基于光波分复用的超长距离光缆随路状态监测

基于光波分复用的超长距离光缆随路状态监测

关世德

广州珠江数码集团股份有限公司 510000

摘要：通信光缆由于鼠害及雷雨大风等原因会出现中断等情况。广域测量系统具有异地高精度同步相量测量、高速通信和快速反应等技术特点，适合用于大跨度电网和重要保障通信网络的动态过程实时监控，因而受到光通信领域高度关注和深入研究。光纤入侵故障提出将时/频域特征检测提取法应用至光纤入侵故障识别中，当出现通信故障问题时，因缺乏物理路由位置以及支撑设施方面的信息化管控，导致光缆故障点监测和定位工作进程变得繁琐和困难。

关键词：光波分复用；超长距离光缆；随路状态监测

引言

对目标进行准确定位因其在雷达、电子战和无线通信等领域的广泛应用，一直以来是研究的热点。使用TOA(TimeofArrival，到达时间)定位方法的典型分布式定位系统结构为：在探测区域内广泛分布多个发射机和接收机，发射机发射的正交信号经目标反射后，由接收机接收，将不同接收节点的数据综合处理，利用信号的延时来计算目标位置。另一方面，随着电磁频谱环境的复杂化，对分布式定位系统的可重构性提出了要求。分布式目标定位系统具有阵元节点多、空间分布范围广，且各发射节点发射不同的正交波形的特点，其可重构特性的实现要求系统架构、发射波形组以及信号融合处理均能够适应系统的灵活重构。

1．光波分复用概述

复用技术是数字通信中一项重要的基础技术，一般包括时分复用（TDM）、频分复用（FDM）等方式。光波分复用（WavelengthpisionMultiplexing，WDM）可以视为一种较为特殊的频分复用，基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端又将这些组合在一起的不同波长的信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。光波分复用技术在不增加光纤物理芯数的前提下，能够大幅度提升数据传输能力，目前广泛应用于光纤传输网络扩容。对于不同的光信号，首先要进行统一的波长转换。波长转换器（OTU）的功能是完成ITU-TG.957(与同步数字序列有关的设备和系统的光接口)光信号到ITU-TG.692（规定标称中心频率）固定波长光信号的转换；合波器和分波器完成固定波长光信号的合波和分波。合波和分波器是对光波波长进行分离与合成的光无源器件，前者具有多路输入端口，一路输出端口；后者正好相反，具有多路输出端口，光信号按波长传输到对应的出射端口，对于不同的工作波长其输出端口是不同的。实际使用中一套完整的波分复用设备还需要光放大器，通过提升合波后的光信号功率，从而提升各波长的输出光功率；在分波器之前有预放，通过提升输入合波信号的光功率，从而提升各波长的接收灵敏度；如果传输距离较远，还需要增加纯光中继放大处理。

2．基于光波分复用的超长距离光缆随路状态监测

2.1基于光波分复用网络的分布式多目标定位系统架构

图1给出了基于光波分复用网络的分布式多目标定位系统架构，主要由中心站和若干分布在探测区域的发射机和接收机组成。该系统利用了光波分复用技术将所有接收机接收到的信号和所有发射机传出的参考信号一起传输到中心站进行信号处理。多个不同波长的光载波在中心站产生，每个光载波对应一个发射机或接收机。通过光波分复用器将多个光载波进行复用，通过光环形器1以及光纤传输到探测区域。在探测区域，复用的多个光载波经过光环形器2输入到光分插复用器(OpticalAdd-DropMultiplexer,OADM)。光分插复用器在不同光波长处有配对的下载(Drop)口和上载(Add)口：通过Drop口将对应的光载波和其他波长分离，并注入到相应发射机或者接收机的光输入口；携带不同发射机及接收机原始数据信息的光信号通过对应的Add口合并入光分插复用器，再经过光环形器2和光纤传回中心站，进入信号处理模块，经过光波分解复用器分离后，分别注入到对应的光电探测器进行光电转换，并进行后续处理。由于每个光波长对应于一个发射机或接收机，因此基于波分复用技术即能对来自不同远端发射和接收单元的信号进行区分。该系统中不同发射机发射的信号具有正交特性，因此通过使用来自对应发射机的参考信号，即可获得不同发射机和接收机之间的TOA，在此基础上用适当的定位算法获得目标的位置。

图1基于光波分复用网络架构的分布式多目标定位系统

2.2光波分复用分析

在光缆随路状态监测过程中，光信号波长分离的结果直接影响状态监测结果的有效性和可靠性。为此，在通过现场监测站采集到光信号之后，利用光波分复用技术实现对不同波长光信号的有效分离。从宏观角度讲，光波分复用也是一种光纤传输过程，即根据不同波长传输多种光信号并将其输送至不同的接收终端。通过光波分复用过程可以大大增加光传输容量。光波分复用过程主要通过光波分复用器实现。光波分复用器可以分解并复用不同的光信号，根据距离的长短对各光缆随路感测元件进行差异化区分。在由现场监测站采集到光信号后，由发送端对信号进行传输，通过光波分复用器的复用过程将传输出的不同波长的光信号合并，将其传输至一根光纤中，经信号放大后再通过光波分复用器的分复用过程将不同波长的光载波分开，再将其分别传输至不同需求的接收端。经过光波分复用过程后，不同波长的光信号被成功分离，有效保证了光缆随路状态监测的准确性。

2.3光缆故障定位及状态监测

在通过光波分复用过程实现对不同波长光信号的分离后，根据分离结果，在已知超长距离光缆的属性信息和空间信息的基础上，通过光时域反射OTDR测试结果获得监测中心到光缆故障点之间的距离。由于受到光器件的介入损耗、终端单元动态范围、光纤接头损耗、光缆的传输损耗等多种因素的影响，光纤终端接收单元可监测的范围即为OTDR可监测的范围。一般情况下，可以根据超长距离光缆随路的具体情况和光纤监测距离计算公式确定光缆随路的监测长度，则监测长度L的计算过程如下：

式（1）中，P代表光缆传输总量；ac代表光器件介入损耗，ag代表光纤熔接接头对应的平均衰减系数；af代表光缆对应的平均衰减系数；Ma代表光传输信噪比对应的富余度；Mc代表光纤监测余量对应的富余度。由于当光缆随路中存在异常状况时，异常处的光信号衰减情况将会发生明显变化。因此，通过光时域反射仪OTDR获得光信号的衰减信息，从而分析监测点到光缆随路故障点之间的距离，在此基础上，结合BP算法和小波变换确定超长距离光缆随路中存在的故障点，实现对光缆随路状态的监测。假设光滑函数θ（t）在无限远处对应的光信号衰减值为零、对应的积分值为1，且θ（t）对应的导数

可以看作为光缆传输过程中最基本的小波，t代表光信号的传输时间。如果用

描述θa（t）对尺度因子的伸缩，则可通过下式描述尺度因子的小波函数：

对于基本小波Ψ（t），在尺度a上的信号q的小波变换可通过下式进行描述：

基于以上描述，采用Lipschitz指数对信号的奇异性进行刻画，设t0代表的是信号q对应的奇异点，小波变换Wqa在点t0处可取模量的极大值 ，极大值对应的LｉPｓcｈｉtｚ正则指数δ及其二进制转换如下：

式（4）中，K代表正整数，ｊ均代表正整数，且ｊ＝K－1。对于光缆随路状态监测过程来说，检测到其中的故障点即可实现随路状态监测。因此，对超长距离光缆随路故障点进行定位较为重要，通过快速、准确的故障点定位，可以缩短抢修时间、降低随路运行损失。为此，结合BP算法实现对超长距离光缆随路故障点的定位，过程如下：

Step1：初始化处理，在BP网络中，用一个较小的随机数赋予小波分析过程中给各数值的初始值；

Step2：对各初始值进行归一化处理；

Step3：读取BP网络参数并选取光缆随路衰减信息作为训练样本集；

Step4：对训练集中每一样本进行计算；

①计算BP网络中隐藏层、输出层的输出；

②计算期望输出与实际输出的误差；

③修正小波分析过程中的既定阈值，如尺度因子、奇异点信息等；

Step5：不断迭代上述过程，直到获得所有存在衰减信息的故障点。

结语

因光纤通信具有抗雷电干扰能力强、传输容量大、抗电磁干扰和传输距离远等特点，其应用范围也在不断扩大。在上述背景下，亟需设计光缆随路状态监测系统，保证光纤通信过程的安全性和稳定性。

参考文献

[1]原荣.海底光缆通信系统技术进展及其断代考虑[J].光通信技术，2016，40（8）：1-3.

[2]张振军，李敏.一种EPON光缆在线监测系统[J].现代电子技术，2016，39（1）：98-99.