（通信与信息系统专业论文）基于Φotdr的无源光网络研究.pdf

摘要 摘要 多年来，业界直认为p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) 是接入网未来发展的 方向，这一方面是由于它提供的带宽可以满足现在和未来各种宽带业务的需要， 因此在解决宽带接入问题上被普遍看好；另一方面，无论在设备成本还是运维管 理开销方面，其费用也相对较低。分布式光纤传感系统是利用光纤作为传感介质 的一种传感系统，能对沿光纤线路范围内的对象进行远程和实时的安全监测。 基于咖o t d r 技术的p o n 通信系统赋予原系统新的安防监测功能，不仅具有 抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高等特点，而且具有隐蔽性好、报警定位精确、数 据处理相对简单等优点，适合于对大范围、长距离进行实时监测，在安防领域有 着重要的应用前景。 本课题具有很强的挑战性和创新性，巾o t d r 技术是近年来新出现的技术， 针对该课题作者在基于由o t d r 技术的p o n 通信系统的理论研究和实验研究上都 做了大量的开拓性工作，主要完成了下面的具体工作： ( 1 ) 总结光纤通信接入网的研究现状和应用情况，并分析不同p o n 结构的 优缺点。研究e p o n 和w d m p o n 两个p o n 接入网系统架构； ( 2 ) 对巾o t d r 分布式光纤传感系统进行理论和实验研究，完成系统的扰动 信号实验，对传感测试网络进行优化； ( 3 ) 研究能提供安防业务的e p o n 接入网的实施方案、网络性能、可行性、 成本、兼容性等问题，这是关系到两网融合能否实现的基本问题； ( 4 ) 对巾o t d r 传感网络和e p o n 的通信网络进行融合实验研究，搭建了一 个定位精度为1 0 0 m ，定位范围为1 3 k m 的能提供安防业务的e p o n 系统： ( 5 ) 研究数据采集和处理技术，采用通用的可视化开发工具v i s u a lc + + 来开 发用于巾一o t d r 的数据采集与处理软件。 ( 6 ) 研究和搭建w d m p o n 实验系统，并对系统性能进行测试； ( 7 ) 对由o t d r 传感网络和w d m p o n 的通信网络进行融合实验研究，搭 建了一个定位精度为1 0 0 m ，定位范围为l l k m 的能提供安防业务的w d m p o n 系 统。 关键词：e p o n 、w d m p o n 、由o t d r a b s t r a c t a b s t r a c t o v e rt h ey e a r s ，i t sa g r e e dt h a tt h ep o na c c e s sn e t w o r ki st h ef u t u r ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o n t h e r ea let w or e a s o n sf o rt h i sc o n d i t i o n f i r s t ，i tp r o v i d e st h eb a n d w i d t ht o m e e tp r e s e n ta n df u t u r en e e d so fa v a r i e t yo fb r o a d b a n ds e r v i c e s ，s oi th a v eag o o d p e r f o r m a n c ei ns o l v i n gt h ep r o b l e mo fb r o a d b a n da c c e s s s e c o n d ，i tc o s tl o wb o t l li i l e q u i p m e n to p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c er e l a t i v e l y d i s t r i b u t e do p t i c - f i b e rs e n s i n g ( d o f s ) s y s t e mi sak i n do fd i s t r i b u t e ds e n s i n gs y s t e mu s i n go p t i c f i b e ra st h es e n s i n gm e d i u m ， a n dc a r r i e so nr e a l t i m er e m o t es e c u r i t ym o n i t o r i n go ft h et a r g e tw i t h i ni t an e ws c h e m ef o rp a s s i v eo p t i c a la c c e s sn e t w o r k ( p o n ) w a sp r o p o s e d ，w h i c hc a n p r o v i d es e c u r i t ys e r v i c ea n ds e l f - l o c a t ep h y s i c a lf a u l t s t h i ss y s t e mn o to n l yh a st h e f e a t u r e so fe l e c t r o m a g n d i ci m m u n i t y , a n t i e r o d i n ga n ds e n s i t i v i t y , b u ta l s ot a k e s a d v a n t a g e so fh a r d l yb e i n gr e v e a l e d ，p r e c i s ea l a r ml o c a t i n g ，e a s i l yd a t ap r o c e s s i n ga n d s oo n a san o v e la l a r mm o n i t o r i n gs y s t e m ，s u c had i s t r i b u t e ds e n s i n gs y s t e mi s a n t i c i p a t e dt ob eu s e dw i d e l yi ns a f e t ym o n i t o r i n go fm i l i t a r yb a s e s ，n a t i o n a lb o a r d e r s ， n u c l e a rf a c i l i t i e s ，e l e c t r i c a lp o w e rg e n e r a t i o ns t a t i o n s ，j a i l s ，e ta 1 t h i st h e s i si n t r o d u c e sal o to fi n n o v a t i o n a lt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lw o r k a b o u tt h ep o nf i b e ra c c e s sn e t w o r ks y s t e mw i t hf u n c t i o no fs e c u r i t ys e r v i c e d e t a i l e d w o r ki sl i s t e db e l o w ： ( 1 ) t h ep r i n c i p l e sa n da p p l i c a t i o no fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na c c e s sn e t w o r k s y s t e m sa lea n a l y z e d ，a n dt h ee x i s t i n gm e t h o d so fp o n a lei n v e s t i g a t e da n d c o m p a r e d t w op o n s y s t e m sa r c h i t e c t u r eo fe p o na n dw d m p o nh a v eb e e nr e s e a r c h e d ( 2 ) a 巾o t d rs e n s i n gs y s t e mb a s e do ne d f ai sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d d i s t u r b e ds i g n a le x p e r i m e n t so fs y s t e ma r ec o m p l e t e d s e n s o rn e t w o r kd e s i g nh a sb e e n o p t i m i z e d ( 3 ) t h ec h a r a c t e r so ft h i ss y s t e mw h i c hc a l lp r o v i d es e c u r i t ys e r v i c ea n ds e l f - l o c a t e p h y s i c a lf a u l t sh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h es c h e m e ，n e t w o r kp e r f o r m a n c e ，f e a s i b i l i t y , c o s t ，c o m p a t i b i l i t ya n do t h e ri s s u e sw h i c ha r er e l a t e dt ot h ei n t e g r a t i o no ft w on e t w o r k s a l s oh a v eb e e na n a l y s e dc o n c r e t e l y ( 4 ) 巾- o t d rs e n s i n gn e t w o r ka n de p o nc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka r ei n t e g r a t e d l l a b s t r a c t t o g e t h e r b yp r o c e s s i n gt h er e t u r n e ds i g n a lp r o p e r l y , t h es y s t e mc a nl o c a t et h ei n t r u s i o n p o i n tw i t h i nt h ed i s t a n c er a n g eo f 13 k m ，a n da c h i e v et h es p a t i a lr e s o l u t i o no flo o m ( 5 ) n ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i st e c h n o l o g yi sd e s c r i b e d ，a n dt h et e s t i n g s o f t w a r eo f 巾- o t d ri sd e v e l o p e do nt h eb a s i so fp e r s o n a lc o m p u t e rw i t ht h et o o lo f v i s u a lc + + ( 6 ) aw d m p o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d n e p e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mi st e s t e d ( 7 ) 巾一o t d rs e n s i n gn e t w o r ka n dw d m - p o nc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka r e i n t e g r a t e dt o g e t h e r b yp r o c e s s i n gt h er e t u r n e ds i g n a lp r o p e r l y , t h es y s t e mc a nl o c a t et h e i n t r u s i o np o i n tw i t h i nt h ed i s t a n c er a n g eo fllk m ，a n da c h i e v et h e s p a t i a lr e s o l u t i o no f 1o o m k e y w o r d s ：e p o n 、w d m - p o n 、巾o 田d r 1 1 1 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 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 获得电子科技大学或其它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 说明并表示谢意。 签名：颦逾型p日期：二咿7 年乡月玛日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：避导师签名：监 日期：州宁年罗月- 金- se l 第一章引言 1 1 光纤通信的发展概述 第一章引言 无源光纤网络是新一代互联网的发展方向，它在服务供应商和商业及居民客 户之间彻底的解决了最后一公里的网络接入问题。众所周知，在接入网和本地环 路中，在目前的使用中电话铜线和a t v 的同轴电缆占有很大的比例和优势。在城 域范围内，商业用户相对集中的区域内，目前一般采用高容量的s o n e t 环、光纤 t 3 线路和基于铜线的t 1 来解决接入问题。 现阶段租用一条t - 3 ( 4 5 m b i t s ) 或o c 3 ( 1 5 5 m b i t s ) 线路，每个月交付给服务供 应商的租金至少需要2 0 0 0 0 - - - 3 0 0 0 0 元，只有相对的一些大型企业才能够负担这样 高昂的费用。一些规模中型的企业，一般选择t - 1 接入，月租金也有3 0 0 0 元。但 是绝大多数小规模的企业和广大住宅用户只有采用基于电话线路的窄带接入。目 前，d s l 和c a b l em o d e m 作为过渡技术，已经能提供相对便宜的数据传输服务， 但是这些技术也有很多的缺点，比如实施困难，施工周期长，带宽受到传输距离 和现有线路的质量影响大，对话音服务支持不好等等。 虽然接入网技术的发展比较缓慢，但是远距离网络传输的带宽却因波分复用 ( w d m ) 等新技术的应用而迅速发展，近来来w d m 已经渗透到城域网范围，许多 固话业务也采用了w d m 。与此同时，相当多的企业内部局域网从1 0 m b i t s 已经升 级到了1 0 0m b i t s ，其中还有相当数量的客户很快还会升级到1 0 0 0 m b i f f s 。城域网 具有庞大的带宽容量，同时末端用户的带宽需求也在一直不断的增长，而“最后 一公里 的接入就成为了两者之间的必然存在的瓶颈和必须解决的问题。根据 v e r t i c a ls y s t e m sg r o u p 的调查，在1 9 9 9 年底，超过7 6 的美国商业用户在方圆四 周一英里范围内都有光纤接入点，但是并没有光纤连接到公司。近年来，运营商 们一直在寻求如何提供给网络市场廉价的接入宽带。然而，在接入网中一直存在 着大量断点是必须解决的问题。目前在长距离传输网和城域段中的投资虽然已经 很大，但在网络的边缘比如网络的接入方面却发展很慢，技术和经济等一系列原 因严重的阻碍了接入市场上廉价宽带的使用【l 吲。 随着信息社会的快速发展，接入网未来发展的趋势是p o n 的无源光网络，这 主要由两个不同的因素造成的，首先是p o n 的无源光网络可以提交更大的带宽， 电子科技大学硕士学位论文 其次是相比其他的接入设备p o n 的成本更加经济。p o n 的网络系统结构非常的简 单，在下行方向，局端设备o l t 通过光发送机将电信号转换为光信号以广播的方 式发给远端用户o n u ，也就是所谓的单点发送，多点接收的方式。各用户在o n u 根据自己的标识符取出o l t 发给自己的数据，丢弃所有的其他数据。在上行方向， 远端用户o n u 共享一根干路光纤，采用时分复用的方式，向o l t 发送上行数据 也就是所谓的多点发送，单点接收的方式 4 1 。 1 2p o n 的分类以及发展概述 1 9 8 7 年英国电信公司的研究工作人员第一次提出了p o n 的概念。1 9 9 5 年， 全业务接入网论坛f s a n 联盟成立，目的是要共同定义一个通用的p o n 标准。1 9 9 8 年，i t u t 以15 5 m b i t sa t m 技术为基础，发布了g 9 8 3 系列a p o n ( a t m p o n ) 标准。同时各大电信设备制造商研发出了a p o n 产品，目前在北美、日本和欧洲 都有相当数量a p o n 产品的实际应用。但在在中国由于价格较高，又因为a t m 推 广受阻的影响，所以a p o n 在中国几乎没有应用。 在2 0 0 0 年，一些网络设备制造商成立了第一英里以太网联盟( e f m a ) ，提出 了一个基于以太网的p o n 概念_ e p o n ，并促成1 e e e 在2 0 0 1 年成立第一英里 以太网( e f m ) d x 组，开始正式研究包括1 2 5 g b i t s 的e p o n 在内的e f m 相关标准。 e p o n 标准i e e e8 0 2 3 a h 5 j 于2 0 0 4 年6 月正式颁布。 2 0 0 1 年底，全业务接入网论坛f s a n 更新网页把a p o n 更名为b p o n ，即“宽 带p o n 。实际上，在2 0 0 1 年1 月左右第一英里以太网联盟提出e p o n 概念的同 时，f s a n 已经开始进行1 g b i t s 以上的p o n g p o n 标准的研究，在2 0 0 3 年的3 月i t u t 颁布了描述g p o n 总体特性的t 2 9 8 4 1 和o d n 物理媒质相关( p m d ) 子层 的c t 9 8 4 2 构成的g p o n 标准，2 0 0 4 年3 月和6 月发布了规范传输汇聚( t c ) 层的 g 9 8 4 3 和运行管理通信接口的g 9 8 4 4 标准。表1 1 依据相关标准规范描述了 b p o n 、e p o n 和g p o n 的主要特征和技术参数【6 8 j 。 2 第一章引言 表1 1b p o n 、g p o n 和e p o n 的技术参数 b p o n g p o ne p o n 下行线路速率 15 5 6 2 2 l2 4 412 4 4 2 4 8 81 2 5 0 ( m b i t s ) 上行线路速率 1 5 5 6 2 215 5 6 2 2 12 4 4 2 4 8 81 2 5 0 ( m b i t s ) 线路编码 n i 屹n i 屹 8 b 1 0 b 分路比 3 26 4 1 2 83 2 6 4 最大传输距离 2 06 02 0 仪m ) t d m 支持能力t d mo v e r a r mt d m o v e r 删或t d mo v e re t l l e m e t t d mo v e rp a c k e t 上行可用带宽 5 0 0 ( 在上行 1 1 0 0 ( 在上行 7 6 0 8 6 0 ( m b i t s )6 2 2 m b i t s ) ( 传输 1 2 4 4 g b i t s 速率情速率情况下 i p 业务) 况下) o a m 有有有 下行数据加密搅动或a e s 加密a e s 加密没有定义 比较分析，g p o n 在现阶段技术实现比较复杂，成熟的商业产品还比较少， 目前也无法形成规模化的商业应用；而b p o n 在欧美等a t m 原有设备较多的地区 使用较多；e p o n 在亚洲地区，特别是日本、韩国使用较多。更值得我们关注的是， 今年中国电信在武汉、杭州、北京等许多城市已经开始大量使用e p o n 系统，“光 进铜退 同时也成为了电信固话业务的一个大型项目。 1 2 1 基于e t h e m e t 技术的无源光网络 2 0 0 0 年1 1 月，在i e e e 组织下，创建了“以太网最后一公里研究组，以太 网的发展商们各自抛弃自我的一些标准，将目标一致对准接入网市场，发展成为 目前已经广泛使用以太网协议标准。 1 2 1 1e p o n 的系统架构 3 、1 p 、一，。 核心 i o l t l i l l 网。 1 3 1 0 n m 接入网 - - o ”u旷蕊 !，。氇 寥_ 十s _ 十气 驻地网 蚓i ，ie p o n 系统的结构框h 个e t h e m e to v c rp o n 系统i | | o l t 、o n u 、p o s ：部分n 【成。j c o l t ( o p t i c a l l i n et e r m i n a l ) 放血巾心机房( c o ，c e n t r a lo f l i c c 】，o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 放在 网络接口社元( n i u ：n e t w o r ki n t e r f a c eu n i t ) 附近或与其含为体。p o s ( p a s s i v e o p t i c a ls p l i t t e r ) 是个无源光纤分支器，是个连接o l t 和o n u 的无源设备，它 的功能是分发i - q 数w 片集中上行数抓。i 割l - i 足e p o n 系统的结构框图。 o l t 位1 ：整个系统的 k 节点，通过o d n j 再个o n u 十h 连，证下彳j _ 与向，o l t 提供了面向无源光叫络的光纤接ii存行方向，o l t 提供g 比特述率。将来 1 0 0 b p s 的以a 刚技术标准定后，o l t 也会立持类似的- 南述接fi ，为了支持其他 的协| 义，o e i 还可笠持 t i m ，f r 以及o c 3 1 2 4 8 1 9 2 等述半的s d u s o n e t 甾 系列的接l i 柑、准。 o i t 刖o n u 之叫f 4 以疋活组建成壬对形，环膨，总线形，以及混合掣。圈l 一2 是e p o n 的多芍配咒模型：o l t 为光线路终端，它为光接入网( o a n ) 挺a h 络删 的接i i 爿琏土个或多个o d n ( 光n c 线| 叫) ，般个o l t 配群了8 个以j 的接i i 连接o d n ：o d n 为o l t 和o n u ( 光川络t p 儿) 提供光t 输f 段、l 监功能足完成光 信寸的分配：o n u 为o a n 提供州，删的垃l i 并肃j o d nm 删川连，j i 卅络侧为 光接il ，川p 侧9 1 1 为叶l 接o n uj 馊光屯和电光转换功能，还篮完成* 音、 数w 、挑g m 信4 的j 】 务殷j e 处胖a r 为遁眦山能块“l 。 、蠡- _ 第一章引言 i v 参考赢 s n l t 参培点 啪 图1 2 光接入网参考配置图 1 2 1 2e p o n 的工作机理 e p o n 不需要任何复杂协议，光信号就能传送到最终用户o n u ，来自最终用 户的数据也能被集中传送到中心网络o l t 。在物理层，e p o n 采用的是通信光纤 传输数据，p o n 的传输机制，也通过新增加的m a c 控制命令来控制和优化各o n u 与o l t 之间突发性数据通信和实时的时分复用通信。在协议的第二层，e p o n 采 用的是已经成熟的全双工以太工作方式，由于o n u 在自己的时隙内发送数据报， 并不会发生碰撞，所以不需要码分多址技术，从而充分的利用了传输带宽】。 如图1 3 所示，o l t 根据i e e e 8 0 2 3 协议，将可变长度的数据包广播传输给所 有在e p o n 系统中的o n u ，每个包携带一个具有传输目的地o n u 标识符的信头。 此外，有些包可能要传输给所有的o n u 或者指定的一组o n u ，就是多播包。当 数据到达o n u 时，它接收属于自己的数据包，丢弃其它的数据包。 图1 3e p o n 下行数据的分发 图1 - 4 表示使用时分多址技术如何将多个o n u 的上行信息汇集成一个时分复 用信息流传送到o l t 。在时分复用技术中将合路时隙分配每个不同的o n u ，每个 5 电子科技大学硕士学位论文 o n u 的信号在经过不同的光纤传输后，进入o d n ，占据分配给它的各自的指定时 隙，以避免发生相互碰撞和相互干扰。 图1 - 4e p o n 上行数据的汇集 在一个整体的e p o n 系统中，o l t 既起到了交换机或路由器的作用，同时也 是一个多业务平台( m s p p ) ，它提供面向无源光网络的光纤接口。根据以太城域 网和广域网的发展，o l t 可提供多个1 g b p s 和1 0 g b p s 的以太接1 2 1 ，支持w d m 传 输。若需要支持传统的话音服务，可以将普通电话线( p o t s ) 和其他类型的t d m 通信( t l e 1 ) 连接到p s t n 接口。o l t 除了提供网络集中和接入的功能外，还可 以针对用户的q o s s l a 的不同要求进行带宽分配、网络安全等不同服务。 1 2 1 3e p o n 的关键技术 e p o n 系统具有以下几个关键技术1 2 1 。 一、e p o n 的带宽分配和测距技术。 二、是否支持服务质量问题。 三、突发同步问题。 四、激光的突发发送问题。 五、安全性问题。 1 2 1 4e p o n 的技术优势 e p o n 接入系统具有如下特点： 1 、局端( o l t ) 与用户( o n u ) 之间只有光纤、光分路器等光无源器件； 2 、e p o n 采用以太网的传输格式； 3 、采用波分复用技术，一根主干光纤和一个o l t ，传输距离就可以达到2 0 公里； 4 、上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输方式共享带宽， 6 第一章引言 上行利用时分复用共享带宽； 5 、点对多点的结构，可方便地对系统进行扩容升级，充分保护运营商的投资； 6 、e p o n 具有同时传输t d m 、i p 数据和视频广播的能力。 这些特点决定了e p o n 有以下几个优势： 一是e p o n 具有很高的传输效率。 二是e p o n 具有很高的传输带宽，并且系统很容易升级。 三是目前以太网应用广泛。 四是e p o n 成本低廉。 1 2 2 基于w d m 技术的无源光网络 1 2 2 1w d m p o n 的工作机理 w d m p o n 是基于波分复用方式实现的点到多点无源光网络，采用波长作为 用户端o n u 的标识，利用w d m 实现多址接入，充分利用光纤的巨大传输带宽。 w d m p o n 也可以分为三个部分，光线路终端o l t 、光网络单元o n u 和光分配网 o d n 。o l t 连接业务侧，o n u 连接用户侧，其具体结构见图1 5 【1 3 15 1 。 图1 - 5w d m - p o n 结构示意图 o l t 有两个作用，一将各种业务的信号在局端汇聚，按照一定的信号格式送 入接入网络向终端用户传输，二将来自终端用户的信号按照业务的不同的类型分 别送入不同的业务网中。o l t 主要由三个部分组成：光源、接收机和波分复用解 复用器。o d n 是o l t 和o n u 的物理连接，复用器解复用器是波分复用光传输系 统的关键器件。o n u 的作用是在远端对相应用户的不同业务进行复用和解复用， 以便在上行方向将各种不同的业务信号复用起来在同一传输媒体中传输；而在下 行方向将不同的业务解复用，通过不同的接口送到相应的终端。o n u 主要由支持 7 电子科技大学硕士学位论文 w d m 的光收发机组成。o l t 使用多波长光源，下传给o n u l ，o n u 2 - - - o n u n 的数 据以直接调制或外调制方式，加到波长为九1 ，也，k 的光载波上发送，通过波 分复用器把信号分配给目的o n u ，完成系统的下行传输。上行传输时，每个o n u 使用一个特定的波长解决原有的信道争用问题，因此不再需要定时和同步。上行 信号通过波分复用器复用到一根光纤上，传送到o l t 。 1 2 2 2w d m p o n 应用特点 根据不同的实现方式，无源光网络可分为基于时分复用方式实现的点到多点 无源光网络和基于波分复用方式实现的点到多点无源光网络。a p o n 、e p o n 和 g p o n 均是以t d m 方式实现的点到多点无源光网络，简称t d m p o n 。目前 t d m p o n 仍然在相当长的时间内可以满足业务需求，但是其传输带宽受到一定限 制，不能适应未来高质量视频等高带宽、实时性业务【幡1 9 1 。 见表l 一2 ，与传统的t d m p o n 相比，w d m p o n 的特点和优势主要有以下几 点： 表1 - 2t d m p o n 与w d m p o n 的比较 t d m p o nw d m p o n 保证带宽线速率n *线速率 突发模式位置o l t 和o n u无 定时控制 必需无 波长控制不需要需要 协议是否透明否 是 q o s优先权管理有保证 分路损耗( d b ) 1 0 1 0 9 n + a 宰w d m 损耗( 3 5 d b ) o n u 不独立独立 o l t 突发模式接收机w d m m i ) ( d e m u x 业务升级困难容易 成本低鬲 注：n 为用户数，奉幸a 为额外损耗 8 第一章引言 1 3 分布式光纤传感的基本原理 光通信技术的快速发展同时也给光传感技术提供了相当大的发展平台，其中 光纤传感器已经成为研究领域中一大热点。与传统的电传感器相比，光纤传感器 具有非常明显的技术优势 2 0 - 2 l 】： 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。由于光纤传感器是利用光波传 输信息，而且光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影 响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、 强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感； 灵敏度高。利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一 般的传感器。其中有的已由理论证明，有的已经实验验证，如测量水声、加速度、 辐射、温度、磁场等物理量的光纤传感器； 重量轻，体积小，外形可变。光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有 可绕的优点，因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有 利于航空、航天以及狭窄空间的应用； 测量对象广泛。目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速 度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、 核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用； 对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。 便于复用、组网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络； 成本低。有些种类的光纤传感器的成本将大大低于现有同类传感器。 分布式光纤传感技术是指分布在同一根传输光纤上的多个传感单元只通过一 个通道实现对其测试信号的采集，这种技术的最大优点在于减少了测试数据采集 设备所需的数量，从而极大的降低了测试成本，且传感元件比较简单，普通光纤 即可。分布式光纤传感系统应用范围很大，可利用于全自动全方位安全监控系统， 为现有的光缆通信线路提供方便的线路篡改或干扰警告。也可用于全自动全天候 的监测围墙的闭合区域、高安全区域等的入侵，这些区域主要包括军事基地、国 界、核设施及监狱等。还可以实现输油管道监控、民用设施、历史建筑的安全性 监控。所以，分布式光纤传感系统研究对安全监测、生产和生活都有及其重大的 意义。 9 电子科技大学硕士学位论文 1 3 1 瑞利散射 巾o t d r 2 2 1 探测的是光纤中的瑞利后向散射光，本节将讨论瑞利散射的产生 和特征及光纤中的瑞利后向散射光。 瑞利是第一个对于上述微粒的散射作了定量研究，因此这种散射常常称为瑞 利散射。其特征是： ( 1 ) 散射波与入射波的频率相同( 或波长相同) ( 2 ) 散射光的强度与入射光波长的四次方成反比，即 i = k 旯_ 4( 1 1 ) 特征( 2 ) 即为瑞利定律。其适用条件是散射体( 微粒) 的尺度比光波的波长 小。瑞利认为在计算散射光的光强时，由于散射体发出的次波是不相干的，因此 不必按次波振幅的叠加来计算，而应该把每个次波的强度叠加起来。按电磁场理 论，每个次波的振幅是和它的频率f 的平方成正比，而每个次波的光强又和它的振 幅平方成正比。因而叠加这些次波的光强，得到散射光强和入射光波的四次方成 反比的瑞利定律。 1 3 2 光纤中的瑞利后向散射 光纤在拉制的过程中，由于热扰动，使原子得到压缩性的不均匀或压缩性的 起伏，造成密度的不均匀，从而使得传输介质的折射率不均匀。这种不均匀性或 起伏在冷却过程中被固定下来，并且这种不均匀结构的尺寸远小于入射光波长。 传输介质折射率的不均匀将会导致光在光纤中传输时发生瑞利散射。此外，光纤 中含有多种氧化物，氧化物浓度的不均匀或起伏也会造成传输介质折射率的不均 匀，这也会产生瑞利散射。瑞利散射在整个介质空间都有功率分布，其中也肯定 存在沿光纤轴向向前或向后的散射，我们称沿轴向向后的散射为瑞利后向散射( 或 背向散射) 。 1 3 3 巾o t d r 基本原理 与常规o t d r 2 3 l 一样，调制后的光脉冲从一端注入光纤，用光探测器探测后 向瑞利散射光。注入光纤中的光是强相干的，因此该传感系统的输出就是脉冲宽 度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉的结果。巾o t d r 通过测量注入光纤的 脉冲与接收到的信号之间的时间延迟来得到具体扰动的位置。当光纤线路上由于 1 0 第一章引言 入侵而产生扰动信号时，其位置的光纤折射率及长度将会发生明显变化，同时将 导致该位置光相位的变化。因为入侵位置的散射光传输到探测器经历的是周期性 的相位变化，因此，最终干涉的结果也会产生明显变化，而且与入侵的位置相对 应。 1 3 4 巾o t d r 系统结构 由o t d r 技术与o t d r 不同的地方主要在：o t d r 对激光器的要求较高， 线宽窄和频率漂移小，这使得光脉冲在进入传感光纤以后，其脉冲宽度内的瑞利 后向散射光能够进行相关干涉，因此来加强散射光的强度和传感光的灵敏度，其 原理如图1 - 6 所示 2 4 - 2 6 。 当光纤线路上出现入侵信号发生扰动的时候，由于光纤的弹光效应，传输光 纤在入侵相应位置的折射率将会发生一系列变化，从而导致该处的光相位发生变 化。因为光的干涉作用，相位变化引起后向瑞利散射的光强发生变化。通过探测 器探测后向瑞利散射光受扰动前后的光强( 如图1 - 6 中的时刻l 与时刻2 ) ，将之 相减，会得到扰动信号，再根据光在光纤中的速度与扰动信号传递时间的关系， 就能对扰动信号的距离进行准确的定位暖m 引。 后 向 敌 射 光 功 率 距离 距离 图1 - 6 o t d r 基本原理示意图 在本文第二章搭建传感网络的部分会对由o t d r 中的主要性能参数进行讨论。 电子科技大学硕士学位论文 1 4 课题研究内容及意义 1 4 i 课题的研究意义 将光纤传感网络融合到通信接入网中，以实现同时具有通信功能和传感功能 的新光纤接入网综合业务增值网络，具有极其重要的现实意义。光纤传感与光纤 接入网融合的故障定位及安防网络架构的可行性，不仅有良好的经济效益和广阔 的市场前景，还能提高人民的生活质量，而且推动光纤接入技术和分布式光纤传 感技术的发展。 1 4 2 课题的研究内容 ( 1 ) 对提供安防增值业务的e p o n 接入网架构研究 将研究能提供安防业务的e p o n 接入网的实施方案、网络性能、可行性、成 本、兼容性等问题，这是关系到两网融合能否实现的基本问题。主要研究内容如 下： 1 、e p o n 接入网的构架设计、分析和仿真； 2 、能提供安防增值业务的e p o n 接入网与现有网络的兼容性和平滑升级特 性、普适性研究； 3 、相关网络协议和网管。 ( 2 ) 能提供安防增值业务的e p o n 接入网的技术实现 1 、研究适于能提供安防增值业务的光纤无源接入网的防火、防盗传感相关 单元技术； 2 、网络兼容性实验研究，包括传感光信号和通信光信号的兼容性定量评价； 3 、初步形成能提供安防增值业务的光纤无源接入网标准的建议。 ( 3 ) 搭建一个w d m p o n 实验系统，并对系统进行全面的测试。 l 、对w d m p o n 的波长分析方式进行具体分析，并选取有限条件下最适中 的方案； 2 、采用d w d m 方案构造w d m p o n 网络。 ( 4 ) 将巾o t d r 与w d m p o n 融合，对新一代能提供安防业务的以太无源 光网络进行研究。 1 、将由o t d r 系统引入至w d m p o n 系统； 2 、对网络兼容性进行实验研究，包括传感光信号和通信光信号的兼容性进 1 2 第一章引言 行定量评价。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 1 原理概述 第二章基于由o t d r 的e p o n 系统 我们主要采用相位敏感o t d r ( 由o t d r ) 分布式光纤传感系统，结构如图 2 1 所示，光脉冲从一端注入至光纤，用光探测器探测从光纤中返回的后向瑞利散 射光。注入光纤中的光是高度相干的，所以传感系统中探测器探测到的就是脉冲 宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉的结果。我们通过测量注入脉冲与接 收到的信号之间的时间延迟就可以判别出扰动的具体位置。当光纤线路上出现入 侵信号，而受到干扰发生扰动的时侯，由于弹光效应，光纤对应位置的折射率将 发生变化，这就将导致该位置的光相位发生变化，由于干涉作用，相位的变化就 会引起后向散射光光强发生变化。通过探测器探测后向瑞利散射光，并且将巾 一o t d r 不同时间段的后向瑞利散射曲线与扰动曲线相减来检测这种效应，相减的 曲线上光强发生变化的时间位置就是入侵导致相位扰动的位置。 t i m e 图2 - 1 巾o t d r 系统原理示意图 将多用户共享的分布式光纤传感网与e p o n 光纤接入网融合在一起。下行： 应用w d m 方法，将传感光源和调制部分在o l t 内与通信信号融合在一起，传感光 1 4 第二章基于币- o t d r 的e p o n 系统 源的另一功能是用于网络安全状况监测；在o n u 中通过w d m 方式将通信信号与 传感信号分开，传感网通过o n u 支持直接铺设到用户，与通信功能不同，传感网 可由多个o n u 支持的用户共享；光纤传感信号处理部分设在o n u 内，再通过o n u 的数据接口融合到o n u 上行传输到中心控制站供监控或服务器使用，用于给用户 提供增值服务。此方案可以有效的共享光缆资源和不改变原有通信构架，有很好 的兼容性。 以e p o n 为核心的接入网系统主要由3 部分组成：光线路终端( o l t ) 、光配线 网( o d 、光网络单元( o n u ) 。 2 2 系统设计 2 2 i 巾o t d r 传感网络 巾o t d r 结构框图如图2 2 所示，窄线宽光纤激光器发出的光脉冲经e p o n 传输之后注入传感光纤的一端，然后用光电探测器接收各点反射回来的光。中 o t d r 从光纤的不同部分后向反射光发生相干叠加后，到达光电探测器。如果传 感光纤和光源是稳定的，所示的曲线将是传感器唯一的、实时的信号特征，当有 外界干扰，如温度、微扰等，信号特征将发生变化，可以用于防入侵。通过将巾 一o t d r 曲线与先前存储的曲线相减得到信号特征的变化。曲线上相位变化处对应 的时间是与距离( 光源端为起点沿光纤线路的距离) 成比例的。图2 3 是光缆微扰 的巾o t d r 测试曲线，图2 - 4 是在3 3 k i n 处光缆测试曲线差值。图2 5 是我们自 己搭建的由o t d r 传感系统。 声光调制 1 ，、 、传感光纤 ji r 。 脉冲发生 一 1 珠硼，处埋，传骊 l 传感模块 图2 - 2 由o t d r 系统框图 1 5 ： 后i 二二二i | | ；| 苎圣这i l ：兰：j t l 一1 r ：t po 、。r 、0 “* _ ， 嗤24 光缆微扰划试曲线差值图 酬2 - 5 中- o t d r 史验系统的实物h 圳此，巾一o i d r 不仅u j 以检测，而h 可以定位，小需要复杂的探测处理技术 成本较低，是种比较适合光纤传感j 光纤接入融合片j 的分椰，光纤传