浅析通信光缆险情预警技术

　　一、光时域反射（OTDR）技术
　　OTDR技术通过监测光纤中后向瑞利散射和菲涅尔散射的光强度，可以测量光信号的衰减，从而定位故障节点。其基本原理是：外界扰动导致光缆发生振动、位移时，光纤中瑞利散射和菲涅尔散射的光相位会发生变化，并最终引起光强度的变化。通过光电转换，可以对光强度变化进行数字分析和模式识别，从而判断有无故障险情发生。
　　目前，基于OTDR的险情预警主流技术有四种，主要区别在分析识别的模式上：
　　1.单向OTDR技术。即在单端对光纤进行监测，连续显示整个光纤线路相对于距离的损耗变化。此种方式适用于光纤发生错误、弯曲和损失的情形，布置简单，测试距离受限于测试仪表的动态范围，无法用于长距离光缆线路的监测；
　　2.双向OTDR技术。即从光缆线路的两端分别进行测量，得到两条后向散射曲线，然后将两条后向散射曲线拟合为一条双向测试曲线来监测光缆的性能。该方式弥补了单向OTDR因光纤衰减对测量的影响，可实现对长距离光缆线路的预警监测。
　　3.偏振光时域反射（POTDR）技术。利用光的偏振对微弯和应力等异常敏感这一特性，实现光缆险情预警。当传感光纤收到振动时，该点的瑞利散射光信号输出的两正交偏振光信号的偏振态信息发生变化，经光电转换后形成光强差，通过观察光强差的变化，判断光缆线路是否出现险情。这一方式的灵敏度比OTDR高，适合对较窄光脉冲及较低损耗时光缆的监测。
　　4.相干光时域反射技术（COTDR）。将一定频率的探测光注入传感光纤，由于光纤本身的不均匀性，光脉冲在光纤各点都会产生后向散射光并回到注入端。利用相干检测技术良好的光频选择特性，提取微弱的后向散射光信号，以检测光缆的工作状态。由于测量光源为单频窄线宽的激光光源，对波长无特殊限制，抗干扰能力强，因此特别适用于对由多个EDFA中继级联而成的长距离海底光缆的监测。
　　二、光纤光栅技术
　　光纤光栅技术利用光栅中心波长应对外界变化情况判读光缆是否遭遇险情。将用于制作多个布拉格光栅的传感光纤布置在光缆内，每个光栅的工作波长相互区隔，经耦合器或环形器取出反射光后，用波长探测解调系统监测出每个光栅的波长或波长偏移及空间信息，从而获得相应通道中每个布拉格光栅的扰动信息，通过对扰动信息的分析处理实现光缆险情预警。光纤光栅具有较强的抗干扰能力，对光波的波动、极化和传输损耗不敏感，但对外力和温度的变化反应灵敏，因此特别适合于对光纤外光缆压力、温度及由光缆表皮破裂等引起的指标异常的监测。光纤光栅传感器能够线性响应、易于集成且插入损耗小，能对重点区域进行监测，但不适合于对长距离、大范围险情的监测。
　　三、光纤干涉技术
　　选用两根备用光纤，在光纤的首尾两端接上相应的光纤耦合器、激光光源和光电探测器，构成Mach-Zehnder光纤干涉仪。当光脉冲激光器产生激光时，经首端光纤耦合器将单束光分成两束，分别送至传感臂和参考臂。传感臂用来感受信号，参考臂用来对传感臂的位相提供参考值，两束光经末端光纤耦合器被合成一束，形成一系列明暗相间的干涉条纹。光电探测器将光信号转换为电信号，经信号检测得到与相位相关的信号。
　　当光缆收到外界扰动时，其振动的变化会引起相位差的变化，包括由光纤轴向长度的变化所导致的光相位变化、光纤纤芯因受到振动波压力作用所导致的受力部分的折射率变化，以及纤芯受力时因直径发生变化而导致的波导归一化频率变化。
　　在正常状态下，自然应力会均匀地作用在光缆束管上，光纤受到的扰动是均匀的，其相差值不变。当遭遇拉动、切开等险情时，不规则的振动导致两束光的相对相位发生变化及干涉条纹移动，通过与光缆正常时干涉背景库的对比，可快速确定险情预警信息。