光纤通信局域网断点故障检测方法研究
刘贺 王涛
摘 要： 为了解决以往光纤通信局域网断点故障检测方法成本高、动态检测区间小的问题，提出基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法。构建可调谐混沌光产生装置，将混沌光波长失调值设为0 nm，带宽设为光纤通信局域网带宽的80%，获取混沌光，构成光纤通信局域网信道的参考信号和探测信号，利用光纤振荡器过滤其中的延时信号，对混沌光信号与探测信号进行相关性运算，获取断点故障定位值。实验结果表明，所提方法在检测断点故障时的动态检测区间大，并能维持光纤通信正常运行。
关键词： 光纤通信； 局域网； 断点故障检测； 混沌光； 相关性运算
中图分类号： TN926+.3?34； TM248 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0174?03
Abstract： Since the previous breakpoint fault detection method of optical fiber communication LAN has high cost and narrow dynamic detection section， a chaotic light based breakpoint fault detection method of optical fiber communication LAN is proposed. The generation device of tunable chaotic light was constructed to set the wavelength detuning value of the chaotic light to 0 nm and the bandwidth of the fiber communication LAN to 80%. The chaotic light is got to compose the reference signal and detection signal of the optical fiber communication LAN channel. The optical fiber oscillator is adopted to filter the delay signal. The correlation operation is carried out for the chaotic light signal and detection signal to obtain the positioning value of breakpoint fault. The experimental results indicate that the method has long dynamic detection section while detecting the breakpoint fault， and can maintain the normal operation of optical fiber communication.
Keywords： optical fiber communication； local area network； breakpoint fault detection； chaotic light； correlation operation
得益于光纖通信技术的飞速进步，光纤通信局域网已经走进每家每户，针对局域网故障检测的器件和方法也逐渐增多起来。断点故障普遍存在于光纤通信局域网中，光时域反射仪可针对断点故障进行良性检测，使用方法便捷，但价格昂贵，各大品牌的平均报价[1]要高于2.5万元。典型的断点故障检测方法包含距离传感检测和谐波检测，这些方法的成本低于光时域反射仪，能够满足正常检测需求，缺陷是动态检测区间小。相对来讲，光时域反射仪的市场竞争力更大。本文利用混沌光进行断点故障检测，提出一种成本低、动态检测区间大的检测方法。
1 光纤通信局域网断点故障检测方法研究
1.1 检测方法
在非线性研究领域，混沌是指存在却不能加以估计的波动行为。自从激光器中的混沌状态被挖掘出来，混沌光一直是光学领域的研究热点。文献[2]表明，混沌光满足狄拉克δ函数的自体相关原理，具备对称性和缩放性，可使用在距离度量、定位、检测等器件中。混沌光信号带宽以GHz计数，得益于光纤通信局域网的高带宽，混沌光在其中能够获取高分辨率，容易提升检测精度。
在激光器中产生的混沌光不能够直接参与检测，而是被分为参考信号和探测信号。参考信号进行断点故障检测。探测信号获取参考信号的检测数据，按照光纤通信局域网原传输路径将数据反馈到计算机中进行运算。基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法采取波分复用技术[3]，把存在波长差距的混沌光归属到不同的光纤通信业务中，增加局域网的带宽以及稳定性，以激光视盘光源承载数据完成通信。所提方法需要获取波长可调谐的混沌光作为检测断点故障位置的媒介，同时还要利用激光视盘光源探测局域网信道，以完成断点故障定位。
1.2 可调谐混沌光的获取
图1描述了用于获取可调谐混沌光装置结构，半导体激光器内部拥有光学谐振腔，采取纵向多模式激光发射原理，是混沌光产生元件。两个单片机同光纤放大器组成光源反馈结构，中间加入温控点控制半导体激光器稳定性，避免激光能量过高损伤电路[4]。数控点对单片机反馈信号、激光功率及电路电流进行控制，提取反馈结构混沌光光强以及光纤放大器运行参数。光纤光栅作用是选择混沌光输出波长，并确定可调谐混沌光输出模式是否为单独输送。
半导体激光器中不同激光发射模式之间的物理间距是1.5 nm，共具备30种模式，普通模式的混沌光波长为1 560 nm，电流阈值为12 mA，偏置电流为24 mA，额定输出功率为3 mW。光纤放大器将输出功率扩大到12 mW，17%反馈到数控点，83%输出成可调谐混沌光。光纤光栅衍射率大于75%，可调谐混沌光波长可选范围在1 500～1 600 nm之间，线宽为0.3 nm。
光纤光栅在获取可调谐混沌光过程中贡献最大，直接影响反馈强度以及光纤光栅衍射率，决定光纤通信局域网断点故障输出状态。边模抑制比和平衡指数越高，输出状态越好，通信失真率越低[5]，可扩大动态检测区间。
图2（a）、图2（b）描述的是当混沌光波长失调值在绝度值为0.15 nm的区间内，边模抑制比、平衡指数同反馈强度之间的关系曲线图，其中，平衡指数始终为正数，在失调值等于0 nm的状态下，平衡指数和边模抑制比的最大值同时出现[6]，反馈强度也达到最大值。
图3描述的是光纤通信局域网带宽同平衡指数之间的关系曲线图，平衡指数表示整体与平均值偏移程度[7]。局域网总带宽为10 GHz，在8 GHz时平衡指数为最大值。根据以上结论，基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法将混沌光波长失调值设为0 nm，带宽设为光纤通信局域网带宽的80%。
1.3 基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测函数
图4描述的是基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法流程图。可调谐混沌光输入到光纤通信局域网信道时，由于反馈结构中电流磁场的存在，将通信延时也一并输入信道。通信延时在狄拉克δ函数[8]自体相关原理给出的断点故障检测曲线中显示为信号干扰峰，极大地缩小了动态检测区间，非常容易产生断点故障错判。所提方法在混沌光的相关性上做出了优化，通过光纤振荡器提高低频信号比例，达成延时信号过滤，获取不存在信号干扰峰的断点故障检测曲线。如果曲线仍存在干扰峰，这段干扰峰对应的位置就是断点故障点产生延时。
基于混沌光获取的断点故障检测曲线与自协方差曲线几乎重合，混沌光功率的时间排序规律同延时排序规律也满足自协方差曲线特质。所提方法将对混沌光信号与探测信号进行相关性运算，获取到断点故障定位值。设自协方差曲线为[Y（t）]，用函数[X（t）]代表混沌信号，[t]为混沌信号在局域网信道中的传输时间。延时信号与混沌信号的混合函数用[kX（t-τ）]表示，[k]为传输损耗系数，[t-τ]为延时信号传输时间。经由相关性分析，混沌信号与延时信号存在如下关系：
2 实 验
2.1 实验装置
实验装置由光纤母线、光纤馈线、光栅、耦合器、光谱仪、数据采集板等构成，光纤通信局域网的各条信道相距0.5 nm，频率相距48 GHz，光纤损耗系数为0.3 dB/km。激光从坐标原点发出，通过耦合器合成单线激光输入光纤母线，在光纤母线中传导10 km，输出到各支路的光纤馈线中，从光栅处衍射到断点故障检测设备中。母线传导线规的损耗制定在5 dB以内。
在检测光纤通信局域网断点故障的实验过程中，依次将自变量设为光纤馈线传导距离和通信损耗，从光谱仪显示数据中分析断点故障存在于哪条局域网信道。数据采集板采集实验过程中数据传导距离和光波功率数据。实验结束后将数据绘制成相关曲线图进行数据分析。
2.2 数据处理与分析
如果想要分析基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法的动态检测区间，需要获取峰值信噪比和光波功率两项数据。峰值信噪比表示的是信号在最大功率下受到噪音破坏从而影响到传导精度的比率数据，也可以用来评估通信中的信号失真率[10]。在实验中设数据采集板采集到的数据传导距离为[L]，激光在光纤馈线中的传导距离为[L0]，按照数据自体相关性原则，峰值信噪比的理论值计算公式如下：
[H=1-L0L] （3）
为了方便数据处理，实验将坐标原点的峰值信噪比设为1，由此可见：当[4L0=L]时，[H=0.75 dB]，信道开始衰减，峰值信噪比的理论值不能准确表达实际值，为此，对光纤馈线进行3 dB的损耗补偿，在数据采集板采集数据时将耦合器坐标设成光栅衍射原点，光纤母线的末端不参与实验，相当于对[L]进行校正。
图5、图6描述的是峰值信噪比和光波功率随自变量变化的曲线图。由图5可知，当光纤馈线传导距离从0变化至70 km，本文方法所能进行动态检测的区间高于70 km，预计在85 km左右，峰值信噪比曲线高度优于谐波检测方法和距离传感检测方法，改进方法在进行大面积光纤通信局域网断点故障检测的同时，能够确保信号的有效性。由图6可知，随着通信损耗的不断增加，光波功率表现出线性缩减状态。在损耗为23 dB和27 dB时，距离传感检测方法和谐波检测方法的光波功率到达最低值0 dB，已经不能再继续进行断点故障检测。连接本文方法的光波功率曲线与横坐标相接，当损耗约为40 dB时本文方法才停止检测，动态检测区间大。
3 结 论
本文提出基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法，不但实现了连续波长调制，还保留了混沌光对信号失真的抑制作用，能够精准检测出光纤通信局域网中的断点故障。通过实验表明，本文方法拥有动态检测区间大的明显优势。
参考文献
[1] 韩建群，石旭东.基于Duffing系统的凸极同步发电机匝间短路故障谐波电流检测方法[J].现代电子技术，2015，38（18）：158?162.
[2] 李贵华，陈广辉，李燚.光纤纤芯通信质量检测系统的设计与应用[J].现代电子技术，2015，38（17）：17?19.
[3] 黄勇，王烨，刘增良.大型光纤通信网络断点检测模型仿真分析[J].计算机仿真，2014，31（11）：183?186.
[4] 李妍琰，何勇.光纤通信网络中故障优化诊断方法仿真[J].计算机仿真，2014，31（9）：221?224.
[5] 薛志文.光纤网络断点检测优化模型研究与仿真[J].计算机仿真，2015，32（4）：446?449.
[6] 刘艳阳，杨玲珍，王斐斐，等.放大自发辐射光源结合相关法实现无源光网络故障检测[J].中国激光，2014，41（8）：139?144.
[7] 李挺，闵铁军，谢鹏，等.500 kV变电站光纤通信常见故障分析及防范措施研究[J].通信电源技术，2014，31（6）：130?132.
[8] 付志红，余慈拱，侯兴哲，等.瞬变电磁法视电阻率成像的接地网断点诊断方法[J].电工技术学报，2014，29（9）：253?259.
[9] 孔庆善，康迪，王野，等.光纤通信的光信息获取及防护技术研究[J].信息安全研究，2016，2（2）：123?130.
[10] 王培国，刘发彪，黄炜，等.基于光纤通信网生存性分析模型的故障仿真平台设计[J].计算机应用研究，2014，31（12）：3792?3794.
摘 要： 为了解决以往光纤通信局域网断点故障检测方法成本高、动态检测区间小的问题，提出基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法。构建可调谐混沌光产生装置，将混沌光波长失调值设为0 nm，带宽设为光纤通信局域网带宽的80%，获取混沌光，构成光纤通信局域网信道的参考信号和探测信号，利用光纤振荡器过滤其中的延时信号，对混沌光信号与探测信号进行相关性运算，获取断点故障定位值。实验结果表明，所提方法在检测断点故障时的动态检测区间大，并能维持光纤通信正常运行。
关键词： 光纤通信； 局域网； 断点故障检测； 混沌光； 相关性运算
中图分类号： TN926+.3?34； TM248 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0174?03
Abstract： Since the previous breakpoint fault detection method of optical fiber communication LAN has high cost and narrow dynamic detection section， a chaotic light based breakpoint fault detection method of optical fiber communication LAN is proposed. The generation device of tunable chaotic light was constructed to set the wavelength detuning value of the chaotic light to 0 nm and the bandwidth of the fiber communication LAN to 80%. The chaotic light is got to compose the reference signal and detection signal of the optical fiber communication LAN channel. The optical fiber oscillator is adopted to filter the delay signal. The correlation operation is carried out for the chaotic light signal and detection signal to obtain the positioning value of breakpoint fault. The experimental results indicate that the method has long dynamic detection section while detecting the breakpoint fault， and can maintain the normal operation of optical fiber communication.
Keywords： optical fiber communication； local area network； breakpoint fault detection； chaotic light； correlation operation
得益于光纖通信技术的飞速进步，光纤通信局域网已经走进每家每户，针对局域网故障检测的器件和方法也逐渐增多起来。断点故障普遍存在于光纤通信局域网中，光时域反射仪可针对断点故障进行良性检测，使用方法便捷，但价格昂贵，各大品牌的平均报价[1]要高于2.5万元。典型的断点故障检测方法包含距离传感检测和谐波检测，这些方法的成本低于光时域反射仪，能够满足正常检测需求，缺陷是动态检测区间小。相对来讲，光时域反射仪的市场竞争力更大。本文利用混沌光进行断点故障检测，提出一种成本低、动态检测区间大的检测方法。
1 光纤通信局域网断点故障检测方法研究
1.1 检测方法
在非线性研究领域，混沌是指存在却不能加以估计的波动行为。自从激光器中的混沌状态被挖掘出来，混沌光一直是光学领域的研究热点。文献[2]表明，混沌光满足狄拉克δ函数的自体相关原理，具备对称性和缩放性，可使用在距离度量、定位、检测等器件中。混沌光信号带宽以GHz计数，得益于光纤通信局域网的高带宽，混沌光在其中能够获取高分辨率，容易提升检测精度。
在激光器中产生的混沌光不能够直接参与检测，而是被分为参考信号和探测信号。参考信号进行断点故障检测。探测信号获取参考信号的检测数据，按照光纤通信局域网原传输路径将数据反馈到计算机中进行运算。基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法采取波分复用技术[3]，把存在波长差距的混沌光归属到不同的光纤通信业务中，增加局域网的带宽以及稳定性，以激光视盘光源承载数据完成通信。所提方法需要获取波长可调谐的混沌光作为检测断点故障位置的媒介，同时还要利用激光视盘光源探测局域网信道，以完成断点故障定位。
1.2 可调谐混沌光的获取
图1描述了用于获取可调谐混沌光装置结构，半导体激光器内部拥有光学谐振腔，采取纵向多模式激光发射原理，是混沌光产生元件。两个单片机同光纤放大器组成光源反馈结构，中间加入温控点控制半导体激光器稳定性，避免激光能量过高损伤电路[4]。数控点对单片机反馈信号、激光功率及电路电流进行控制，提取反馈结构混沌光光强以及光纤放大器运行参数。光纤光栅作用是选择混沌光输出波长，并确定可调谐混沌光输出模式是否为单独输送。
半导体激光器中不同激光发射模式之间的物理间距是1.5 nm，共具备30种模式，普通模式的混沌光波长为1 560 nm，电流阈值为12 mA，偏置电流为24 mA，额定输出功率为3 mW。光纤放大器将输出功率扩大到12 mW，17%反馈到数控点，83%输出成可调谐混沌光。光纤光栅衍射率大于75%，可调谐混沌光波长可选范围在1 500～1 600 nm之间，线宽为0.3 nm。
光纤光栅在获取可调谐混沌光过程中贡献最大，直接影响反馈强度以及光纤光栅衍射率，决定光纤通信局域网断点故障输出状态。边模抑制比和平衡指数越高，输出状态越好，通信失真率越低[5]，可扩大动态检测区间。
图2（a）、图2（b）描述的是当混沌光波长失调值在绝度值为0.15 nm的区间内，边模抑制比、平衡指数同反馈强度之间的关系曲线图，其中，平衡指数始终为正数，在失调值等于0 nm的状态下，平衡指数和边模抑制比的最大值同时出现[6]，反馈强度也达到最大值。
图3描述的是光纤通信局域网带宽同平衡指数之间的关系曲线图，平衡指数表示整体与平均值偏移程度[7]。局域网总带宽为10 GHz，在8 GHz时平衡指数为最大值。根据以上结论，基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法将混沌光波长失调值设为0 nm，带宽设为光纤通信局域网带宽的80%。
1.3 基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测函数
图4描述的是基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法流程图。可调谐混沌光输入到光纤通信局域网信道时，由于反馈结构中电流磁场的存在，将通信延时也一并输入信道。通信延时在狄拉克δ函数[8]自体相关原理给出的断点故障检测曲线中显示为信号干扰峰，极大地缩小了动态检测区间，非常容易产生断点故障错判。所提方法在混沌光的相关性上做出了优化，通过光纤振荡器提高低频信号比例，达成延时信号过滤，获取不存在信号干扰峰的断点故障检测曲线。如果曲线仍存在干扰峰，这段干扰峰对应的位置就是断点故障点产生延时。
基于混沌光获取的断点故障检测曲线与自协方差曲线几乎重合，混沌光功率的时间排序规律同延时排序规律也满足自协方差曲线特质。所提方法将对混沌光信号与探测信号进行相关性运算，获取到断点故障定位值。设自协方差曲线为[Y（t）]，用函数[X（t）]代表混沌信号，[t]为混沌信号在局域网信道中的传输时间。延时信号与混沌信号的混合函数用[kX（t-τ）]表示，[k]为传输损耗系数，[t-τ]为延时信号传输时间。经由相关性分析，混沌信号与延时信号存在如下关系：
2 实 验
2.1 实验装置
实验装置由光纤母线、光纤馈线、光栅、耦合器、光谱仪、数据采集板等构成，光纤通信局域网的各条信道相距0.5 nm，频率相距48 GHz，光纤损耗系数为0.3 dB/km。激光从坐标原点发出，通过耦合器合成单线激光输入光纤母线，在光纤母线中传导10 km，输出到各支路的光纤馈线中，从光栅处衍射到断点故障检测设备中。母线传导线规的损耗制定在5 dB以内。
在检测光纤通信局域网断点故障的实验过程中，依次将自变量设为光纤馈线传导距离和通信损耗，从光谱仪显示数据中分析断点故障存在于哪条局域网信道。数据采集板采集实验过程中数据传导距离和光波功率数据。实验结束后将数据绘制成相关曲线图进行数据分析。
2.2 数据处理与分析
如果想要分析基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法的动态检测区间，需要获取峰值信噪比和光波功率两项数据。峰值信噪比表示的是信号在最大功率下受到噪音破坏从而影响到传导精度的比率数据，也可以用来评估通信中的信号失真率[10]。在实验中设数据采集板采集到的数据传导距离为[L]，激光在光纤馈线中的传导距离为[L0]，按照数据自体相关性原则，峰值信噪比的理论值计算公式如下：
[H=1-L0L] （3）
为了方便数据处理，实验将坐标原点的峰值信噪比设为1，由此可见：当[4L0=L]时，[H=0.75 dB]，信道开始衰减，峰值信噪比的理论值不能准确表达实际值，为此，对光纤馈线进行3 dB的损耗补偿，在数据采集板采集数据时将耦合器坐标设成光栅衍射原点，光纤母线的末端不参与实验，相当于对[L]进行校正。
图5、图6描述的是峰值信噪比和光波功率随自变量变化的曲线图。由图5可知，当光纤馈线传导距离从0变化至70 km，本文方法所能进行动态检测的区间高于70 km，预计在85 km左右，峰值信噪比曲线高度优于谐波检测方法和距离传感检测方法，改进方法在进行大面积光纤通信局域网断点故障检测的同时，能够确保信号的有效性。由图6可知，随着通信损耗的不断增加，光波功率表现出线性缩减状态。在损耗为23 dB和27 dB时，距离传感检测方法和谐波检测方法的光波功率到达最低值0 dB，已经不能再继续进行断点故障检测。连接本文方法的光波功率曲线与横坐标相接，当损耗约为40 dB时本文方法才停止检测，动态检测区间大。
3 结 论
本文提出基于混沌光的光纤通信局域网断点故障检测方法，不但实现了连续波长调制，还保留了混沌光对信号失真的抑制作用，能够精准检测出光纤通信局域网中的断点故障。通过实验表明，本文方法拥有动态检测区间大的明显优势。
参考文献
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[3] 黄勇，王烨，刘增良.大型光纤通信网络断点检测模型仿真分析[J].计算机仿真，2014，31（11）：183?186.
[4] 李妍琰，何勇.光纤通信网络中故障优化诊断方法仿真[J].计算机仿真，2014，31（9）：221?224.
[5] 薛志文.光纤网络断点检测优化模型研究与仿真[J].计算机仿真，2015，32（4）：446?449.
[6] 刘艳阳，杨玲珍，王斐斐，等.放大自发辐射光源结合相关法实现无源光网络故障检测[J].中国激光，2014，41（8）：139?144.
[7] 李挺，闵铁军，谢鹏，等.500 kV变电站光纤通信常见故障分析及防范措施研究[J].通信电源技术，2014，31（6）：130?132.
[8] 付志红，余慈拱，侯兴哲，等.瞬变电磁法视电阻率成像的接地网断点诊断方法[J].电工技术学报，2014，29（9）：253?259.
[9] 孔庆善，康迪，王野，等.光纤通信的光信息获取及防护技术研究[J].信息安全研究，2016，2（2）：123?130.
[10] 王培国，刘发彪，黄炜，等.基于光纤通信网生存性分析模型的故障仿真平台设计[J].计算机应用研究，2014，31（12）：3792?3794.
