多形态OTDR光缆监测设备通讯接口设计与实现

胡光雄 刘伟 王传志

摘要：随着5G等网络应用的深入推进，承栽业务的光缆总量还在不断增大。光纤作为网络传输的主要媒介，其在网运行质量直接影响到上层网络的健康性、可靠性和稳定性。光时域反射仪OTDR （Optical Time-Domain Reflectometer）是一种检测光纤是否存在断裂、接头耦合性不佳、介质非均匀性等缺陷的检测仪，主要包括用于临时测试的手持式便携型和24 h实时在线监测型两大类。面向光缆OTDR手持式测试仪设计通用型通信接口程序，建立一套基于SOR数据文件的通信流程和解析方法，针对实时在线监测型检测设备以SOCKET实现定制化的网络化接口程序，针对离散的OTDR光缆监测设备建立系统化的采集接口系统，实现了将多形态OTDR光缆监测的原始测试数据解析后集中推送到上层光缆质量应用分析系统的功能。该接口系统在某局的试点应用结果表明：接口运行稳定，应用效果良好，对光缆的运行监测具有现实意义。

关键词：OTDR;光纤;通讯接口：光缆监测

中图分类号：TN913.33;TP316

文献标志码：A

文章编号：1009-9492（ 2022） 02-0106-03

0 引言

20世纪60年代，光纤通信首次被高锟等人提出并被广泛应用到光通信领域。随着高清视频业务的普及，移动通信技术开始向5G （5th Ceneration Mobile Communica-tion Technology）的迈进，5G等新形态网络应用被大范围的推进商用，通信网络的流量需求持续攀升，光缆作为通信网络最主要的传输媒介，其应用规模在不断增长。全球90%以上数据信息都需要借助光网络进行传输与交换，利用5G+4K/8K VR直播、工业互联网等获得迅猛发展，互联网流量需求呈现十倍甚至百倍的增长势头，互联网数字洪流时代已经开启。

光纤作为网络传输的主要媒介，其在网运行质量直接影响到上层网络的健康性、可靠性和稳定性。针对光纤的检测研究，国外学者运用分叉理论推导光纤舞动方程近似解并讨论分叉临界条件以及提出偏心惯性耦合失稳机理，国内学者进行了基于受激布里渊效应的分布式光纤传感器件的研究，提出一种基于正交双频探测光的BOTDR傳感技术，有效地解决BOTDR技术中出现泵浦脉冲频谱畸变的问题[1-6]。

现阶段对光缆进行质量检测主要是通过光时域反射仪OTDR （Optica Time-Domain Reflectometer）来检测光纤是否存在断裂、接头耦合性不佳、介质非均匀性等缺陷，主要包括用于临时测试的手持式便携型和24 h实时在线监测型两大类。本文面向光缆OTDR手持式测试仪利用JAVA设计通用型通信接口程序，建立一套基于SOR数据文件的通信流程，再以JAVA的SOCKET实现定制化的实时在线监测型检测设备的接口程序，以建立多形态的多形态的OTDR光缆监测设备通讯接口系统。

1 光时域反射技术

1.1 技术原理

光时域反射（ OTDR）技术是目前用于检测光缆纤芯是否存在损耗特性的一种探测技术，由于沿途地震、台风、雷击、舞动、覆冰、杆塔倾斜、偷盗、窃听等外部因素，借助OTDR技术检测光缆的质量是一种有力技术手段，结合CIS等技术能够方便地实现空间故障定位分析。OTDR的基本工作原理是：借助双向耦合器将探测脉冲光注入被测光纤通路中，由于该脉冲光在光纤介质中将向前传输的同时还会产生背向瑞利散射光，利用双向耦合器将这些背向瑞利散射光耦合到光电检测电路中，通过返回的信号来分析和判断光纤承载业务的质量情况[7-8];

假设脉冲光从光纤的起始端到接收到该脉冲光在光纤中某处的瑞利散射光所需要的时间为t，在t时间内脉冲光从起始端至该处实际上往返传播了一次，那么该位置到光纤起始端的距离L为：

由式（4）可知，经过OTDR探测的结果将转为光纤沿线瑞利散射曲线，通过这条曲线可直观表达出该光纤纤芯通路起止端沿线的损耗情况。通过这些曲线的变化特征能够直观反映出光纤的熔接点、接头、裂纹甚至断点等异常情况时，从而用来检测光纤是否存在断裂、接头耦合性不佳、介质非均匀性等缺陷。

图1所示为典型的OTDR曲线的变化特征反应在光纤上典型的缺陷点的对应的关系。图中纵轴是光功率的衰减值，横坐标为光缆的距离。

1.2 OTDR系统结构

OTDR探测设备结构如图2所示，在脉冲发生器的驱动下光源产生有规律的探测脉冲光，探测脉冲光通过定向耦合器从起始端面射入被测光纤通路，在被测光纤中产生的背向瑞利散射和反射信号经过定向耦合器输出到光电探测器中，通过光电探测器捕获并输出信号，对该信号经放大和模数转换后经形成探测结果信号，最终将该数字信号处理成以横坐标为光缆的距离、纵坐标为衰减值的二维数据集，实现对被测纤芯以距离为单位的衰耗特征的定位[9]。由于OTDR直接探测背向瑞利散光的规律，光源输出功率越高，背向散射信号就越强，因此，应根据被测纤芯的纤芯通路的距离选择合适的光源输出功率。

2 通信接口设计

2.1 整体接口系统架构

系统整体接口架构包括三层：传感层、采集层、应用层，其中传感层主要包括用于临时行测试用的手持式OTDR测试仪和安装于机房并与固定光纤连接的24 h实时在线OTDR设备。因此，采集OTDR数据要采取两种手段。首先，当前阶段手持式OTDR测试仪不具备网络通信能力，更无法提供标准化的二次开发接口，因此，手持式OTDR测试仪将通过其数据导出功能，将测试结果导出为SOR数据文件，并通过解析服务器，将SOR中的数据解析处理，送达到采集层的采集服务器。其次，针对实时在线OTDR往往提供二次开发接口，将该OTDR通过网络与实施在线设备采集服务器建立网络连接，通过调用二次开发的API接口实现可动态调用的数据采集。当采集层完成数据解析和采集后，将所有不同来源的OTDR原始数据通过网络传送到上层应用服务器的数据库，供上层应用系统进行图形化分析和呈现。

2.2 手持终端型接口设计

手持式OTDR测试仪完成测试后将自动生成SOR数据文件，该文件通过USB口导出到制定U盘后上传至SOR数据解析服务器。由于SOR数据文件保存了测试结果的原始数据，该数据量十分庞大，为了减轻数据解析的压力，提升数据解析效率，减轻电脑终端或手机APP端的数据呈现效率，数据解析服务将利用道格拉斯抽稀算法对数据进行压缩处理。该算法是一种将OTDR曲线近似表示为一系列点，并减少点的数量的一种算法，该算法的原始类型分别由乌尔斯·拉默（Urs Ramer）于1972年以及大卫·道格拉斯（David Douglas）和托马斯·普克（Thomas Peucker）于1973年提出，并在之后的数十年中由其他学者予以完善。SOR数据文件的处理过程如下：

（1）将OTDR曲线首尾两点连接形成直线AB;

（2）在OTDR曲线中检索离该直线段距离最大的点C，并通过计算获得点C与到直线AB的距离D;

（3）预先设定阈值T，通过计算获得距离D与T的差S;

（4）当S≥T时，则用C点将该曲线分割成AC和BC两段，并将AC和BC两段分别再按步骤（1）～（3）的操作;

（5）当S

（6）以上步骤完成后依次将各个分割点连接并形成折线，最终就快速形成能反应OTDR衰耗特征的近似曲线。

通过以上算法的应用，缩短了对原数OTDR测数据解析所需的时间，也为后续的数据存取和应用呈现提高了效率。

2.3 实时在线型接口设计

由于OTDR光源、传感器等核心部件比较昂贵，而需要被检测的光缆纤芯数量很庞大，为了减少光缆检测是应用成本，需要将实时在线实时在线型OTDR进行适当改进，增加光开关（OSW），实际测试时能够根据上层应用系统的指令自动切换被测光纤，实现1：Ⅳ的探测需求。因此，数据采集服务器TCP网络协议与主控卡进行通信，主控卡根据指令控制光开关（OSW），最后光开关（OSW）与OTDR模块建立链接，在采集服务配置好OTDR监测参数，譬如测试量程、测试脉宽、测量时间、群折射率、结束门限、非反射门限等参数后，通过Socket与OTDR模块建立动态通信，发送相关测试指令到OTDR模块，并由OTDR模块返回测试结果给采集服务器[12-13]。

3 系统实现与应用

采用基于Windows操作系统的JAVA开发语言和以SQLServer2012SP1作为原始数据和解析结果的数据库完成接口系统的开发，主要完成了接口参数界面的设计、各种OTDR硬件驱动程序的封装、二次开发和算法设计，针对手持式OTDR测試仪和实时在线OTDR设备实现配套的接口，图4-5为部分系统解析出来的OTDR分析结构曲线。

通过以上OTDR接口采集到数据后传送到上层应用系统数据库，通过上层应用系统进行分析后可通过图形化方式呈现OTDR衰耗曲线。图4所示为某运营商单条纤芯通路的OTDR的衰耗曲线图，图5所示为某运营商一条承载5G业务的光缆段中多条纤芯批量测试的OTDR的衰耗曲线图。从这些衰耗曲线图中能够直观呈现光缆的衰耗特征，同时也看出同一条光缆内不同纤芯的衰耗僮不完全一致，这为光路调度时选择优质纤芯通路提供了直观有效的筛选手段[14-16]。

该系统已经在多个运营商及电力通信企业投入使用，接口系统完成了承载5G或其他通信业务的光缆质量检测任务，节省了大量的人力物力，在很大程度上提高了光缆现场质量监测的效率，保障了光路调度的质量，为光缆业务的可靠、稳定运行提供有力保障。

4 结束语

本文设计并实现了一套多形态OTDR光缆监测设备通讯接口设计方案，针对不同的手持式OTDR仪表和实时在线的OTDR设备分别实现了通讯接口，整套接口方案实现了与上层应用系统的对接，经实际生产应用检验，整套接口方案对下实现了稳定的设备层数据采集功能，对上层应用系统实现了可靠的原数数据推送的能力，通过图形化手段呈现光缆是否存在断裂、接头耦合性不佳、介质非均匀性等不良情况，为承载运营商5G业务、广电乃至电网等通信业务提提了直观有效的筛选手段。

本文所述方案需要将手持式OTDR仪表的测试结果导出为SOR数据文件，并将该文件通过第三方载体（譬如U盘）导入到系统进行解析，在操作方便性方面存在一定的障碍，在实际的光路业务调度时反应及时性还不够。因此，建议在现有研究成果的基础上进一步研究手持式OTDR仪表与接口服务器建立实时对接的可行性，不断提升接口服务的便利性和及时性。

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