基于虚拟OTDR的光纤线路在线检测系统
隋吉生 任鹏2 王华
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（1.吉林省电力有限公司 吉林 长春130021 2.东北电力大学信息工程学院 吉林 吉林 132012）
摘要：为了克服传统的OTDR仪器价格昂贵、难以对光纤线路进行在线检测等缺点，本文将虚拟OTDR技术引入光纤线路在线检测系统中，有效地解决了光纤网络在线检测技术的难题。本文主要提出了实现该系统的一种设计方案。 关键字：虚拟OTDR 虚拟仪器 数据处理
1 引言
20世纪人类取得的最伟大的技术成就是电气化。从19世纪末至今,电力在人类发展的进程中无处不在,电能成为人类不可或缺的二次能源。然而,电力系统从诞生之日起一直在不断的发展,但传统的电力系统却面临越来越多的挑战,尤其在全球环境状况急需改善,新能源的开发不断发展的今天,为实现可持续发展,全球各国都将“智能电网”的研究与建设作为21世纪的发展方向。
光纤通信为实现智能电网提供了基础，没有高速、双向、实时、集成、稳定的通信系统，任何智能电网的特征都无法实现，因为智能电网的数据获取、保护和控制都需可靠通信系统的支持，因此建立可靠通信系统是迈向智能电网的第一步。但是光纤通信中的光纤因其制造工艺、产品质量、安装运行环境等原因，光纤故障时有发生，给企业和用户带来巨大的损失。因此，快速准确地检测光纤故障，找到故障位置，对于电力系统和通信系统的稳定运行具有十分重要的意义。
目前，我国光纤故障检测的技术大多数采用人工通过光时域反射仪(OTDR)对光纤线路进行检测。但是，传统的OTDR价格昂贵，并且难以对光纤线路进行实时地在线检测，不能适应光纤线路自动化监测与故障处理的需求。因此，将虚拟OTDR技术引入到光纤线路在线检测系统当中，解决了传统的OTDR价格昂贵、实时性差等缺点。 2 虚拟OTDR技术
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI(National Instruments)公司近30年来始
终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这3大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少及出色的集成这4大优势。
虚拟OTDR是由计算机、仪器硬件、固件和相应的应用软件组成，是计算机技术与仪器技术相结合的产物。其系统原理图如图1所示。与传统OTDR相比，虚拟OTDR自身不带任何仪器面板，利用PC强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的虚拟OTDR面板，完成对虚拟OTDR的控制、数据采集、数据分析和数据显示功能。
图1 系统原理图
虚拟OTDR的工作原理就是利用了背向散射法,将大功率的窄脉冲光注入被测光纤中,然后在同一端监测沿光纤背向返回的散射光功率, 通过合适的光耦合和高速响应的光电检测器检测到输入端的背向光的功率大小和到达时间，就能测量出光纤的传输特性、长度及故障点以及光纤的波导结构等,特别是完全不产生菲涅耳反射光的断点,通过监测瑞利背向散射光就能得到故障位置。
在虚拟OTDR中，硬件部分仅起着信号的输入、输出功能，软件才是整个虚拟OTDR技术的关键。 3 系统的整体设计
本系统是采用虚拟仪器中数据采集系统的形式，设计出一套具有完整OTDR功能的在线光纤检测系统。根据OTDR的工作原理选取适当器件组成了该系统的硬件部分。其中A/D转换电路如图2所示。
图2 A/D转换电路
本系统主要由以下三个部分组成：
光功率监测模块：该部分主要通过光开关里的光功率监测模块，监测光纤中光功率的衰减，当监测出光功率衰减到一定程度时，光开关便会自动切换到OTDR测试模块。
OTDR测试模块：当光开光自动切换到OTDR测试模块时，计算机便会通过串口（串口接口电路图如图3所示）自动发送大功率的窄带脉冲，经过光电转换器把脉冲信号转化成光信号入射到光纤内，光在光纤中传输时会不断产生瑞利背向散射光，采集卡将获得的背向散射光信号通过UBS接口（UBS接口电路图如图4所示）传到PC机上，经过软件计算，最终得到故障点的位置。
图3 串口连线图
图4 USB Device 连线图
软件处理平台：该系统主要是通过测试软件实现OTDR的全部功能。其中包括仪器初始化、仪器运行及测试结果的处理。初始化部分是对屏幕显示和程序中用到的各种变量进行初始化。仪器运行部分包括参数设置、图形显示和曲线分析三部分。测试结果部分是将最终得到的故障信息全部显示出来。 4 系统的软件设计
软件是虚拟仪器技术中最重要的部分。通常由硬件驱动程序、数据处理程序和虚拟面板三部分组成。
仪器驱动程序主要用于来完成仪器硬件的通信、控制、数据存储等功能。 数据处理程序主要是对采集卡得到的数据进行滤波去噪、分析计算、判断故障位置等工作。这是该系统的关键部分。
虚拟面板主要是通过在面板上设置各种按钮、开关、菜单，其中主要包括文
件、参数设定、数据采集、诊断报告和帮助等选项，以便用户对系统进行操作。其软件框图如图5所示。
图5 虚拟OTDR测试系统的软件框图
参数设定主要是设置测试平均次数、测量脉冲宽度、被测光纤长度范围、光纤折射率、散射系数等。数据采集主要是采集测试所需数据并对数据进行分析、判定故障点位置等工作。诊断报告主要是记录本次测试的结果并保存。 5 结论
本系统的研究将为光纤线路维护部门提供了一项先进的故障定位技术，使线路维护部门能够迅速地对故障线路进行抢修，及时地恢复光纤网络的传输，因而为光通信网优质、高效、安全、稳定地运行提供了可靠保障。随着虚拟仪器技术的进一步发展，虚拟OTDR光纤线路在线检测系统将更广泛的应用于光纤网络的监测中。
参考文献
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