基于COTDR技术的光纤在线监测系统设计与实现

陈凌希，秦 蒙*，李 宏，曹美卿

(1. 重庆电力高等专科学校，重庆 4000532； 2.国网重庆市电力公司合川供电分公司，重庆 401520)

0 引言

随着国家电网“三型两网”战略的不断推进，电力通信网已逐步发展成为智能电网不可或缺的重要组成部分，是电力信息化平台建设的重要支撑，是电网安全稳定运行的基础和保障。电力通信网作为电网发展的重要基础设施，在提高电网企业信息化水平等方面发挥着越来越重要的作用。目前，电力通信网的通信方式主要包括光纤通信、电力线载波通信、微波通信及卫星通信等。基于电网运行对通信系统在稳定、高效、实时等方面的特别要求，目前，电力通信网以光纤通信为主，主要承载着电力生产中的变电站监控及信息化建设等直接关系着电网安全稳定运行的重要业务[1，2]。目前，电力通信网中光纤故障的处理主要依靠光端机告警，结合运维人员的工作经验，人工判断是设备故障还是线路故障。如果发现是线路故障，再利用仪器设备进行故障定位。参与故障处理的人员多，整个过程工作量大，处理环节多，自动化程度低，效率不高，对系统正常运行有较大影响。目前采用的预防工作主要是通过定期对光纤进行测试，人工分析测试结果，发现光纤性能的变化。事实上，光纤传输性能的渐变是一个长期的过程，需要分析长期积累的测试数据才能发现光纤隐患。而这个过程工作量大、效果也不甚理想。目前，光纤监测主要依靠传统的光时域反射技术(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)技术，用于测量光纤的衰减和损耗、故障点位置、光纤的长度以及光纤损耗点的分布情况等，但是该类系统存在测试操作复杂、监测距离存在衰减盲区和事件盲区、长距监测误差大以及不能实时在线监测光纤传输性能变化等缺点[3]。在此背景下，本文研究设计了一种基于COTDR光纤在线监测系统，可以有效提高光纤管理和维护的自动化水平，变被动维护为实时监测，给维护人员提供预警机制，提高人员对故障的快速反应能力，提高通信链路的运行率，对提高光纤网络资源的利用率有着较大的社会效益和经济效益。

1 基于COTDR技术的光纤在线监测系统的工作原理及优势

1.1 COTDR技术原理

通信线路中通常使用掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA)等光放大器来补偿信号光的传输损耗，进而使通信线路延伸到数千甚至上万公里的距离，增强通信效率。但掺饵光纤放大器对信号光进行功率放大的同时，也会产生较强的自发辐射放大噪声。而由于OTDR采用的是直接功率探测方式，对通信线路中EDFA产生的自发辐射噪声(Amplified Spontaneous Emission，ASE)噪声功率与背向瑞利散射信号功率无法区分，从而造成系统测量的信噪比大幅降低。同时，在多个EDFA级联的通信线路中，ASE噪声会持续加强，从而使OTDR无法准确探测到瑞利散射信号，对通信线路的监测效果将大打折扣甚至完全失效。而相干光检测技术(Coherent Optical Time Domain Reflectometer，COTDR)通过相干光进行监测，可以将微弱的瑞利散射信号从较强的ASE噪声中提取出来，确保对长距离通信线路的监测效果[4]。

COTDR系统在用于探测的信号光基础上增加了用于与信号光进行相干探测的参考光。耦合器将信号光与参考光耦合到光电探测器中，光电探测器将信号光和参考光耦合时产生的差频信号转换为电信号后，经滤波器滤波，放大器放大，即可获得信号光与参考光的差频信号。在COTDR系统中，信号光即为探测光波在光纤中传播时产生的背向瑞利散射信号，参考光则由激光光源通过耦合器分出的一部分光波充当，如图1所示。为了使信号光与参考光存在频率差，通常利用声光调制器的衍射效应对信号光进行移频处理。同时，实际从单模光纤中不同位置产生的信号光的偏振态并不相同，为了有效避免由于从光纤中某些位置产生的信号光的偏振态与参考光的偏振态失配而导致相干检测失败，在COTDR系统中，一般需要扰乱信号光或参考光的偏振态，并经多次测量以获得信号光与参考光在不同偏振态匹配条件下的平均相干检测结果[5]。

图1 COTDR技术原理

1.2 COTDR技术对比OTDR技术的优势

本文在深入研究OTDR和CODTR技术的工作原理上，总结二者的技术特点及各自优缺点，制定针对基于COTDR的光纤在线监测系统的设计方案，该方案与基于OTDR技术基于光纤监测系统的异同点如图2和表1所示。

图2 COTDR与OTDR核心技术对比

2 系统整体设计

基于COTDR技术的光纤监测系统由光纤在线监测设备、光纤监控控制软件及云端服务器中心组成。系统可根据调制信号在单模光纤中的衰减和反射来实现光纤指纹信息生成，结合系统光纤衰耗曲线功能，使用经过独特编码调制的连续的弱激光脉冲组，接收反射回来的检测脉冲组，系统解调之后，得到光链路的指纹信息，包括光纤长度、损耗、接头、故障位置等信息，达到实时监测与运维的效果。

其中，光纤在线监测设备主要由CPU核心处理模块、FPGA模块和双电源模块3大部分构成，而FPGA模块又包含连续脉冲发生器、激光器、耦合器及光检测器等部分组成。其中，CPU核心处理模块是整个系统的关键，选用Atmel公司的AT91 微处理器系列产品SAM9X25为CPU核心处理模块的处理器，主要负责接收光纤监测数据、分析监测数据及处理监测数据等操作。FPGA模块采用的是Xilinx公司的 Spartan-6系列的 FPGA处理器，其主要通过模块集成的耦合器、激光器及脉冲发生器等核心部件，完成系统光波的发送与接收以及信号的调制解调等操作。双电源模块提供2路-48V直流电源接口，可单独供电，支持两个电源单元相互热备份，确保供电的高可靠性。

表1 COTDR与OTDR详细功能对比

光纤监控控制软件选择Linux操作系统作为CPU核心处理模块的板载操作系统。控制软件具有简单直观的图形化操作界面，有较好的可操作性和可维护性，使用简洁方便。软件在运行过程中，完成MCU的初始化，板卡各种外围硬件芯片的初始化，与设备内部的FPGA通信，实时采集外部网络的各种监控数据，将各种状态处理后与上层网管进行通信。可以实现光纤实时物理特性监测诊断、光纤业务线路自动切换保护、数据自动判别处理及WDM波分复用多波合解波等操作。其系统构架如图3所示。

图3 控制软件系统构架

云端服务器中心完成数据分析、判别及告警管理，通过历史指纹信息对比，预测未来光纤物理参数变化，提前预警光纤故障，同时为光纤路由规划提供重要依据。

3 系统主要组成

光纤智能监测系统的核心是通过相干光时域反射技术来监测光纤物理状态，从而得到光纤的指纹信息，包括光纤长度、衰耗、接头及故障位置等。光纤智能监测运维系统由独立的监测设备、无源波分模块、智能网管软件及服务器构成。其监测设备主要收集光纤资源的物理数据信息，包括光纤长度、衰耗、接头及故障位置等，然后监测设备将监测的光纤数据上传到网管服务器端，服务器上的网管软件进行指纹数据的对比、分析，自动告警，告警信息通过声音、短信、邮件等方式通知运维人员。同时存储告警信息的原始数据，并通过大数据分析预警光纤隐患。无源波分模块采用无源器件，业务波和监测波通过无源波分模块进行合/解波，二者共同在业务光纤中传输，互不影响，对光纤网络长期可视化监测而不影响数据传输，实现业务光纤实时在线监测功能，通过无源波分模块的合/解波功能，实现多段光纤的级联监控，节省监测设备的监测端口；智能网管软件及服务器对监测设备收集的光纤物理信息进行分析，形成光纤指纹、数据管理，在网管软件上显示故障及告警，并通过大数据分析预警光纤隐患。

3.1 监测设备

监测设备在接入光纤资源后，通过监测模块发出的监测波实时收集光纤物理信息，其主要包括光纤长度、衰耗、接头及故障位置等。监测设备支持4个通道同时工作，可以实现7×24小时实时在线监测，提供持续的监控和故障定位(自动告警)，实时精确地传输监控数据，最高分辨率可达10 m。此外，监测设备还可以实现对城域网或者骨干网络长期的可视性监控而不影响业务数据传输。监测设备的工作波长采用国际标准的1 625 nm测试波长，可提供100 km长距的监测方案，双向对测可达200 km。

3.2 智能网管软件及服务器

监测设备将监测的光纤数据上传到网管服务器端，服务器上的网管软件进行指纹数据的对比、分析、自动告警，告警信息通过声音、短信、邮件等方式通知运维人员。同时存储告警信息的原始数据，并通过大数据分析预警光纤隐患。此外，网管软件还具有远程管理能力，同时具有与电力综合网管平台对接接口，实现统一监控。通过比对存储的历史指纹信息，可以自动判断是否光纤故障，不需要人为判断，并实时提供告警。

3.3 无源波分模块

无源波分模块采用无源器件，业务波和监测波通过无源波分模块进行合/解波，二者共同在业务光纤中传输，互不影响。对光纤网络长期可视化监测而不影响数据传输，实现业务光纤实时在线监测功能，通过无源波分模块的合/解波功能，实现多段光纤的级联监控，节省监测设备的监测端口。

4 结语

本文依托瑞利散射基本原理，在光时域反射技术OTDR的基础上，使用相干光检测技术COTDR解决传统光纤监测系统存在衰减盲区和事件盲区、 长距监测误差大以及不能实时在线监测光纤传输性能变化等问题。整个系统的调试与测试的结果表明，本文设计的光纤监测系统可以通过多段光纤桥接，在不影响业务的传输的情况下实现长距离，光纤运维状况7×24小时不间断监测，系统测试光纤长度与实际测试长度误差不超过10 m，且系统最大监测距离可达100 km，初步证明了基于COTDR技术的光纤监测系统在实时定位光纤故障位置及长度等方面具有高精度定位、误差小的特性。