OTDR曲线分析技术在光纤故障诊断中的应用研究.doc

华北电力大学（保定）硕士学位论文otdr曲线分析技术在光纤故障诊断中的应用研究姓名：李俊申请学位级别：硕士专业：计算机科学与技术；计算机应用技术指导教师：胡朝举2011-03华北电力大学硕士学位论文摘要随着全球信息通信事业的迅猛发展，由于光纤所具有的高速率、大容量等显著优点，加之其成本低廉，光纤早已广泛应用于众多重要领域。传统的光纤网络维护手段在当前网络高效化、规模化、复杂化的特点下表现出其明显的局限性。光纤故障诊断系统的出现为光缆网络的高效运行提供了技术上的保证。但是目前光纤故障诊断系统普遍存在定位不准的缺陷，究其原因是因为故障诊断系统中，分析 otdr 测试曲线信号的算法不合适。小波变换理论在信号去噪、信号奇异性分析以及故障诊断等方面都有着显著的优势。在光纤故障诊断系统中引入小波变换方法，并将其应用到 otdr 测试曲线信号的分析方面上，将提高光纤故障定位的准确性、提高光纤网络的维护效率。本文首先分析了目前光纤故障诊断系统所采用的主要技术以及利用 otdr进行曲线分析、故障定位的原理及关键技术。其次，针对光纤故障诊断系统自身的特点，从理论上说明了采用小波变换对解决光纤故障诊断系统中 otdr 曲线分析的可行性。第三，仿真实现了对实际光缆线路上产生的典型 otdr 测试曲线进行降噪和奇异点定位。仿真中通过一系列实验的对比，选取通用阈值方式计算阈值并使用软门限阈值处理进行降噪处理；其次，对不同的小波基、不同小波尺度下小波变换效果进行比对，并根据工程上的实际情况，选用 haar 小波、尺度 2作为光纤诊断系统 otdr 曲线分析模块的基小波与小波尺度。第四，将小波分析技术应用于实际中的光缆故障诊断系统，完成 otdr 曲线分析模块。实际运行效果表明：光纤故障定位精度较原有 otdr 曲线分析有较大性能上的提高，效果显著，其成果应用前景广阔。关键词：光纤故障定位；otdr 曲线；小波变换ii华北电力大学硕士学位论文abstractfirstly, the thesis introduces the background of fibre diagnosis system and otdrtechnology. secondly, it details description of the theory of wavelet transform methodand the applicability of otdr curve analysis. thirdly, by using the matlab toolrealizes the simulation of signal denoising, otdr curve analysis based on wavelettransform, and on the basis of the accuracy support confirms base wavelet and the scaleof wavelet in fibre diagnosis system by various experiments. and then this paperelaborates on the overall design framework, the curve analysis process of fibre diagnosissystem, and according to feedback from project implementation workers to modify theotdr curve analysis algorithm. finally, through practical engineering tests, the error offiber fault location is less, and fault type judgement is accurate.but inaccurate positioning is generally found in the fibre diagnosis system, thereason is that the analysis and location algorithm for curve signal gained by otdr isinappropriate in the diagnosis system. the theory of wavelet transform has a distinctadvantage on the signal denoising, singularity analysis and fault diagnosis. to introducewavelet transform method into fibre diagnosis system and toapply it to the analysis ofcurve signal gained by otdr can improve the accuracy of fiber fault location and themaintenance efficiency of fibre network.this paper analysis the main technical of the current optical fiber fault diagnosissystem and the curve analysis, principles of fault location and key technologies of otdr.secondly, we explanation that the using of wavelet transform to solve otdr curveanalysis in the fiber optic fault diagnosis system is feasible based on the characteristics ofthe fault diagnosis system. the third, this paper take denoise and singularity location testwith the typical otdr curve from the actual cable lines in the tool of matlab. we selectthe universal threshold and using the soft-threshold to noise reduction for the originalotdr single. this paper has completed the effect comparison for the different waveletbasis and scales. according to the actual needs of engineering, we make the choice ofhaar wavelet, scale 2 as the base wavelet and wavelet scale for the system. the resultsshow that the wavelet transform in optical fiber fault diagnosis is effective and accurate.finally, the paper applied the wavelet analysis to the cable fault diagnosis, and completesthe critical otdr curve analysis module. the module could real-time, accuratepositioning the points in cable fault. actual operation results show: location accuracy offiber fault has increased larger than the original performance curve analysis. the effect issignificant, the results has broad application prospects.keywords: fiber fault location; otdr curve; wavelet transformiii华北电力大学硕士学位论文华北电力大学硕士学位论文原创性说明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文otdr 曲线分析技术在光纤故障诊断中的应用研究，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文使用授权书otdr 曲线分析技术在光纤故障诊断中的应用研究系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以下相应方框内打“”）：保密，在不保密年解密后适用本授权书作者签名：导师签名：日期：日期：年年月月日日i华北电力大学硕士学位论文第 1章绪论1.1研究背景随着全球通信事业的迅猛发展，由于光纤所具有的高速率、大容量等显著优点，加之其成本低廉，真正的“光纤时代”已经来临。根据我国工业与信息化部颁布的2009 年全国电信业统计公报，仅 2009 年一年内我国光缆线路净增长 148.8 万公里，达到 826.7 万公里。与此同时，光缆线路维护和管理上出现的问题日益突出，其特点是对一些不可预知事件对光缆运行状态的影响无法估计1，如 2006 年冬，我国台湾地区地震造成其周边海底光缆断裂，进而影响到亚太地区数亿用户的正常通信，严重影响用户的日常生活和工作。因此，光纤通信的可靠性、安全性日益受到人们的关注。由于光纤线路上故障的不可避免，那么如何及时、有效地恢复光缆运行成为一个重要的课题；在此基础上，如何维护与管理好光缆线路，进而避免故障的发生、保障通信正常进行也是需要重点关注的问题。在信息科学、光纤通信迅猛发展速度的今天，传统的光纤网络维护手段还依然存在于为数不少的光缆网络管理和运营部门当中。传统的维护手段主要是监控信息传输误码率，通过误码率的高低判断光纤网络的运行状态2。其工作流程大致如下：监控信息传输误码率；若误码率高过门限值；判断故障出现的位置：故障出现在光纤网络上还是传输设备上；如果故障出现在光纤网络上则启动otdr(optical time domain reflectometer，光时域反射仪)；人工判断 otdr 的返回曲线：确定故障位置、类型；人员维护。传统的光纤网络维护手段存在着诸多无法协调和解决的问题，如人工判断 otdr 曲线依赖于维护人员的经验、光纤网络修复周期长等等。从现代光缆网络的规模角度上看，将传统的光纤维护手段继续应用于现代光纤网络将严重影响网络的正常运行，有其明显地局限性3。如前文所述，在规模上人工光缆网络维护手段已明显过时。同时，由于光纤通信链路和通信设备的急剧增加，为了提高网络的维护效率、节约生产成本，光纤网络的监测技术上面临一次革命；也就是说光纤维护朝着集约化、自动化、主动化的方向发展4。而光纤故障诊断系统的出现为光缆网络的高效运行提供了技术上的保证。光纤故障诊断系统能够及时将光缆网络的运行状况上报维护人员，维护人员可以实时观察网络的运行状态。但是，目前光纤故障诊断系统下故障定位的精度普遍不高，在大噪声情形下误差更大，经过工程技术人员的多年经验获知，在 otdr 设备工作情况良好的情况下影响故障准确定位的主要因素是故障定位时所用到的算1华北电力大学硕士学位论文法5。小波变换是 1974 年由法国工程师 j.morlet 提出的能够有效从信号中提取信息的数学工具。并且，小波变换在信号去噪、信号奇异性分析以及故障诊断等方面都有着显著的优势。在光纤故障诊断系统中引入小波变换方法，将其应用到 otdr 测试曲线信号的分析方面上，将提高光纤故障定位的准确性、提高光纤网络的维护效率。1.2光纤故障诊断的引入据现有资料统计，光纤的断裂、损伤，是影响光纤网络正常运行的最大障碍。例如，建筑的施工、工农业生产，以及一些不可抗拒的因素，如前文讲的地震等，都会造成光缆的故障，并造成巨大的损失。现在通常采用的是“配置冗余光缆”的方法来解决这一问题，一旦光纤线路出现故障，则在故障两端站用人工方式进行电路和光路的应急调度，使用空余的光纤或通道恢复部分通信，争取时间恢复光缆的正常运行6。显然，人工调度光纤线路的方式并不能及时处理故障，当然也无法满足用户的需求。光纤故障诊断系统，该系统可实时的监控运行中的光纤状况，对光缆故障及时报警，准确判断故障的类型并定位。经过测试，该系统可以满足用户对光缆链路的安全性要求，可准确而快速的侦测光纤故障，为及时恢复光纤线路正常运行提供保障。1.3光纤故障诊断在国内外研究现状光缆故障监测这一课题一直是国内外的研究热点。按照历史脉络大概分为以下几个阶段7：第一阶段，20 世纪 80 年代，光纤在实际通信中的应用刚刚起步。由于当时的线路均是新近建造，并且规模较小，并不会有很多故障出现。当时光纤网络的故障和隐患集中在由于人们对光纤网络的不了解而造成的无意破坏。光纤故障诊断系统在这个阶段刚刚提出，也是由于规模上的原因，当时光纤网络的维护手段主要是使用手提式 otdr 监测或 otdr 巡回监测的方式来监控光缆运行状态。第二阶段，在 20 世纪 80 年代末到 20 世纪 90 年代末，由于光纤技术的日新月异以及光纤通信链路的大规模发展，在这段时间内光缆铺设的长度逐年以 30%的速度增长。与此同时，较早铺设的部分光纤由于劣质、老化等原因，出现了一些复杂的故障，光纤故障问题被重视起来。其实在这个时期，光线故障诊断系统已逐步成熟，已经出现了“光功率计+otdr”的测试方式，光功率计实时地测试各条光缆上的光功率信息，当出现光功率变换超出阈值的情况则立即启动 otdr 的测试，基本实现了较简单的实时监控。2华北电力大学硕士学位论文第三阶段，20 世纪末到 21 世纪的开始一段时间，伴随全光交换、光交叉连接、全光中继等全光网络技术的出现，特别是先进光器件、光信号处理技术的发展，使得基于全光网络技术彻底覆盖率绝大部分的有线通信网络。目前较为流行的是波分复用 (wdm， wavelength division multiplexing)和密集波分复用 (dwdm， densewavelength division multiplexing)等先进技术与 otdr 测试技术相结合进而完成对光纤网络的实时监控。在经过上面三个发展阶段后，光纤故障诊断技术逐渐成熟。目前，国内的光纤故障诊断系统一般都是通过数据库技术、网络技术、地理信息技术等技术完成对光缆链路的集中监控8。在管理架构上，通常采用的是三级管理结构9，如下图 1-1所示。总监测中心区域监测中心区域监测中心区域监测中心监测站监测站监测站监测站监测站图 1-1 光纤故障诊断系统管理结构图在光纤故障诊断系统中，通常是使用光功率计实时监测光纤网络运行状态，并使用多路光开关，结合 otdr 实现对光缆链路的实时监测10。其工作流程可概括为：在光缆一端利用激光光源将激光发射到不同光缆的某一根光芯中；在光缆的另一端使用光功率计测量对应光纤中光功率的变化幅值；当光缆出现故障时，光缆另一端的光功率计会及时随之变化；当变化超出阈值时，启动 otdr；获得otdr 曲线信号，分析并处理故障事件。在实际的光缆链路中最常用的是业务纤的在线监测技术11，该方法主要是利用光纤波分复用技术随时可以测试光纤运行状态。然而，由于 otdr 自带定位算法定位准确性不高，精度不足( 20 m)，故障类型判断不准以及经常性的误报警等，从而影响了抢修速度，降低了维护效率。1.4主要研究工作（1）otdr 曲线的自动分析：曲线分析模块通过设定好的分析参数对现有的测试曲线数据进行分析，分析结束后得出一系列的满足分析参数的事件点。otdr曲线的自动分析将是本论文的难点之一；（2）通过以上 otdr 曲线分析，对光路上的故障报警；（3）根据与历史曲线信息的对比，对光缆上可能的故障进行预告警。3华北电力大学硕士学位论文1.5研究工具20 世纪 70 年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任 cleve moler 博士和他的同事们用 fortran 编写了最早的 matlab。1984 年由 little、moler、steve bangert合作成立了的 mathworks 公司正式把 matlab 推向市场。到 20 世纪 90 年代，matlab 已成为国际控制界的标准计算软件。随着 matlab 每一个版本的推出，都使 matlab 有巨大的进步，功能越来越强大、内容越来越丰富、界面越来越友好。matlab 的应用范围非常广，包括信号处理、图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量等众多应用领域。matlab 对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。这些模块集和工具箱都是由该领域的高级专业开发，用户可以直接以面向对象的思想学习、使用，而不用关心程序内核的编写。目前，matlab 已经把工具箱开发到工程试验与自然科学的多个领域，像信号分析、小波变换、图像处理、数据采集、电力系统仿真都有特定 matlab 工具箱为其工作提供支持。2010 年 9 月 matlab7.11 已经发布。本文中仿真所使用的是 matlab6.5。1.6本文结构安排本文共分为六章，各章主要内容如下：第一章，介绍光纤故障诊断系统的研究背景、国内外研究现状，以及本文的主要研究内容等；第二章，对光纤通信以及 otdr 技术进行概述。重点介绍光纤通信基本原理、光纤通信的管理和维护方式。以较大的篇幅阐述了 otdr 的基本原理以及 otdr曲线分析技术。第三章，对小波理论作了详细的阐述，对小波分析对于 otdr 曲线分析的适用性说明。第四章，使用第三章中阐述的理论，对于真实的 otdr 曲线信号进行降噪处理和故障定位的仿真实验。通过实验确定信号降噪时使用的阈值获取方式和降噪方法，并确定了用于光纤故障诊断系统中基小波及小波尺度。第五章，主要论述了光纤故障诊断系统的设计框架、曲线分析的主要流程以及系统中重要细节的描述。根据真实反馈信息对系统进行修正，并完成了大量的测试工作。第六章，对全文做出总结，并提出光纤故障诊断系统下一步改进的方向。4华北电力大学硕士学位论文第 2章光纤通信与 otdr技术2.1光纤通信2.1.1光纤通信原理-全反射全反射是光纤通信的基础。即：当光从一种介质射入另一种介质时光线会发生反射和折射。如果先从光密介质射入光疏介质，则折射角大于反射角。当入射角达到某一值时，光将不发生折射而完全反射，这就是全反射。所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波，以全反射的传递方式，使光波达到目的地，进而实现通信的技术。光纤用于传播光时入射光线以一个很小的角度 入射到光纤内，在光纤入射段纤芯处可接受光的光纤容量可用数值孔径 na表示，如图 2-1 所示：临界角n1n2图 2-1 光纤传播示意图na = sin = (n12 n22 )1 / 2 = arcsin(n12 n22 )1 / 2（2-1）式中 光纤最大入射角度；n1 纤芯传播介质折射率；n2 包层材料折射率。当超出该角度 后射入的光波不能长距离的传播。如上文所言，光线以大于 的角度射入光纤时，其无法在光纤中稳定传播。当然，根据光线的入射角度，光纤在光纤中的传播路径将也是不同的12。入射角越小，光纤能传播的距离越长；反之，距离越短，甚至无法稳定传播。再者，由于技术的不断发展，光纤衰减不断降低、光纤通信速率极大提高，以及光源器件和性能测试及工程应用仪表等技术的日臻成熟，都为光纤作为新的通信传输媒介奠定了良好的基础。5华北电力大学硕士学位论文2.1.2光纤通信的特点光纤通信的诸多优点是其能在数十年内迅猛发展的根本原因。频带宽度大，通信损耗小是光纤通信所特有的、超越传统通信方式特点。图 2-2 粗略给出了光纤通信用光的带宽和光纤传输系统的损耗，可以明显地看出光纤通信的可用光光的频率非常高，同时由其建造的传输系统每公里耗损却非常低。除了上述两项重要的优势以外，光纤通信还有以下特点13：（1）传输介质重量轻，体积小，通信容量大，中继距离长；（2）抗电磁干扰性能优良，串话小；（3）传输过程中信号外泄小，保密性能良好；（4）使用上有很大的灵活性，既可在大容量、超大容量、信息传输系统中使用，也可在中、小容量系统中使用，主要传输数字信号，也可传输模拟信号；（5）节约传统通信方式所依赖的贵金属等资源，有利于资源合理使用14。频率100 thz10 thz1 thz100 ghz波长1 m10 m100 m1 mm10 mm名称紫外线可见光线光纤通信用近红外线远红外线亚毫米波毫米波(ehf)厘米波(shf)100010010110 ghz100 mm分米波(uhf)0.110 m100 m1g10 g 100 g1t10 t100 t 1000 t1 ghz100 mhz10 mhz1m10 m100 m米波(vhf)短波(hf)中波(mf)频率/hz1 mhz图 2-2 光纤通信光带宽和传输系统耗损上述这些特点以及其它一些因素共同决定了光纤通信的重要性以及其应用的广泛性。同时，光纤的种种特点也决定了其作为通信线路进行维护的要点13：（1）建设成本巨大：类似于电力线缆，光纤通常也是采用架空或深埋的方式。深埋造价颇高，架空成本稍低，但是出现故障几率大；（2）光纤链路距离长：通信光纤一般都是大区域之间的通信连接路径，距离长意味着跳接点多，更易出现故障；（3）由于光纤线路的长距离，但维护人员无法时刻保护光纤不受外界损害，人为与自然因素多光纤链路破坏大；（4）就光纤本身而言，光纤本质就是玻璃制成，较脆、易断，容易受到周围6标准同轴底同海轴51 mm波导器3m光纤传输损耗/(db/km)华北电力大学硕士学位论文环境的影响，进而影响到光纤的传输性能。对于不可抗拒的灾害和人为破坏，光缆链路运营部门和管理部门也无能为力，不管设计多周全的系统，也不能完全预防事故的发生。通过改进设计和施工方法来避免自然、社会环境的影响已不可能，唯的途径就是提高日常维护管理。而要提高维护管理的效率，就必须引进先进技术、提高生产效率。2.2光缆的管理维护2.2.1光纤线路常见的故障及发生原因光纤在通信领域内的实际应用虽然只有短短数十年时间，但是光纤通信的发展却远远超出人们的预想，现已成为现代通信不可或缺的手段。光信号功率的大小可以表征光缆线路传输特性的优劣。不同的故障情况，获取到的光功率变换幅值是不同的。根据故障的严重程度，功率可以在正常值与零值之间，光功率为零时，表示最高级别的故障。光纤链路上的故障主要有两种表现方式，一是全程衰减增大，这种情况下，在光功率计还可以测得功率数据，但是相对于正常值偏小；第二种为光纤完全中断，光功率计在接收端测得的光功率为零。光纤故障的原因可以归结为以下几点14：（1）由于光纤外部受力造成光纤变形：这种情况一般会导致光纤衰减变大；（2）光纤本身性能不足：由于光纤制造工艺以及光纤材料的不足也会造成光纤衰减增大。例如，冬夏间光纤热胀冷缩会导致光纤衰减的不同；（3）接头故障：以国内采用较多的“熔接法”为例，在光缆接头处熔接后，两条光缆连接成形，并且接头处都需要进行特殊保护。但是，接头处的可靠性要受到保护材料、保护技术、操作人员技能甚至周围环境的影响。总的来说，接头处的抗扰性相对于原来光纤较差。（4）外部原因：一些不可抗拒的力量以及人为破坏也是造成光纤故障的重要因素。例如，2006 年我国台湾地区的地震造成多条国际海底通信光缆发生中断，附近国家和地区的国际和地区性通信受到严重影响。随着光缆通信的发展和光纤的大规模广泛应用，维护和监测变为不可避免的工作，而且也得到了越来越多的重视。2.2.2光纤线路的管理维护光缆干线传输网具有距离长、覆盖面广的特点，维护跟管理部门一直在寻找一个管理维护光缆线路的解决方案。但是，随着光纤网络日益复杂、规模不断扩大，光纤网络出现故障不可避免的也在逐年增加。依赖人工进行光纤网络维护的方式已7华北电力大学硕士学位论文不能满足当前对光纤通信顺畅的基本要求。人工维护光缆网络主要有以下几个不足：首先，故障的恢复速度、出现故障时的反应速度都因人而定，虽然现在光纤网络维护方都制定了严格的制度保证故障处理的及时性，但是由于维护人员个人经验等因素，也会对故障的恢复产生影响；其次，光纤传输用到的所有设备都有可能出现故障，没有一个全面的解决方案来判断故障位置是可怕的。经过有关专家的潜心研究和实验，目前我国已经制定并实施了两套光缆监测系统的技术标准和规范13。一套是信息产业部于 1998 发布的 ydn010-1998光缆线路自动监测系统技术条件15。在此基础之上，结合本地局域网网局站密集，局站间光缆距离短，在各个局站的光缆线路较多，光缆段、光纤之间的连接关系更为复杂等特点，电信总局于 2000 年 2 月又补充发布了本地网光缆线路监测系统技术要求。上文所述两个文件对光纤故障诊断系统提出了具体的要求：光纤故障诊断系统主要由总监测中心、区域监测中心，以及各级监测站组成，见图 1-1 光纤故障诊断系统管理结构图。区域监测中心对各个监测站实行远程、实时、统一的控制，区域监测中心是数据汇集上报、数据处理和存储的中心；监测站主要由 otdr、光开关模块 osm、光功率模块 opm 等组成，监测站的主要任务是对光纤线路上的光功率进行周期测试或点名测试，将光缆的运行情况及时上报中心服务器；并完成中心服务器的指令，如 otdr 测试等。2.3光时域反射仪（otdr）otdr 的英文全称是 optical time domain reflectometer，中文为“光时域反射仪”。otdr 是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表。2.3.1 otdr设备性能otdr 具有以下性能16：（1）otdr 可以提供稳定、优质的激光光源，为准确定位光缆线路上的的故障点提供保障；（2）一般 otdr 均可以提供小于 1m 的事件点位置分辫率，并且可以测量70 km，甚至130 km 距离上的光纤信息；（3）otdr 具有能够精确地设定折射率(可在1.400 1.599 之间按照实际情况设定)，otdr 所提供光纤耗损测试的分辨率也极高(分辨率 0.01 db)；（4）其他各项辅助功能齐全。8华北电力大学硕士学位论文2.3.3 otdr的测试的理论基础光时域反射仪是一种集光学、电学、计算机科学等技术于一体的精密测试仪器。otdr 的工作原理与雷达的工作原理相似：将一束激光以合适的角度射入被测光纤，要求该激光束能够正常地往前传播。由于光纤绝非纯净的石英晶体，激光束向前传播过程中会发生一定得散射；在遇到接头等事件的时候由于介质折射率的变化，会产生一个功率强大的反射。otdr 都依赖于两种光学现象来进行测量：瑞利散射和菲涅耳反射。它们之间的主要区别表现在：瑞利散射是由于光纤材质本身存在的属性决定的，而菲涅耳反射则是与每一条光纤的实际运行情况、状态有关，它反映的是光纤上的“点”事件。入射光背向散射瑞利散射图 2-3 瑞利散射和背向散射2.3.3.1瑞利（rayleigh）散射当光线信号在光纤线路中向前传播过程中，由于一些光子被光纤材质中存在的杂质反射的现象就是著名瑞利散射。瑞利散射是光纤所固有的性质，由于光纤中杂质分布的均匀、并且无处不在，因此可由瑞利散射信号获得光纤上各处的运行信息。由于杂质的均匀化，因此 otdr 由激光束发射端接收的瑞利散射信号就可以表征光纤信息，再者由于光线在光纤中传播时会产生耗损，因此 otdr 设备产生的瑞利散射信号是一条缓慢向下衰减的曲线。这说明了随着激光束在光纤中传播距离的变大，其背向散射不断减小。瑞利散射是光纤材料本身固有的性质，光纤上所有点都会呈现瑞利散射现象。在获取光纤线路的各项参数后，光纤背向散射功率就能够确定地计算出来。根据瑞利散射原理，在光信号波长确定的情况下，瑞利背向散射的光功率与入射激光束的脉冲宽度成正比；脉冲宽度越长，瑞利背向散射就越强，功率越强。同时，瑞利散射背向光功率与入射激光波长的 4 次方程有反比例关系17。见下式(2-2) r = a / 4(2-2)式中 a 瑞利背向散射系数； 入射激光波长。瑞利背向散射系数，该系数由纤芯折射率与包层折射率的差 决定。比较典型的情况，当 为 0.2%和 0.5%时，瑞利背向散射系数分别是 0.86 和1.02 。otdr 接收与入射光射入方向相反的方向瑞利散射光，其散射光功率可用如下9华北电力大学硕士学位论文公式17表示：pr = c r pt / 4n1(2-3)式中 pr 为 otdr 获得瑞利背向散射光功率；pt 在某距离处入射光信号的在该处光功率；n 信号传播纤芯的折射率； 入射激光脉冲宽度；c 真空中的光速； r 光纤的菲涅尔散射耗损系数； 纤芯折射率与包层折射率的差，其中单模光纤的折射率差别一般为0.25%18瑞利散射可被形象的比喻为浓雾中的手电筒光束。光束射到浓雾中会被到处存在的水分子散射。同样，瑞利散射在含有杂质的光纤中也会被散射。otdr 测试瑞利散射的优点还在于，它更够精确地测量瑞利背向散射功率，并根据获得的信号判断的光纤中的运行状态的变化。瑞利散射会导致一部分光能受到损失，但是在现有技术下光纤中的杂质还无法完全去除，otdr 利用了这些损失的光能对光纤运行过程中的状态进行监测，并获得光纤事件的重要信息。2.3.3.2菲涅耳（fresnel）反射光线信号传播时，当光波遇到光纤中的缺陷或断裂面时，由于光纤折射率发生突变，这种情况就会造成菲涅尔反射。菲涅尔反射的强度与该点处的光波信号的光功率有正比关系。菲涅尔反射表征的是光缆中“点事件”，与瑞利散射不同，它不是光纤本身固有的特性。当光纤在光缆中传播，出现两种介质折射率不同时就会发生菲尼尔反射19。就其发生的根本原因，菲涅尔反射就是光波从一种介质发送到另一种介质时被原介质反射的现象。可见，菲涅耳反射是“点”事件，它的出现与每一条光纤的运行状态有关。菲涅尔反射是由整条光纤中的个别点而引起的。在这些点可能出现在任意接缝点、没有确定终止的光纤尾端、有严重几何扭曲的地方、光纤破裂或断开处，在这地方由于折射率的改变导致的反向散射系数的改变会致使强烈的背向散射光发生，这些光信号被 otdr 捕获，otdr 就是利用这些强的反向散射确定故障点、光纤断点等信息。一般来说，otdr 发出向光纤中注入的激光脉冲宽度是可以调整的。根据不同需要调节，脉冲越宽则探测的距离越长，响应产生的盲区也越宽。otdr 发射脉冲的周期遵循公式(2-4)：10。华北电力大学硕士学位论文t = 2lnc(2-4)式中 l 待测光纤的长度。则 otdr 发射光脉冲的时间周期必须大于等于 t ，这样才能保证 otdr 曲线信号的准确性。2.3.4 otdr的构造otdr 是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表。otdr 应用于各种光通信网络的测试，包括测试光纤传输系统中的定位断点和端点、接头损耗、光纤衰减、光纤的距离、链路损耗等。otdr 用于光缆线路的施工、维护之中，可以进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。otdr 工作原理与雷达类似：otdr 将测试所用的激光脉冲以合适的角度注入到被测光纤中，然后 otdr 在脉冲发射端捕捉脉冲的背向散射信号20。脉冲在光纤中传播时，由于光纤自己固有性质，或者遇到光纤连接器、熔接点、过度弯曲或者其他事件点就会产生反射和散射，而这些信息将被 otdr 捕获，成为分析光缆信息的重要数据。下图 2-4 是 otdr 结构图。光耦合器被测光纤脉冲发生器e/olal1bo/e放大主时钟信号处理显示器图 2-4 otdr 结构图以上图 2-4 所示，当光线在光纤中传播时，由于光纤中存在分子级的结构不均匀，除了产生瑞利散射外，还有一部分散射光线和原来的传播方向相反，被称为背向散射：otdr 利用光纤的上述特性进行工作，其原理如图 2-4 所示。当光纤的一端注入一个功率为 p0 的窄脉冲在光纤传输时，与输入端距离为 l 的11华北电力大学硕士学位论文a 点经背向散射回到输入端，其光功率表示为公式(2-5)21。p( l ) = sp0 e 2l(2-5)式中 p0 注入脉冲的光功率；s 光纤背向散射系数； 光纤传输衰减常数。光信号由注入端进入光纤，到达 a 点后经背向散射回到注入端的时间 t 和 l 之间的关系为l =12vt =ct2n(2-6)可见，只要测出光信号返回时间及其对应的光功率就可算出光纤的长度，并由公式(2-7)进行光纤衰减计算。在图 2-4 中，光纤中 a 点经散射返回到始端的光功率为：ab 间光纤的衰减为p( a) = sp0 e 2l(2-7)a(l1 ) =12lgp( a)p(b )=12lgsp0 e 2lsp0 e 2 ( l+ l1 )1 12 2(2-8)根据上述原理，当光纤一端注入一个很窄的光脉冲时，则在该端接收背向散射信号。对数处理后，若将所得结果作为纵坐标，以信号回到该点的时间先后为横坐标（实际仪表显示采用光纤长度，如公式(2-6)），则即可得到该光纤的背向散射曲线，如图 2-5 所示：abcdol(km)图 2-5 otdr 典型背向散射特性曲线oa 段：为盲区，其长度和注入光脉冲宽度成正比。125lgp(l)= lg sp0 e 2l lg sp0 e 2 ( l+ l1 ) (db)华北电力大学硕士学位论文ab、bc、cd 段：均匀光纤；b 点：光纤的熔接接头产生的下降台阶；c 点：光纤的活动连接器接头产生的菲涅尔反射的下降台阶或由光纤裂缝产生的局部菲涅尔反射；d 点：光纤末端由于光纤与空气之间的折射率差而产生的菲涅尔反射。从曲线上所读出的两点的电平差就是该点间的光纤衰减，而水平两点间的差即为该两点间的距离，下降台阶的高度即表征了光纤的接头衰减22。上述结果仪表均可直接读出，并可得到光纤的衰减常数 ，根据光在光纤中传输的速度与时间的关系，根据公式(2-6)，可测出光纤长度。测量精度是指因仪表方面的因素对长度测量结果的影响，有：（1）仪表折射率的设置。由于 otdr 是依据测量时间，利用公式(2-6)来计算光纤长度的。为保证测量结果的准确性，每次测量之前必须根据光纤实际折射率值对仪表参数进行设置，但因它们之间总存在误差，导致测量结果产生误差；（2）仪表内部作为时钟的晶振频率的准确性和稳定度。因所测得时间的准确度受时钟影响，所以时钟影响会给长度测量带来一定的误差；（3）仪表在进行数据处理时采样的间隔。取样点越多，取样间隔越小，实际曲线和显示曲线就越接近，误差就越小。2.3.5 otdr测试曲线图 2-6 典型的 otdr 曲线图 2-6 是一条真实的 otdr 测试曲线，其中 a 点为光纤始端，这个地方为 otdr13华北电力大学硕士学位论文与光纤的连接处，会有较强的菲涅尔反射，这段强烈的反射还会覆盖该段上的有用信息，因此被称为 otdr 的盲区； b 点有明显的上升然后又急速下降，这表明该处有强烈的菲涅尔反射，说明该处可能存在光纤故障，类似于 b 点这样的事件点是光纤故障诊断系统最关心的信息； c 点表明此处是光纤的尾端，并且其后的信息时无用的噪声。在 otdr 信号中常见的还有“斜坡”，这说明在该处存在耗损，出现该现象的原因有多种，有可能是接头、工程缺陷等。值得注意的是，由于使用 otdr 的经验不足会导致波形噪声，对 otdr 曲线了解不够深刻也会为工程带来误差，这些噪声和误差可能会极大地影响 otdr 测量的准确性。因此，自动调整 otdr 设备参数、准确分析 otdr 曲线信号对实现光纤网络的安全运行具有重大意义。2.3.6 otdr测试曲线分析的研究现状otdr 数据能够