通信光缆线路中的故障定位和检测

李永杰，张毓琪，宋 腾，戚晓勇

（国网河南省电力公司信息通信公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

通信技术不断发展的过程中，光纤已经在各领域广泛使用。光通信的发展重点是光纤稳定、安全、高效地传输信号，如果光纤出现损伤或断裂等问题，则会引起严重的通信故障，影响人们的工作和生活。实际工程中，需要实时在线监控光缆，如果出现故障，则需要精准判断故障点的位置并及时抢修，从而降低损失[1]。监控系统中，采用光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）监测光缆线路，观察OTDR 的返回曲线，从而全面判断光缆线路故障点。噪声会导致检测结果出现误差，因此在对OTDR曲线分析的过程中要考虑噪声影响，避免出现误判。为解决该问题，需要对OTDR 曲线信号进行去噪处理，从而提高故障点检测的精准性，同时保留信号的特征[2]。

1 通信光缆线路的传播原理

通信即信息交换，包括有线通信和无线通信[3]。光通信是有线通信，其所使用的光缆属于光传输通信线缆。了解通信光缆线路传播过程，需要充分掌握光纤光缆的传输特点。光纤弯曲时，传输界面法线出现转向，导致入射角度比较小，因此有一部分光线无法全反射。但是，原本入射角比较大的光线仍然能够发生全反射，因此光纤弯曲时也能传输光信号，但是会出现能量损耗。

使用通信光缆线路的过程中，光信号以一定的入射角度进入光纤内部区域，利用数学孔径NA表示入射端纤芯位置区域能够接收的光纤容量，其计算公式为

式中：α0表示最高临界角入射角度；n1和n2表示光纤芯和包层的折射率指标。

光纤入射角度高于临界角时，无法保证信号传输的稳定性。此外，信号入射角度不同会导致传输状态不同。信号通过小入射角进入光纤，能够将信号射出；通过大入射角进入光纤，则从大长度和小角度的轨道中传输。如果入射角度高，那么传输距离小[4]。

使用通信光缆线路故障点的智能化定位技术前，需要分析线路特点与情况，完善检测系统和模式的设计。光缆线路具体特点如下。

（1）长度大。通信光缆传输的线路通常比较长，提高了日常维护成本。同时，线路长度大会导致信号传输出现中断，并且线路周围环境复杂，会出现灾害或者人为破坏等情况，从而使线路出现故障和损坏。此外，由于光纤材料比较脆弱，会出现断裂等情况。

（2）外部环境问题。室外复杂环境中，由于不同地区的人文和气候特点不同，如果无法对线路进行维护监测与管理，就会导致线路出现故障问题。

（3）信号串扰问题。通信光缆具有保密性，在光纤材料中实现光波传输，不会出现信号泄漏等问题。将消光剂涂抹在光缆或者光纤材料外部，能够起到良好的保护作用，避免不同线路的干扰和串联，并且避免对其他通信基础设施造成影响。此外，光纤线路具备抗干扰性能，能够保证信号的传输质量，并且具备良好的抗电磁干扰性能，避免在外部磁场中出现系统稳定性不足的问题。

（4）原材料来源广泛。传统信号通过有线线缆进行传输，其制作材料为铜和铅，资源来源的范围较小。而通信光缆线路利用石英材料制作，来源范围广泛。利用光纤材料代替传统金属线缆，能够增加传输容量和原材料的源渠道，降低制作成本。

（5）重量轻。一般通信光缆材料比较轻，容易制作、运输和安装，能够解决地下隧道空间环境拥挤的问题，降低投资建设成本，延长材料使用周期和线路寿命。

2 导致光缆线路故障的原因

2.1 自然因素

自然因素是指由于外界环境问题损坏光缆线路，包括因时间长或者暴雨、雷电、台风等自然因素而导致线路出现老化和磨损的情况[5]。

2.2 光缆原材料

光缆线路缆芯的原材料通常是玻璃与塑料纤维，如果光缆线路使用时间较长，则无法保证其质量，如果线路长期处于静态疲劳的状态中，则会出现老化等情况，进而导致光缆线路出现故障。同时，光缆线路接头盒出现进水故障会加深光纤耗损程度。此外，如果光缆线路的有关参数不在设定范围，光纤线路则会出现故障。例如：如果工作温度较低，会导致接头盒被冰封，绝缘套萎缩，进而导致光纤断裂；如果工作温度较高，会降低绝缘套材料的质量，缩短光缆线路的使用寿命，进而导致线路出现故障。

2.3 光缆线路质量

外界氢损压力会影响网络通信建设工程的光缆线路，降低线路的整体质量。同时，线路的拉力或压力超过其承受能力时，会出现氢化反应，降低光纤线缆的质量，从而导致光缆线路出现故障[6]。

3 通信光缆线路的故障定位与检测技术

3.1 OTDR 工作原理

OTDR 在光纤测试过程中被广泛使用，其能够精准定位通信光缆线路的故障点，并排除故障。首先，利用菲涅尔反射原理检测通信光缆线路；其次，在通信光缆线路中传输激光脉冲；最后，利用发送端探测反射的反方向光，并以前后端回波脉冲光通过通信光缆线路的时间作为间隔，计算光纤长度值。技术人员在检测通信光缆故障后，通过光缆线路输入端和回波脉冲能够定位故障点。利用瑞利散射的原理，能够将窄脉冲注入输入端，并应用于通信光缆线路的不同位置。

通信光缆线路中的返回光和传输光的光功率存在正相关的关系，只需要计算返回光的光功率，就能够同时得出传输光的光功率，从而明确光纤衰减情况。如果通信光缆线路出现传输中断，则会出现菲涅尔反射。在设置周期的OTDR 能够将脉冲发射到通信光缆线路，并以预设的速率存储计算结果。工作人员通过检测OTDR，能够提高检测与定位的准确性[7]。

3.2 OTDR 的使用

3.2.1 参数的设置

故障点定位检测过程中，工作人员能够以仪器的特殊性为基础，保证仪器检测数据参数的规范性。OTDR 的参数包括分辨率、折射率以及光标，受人为因素和环境因素的影响，检测参数设置存在误差。专业人员可以通过使用分段式定位与检测的方法，避免出现误差。设置分辨率为1 m，光标满格定位为20 步。

3.2.2 去噪处理

智能定位通信光缆线路故障点时，需要重视噪声污染。为精准定位故障点，避免噪声影响光信号，需要进行去噪处理。首先利用小波段变换的方法计算仪器的曲线数据，得出小波段系统模块数值，其次处理阈值，最后进行去噪。工作过程中，专业人员需要研究OTDR 的功能和使用方法，强化仪器测试控制效果，缩短检测时间，降低噪声影响[8]。

3.2.3 奇异信号处理

OTDR 能够有效处理异常信号与可识别信号。仪器中包括异常状态下的瞬态与事态信号，在检修过程中使用奇异信号能够提高检测准确率，方便工作人员检修。工作过程中，如果可微性表述信号函数出现中断，说明存在奇异点，那么在去噪处理过程中，需要计算Lipschitz 指数α，从而精准寻找故障点定位。

4 通信光缆故障点的修复

4.1 OTDR 技术的使用

通信光缆线路故障点检测过程中，OTDR 技术具有重要作用，其对于前期检测工作尤为重要。OTDR技术能够检测光纤长度、衰耗、距离以及链接质量，利用光纤发射光脉冲，通过端口接收信息，并且确定信息质量。光脉冲传输过程中，通过光纤性质、结合点和弯曲度实现散射与反射，利用反馈在OTDR 中传输，再测量后台数据，检测光纤测试熔点值与弯曲情况。一旦脉冲遇到光纤远端和连接器，就会出现反射现象，根据反射光实际情况，能够得出故障距离和损耗量。

4.2 OTDR 曲线分析处理

通信光缆线路存在故障时，如果OTDR 曲线出现异常，那么仪器会提前告警，使系统判断故障点位置。如果曲线没有变化，那么说明盲区存在光纤故障，盲区位置为10 ～20 m，精准查找故障点位置。检查室内光纤配线架（Optical Distribution Frame，ODF）、终端盒卡扣、尾纤挤压状态以及盘留半径等，使用红笔头开展断点检查，如果出现光纤问题，需要及时更换，保证露天线缆的稳定性。

4.3 曲线远端与实际长度不符

曲线远端和实际长度不符主要是因为光纤断裂或损耗过大。检测过程中，要精准寻找故障点。如果光纤出现断裂，那么需要精准定位接头的位置，若接头没有接好，可以将光纤缠绕在手指测试光纤衰减程度。如果信号出现问题，那么需要精准寻找故障点的位置。若依然存在异常信号，则需要再次将光纤缠绕在手指进行测试，直到检测出故障点。检查过程中要仔细，根据规范操作流程分析，及时修复断裂点和熔断点，保证通信光纤线路的通畅性[9]。

5 方法实现和仿真

5.1 方法实现

利用最大和最小原则确定阈值B，对比各尺度阈值B和小波系数，设置小波系数为0。模比阈值B比较大，实现小波处理，两者相减，由于软阈值函数的作用，小波域系数光滑。

5.2 仿 真

分析处理OTDR 的测试数据，设置采样点个数为19 600 个，采样频率为2 000 kHz，含噪声的原始信号如图1 所示。

图1 含噪声的原始信号

通过dB3 小波实现4 层小波信号分解，并且计算各尺度细节系数局部极大值，各尺度细节系数的局部模极大值如图2 所示。

图2 各尺度细节系数的局部模极大值

根据文章提出的去噪方法实现信号的去噪后重构，重构后的信号如图3 所示。

图3 重构后的信号

通过对比图1 和图3，文章提出的去噪方法能够实现去噪处理。图3 中的信号突变点由纤芯打折、光纤弯曲和断裂导致的噪声引起，以事件点序号判断故障点位置，将噪声剔除后的局部信号波段并没有失真。根据小波变换模的极大值，能够采取有关措施去除噪声，重构信号接近原始信号，通过阈值和各尺度细节系数局部模极大值实现信号去噪[10]。

6 结 论

通过对通信光缆线路的故障点进行智能定位检测，能够保证信号传输的安全性和效率。实验表明，基于OTDR 的检测技术具有广阔的应用前景。在实际故障点定位检修过程中，要求专业技术人员利用OTDR 仪数据参数和小波变化模极大值对光信号进行处理，能够避免光脉冲信号出现失真的情况，实现故障点的精准寻找和处理，保证通信光缆线路传输的通畅性。