一种基于小波变换的OTDR事件分析算法的研究

一种基于小波变换的OTDR 事件分析算法的研究

朱　磊

(解放军理工大学通信工程学院　江苏南京　210007)

摘　要:简单分析了用OT DR 卡进行光纤检测的原理,根据小波分析检测信号突变点的理论,提出了运用小波分析对光纤断点及反射事件准确定位的方法。理论分析和实例计算表明,这种方法对O T DR 曲线中反射事件尤其是断点的定位非常准确,是一种行之有效的方法。

关键词:光缆线路监测;背向散射;小波分析;奇异点

中图分类号:T P 301.6 文献标识码:A 文章编号:1004373X (2004)0310603

Research of a Wavelet Based on OTDR Event Analysis Algorithm

ZHU L ei

(Inst i t ut e o f Comm unication Eng ineering ,PLA University of Sc ience &T echno logy ,Nanj ing ,210007,China )

Abstract :I n this paper,the pr inciple o f O T DR card in fiber testing w as fir stly discussed.A ccor ding t o the theor y of using w avelet to ex amine the sing ular po int ,a metho d o f apply ing w av elet to lo cat e the break po int and reflectio n po int o f optical fiber w as put fo rw ar d .Bo th the theo retic ana ly sis and ex per imental r esults show that t he new metho d can achieve a pr ecise locatio n in O T DR cur ve.

Keywords :o pt ical fiber test;backwar d dispersion;w avelet analysis;sing ular po int

收稿日期:20030918

20世纪八九十年代,随着光纤通信技术研究的深入和技术的成熟,以及各国对大容量、长距离数字通信的迫切需要,促使以光纤为传输媒质的通信飞速发展。现在世界各国均建成了大量光纤通信干线,不论是长途还是市话,光纤无处不在。因此建立较完善的监控系统尤为重要。

在光纤通信系统中,由于光纤传输的终端设备可靠性比较高(如美国AT &T 光缆终端设备平均无故障时间为150年),而且设备又具有自身的监控系统,即使出了故障后也能由维护人员在现场很快解决,因此光缆网维护的难点集中在传输的线路上。实际工作经验表明,在许多情况下,光缆通信的线路故障要比设备故障更为突出,约为不可用时间的95%。因此,如果只采用设备自带的监测系统,是难以保证高速、宽带、大容量光缆传输线路的畅通。因此,进行实时的光缆线路监测是十分必要的。

1　OTDR 卡检测光纤的原理(背向散射法)

光纤故障大概可以分为3类:光纤失效、光纤损耗增加和光纤接头异常。光缆线路监测系统主要是利

用光时域反射仪(OT DR )对光纤进行测试。OT DR 作为一种非破坏的光纤测量技术,在通信光纤的施工、维护、运行等方面得到了广泛的应用。OT DR 是利用背向散射法来测量光纤的衰耗特性。

光纤中的反射光有2种:一种是纤芯纵向局部折射率跳跃变化产生的菲涅耳反射光;另一种是纤芯内部存在的直径小于光波长的不均匀区而使各区域之间微弱折射率偏差产生的瑞利背向散射光,其中一部分反射到光纤的入射端,这一部分光称为背向瑞利散射光。背向散射法是将大功率的窄脉冲光注入被测光纤,然后在同一端监测沿光纤背向返回的散射光功率。因为主要的散射机理是瑞利散射,瑞利散射光的特征是他的波长与入射光波的波长相同,他的光功率与该点的入射光功率成正比,所以测量沿光纤返回的背向瑞利散射光功率就可以获得光沿光纤传输遭受损耗的信息,从而可以测得光纤的衰减,故称这种方法为背向散射法。在OTDR 显示的背向散射信号曲线上,反射峰对应着反射事件。而对不出现反射峰的事件,即非反射事件,如光纤熔接、不均匀、老化等造成的事件。

目前国外生产的用于测试线路的光时域反射计OTDR 价格往往在100000元以上,这就限制了他在通信维护上的普及。因此如何研制自己的OT DR 并用

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朱　磊:一种基于小波变换的OTDR 事件分析算法的研究

于光纤线路监控就具有非常美好的前景,而事件判决算法是OTDR卡研制中的一个重要部分。

文章提出了一种运用小波变换较好的定位光纤断点及反射事件的方法。

2　小波变换运用于信号奇异性检测

信号中的奇异点及不规则的突变部分经常带有比较重要的信息,他是信号的重要特征之一。长期以来,傅里叶变换是研究函数奇异性的主要工具,但傅里叶变换缺乏空间局部性,他只能确定一个函数奇异性的整体性质,而难以确定奇异点在空间的位置及分布情况。我们知道,小波变换具有空间局部性质,因此,利用小波变换来分析信号的奇异性及奇异性的位置是比较有效的。

通常情况下,信号奇异性分为2种,其中一种是信号在某一时刻内,其幅值发生突变,引起信号的非连续,幅值的突变处是第一种类型的间断点。图1是一条典型的OT DR曲线,我们可以认为反射事件属于第一种类型的间断点,可以采用小波分析的方法对其进行定位。

(1)主要由于耦合设备和光纤前端引起

的菲涅尔反射脉冲。

(2)光脉冲沿具有均匀特性的光纤段传

播时的背向散射曲线。

(3)接头或耦合不完善引起的损耗或光

纤存在某些缺陷、熔接缝、光纤弯曲、引起

的高损耗区,叫做非反射事件,只有插入损

耗,没有反射。

(4)光纤断裂处,造成折射率在玻璃和空

气之间变化,形成反射事件。在光纤尾端之后,

检测不到光信号,曲线表现为接收器的噪声。

通常,用李普西兹指数(Lipschitz)来描

述函数的局部奇异性。在利用小波分析这种

局部奇异性时,小波系数取决于f(x)在x0点的邻域内的特性及小波变换所选取的尺度。在小波变换中,局部奇异性可定义为:

设f(x)∈L2(R),若f(x)对 x∈ x0,小波 (x)可实现连续可微,并具有n阶消失矩(n为正整数),有:

W f(s,x) ≤K a s K为常数

则称为x0点的奇异性指数(也称Lipschitz指数)。

对 x∈ x0,有: W f(s,x) ≤ W f(x,x0) ,则称x0为小波变换在尺度s

下的局部极值点。

图1　典型O T DR测试曲线

3　典型OTDR曲线的小波变换

在图2中,曲线A是一条典型的OTDR曲线,从图2中可以看出,第一个较大的反射峰是光纤前端的菲涅尔反射峰,第二个对应着光纤的尾端,其后是噪声段。将曲线A经过简单的程序处理,先抛开前端的一部分菲涅尔反射峰,丢弃大部分噪声段,得到曲线B。用db1小波分解信号到第6层,对分解结构[c, l]中的第1层高频部分进行重构,得到曲线C。我们看到,在信号的小波分解中,因为信号的反射峰包含的是高频部分,第1层(D1)的高频部分将信号的断

点显示得相当明显。

图2　典型O T D R曲线的小波变换过程

4　应用实例

采用以上的算法,实现了一个光缆线路自动监测系统,采用光功率的备用纤监测方式实现了对一条全长多于1000km的光缆线路的实时监测。在监测站中,为了提高系统对故障判别的准确性,对2条备用光纤进行实时监视,一旦光功率监测告警发生,由控制模块启动OTDR对所有纤芯(包括主用纤和备用纤)进行测试。对主用纤通过WDM器件进行在线测试,对备用纤直接进行测试,告警信息和测试结果先后上传至监测中心。为了保证告警信息和测试结果数据能可靠地传送到监

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《现代电子技术》2004年第3期总第170期仿真与测试