2014年--外文翻譯—基于后備光纖鏈路和及時(shí)錯(cuò)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(shí)錯(cuò)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(gè)基于智能后備光纖鏈路和及時(shí)錯(cuò)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(gè)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(shí)，為了識(shí)別并定位電纜的破損或錯(cuò)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(shí)間、任意破損光纜的探測(cè)上。它能靠自身精確地定位破損或錯(cuò)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(cè)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(cè)、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(shí)域反射技術(shù)（OTDR）在長和超長距離的監(jiān)測(cè)方面顯示出了強(qiáng)大的能力。</p><p>　　基于光學(xué)時(shí)域反射技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)通常用來測(cè)量背向瑞利散射光的相位或偏振變化，從而檢測(cè)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(cè)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(huì)

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(cè)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(cè)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(duì)于長距離分布式傳感系統(tǒng)，如果光纜被損壞或切斷，會(huì)導(dǎo)致大片的監(jiān)控區(qū)域初見錯(cuò)誤。因此，在線、及時(shí)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(gè)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(shí)監(jiān)控多個(gè)區(qū)域。另外，利用滑窗相關(guān)法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線光纜錯(cuò)誤探測(cè)和定位，這滿足了分布式入侵檢測(cè)系統(tǒng)的智能化。</p><p>　　2、多通道OTDR監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)器檢測(cè)到，最后在計(jì)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(gè)1*4的光開關(guān)放在環(huán)形器2號(hào)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(hào)會(huì)被同時(shí)送往計(jì)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(shí)，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(huì)通過I/O口輸出，其中每個(gè)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(shí)別與通信</p><p>　　當(dāng)選擇并切換到了某一個(gè)通道，微處理器也會(huì)通過RS232端口把當(dāng)前通道的編號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。然后計(jì)算機(jī)能識(shí)別當(dāng)前的工作通道并準(zhǔn)確處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。計(jì)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(cè)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(duì)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(shí)后備鏈路才會(huì)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(shí)診斷</p><p>　　3.1基于信號(hào)自相關(guān)特性的小信號(hào)探測(cè)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(shí)間。因此為了探測(cè)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(shí)光纖錯(cuò)誤診斷方案。圖

13、3所示為瑞利散射信號(hào)的自相關(guān)曲線，其中噪聲不含任何光信號(hào)，而且數(shù)據(jù)長度是200個(gè)樣品。我們發(fā)現(xiàn)信號(hào)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(hào)。</p><p>　　圖3. 信號(hào)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(cè)和定位</p><p>　　在線光纜故障檢測(cè)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(shí)域光信號(hào)是X{x1,x2,x3,…,xL}，而且如圖4所示，每一個(gè)窗口的信號(hào)都與M樣品做自相關(guān)。窗口從末尾數(shù)據(jù)xL滑動(dòng)到初始數(shù)據(jù)x1。計(jì)算每一個(gè)窗口信號(hào)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(cè)到高于該閾值時(shí)，當(dāng)時(shí)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(hào)。而錯(cuò)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(hào)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(gè)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(gè)多通道監(jiān)控系統(tǒng)中，每一個(gè)工作通道每隔2秒鐘就會(huì)轉(zhuǎn)換一次。如圖5所示，兩通路的原始OTDR軌跡每4秒測(cè)取一次。在用戶的視角看來，兩條通路信號(hào)幾乎同時(shí)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(gè)信號(hào)的同步滑窗相關(guān)曲線如圖6所示?？梢钥吹叫盘?hào)與噪聲自相關(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(duì)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(shí)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(shí)間。這對(duì)實(shí)時(shí)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(shí)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(chǎng)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(gè)測(cè)量相位的OTDR系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)四條

19、通道或整個(gè)邊界的四個(gè)片段，每個(gè)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(shí)控制，可以用一個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩條通道的同時(shí)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(gè)片段都由后備鏈路，為了保證系統(tǒng)不會(huì)空載運(yùn)行，當(dāng)檢測(cè)并定位到了破損光纜時(shí)該后備鏈路就會(huì)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(shí)光纜檢錯(cuò)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(cè)到時(shí)喚醒，這實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自糾錯(cuò)，并且能保證系統(tǒng)不會(huì)空載運(yùn)行。這個(gè)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，