CN114152407A - 一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法，该方法包括：获取一段时间内各掺铒光纤放大器内部的泵浦激光器正常工作时的温度，任选其中两组数据记为第一温度序列和第二温度序列；计算第一温度序列和第二温度序列的差值、相似度，以及在两个序列中对应元素比值的均值，根据所述差值、相似度以及均值得到两个掺铒光纤放大器的环境温度差异，进而得到环境温度差异集合；对温度差异集合进行分类得到分类结果，所述分类结果包括多种类别；获取分类结果中孤立的样本记为温度异常样本，对温度异常样本对应的掺铒光纤放大器进行预警。本发明更加直观的对掺铒光纤放大器温度进行实时监测，防止出现温度异常的现象。

Description

一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法。

背景技术

目前，在光纤传输过程中，损耗和色散限制了光信号的传输距离，因此在长距离传输时，每隔一定距离需要添加一个光放大器，光放大器对信号的进行放大，以保障光纤传输质量。其中常见的光放大器一般有掺铒光纤放大器（Erbium-doped Optical FiberAmplifier，缩写为EDFA）。掺铒光纤放大器的主要组成有：掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器、光滤波器等。其中内部所用到的泵浦光源产生激光时，会受温度的影响产生一定的噪声，该噪声会影响光信号的质量。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法，所采用的技术方案具体如下：

获取一段时间内各掺铒光纤放大器内部的泵浦激光器正常工作时的温度，任选其中两组数据记为第一温度序列和第二温度序列；其中各掺铒光纤放大器内部的泵浦激光器具有相同的工作功率；

计算第一温度序列和第二温度序列的差值、相似度，以及在两个序列中对应元素比值的均值，根据所述差值、相似度以及均值得到两个掺铒光纤放大器的环境温度差异，进而得到环境温度差异集合；

对温度差异集合进行分类得到分类结果，所述分类结果包括多种类别；获取分类结果中孤立的样本记为温度异常样本，对温度异常样本对应的掺铒光纤放大器进行预警。

优选地，所述环境温度差异的获取方法具体为：

其中，E(A,B)表示掺铒光纤放大器A和掺铒光纤放大器B的环境温度差异，T_A、T_B分别表示为第一温度序列和第二温度序列，C(T_A,T_B)表示第一温度序列和第二温度序列的相似度，T_Ai表示第一温度序列中第i个元素，T_Bi表示第二温度序列中第i个元素，Min(T_Ai,T_Bi)表示第一温度序列中第i个元素和第二温度序列中第i个元素的最小值，Max(T_Ai,T_Bi)表示第一温度序列中第i个元素和第二温度序列中第i个元素的最大值，N为第一温度序列和第二温度序列的元素个数。

优选地，所述方法还包括：

将异常样本的温度数据进行调整后重新记入温度差异集合，对温度差异集合进行再分类得到再分类结果，所述再分类结果包括多个类别集合；随机选取其中一类别集合，分别计算该类别集合与其他剩余类别集合中的某一类别集合中的掺铒光纤放大器的增益效果的均值和噪声系数的均值，分别记为第一效果均值、第一噪声均值以及第二效果均值和第二噪声均值；第一效果均值与第一噪声均值构成第一增益向量，第二效果均值和第二噪声均值构成第二增益向量；根据第一增益向量和第二增益向量的相似度和向量模的差值得到两个类别集合的工作能力一致程度，并得到该类别集合与其他剩余类别集合的工作能力一致程度；

将最小的工作能力一致程度对应的两个类别集合作为一组类别对，进而得到多组类别对；任选其中一组类别对，记为第一类别集合和第二类别集合，计算第一类别集合与第二类别集合内掺铒光纤放大器的匹配程度，根据匹配程度，利用KM算法得到第一类别集合与第二类别集合内掺铒光纤放大器的匹配关系，得到掺铒光纤放大器最优对；获取所有类别对内掺铒光纤放大器之间的匹配关系，得到多个最优对；根据温度的变化分别对最优对内的掺铒光纤放大器工作功率进行调节。

优选地，所述工作能力一致程度的获取方法具体为：

其中，W(P,Q)表示类别P和类别Q内掺铒光纤放大器的工作能力一致程度，M_P表示类别P对应的第一增益向量，M_Q表示类别Q对应的第二增益向量，C(M_P,M_Q)表示第一增益向量和第二增益向量的相似度。

优选地，所述匹配程度的获取方法具体为：

其中，p和q分别表示第一类别集合和第二类别集合内的掺铒光纤放大器，R(p,q)表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的匹配程度，S_p和S_q分别表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的工作能力评分，E(p,q)表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的环境温度差异，D表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的地理距离，

为修正系数。

优选地，所述调节的方法具体为：根据掺铒光纤放大器上一时刻和当前时刻的工作能力评分和温度得到权重，对当前时刻的掺铒光纤放大器工作功率赋权，得到新的工作功率。

优选地，所述权重的获取方法具体为：

其中，K_p为掺铒光纤放大器的权重，S_p1和t_p1分别为上一时刻掺铒光纤放大器p的工作能力评分和温度，S_p2和t_p2分别为此时掺铒光纤放大器p进行配对时的工作能力评分，α为修正系数。

本发明实施例至少具有如下有益效果：

本发明通过对设置在光纤上的掺铒光纤放大器的环境温度进行分析，得到温度异常的掺铒光纤放大器，实现了更加直观的对掺铒光纤放大器温度的实时监控，防止出现掺铒光纤放大器因环境温度异常产生噪声进而干扰光信号的现象。

同时，根据匹配程度对掺铒光纤放大器进行匹配，对匹配成功的掺铒光纤放大器的工作功率进行动态调整，保证了掺铒光纤放大器的温度维持在正常水平，并且使掺铒光纤放大器保持较好的增益效果和工作能力，防止掺铒光纤放大器损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法的方法流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法的具体方案。

实施例1：

本发明针对的具体场景为：在光纤传输线路上，每隔一定的距离放置一个掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器包括掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器、光滤波器等。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：

首先，获取一段时间内各掺铒光纤放大器内部的泵浦激光器正常工作时的温度，任选其中两组数据记为第一温度序列和第二温度序列；其中各掺铒光纤放大器内部的泵浦激光器具有相同的工作功率，同时各掺铒光纤放大器被设置在同一光纤上。

具体地，在本实施例中掺铒光纤放大器内的泵浦光源采用的是泵浦激光器，在泵浦激光器上安置一个红外温度传感器，实时检测泵浦激光器的温度。温度的测量按照0.1Hz的频率进行测量，即每十秒测量一次，数据通过物联网系统汇总到服务器内。

为了数据处理方便，对所获得的温度值进行加窗处理，即对测量数据每五分钟进行统计，设定统计次数N，获取各掺铒光纤放大器正常工作时的温度，任选其中掺铒光纤放大器A与掺铒光纤放大器B正常工作时的温度，分别记为第一温度序列和第二温度序列。

需要说明的是，在掺铒光纤放大器（EDFA）内，一般分为光隔离器，泵浦光源，波分复用器，掺铒光纤等几个主要结构。而对光纤内传播信号影响比较大的是泵浦光源和掺铒光纤的质量，泵浦光源产生光的质量容易受自身功率的影响，同时输出还包括自发辐射噪声ASE以及仪器内的热噪声。ASE自发辐射噪声与激光器本身设计以及使用功率有关，热噪声主要是由环境温度引起的噪声干扰。为了减弱（无法完全消除）由仪器产生的热噪声，需要控制好泵浦激光器的工作温度。因此，在泵浦激光器上安置一个红外温度传感器，用于检测泵浦激光器正常工作时的温度大小。

接着，计算第一温度序列和第二温度序列的差值、相似度，以及在两个序列中对应元素比值的均值，根据所述差值、相似度以及均值得到两个掺铒光纤放大器的环境温度差异。

需要说明的是，在同一工作功率下，如果各个掺铒光纤放大器的环境温度相似，则泵浦激光器的温度大小变化应该一致，如果其中一个掺铒光纤放大器的温度出现异常情况，则可能是环境温度不一致，亦或是设备本身出现问题。因此，比较整个光纤传输线路上各个掺铒光纤放大器内泵浦激光器的温度变化差异，可以得到环境温度差异E。

环境温度差异的计算方法具体为：

其中，E(A,B)表示掺铒光纤放大器A和掺铒光纤放大器B的环境温度差异，T_A、T_B分别表示为第一温度序列和第二温度序列，C(T_A,T_B)表示第一温度序列和第二温度序列的相似度，在本实施例中计算两个序列的余弦相似度。

T_Ai表示第一温度序列中第i个元素，T_Bi表示第二温度序列中第i个元素，Min(T_Ai,T_Bi)表示第一温度序列中第i个元素和第二温度序列中第i个元素的最小值，Max(T_Ai,T_Bi)表示第一温度序列中第i个元素和第二温度序列中第i个元素的最大值，N为第一温度序列和第二温度序列的元素个数，在本实施例中取值为N=30，实施者可根据实际情况进行选择。

然后，获取所有两个掺铒光纤放大器的环境温度差异以构成温度差异集合；对温度差异集合进行分类得到分类结果，所述分类结果包括多种类别；获取分类结果中孤立的样本记为温度异常样本，对温度异常样本对应的掺铒光纤放大器进行预警。

具体地，按照上述方法，分别计算所有两个掺铒光纤放大器的环境温度差异，得到温度差异集合，对温度差异集合进行分类得到分类结果。其中，在本实施例中，使用DBSCAN对工作温度差异集合进行密度聚类，设置搜索半径r为0.1。由此聚类产生多种类别，同一类别表示掺铒光纤放大器的环境温度相近。而聚类中产生的孤立样本，记为温度异常样本，首先对该温度异常样本对应的掺铒光纤放大器进行检查，确定是否工作正常，正常的话将单独成组分析，异常则进行预警，然后对温度异常样本进行调整。

进一步的，泵浦激光器的温度和其自身的工作功率和散热情况有关，如果自身散热无法使得泵浦激光器温度降低，则需要降低泵浦激光器自身的工作功率。一般而言，在整个光纤传输线路中为了保证最后的信号质量，会有一定的系统裕度（系统裕度为现有技术，在此不过多赘述），从而能处理信号传输过程中的意外损耗。因此，可以在系统裕度允许的范围内，调整泵浦激光器的工作功率，在一定程度上动态调整泵浦激光器的温度大小，进而使掺铒光纤放大器的温度保持在正常值。其中，泵浦激光器的工作功率可以直接由泵浦激光器本身属性得到。

因此，首先将异常样本的温度数据进行调整后重新记入温度差异集合，对温度差异集合进行再分类得到再分类结果，所述再分类结果包括多个类别集合；随机选取其中一类别集合，分别计算该类别集合与其他剩余类别集合中的某一类别集合中的掺铒光纤放大器的增益效果的均值和噪声系数的均值，分别记为第一效果均值、第一噪声均值以及第二效果均值和第二噪声均值；第一效果均值与第一噪声均值构成第一增益向量，第二效果均值和第二噪声均值构成第二增益向量；根据第一增益向量和第二增益向量的相似度和向量模的差值得到两个类别集合的工作能力一致程度，并得到该类别集合与其他剩余类别集合的工作能力一致程度；将最小的工作能力一致程度对应的两个类别集合作为一组类别对，进而得到多组类别对。

其中，在进行预警之后，将温度异常样本的数据删除，并将该温度异常样本调整为正常值，重新记入温度差异集合，实施者也可根据实际情况选择其他较优的方法对温度异常样本进行调整。

具体地，将掺铒光纤放大器内被放大的输入光信号和放大后的输出光信号输入到多端WDM分析仪和光谱仪中，可以得到掺铒光纤放大器的增益效果Gain和噪声系数NF（该步骤为现有技术，在此不再过多赘述）。根据增益效果Gain和噪声系数NF对掺铒光纤放大器当前的工作能力强度进行评判。一般而言，放大器增益效果Gain越大，噪声系数NF越小，工作能力越强，反之越小，因此，根据该关系做出衡量掺铒光纤放大器工作能力评分：

工作能力一致程度的获取方法具体为：

其中，W(P,Q)表示类别P和类别Q内掺铒光纤放大器的工作能力一致程度，两个类别包含的掺铒光纤放大器工作能力越一致，W的值越大，反之两个类别的掺铒光纤放大器工作能力相差程度越大，W的值越小。

M_P表示类别P对应的第一增益向量，即M_P={Gain_P,NF_P}。M_Q表示类别Q对应的第二增益向量，即M_Q={Gain_Q,NF_Q}，C(M_P,M_Q)表示第一增益向量M_P和第二增益向量M_Q的相似度，在本实施例中计算M_P和M_Q的余弦相似度。

需要说明的是，对于同种设备而言，其正常工作时增益效果并无明显差异，而影响增益效果的因素一般都与环境温度有关，因此在上述再分类结果中，同一类别内的掺铒光纤放大器的环境温度相近，增益效果相近。在不同类别间的掺铒光纤放大器的增益效果有一定的差异，一般表现在最终的增益效果Gain和噪声系数NF的差异，因此可以得到不同类别的掺铒光纤放大器工作能力一致程度。计算所有类别间的工作能力一致程度，将工作能力一致程度值最小的两个类别匹配到一起组成类别对。

之后，任选其中一组类别对，记为第一类别集合和第二类别集合，计算第一类别集合与第二类别集合内掺铒光纤放大器的匹配程度，根据匹配程度，利用KM算法得到第一类别集合与第二类别集合内掺铒光纤放大器的匹配关系，得到掺铒光纤放大器最优对。

上述匹配程度的计算方法具体为：

其中，p和q分别表示第一类别集合和第二类别集合内的掺铒光纤放大器，R(p,q)表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的匹配程度。

S_p和S_q分别表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的工作能力评分，表示了掺铒光纤放大器的工作能力强度，评分越大则越强，两个掺铒光纤放大器的工作能力强度差异越大，则更适合匹配到一起。

E(p,q)表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的环境温度差异，环境温度差异越大，则更适合匹配到一起。

D表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的地理距离，是整个光纤线路中已知的属性，可以直接获取。在信号放大的过程中，应在距离相近的两个掺铒光纤放大器处进行增益互补，否则增益效果较差，

为修正系数。

最后，获取所有类别对内掺铒光纤放大器之间的匹配关系，得到多个最优对；根据温度和增益效果的变化分别对最优对内的掺铒光纤放大器工作功率进行调节，进而达到调节温度的目的。其中，如果出现孤立的掺铒光纤放大器未能配对成功，则该掺铒光纤放大器使用额定功率进行放大。

需要说明的是，由于温度是实时变化的，可以根据温度的变化对最优对内的两个掺铒光纤放大器内泵浦激光器的工作功率进行分配，工作能力强的启用较高的功率进行工作，相对的工作能力较差的启用较低的功率进行工作，整体上保证掺铒光纤放大器的温度变化不大，并且在光纤传输线路中保持较好的增益效果。

具体地，在本实施例中选择每一个小时对各个掺铒光纤放大器内泵浦激光器的工作功率进行再次调整，实施者可以根据实际情况进行选择。根据掺铒光纤放大器上一时刻和当前时刻的工作能力评分和温度的变化得到权重，对当前时刻的掺铒光纤放大器工作功率赋权，得到新的工作功率。

所述权重的计算方式具体为：

其中，K_p为掺铒光纤放大器的权重，S_p1和t_p1分别为上一时刻掺铒光纤放大器p的工作能力评分和温度，S_p2和t_p2分别为此时掺铒光纤放大器p进行配对时的工作能力评分，α为修正系数。

需要说明的是，若掺铒光纤放大器的工作能力评分和温度均无明显变化，表示该掺铒光纤放大器仍有余力，则需提高该掺铒光纤放大器内泵浦激光器的工作功率；若掺铒光纤放大器的工作能力降低，温度变大，表示该掺铒光纤放大器正在高负荷工作，则降低掺铒光纤放大器内泵浦激光器的工作功率，其中修正系数实施者可在系统裕度允许范围内进行取值。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

获取一段时间内各掺铒光纤放大器内部的泵浦激光器正常工作时的温度，任选其中两组数据记为第一温度序列和第二温度序列；其中各掺铒光纤放大器内部的泵浦激光器具有相同的工作功率；

计算第一温度序列和第二温度序列的差值、相似度，以及在两个序列中对应元素比值的均值，根据所述差值、相似度以及均值得到两个掺铒光纤放大器的环境温度差异，进而得到环境温度差异集合；

对温度差异集合进行分类得到分类结果，所述分类结果包括多种类别；获取分类结果中孤立的样本记为温度异常样本，对温度异常样本对应的掺铒光纤放大器进行预警。

2.根据权利要求1所述的一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法，其特征在于，所述环境温度差异的获取方法具体为：

其中，E(A,B)表示掺铒光纤放大器A和掺铒光纤放大器B的环境温度差异，T_A、T_B分别表示为第一温度序列和第二温度序列，C(T_A,T_B)表示第一温度序列和第二温度序列的相似度，T_Ai表示第一温度序列中第i个元素，T_Bi表示第二温度序列中第i个元素，Min(T_Ai,T_Bi)表示第一温度序列中第i个元素和第二温度序列中第i个元素的最小值，Max(T_Ai,T_Bi)表示第一温度序列中第i个元素和第二温度序列中第i个元素的最大值，N为第一温度序列和第二温度序列的元素个数。

3.根据权利要求1所述的一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法，其特征在于，所述方法还包括：

将异常样本的温度数据进行调整后重新记入温度差异集合，对温度差异集合进行再分类得到再分类结果，所述再分类结果包括多个类别集合；

随机选取其中一类别集合，分别计算该类别集合与其他剩余类别集合中的某一类别集合中的掺铒光纤放大器的增益效果的均值和噪声系数的均值，分别记为第一效果均值、第一噪声均值以及第二效果均值和第二噪声均值；第一效果均值与第一噪声均值构成第一增益向量，第二效果均值和第二噪声均值构成第二增益向量；

根据第一增益向量和第二增益向量的相似度和向量模的差值得到两个类别集合的工作能力一致程度，并得到该类别集合与其他剩余类别集合的工作能力一致程度；

将最小的工作能力一致程度对应的两个类别集合作为一组类别对，进而得到多组类别对；

任选其中一组类别对，记为第一类别集合和第二类别集合，计算第一类别集合与第二类别集合内掺铒光纤放大器的匹配程度，根据匹配程度，利用KM算法得到第一类别集合与第二类别集合内掺铒光纤放大器的匹配关系，得到掺铒光纤放大器最优对；

获取所有类别对内掺铒光纤放大器之间的匹配关系，得到多个最优对；根据温度的变化分别对最优对内的掺铒光纤放大器工作功率进行调节。

4.根据权利要求3所述的一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法，其特征在于，所述工作能力一致程度的获取方法具体为：

其中，W(P,Q)表示类别P和类别Q内掺铒光纤放大器的工作能力一致程度，M_P表示类别P对应的第一增益向量，M_Q表示类别Q对应的第二增益向量，C(M_P,M_Q)表示第一增益向量和第二增益向量的相似度。

5.根据权利要求3所述的一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法，其特征在于，所述匹配程度的获取方法具体为：

其中，p和q分别表示第一类别集合和第二类别集合内的掺铒光纤放大器，R(p,q)表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的匹配程度，S_p和S_q分别表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的工作能力评分，E(p,q)表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的环境温度差异，D表示掺铒光纤放大器p和掺铒光纤放大器q的地理距离，

为修正系数。

6.根据权利要求3所述的一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法，其特征在于，所述调节的方法具体为：

根据掺铒光纤放大器上一时刻和当前时刻的工作能力评分和温度得到权重，对当前时刻的掺铒光纤放大器工作功率赋权，得到新的工作功率。

7.根据权利要求3所述的一种掺铒光纤放大器温度监测及预警方法，其特征在于，所述权重的获取方法具体为：

其中，K_p为掺铒光纤放大器的权重，S_p1和t_p1分别为上一时刻掺铒光纤放大器p的工作能力评分和温度，S_p2和t_p2分别为此时掺铒光纤放大器p进行配对时的工作能力评分，α为修正系数。

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