1 引言

隨著社會進(jìn)步及需求發(fā)展，推動光纖通信不斷發(fā)展，光纖網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)量越來越大，光纜網(wǎng)絡(luò)承載著越來越多的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，進(jìn)而對于光纜網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)要求也越來越高。一旦光纜在使用過程中發(fā)生故障，比如出現(xiàn)斷點(diǎn)或者較大光能損耗點(diǎn)時，就需要快速維修以恢復(fù)其業(yè)務(wù)能力，而恢復(fù)其業(yè)務(wù)能力的前提就是要盡快的找到故障點(diǎn)的地理位置[1]。

傳統(tǒng)尋找故障點(diǎn)的方法是使用光時域反射儀OTDR，由一工作人員在機(jī)房端測試故障光纜，得到其OTDR曲線，并在曲線上找到相應(yīng)的故障點(diǎn)。但是曲線上的故障點(diǎn)位置是光纜內(nèi)部的光纖的光學(xué)長度值，即光纖長度，它與實際的光纜距離是不一樣的。造成這種情況是受各種實際因素的影響，如考慮到維護(hù)的需要，一般在光纜的接續(xù)盒附近以及光纜管道井處都會留有余纜，這樣用OTDR測出的光纜故障點(diǎn)位置往往要大于光纜的路由長度。所以工作人員只能憑經(jīng)驗估計出故障點(diǎn)的大致位置，這必然與實際的故障點(diǎn)位置存在較大偏差。為了更準(zhǔn)確的逼近故障點(diǎn)，施工人員要在估計的故障點(diǎn)位置之前，在光纜上加以小角度的彎折，以便在OTDR曲線上形成一個損耗點(diǎn)，指示出施工人員操作位置與故障點(diǎn)位置的距離。這種方法十分容易造成光纜二次損傷損，加速光纜的老化。再者井下光纜復(fù)雜，可操作空間極小，彎折光纜的難度極大，甚至當(dāng)故障光纜較粗時，還可能出現(xiàn)光纜難以彎折的情況。雖然還可以通過彎折光纜保護(hù)盒里的光纖來制造OTDR損耗點(diǎn)，但是在沒有光纜普查儀的情況下，容易誤折正常光纖而導(dǎo)致業(yè)務(wù)出錯[2-3]。

光纜故障追蹤儀的出現(xiàn)改變了這種狀態(tài)，它使得定位光纜故障點(diǎn)的工作變得十分容易。光纜故障追蹤儀是基于偏振敏感的OTDR技術(shù)（POTDR）而制成的儀表，是從OTDR技術(shù)引伸出新技術(shù)。當(dāng)光纜受到溫度變化、施加的應(yīng)力變化或者光纜位置形態(tài)變化等外部因素影響時，其內(nèi)部傳輸光偏振態(tài)會發(fā)生變化，從而指示出光纜受影響的位置[3-4]。光纜故障追蹤儀在尋找光纜故障點(diǎn)上相對于傳統(tǒng)使用OTDR的方式具有明顯優(yōu)勢，其工作時不需要對光纜進(jìn)行小角度彎折，減少了對光纜的破壞性操作，在井下等復(fù)雜環(huán)境中只需要稍微改變故障光纜的形態(tài)，使得之前十分困難的操作環(huán)節(jié)變得十分輕松[5-6]。

2 POTDR定位原理

POTDR通過檢測光纜中傳輸光的溫度、應(yīng)力或形態(tài)變化之后的偏振態(tài)變化來實現(xiàn)定位，其原理框圖如圖1(a)。通過在脈沖激光器后加入起偏器，獲得線偏振光，同時在探測器之前加入檢偏器來獲得偏振敏感信號，其測量過程及測試曲線與OTDR極為相似，如圖1（b）。

圖1 POTDR原理框圖及測試曲線

連續(xù)測試兩條曲線，當(dāng)被測光纜靜止未受到外部影響時，光纜上同一位置的偏振態(tài)保持不變，得到的兩條曲線將保持不變；而當(dāng)某一位置處受到影響，比如光纜形態(tài)發(fā)生彎曲時，該點(diǎn)處的偏振態(tài)就會發(fā)生變化，進(jìn)而引起該點(diǎn)之后光纜的偏振態(tài)也發(fā)生變化。所以兩條測試曲線相減，即可反映出光纜受影響點(diǎn)的位置。

實際操作時，先保持光纜不動，使用POTDR儀器先測試出一條曲線作為比較基準(zhǔn)，這條曲線稱為模板曲線；再在某一位置上操作光纜，比如把光纜彎曲成直徑大概0.5 m的半圓，再使用POTDR儀器測試出變化后的曲線，這條曲線稱為操作曲線。將操作曲線與模板曲線相減，并去掉末端之后的噪聲帶，作為最終的測試曲線，光纜受影響點(diǎn)的位置即為曲線突變的拐點(diǎn)位置，見圖2所示。

圖2 POTDR測試曲線

3 定位準(zhǔn)確度的定性分析

TF500型故障追蹤儀是基于POTDR技術(shù)的儀表。其故障追蹤功能實現(xiàn)上述的操作流程：先測試一條模板曲線，再操作光纜，然后進(jìn)行追蹤測試，并將兩條曲線的差值作為最終的測試曲線顯示給用戶，同時自動計算出操作點(diǎn)的位置。

使用該儀表對一盤20 km的光纖進(jìn)行試驗，首先選定末端附近處的操作點(diǎn)，對其進(jìn)行小角度彎折，彎曲直徑在1 cm左右，通過OTDR測試，得知該處的距離是19.830 km?；謴?fù)該處的光纖，再使用其追蹤功能，對光纖使用完全相同的操作方法，將其彎曲成直徑大概0.5米的半圓，測試其定位的準(zhǔn)確性，10次測試結(jié)果如表1所示。

表1 TF500測試20 km光纖的結(jié)果

分析表1中的10組數(shù)據(jù)，最大為19.858 km，最小為19.828 km，相差30 m，平均值為19.835 km。而通過OTDR測試得到的操作點(diǎn)位置是19.830 km，與之最接近的是測試結(jié)果里最小的19.828 km，而不是平均值的19.835 km，這與一般的取平均值理念有出入。為了研究數(shù)據(jù)相差太大的原因，取其中的三次測試數(shù)據(jù)，把模板曲線和操作曲線都繪制到一起查看，如圖3所示。

圖3 模板曲線與操作曲線在操作點(diǎn)處的細(xì)節(jié)

在圖3中，每次測試時，模板曲線和操作曲線在操作點(diǎn)左邊的部分都是相同的，僅僅在操作點(diǎn)后面即右邊部分有變化。不過三次測試在操作點(diǎn)左邊的模板曲線卻不盡相同，這是因為實際的光纜不可能完全靜止，它會隨著環(huán)境而作輕微振動，導(dǎo)致偏振態(tài)會有輕微變化，所以操作點(diǎn)左邊部分圖像會隨時間而緩慢變化。同時這種變化向后傳遞，影響到了操作點(diǎn)處的模板曲線形態(tài)，使得對光纜的相同操作引起不同的變化。在圖3（a）中，兩條曲線在操作點(diǎn)處緩慢分岔，其差值較小，所以定位靠后；圖3（b）中，兩條曲線在操作點(diǎn)處分岔較為顯著，差值較大，所以定位適中；圖3（c）中，兩條曲線在操作點(diǎn)處分岔最大，所以定位靠前。其差值曲線如圖4所示。

圖4 上述三次測試的差值曲線在操作點(diǎn)處的細(xì)節(jié)

在圖5中，曲線c在操作點(diǎn)處上升得最陡峭，曲線a上升得最平緩，曲線b則居中。若以固定的閾值0.2 dB來判斷，則曲線c的判斷結(jié)果最靠前，曲線a則最靠后。

下面以一個模型來定性的說明操作點(diǎn)處模板曲線的初始狀態(tài)對POTDR的影響。在圖1（b）中，OTDR測試曲線形態(tài)與POTDR測試曲線相似，只是在接收到的光功率上受到檢偏器的調(diào)制而與OTDR不同，可以假設(shè)POTDR的功率是

所以兩者的差值為

圖5 操作點(diǎn)處偏振初始相位對接收功率的影響

上面的定性分析表明，即使對光纜施加完全相同的操作，但是操作點(diǎn)處的偏振相位還是對測試結(jié)果有很大的影響，不但影響到差值的大小，還影響到差值的方向。究其原因，是因為正弦余弦函數(shù)的導(dǎo)數(shù)并非恒定，在不同的位置上，即使自變量的增量相同，其函數(shù)的增量也有大有小。

在實際測試中，光纜隨環(huán)境而輕微振動，導(dǎo)致操作點(diǎn)處的偏振相位發(fā)生變化，進(jìn)而影響到追蹤測試的結(jié)果，這就是TF500多次測試之間結(jié)果有波動的原因。在測試中，可以在儀表后插入偏振控制器，通過它來改變操作點(diǎn)處的相位，如圖6，嘗試若干次之后，取各個測試結(jié)果里距離較近的為準(zhǔn)，對于上面的10次測試，正確的結(jié)果應(yīng)該為19.828 km，而不是平均值的19.835 km。

圖6 使用偏振控制器來改變操作點(diǎn)處的偏振相位

為驗證上述分析，用TF500測試一盤51 km的光纖，通過彎折光纖，OTDR測出操作點(diǎn)為50.680 km處。在每次獲取模板曲線之前，改變前端偏振控制器的角度并固定住，然后取模板，再彎曲光纖，然后追蹤測試。表2是10次的測試結(jié)果。

表2 TF500測試51 km光纖的結(jié)果

在表2的測試結(jié)果中，改變了偏振控制器的角度，也就改變了操作點(diǎn)處的偏振相位，使得各次測試結(jié)果都不盡相同，但是仍然符合近者為佳的原則。

再測試一盤5 km左右的光纖，操作點(diǎn)位于5.13 km處，使用同樣的操作方法，在10次測試中，有4次得到了5.131 km的結(jié)果，其他6次均在5.135 km之后，有力的支持近者為佳的原則。

4 結(jié)束語

試驗驗證了本文提出的方法可以有效的提高POTDR的定位準(zhǔn)確度，分析判斷POTDR多次測量后的多組數(shù)據(jù)中最接近真實數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，據(jù)多次試驗統(tǒng)計結(jié)果，該方法可以使POTDR的定位準(zhǔn)確度提高20%。定位準(zhǔn)確度的提高，使得尋找光纜故障點(diǎn)的工作更加便捷，有效減少了接近故障點(diǎn)時的精確定位次數(shù)，可使光纜維護(hù)人員搶修光纜故障效率大大提高提高。

基于以上原理生產(chǎn)的TF500測試儀表，從2016年開始在中國移動通信集團(tuán)江蘇分公司大面積推廣試用，截止到2017年，統(tǒng)計結(jié)果為：2015年全省匯聚層以上搶修時長約2.92小時，約4個地市無法達(dá)到3小時的指標(biāo)要求，2016年儀表配置完成后，全省匯聚層平均搶修時長約1.98小時，提升效果明顯；2016年全省未發(fā)生一起干線光纜搶修超時情況：匯聚層以上光纜割接未發(fā)生一起剪錯光纜情況。

顯著的社會效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益，引起廣大用戶共鳴。從2017年起，中國移動通信江蘇分公司、廣西分公司、湖南分公司等紛紛引入TF500,并寫入代維公司管理規(guī)范[7]。