系统进行割接。

因此在线监测方式通常只有在空闲光纤稀少的情况下才会使用。

2.4 O LP+监测方式

将光线路保护（OLP）系统和光缆监测系统集成到一起，在主用光缆中断或性能劣化时，OLP系统自动地将传输系统切换至备用光缆，保证传输系统的正常运行，同时，监测站启动OTDR对主用光缆进行测试。

2.5 多站跳接方式

中继段光缆距离较短时，在中间站将2 个方向光缆跳通，监测站的OTDR 可以测出几个中继段光缆的信息（见图4）。多站跳接方式通常在光缆距离短、段落多的情况下使用，如在本地网以及城域网中常使用该组网方式。

图4 多站跳接方式示意图

图5 级联方式示意图

2.6 光开关光功率告警单元级联

光开关光功率告警单元级联方案是将光开关或者光功率告警单元安装在远端站，通过网络连接以及软件参数配置的方式控制监控（见图5）。适用于光缆路由相对段落多、光缆交接点多等复杂情况的光缆网络中使用，在干线网络、本地网以及城域网中常使用该组网方式。

3 典型性能指标

3.1 O TD R 测试模块指标

a）工作波长：1 310、1 550和1 625 nm波段。

b）动态范围：@NR=1，Pulse=20 ms：≥39 dB（1 625 nm）。

c）水平分辨率：≤25 cm。

d）垂直分辨率：≤0.01 dB。

e）折射率：1.400 0～1.700 0。

f）精确度：±（2 m+3×10-5×距离+标记分辨率）。

g）近端盲区：@0.01 ms（含）以下：≤20 m。

h）事件盲区：@0.01 ms（含）以下：≤3 m。

i）光脉波宽度：至少提供10、30、100、300 ns 和1、3、10、20 ms 8种脉波宽度。

j）最大取样点数：≥128 000点。

k）USB接口（与控制模块连接）。

3.2 光开关指标

a）通道数：8、16、24、32和64 路可选。

b）工作波长：1 310 nm、1 550 nm 与1 625 nm 3 种波段。

c）通带宽度：±15 nm@1 310 nm；±20 nm@1 550 nm与1625nm。

d）反射损失：≥45 dB。

e）插入损失：≤1.2 dB。

f）相邻通道切换时间：≤75 ms。

g）串音：≤-50 dB。

g）使用寿命：可切换1 000万次以上。

光源和光功率采集单元比较常见，其指标本文不再赘述。

4 应用案例

为最大程度发挥光缆监测系统OTDR 的使用价值，首先需要选择经过光缆多的局（站）。本例中经过襄阳的光缆比较多，有一干、二干、本地网3 个级别12个方向（见表1），因此选择在襄阳增加1套光缆监测系统，可以对12个方向的光缆进行监测。

表1 光缆现状表

襄阳—老河口、襄阳—南漳段距离比较短，增加老河口—丹江、老河口—谷城和南漳—保康段后，长度、衰减仍在OTDR测试范围以内，因此采用多站跳接方式。其余都采用双备纤监测方式。

襄阳需要增加1个机架，采用-48 V供电。其余9个站只增加了光源LSU，可以安装在现有综合机柜中。显然，32路光开关本次只用了12路，另外20路预留供后期使用。4×9路光源本次也只用了12路，另外24路预留供后期使用（见表2）。

在省网管中心增加1 套网管系统，襄阳的测试数据通过DCN网传至网管中心。本例投资不到20万元。

表2 安装设备统计表

光缆自动监测及资源管理系统安装后，任一条光缆故障时都能及时准确地以相应的故障级别，在告警中心发出声光告警，并在电子地图上显示故障点的线路位置；在维护资料齐全的情况下，故障位置能够以GIS坐标的形式显示，同时能报告邻近的标石、杆号或人井号；自动发出各种告警信息通知维护人员，为及时准确地排除光缆线路故障提供强有力的监控手段，有效地减少障碍时间；对监测的数据进行分析，并能分析光缆缓慢劣化的情况，预报光缆隐患，维护人员发现隐患时可随时主动处理，变被动维护为主动维护。

据统计，安装光缆监测系统后，光缆中断时间平均减少了2 h 以上，中断频率1 年减少了40%，为传输系统的稳定发挥了巨大基础作用，间接创造了极大的经济效益。

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