张洪波，余志强，谢 伟，肖志杰，黄文勇，王 允，苏 畅

（1.中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林541004；2.四川西南交大铁路发展有限公司，成都610000；3.桂林聚联科技有限公司，广西 桂林 541004）

基于无源光网络的高速公路边破裂缝监测系统

张洪波1，余志强1，谢 伟2，肖志杰2，黄文勇2，王 允3，苏 畅3

（1.中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林541004；2.四川西南交大铁路发展有限公司，成都610000；3.桂林聚联科技有限公司，广西 桂林 541004）

提出一种基于无源光网络的监测系统思路，利用现有通信传输网的光纤作为传感器，采用成熟的光时域反射仪（O TD R）模块和无源光网络（PO N）相结合，可运用在高速公路的边坡断裂、垮塌监测中，并可以构成基于高速公路网的光传感监测网络。

无源光网络；O TD R；瑞利散射；菲涅尔反射

0 引言

随着国家经济迅猛发展，交通承载压力越来越大。国家对高速公路建设速度加快，高速公路的信息系统也日益成熟，但对于高速公路的一些自然灾害却不能准确地预防和处理。目前我国高速公路边坡情况监测方法主要有：①通过人工巡视检查和对观测数据进行整理、分析，评估和判断高边坡的稳定状况。这种方法不能实现实时状态，对人力要求比较高[1,2]。②利用各种仪表、仪器监测，这种方式的难点是为位于边坡表面或者埋于地下的监测仪器仪表供电。在现有高速信息化建设中，公路的旁边或者附近都敷设了通信光缆；如果利用通信光缆位于高速附近这一有利条件，将无源光网络的结构和原理运用于边坡监测的系统，在边坡发生裂缝时就能实现预警，这将有效防止和预警边坡灾害的发生[3,4]。

1 基于无源光网络的监测系统设计

1.1 光时域反射（OTDR）技术及运用

OTDR技术是利用瑞利散射原理和菲涅尔反射原理来反映光纤传输质量的技术，主要用在光缆的工程施工和检修过程中，完成对传输光缆的损耗、连接头、断点位置的判断，通过对OTDR曲线的分析和对比，能够断定这些事件点的具体位置，为光缆工程维护带来方便。

1.2 PON技术的结构和监测

PON是一种接入网，局端设备（OLT）与多个用户端设备（ONU/ONT）之间通过无源光缆、光分/合路器等组成的光分配网（ODN）连接的网络，如图1所示。监测方案的实质是运用OTDR技术监测PON网络中ONU的距离长度。ONU的位置全部以OTDR曲线反射峰位置呈现，如图2所示。

图1 PON结构

图2 OUN的反射峰

1.3 实现方案及方法探讨

本文将现有的PON光纤监测方式植入现有的公路信息系统中，利用光学中全反射原理，使其在不同的位置形成一个对应的反射峰，通过对反射峰的监测实现对整个边坡群进行监测的作用。针对边坡的监测就无需用ONU，可直接用反射器来取代它。反射器又名光纤光栅终端滤波器，当OTDR测量光 （1625nm± 5nm）通过位于光纤末端的光纤光栅终端滤波器后，光纤光栅将光栅固有的反射波长（1625nm±5nm）反射回来，在OTDR曲线上形成一个反射峰，证明该路光纤连接正常，没有发生光纤损坏和断裂。在监测站通过OTDR的测试光经传输光缆到布置在边坡节点的分光器上，边坡上的每个台阶对应一个反射器，边坡的台阶数量对应分光器的路数。反射器用于替代ONU，作用在于稳定每条光路的反射值。光分路器到反射器之间的光纤预埋至需要监测的边坡位置上，这时边坡的监测点就相当于接在光纤尾端的反射器位置，监测该反射器的反射峰出现的位置变化就能反映出该边坡是否出现裂缝。系统原理如图3所示。

图3 系统原理图

目前的PON光纤监测系统触发OTDR测试的信号来源于OLT设备端的告警，然而在边坡监测中不具备这样的条件。本文提出一种周期性主动测试方案，实现对边坡的周期性测试。一条高速公路存在很多个边坡，为了把这些边坡群都监测起来，我们提出OTDR加光开关的监测方式，将OTDR的发射光脉冲经过光开关的切换分配到各个光路中，一个这样的OTDR模块就能针对多个边坡进行监测。每个边坡都会得到一条OTDR测试曲线，比较测试曲线和原始标准曲线，然后对反射峰进行对比，就能反映出位置变化和反射值的高低变化。

系统采用光开关切换的方式对价格昂贵的OTDR模块进行共享使用，从而避免使用多台OTDR，在系统价格上比传统的光缆在线监测系统具有更大的优势。实施对边坡监测，首先要对边坡的位置进行勘测，从而进行合理的布线，达到一个完美的监测效果。我们利用沿途已有光缆或者重新埋设专用边坡光缆，在需要检测的边坡，放置一个光交换箱，光交换箱主要作用是将光缆分出一条或者两条纤芯用于该边坡监测，每一级的边坡长度用光纤长度来反映。

监测的实现方式：对边坡光缆布置完成后，让每一个边坡的总长线路相距20m（边坡光缆总长为从OTDR出发，到边坡布放光缆的长度），从而使每一个边坡的每一个台阶在OTDR测试曲线上均形成一个反射峰。

为了直观地了解如何使用光缆监测来实现边坡监测，我们做了一个简单的测试描述边坡告警的实现。环境搭建描述：选择线路中的某一个边坡群，边坡个数为2个，相隔217m。OTDR到边坡群前端（光分路器1×8）距离为60146m。

从图4可看出，末端噪声处形成2个很明显的反射峰，从而达到对边坡实现检测。当其中一个边坡发生偏移时，此边坡处形成的反射峰消失，从而实现对边坡进行监测。

图4 监测末端放大效果图

2 软件系统

该系统软件基于Windows平台，采用C/S结构，即客户端和服务端结构。系统由配置模块，点名测量模块、数据采集模块、数据分析模块、告警处理模块、数据库模块、GIS模块、测量曲线显示模块、报表系统模块和用户权限管理模块等组成。

3 系统优势

相对于传统的电学监测系统，基于无源光网络的监测系统具备以下技术优势：

①监测系统与GIS系统有效结合，实现光缆阻断时准确自动的故障定位；

②测量的实时性强。这种方法是将每条线路挂上OTDR进行测试，比传统的方法实时性要强，不存在通过光开关进行轮询的问题；

③由于系统实时性高，因此可以获得边坡光路长度的实时信息，并进行保存和分析。

4 结束语

本文提出的基于多通道OTDR的PON网络监测运用于高速公路的边坡监测，经过实验验证，表明能够实时地监测边坡裂缝，保障了高速交通的安全有效的运营，也开创了PON网络结构在新领域的运用的先河。

[1]郭利超,马朝霞,周云锋,等.通信光缆监测管理一体化平台设计与实现[J].计算机测量与控制,2012,20(8):2213-2216.

[2]梁爽，王怀江.OTDR事件分析和故障判断的研究与实现[J].光通信技术，2007，31(1):49-51.

[3]虞振华，郑铮，李宁.光接收机均衡技术的自适应优化方法 [J].光通信技术，2007，31(12):42-45.

[4]张一帆,何浩,董毅,等.新型光时域反射计在无源光网络中的应用[J].光通信技术,2009,33(4):25-28．

Highway slope crack monitoring system based on the passive optical network

ZHANG Hong-bo1,YU Zhi-qiang2，XIE Wei2, XIAO Zhi-jie2,HUANG Wen-yong2,WANG Yun3,SU Chang3
(1.No.34 Research Institute of CETE,Guilin Guangxi 541004,China; 2.Southwest Jiaotong University Railway Development Co.,Ltd，Chengdu，610000 China; 3.Guilin Julian Technology Co.,Ltd.,Guilin Guangxi 541004,China)

The paper presents a passive optical network(PON)monitoring system,using the existing transmission network of optical fiber as a sensor,using sophisticated Optical Time Domain Reflectometer(OTDR) module and PON combination can be used in slope fracture highway,on the collapse of the monitoring,and the highway network can be constructed based on optical sensors monitoring network.

passive optical network,OTDR,rayleigh scattering,fresnel reflection

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0020-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.006

2015-10-22。

张洪波(1981－)，男，工程师，主要从事光通信技术及应用方面的研究工作。