基于渗透测试的通信光缆损伤点定位方法

2021-07-30薛赵剑

通信电源技术 2021年7期

薛赵剑

（江苏中天科技股份有限公司，江苏南通 226463）

0 引言

相比网络中其他类型的通信方式，光纤通信的优势更为显著。在实际应用中，通信光纤具有体积小、受外界磁场干扰低、通信效率高以及单位时间传输距离长等特点。在通信产业高速发展的背景下，社会需求呈现多元化趋势，光纤通信也在此时逐渐成为了通信行业的核心支撑，甚至成为了多个行业之间跨网交互信息的主要渠道[1]。并且，相比电力通信或其他模式的通信，光纤通信的市场经济效益也相对较高。而要保障光纤通信的稳定性与可持续性，需要排除外界相关因素对光纤通信的干扰与影响。在对光纤通信方式的研究中发现，通信光缆在投入使用中存在一些不可避免的缺陷。例如，当光缆弯曲半径过大时会导致光缆的质地变脆，若受到外力作用，极易发生损毁。此外，通信点接线较为复杂，一旦通信中断，则难以在短时间内准确定位故障点。同时早期投入使用的通信光缆已严重老化，会引发通信故障。上述问题已经严重影响了通信行业的发展，为了避免通信光缆对光纤通信造成影响，本文引进渗透测试技术，提出一种针对通信光缆的损伤点定位方法，希望通过此次的研究解决光纤通信中断的问题，实现通信产业的安全、稳定、可持续发展。

1 基于渗透测试的通信光缆损伤点定位方法

1.1 基于渗透测试生成通信光缆OTDR曲线

为了准确定位通信光缆损伤点，引入渗透测试方法，并生成通信光缆OTDR曲线，可以为定位工作提供参考。为了确保渗透测试行为的有效实施，需要在测试前定义一个光时域反射区间，并使用专业的反射设备作为支撑。通常情况下，光时域反射设备的动态接收范围在35 dB以上，可检测长度超过50 km的通信光缆线路。实际应用中，在前端发射一束激光，通过计算激光射入适宜角度来使其准确射入待测试通信光缆线路，并以一种正常的方式沿着光缆传播[2]。由于通信光缆的材质并非无杂质的石英晶体，因此射入的激光在向前传导过程中可能会发生散射。当其在通信光缆传导过程中遇到转接头时，便会由于介质的变化而发生折射，可将此类折射行为定义为一种较强的反射。渗透测试原理如图1表示。

图1 渗透测试原理

对通信光缆损伤部位进行OTDR检测，并在此基础上绘制通信光缆OTDR典型曲线。为了确保测试结果的有效性，需要提前设定渗透测试的参数。光纤影响散射系数与回波损耗的计算结果，可根据通信光纤材质选择参数。测试范围可决定取值的最终分辨率，应大于测试长度的1.5倍且小于测试长度的2倍。脉冲宽度与光功率呈现正相关关系，应大于长度分辨率与光纤通信折射率比值的8倍。此外，不同长度的波长存在的衰减行为不同，波长选择大于传输波长即可[3]。

在完成渗透测试参数设定后，描述渗透测试全过程所获取的故障信息。通信光缆OTDR曲线如图2所示。

图2 OTDR典型曲线

在渗透测试盲区中，入射光缆的脉冲属于前端脉冲，入射的光脉冲相对较小，可直接通过接收机终端饱和状态对其进行判断。在恒定斜率测试区域内，渗透测试具体表现为一条均匀且呈现下降趋势的倾斜曲线，导入通信光缆的光纤材质内部可能会存在气泡或杂质，输出的脉冲在传输过程中出现损耗。在非反射事件发生区域内，渗透测试结果呈现为一个较为显著的台阶变化趋势，产生此种现象的主要原因为熔接接头弯曲度过小或通信光缆出现弯折等。在反射事件发生区域内，透测试曲线表现为一个显著的尖峰，此时导入的光线受到了脉冲能量的影响，发生了菲涅尔反射行为，产生此种现象的主要原因为通信光纤断裂或接头连接异常等。在通信光纤末端区域内，渗透曲线通常呈现为一个较大的尖峰信号，产生此种现象的主要原因在于通信光缆末端存在断裂点。但区别于反射事件发生区域，末端区域的渗透测试结果曲线中通常会伴随一些噪声干扰曲线[4]。

1.2 基于小波降噪处理通信光缆故障区段冗余噪声

在完成渗透测试结果曲线的绘制后，考虑在此过程中可能会出现测试事件的损耗或冗余噪声，这些因素均会在某种程度上对测试结果造成影响。OTDR曲线中不仅包含突变信息，在绘制并构建曲线时还会存在平稳度较差的白噪声。即便在渗透测试中使用了精密度较高的测试设备，仍无法保证完全去除冗余噪声，尤其在通信光缆末端区域更是会受到冗余噪声的干扰而影响终端对光缆损伤点的定位判断[5]。如果要更加精准的分析这些信号，就需要对绘制的通信光缆OTDR曲线进行降噪处理，抑制曲线中存在的多种噪声。基于此，本文引进小波降噪方法对通信光缆OTDR曲线的门限阈值进行处理，处理过程可被分为硬阈值处理与软阈值处理两部分。硬阈值处理过程中需要保留数值相对较大的小波系数，并将数值相对较小的小波系数进行归零处理。而软阈值处理过程中需要将数值相对较小的小波系数进行归零处理，并将数值较大的小波系数向“0”收缩[6-8]。即：

式中，ηH(·)表示硬阈值处理过程，ηS(·)表示软阈值处理过程，w表示小波系数，t表示处理系数，T表示单次降噪处理周期。

按照上述计算方式，结合渗透测试的实际需求，选择不同的降噪处理方式，以此完成对通信光缆故障区段冗余噪声的有效处理[9]。

1.3 基于动态区段定位通信光缆损伤点

在完成渗透测试与相关噪声处理工作后，基于通信光缆的动态区段来定位通信光缆的损伤点。在此过程中，可通过计算通信光缆常规运行与发生光缆损伤后运行两种不同运行环境下光功率运行差值的方式，获取损伤点的实际位置[10]。此时，可定义射入通信光缆的初始光脉冲功率为P(0)，则入射光在向前行进了z长度后的光功率P(z)可以表示为：

式中，α为光纤通信的衰减系数。

当射入光行进超过z长度后，发现通信光缆并无显著异常信号，光缆中也不存在接头，此时射入的光脉冲在通信光缆中仅出现瑞利散射现象，此时z位置处经过散射后的光功率Pbs(z)可以表示为：

式中，γ(z)为散射系数。

在完成上述计算后，可基本掌握动态区段内通信光缆在无故障情况下的散射效果。

当射入光行进超过z长度后发现通信电缆存在损伤点，此时入射光脉冲不发生散射反应，而是发生菲涅尔反射。根据菲涅尔计算原理，发生菲涅尔反射的光功率Pf(z)为：

式中，λ(z)为菲涅尔系数。

通信光缆在出现损伤点前后的光功率差值ΔP为：

根据上述计算公式，散射系数的实际值小于菲涅尔系数的实际值，因此可直接在渗透测试结果曲线中对二者进行异常区分，如图3所示。

图3 通信光缆损伤点位置

根据图3所示的对比方式，可以精准地发现通信光缆损伤点发生位置，从而完成对通信光缆损伤点定位方法的设计。

2 实验论证分析

在完成通信光缆损伤点定位方法的理论设计后，为了证明该设计方法在实际应用中真实有效，设计了对比实验。实验中，选择某区段的GYTFY-30A2.0光纤通信故障光缆作为实验对象，该故障光缆的总长度约为500 m，含有228个工作节点、5个熔纤盘（12.0芯）以及35条跳接光纤，其子管长度约为450 m。在掌握故障通信光缆的相关规格信息后，使用高程地图定位此段光缆所处的位置，发现该段光缆的周边存在盘线，盘线主要位于电缆通信架构上，总长度约为120 m。使用物探设备对此故障光缆进行故障区间定位，异常信号在物探区域内存在反射。为了确保实验结果的公平性，在相同环境下分别使用本文设计方法与传统方法对故障区段进行损伤点定位。在完成定位后，获取通信光缆损伤点信号，并将信息传输到终端计算机设备，使其在终端设备上呈现一个完整的波形图。比较本文方法与传统方法所获取通信光缆损伤点信号中的异常信息，以此作为评估通信光缆损伤点定位方法有效性的依据。在完成实验过程的相关描述后，实施对比实验，整理两种方法的实验结果，输出定位到损伤点A的异常信号波形图，如图4和图5所示。