CN106788710B - 一种基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统，包括：滑动平均值计算模块，用于对接收的光功率采样值进行更新存储，并计算滑动平均光功率采样值；自适应更新基准值模块，用于根据滑动平均光功率采样值，得到光纤瞬断的判决基准值并进行自适应更新；基准值门限计算模块，用于根据光纤瞬断的判决基准值和用户的定义门限范围，确定光纤瞬断的判决门限；瞬断判决模块，用于对滑动平均光功率采样值和光纤瞬断的判决门限进行比较，判断光纤是否发生瞬断，并根据判断结果输出光纤瞬断的特征信息。与现有技术相比，本发明具有自适应更新判决基准、快速提取瞬断特征信息、适合各种恢复情况以及满足从低速到高速的设计需求等优点。

Description

一种基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统

技术领域

本发明涉及光纤领域，尤其是涉及一种基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统。

背景技术

在光通信系统中，光纤作为传输信息的通道，连接了发送端和接收端。在振动、高温、低温、高湿等工作环境中，由于外界因素的影响，光纤可能发生瞬间断裂，简称光纤瞬断。光纤瞬断会造成光通信系统接收端的光功率在瞬断时间内发生大幅度变化，引起数据传送错误，使系统误码率显著提高。因此，光通信系统需要实时的光纤瞬断检测，获取瞬断的信息，并评估光纤瞬断所造成的系统性能影响。随着光网络通信速度的不断增加，对于光纤瞬断特征的精确检测日趋迫切，对光纤瞬断检测系统的性能指标要求日渐提高。

在国家军用检测标准GJB915A-97《纤维光学试验方法》中，方法305规定了“纤维光学元器件光不连续性测量”的国家检测标准。目前，研究光纤瞬断检测系统的公司，国内代表为上海嘉慧光电子技术有限公司，其相关产品为JW3324；国外的主要代表为美国的OptoTest公司，其相关产品为OP1100。

现有的光纤瞬断检测系统均采用固定的光纤瞬断判决基准值进行瞬断特征提取，难以适应复杂的光纤瞬断情况。如果光纤在瞬断之后没有恢复到瞬断之前的光功率值，那么现有的光纤瞬断检测系统将始终处于瞬断状态，无法正确处理随后的瞬断情况。因此，需要发展一种新型的光纤瞬断特征信息提取技术，妥善处理瞬断的各种恢复情况，从而准确获取瞬断特征信息。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统，所述系统包括：

滑动平均值计算模块，用于对接收的光功率采样值进行更新存储，并根据存储值计算滑动平均光功率采样值；

自适应更新基准值模块，用于根据滑动平均光功率采样值，得到光纤瞬断的判决基准值并进行自适应更新；

基准值门限计算模块，用于根据光纤瞬断的判决基准值和用户的定义门限范围，确定光纤瞬断的判决门限；

瞬断判决模块，用于对滑动平均光功率采样值和光纤瞬断的判决门限进行比较，判断光纤是否发生瞬断，并根据判断结果输出光纤瞬断的特征信息。

所述自适应更新基准值模块包括：

基准值更新模式选择子模块，用于根据滑动平均光功率采样值预先判断光纤状态，并根据判断结果输出基准值的更新模式；

正常更新基准值子模块，在基准值更新模式选择子模块的输出为正常更新模式时响应，用于根据滑动平均值计算模块的存储数据，在每个时钟周期计算光功率采样值的滑动平均值，作为光纤瞬断的判决基准值；

自适应更新基准值子模块，在基准值更新模式选择子模块的输出为自适应更新模式时响应，用于根据滑动平均值计算模块的存储数据，计算光功率采样值的滑动平均值，作为光纤瞬断的判决基准值。

所述基准值更新模式选择子模块包括：

瞬断预判单元，用于判断滑动平均光功率采样值是否超过预判门限；

瞬断持续时间判断单元，在瞬断预判单元的判断结果为是时响应，用于计算光纤瞬断的持续时间，并判断持续时间是否超过最大更新基准时间范围；

正常更新模式输出单元，在瞬断预判单元的判断结果为否或瞬断持续时间判断单元的判断结果为否时响应，用于输出选择结果为正常更新模式；

自适应更新模式输出单元，在瞬断持续时间判断单元的判断结果为是时响应，用于输出选择结果为自适应更新模式。

所述更新存储的光功率采样值的数量范围为100～10000。

所述基准值门限计算模块具体为：通过移位运算计算光纤瞬断的判决基准值和用户的定义门限范围的乘积，作为光纤瞬断的判决门限。

所述光纤瞬断的特征信息包括光纤的正常状态的持续时间、正常状态的判决基准值、瞬断状态的持续时间和瞬断状态的光功率采样值的最大偏移量。

所述瞬断判决模块包括：

比较存储子模块，用于在每个时钟周期比较滑动平均光功率采样值是否超过光纤瞬断的判决门限，存储并输出连续两次的比较结果；

正常状态计数子模块，用于在比较存储子模块的输出的比较结果第一次为否时响应，对正常状态计数值加1并在下一时钟周期计数值未加1时输出判决基准值和正常状态计数值；

瞬断状态计数子模块，用于在比较存储子模块输出的比较结果连续两次为是时响应，对瞬断状态计数值加1；

瞬断状态输出子模块，用于在比较存储子模块输出的比较结果第一次为是且第二次为否时响应，用于输出光功率采样值的最大偏移量和瞬断状态计数值；

特征信息计算子模块，用于根据正常状态计数子模块和瞬断状态输出子模块的输出值计算光纤瞬断的特征信息。

所述系统还包括时间门限处理模块，与瞬断判决模块连接，用于滤除瞬断状态的持续时间小于瞬断状态最小定义持续时间的特征信息。

所述系统还包括平均去噪模块，与滑动平均值计算模块连接，用于通过低通滤波去除输入的光功率采样值的噪声。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过设置自适应更新基准值模块，利用无瞬断发生时输入光功率采样值作为稳定量的性质，将其多次平均作为光纤瞬断判决基准值来进行后续的光纤瞬断特征信息提取操作，与原有的采用固定判决基准值进行瞬断特征的提取的方法相比，可以实现光纤瞬断特征信息的快速准确提取。

(2)自适应更新基准值模块在更新基准值的过程中，对于光纤瞬断首先进行了一个预判，在光纤状态正常时每隔一个时钟周期对基准值进行一次更新，在光纤发生瞬断时，如果光纤在规定时间内恢复，则依然以正常状态的方式进行基准值更新，否则认为原有的基准值失效，需要重新确定基准值状态，这种方式充分考虑了光纤瞬断的三种情况，保证了基准值的准确、有效和实时响应，提高了后续光纤瞬断特征的提取的准确性。

(3)通过移位运算计算光纤瞬断的判决基准值和用户的定义门限范围的乘积，这种计算方式与直接进行乘法运算相比，计算速度快，运算量小，提高了光纤瞬断特征提取的速度。

(4)瞬断判决模块通过设置正常状态计数子模块、瞬断状态计数子模块和瞬断状态输出子模块，将正常状态的特征提取和瞬断状态的特征提取进行分块运算，避免了模块之间互相干扰导致的特征提取结果不准确的情况。

(5)系统还设有时间门限处理模块，滤除掉瞬断时间过短的光纤瞬断的特征信息，满足了国家军用标准中用户自定义光纤瞬断时间长度的要求，使得用户只需考虑对于系统性能会产生严重影响的瞬断，而无需耗费时间精力去处理那些无效瞬断，节省了成本和时间。

(6)系统设有平均去噪模块，可以降低随机噪声造成的光功率采样值抖动，提高瞬断特征提取的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为自适应更新基准值模块的状态示意图；

图3为瞬断判决模块的工作流程图；

图4为20纳秒光纤瞬断的测试结果；

其中，1为平均去噪模块，2为滑动平均值计算模块，3为自适应更新基准值模块，4为基准值门限计算模块，5为瞬断判决模块，6为时间门限处理模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示为本实施例中提供的图1是本发明提出的光纤瞬断特征信息提取的技术框图，主要包括以下六个模块。

平均去噪模块1

在正式处理光纤瞬断特征信息之前，首先对于输入光功率采样值进行去噪处理，以降低随机噪声造成的光功率采样值抖动。该模块通过对光功率采样值进行低通滤波处理，减小带外噪声，降低了光纤瞬断错误判决的可能性；如果需要对光纤瞬断信息实时进行处理或者输入信息噪声较低，则该模块可以省略。

滑动平均值计算模块2

该模块的输入数据为去噪后的光功率采样值，输出数据为处理之后的滑动平均值。具体操作过程如下：

将输入的光功率采样值进行多次暂存，然后计算暂存的光功率采样值的平均值，实现滑动平均，以获得抖动较小的光功率采样值。如果系统对于实时性要求较高，则暂存的次数可以减小；如果对于判断精度要求较高，则暂存的次数可以增加。

自适应更新基准值模块3

光纤瞬断判决基准值是用于光纤瞬断有效性判决的一个重要参数。如果光功率采样值相对于判决基准值来说有大幅度的变化，则说明此时发生了光纤瞬断；如果光功率采样值在判决基准值附近小幅度波动，则说明此时没有发生光纤瞬断。该模块的输入数据为滑动平均后的光功率采样值，用户定义数据为最大更新基准值时间，输出数据为光纤瞬断的判决基准值。

本模块从光功率采样值中进行分析判断，获取最新的瞬断判决基准值，并且能够实时更新现有的判决基准值，进而提高光纤瞬断特征信息提取的速度和精度。图2是自适应更新基准值模块3的状态转移图，本设计采用有限状态机的方法，将自适应更新基准值的过程分为三个状态。

第一个状态是正常状态。此时光纤没有发生瞬断，光功率采样值由于噪声的影响而呈现小幅度波动，也就是说此状态下光功率采样值为稳定值。所以可以将正常状态的光功率采样值进行多次暂存，计算滑动平均值，将其作为光纤瞬断判决基准值。在每一个时钟周期，都将使用滑动平均值更新光纤瞬断判决基准值。

第二个状态是光纤瞬断状态。当光功率采样值超过判决基准值门限，则本模块将进入光纤瞬断状态。光纤瞬断状态存在一个状态计数器，在此状态下每个时钟周期，状态计数器计数值加1。首先比较光功率采样值与基准值门限确定光纤瞬断是否恢复，然后比较状态计数器计数值(即状态持续时间)与用户定义的最大更新基准值时间来确定是否进行自适应更新。如果光纤瞬断已经恢复，则该模块返回正常状态，判决基准值没有被更新。如果光纤瞬断没有恢复，并且还未达到自适应更新基准值时间，则该模块仍然处于光纤瞬断状态；否则，该模块将进入第三个状态。

第三个状态是重新确定基准值状态。此状态是由于光纤瞬断之后没有在规定时间内恢复，从而导致原来的光纤瞬断判决基准值失效，需要重新确定判决基准值。在重新确定基准值状态中，通过暂存时间连续且数值相近的光功率采样值，并对这些暂存值进行平均，从而更新光纤瞬断判决基准值。在更新判决基准值操作完成之后，该模块进入正常状态，继续接受光功率采样值，完成光纤瞬断特征信息的实时提取。

基准值门限计算模块4

基准值门限计算模块4是根据国家军用检测标准，确定光功率采样值所允许达到的上下门限。若在此门限内，光纤没有发生瞬断；否则，光纤发生了瞬断。该模块的输入数据为光纤瞬断判决基准值，用户定义数据为上下门限的范围，输出数据为判决上门限和判决下门限。

该模块的具体工作过程为：首先提取用户定义的上下门限范围，一般采用百分比或者dB形式给出，然后进行乘法运算，将判决基准值乘以上门限和下门限，从而得到上门限采样值和下门限采样值。

本模块在实现乘法运算时，采用固定移位运算，将乘数分解为2的幂级数，然后利用移位运算代替乘法运算。

瞬断判决模块5

瞬断判决模块5的主要功能是通过光功率采样值与判决门限的比较，获得光纤瞬断的持续时间、光纤瞬断过程中光功率采样值的最大偏移量、未发生光纤瞬断的判决基准值等特征信息。该模块输入数据为滑动平均光功率采样值、判决基准值、判决上门限、判决下门限，用户定义数据为最大正常状态计数值，输出数据为未发生光纤瞬断时的判决基准值和正常状态持续时间、发生光纤瞬断时光功率采样值的最大偏移量和光纤瞬断持续时间。

图3是瞬断判决模块5的工作流程图，瞬断判决模块5通过有限状态机进行实现，主要包括两个状态。第一个状态是正常状态。在系统初始化后，系统进入正常状态，并且开启正常状态计数器。在此状态下，对于每一个时钟周期，正常状态计数器加一。同时比较光功率采样值和瞬断判决门限，以确定是否发生了光纤瞬断。如果未发生光纤瞬断，则在每次正常状态计数值达到用户预设后，输出一次判决基准值和正常状态计数值。随后将正常状态计数器清零，该模块仍然处于正常状态。如果发生了光纤瞬断，则输出一次判决基准值和正常状态计数值后，该模块进入光纤瞬断状态。

第二个状态是光纤瞬断状态。光纤瞬断状态也需要开启一个瞬断状态计数器。在此状态下，对于每一个时钟周期，瞬断状态计数器加1，并且比较光功率采样值和瞬断判决门限，以确定光纤瞬断是否恢复。如果判定仍然发生了光纤瞬断，说明此时光纤瞬断尚未恢复，该模块仍然处于光纤瞬断状态。如果判定未发生光纤瞬断，则说明此时光纤瞬断已恢复，此时输出光纤瞬断过程中的光功率采样值的最大偏移量和瞬断状态计数器的计数值，同时该模块将进入正常状态。

时间门限处理模块6

时间门限处理的作用是满足国家军用标准中用户自定义光纤瞬断时间长度的要求。该模块将持续时间过小的、对于系统影响可以忽略的光纤瞬断滤除，保留持续时间足够长的光纤瞬断。保留下来的光纤瞬断称为有效瞬断，也就是对于系统性能会产生严重影响的瞬断。

该模块的输入数据包括未发生光纤瞬断时的判决基准值和正常状态持续时间、发生光纤瞬断时光功率采样值的最大偏移量和光纤瞬断持续时间，输出数据为有效光纤瞬断的光功率采样值的最大偏移量和持续时间。

时间门限处理模块6的运行过程如下。在光纤瞬断发生的条件下，该模块会比较光纤瞬断计数值与用户定义的时间门限。如果光纤瞬断计数值超过了用户定义的时间门限，此瞬断为有效瞬断，将输出光纤瞬断计数值和对应的光功率采样值的最大偏移量；否则为无效瞬断，忽略此次光纤瞬断，不输出任何有关此次瞬断的特征信息。

为了验证上述系统，本实施例中利用现场可编程门阵列对上述系统进行了实现。整个系统样机通过了各种光纤瞬断情况的测试，其中较为典型的结果如图4所示，它为瞬断持续时间为20纳秒、瞬断幅度为10％的光纤瞬断的测试结果。上方波形为输入光纤瞬断信号，下方波形是算法处理后的响应波形。由图可知，每一次纳秒量级的光纤瞬断都对应了一次瞬断指示响应，充分验证了本发明具有处理纳秒量级光纤瞬断的能力。

在实验测试中，通过对多种光纤瞬断持续时间(从20纳秒至1.6毫秒)的情况进行测试，并将测试结果与真实值比较，比较结果如下表所示，发现测量所得脉宽和实际脉宽的误差不超过0.1％，结果非常吻合，验证了本发明提取光纤瞬断特征信息的精度。

综上所述，测试结果验证了该光纤瞬断特征信息提取系统能够检测从纳秒量级到毫秒量级的光纤瞬断，且检测精度很高。

Claims (7)

1.一种基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统，其特征在于，所述系统包括：

滑动平均值计算模块，用于对接收的光功率采样值进行更新存储，并根据存储值计算滑动平均光功率采样值，

自适应更新基准值模块，用于根据滑动平均光功率采样值，得到光纤瞬断的判决基准值并进行自适应更新，

基准值门限计算模块，用于根据光纤瞬断的判决基准值和用户的定义门限范围，确定光纤瞬断的判决门限，

瞬断判决模块，用于对滑动平均光功率采样值和光纤瞬断的判决门限进行比较，判断光纤是否发生瞬断，并根据判断结果输出光纤瞬断的特征信息；

所述自适应更新基准值模块包括：

基准值更新模式选择子模块，用于根据滑动平均光功率采样值预先判断光纤状态，并根据判断结果输出基准值的更新模式，

正常更新基准值子模块，在基准值更新模式选择子模块的输出为正常更新模式时响应，用于根据滑动平均值计算模块的存储数据，在每个时钟周期计算光功率采样值的滑动平均值，作为光纤瞬断的判决基准值，

自适应更新基准值子模块，在基准值更新模式选择子模块的输出为自适应更新模式时响应，用于根据滑动平均值计算模块的存储数据，计算光功率采样值的滑动平均值，作为光纤瞬断的判决基准值；

所述基准值更新模式选择子模块包括：

瞬断预判单元，用于判断滑动平均光功率采样值是否超过预判门限，

瞬断持续时间判断单元，在瞬断预判单元的判断结果为是时响应，用于计算光纤瞬断的持续时间，并判断持续时间是否超过最大更新基准时间范围，

正常更新模式输出单元，在瞬断预判单元的判断结果为否或瞬断持续时间判断单元的判断结果为否时响应，用于输出选择结果为正常更新模式，

自适应更新模式输出单元，在瞬断持续时间判断单元的判断结果为是时响应，用于输出选择结果为自适应更新模式。

2.根据权利要求1所述的基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统，其特征在于，所述更新存储的光功率采样值的数量范围为100～10000。

3.根据权利要求1所述的基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统，其特征在于，所述基准值门限计算模块具体为：通过移位运算计算光纤瞬断的判决基准值和用户的定义门限范围的乘积，作为光纤瞬断的判决门限。

4.根据权利要求1所述的基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统，其特征在于，所述光纤瞬断的特征信息包括光纤的正常状态的持续时间、正常状态的判决基准值、瞬断状态的持续时间和瞬断状态的光功率采样值的最大偏移量。

5.根据权利要求4所述的基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统，其特征在于，所述瞬断判决模块包括：

比较存储子模块，用于在每个时钟周期比较滑动平均光功率采样值是否超过光纤瞬断的判决门限，存储并输出连续两次的比较结果；

正常状态计数子模块，用于在比较存储子模块的输出的比较结果第一次为否时响应，对正常状态计数值加1并在下一时钟周期计数值未加1时输出判决基准值和正常状态计数值；

瞬断状态计数子模块，用于在比较存储子模块输出的比较结果连续两次为是时响应，对瞬断状态计数值加1；

瞬断状态输出子模块，用于在比较存储子模块输出的比较结果第一次为是且第二次为否时响应，用于输出光功率采样值的最大偏移量和瞬断状态计数值；

特征信息计算子模块，用于根据正常状态计数子模块和瞬断状态输出子模块的输出值计算光纤瞬断的特征信息。

6.根据权利要求4所述的基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统，其特征在于，所述系统还包括时间门限处理模块，与瞬断判决模块连接，用于滤除瞬断状态的持续时间小于瞬断状态最小定义持续时间的特征信息。

7.根据权利要求1所述的基于自适应更新基准值的光纤瞬断特征信息提取系统，其特征在于，所述系统还包括平均去噪模块，与滑动平均值计算模块连接，用于通过低通滤波去除输入的光功率采样值的噪声。