CN109687903A - 光纤宏弯曲在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤宏弯曲在线监测系统，包括红外热像仪、处理器和显示器。本发明还公开一种光纤宏弯曲在线监测方法，包括如下步骤：步骤1，利用红外热像仪采集各个光链路节点的光纤端面热分布变化的数据；步骤2，利用处理器对步骤1采集的数据进行实时处理，得到热分布图像；步骤3，根据步骤2得到的热分布图像的纵坐标值z(x,y)_m，判断链路中是否存在宏弯曲窃听事件。此种技术方案可有效提高监测的准确性，降低宏弯曲非法窃听的误判率。

Description

光纤宏弯曲在线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种光纤宏弯曲在线监测系统及方法。

背景技术

基于标准无源光网络系统、并兼容光功率分配网络的下一代无源光网络(NextGenerate Passive Optical Network，NG-PON2)因其在每个方向上都可以具有多个波长信道的优势，而成为无源光网络下一个发展目标。NG-PON2在上下行链路的多波长特性，必然会导致光缆光纤链路上大传输功率的特性，同时还会引起链路上的拉曼非线性、色散、信道间串扰等光链路损伤(Optical Path Penalties，OPP)。

在标准无源光网络系统中，存在着通过宏弯曲一段光纤，耦合出少量纤芯光能(当前光功率的1％)来完成光信号窃听的手段；目前的主要应对措施是检测光功率的变化情况，判断链路中是否存在宏弯曲窃听现象。但是NG-PON2传输总功率大，宏弯曲窃听泄露的光功率占比甚微，同时相比目前标准无源光网络OPP会显著增加，这些不利因素都会使得简单的光功率检测技术无法准确地判断链路中是否存在宏弯曲窃听事件。

因此，探索一种新的光纤宏弯曲检测技术迫在眉睫，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种光纤宏弯曲在线监测系统及方法，其可有效提高监测的准确性，降低宏弯曲非法窃听的误判率。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种光纤宏弯曲在线监测系统，包括红外热像仪、处理器和显示器，其中，红外热像仪设置在光链路节点处，用于采集光纤端面热分布变化的数据，并送入处理器；处理器对数据进行实时处理，从而得到热分布图像，再由显示器进行显示，通过观察图像的变化情况来判断链路中是否存在宏弯曲窃听事件。

上述光链路节点属于陆地光缆系统时，光缆内填充绝热材料，红外热像仪设于中继节点的机房内。

上述光链路节点属于海底光缆系统时，红外热像仪与光纤端面的接口进行固定处理。

一种光纤宏弯曲在线监测方法，包括如下步骤：

步骤1，利用红外热像仪采集各个光链路节点的光纤端面热分布变化的数据；

步骤2，利用处理器对步骤1采集的数据进行实时处理，得到热分布图像；

步骤3，根据步骤2得到的热分布图像实时的变化情况，判断链路中是否存在宏弯曲窃听事件。

上述步骤2的具体过程是：处理端面热分布数据得到热分布变化率，以此作为纵坐标，以光纤端面作为横坐标，构建热分布图像。

上述热分布变化率的计算公式是：

其中，Δt为热像仪采样周期，为在m时刻采集到的热分布数据，为初始时刻热分布数据。

上述步骤1中，初始工作时，红外热像仪采集的热分布数据为非覆盖式存储，热分布图像稳定后，红外热像仪采集的热分布数据为覆盖式存储。

上述热分布图像稳定是指，热分布变化率在某一时间段内的差值均不超过阈值，则认为热分布图像是稳定的。

上述步骤3中，当热分布图像出现变化时，还判断是否为经典事件，并进行端面热分布校正，：

对于第一类经典事件，是偶然发生，无人为修复链路情况下，造成端面热分布永久改变的，通过重新发出试探脉冲获得新的稳定的光纤端面热分布状态，并覆盖式存储更新原有的热分布变化数据；

对于第二类经典事件，是偶然发生的扰动，在一段时间之后会消失，根据存储的历史数据，以及新试探脉冲得到的光纤端面热分布，进行端面热分布初始状态的自我校正，然后重新监测光链路。

判断不为经典事件时，发出异常警报。

采用上述方案后，本发明针对现有技术中的缺陷，和NG-PON2技术中对光网络物理层安全更迫切的需求，通过在光链路节点处放置高灵敏度的红外热像仪，采集光纤端面热分布变化的数据，并做相应的处理，判断两个中继节点之间是否存在宏弯曲窃听事件，从而实现对光链路安全的在线监测。通过与经典事件(光纤断路、压力、环境温度骤变、海底浪涌等)光纤端面热分布纵坐标值z(x,y)_m作对比，可以有效提高监测的准确性，降低宏弯曲非法窃听的误判率。该方法更适用于大传输功率的光链路，这样的链路具有更明显的热分布特征，采集到的数据更具有分析价值。

附图说明

图1是本发明监测系统的整体架构图；

图2是本发明实施例一对于陆地光缆系统提供的光纤宏弯曲窃听在线监测方法的流程图；

图3是本发明实施例二对于海底光缆系统提供的光纤宏弯曲窃听在线监测方法的流程图；

图4是本发明实施例一、二提供的光纤端面热分布变化率图像的坐标系示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

我们通过实验发现，光纤在稳定的外部环境中，一束激光对其内部激发的热分布是基本稳定的，尤其是在长距离低入射功率的情况下，光纤的端面热分布呈现均匀平稳趋势。但是在高入射功率的场景中，光纤端面的热分布会变得敏感，例如光纤弯曲、扭转产生更强烈的热效应，以及导致的OPP增加，最终损失更多的光能，并以热能形式消耗掉，这些都会使得原本(长距离低功率情况下)平稳的端面热分布产生变化。这种变化恰到好处地为发现光纤宏弯曲窃听监测提供了方法。

如图1所示，本发明提供一种光纤宏弯曲在线监测系统，包括红外热像仪、处理器(含电脑)和显示器，其中，红外热像仪设置在光链路节点处，用于采集光纤端面热分布变化的数据，并送入处理器进行实时处理，从而得到热分布图像，由显示器进行显示，通过观察图像的变化就能判断链路中是否存在宏弯曲窃听事件。

本发明还提供一种光纤宏弯曲在线监测方法，包括如下步骤：

步骤1，利用高灵敏度的红外热像仪采集各个光链路节点的光纤端面热分布变化的数据；其中，采用的红外热像仪应该对热变化具有高辨识度，并且可以根据节点要求改变外形大小；红外热像仪采集的热分布数据需要存储，系统初始的热分布数据为非覆盖式存储，系统稳定后热分布数据为覆盖式存储；

步骤2，利用处理器对步骤1采集的数据进行实时处理，得到热分布图像；

步骤3，根据步骤2得到的热分布图像，观察其纵坐标值z(x,y)_m的变化情况，判断链路中是否存在宏弯曲窃听事件；

所述步骤3中，当热分布图像出现不同变化时，可能是发生宏弯曲窃听事件，也有可能是一些经典事件，因此需要根据这些经典事件做出端面热分布校正：

所述第一类经典事件是偶然发生，无人为修复链路情况下，造成端面热分布永久改变的，例如光纤断路、压力等；系统通过重新发出试探脉冲获得新的稳定的光纤端面热分布状态，并覆盖式存储更新原有的热分布。

所述第二类经典事件是偶然发生的扰动，在一段时间之后这种扰动会消失，系统会恢复，例如环境温度骤变，海底浪涌等；此时系统需要根据存储的历史数据，以及新试探脉冲得到的光纤端面热分布，进行端面热分布初始状态的自我校正，然后重新监测光链路。

当系统判断为经典事件后能自我调制不需要发出报警，判断为宏弯曲窃听事件则发出系统异常的警报。

热分布处理结果为单位时间内，当前温度值相比系统初始温度值的变化率，具体来说，根据热像仪采样周期Δt，在m时刻采集到的热分布数据以及系统初始时刻热分布数据获得光纤端面各采样点的热分布变化率，其单位为℃/s。

根据以上公式，z(x,y)_m的大小，在m和m+Δt时刻的差值不超过阈值a(阈值大小根据不同的使用环境而定)，且持续n*Δt(n的大小根据使用要求定义其大小)时间段z(x,y)_m≤a均成立，则认为热分布图像是稳定的。

不同的经典事件都对应着热分布图像上的不同阈值。因此系统在使用到某一光缆链路之前，需要对链路进行测试，确定该链路一些经典事件发生时候的阈值大小，如光纤断路阈值为b±c(c的大小根据链路要求和设备精度确定)。当检测到z(x,y)_m大小落在海底浪涌的阈值区间时，依据图3对于海底光缆系统提供的光纤宏弯曲窃听在线监测方法的流程图，系统根据(历史数据)和新试探脉冲得到的端面热分布稳定时候的数据，得到稳定的端面热分布图像。

实施例一：

陆地光缆链路通常埋在浅层地表，容易受到外界温度变化(太阳直射传热等)的影响，所以本发明提出的光纤宏弯曲在线监测方法应用于陆地光缆系统时，需要首先创建光缆链路的绝热环境。可以在光缆内填充绝热材料，尽量确保即使在复杂的情况下，光缆链路中的光纤也处于恒温恒湿的环境。

在陆地光缆链路的中继站处放置红外热像仪、存储器、处理器、试探脉冲激光器等设备。在系统初始化阶段，首先用试探脉冲激光器发出试探脉冲，红外热像仪连续采集观测光纤端面热分布数据，当热分布趋于稳定时，开始存储数据，此时得到的热分布数据是该节点与上一节点之间的系统初始值，该初始值作为之后发生经典事件时，系统校正的参考依据，进行非覆盖式存储。接着设置红外热像仪的数据采集时间间隔，然后持续地进行数据采集，将采集到的数据在存储器内进行覆盖式存储，同时根据系统初始值求热分布随时间变化率，并生产热分布图像。最后持续采集热分布数据并进行存储，如果相邻两个时刻采集到的时间是完全一致的，则进行覆盖式存储，如果采集到的数据不同则处理生产热分布图像后再进行判断；当判断结果为经典事件，则发出试探脉冲进行系统校正，否则可以判断陆地光缆链路中发生的事件为宏弯曲窃听，系统发出警报。

在处理热分布数据时需要注意，本发明提出的热分布变化率是当前温度与系统初始温度差在单位时间内的变化值；然后根据光纤端面每一采样点的温度变化率，生成热分布图像。变化率为0的点，说明该点没有温度变化，变化率为正值，说明该点温度有升高，为负说明温度降低。然后根据升高或降低的程度判断陆地光缆链路中发生的事件。红外热像仪数据采集时间间隔越短，得到的热分布图像越具有可观测性(链路中的细微变化更容易被监测到)，但同时对红外热像仪的性能要求也就越高。

处理端面热分布数据(温度值)得到热分布变化率，以此作为纵坐标(z轴)，单位为摄氏度/秒；以光纤端面(一个圆)作为横坐标(x,y轴)，构建热分布变化率图像，单位为微米，如图4所示。通过图像可以直观准确地判断陆地光缆系统中的宏弯曲窃听事件。

实施例二：

海底光缆链路铺设在海底，通常环境温度保持不变，所以光缆内无需填充绝热材料，但是海底光缆的节点通常都在包括在光缆中，所以通过监测光纤端面热分布来判断链路中是否存在宏弯曲窃听事件，首先需将红外热像仪小型化，以便在海底光缆链路系统中集成红外热像仪等装置。

观测过程基本与陆地光缆系统一致，区别在于海底光缆系统会发生一些经典事件类似于扰动，一段时间后能扰动消失，系统会自我恢复的过程。例如海底浪涌，海浪波动会给海底光缆带来振动，高精度红外热像仪能够及时地捕捉到这种振动带来的端面热分布变化，此时系统需要根据热分布的变化情况(与这类事件的历史数据作对比)，判断海底光缆系统中发生的事件不是宏弯曲非法窃听。为了提高监测准确性，可以固定光纤观测端面和热像仪的接口。

类似事件之后，系统需要根据存储的历史数据，以及新试探脉冲得到的光纤端面热分布，进行端面热分布初始状态的自我校正。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤宏弯曲在线监测系统，其特征在于：包括红外热像仪、处理器和显示器，其中，红外热像仪设置在光链路节点处，用于采集光纤端面热分布变化的数据，并送入处理器；处理器对数据进行实时处理，从而得到热分布图像，再由显示器进行显示，通过观察图像的变化情况来判断链路中是否存在宏弯曲窃听事件。

2.如权利要求1所述的光纤宏弯曲在线监测系统，其特征在于：所述光链路节点属于陆地光缆系统时，光缆内填充绝热材料，红外热像仪设于中继节点的机房内。

3.如权利要求1所述的光纤宏弯曲在线监测系统，其特征在于：所述光链路节点属于海底光缆系统时，红外热像仪与光纤端面的接口进行固定处理。

4.一种光纤宏弯曲在线监测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，利用红外热像仪采集各个光链路节点的光纤端面热分布变化的数据；

步骤2，利用处理器对步骤1采集的数据进行实时处理，得到热分布图像；

步骤3，根据步骤2得到的热分布图像实时的变化情况，判断链路中是否存在宏弯曲窃听事件。

5.如权利要求4所述的光纤宏弯曲在线监测方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程是：处理端面热分布数据得到热分布变化率，以此作为纵坐标，以光纤端面作为横坐标，构建热分布图像。

6.如权利要求5所述的光纤宏弯曲在线监测方法，其特征在于：所述热分布变化率的计算公式是：

其中，Δt为热像仪采样周期，为在m时刻采集到的热分布数据，为初始时刻热分布数据。

7.如权利要求5所述的光纤宏弯曲在线监测方法，其特征在于：所述步骤1中，初始工作时，红外热像仪采集的热分布数据为非覆盖式存储，热分布图像稳定后，红外热像仪采集的热分布数据为覆盖式存储。

8.如权利要求7所述的光纤宏弯曲在线监测方法，其特征在于：所述热分布图像稳定是指，热分布变化率在某一时间段内的差值均不超过阈值，则认为热分布图像是稳定的。

9.如权利要求4所述的光纤宏弯曲在线监测方法，其特征在于：所述步骤3中，当热分布图像出现变化时，还判断是否为经典事件，并进行端面热分布校正，：

对于第一类经典事件，是偶然发生，无人为修复链路情况下，造成端面热分布永久改变的，通过重新发出试探脉冲获得新的稳定的光纤端面热分布状态，并覆盖式存储更新原有的热分布变化数据；

对于第二类经典事件，是偶然发生的扰动，在一段时间之后会消失，根据存储的历史数据，以及新试探脉冲得到的光纤端面热分布，进行端面热分布初始状态的自我校正，然后重新监测光链路。

10.如权利要求9所述的光纤宏弯曲在线监测方法，其特征在于：判断不为经典事件时，发出异常警报。