光纖通信局域網(wǎng)斷點故障檢測方法研究

劉賀　王濤

摘 要： 為了解決以往光纖通信局域網(wǎng)斷點故障檢測方法成本高、動態(tài)檢測區(qū)間小的問題，提出基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點故障檢測方法。構(gòu)建可調(diào)諧混沌光產(chǎn)生裝置，將混沌光波長失調(diào)值設(shè)為0 nm，帶寬設(shè)為光纖通信局域網(wǎng)帶寬的80%，獲取混沌光，構(gòu)成光纖通信局域網(wǎng)信道的參考信號和探測信號，利用光纖振蕩器過濾其中的延時信號，對混沌光信號與探測信號進(jìn)行相關(guān)性運算，獲取斷點故障定位值。實驗結(jié)果表明，所提方法在檢測斷點故障時的動態(tài)檢測區(qū)間大，并能維持光纖通信正常運行。

關(guān)鍵詞： 光纖通信； 局域網(wǎng)； 斷點故障檢測； 混沌光； 相關(guān)性運算

中圖分類號： TN926+.3?34； TM248 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0174?03

Abstract： Since the previous breakpoint fault detection method of optical fiber communication LAN has high cost and narrow dynamic detection section， a chaotic light based breakpoint fault detection method of optical fiber communication LAN is proposed. The generation device of tunable chaotic light was constructed to set the wavelength detuning value of the chaotic light to 0 nm and the bandwidth of the fiber communication LAN to 80%. The chaotic light is got to compose the reference signal and detection signal of the optical fiber communication LAN channel. The optical fiber oscillator is adopted to filter the delay signal. The correlation operation is carried out for the chaotic light signal and detection signal to obtain the positioning value of breakpoint fault. The experimental results indicate that the method has long dynamic detection section while detecting the breakpoint fault， and can maintain the normal operation of optical fiber communication.

Keywords： optical fiber communication； local area network； breakpoint fault detection； chaotic light； correlation operation

得益于光纖通信技術(shù)的飛速進(jìn)步，光纖通信局域網(wǎng)已經(jīng)走進(jìn)每家每戶，針對局域網(wǎng)故障檢測的器件和方法也逐漸增多起來。斷點故障普遍存在于光纖通信局域網(wǎng)中，光時域反射儀可針對斷點故障進(jìn)行良性檢測，使用方法便捷，但價格昂貴，各大品牌的平均報價[1]要高于2.5萬元。典型的斷點故障檢測方法包含距離傳感檢測和諧波檢測，這些方法的成本低于光時域反射儀，能夠滿足正常檢測需求，缺陷是動態(tài)檢測區(qū)間小。相對來講，光時域反射儀的市場競爭力更大。本文利用混沌光進(jìn)行斷點故障檢測，提出一種成本低、動態(tài)檢測區(qū)間大的檢測方法。

1 光纖通信局域網(wǎng)斷點故障檢測方法研究

1.1 檢測方法

在非線性研究領(lǐng)域，混沌是指存在卻不能加以估計的波動行為。自從激光器中的混沌狀態(tài)被挖掘出來，混沌光一直是光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。文獻(xiàn)[2]表明，混沌光滿足狄拉克δ函數(shù)的自體相關(guān)原理，具備對稱性和縮放性，可使用在距離度量、定位、檢測等器件中?；煦绻庑盘枎捯訥Hz計數(shù)，得益于光纖通信局域網(wǎng)的高帶寬，混沌光在其中能夠獲取高分辨率，容易提升檢測精度。

在激光器中產(chǎn)生的混沌光不能夠直接參與檢測，而是被分為參考信號和探測信號。參考信號進(jìn)行斷點故障檢測。探測信號獲取參考信號的檢測數(shù)據(jù)，按照光纖通信局域網(wǎng)原傳輸路徑將數(shù)據(jù)反饋到計算機(jī)中進(jìn)行運算?；诨煦绻獾墓饫w通信局域網(wǎng)斷點故障檢測方法采取波分復(fù)用技術(shù)[3]，把存在波長差距的混沌光歸屬到不同的光纖通信業(yè)務(wù)中，增加局域網(wǎng)的帶寬以及穩(wěn)定性，以激光視盤光源承載數(shù)據(jù)完成通信。所提方法需要獲取波長可調(diào)諧的混沌光作為檢測斷點故障位置的媒介，同時還要利用激光視盤光源探測局域網(wǎng)信道，以完成斷點故障定位。

1.2 可調(diào)諧混沌光的獲取

圖1描述了用于獲取可調(diào)諧混沌光裝置結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器內(nèi)部擁有光學(xué)諧振腔，采取縱向多模式激光發(fā)射原理，是混沌光產(chǎn)生元件。兩個單片機(jī)同光纖放大器組成光源反饋結(jié)構(gòu)，中間加入溫控點控制半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定性，避免激光能量過高損傷電路[4]。數(shù)控點對單片機(jī)反饋信號、激光功率及電路電流進(jìn)行控制，提取反饋結(jié)構(gòu)混沌光光強(qiáng)以及光纖放大器運行參數(shù)。光纖光柵作用是選擇混沌光輸出波長，并確定可調(diào)諧混沌光輸出模式是否為單獨輸送。

半導(dǎo)體激光器中不同激光發(fā)射模式之間的物理間距是1.5 nm，共具備30種模式，普通模式的混沌光波長為1 560 nm，電流閾值為12 mA，偏置電流為24 mA，額定輸出功率為3 mW。光纖放大器將輸出功率擴(kuò)大到12 mW，17%反饋到數(shù)控點，83%輸出成可調(diào)諧混沌光。光纖光柵衍射率大于75%，可調(diào)諧混沌光波長可選范圍在1 500～1 600 nm之間，線寬為0.3 nm。endprint

光纖光柵在獲取可調(diào)諧混沌光過程中貢獻(xiàn)最大，直接影響反饋強(qiáng)度以及光纖光柵衍射率，決定光纖通信局域網(wǎng)斷點故障輸出狀態(tài)。邊模抑制比和平衡指數(shù)越高，輸出狀態(tài)越好，通信失真率越低[5]，可擴(kuò)大動態(tài)檢測區(qū)間。

圖2（a）、圖2（b）描述的是當(dāng)混沌光波長失調(diào)值在絕度值為0.15 nm的區(qū)間內(nèi)，邊模抑制比、平衡指數(shù)同反饋強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線圖，其中，平衡指數(shù)始終為正數(shù)，在失調(diào)值等于0 nm的狀態(tài)下，平衡指數(shù)和邊模抑制比的最大值同時出現(xiàn)[6]，反饋強(qiáng)度也達(dá)到最大值。

圖3描述的是光纖通信局域網(wǎng)帶寬同平衡指數(shù)之間的關(guān)系曲線圖，平衡指數(shù)表示整體與平均值偏移程度[7]。局域網(wǎng)總帶寬為10 GHz，在8 GHz時平衡指數(shù)為最大值。根據(jù)以上結(jié)論，基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點故障檢測方法將混沌光波長失調(diào)值設(shè)為0 nm，帶寬設(shè)為光纖通信局域網(wǎng)帶寬的80%。

1.3 基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點故障檢測函數(shù)

圖4描述的是基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點故障檢測方法流程圖?？烧{(diào)諧混沌光輸入到光纖通信局域網(wǎng)信道時，由于反饋結(jié)構(gòu)中電流磁場的存在，將通信延時也一并輸入信道。通信延時在狄拉克δ函數(shù)[8]自體相關(guān)原理給出的斷點故障檢測曲線中顯示為信號干擾峰，極大地縮小了動態(tài)檢測區(qū)間，非常容易產(chǎn)生斷點故障錯判。所提方法在混沌光的相關(guān)性上做出了優(yōu)化，通過光纖振蕩器提高低頻信號比例，達(dá)成延時信號過濾，獲取不存在信號干擾峰的斷點故障檢測曲線。如果曲線仍存在干擾峰，這段干擾峰對應(yīng)的位置就是斷點故障點產(chǎn)生延時。

基于混沌光獲取的斷點故障檢測曲線與自協(xié)方差曲線幾乎重合，混沌光功率的時間排序規(guī)律同延時排序規(guī)律也滿足自協(xié)方差曲線特質(zhì)。所提方法將對混沌光信號與探測信號進(jìn)行相關(guān)性運算，獲取到斷點故障定位值。設(shè)自協(xié)方差曲線為[Y（t）]，用函數(shù)[X（t）]代表混沌信號，[t]為混沌信號在局域網(wǎng)信道中的傳輸時間。延時信號與混沌信號的混合函數(shù)用[kX（t-τ）]表示，[k]為傳輸損耗系數(shù)，[t-τ]為延時信號傳輸時間。經(jīng)由相關(guān)性分析，混沌信號與延時信號存在如下關(guān)系：

2 實 驗

2.1 實驗裝置

實驗裝置由光纖母線、光纖饋線、光柵、耦合器、光譜儀、數(shù)據(jù)采集板等構(gòu)成，光纖通信局域網(wǎng)的各條信道相距0.5 nm，頻率相距48 GHz，光纖損耗系數(shù)為0.3 dB/km。激光從坐標(biāo)原點發(fā)出，通過耦合器合成單線激光輸入光纖母線，在光纖母線中傳導(dǎo)10 km，輸出到各支路的光纖饋線中，從光柵處衍射到斷點故障檢測設(shè)備中。母線傳導(dǎo)線規(guī)的損耗制定在5 dB以內(nèi)。

在檢測光纖通信局域網(wǎng)斷點故障的實驗過程中，依次將自變量設(shè)為光纖饋線傳導(dǎo)距離和通信損耗，從光譜儀顯示數(shù)據(jù)中分析斷點故障存在于哪條局域網(wǎng)信道。數(shù)據(jù)采集板采集實驗過程中數(shù)據(jù)傳導(dǎo)距離和光波功率數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后將數(shù)據(jù)繪制成相關(guān)曲線圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

如果想要分析基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點故障檢測方法的動態(tài)檢測區(qū)間，需要獲取峰值信噪比和光波功率兩項數(shù)據(jù)。峰值信噪比表示的是信號在最大功率下受到噪音破壞從而影響到傳導(dǎo)精度的比率數(shù)據(jù)，也可以用來評估通信中的信號失真率[10]。在實驗中設(shè)數(shù)據(jù)采集板采集到的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)距離為[L]，激光在光纖饋線中的傳導(dǎo)距離為[L0]，按照數(shù)據(jù)自體相關(guān)性原則，峰值信噪比的理論值計算公式如下：

[H=1-L0L] （3）

為了方便數(shù)據(jù)處理，實驗將坐標(biāo)原點的峰值信噪比設(shè)為1，由此可見：當(dāng)[4L0=L]時，[H=0.75 dB]，信道開始衰減，峰值信噪比的理論值不能準(zhǔn)確表達(dá)實際值，為此，對光纖饋線進(jìn)行3 dB的損耗補(bǔ)償，在數(shù)據(jù)采集板采集數(shù)據(jù)時將耦合器坐標(biāo)設(shè)成光柵衍射原點，光纖母線的末端不參與實驗，相當(dāng)于對[L]進(jìn)行校正。

圖5、圖6描述的是峰值信噪比和光波功率隨自變量變化的曲線圖。由圖5可知，當(dāng)光纖饋線傳導(dǎo)距離從0變化至70 km，本文方法所能進(jìn)行動態(tài)檢測的區(qū)間高于70 km，預(yù)計在85 km左右，峰值信噪比曲線高度優(yōu)于諧波檢測方法和距離傳感檢測方法，改進(jìn)方法在進(jìn)行大面積光纖通信局域網(wǎng)斷點故障檢測的同時，能夠確保信號的有效性。由圖6可知，隨著通信損耗的不斷增加，光波功率表現(xiàn)出線性縮減狀態(tài)。在損耗為23 dB和27 dB時，距離傳感檢測方法和諧波檢測方法的光波功率到達(dá)最低值0 dB，已經(jīng)不能再繼續(xù)進(jìn)行斷點故障檢測。連接本文方法的光波功率曲線與橫坐標(biāo)相接，當(dāng)損耗約為40 dB時本文方法才停止檢測，動態(tài)檢測區(qū)間大。

3 結(jié) 論

本文提出基于混沌光的光纖通信局域網(wǎng)斷點故障檢測方法，不但實現(xiàn)了連續(xù)波長調(diào)制，還保留了混沌光對信號失真的抑制作用，能夠精準(zhǔn)檢測出光纖通信局域網(wǎng)中的斷點故障。通過實驗表明，本文方法擁有動態(tài)檢測區(qū)間大的明顯優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓建群，石旭東.基于Duffing系統(tǒng)的凸極同步發(fā)電機(jī)匝間短路故障諧波電流檢測方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（18）：158?162.

[2] 李貴華，陳廣輝，李燚.光纖纖芯通信質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（17）：17?19.

[3] 黃勇，王燁，劉增良.大型光纖通信網(wǎng)絡(luò)斷點檢測模型仿真分析[J].計算機(jī)仿真，2014，31（11）：183?186.

[4] 李妍琰，何勇.光纖通信網(wǎng)絡(luò)中故障優(yōu)化診斷方法仿真[J].計算機(jī)仿真，2014，31（9）：221?224.

[5] 薛志文.光纖網(wǎng)絡(luò)斷點檢測優(yōu)化模型研究與仿真[J].計算機(jī)仿真，2015，32（4）：446?449.

[6] 劉艷陽，楊玲珍，王斐斐，等.放大自發(fā)輻射光源結(jié)合相關(guān)法實現(xiàn)無源光網(wǎng)絡(luò)故障檢測[J].中國激光，2014，41（8）：139?144.

[7] 李挺，閔鐵軍，謝鵬，等.500 kV變電站光纖通信常見故障分析及防范措施研究[J].通信電源技術(shù)，2014，31（6）：130?132.

[8] 付志紅，余慈拱，侯興哲，等.瞬變電磁法視電阻率成像的接地網(wǎng)斷點診斷方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（9）：253?259.

[9] 孔慶善，康迪，王野，等.光纖通信的光信息獲取及防護(hù)技術(shù)研究[J].信息安全研究，2016，2（2）：123?130.

[10] 王培國，劉發(fā)彪，黃煒，等.基于光纖通信網(wǎng)生存性分析模型的故障仿真平臺設(shè)計[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2014，31（12）：3792?3794.endprint