2014年--外文翻譯—基于后備光纖鏈路和及時錯誤診斷功能的分布式入侵監(jiān)控系統(tǒng)（譯文）

1、<p><b>　　中文2950字</b></p><p>　　出處：Xu J, Wu H, Xiao S. Distributed intrusion monitoring system with fiber link backup and on-line fault diagnosis functions[J]. Photonic Sensors, 2014, 4(4): 35

2、4-358.</p><p>　　基于后備光纖鏈路和及時錯誤診斷功能的分布式入侵監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　摘要：近期提出了一個基于智能后備光纖鏈路和及時錯誤診斷功能的多通道分布式光纖入侵監(jiān)控系統(tǒng)。外圍接口控制器控制一個1*N的光開關(guān)，來延長單（多）通道的光纖鏈路并降低長或超長距離入侵監(jiān)控系統(tǒng)的損耗，而且能夠加后備鏈路的智能監(jiān)控功能。與此同時，為了識別并定位電纜的破損或錯誤點(diǎn)，一種滑窗自

3、相關(guān)法被提出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該多通道系統(tǒng)有著優(yōu)異表現(xiàn)，尤其是在任何時間、任意破損光纜的探測上。它能靠自身精確地定位破損或錯誤的點(diǎn)，并且立刻轉(zhuǎn)換到它的后備傳感鏈路，以確保安全系統(tǒng)能夠沒有一分鐘空載并穩(wěn)定地運(yùn)行下去。在中國它已經(jīng)被成功的應(yīng)用在了一段220千米長國界線的安全監(jiān)控測試上。</p><p><b>　　1、簡介</b></p><p>　　隨著光纖傳感（OFS）技

4、術(shù)的飛速發(fā)展，最近光纖傳感系統(tǒng)為許多安全領(lǐng)域的應(yīng)用提出了一種潛在的解決方法，比如邊界保護(hù)、油氣管道安全監(jiān)測、大型油田等。相比于馬赫-曾德爾干涉儀、薩尼亞克干涉儀以及準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵傳感器，光學(xué)時域反射技術(shù)（OTDR）在長和超長距離的監(jiān)測方面顯示出了強(qiáng)大的能力。</p><p>　　基于光學(xué)時域反射技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)通常用來測量背向瑞利散射光的相位或偏振變化，從而檢測哪里出現(xiàn)擾亂。基本的OTDR傳感理論

5、和應(yīng)用已經(jīng)被Henry F. Taylor、Xiaoyi Bao和許多其他學(xué)者[1-6]所深入的研究過，并且許多關(guān)鍵參數(shù)已經(jīng)被改善到了相當(dāng)高的水平，比如傳感長度、空間分辨率、頻率響應(yīng)范圍等。在Omnisens公司基于布里淵散射的產(chǎn)品DTEST中，遠(yuǎn)程模塊被串聯(lián)從而將傳感長度擴(kuò)展到數(shù)百千米[7]，而且其使用了由兩端放有FBG的長光纖激光器泵浦的雙向二階拉曼放大器，測量偏振的OTDR系統(tǒng)的監(jiān)控距離能達(dá)到106千米。然而，附加的泵浦中繼器總會

6、增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，并且失去了其單端探測的便利性，還相應(yīng)增加了系統(tǒng)的損耗。光纖故障也被Chen-Hung和Woojin Shin等探測到，并且新的技術(shù)也被應(yīng)用到預(yù)防無源光纖網(wǎng)絡(luò)的故障中[9-10]。對于長距離分布式傳感系統(tǒng)，如果光纜被損壞或切斷，會導(dǎo)致大片的監(jiān)控區(qū)域初見錯誤。因此，在線、及時的分布式光纜故障診斷傳感系統(tǒng)也是非常必要的。</p><p>　　因此這篇文章提出了一個高效的多通道分布式光纖入侵監(jiān)控系

7、統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅在不利用泵浦與放大的情況下擴(kuò)展了傳感范圍，還增加了智能后備鏈路的功能來保證安全系統(tǒng)不出現(xiàn)一分鐘的空載。與傳統(tǒng)光纖傳感系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)能同時監(jiān)控多個區(qū)域。另外，利用滑窗相關(guān)法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時在線光纜錯誤探測和定位，這滿足了分布式入侵檢測系統(tǒng)的智能化。</p><p>　　2、多通道OTDR監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　2.1系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)</p><p

8、>　　多通道分布式入侵監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其實(shí)現(xiàn)如圖1(b)所示。根據(jù)傳統(tǒng)的OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，已調(diào)制的光脈沖被導(dǎo)入傳感光纖，然后背向瑞利散射光被光子探測器檢測到，最后在計算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了把監(jiān)控線路擴(kuò)展為多線路，要將一個1*4的光開關(guān)放在環(huán)形器2號口的后面。該光開關(guān)被微處理器控制著，循環(huán)地轉(zhuǎn)換到不同光纖鏈路，并且被轉(zhuǎn)換的線路編號會被同時送往計算機(jī)。</p><p>　　(a)框圖

9、 (b)控制板</p><p>　　圖1. 多通道分布式入侵監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　2.2多通道控制</b></p><p>　　我們使用PIC16F1823微處理器，它的工作原理如圖2所示。將其設(shè)定在脈沖捕捉工作模式時，當(dāng)特定數(shù)量的觸發(fā)脈沖峰（谷）被表針（CP）

10、捕捉到，一組提前定義好的電壓編碼會通過I/O口輸出，其中每個代碼都控制著特定通道的開關(guān)。</p><p>　　圖2.微處理器工作原理</p><p>　　2.3通道識別與通信</p><p>　　當(dāng)選擇并切換到了某一個通道，微處理器也會通過RS232端口把當(dāng)前通道的編號發(fā)送給計算機(jī)。然后計算機(jī)能識別當(dāng)前的工作通道并準(zhǔn)確處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。計算機(jī)能通過RS232端口給微處

11、理器發(fā)送其他指定的命令，從而使該系統(tǒng)能智能地工作在其他模式中。</p><p>　　2.4當(dāng)探測到光纖故障后喚醒后備鏈路</p><p>　　在圖1所示的多通道監(jiān)控系統(tǒng)中，光纖鏈路能分為兩種：主要工作鏈路（通道1和通道3）和后備鏈路（通道2和通道4）。為了監(jiān)控相同的通道，每對相鄰的鏈路都被選為一組。一般來說，1*4的光開關(guān)只能在主鏈路間轉(zhuǎn)換。只有在主鏈路被切斷或破損時后備鏈路才會被喚醒。因

12、此該系統(tǒng)能夠避免空載。</p><p>　　3、基于滑窗自相關(guān)機(jī)制的光纖故障實(shí)時診斷</p><p>　　3.1基于信號自相關(guān)特性的小信號探測原理</p><p>　　檢查光纖狀況的傳統(tǒng)方法是利用OTDR，但該方法中為了檢查光纜故障必須終止監(jiān)控系統(tǒng)，并且擁有較長的反應(yīng)時間。因此為了探測并定位光纜的斷點(diǎn)或故障點(diǎn)，我們提出了一種利用滑窗系相關(guān)法的實(shí)時光纖錯誤診斷方案。圖

13、3所示為瑞利散射信號的自相關(guān)曲線，其中噪聲不含任何光信號，而且數(shù)據(jù)長度是200個樣品。我們發(fā)現(xiàn)信號總是與其自身高度相關(guān)，而噪聲沒有。因此，我們能判斷在其自相關(guān)曲線中是否存在有效信號。</p><p>　　圖3. 信號和噪聲的自相關(guān)曲線</p><p>　　3.2使用滑窗自相關(guān)機(jī)制的在線光纜故障探測和定位</p><p>　　在線光纜故障檢測和定位方法是基于滑窗自相關(guān)

14、機(jī)制而提出的。假定抽取的時域光信號是X{x1,x2,x3,…,xL}，而且如圖4所示，每一個窗口的信號都與M樣品做自相關(guān)。窗口從末尾數(shù)據(jù)xL滑動到初始數(shù)據(jù)x1。計算每一個窗口信號的自相關(guān)值，并且設(shè)置合理的閾值，該值通常為10-4。當(dāng)它第一次被檢測到高于該閾值時，當(dāng)時的滑窗位置就正好是破損點(diǎn)，該點(diǎn)出現(xiàn)了有效的光信號。而錯誤點(diǎn)的位置由公式(1)決定：</p><p>　　其中C是真空中光速，n是光纖中光的折射率，fs

15、是采樣頻率，Ki是破損處的窗口指數(shù)。</p><p>　　圖4. 采樣寬度為20的滑窗</p><p><b>　　4、結(jié)果和應(yīng)用</b></p><p>　　4.1多通道信號采集以及其光纜故障診斷結(jié)果</p><p>　　在試驗(yàn)中，我們選用1*4的MEMS光開關(guān)來控制兩條通道，每一個通道都使用了多核傳感光纜。光開關(guān)的端

16、口1和端口3連接主鏈路，端口2、4連接后備鏈路。兩條通道為25千米和23千米，分別標(biāo)記為通道1和通道2.在這個多通道監(jiān)控系統(tǒng)中，每一個工作通道每隔2秒鐘就會轉(zhuǎn)換一次。如圖5所示，兩通路的原始OTDR軌跡每4秒測取一次。在用戶的視角看來，兩條通路信號幾乎同時獲得。而且我們能發(fā)現(xiàn)，不同通道的數(shù)據(jù)能夠被該多通道系統(tǒng)精確地區(qū)分開。</p><p>　　圖5. 通道1和通道2的原始OTDR軌跡</p><

17、;p>　　圖6. 通道1與通道2的空間相關(guān)曲線</p><p>　　兩個信號的同步滑窗相關(guān)曲線如圖6所示?？梢钥吹叫盘柵c噪聲自相關(guān)特性有著顯著區(qū)別，因此也就能輕松得到光纜的長度了。與振幅或能量閾值相比，相關(guān)閾值對其真正的電壓振幅沒有任何作用，因而它更容易設(shè)定。更多的用實(shí)時自相關(guān)法得到的光纜故障點(diǎn)的結(jié)果如表1所示。本實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)OTDR的安裝被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)。顯而易見，該方法的地址誤差總是在30米以內(nèi)并且擁有更短的

18、反應(yīng)時間。這對實(shí)時入侵監(jiān)控系統(tǒng)真的是非常合適了。</p><p>　　表1. 利用實(shí)時自相關(guān)法得到的光纖故障點(diǎn)結(jié)果</p><p>　　4.2邊界安全領(lǐng)域的應(yīng)用</p><p>　　本文提到的多通道分布式入侵監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在中國新疆一處220千米長的國界上成功安裝使用了。它的結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場使用圖片以及軟件界面如圖7和圖8所示。其中使用了兩個測量相位的OTDR系統(tǒng)來監(jiān)測四條

19、通道或整個邊界的四個片段，每個通道的范圍從40千米到60千米不等。通過1*4光開關(guān)實(shí)現(xiàn)分時控制，可以用一個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩條通道的同時監(jiān)控。因此低損耗的長距離監(jiān)控也變得可以實(shí)現(xiàn)。在該應(yīng)用中，邊界線的每一個片段都由后備鏈路，為了保證系統(tǒng)不會空載運(yùn)行，當(dāng)檢測并定位到了破損光纜時該后備鏈路就會被喚醒。</p><p>　　圖7. 多通道分布式入侵監(jiān)控系統(tǒng)在邊境線上的應(yīng)用</p><p>　　圖8. 多

20、通道分布式入侵監(jiān)控系統(tǒng)的軟件界面</p><p><b>　　5、總結(jié)</b></p><p>　　本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種擁有智能后備鏈路和實(shí)時光纜檢錯功能的智能多通道分布式光纖防入侵系統(tǒng)。通過使用多芯光纜，后備鏈路能在故障被監(jiān)測到時喚醒，這實(shí)現(xiàn)了實(shí)時自糾錯，并且能保證系統(tǒng)不會空載運(yùn)行。這個有效的多通道入侵監(jiān)控系統(tǒng)也適用于其他分布式OTDR系統(tǒng)，并且能在應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，