CN112291007B - 一种分布式光纤自动监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分布式光纤自动监测系统，其可实现光纤性能参数的自动采集、分析以及远程监控，检测精度高，可准确定位故障点，其包括向光纤内发射光信号的光源、光信号采集模块、光信号处理模块、通信模块、远程监控平台，光信号采集模块包括控制器、光时域反射仪、拉曼光时域反射仪、波分复用器、光功率计，光信号处理模块通过通信模块与远程监控平台通信连接，光源发出的入射光和探测光分别从光纤的两端射入，在光纤上产生布里渊背向散射光、拉曼背向散射光，光信号采集模块用于采集布里渊背向散射光、拉曼背向散射光的时间和强度，采用上述光纤自动监测系统对光纤的光功率信息、信噪比、温度信息监测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，具体为一种光纤自动监测系统。
背景技术
随着光纤技术和光通信技术的迅猛发展，光纤在生产自动控制、在线检测、故障诊断等方面得到广泛应用，光纤作为光波传输信息的媒介，具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀等特性，可方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中，波分系统中，光纤的老化、外破损伤、光纤卷曲、大角度弯折以及承担较大拉力等光纤问题可能造成光纤衰减大、误码率高，进而影响网络的正常运行，因此，波分网络的可靠维护越来越重要，需要更简单、易用、专业的运维手段。
但在波分网络Mesh化趋势下，网络的业务更加灵活，频繁的增、删业务使波分网络的调测和维护日趋复杂，传统的人工操作手段无法满足波分网络发展的需要，原因在于传统的光纤光缆配置方式繁琐，当需要对网络光层性能进行监控、优化时，需要分别对每个站点进行配置，费时费力，并且分散的配置操作容易出现遗漏和问题，一旦出现问题，需要运维人员到现场对全网逐个网元进行检查，运维效率低；光纤老化、器件老化、加掉波、外界环境引起的光功率波动等各种因素导致网络性能逐渐劣化，仅靠人工定时检修无法及时发现，需要投入大量的人力和时间成本进行全网数据采集和分析，这种人工逐点分析故障点的方式耗时长、工作量和复杂度大，导致光纤网络无法快速恢复正常运行。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种分布式光纤自动监测系统，其无需运维人员到现场逐个网元进行检查，可实现光纤性能参数的自动采集、分析以及远程监控，检测精度高，可准确定位故障点，大大提高运维效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种分布式光纤自动监测系统，其包括向光纤内发射光信号的光源、用于采集所述光纤内传输的光信息的光信号采集模块、光信号处理模块、通信模块、远程监控平台，
所述光信号采集模块包括控制器、光时域反射仪、拉曼光时域反射仪、波分复用器、光功率计，所述光时域反射仪、波分复用器、光功率计与所述控制器电连接；
所述光信号处理模块用于对采集的所述光信号进行处理，获取所述光纤的信噪比，同时将散射和/或反射光的时间、强度转换为所述光纤的温度信息；
所述光信号处理模块通过所述通信模块与所述远程监控平台通信连接；
其特征在于，所述光源发出的入射光和探测光分别从所述光纤的两端射入，在所述光纤上产生布里渊背向散射光、拉曼背向散射光，所述光信号采集模块用于采集所述光纤内的布里渊背向散射光、拉曼背向散射光的时间和强度。
其进一步特征在于，所述光纤为单模光纤或多模光纤；
所述光时域反射仪、拉曼光时域反射仪用于采集光脉冲在所述光纤内传播时产生的散射光与反射光的时间和强度，所述光功率计用于采集所述所述探测光的光功率信息；
所述光信号采集模块通过PCEP或Openfiow网上通信协议与所述控制器通信；
所述通信模块为WiFi无线通信、LTE通信、NB-LOT通信或LoRa通信；
其还包括声光报警模块，所述声光报警模块与所述远程监控平台连接，所述声光报警模块包括蜂鸣器、LED灯、显示器，所述远程监控平台与所述蜂鸣器、LED灯、显示器电连接，所述显示器的显示内容包括所述光纤的信噪比、温度信息、光功率信息。
一种采用上述光纤自动监测系统对所述光纤进行监测的方法，其特征在于，该方法包括：S1，通过所述光源向所述光纤内发射光信号，通过所述波分复用器将所述光信号分离为至少两种光线，包括入射光、探测光，所述入射光、探测光分别沿所述光纤的两端传输，在所述光纤内产生所述布里渊背向散射光、拉曼背向散射光；
S2、获取布里渊背向散射光和拉曼背向散射光的传输时间和强度，通过所述光时域反射仪采集所述布里渊背向散射光的传输时间和强度，通过所述拉曼光时域反射仪采集所述拉曼背向散射光的传输时间和强度；
S3，采集所述光纤中探测光的光功率信息；
S4，采用光信号处理模块对所述光纤中的光信号进行处理；
S41、基于布里渊光时域分析技术和布里渊光频域分析技术，对所述布里渊背向散射光的传输时间和强度进行解调，获取所述光纤的第一位置和第一温度信息；
S42，基于所述拉曼光时域反射仪，根据所述光纤内部光速及所述拉曼背向散射光的回波时间，获取所述光纤的第二位置和第二温度信息；
S43、计算光纤相同或相近位置的第一温度信息、第二温度信息的平均值，获取综合温度信息；
S44、采用第一比较器对综合温度信息与预先设定的温度阈值进行比较，获取温度比较值；
S45、计算光纤的相邻两个位置的信噪比，获取信噪比比较值；
S5，通过通信模块，将光功率信息、光纤的位置和温度综合信息、温度比较值、信噪比、信噪比比较值发送给远程监控平台，工作人员根据光功率信息、光纤的位置和温度信息、温度比较值、信噪比比较值判断光纤的当前状况，准确定位故障点。
其进一步特征在于，
其还包括步骤S6，当所述温度信息超出所述温度阈值时，或当所述信噪比超出所述信噪比阈值时，通过所述通信模块发送信号给所述远程监控平台，所述远程监控平台根据温度比较值、信噪比比较值控制声光报警模块中的声光报警装置发出报警，警示工作人员。
采用本发明可以达到如下有益效果：
1、本发明利用光纤中散射光的布里渊频移和光功率与光纤温度之间的相关性，以及拉曼散射对温度敏感性两者结合，实现对光纤温度的测量和定位，通过信号采集模块采集至少两种光信号：布里渊背向散射光、拉曼背向散射光，通过对两种光信号分析、解调，得到光纤的实时温度数据，同时利用拉曼光时域反射仪，根据光纤内部光速及背向拉曼散射光的回波时间，对温度点进行定位，采用光功率计采集光纤的光功率信息，从而实现了光纤性能参数：光纤温度、位置信息、光功率信息的自动获取，相比于现有的只采用一种光信号获取光纤温度的方式，本发明对至少两种光信号的实时数据进行采集、分析、判断，根据光纤的多个性能参数对光纤性能进行检测，检测精度更高。
2、本发明方法基于布里渊光时域分析技术和布里渊光频域技术，对所述布里渊背向散射光的传输时间和强度进行解调，获取所述光纤的位置和第一温度信息，当光纤系统中出现局部断纤情况时，布里渊光时域分析系统则无法正常工作，但布里渊光频域分析系统仍可以检测断纤处之前的温度信息，该分析系统与光时域反射仪共同作用，在不中断业务情况下仍可对光信号进行集中监视，避免了因业务中断而影响用户使用的问题出现。
3、通过通信模块，将光功率信息、光纤的第一位置、第二位置、第一温度信息、第二温度信息、温度比较值、信噪比比较值发送给远程监控平台，工作人员根据光功率信息、光纤的第一位置、第二位置、第一温度信息、第二温度信息、温度比较值、信噪比比较值即可判断光纤的当前状况，并可根据当前状况定位故障点，其无需运维人员采用其它的设备辅助，也无需运维人员到现场逐个网元进行检查等复杂操作，即可实现光纤性能参数的自动采集及远程监测，监测操作简单快捷，大大提高了运维效率。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明光在光纤中散射时的散射光强度曲线图；
图3为本发明光信号在光纤传输的光路结构示意图；
图4为本发明光纤监测方法的流程图。
具体实施方式
见图1，一种分布式光纤自动监测系统，其包括向光纤内发射光信号的光源1、光信号采集模块2、光信号处理模块3、通信模块4、远程监控平台5，光纤10为多模光纤；
光源1为激光器，通过激光器向光纤的两端发射光信号，激光器与光纤之间设置有波分复用器24，通过波分复用器24对激光器发出的光信号进行合并、分离，将光信号分离为至少两种，包括：入射光、探测光，入射光、探测光从光纤的两端射入，在光纤内产生布里渊背向散射光、拉曼背向散射光，见图2，图2为光在光纤中散射时散射光强度的曲线图；
光信号采集模块2用于采集光纤内传输的光信息，该模块包括光时域反射仪21、拉曼光时域反射仪22、波分复用器23、光功率计24，光时域反射仪21、波分复用器23、光功率计24与控制器31电连接，控制器31内置STM32单片机芯片，见图1，光时域反射仪21、拉曼光时域反射仪22、光功率计24分别通过TCP/IP通信或串口通信与控制器31电连接，串口通信的波特率为115200，光功率计24的检测范围为-60dBm~15dBm，光时域反射仪21的型号为M3230A-FU，光时域反射仪21、拉曼光时域反射仪22分别通过PCEP或Openfiow网上通信协议与控制器31通信；光时域反射仪21用于采集布里渊背向散射光的时间和强度，拉曼光时域反射仪22用于采集拉曼背向散射光的时间和强度，光功率计24用于采集探测光的光功率信息；
布里渊频移和光纤材料中的声速有关，声速易受光纤材料的热光特性和弹光特性影响，因此光纤中温度和应变变化
光信号处理模块3用于对采集的光信号进行处理，获取光纤的信噪比，同时将散射或反射光的时间和强度转换为光纤的位置信息、各位置相应的温度信息，光信号处理模块3包括控制器31、第一存储器、第二存储器、第三存储器，第一比较器、第二比较器，第一存储器用于存储布里渊背向散射光的时间、强度，第二存储器用于存储拉曼背向散射光的时间、强度，第三存储器用于存储光功率信息，第一比较器用于对温度信息和预先设定的温度信息进行比较，第二比较器用于对信噪比与预先设定的信噪比阈值进行比较；
光信号处理模块通过NB-LOT通信，将上述温度信息、光功率信息、比较结果发送给远程监控平台5，远程监控平台5连接声光报警模块6，声光报警模块6包括蜂鸣器、LED灯、显示器，远程监控平台5与蜂鸣器、LED灯、显示器电连接，显示器的显示内容包括光纤的第一温度信息、第二温度信息、综合温度信息、光功率信息、信噪比，信噪比依据光纤相邻两个位置的光功率信息差值获得。
光纤内温度和应变的变化易导致布里渊散射的光强度改变，布里渊散射的光强PB与第一温度T以及布里渊散射的中心频移VB关系式为：
PB=AT/VB 2
式中，A是经验常数，通过上式可计算获得第一温度T。
而拉曼散射光只对温度敏感，且拉曼散射可分为斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光，反斯托克斯散射光对温度敏感较大，而斯托克斯散射光不易受温度影响，斯托克斯和反斯托克斯散射光两种散射光的光强度与温度变化成比例：
Ias为反斯托克斯光强度，Is为斯托克斯光强度，λs为斯托克斯光波长；λas为反斯托克斯光波长，c为真空中的光速，h为普朗克系数，T为第二温度；k为波尔兹曼常数，v为拉曼偏移量，测量及计算分析斯托克斯和反斯托克斯光的强度之比可以获取光纤的第二温度。
见图4，一种采用上述光纤自动监测系统对光纤进行监测的方法，该方法包括以下具体步骤：
S1，通过激光向光纤10内发射光信号，通过波分复用器24将光源发出的光信号分离为入射光、探测光，入射光、探测光分别沿光纤的两端传输，在光纤10内产生布里渊背向散射光、拉曼背向散射光；
S2、获取布里渊背向散射光和拉曼背向散射光的传输时间和强度，
S21，通过光时域反射仪21采集布里渊背向散射光的传输时间和强度，通过串口通信，将该时间和强度发送给控制器31，并通过第一存储器存储；
S22，通过拉曼光时域反射仪22采集拉曼背向散射光的传输时间和强度，通过串口通信，将该时间和强度发送给控制器31，并通过第二存储器33存储；
S3，获取光纤中光信号的光功率信息，采用光功率计24采集光纤中光信号的光功率信息，并通过第三存储器存储；
S4，采用光信号处理模块对光纤中的光信号进行处理；
S41、基于布里渊光时域分析技术和布里渊光频域技术，对布里渊背向散射光的传输时间和强度进行解调，获取光纤的位置和第一温度信息；
布里渊光频域技术（BOTDR）是一种利用探测自发布里渊散射实现传感的布里渊分布传感技术，通过在光纤一端注入频率为V0的脉冲光，获得中心频率为V0+VB的背向布里渊散射信号，见图3，采用光时域反射仪对这一信号进行探测和信号处理后，即可通过布里渊散射的频移或强度等参量获取光纤的位置和温度信息；
S42，基于拉曼光时域反射仪，根据光纤内部光速及拉曼背向散射光的回波时间，对光纤的温度点进行定位，获取光纤的位置和第二温度信息；
S43、计算光纤相同或相近位置的第一温度信息、第二温度信息的平均值，获取综合温度信息；
S44、采用第一比较器对综合温度信息与预先设定的温度阈值进行比较，获取温度比较值；
S45、计算光纤的相邻两个位置的信噪比，采用第二比较器对信噪比与预先设定的信噪比阈值进行比较，获取信噪比比较值；
S5，通过通信模块，将光功率信息、光纤的位置和温度综合信息、温度比较值、信噪比、信噪比比较值发送给远程监控平台，工作人员根据光功率信息、光纤的位置和温度信息、温度比较值、信噪比比较值判断光纤的当前状况，准确定位故障点。
S6，远程监控平台根据温度比较值、信噪比比较值控制声光报警模块中的声光报警装置发出报警，警示工作人员。
将上述监测系统及方法应用于光传送网OTN设备上，实现10G、40G或100G波长在线光信噪比监测及性能监测，当光纤某位置发生应变或存在光纤局部断点、接头或连接器时，易引起光功率损耗，光信号在应变位置的光信号衰减可通过光功率损耗（信噪比）、应变位置的温度等信息判断；采用本发明上述监测系统，可在不中断业务情况下实现光纤内传输光信号的实时远程监测，工作人员根据远程监控平台的图形化仪表界面51显示的光功率信息、光纤的位置和温度信息、温度比较值、信噪比比较值判断光纤的当前状况，准确定位光纤故障点，在线实时监测，不影响业务；自动在线检测光纤质量，可对光纤异常提前进行预警；可将监测数据以报表形式进行输出，方便运维人员对总体光纤质量进行监控；在信噪比低于10dB时，检测的光纤第一温度、第二温度误差范围为0.1℃~0.15℃，定位精度为10m，定位准确率为98%，其无需运维人员采用其它的设备辅助，也无需运维人员到现场逐个网元进行检查等复杂操作，可视化的输出方式，简易化的操作界面，大大提高了运维效率。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种分布式光纤自动监测系统，其包括向光纤内发射光信号的光源、光信号采集模块、光信号处理模块、通信模块、远程监控平台，
所述光信号采集模块包括控制器、光时域反射仪、拉曼光时域反射仪、波分复用器、光功率计，所述光时域反射仪、波分复用器、光功率计与所述控制器电连接；
所述光信号处理模块用于对采集的所述光信号进行处理，获取所述光纤的信噪比，同时将散射和/或反射光的时间、强度转换为所述光纤的温度信息；
所述光信号处理模块通过所述通信模块与所述远程监控平台通信连接；
其特征在于，所述光源发出的入射光和探测光分别从光纤的两端射入，在所述光纤上产生布里渊背向散射光、拉曼背向散射光，所述光信号采集模块用于采集所述光纤内的布里渊背向散射光、拉曼背向散射光的时间和强度；
采用上述光纤自动监测系统对所述光纤进行监测的步骤包括：通过所述光源向所述光纤内发射光信号，通过所述波分复用器将光信号分离为至少两种光线，包括入射光、探测光，所述入射光、探测光分别沿所述光纤的两端传输，在所述光纤内产生所述布里渊背向散射光、拉曼背向散射光；
获取布里渊背向散射光和拉曼背向散射光的传输时间和强度，分别采集所述布里渊背向散射光、拉曼光时域反射仪的传输时间和强度；
采集所述光纤中的探测光的光功率信息；
对所述光纤中的光信号进行处理：
基于布里渊光时域分析技术和布里渊光频域分析技术，对所述布里渊背向散射光的传输时间和强度进行解调，获取所述光纤的位置和第一温度信息；
根据所述光纤内部光速及所述拉曼背向散射光的回波时间，获取所述光纤的位置和第二温度信息；
计算光纤相同或相近位置的第一温度信息、第二温度信息的平均值，获取综合温度信息；
对综合温度信息与预先设定的温度阈值进行比较，获取温度比较值；
计算光纤的相邻两个位置的信噪比，获取信噪比比较值；
将光功率信息、光纤的位置和温度综合信息、温度比较值、信噪比、信噪比比较值发送给远程监控平台，工作人员根据所述光功率信息、光纤的位置和温度信息、温度比较值、信噪比比较值监测光纤的当前状况，定位故障点。
2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤自动监测系统，其特征在于，所述光信号采集模块通过PCEP或Openfiow网上通信协议与所述控制器通信。
3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤自动监测系统，其特征在于，所述通信模块为WiFi无线通信、LTE通信、NB-LOT通信或LoRa通信。
4.根据权利要求1所述的一种分布式光纤自动监测系统，其特征在于，其还包括声光报警模块，所述声光报警模块与所述远程监控平台连接，所述声光报警模块包括蜂鸣器、LED灯、显示器，所述远程监控平台与所述蜂鸣器、LED灯、显示器电连接，所述显示器的显示内容包括所述光纤的信噪比、温度信息、光功率信息。
5.根据权利要求4所述的一种分布式光纤自动监测系统，其特征在于，当所述温度比较值超出所述温度阈值时，或当所述信噪比比较值超出所述信噪比阈值时，通过所述通信模块发送信号给所述远程监控平台，所述远程监控平台根据温度比较值、信噪比比较值控制所述声光报警模块发出报警。
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