OFC2025 | 利用热成像技术检测光缆中的光纤断点

逍遥设计自动化 · 发表于前天 08:01

引言
光纤网络是现代电信的基础设施，光纤到户(FTTH)服务变得越来越普及。然而，维护这些网络面临着重大挑战，特别是在日本等国家，由于人口结构变化，电信行业劳动力可能面临下降趋势。在各种维护任务中，定位户外架空光缆中的光纤断点特别耗时且技术上具有挑战性[1]。

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定位光纤断点的挑战
传统的光纤断点识别方法是将可见光注入光纤并观察断点处的光泄漏。当光缆外皮损坏并暴露出光纤时，这种方法效果很好。然而，当光纤因弯曲或横向压力而断裂，但没有可见的外部损伤时，技术人员通常必须剥开光缆外皮来检查光泄漏。这种破坏性方法增加了维护工作量，如果剥离部分不包含断点，还可能使光纤暴露于环境危险中。

电信行业需要一种非破坏性、简单直接的技术来精确定位光纤断点。在这方面，热成像技术提供了一个有效的解决方案。

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热成像作为非破坏性诊断工具
红外热成像(IRT)已被认可为各种领域的有效非破坏性诊断技术。该方法使用热成像相机捕捉物体发出的红外辐射，允许实时测量温度。这项技术已经在监测电气系统和检查土木基础设施方面证明了价值。

所提出的技术利用了光纤断点的一个关键特性：当断裂光纤发出的光被光缆外皮吸收时，会使外皮温度升高。通过用热成像相机观察这些温度变化，技术人员可以精确定位断点而不损坏光缆。

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图1：使用热成像相机检测光纤引入光缆中断点的示意图。

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了解不同类型光缆的行为特点
研究分析了电信网络中常用的两种光纤光缆：
室内光缆（白色外皮）：当光纤发生断裂时，这些光缆通常允许部分光线穿过外皮。可以使用适当的图像传感器观察光泄漏来定位光纤断点。户外引入光缆（黑色外皮）：这些光缆的聚乙烯外皮中含有炭黑，以防止紫外线辐射导致的降解。这种成分阻止了光线穿过外皮，使传统的光泄漏检测变得困难。然而，由于所有光线都被黑色外皮吸收，会产生可以通过热成像检测到的可测量温度升高。[/ol]

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图2：白色外皮室内光缆(a)和黑色外皮引入光缆(b)之间差异的示意图。白色光缆允许部分光线穿过，而黑色光缆吸收光线，导致温度升高。

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实验设置和方法
研究团队使用室内（白色）和引入（黑色）光缆进行了实验。这些光缆的横截面尺寸分别为2 mm × 1.6 mm和2.3 mm × 1.6 mm。实验设置包括：
法布里-佩罗(FP)激光器掺铒光纤放大器(EDFA)近红外相机(STC-SBS132U3V-SWIRU，分辨率：1280 × 1024，波长检测范围：400-1700 nm)热成像相机(Xi640，分辨率：640 × 480，噪声等效温差(NETD)：80 mK)
为了造成光纤断裂，研究人员对光缆施加了急剧弯曲。来自FP激光器的1550 nm连续光经过EDFA放大后注入断裂的光纤。使用近红外和热成像相机捕捉断点的图像。

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图3：实验中使用的光缆，显示室内光缆（白色，上方）和引入光缆（黑色，下方）。

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实验结果
实验揭示了几个关于热成像技术检测不同类型光纤光缆中断点的重要发现。

近红外和热成像检测的比较
近红外和热成像检测的比较显示了室内和引入光缆之间的明显差异：
对于室内光缆（白色外皮）：光纤断点处的光泄漏在近红外相机下可见。使用热成像相机可以检测到温度升高，但只有在输入功率为7 dBm或更高时。对于引入光缆（黑色外皮）：在近红外相机下没有可见的光泄漏。然而，在输入功率低至3 dBm时，热成像相机就能检测到温度升高。[/ol]

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表1：近红外（左列）和热成像（右列）相机拍摄的图像比较，显示在不同输入功率水平下对室内和引入光缆的检测能力。

温度对输入功率的响应
研究人员在不同功率水平下测量了光输入五分钟后的温度差。结果显示：
两种光缆类型的温度差都随输入功率增加而增加与室内光缆相比，引入光缆在明显较低的输入功率水平下就表现出温度升高约3 dBm的最小输入功率足以检测引入光缆中的断点

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图4：图表显示引入光缆（蓝色圆圈）和室内光缆（橙色方块）的温度差作为输入功率的函数。

随时间的温度变化
研究人员还分析了温度变化发生的速度以及达到稳定需要的时间：
光注入后约60秒内温度变化迅速温度在约100秒后达到饱和关闭光源后，温度逐渐恢复到基线水平
这一时间信息对现场技术人员使用热成像定位光纤断点至关重要，因为它表明了技术人员需要在向光纤施加光后等待多长时间才能进行测量。

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图5：引入光缆随时间的温度差，显示(a)光输入后的温度变化和(b)光关闭后的温度变化，包含多个功率水平的轨迹。

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结论
研究成功证明，热成像技术可以有效定位黑色外皮引入光缆中的光纤断点。这种非破坏性技术需要约3 dBm的光输入，技术人员需要等待约100秒以达到完全温度饱和。

与传统方法相比，这种方法具有显著优势：
非破坏性测试（无需剥开光缆外皮）在现场简单直接实施对于无可见外部损伤但光纤断裂的光缆有效减少总体维护工作量和光纤可能暴露于环境危害的风险
随着电信运营商面临劳动力挑战，这类技术对于确保使用较少人员高效维护光纤网络非常必要。

参考文献
[1] T. Oda, K. Makino, T. Hosome, M. Miyazaki, and H. Hashimoto, "Thermal Imaging-Based Localization Technique for Fiber Breakpoints in Drop Cables," in OFC 2025, 2025, pp. M1C.2.
END
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