（计算机应用技术专业论文）小波变换在光缆监测系统中的研究与应用.pdf

摘要 随着通信光缆在电信 电力 铁路及广播电视等行业的广泛应用 光缆线路 出现的故障次数也在不断的增加 已给通信网的正常运行带来了较大的影响 如 何及时有效的对光缆线路进行维护和管理 及时地发现故障位置 迅速排除故障 从而保证通信网络的正常运行 成为了一个重要问题 为了满足光缆维护和管理 的需要 光缆在线监测系统应运而生 但在目前的光缆监测系统中光缆的故障定 位精度不高 给维护带来了很大的困难 而将小波变换引入到光缆监测系统中 将有助于迅速准确地进行故障定位 从而提高排除光缆故障的效率 本文分析了光缆监测及其故障定位的技术 理论上分析了傅立叶变换和短时 傅立叶变换在光缆监测系统的故障定位中的不足 针对光缆在线监测系统中的关 键问题 故障位置的准确判断 提出了利用小波变换来检测和分析故障暂念信 号的方法 针对小波变换在降噪和故障检测中应用的实际问题如小波基函数 分 解尺度和降噪阈值 小波变换初始数据的选取等进行了研究 并依据实际的数据 和测试曲线 对曲线的降噪和光缆故障定位进行了仿真 结果表明小波变换在故 障定位中是有效的 精确的 然后本文将基于小波变换的故障定位在光缆在线监测系统上进行了实现 并 且在故障定位的基础上实现了对曲线的进一步分析 并将它与整个系统进行了集 成 经过多次测试 结果表明故障定位的精度有了很大的提高 本文最后对在光缆在线监测系统中基于小波变换的故障定位和曲线分析的开 发作了总结 并指出了其不足和今后进一步改进的方向 本文含图4 1 幅 表3 个 参考文献3 0 篇 关键词 小波变换 光缆监测 故障定位 信号降噪 分类号 t p 3 1 1 5 2 a b s t r a c t m t l lt h e p o p u l a r i z a t i o n o ft h eo p t i c a lf i b e r e q u i p m e n t i nt h el i n e so f t e l e c o m m u n i c a t i o n s e l e c t r i cn e t w o r k r a i l w a yn e t w o r k b r o a d c a s tt e l e v i s i o nn e t w o r k t h eo p t i c a lf i b e rf a i l u r e sh a v eb e c o m et h eh i g h e r f r e q u e n to c c u r r e n c e sa n dt h u s s u b s t a n t i a l l yd i s t u r b st e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i tw i l lb eai m p o r t a n tp r o b l e ma st o h o wt op r o v i d ec o n s t a n tm a i n t e n a n c eo ft h ef i b e rm o n i t o r i n gs y s t e m t i m e l yd e t e c tt h e b r o k e n d o w nl o c a t i o n sa n dr a p i d l ys o l v et h ep r o b l e m ss oa st oe n s u r et h en e t w o r k r e g u l a rw o r k i n g i nr e s p o n s et ot h i s f i b e rm o n i t o r i n go n l i n es y s t e mr i s e st ot h eo c c a s i o n a n dm e e t st h en e e do ft h eo p t i c a lf i b e rm a i n t e n a n c e b u tt h ea c c u r a c yo fb r o k e n d o w n l o c a t i o n si sn o te n o u g hi nn o w a d a y s f i b e rm o n i t o r i n gs y s t e m a n dt a k em a n y p r o b l e m s t om a i n t e n a n c e i th e l p st od e t e c tt h ep r o b l e ml o c a t i o n si nt i m ea n di n c r e a s es p e e di n m a i n t e n a n c et om a k eu s eo fw a v e l e tt r a n s f o r mi nt h ef i b e rm o n i t o r i n g 1 1 1 i sp a p e ra n a l y z e st h et e c h n o l o g yo ff i b e rm o n i t o r i n ga n db r o k e n d o w nl o c a t i o n s a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o wt h es h o r t a g eo ft h ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o na n ds h o r t t i m e f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o ni nt h eb r o k e n d o w nd e t e c t i o no ff i b e rm o n i t o r i n g s y s t e m a i m e da tt h ek e yp r o b l e mo ff i b e rm o n i t o r i n gs y s t e m a c c u r a t ej u d g m e n to f b r o k e n d o w nl o c a t i o n s an e wm e t h o du s i n gt h ew a v e l e tt r a n s f o r mi sb r o u g h to u tw h i c h c a nd e t e c ta n da n a l y z et h et r a n s i e n tf a u l ts i g n a l s t h ep r a c t i c a lp r o b l e m si nt h ef a u l t d e t e c t i o na n df a u l tl o c a t i o nu s i n gt h ew a v e l e tt r a n s f o r m s u c ha st h ew a v e l e tb a s i s f u n c t i o n d e c o m p o s i t i o no fs c a l e n o i s et h r e s h o l da n dt h ei n i t i a ld a t aa r es t u d i e d a c c o r d i n gt oa c t u a ld a t aa n dc u r v eo ft e s t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a v e l e t a n a l y s i si sa v a i l a b i l i t ya n da c c u r a t ei nt h eb r o k e n d o w nl o c a t i o n s t h ep a p e ri m p l e m e n t sb r o k e n d o w nl o c a t i o ni nf i b e ro n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma n di m p l e m e n t sa n a l y s i so ft e s tc u r v e f i n a l l y 1 1 1 ee n t i r e s y s t e mw a si n t e g r a t e d a c c o r d i n gt om a n yt e s t s t h er e s u l ti sa v a i l a b i l i t ya n da c c u r a t e f i n a l l y t h i sp a p e rs u m su pt h ep r o c e s so ft h ed e v e l o p i n go ft h eb r o k e n d o w n l o c a t i o na n dt h ec u r v ea n a l y s i si nf i b e ro n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw a v e l e t t r a n s f o r m a n dp o i n t so u tt h ed e f e c t si ni ta n dt h er o o mf o ri m p r o v e m e n t t h ep a p e ri n c l u d e s4 1p i c t u r e s 3t a b l e sa n d3 0r e f e r e n c e s k e y w o r d s w a v e l e tt r a n s f o r m f i b e rm o n i t o r i n g b r o k e n d o w nl o c a t i o n s s i g n a l n o i s er e d u c t i o n c l a s s n o t p 31 1 5 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者虢私族 签字日期 碍年多月2 日 导师签名 力轨吩 签字日期 2 矿孑年z 月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位做储虢 弘戋签字嗍时年z 月 日 6 8 致谢 本论文的工作是在我的导师李红辉老师的悉心指导下完成的 李红辉老师严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 在此衷心感谢两年来 李红辉老师对我的关心和指导 杨芳南老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作 在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助 在此向杨芳南老师表示衷心的谢意 刘峰老师 张杰老师和网络管理中心的老师都对于我的科研工作和论文都提 出了许多的宝贵意见 在此表示衷心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间 项目组的马少伟 余伟 马颖 周伟荣 马 飞 刘蓉等同学 他们对我的研究和工作给予了热情帮助 在此向他们表达我的 感激之情 另外也感谢我的父母和家人 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业 衷心的感谢所有在我成长过程中给我关心 支持和帮助的老师 亲人 朋友和 同学 1 1 引言 l 综述 随着全球通信事业的迅猛发展 光进铜退的时代已经到来 由于光缆成本大 大降低 并且光缆通信具有大容量 高速率 传输距离远等优点 光缆逐渐取代 了比较落后的铜缆 目前 我国光缆的总长度己达至u 1 6 4 万公里 光纤总长度已达 2 2 4 0 万公里 光缆线路的大量敷设和使用 必然会带来光缆维护和管理上的种种 问题 特别是光缆故障问题 将严重影响光缆的j 下常通信 从而影响人们的同常 生活和工作 所以光纤通信系统的可靠性和安全性越来越受到人们的关注 因此 如何及时有效地对光缆线路进行维护和管理 快速准确地进行光缆的故障定位 迅速排除故障 是保证通信网络正常运行所要关注的重要问题 在光缆通信和信息技术飞速发展的今天 大多数管理和运营部门仍依靠传统 的手段对现有的光缆网络进行维护和管理 在传统的手段中所有的传输线路系统 基本上都是按i t u t 建议监视传输误码率的 当误码率超过门限时 将关闭这些 系统 然后判断故障是在传输设备上还是在光缆网络上 如果故障是在光缆网络 上 再依靠仪器对指定光缆段进行测试 最后由人工去判断仪器返回的测试曲线 以确定故障点 这种传统的分散 被动和人工测试维护方式不仅使得故障查找困 难 而且花费的时间也很长 因此影响了光缆网络的正常工作 并造成巨大损失 所以传统的光缆线路维护管理模式己不能适应现代化光缆通信大规模发展和社会 经济发展的要求 随着通信光缆线路和设备的大幅度增加 为了节省成本 提高光缆维护工作 的效率 特别是光缆故障的诊断和定位 就要使传统的分散 被动和人工测试维 护向集中 主动和自动化测试维护方向转变 以确保在原有的线路维护技术人员 不大幅增员的情况下 巨额投资建成的光缆网络能高质 高效 安全地运行 所 以实现光缆自动监测系统是十分必要的 然而目前的光缆自动监测系统的故障定 位精度不高 尤其是在噪声很大的情况下 而影响故障定位精度的主要因素是故 障定位时所采用的算法 小波变换在区分噪声和有效信号 曲线故障检测和奇异 性分析方面有着明显的优势 所以将小波变换引入光缆在线监测系统中将有助于 提高故障定位的准确性 提高光缆维护的效率 所以本文将主要研究小波变换在光缆在线监测系统中特别是光缆的故障定位 中的应用并进行m a t l a b 仿真 最后在光缆在线监测系统中加以实现 1 2 光缆监测系统的现状 随着现代化光缆通信的高速发展 大量的光缆通信工程以前所未有的速度投 产运行 各种新技术如s d h 技术 密集波分复用技术的应用 使得光缆系统上传 输的容量越来越大 从1 4 0 m b i t s 到2 5 g b i t s 直至1 0 g b i t s 以上 而随着光缆的通 信容量的变大 查修障碍也变得越来越困难 一旦光缆发生故障 势必会造成系 统的长时间阻断 给企业带来严重的损失 所以运营商为了提高效率 降低维护成本 通常采用外包的形式 将光缆线 路的维护工作交给其他公司进行处理 并引入了辅助测试设备o t d r o p t i c a lt i m e d o m a i nr e f l e c t o m e t e r 光时域反射仪 而且根据多年经验提出了一些很好的改 进措施和管理方法 但是还是与现代通信网络维护所提出的要求有一定的差距 远不能适应对光缆进行监测和管理的需要 仍存在着大量的问题 2 l 目前的光缆监 测主要有以下几个问题 1 监测工作量大 根据现代通信网络维护所提出的要求 要求对中继和用户光缆为主用光缆的 监测要按需进行 而备用光缆每年要监测一次 而我国最大的运营商 中国移 动的维护人员也只有百人左右 而移动的传输系统总长度约为2 力 8 千公旱 假 如这些维护工人不但要负责平时的维护抢修 还要完成这些测试工作 工作量之 大 可想而知 所以目前没有哪家公司会依靠人工去做这方面的测试工作 但这 也使得对光缆故障的处理都是处于被动状态 不会主动的去测试光缆并发现光缆 的不足 从而无法优化 提高光缆网络运行的质量 2 测试时间长 目前大部分的光缆监测系统所采用的都是传统的人工监测方式 这种方式的 故障诊断和定位历时比较长 一旦出现故障 首先要分析是设备还是光缆网络 如果故障发生在光缆线路上 就由技术人员在o d f 机架上寻找到被测光缆 再利 用o t d r 仪器对该光纤进行测试 然后再由人工进行汇总和分析 所以如果发生 了通信故障 就需要先从传输上检查判断 再将故障段落缩4 n 某一光缆段 再 安排人员和仪器进行测试 定位 这样就延迟了光缆故障的抢修时间 3 对故障点定位彳i 够精确 人工测试虽然也使用o t d r 对光缆进行测试和故障点定位 但由于光缆实际 布放时的弯曲和在井道 架控等处预留的盘纤长度 使其对故障的定位不够精确 而且o t d r 仪器测试所用的故障定位算法效果不太好 故障定位的精度不够高 从而影响了抢修速度 降低了维护效率 4 难以实现预防为主 由于光缆质量的劣纯是个渐变过程 常规测量属予人工汇总 分析 出于测 试量巨大 工人不能主动地去监测光缆 只能在故障告警出现之厝进行故障诊断 和定位 这样就难以掌握光缆的劣化速度 并在光缆质量劣化到某 程度时自动 发出预告警信号 从而无法加强对其监测或采取相应措施 防患于未然 5 光缆资源管理混乱 由于光缆建设规模的不断扩大 容量迅速增长 藤且由于光缆生产厂商 建 设年代 光缆的质量和芯数均不同 铺设的地域 方法 架空 直埋 管道 和 每根光缆中使用的光纤数量 对应的用户又各不相同 要对愈来愈大的光缆网络 资源和各种数据 情况进行有效的管理 需另设系统 即使有的公司已经建有资 源管理系统 但由于系统的庞大 数据改动的频繁 再加上经常的抢修后数据忘 记更新或来不及及时更新 往往造成光缆资料数据的不准确 所以经常造成维护 上的不便 6 报表 资料管理复杂 传统的维护管理以书面为主 无法在计算机系统内存贮 致使各种报表 资 料日积月累而庞大 检查 对照均十分不便 这些问题中光缆监测量大是客观事实无法改变 光缆资源和报表管理的混乱 可以利用数据库和相关的计算机技术进行改进 而测试历时较长 故障定位不够 准确 这就得从光缆监测的方式和光缆故障定位的算法上进行改进 从而进一步 改变被动的测试为主动测试 掌握光缆的劣化情况 实现光缆故障的预防 本文 简要探讨了光缆监测的方式 并在其基础上结合实际中光缆在线监测系统的开发 对小波变换在光缆故障定位上的应用做了详细的探讨 1 3 光缆监测技术及方法 光缆监测 顾名思义光缆监测的工作包括监控和测试两个部分 监控就是对 光缆进行测试以发现光缆故障 而测试是在发现故障后定位光缆故障的具体位置 所以光缆监测技术也包含了这两个方面 丽从技术出发这两方面所采用牌方法也 不一样 1 3 i光缆监测技术 目前光缆监测技术主要有光功率测试技术和o t d r 测试技术两种 1 光功率测试技术 3 1 光功率测试是通过实时监测被测光纡收端的光功率变化来达到蓝测光纤传输 特性的目的 光功率实时监测告警分为在线监测和备纤监测两种方式 在线光功 率监测是利用在线分光机制监测业务纤信号 备纤光功率监测是指利用空闲光纤 进行光功率监测 系统提供主动光源 从对端发光并经空闲光纤传送到监测站 在监测站通过光功率监测设备实时接收收端光功率 从而达到监测光缆状况的目 的 目前主要用的设备是 o p m 光功率测试仪 2 o t d r 光时域反射仪 测试技术 o t d r 测试是指o t d r 仪器通过特制的脉冲激光二极管生成高功率光脉冲 并在光纤内传输这些高功率光脉冲 并在每个脉冲的传输过程中记录反射的光信 号 当o t d r 产生的脉冲在光纤中传输时 大多数光是沿着光纤的方向传播的 然而 由于光纤玻璃的一般结构以及存在的微小缺陷 会有小部分光散射到其他 方向上 这种基于光纤衰减系数的 背向散射 般存在于特定长度的光纤中 背向散射是散射光的一小部分 它向回传播到o t d r 的方向并被检测到 o t d r 将从光纤中得到的背向散射数据记录下来并形成测试曲线 这是故障定位的重要 依据 而后o t d r 对背向散射数据曲线的变化进行分析 通过分析出的光纤中使 源脉冲功率减弱或反射的事件 来定位故障点位置信息 表1 1 两种监测技术 t a b l e l it w o m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y 项目光功率测试o t d r 测试 主要功能监测光纤的性能劣化和告警 并预警在光缆发生故障后测定故障点位置信 光缆故障息 实时性 实时监测点名测试 定期测试 监测精度 0 1 d b0 0 0 1 d b 成本低高 总结 从主要功能 实时性 监测精度和成本四个方面可以看出 光功率测 试只能对整个光缆的状况进行检测 而不能将故障定位到局部 而o t d r 虽然能 进行故障定位 但是它的成本较高 且其中原件的使用寿命有限 所以光功率测 试和o t d r 测试应该辅助使用 即在光缆监测系统中采用光功率告警再触发o t d r 测试的机制 由光功率实时监测被测光纤的传输特性 在发现光纤的性能劣化或 故障告警后自动触发o t d r 测试 进行故障点的定位 由于监控这部分只需要发现光缆段有故障即可 不必直接去定位 所以一般 采用光功率测试技术 而测试部分需要对故障进行精确定位 所以必须采用o t d r 测试技术 4 1 3 2 光缆监控方法 从上面提出的两种技术出发 目前光缆监控的主要方式有o t d r 轮巡 光源 光功率模块和分光器 光功率模块三种 4 l 1 o t d r 轮巡方式 这种方式也就是周期性测试方式 系统针对监测范围内的光缆网络中的每一 条或每一组光缆段 逐一选择相应的光纤测试链路启动o t d r 进行测试 判断当 前测试的光缆段是否有故障 这种方式的优势很明显 成本低 实施部署简单 除了o t d r 仪表和光开关 不需要再部署其他硬件 但这种方案的劣势也很突出 轮巡周期的设置很难两全齐美 设的周期太短会使系统处理大量的无用数据 也 会直接影响o t d r 设备的使用寿命 设的周期太长起不到尽早发现光缆故障的作 用 因此也就无法实现故障的实时定位 这是o t d r 轮巡方式最大的缺点 2 光源 光功率模块 o p m 的方式 把光源放置在被测光缆的一端 并向光缆中的一根备纤发射功率稳定的测试 光 在光纤的另一端使用光功率模块 o p m 测试光功率 如果光功率异常 则 可认为该光缆出现故障 其结构如图1 1 所示 这种方案基本上可以实现对光缆故 障的实时监控 因为光缆中断时 承载光源的备纤也会中断 从而被o p m 检测到 异常 但是由此也带来了一些弊端 1 光源发出的测试光需要占用光纤资源 2 系统中至少存在光源 o p m 等硬件 当系统具备一定规模时 维护非常困难 而 且系统建设投资会随光缆网络的扩大而急剧增加 i 一 传输设备r i 业务纤 传输设备 一0 一一 0 t 一 f d 光缆1 1d 一 f f 一一 光源 备纤 0 p m 图1 1光源 光功率模块 o p m f i g t u r e1 1l i g h ts o u r c e o p m 3 分光器 光功率模块 o p m 的方式 基于o p m 和分光器的方式是指在已经承载业务的光纤上放置一个分光器 从 光纤业务信号中分出一部分 如总功率的3 到o p m 由o p m 对这分出的小功率 光信号的变化情况进行监控 如果o p m 监测结果异常 则认为该光纤所对应的光 缆段可能发生故障 从而启动o t d r 对相关的光缆进行测试 其结构如图1 2 所 示 这种方式取消了光源的配置 也减少了对备纤资源的占用 但是同时也带来 了新的问题 1 传输业务光纤增加了一个光器件 分光器 也就增加了一个潜在的 故障点 使传输系统的可靠性有所下降 而且在系统部署的时候需要大量的割接 活动 在每两个传输设备之间都要有一次割接 可操作性极差 2 与方式二类似 系统部署时需要配置大量的o p m 及分光器等硬件设备 光缆监测系统的建设成本 和扩容成本也随之增加 分布放置的o p m 和分光器也会增加系统的维护成本 广 r 一 0 r 0 厂一1 传输设备 分光器睁一羹蚤一 光缆卜制 峥一 转输设备 l l 十凸l ldl j r l 光功率监控睁一一羽谎功率 图1 2 分光器 光功率模块 o p m f i g u r e1 2d i s p e r s e r o p m 通过对上述三种光纤监控方式的分析 我们可以发现它们各有刹弊 在特定 的环境下才能发挥本身的优势 所以在我们的系统中将结合三种监控方式 根据 不同情况灵活的采用不同的监控方式 l 如果要对光缆状况的变化趋势做出判断 焉不是为了实时监控 就可以采 用o t d r 轮巡方式 轮巡周期定为2 4 小时 通过定期采集光纤的o t d r 测试曲 线 形成一套光纤o t d r 测试曲线的历史数据 使线路维护人员能够通过研究这 些数据 分析出光纤状况的变化趋势 从两采取措施预防 些故障的发生 这对 于当前的所有光缆监控具有普遍意义 2 对于光纤资源充足的光缆 它有富余的备纤 就应该优先采用光源 o p m 的监控模式 以加快部署速度 并减小对传输系统可能造成的干扰 考虑到光源 的硬件投入 需仔缨规划光源点的配备 以最大程度的使多条光缆共用监控光源 节省设备投资 3 对于光纤资源比较紧张的光缆 就应该采用分光器 o p m 模式 1 3 3 光缆测试方法 在本文的光缆监测系统中 当通过光缆监控发现故障后 就会触发o t d r 仪 器对疆标光纤进行测试 进一步确定故障的具体位置 以便工作人员及时维修 耳前主要的光缆测试方式主要有在线测试和备纤测试两种 5 在了解这两种测试方案之自矿 我们首先需要了解一个事实 从理论上来说 一根光缆肇的所有纤芯 不论是否使用 其受环境影响的程度和物理特性的变化 大致相同 当遭遇外力作臻 湿气渗透 线路撰断等原因造成障碍时 其所表现 出来的性能数据变化情况基本相同 根据b e l lc o r e 的测试结果 超过9 0 的光缆 6 障碍会影响光缆中的所有纤芯 因此 测试光缆中的一根纤芯就基本上可以反映 出整根光缆的情况 这个结论非常重要 它是光纤测试的理论基础 l 在线测试 在线监测是o t d r 采用与光传输设备工作波长不同的测试光 再通过波分复 用器 w d m 滤波器 f i l t e r 并使用波分复用技术 将测试波长与工作 波长复合到一起 从而能共享光纤进行测试 整体结构如图1 3 所示 这种测试方 式的优点在于它能直接对在用光纤进行监测 所以可以直接反映在用纤芯的真实 情况 但是其弊端也是非常突出的 首先 需要增加波分复用模块用来复合光波 还需要增加光滤波器模块滤除o t d r 的杂光 这些光器件会大大增加系统的成本 其次 增加的光器件对传输系统而言就增加了潜在的故障点 对传输性能和可靠 性有着潜在的危险 而且o t d r 测试光与业务信号在同一纤芯中传输 也可能对 业务有直接影响 并且由于波分技术应用的长度有限 也限制了o t d r 的测试范 围 传输设备 一f 一 一 一一 r 0 一一 j 0 i 一一一 h w i m 卜 一 dp 光缆f d 一一 f i l t e r h 传输设备l 一一 l f f t 0 t d r 图1 3 在线测试 f i g u r e1 3o n l i n et e s t 2 备纤测试 按照前面介绍的理论 备纤测试就是在不承载业务的备纤中使用测试光测试 光纤状况 它是最简单的监测方式 不需要接入其他光学器件 所以它的好处显 而易见 系统成本低 且容易架构 部署方便 而且由于备纤的特性 光缆中富余 的光纤 备纤测试有利于系统的倒换 当然 这种方式也存在着测试结果不能准 确反映光缆状况的几率 虽然这一几率不到1 0 而且同时还需要占用额外的 备用光纤 不适合备纤资源紧张的光缆系统 测试的布局如图1 4 所示 传输设备 卜 业务纤 00 d 光缆 d 传输设备 ff 0 t d r 备纤i p 图l 4 各纤测试 f i g u r e1 4s t a n df i b e rt e s t 总结 从上面两种测试方式的比较可以看出 如果在备纤资源较充足的情况 下优先采用备纤测试 以降低系统成本 缩短构建系统的时间 并避免对业务系 统的影响 在备纤资源比较紧张的情况下采用在线测试 一般干线光缆多采用备 纤监测 表1 2 两种测试方式 t a b l e l 2t w om e t h o d so ff i b e rt e s t 测试方式在线测试备纤测试 测试对象业务纤空闲光纤 实时性实时反应业务纤的传输状况通过空闲光纤反应业务纤的传输状况 对传输系统的影响 丁程实施时需要中断业务无 占用的光纤资源 少 多 成本高 采 j 的光器件多 低 监测距离 短长 综合本节的分析 本文所开发的光缆在线监测系统 采用的是o p m 光源进 行实时监控 再利用o t d r 光开关对对应光缆的进行测试 当o p m 光源监控时 发现光缆光频率波动较大 就产生告警触发光开关将光通道切换到对应光缆 同 时触发o t d r 对对应的光缆进行测试 同时还利用了o t d r 进行周期性测试来预 防故障的发生 由于本文的监测系统面向的应用有足够的备纤 所以采用的均是 备纤测试方式 1 4 光缆故障定位的原理及其算法 从光缆在线监测系统的目的 出现故障后能及早 准确的发现故障并及时地 对光缆进行维护和管理 可以看出 经过监控发现故障后 对光缆进行测试和故 障定位是十分关键的 而从1 3 节的分析 可以看出目前的光缆测试和故障定位主 要都是通过o t d r 卡来实现的 1 4 1光缆故障定位的原理 光缆故障定位的原理就是对o t d r 测试返回的曲线进行分析 这是因为 o t d r 的工作原理是由激光发射一束脉冲到被测光纤中 由于被测光纤链路特性 及光纤本身特性所反射回的信号会返回o t d r 信号通过耦合器到接收机 在那 早光信号被转换为电信号 这些电信号信息实际就是各采样点处的衰减值 o t d r 在采集到这些电信号信息后 将这些信息记录下来并绘制成曲线显示出来 而根 据这些电信号就可得出有关链路的非常重要的特性 如果光纤链路中含有接头 弯曲 裂痕等缺陷或故障 则在相对应的位置点处的采样数值必然出现 跳跃 图1 5 为o t d r 测试的一般原理 并显示了o t d r 测试链路上可能出现的各类事 件 激光器 几il 耦合器 检测器 分析电路 疆d 接头熔接点弯曲机械接头裂痕尾端 相 对 功 逮 瓮 粤 图l 一5o t d r i 作原理 f i g u r e i 5o t d rw o r k i n gp r i n c i p l e 从o t d r 的工作原理可以看出 光缆上的故障对应着曲线上的突变点 对光 缆的故障进行定位 也就是对曲线上的突变点 也称为事件 进行定位 从图1 6 上可以看出 曲线上主要有3 种事件 非反射性事件 反射性事件及人工插入事 件 其中非反射事件是光缆出现损耗 可能是光纤受损或经过光缆接头处造成的 反射事件 它主要是在光纤切面比较平滑或两段光纤结合的不紧密时出现的 而 人工插入事件 则是指在人工分析时 认为此处有一光缆接头或光缆连接设备 而没有在曲线上出现损耗 为了便于标识 所以添加了人工插入事件 所以人工 插入事件不存在定位问题 故不在本文的讨论范围之内 图l 石测试曲线示意图 f i g t u r e l 6t e s tc u r v e 图1 6 中x 代表光纤距离 y 代表光功率 z 代表事件的插入损耗 h 代表事 件的反射损耗 其中非反射事件的插入损耗为0 9 但是图1 6 中的数据魏线是理论上的示意图 经过对实际光缆的测试 发现得 到曲线的事件特征没有如此明显 而且含有很大的噪声 特别是快接近尾端时 这给事件判断和定位带来很大麻烦 众所周知 无论是在工程抢修 还是光缆线 路的嗣常维护中 故障点位置的判断失误会给工程的开展带来极大的困难 所以 在进行超线分析和故障定位之翦 应先对测试蓝线进行降噪处理 1 4 2 光缆故障定位的算法 譬前的光缆监测系统绝大多数都是采用o t d r 本身所带的故障定位算法来进 行曲线分析的 丽o t d r 对测试返回曲线进行事件定位的算法大部分都是采用回 归分析中的预测模型 即最小二乘法 来实现的f 6 j 如图1 7 所示 已籍o t d r 关于距离返隧嚣背向瑞剩散射信号罗 x 是线性的 则根据距离段 b 而 内的数据作线性回归分析 得回归方程y x a x b 取x t x 2 之间的n 个采 kn 样点 利用最小二乘法 使得 訾 苁一峨 b 2 为最小值 对a b 求偏 i 鬻li l 微分 得方程组 v 嚣一2 y j 一 i l 嚣一2 y 二 一 i l 蕾 0 0 通过该方程组求得a 和b 就得到o t d r 数据的线性方程y 力 a x b 有了 o t d r 数据的线性方程恁 就可殿浚回归方程来预测x 3 点处的信号僮 判断实际 测试值是否在它的置信区间内 以判断是否存在事件 图l 7 同门分析及预测模型进行事f 判断 f i g t u r e l 7r e g r e s s i o na n a l y s i sa n df o r e c a s t i n gm o d e lf o rj u d 峦n gt h ee v e n t 判断x 3 点是在正常随机误差波动范围内 还是一个事件 可依据t 检验准则 来进行 我t u i 矢i 道 对于有限次测量而言 数据误差遵守t 分布 这样规定一个显 1 0 歹 2 f s g 霄 洲 i l a一觑a一勃 r1 著性水平伐 对于x 3 点的数据 求如矗拳l y x y x o t 翔果 y s t a 2 嚣 则初步认为是一异常点 逐点重复上述过程 即可分析如盐线中所有的事 牛 其 中 y 黧 肚三窆i 1 而t 叫班y 班 由上面介绍的回归分析及预测模型方法 可以看出这种方法的优点和不足之 处 优点 实现起来比较容易 从以往的经验看来 它比以往采熏的五点法要精 确 采用五点法获得的事件判决最小间距大约为2 0 m 采用最小二乘法获得的枣件 判决最小间距大约为8 m 1 7 缺陷 l 这种方法是典型的逐点处理方法 如果一条o t d r 测量趣线中包含很多点 通常达几万个点 它将需要很长时间才能处理完所有点的判断 2 在求回归方程y 甜 b 时 x l x 2 两点的取法很棘手 因为事先不知道 所有可能的事件位置 如果爨取嚣x l x 2 两点之瓣包含了一个事 牛 剐会使整个 预测失败 3 在o t d r 测量曲线中 如果由于噪声所引起的曲线波动幅度和事件 跳跃 幅度在丽一个量级上 则这种回归分析及预测模型的方法就完全不适用 随着对光缆故障定位精度要求的提高 o t d r 本身所带的故障定位算法不能 满足现代光缆维护所提出的要求 而小波分析作为新兴的一个数学分支 它是在 傅立叶分析的基础上发展而柬的一种新的时频分析工具 它克服了傅立叶变换不 裁对信号进行局部纯分析这一严重缺点 同时有缀强的特征提取功能 凭其对突 变信号的处理 表现出j 暑常明显的优点 所以在光缆在线监测系统中 用小波变 换来代替最4 乘法或血点法来对故障定位进行分析 对故障定位的精确度将会 有很大的提高 1 5 研究工具 本课题仿真研究的工具为m a t l a b7 0 及其中的小波变换工其箱 在本文的 光缆监测系统中故障定位实现所用的工具是v c 6 0 1 5 1m a t l a b 篱介 m a t l a b 诞生在2 0 世纪7 0 年代 它的编写者是c l e v e m o l e r 博士和他的同事 m a t l a b 译为矩阵 m a t r i x 和实验室 l a b o r a t o r y 的组合 1 9 8 4 年 c l e v e m o l e r 和j o h n l i 掇e 成立了m a t h w o r k s 公司 歪式把m a t l a b 推囱市场 并 继续进行m a t l a b 的开发 后面每一次版本的推出都使m a t l a b 有了长足的进 步 界面越来越友好 内容越来越丰富 功能越来越强大 2 0 0 4 年6 月 他们发 奄了最新麴版本m a t l a br 1 4 其中包括m a t l a b 7 s i m u l n i k 6 和很多新的工 具箱 并对其中的多种工具箱进行了升级 例如本文使用的小波工具箱 w a v e l e t t o o l b o x 从2 2 版本升级到3 0 版本 m a t l a b 是用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境 它集数值分析 矩阵计算 信号处理和图形显示于一体 构成了一个方便的界蘧友好的焉户环境 该系统的基本数据结构是矩阵 在生成矩阵对象时 不需要明确的维数说明 m a t l a b 具有很强的功能扩展能力 与它的主系统一起 可以配备各种各样的工 具箱 以完成一定特定的任务 m a t l a b 的推出得到了各个领域的专家学者的广 泛关注 其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础 1 6 本文结构安排 论文主要包括6 章 第一章简要介绍了本文选题的背景及光缆监测的现状 并分析了当前光缆监 测技术以及故障定位原理和故障定位的算法 还介绍了本文研究与实现所用到的 王矮 第二章分绍本文研究的基础一小波分析的基础理论 第三章介绍本文开发的光缆在线监测系统的总体架构 软件结构和运行环境 第四章以光缆监测系统开发中的实际的数据和测试曲线为基确 利用第二章 的理论基础知识对曲线进行降噪和故障定位的仿真并分步骤来探讨小波变换如何 用于降噪和奇异性分析 并对各种小波函数在降噪和故障定位中的效果进行对比 第血章主要论述了系统中故障定位及其相关部分的实现 并在实际应用中做 了测试 最鹾 论文在第六章对全文硪究进行了总结 并指感了系统中还存在的不足 和今后进一步改进的方向 1 2 2 引言 2 小波变换基础理论 小波分析 w a v e l e ta n a l y s i s 是2 0 世纪数学研究成果中杰出的代表之一 它 作为数学学科的一个分支 汲取了现代分析数学中诸如泛函分桥 数值分析 傅 立时分析 样条分析 调和分孝斥等众多分支的精华 传统的信号分析是建立在傅立叶 f o u r i e r 变换的基础之上的 由于f o u r i e r 变换使用的是一种全局的变换 要么完全在时域 要么完全在频域 因此无法表 述信号的时频局部性质 两这种性质恰袷是菲乎稳信号最根本和最关键的性质 为了分析和处理非平稳信号 人们对f o u r i e r 分析进行了推广 提出并发展了 系 列新的信号分析理论 如短时f o u r i e r 变换 g a b o r 变换 时频分析 小波变换等 其中短时f o u r i e r 变换和小波交换也是在传统的f o u r i e r 交换不能够满足信号处理的 要求时两产生蒯引 小波分析是一种时域 频域分析 介子纯时域的方波分析和纯频域的传统 傅立叶分析之间 它具有多分辨分析 m u l t i r e s o l u t i o n a n a l y s i s 的特点 而且在 时域和频域丽时具有良好的局部纯性质 1 0 c a l i z e dn a t u r e 它可以根据信号的不同 频率成分 采用逐渐精细的时域或频域步长 因而可以聚焦到对象 函数 信号 图像等 的任何细节 并加以分析 从这个意义上讲 小波分析被誉为 数学显 微镜 并且小波分析由于它的 变焦 特性 即在低频部分具有较高的频率分辨 率和较低的时间分辨率 在高频部分具有较高的时阍分辨率和较低的频率分辨率 使得它在信号分解与重构 d e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t r u c t i o n 信号和噪声分离技 术 t e c h n i q u e so fs e p a r a t i o nn o i s ef r o ms i g n a l s 特征提取 c h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o n 等工程应用中 显示出臣大优越性 2 2 小波变换数学基础 小波变换是从傅立时变换的基础上发展越来的 自从1 8 8 2 年傅立时 f o u r i e r 发表 热传导解析理论 以来 傅立叶变换一直是信号处理领域最完美 应用最 广泛 效果最好的一种分析手段 2 2 1 傅立叶变换 f o u r i e r 的定义如下 定义l 设信号f t 蕾 r 则其f o u r i e r 交换定义为 f c o ie i 丞t f t d t 2 1 一 定义2f o u r i e r 逆变换定义为 厂 f 研f c o d o 2 2 2 7 t o o 式 2 1 和式 2 2 形成了f o u r i e r 变换对 可对信号实施分解和综合 傅 立叶变换的基本思想源于傅立叶级数 设输入信号为周期函数信号 除基波外还 含有不衰减的直流分量和各次谐波 可表示为 气 x t 哦c o s n o t a 疗s i n n o t 2 3 n 0 式中n 0 1 2 缈为基频角频率 a 和6 分别为各次谐波的正弦项和 余弦项的振幅 f o u r i e r 变换是时域到频域互相转化的工具 从物理意义上浼 f o u r i e r 变换麓 实质是把 厂 f 这个波形分解成许多不同频率成分的正弦波的叠加 这样就可以把 对原函数f t 的研究转化为对其加权系数即其f o u r i e r 变换f c a 的研究 从f o u r i e r 变换孛可以看出 这些标准基是出正弦波及其高次谐波缀成的 因蓝它在频域内 是局部化的 9 1 从式 2 1 中可以看出 第一 f o u r i e r 变换没有反映出随时间变化的频率 丽实际上需要的是 人们能够确定时间间隔 使在任何希望的频率范围上产生频 谱信息 第二 为了用式 2 1 扶信号 鳓中提取频谱信息 就要取无限的时间 量 虽然f o u r i e r 变换能够把信号的时域特征和频域特征联系起来 能分别从信号 的时域和频域观察 但却不能把二者有机地结合起来 这是因为信号的时域波形 中不包含任何频域信息 因此f o u r i e r 变换是整个时问域内的积分 没有局部化分 析信号的功能 完全不具备时域信息 也就是说 对于f o u r i e r 频谱中的某一频率 不知道这个频率是什么时间产生的 这样在信号