CN216649690U - 一种光线路智能倒换保护系统 - Google Patents

Abstract

一种光线路智能倒换保护系统，站点A和站点B通过第一纤芯组和第二纤芯组相连；站点A设置有光纤耦合器、第一光功率监测单元、第四光功率监测单元、单片机和光开关；在站点B设置有光纤耦合器、第二光功率监测单元、第三光功率监测单元、单片机和光开关；光纤耦合器将光信号按比例配送至主备用纤芯；第一光功率监测单元和第三光功率监测单元同时监测主备用纤芯上的发送光功率；第二光功率监测单元和第四光功率监测单元同时监测主备用纤芯上的接收光功率；单片机用于计算纤芯光功率损耗并控制光开关进行单芯倒换。本系统通过计算，在主备纤芯中自动选取剩余的优质纤芯重新组成一组新的光纤收发回路，提升了主备用光缆纤芯的利用率。

Description

一种光线路智能倒换保护系统

技术领域

本实用新型涉及光通讯技术领域，具体为一种光线路智能倒换保护系统。

背景技术

为有效解决网络生存问题，光线路自动导换保护设备应运而生，它是一个集监测、保护和管理为一体的综合管理系统，对光缆物理层进行自动监控保护，在系统主用光纤通道和备用光纤通道之间实现自动导换，在一定程度上加快应急调度速度，降低光缆阻断时间，保障光传输系统正常运行。

经检索，现有公开号为CN209570190U的中国专利于2019年11月1日公开了一种海缆分布式检测光路的自动倒换系统，包括综合监测平台、OTDR主监测倒换装置、OTDR从监测倒换装置、海缆与分布式光纤传感设备；OTDR主监测倒换装置与OTDR从监测倒换装置分别连接海缆的两端，OTDR主监测倒换装置与OTDR 从监测倒换装置上分别连接有个分布式光纤传感设备，OTDR主监测倒换装置、 OTDR从监测倒换装置与分布式光纤传感设备分别连接综合监测平台。在海缆分布式光纤传感器探测光路发生断裂或者损耗过大时，将整个光路组合切换至最优的光路组合。

现有的独立外置型光线路自动导换保护设备主要通过光开关对主备光缆进行整体倒换，纤芯利用率较低，而且，在复杂地形和恶劣气候条件下，有较大概率会出现主备光缆各有一芯出现故障的情况，此时传统的独立外置型光线路自动导换保护设备将无法充分有效的利用现有紧张的纤芯资源对系统进行有效保护，保障线路畅通。

目前，国内外主要采用传输通信设备自身的迂回电路通道进行业务保护，需要消耗主备用整体纤芯资源作为工作通道和保护通道，同时迂回恢复通路的时间不确定。该方法对于纤芯资源丰富的普通公网电信运营商来说，具有一定保护作用，但是对于当前通信网络的健壮性和纤芯利用率具有一定缺陷。

国内主要还是采用基于主备整体线路纤芯倒换技术进行研究开发，研究方向更多的集中在整体倒换保护基础上，尤其对器件工艺的技术改进优化，以减少插入损耗，提升保护时间，对于主备用单芯选取重组倒换进行保护的研究基本处于空白状态。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种光线路智能倒换保护系统，采用光功率损耗计算装置对接收光功率进行检测判断，识别出优质纤芯，由单片机控制光开关进行线路纤芯倒换，重新构成收发纤芯回路，实现优质纤芯智能选取的目的。

本实用新型是通过以下方案实现的：

一种光线路智能倒换保护系统，包括站点A和站点B，所述站点A和站点B之间通过第一纤芯组和第二纤芯组相连，其中：

第一纤芯组由第一主用纤芯和第一备用纤芯组成；第一主用纤芯的发送端设有第一光纤耦合器和第一光功率监测单元，接收端设有第二光功率监测单元、第一单片机和第一光开关；所述第一光纤耦合器将光信号耦合至第一主用纤芯和第一备用纤芯，所述第一光功率监测单元分别监测第一主用纤芯和第一备用纤芯的发送光功率，所述第二光功率监测单元分别监测第一主用纤芯和第一备用纤芯的接收光功率，所述第一单片机分别计算第一主用纤芯和第一备用纤芯的光功率损耗，并在第一主用纤芯或第一备用纤芯的光功率损耗超出预设值时，控制第一光开关在第一主用纤芯和第一备用纤芯之间切换；

第二纤芯组由第二主用纤芯和第二备用纤芯组成；第二主用纤芯的发送端设有第二光纤耦合器和第三光功率监测单元，接收端设有第四光功率监测单元、第二单片机和第二光开关；所述第二光纤耦合器将光信号耦合至第二主用纤芯和第二备用纤芯，所述第三光功率监测单元分别监测第二主用纤芯和第二备用纤芯的发送光功率，所述第四光功率监测单元分别监测第二主用纤芯和第二备用纤芯的接收光功率，所述第二单片机分别计算第二主用纤芯和第二备用纤芯的光功率损耗，并在第二主用纤芯或第二备用纤芯的光功率损耗超出预设值时，控制第二光开关在第二主用纤芯和第二备用纤芯之间切换。

在两个相邻的网络站点配置本系统，在站点的发送端利用光纤耦合器将光信号分配至主用纤芯和备用纤芯，并利用光功率计对主用纤芯和备用纤芯上的发送光功率进行监测；在站点的接收端利用光功率计对主用纤芯和备用纤芯上的接收光功率进行监测，并利用单片机对单一纤芯基于发送光功率和接收光功率计算光功率损耗，当损耗值大于设定阈值时，即认为纤芯出现故障，光开关切换至剩余的优质纤芯，从而实现光线路单芯保护倒换。

具体地，所述第一光功率监测单元、第二光功率监测单元、第三光功率监测单元和第四光功率监测单元均为光功率计。

具体地，所述第一光纤耦合器和第一光功率监测单元设置在站点A，所述第二光纤耦合器和第三光功率监测单元设置在站点B；所述第二光功率监测单元、第一单片机和第一光开关设置在站点B，所述第四光功率监测单元、第二单片机和第二光开关设置在站点A。

优选地，所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均为1×2光纤耦合器。

优选地，所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均为50∶50的耦合器。

具体地，所述光功率计包括光电探测器和AD转换器。

进一步地，所述光电探测器为雪崩光电二极管，采用雪崩光电二极管，不仅可以实现光到电的变换，还对产生的光电流具有放大作用。

进一步地，所述光功率损耗计算方法为：

其中P₀和P₁分别为同一纤芯上的发送光功率和接收光功率。

进一步地，所述第一光开关和第二光开关均采用移动反射镜进行纤芯倒换，此种器件设计不受偏振和波长的影响，同时因为所涉及的光器件较少，所以附加插入损耗低(＜1dB)，串扰优于-60dB，更重要的是其开关速度是ms量级，能够满足≤50ms 无损倒换的要求。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型在光信号发送端通过光纤耦合器将输入光信号平均分配至主备用纤芯上；分别在发送端和接收端通过光功率监测装器对主备纤芯上传输的光功率进行监测，并利用单片机计算功率损耗情况，在纤芯功率损耗超出阈值时，将信号切换至其余优质纤芯，达到单芯切换的目的。实现了当主备线路中各有一芯阻断时，通过计算，在主备纤芯中自动选取剩余的优质纤芯重新组成一组新的光纤收发回路，提升了主备用光缆纤芯的利用率。

(2)通过设置功率识别判定机制既可以实现单芯倒换，同时也保留原有传统的双芯倒换的工作机制，有效拓宽保护装置的试用面，增强系统装置的通用性。

附图说明

图1为本实用新型的站点间工作原理示意图；

图2为本实用新型光线路整体倒换原理示意图；

图3为本实用新型单芯倒换工作原理示意图；

图4为本实用新型的设计方案原理图；

图5为本实用新型的光路耦合原理示意图；

图6为本实用新型的光纤耦合器制作装置原理图；

图7为本实用新型的光耦光路效果图；

图8为本实用新型的雪崩光电二极管结构示意图；

图9为为本实用新型的AD转换器电路原理图；

图10为本实用新型的Smith圆图示意图；

图11为本实用新型的π网络架构示意图。

图中：1，第一光纤耦合器；2，第一光功率监测单元；3，第二光功率监测装器；4，第一单片机；5，第一光开关；6，第二光纤耦合器；7，第三光功率监测单元；8，第四光功率监测单元；9，第二单片机；10，第二光开关；11，第一电源单元；12，第一控制单元；13，第一通信单元；14，第二电源单元；15，第二控制单元；16，第二通信单元。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，本实用新型提供一种光线路智能倒换系统，站点A和站点B之间通过第一纤芯组和第二纤芯组相连，第一纤芯组由第一主用纤芯和第一备用纤芯组成，第二纤芯组由第二主用纤芯和第二备用纤芯组成。站点A设置有第一光纤耦合器1、第一光功率监测单元2、第四光功率监测单元8、第二单片机9、第二光开关10，上述元件或单元作为一个整体装置，并外接有第一光源单元11、第一控制单元12和第一通信单元13；站点B设置有第二光纤耦合器6、第二光功率监测单元3、第三光功率监测单元7、第一单片机4、第一光开关5，上述元件或单元作为一个整体装置，并外接有第二光源单元14、第二控制单元15和第二通信单元16。

站点A的第一光纤耦合器1为1×2光纤耦合器，光纤耦合器1将光信号按照 50％和50％的比例耦合到第一主用纤芯和第一备用纤芯上；站点B的第二光纤耦合器6为1×2光纤耦合器，将光信号按照50％和50％的比例耦合到第二主用纤芯和第二备用纤芯上；这一耦合过程是通过在发射端进行光耦光路结构设计予以实现的。

第一光功率监测装单元2对第一主用纤芯和第一备用纤芯上的发送光功率进行监测，并通过通信单元13(本实施例中为DATA-6106GPRS无线数传模块)将检测结果发送至第一单片机4(本实施例中为STM32F103ZET6)；第三光功率监测单元7 对第二主用纤芯和第二备用纤芯上的发送光功率进行监测，并将监测结果通过通信单元16(本实施例中为DATA-6106GPRS无线数传模块)发送至第二单片机9(本实施例中为STM32F103ZET6)。

同时，当第一光功率监测装单元2和第三光功率监测单元7监测到主备纤芯上的发送光功率与设定的比例不同时，则需更换光纤耦合器。

为提升设备保护性能，对光路智能优化选择插损增益进行研究，以实现无损伤线路倒换。所谓无损伤，主要是指当业务在主用接受纤芯和备用纤芯上进行倒换时，由于倒换部件固有的倒换动作会产生一个短时间的物理链路上的空档期，而目前的传输设备自身都设置有一定时间窗口的容错，若这个空档期短于该容错窗口，则对于传输设备来说，视为业务不受影响。根据国家标准，该时间窗口指定为不超过50ms。为了实现这一目的，形成单芯倒换的工作效果，本实施例在站点B和站点A分别设置有第二光功率监测单元3和第四光功率监测单元8，第二光功率监测单元3同时监测第一主用纤芯和第一备用纤芯上的接收光功率，第四光功率监测单元8同时监测第二主用纤芯和第二备用纤芯上的接收光功率。

上述实施例中，第一光功率监测单元2、第二光功率监测单元3、第三光功率监测单元7和第四光功率监测单元8均为光功率计，所述光功率计均包括光电探测器和AD转化器。本实施例采用雪崩光电二极管作为光电探测器，雪崩光电二极管不仅可以实现光到电的变换，还对产生的光电流具有放大作用。

第二光功率监测装单元3与第一单片机4通过CAN总线连接，第二光功率监测单元3将监测到的第一主用纤芯和第一备用纤芯上的接收光功率值传输至第一单片机4，第一单片机4根据第一光功率监测单元2监测到的发送光功率值和第二光功率监测单元3监测到的接收光功率值计算第一主用纤芯和第一备用纤芯上的光功率损耗；第四光功率监测单元8与第二单片机9通过CAN总线连接，第四光功率监测单元8将监测到的第二主用纤芯和第二备用纤芯上的接收光功率值传输至第一单片机9，第二单片机9根据第三光功率监测单元7监测到的发送光功率值和第四光功率监测单元8监测到的接收光功率值计算第二主用纤芯和第二备用纤芯上的光功率损耗。当纤芯上的光功率损耗超过预设值时，则认为纤芯出现故障，第一单片机4控制第一光开关5将光路切换至其他功率损耗低于预设值的优质纤芯上，第二单片机9控制第二光开关10将光路切换至其他功率损耗低于预设值的优质纤芯上；否则则认为纤芯完好，无需进行光路切换。光功率损耗计算公式如下：

其中P₀和P₁分别为同一纤芯上的发送光功率和接收光功率。

本实施例中的第一光开关5和第二光开关10均是一种具有一个或多个可选的传输端口的光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理倒换或逻辑操作。以光纤或光学元件的移动来改变光路，目前主要是以移动反射镜的形式实现(原理如图10所示)。此种器件设计不受偏振和波长的影响，同时因为所涉及的光器件较少，所以附加插入损耗低(＜1dB)，串扰优于-60dB，更重要的是其开关速度是ms量级，能够满足≤50ms无损倒换的要求。

通过在站点A和所述站点B之间设置智能倒换保护系统，在各站点的发送端将光信号平均分配至主用纤芯和备用纤芯上，使主备用纤芯承载相同的业务信号。在接收端监测并计算主备纤芯的功率损耗，通过单片机对光开光的控制选择优质纤芯传递光信号。站点A和站点B端的光开光独立工作，互不影响，当传输路线出现阻断时，通过计算，在主备线路中自动选取剩余的优质纤芯重新组成一组新的光纤收发回路，无需对主备线路进行整体切换，提升了现有主备用线路的纤芯利用率。

在上述实施例中，根据光纤通信理论可知，在单模光纤传导光信号时，光的能量并不完全是集中在纤芯中传播，有少量是通过靠近纤芯的包层中传播的，也就是说，当两根光纤的纤芯足够靠近时，在一根光纤中传输的光的模场就可以进入另外一根光纤，光信号在两根光纤中得到重新的分配。基于这一理论，我们考虑在系统的发射端设计一个类似的功能模块，模块里将两根光纤束缚在一起，通过熔融拉伸的方法将两根光纤的中部融成一体(如图5)。

图4中L代表的是耦合区的长度，根据光波导理论，传导模是两个正交的基膜。当传导模进入熔锥区时，随着纤芯的不断变细，归一化频率V值逐渐减小，有越来越多的光功率渗入光纤包层中，因此实际上光功率是在由包层作为芯，纤外介质作为新包层的复合波导中传输的；在输出端，随着纤芯逐渐变粗，V值逐渐增大，光功率被两光纤芯以特定的比例“捕获”。在熔锥区，两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合。将一根光纤看做是另一光纤的扰动。在弱导近似下，假设光纤是无吸收的，则有耦合方程组：

式中A1，A3，A4分别为光纤耦合器1端，3端，4端的模场振幅，C为耦合系数，L为耦合区长度，β为传播常数。对于此光纤耦合器来说，传播吸收沿着两个相互垂直的轴是不同的，式(1)可以写成沿x和y轴两个方程，则耦合系数C为：

式(2)中λ为波长，n₂为包层折射率，a为近似矩形的耦合区截面宽度，Vi为归一化频率。假设端口1输入的是线偏振光，光功率为P，偏振方向和x轴间的夹角为Φ，x轴和y轴的功率分布为：Px＝Pcos2Φ，Py＝Psin2Φ。与式(1)合并，端口 3和端口4输出功率分别为：

P₃＝P(cos²Φcos²CxL+sin²Φcos²CyL) (3)

P₄＝P(cos²Φcos²CxL+sin²Φcos²CyL) (4)

耦合比Rc为耦合端(端口4)输出功率与总输出功率的比值：

由于Cy＝Cx+ΔC，且ΔCL很小，所以cosΔCL≈1，sin2ΔCL≈0，带入式(5)可得：

Rc＝sin²CxL×100％ (6)

因此可以得到耦合比Rc和耦合区长度L的关系。由于正弦平方值在0到1之间，所以耦合比在0到100％之间，耦合比随波长变化而变化。在实际制作过程中，通过图6所示的装置可完成耦合光路模块的制作。根据实际线路系统的要求，我们这里将比例设置成50％(如图7所示)。通过上述设计，我们即可实现在主用纤芯和备用纤芯上均传递同样的业务信号的目的。

上述实施例中的雪崩光电二极管仍是P-N结形式，只是在二极管的P-N结上加高反向电压(一般为几十伏或几百伏)，在结区形成一个强电场。在高场区内光生载流子被强电场加速获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量，越过禁带到导带，产生了新的电子-空穴对，即新的光生载流子；新产生的电子 -空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子-空穴对，如此循环下去，像雪崩一样地发展，从而使光电流在二极管内部获得了倍增。

其结构如图8所示：光子从P+层射入，进入I层后，在这里材料吸收了光能并产生了初级电子-空穴对。这时，光电子在I层被耗尽层的较弱的电场加速，移向P-N 结。当光电子运动到高场区时，受到强电场的加速作用，出现雪崩碰撞效应，最后，获得雪崩倍增后的光电子到达N+层，空穴被P+层吸收。从工作原理中可以看出，雪崩光电二极管的耗尽层从结区一直拉通到I层与P+层相接的范围内，范围比较宽。在整个拉通的耗尽层范围内出现了两个电场：较低电场在I层区域中，主要是使光照产生的初级电子-空穴对在里面被加速，推进到高电场区；而高电场主要存在于 P-N结区中，初级电子-空穴对在高场区中产生雪崩效应。

AD转换器用于将光电二极管产生的光电流转化成电压电流等电路参数，图9 所示是针对本项目设计的AD转换器电路原理图。从上图可以看出，通过运放的设计，我们可以有效地将模拟量转换为数字量，实现了ADC转换处理。具体电路设计方面，电阻电容的对称设计主要是减少噪声，同时可消除高低频的噪声，因此，在设计时需重点设置好相应的阻容值，形成匹配网络。匹配π网络的调整从原理上来说，在具有电阻、电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用称作阻抗，一个具体的电路，阻抗是可能随时变化的，因此需要在测试过程里进行逐步的优化调整以使其达到最佳状态。具体解决方案是使用串联/并联电阻的形式实现，本项目主要是采用Smith圆图的形式进行参数的选择设计，首先我们定义一个反射系数：

其中，Z是网络端口阻抗，Z0是参考阻抗，z是归一化阻抗。阻抗与Γ平面上的点存在一一对应的关系。

假设z＝r+jx，则

这两个公式可以转换为直角平面(Γr，Γi)上的两组圆，我们称之为电阻圆与电抗圆。将这两个圆重合在一起，即形成Smith阻抗圆图(如图10所示)：

圆图的上半部分为正数，代表感性，下半部分为负数，代表容性。按照上述图里的点位的参数情况进行匹配网络的设计，实用里大多都是按照π网络进行设计调整，π网络架构如图11所示：

具体计算时，可以考虑将L分解为L1与L2，相当于是分解为两个L型网络， Rs经L1与C1变换为中间电阻Ri，RL经L2与C2变换为中间电阻Ri，当两个中间电阻Rii相等时就完成了阻抗匹配。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案。

Claims (8)

1.一种光线路智能倒换保护系统，包括站点A和站点B，其特征在于，所述站点A和站点B之间通过第一纤芯组和第二纤芯组相连，其中：

第一纤芯组由第一主用纤芯和第一备用纤芯组成；第一主用纤芯的发送端设有第一光纤耦合器和第一光功率监测单元，接收端设有第二光功率监测单元、第一单片机和第一光开关；所述第一光纤耦合器将光信号耦合至第一主用纤芯和第一备用纤芯，所述第一光功率监测单元分别监测第一主用纤芯和第一备用纤芯的发送光功率，所述第二光功率监测单元分别监测第一主用纤芯和第一备用纤芯的接收光功率，所述第一单片机分别计算第一主用纤芯和第一备用纤芯的光功率损耗，并在第一主用纤芯或第一备用纤芯的光功率损耗超出预设值时，控制第一光开关在第一主用纤芯和第一备用纤芯之间切换；

第二纤芯组由第二主用纤芯和第二备用纤芯组成；第二主用纤芯的发送端设有第二光纤耦合器和第三光功率监测单元，接收端设有第四光功率监测单元、第二单片机和第二光开关；所述第二光纤耦合器将光信号耦合至第二主用纤芯和第二备用纤芯，所述第三光功率监测单元分别监测第二主用纤芯和第二备用纤芯的发送光功率，所述第四光功率监测单元分别监测第二主用纤芯和第二备用纤芯的接收光功率，所述第二单片机分别计算第二主用纤芯和第二备用纤芯的光功率损耗，并在第二主用纤芯或第二备用纤芯的光功率损耗超出预设值时，控制第二光开关在第二主用纤芯和第二备用纤芯之间切换。

2.根据权利要求1所述的一种光线路智能倒换保护系统，其特征在于，所述第一光功率监测单元、第二光功率监测单元、第三光功率监测单元和第四光功率监测单元均为光功率计。

3.根据权利要求1所述的一种光线路智能倒换保护系统，其特征在于，所述第一光纤耦合器和第一光功率监测单元设置在站点A，所述第二光纤耦合器和第三光功率监测单元设置在站点B；所述第二光功率监测单元、第一单片机和第一光开关设置在站点B，所述第四光功率监测单元、第二单片机和第二光开关设置在站点A。

4.根据权利要求1所述的一种光线路智能倒换保护系统，其特征在于，所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均为1×2光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的一种光线路智能倒换保护系统，其特征在于，所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均为50：50的耦合器。

6.根据权利要求2所述的一种光线路智能倒换保护系统，其特征在于，所述光功率计包括光电探测器和AD转换器。

7.根据权利要求6所述的一种光线路智能倒换保护系统，其特征在于，所述光电探测器为雪崩光电二极管。

8.根据权利要求1所述的一种光线路智能倒换保护系统，其特征在于，所述第一光开关和第二光开关均采用移动反射镜进行纤芯倒换。

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