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摘要：光缆线路作为网络通信的重要组成部分，若出现故障，将会影响到光纤通信的网络的正常使用。本文对光缆的使用现状进行了分析，详细介绍了光缆线路的实用测量技术，并对光缆线路的故障定位展开了研究，以期能为有关需要提供参考。
关键词：光缆；测量技术；故障；定位
随着社会经济的快速发展以及通信技术的不断进步，我国通信事业得到了迅猛的发展，而光纤通信具有高速率、大容量、成本低等优点，在通信网络中得到推广应用。其中，光缆线路在光纤传输中起着至关重要的作用，对光缆线路的实用测量技术和精确故障定位展开探讨具有十分重要的意义。
1.光缆使用现状
目前，光纤通信使用的光波波长范围是在近红外区内，波长为0.8至1.8um。可分为短波长段（0.85um)和长波长段（1.31um和1.55um)，具有大带宽的优异特性。近年由于电信业务发展迅速，通信运营商对带宽需求呈几何倍数增长，正是由于光纤的大带宽特性满足了这些需求，速率达400Gb/s的系统已经商用，DWDM技术的应用更使得单根光纤的信息承载量达到了新的高度，这也导致光纤故障对通信造成的影响越来越大，引起的经济损失也较大。如今，各运营商都建设了自己的光缆传输网，部分地区由于光缆故障引起的通信中断事件常有发生。为此，加强光缆网络维护，快速查找与精确定位光缆故障，提高光缆线路的安全系数，是保证信息安全的重要基础。
2.光缆线路实用测量技术
光纤作为光纤通信的传输媒质，光纤的各种特性对系统的应用将产生各种影响。光纤的特性主要有几何特性、光学特性和传输特性，前两个特性是与光耦合连接密切相关的，属于在光缆生产环节已成型的参数，本文只涉及光纤传输特性的测量。
2.1 光纤线路衰减的测量方法
光纤衰减系数的测量是为了提供单根光纤的衰减参数，确定中继段光纤连接长度的总衰减，在日常维护中可通过对中继段光纤的总衰减测试来判断光缆线路是否发生故障。
截断法为光纤衰减测试的基准测试方法，后向散射法和插入法为替代测试方法。截断法测试精度高，但对被测光纤具有一定破坏性，因此不便于在工程实际中应用。插入法测试精度比剪断法低，不宜于光纤制造长度衰减的测量，但它具有非破坏性和使用简便的特点，适用于中继段之间总衰减的测量。插入法可对光纤线路故障进行定性测试，但不能反映出光纤沿途的衰减状况，更不能将故障点进行精确定位，后向散射法可获取光纤沿途的衰减情况和光纤长度等信息，被广泛应用于光缆线路故障的查找和精确定位。
2.2 后向散射法（OTDR)测量原理及应用
后向散射法是通过对光纤中后向散射光信号的提取来确定光纤衰减及其它信息，诸如光纤的光连通性、物理缺陷、接头损耗和光纤长度等参数，是一种间接地测量光纤衰减的方法。
光纤本身的缺陷和掺杂成份的非均匀性，使得传输到光纤中的光脉冲信号会发生各向同性的瑞利散射，使前向传输的光功率有一部分发生向后散射，且被光纤捕获而传输到原注入端，在光纤注入端处接收由光纤各处后向散射回来的光脉冲信号，经过藕合光路送到光电接收单元，经取样平均后在示波器上显示出信号轨迹，即后向散射信号曲线，示波器上横坐标比例于光纤长度，纵坐标比例于光功率相对电平。由于后向散射光脉冲是经过光纤本身传输回来的，光纤对后向散射信号的衰减近似于光纤对前向传输光信号的衰减，后向散射信号曲线即可反映出光纤的衰减情况，又由于接收到的后向散射曲线是连续的，被测光纤全部长度内的衰减情况可清晰地反映出来。实际测量时，以花费统计平均时间来换取信噪比的改善。
如果被测光纤中间有接头，后向散射曲线将出现下降台阶，可大致测量光纤的接头衰减及接头位置。若光纤中有缺陷或在光纤末端，由于后向散射信号突变，将出现负衰减的菲涅耳反射峰或近乎无穷大的末端损耗。由于光在已知光纤中传输的速度是一定的，如果能够检测到注入光纤的光脉冲与接收到后向散射光脉冲的时间间隔，即可计算出光纤的长度。设光在真空中的传播速度为c，光纤纤芯折射率为n，t为光脉冲注入与接收时间间隔，光纤中光脉冲的传输速度为c/n，则被测光纤长度L为：
L=（c/n×t)/2
可以看出，折射率n 和时间t的误差是引起光纤长度测量误差的主要因数，将后向散射曲线在横坐标上进行定位，可直接得出光纤的长度和接头及断裂处距测试点的距离，在工程中被应用于光缆中继段光纤长度测量及故障定位。实现后向散射法测试功能的仪表是光时域反射仪（OTDR)。
3.光缆线路故障的准确定位
3.1 光缆线路障碍种类及其产生的原因
在光缆线路日常维护中，通过插入法测试光纤中继段总衰减变化情况，即可判断光缆线路是否发生光纤损耗增大或光纤阻断障碍，一旦光缆线路出现故障，便会影响整个光纤通信系统的正常通信，要求维护人员迅速地判断出故障的性质，分析出故障属于光纤衰减增大还是光纤阻断。制定出排除障碍的方案。光纤衰减增大故障现象有以下几种：
(1)由于光纤接续点热熔管安装问题或接头盒漏水，使得一根或几根光纤在原接续点损耗增大。
(2)由于光纤受机械力影响或光缆制造原因或光纤接续后余纤盘绕半径过小等造成光纤出现衰减台阶过大或断纤现象。
(3)由于光缆受机械扭伤，部分光纤断裂但未完全折断，使得一根或多根光纤衰减曲线呈阶梯型变化。
光纤阻断常见障碍现象和原因：
(1)由于光纤接续端面有灰尘，光纤熔接工程操作不够规范，光纤在接续点拉力不够，接头盒内出现光纤自然断纤。
(2)由于光缆受外力影响，被砍断、炸断或拉断。
3.2 应用光时域反射计（OTDR)定位光缆故障
通过对后向散射曲线上各反射峰的性质及坐标定位分析，即可确定光缆故障点在线路中的具体位置，下面分三种情况分别予以介绍：
(1)光纤完全中断：如图1 所示，如果B点读数与中继段长度相同，则为正常的OTDR 曲线，表示中继段光纤正常。如果测得的光纤长度与实际中继长度有较大偏差，则光纤在线路中出现了断纤，后向散射曲线终点的坐标即为故障点离测试点的距离，标志B所对应的长度读数为故障点离OTDR之间的距离。若在测试点即有较大衰减，造成无法进行长度测试，这是由于OTDR与尾纤连接不正常或尾纤断纤所致。
图1 中继段内光纤中断测试曲线图
(2)光纤断裂，但光学上尚未完全断开，后向散射曲线上出现菲涅耳反射峰，接头损耗增大，引起通信中断。如图2所示，测试的后向散射曲线出现菲涅耳反射峰，若已知线路中无活动接头，B的读数与已知线路总长相符，则A点为故障点，A所对应的刻度值为故障点到OTDR 之间的距离，A- B距离为故障点到线路终端的距离。
图2 中继段内光纤断裂测试曲线图
(3)光纤接头损耗增大（接头进水，弯曲等原因)，后向散射曲线中出现较大的下降台阶，中继段光纤全程衰减增大，引起通信中断，测试示意图如图3所示，A点为故障点，A所对应的长度值为故障点到OTDR之间的距离，A- B间的长度值为故障点到线路终端的距离。
图3 中继段内光纤接头损耗增大测试曲线图
3.3 光缆线路故障定位的误差分析
以上介绍了OTDR 定位光缆故障性质和故障点的基本方法，在实践中，由于仪表参数设置不当，会引起故障长度定位误差，增加故障查找的时间和难度。测量误差与仪表精度、操作者对仪表的测量参数设置以及对数据处理方式等因素有关。
3.3.1 OTDR输出激光“脉宽”参数设置
脉宽指输入光纤的激光脉冲宽度（激光的波长根据需要选择1.31或1.55μm)，脉宽的选择取决于被测光纤长度。脉宽越宽，输入光纤的激光信号越强，测试距离较远，但会降低长度的分辨率。脉宽减少，激光能量减少，测试距离短，但长度分辨率提高。这里给出脉冲长度的概念：
脉冲长度=光在光纤中的速度（c/n)×脉宽
只有当光纤中的两事件变化间距大于脉冲长度的一半时才能被分辨出来，否则第二个事件将被覆盖。也就是说测试长度分辨率与脉宽有关，激光功率满足测试长度时，减少脉宽参数可以提高长度分辨率，提高测试精度。
3.3.2 OTDR测试量程或距离范围参数选择
较短距离的测试OTDR通过宽带接收机完成，频带宽，噪音大，对于远距离较弱信号难于检测，但容易识别两个相距较近和靠近OTDR的事件变化，有较高的分辨率和较小的测量盲区。长距测量使用窄带接收机，可以抑制噪声，但带宽小，难以分开时间间隔短的信号，对距离较近的光纤事件变化难以分开，具有测试长距离光纤功能，但分辨率低，盲区大。对距离较短的光纤测试，使用短距离模式可以提高测试精度和减少测试盲区。
3.3.3 光纤纤芯折射率选择
OTDR 是用反射信号返回接收机所用的时间来计算距离的，所以，知道光在光纤中的传播速度，就可以把时间换算为距离。折射率指数决定光脉冲在光纤中的速度，从L=0.5（c/n)×t得出，如果折射率指数设置与光纤实际折射率不符，将引起长度测量的大误差，n增大，被测距离减少，n减少，被测距离增加。由于光纤在光缆中本身还有弯曲，使得光纤实际长度比光缆皮长要增加约3‰，测量时要考虑到这一因素，将折射率指数人为增大，以减少光纤被测长度，使之与光缆皮长距离保持一致，工程中n一般取1.468左右。
3.3.4 正确设置读数光标
可以通过OTDR 操作键盘的图象放大功能对欲读数点图象放大，以增加读数的准确性。读数光标均要定位在反射峰的起点上。图1 标志B的读数为光纤阻断点到OTDR 之间的距离。图2、图3标志A为光纤损耗增大故障点，它定位于反射峰的起点上，A标志的长度读数为故障点离OTDR 间的距离，A- B的长度读数为故障点到中继段终点的长度。
图4所示的为测试光纤断纤的两种情形，左边图形为断纤处光纤端面平整，后向反射强烈，便于光标定位，右边图形为断纤处端面不平整，反射峰微弱。A定位于断纤处最后一盘光缆与上一盘光缆的光缆接头处，B定位于断纤故障处反射峰的起点上，则B的读数为断纤处距OTDR 的距离，A- B的读数为断纤处距最后一盘光缆接头处的距离。为迅速排除故障，工程中一般用A- B的长度快速找出故障点，因为接头（A标志指示)在光缆线路中的位置一般是有工程竣工验收资料记载的。
图4 断纤点OTDR曲线图
3.4 提高故障定位精度的关键因素
通过以上分析，提高光缆故障定位精度，关键是要灵活运用OTDR，正确设置OTDR 的测试参数，并对测试图像进行正确的处理，实现快速定位光缆故障点。一是要正确设置OTDR的光纤折射率与光纤实际折射率相一致，保证激光在光纤中的传播速度与实际速度一致，这是提高测量精度的前提。二是在仪表激光功率满足光纤测试长度要求的前提下，尽可能减少激光的脉冲宽度，以减少仪表测试盲区，提高仪表测试精度。三是要对测试图像进行正确地处理和精准定位，快速判断并定位光纤故障点。
4.结语
综上所述，当前社会已步入“光纤时代”，对光缆线路进行有效的维护是保障通信网络传输质量和效率的重要工作。因此，必须要掌握光缆线路的实用测量技术以及故障精确定位方法，在光缆故障时能够准确查找故障点，并及时进行抢修，从而确保通信网络的安全、稳定运行。
参考文献:
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[2]侯云强.光缆故障的快速定位初探[J].中国新通信,2017,19(06):50-52.
[3]冯琦帅.浅谈OTDR在光缆测量中的应用[J].现代工业经济和信息化,2016,6(09):80-82+84.
论文作者:彭剑玲
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/11
标签：光纤论文; 光缆论文; 故障论文; 长度论文; 测试论文; 测量论文; 线路论文; 《电力设备》2018年第17期论文;