本發(fā)明涉及光纖領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于自適應(yīng)更新基準值的光纖瞬斷特征信息提取系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在光通信系統(tǒng)中，光纖作為傳輸信息的通道，連接了發(fā)送端和接收端。在振動、高溫、低溫、高濕等工作環(huán)境中，由于外界因素的影響，光纖可能發(fā)生瞬間斷裂，簡稱光纖瞬斷。光纖瞬斷會造成光通信系統(tǒng)接收端的光功率在瞬斷時間內(nèi)發(fā)生大幅度變化，引起數(shù)據(jù)傳送錯誤，使系統(tǒng)誤碼率顯著提高。因此，光通信系統(tǒng)需要實時的光纖瞬斷檢測，獲取瞬斷的信息，并評估光纖瞬斷所造成的系統(tǒng)性能影響。隨著光網(wǎng)絡(luò)通信速度的不斷增加，對于光纖瞬斷特征的精確檢測日趨迫切，對光纖瞬斷檢測系統(tǒng)的性能指標要求日漸提高。

在國家軍用檢測標準GJB915A-97《纖維光學(xué)試驗方法》中，方法305規(guī)定了“纖維光學(xué)元器件光不連續(xù)性測量”的國家檢測標準。目前，研究光纖瞬斷檢測系統(tǒng)的公司，國內(nèi)代表為上海嘉慧光電子技術(shù)有限公司，其相關(guān)產(chǎn)品為JW3324；國外的主要代表為美國的OptoTest公司，其相關(guān)產(chǎn)品為OP1100。

現(xiàn)有的光纖瞬斷檢測系統(tǒng)均采用固定的光纖瞬斷判決基準值進行瞬斷特征提取，難以適應(yīng)復(fù)雜的光纖瞬斷情況。如果光纖在瞬斷之后沒有恢復(fù)到瞬斷之前的光功率值，那么現(xiàn)有的光纖瞬斷檢測系統(tǒng)將始終處于瞬斷狀態(tài)，無法正確處理隨后的瞬斷情況。因此，需要發(fā)展一種新型的光纖瞬斷特征信息提取技術(shù)，妥善處理瞬斷的各種恢復(fù)情況，從而準確獲取瞬斷特征信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題提供一種基于自適應(yīng)更新基準值的光纖瞬斷特征信息提取系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于自適應(yīng)更新基準值的光纖瞬斷特征信息提取系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

滑動平均值計算模塊，用于對接收的光功率采樣值進行更新存儲，并根據(jù)存儲值計算滑動平均光功率采樣值；

自適應(yīng)更新基準值模塊，用于根據(jù)滑動平均光功率采樣值，得到光纖瞬斷的判決基準值并進行自適應(yīng)更新；

基準值門限計算模塊，用于根據(jù)光纖瞬斷的判決基準值和用戶的定義門限范圍，確定光纖瞬斷的判決門限；

瞬斷判決模塊，用于對滑動平均光功率采樣值和光纖瞬斷的判決門限進行比較，判斷光纖是否發(fā)生瞬斷，并根據(jù)判斷結(jié)果輸出光纖瞬斷的特征信息。

所述自適應(yīng)更新基準值模塊包括：

基準值更新模式選擇子模塊，用于根據(jù)滑動平均光功率采樣值預(yù)先判斷光纖狀態(tài)，并根據(jù)判斷結(jié)果輸出基準值的更新模式；

正常更新基準值子模塊，在基準值更新模式選擇子模塊的輸出為正常更新模式時響應(yīng)，用于根據(jù)滑動平均值計算模塊的存儲數(shù)據(jù)，在每個時鐘周期計算光功率采樣值的滑動平均值，作為光纖瞬斷的判決基準值；

自適應(yīng)更新基準值子模塊，在基準值更新模式選擇子模塊的輸出為自適應(yīng)更新模式時響應(yīng)，用于根據(jù)滑動平均值計算模塊的存儲數(shù)據(jù)，計算光功率采樣值的滑動平均值，作為光纖瞬斷的判決基準值。

所述基準值更新模式選擇子模塊包括：

瞬斷預(yù)判單元，用于判斷滑動平均光功率采樣值是否超過預(yù)判門限；

瞬斷持續(xù)時間判斷單元，在瞬斷預(yù)判單元的判斷結(jié)果為是時響應(yīng)，用于計算光纖瞬斷的持續(xù)時間，并判斷持續(xù)時間是否超過最大更新基準時間范圍；

正常更新模式輸出單元，在瞬斷預(yù)判單元的判斷結(jié)果為否或瞬斷持續(xù)時間判斷單元的判斷結(jié)果為否時響應(yīng)，用于輸出選擇結(jié)果為正常更新模式；

自適應(yīng)更新模式輸出單元，在瞬斷持續(xù)時間判斷單元的判斷結(jié)果為是時響應(yīng)，用于輸出選擇結(jié)果為自適應(yīng)更新模式。

所述更新存儲的光功率采樣值的數(shù)量范圍為100～10000。

所述基準值門限計算模塊具體為：通過移位運算計算光纖瞬斷的判決基準值和用戶的定義門限范圍的乘積，作為光纖瞬斷的判決門限。

所述光纖瞬斷的特征信息包括光纖的正常狀態(tài)的持續(xù)時間、正常狀態(tài)的判決基準值、瞬斷狀態(tài)的持續(xù)時間和瞬斷狀態(tài)的光功率采樣值的最大偏移量。

所述瞬斷判決模塊包括：

比較存儲子模塊，用于在每個時鐘周期比較滑動平均光功率采樣值是否超過光纖瞬斷的判決門限，存儲并輸出連續(xù)兩次的比較結(jié)果；

正常狀態(tài)計數(shù)子模塊，用于在比較存儲子模塊的輸出的比較結(jié)果第一次為否時響應(yīng)，對正常狀態(tài)計數(shù)值加1并在下一時鐘周期計數(shù)值未加1時輸出判決基準值和正常狀態(tài)計數(shù)值；

瞬斷狀態(tài)計數(shù)子模塊，用于在比較存儲子模塊輸出的比較結(jié)果連續(xù)兩次為是時響應(yīng)，對瞬斷狀態(tài)計數(shù)值加1；

瞬斷狀態(tài)輸出子模塊，用于在比較存儲子模塊輸出的比較結(jié)果第一次為是且第二次為否時響應(yīng)，用于輸出光功率采樣值的最大偏移量和瞬斷狀態(tài)計數(shù)值；

特征信息計算子模塊，用于根據(jù)正常狀態(tài)計數(shù)子模塊和瞬斷狀態(tài)輸出子模塊的輸出值計算光纖瞬斷的特征信息。

所述系統(tǒng)還包括時間門限處理模塊，與瞬斷判決模塊連接，用于濾除瞬斷狀態(tài)的持續(xù)時間小于瞬斷狀態(tài)最小定義持續(xù)時間的特征信息。

所述系統(tǒng)還包括平均去噪模塊，與滑動平均值計算模塊連接，用于通過低通濾波去除輸入的光功率采樣值的噪聲。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)通過設(shè)置自適應(yīng)更新基準值模塊，利用無瞬斷發(fā)生時輸入光功率采樣值作為穩(wěn)定量的性質(zhì)，將其多次平均作為光纖瞬斷判決基準值來進行后續(xù)的光纖瞬斷特征信息提取操作，與原有的采用固定判決基準值進行瞬斷特征的提取的方法相比，可以實現(xiàn)光纖瞬斷特征信息的快速準確提取。

(2)自適應(yīng)更新基準值模塊在更新基準值的過程中，對于光纖瞬斷首先進行了一個預(yù)判，在光纖狀態(tài)正常時每隔一個時鐘周期對基準值進行一次更新，在光纖發(fā)生瞬斷時，如果光纖在規(guī)定時間內(nèi)恢復(fù)，則依然以正常狀態(tài)的方式進行基準值更新，否則認為原有的基準值失效，需要重新確定基準值狀態(tài)，這種方式充分考慮了光纖瞬斷的三種情況，保證了基準值的準確、有效和實時響應(yīng)，提高了后續(xù)光纖瞬斷特征的提取的準確性。

(3)通過移位運算計算光纖瞬斷的判決基準值和用戶的定義門限范圍的乘積，這種計算方式與直接進行乘法運算相比，計算速度快，運算量小，提高了光纖瞬斷特征提取的速度。

(4)瞬斷判決模塊通過設(shè)置正常狀態(tài)計數(shù)子模塊、瞬斷狀態(tài)計數(shù)子模塊和瞬斷狀態(tài)輸出子模塊，將正常狀態(tài)的特征提取和瞬斷狀態(tài)的特征提取進行分塊運算，避免了模塊之間互相干擾導(dǎo)致的特征提取結(jié)果不準確的情況。

(5)系統(tǒng)還設(shè)有時間門限處理模塊，濾除掉瞬斷時間過短的光纖瞬斷的特征信息，滿足了國家軍用標準中用戶自定義光纖瞬斷時間長度的要求，使得用戶只需考慮對于系統(tǒng)性能會產(chǎn)生嚴重影響的瞬斷，而無需耗費時間精力去處理那些無效瞬斷，節(jié)省了成本和時間。

(6)系統(tǒng)設(shè)有平均去噪模塊，可以降低隨機噪聲造成的光功率采樣值抖動，提高瞬斷特征提取的準確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為自適應(yīng)更新基準值模塊的狀態(tài)示意圖；

圖3為瞬斷判決模塊的工作流程圖；

圖4為20納秒光纖瞬斷的測試結(jié)果；

其中，1為平均去噪模塊，2為滑動平均值計算模塊，3為自適應(yīng)更新基準值模塊，4為基準值門限計算模塊，5為瞬斷判決模塊，6為時間門限處理模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示為本實施例中提供的圖1是本發(fā)明提出的光纖瞬斷特征信息提取的技術(shù)框圖，主要包括以下六個模塊。

平均去噪模塊1

在正式處理光纖瞬斷特征信息之前，首先對于輸入光功率采樣值進行去噪處理，以降低隨機噪聲造成的光功率采樣值抖動。該模塊通過對光功率采樣值進行低通濾波處理，減小帶外噪聲，降低了光纖瞬斷錯誤判決的可能性；如果需要對光纖瞬斷信息實時進行處理或者輸入信息噪聲較低，則該模塊可以省略。

滑動平均值計算模塊2

該模塊的輸入數(shù)據(jù)為去噪后的光功率采樣值，輸出數(shù)據(jù)為處理之后的滑動平均值。具體操作過程如下：

將輸入的光功率采樣值進行多次暫存，然后計算暫存的光功率采樣值的平均值，實現(xiàn)滑動平均，以獲得抖動較小的光功率采樣值。如果系統(tǒng)對于實時性要求較高，則暫存的次數(shù)可以減小；如果對于判斷精度要求較高，則暫存的次數(shù)可以增加。

自適應(yīng)更新基準值模塊3

光纖瞬斷判決基準值是用于光纖瞬斷有效性判決的一個重要參數(shù)。如果光功率采樣值相對于判決基準值來說有大幅度的變化，則說明此時發(fā)生了光纖瞬斷；如果光功率采樣值在判決基準值附近小幅度波動，則說明此時沒有發(fā)生光纖瞬斷。該模塊的輸入數(shù)據(jù)為滑動平均后的光功率采樣值，用戶定義數(shù)據(jù)為最大更新基準值時間，輸出數(shù)據(jù)為光纖瞬斷的判決基準值。

本模塊從光功率采樣值中進行分析判斷，獲取最新的瞬斷判決基準值，并且能夠?qū)崟r更新現(xiàn)有的判決基準值，進而提高光纖瞬斷特征信息提取的速度和精度。圖2是自適應(yīng)更新基準值模塊3的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，本設(shè)計采用有限狀態(tài)機的方法，將自適應(yīng)更新基準值的過程分為三個狀態(tài)。

第一個狀態(tài)是正常狀態(tài)。此時光纖沒有發(fā)生瞬斷，光功率采樣值由于噪聲的影響而呈現(xiàn)小幅度波動，也就是說此狀態(tài)下光功率采樣值為穩(wěn)定值。所以可以將正常狀態(tài)的光功率采樣值進行多次暫存，計算滑動平均值，將其作為光纖瞬斷判決基準值。在每一個時鐘周期，都將使用滑動平均值更新光纖瞬斷判決基準值。

第二個狀態(tài)是光纖瞬斷狀態(tài)。當(dāng)光功率采樣值超過判決基準值門限，則本模塊將進入光纖瞬斷狀態(tài)。光纖瞬斷狀態(tài)存在一個狀態(tài)計數(shù)器，在此狀態(tài)下每個時鐘周期，狀態(tài)計數(shù)器計數(shù)值加1。首先比較光功率采樣值與基準值門限確定光纖瞬斷是否恢復(fù)，然后比較狀態(tài)計數(shù)器計數(shù)值(即狀態(tài)持續(xù)時間)與用戶定義的最大更新基準值時間來確定是否進行自適應(yīng)更新。如果光纖瞬斷已經(jīng)恢復(fù)，則該模塊返回正常狀態(tài)，判決基準值沒有被更新。如果光纖瞬斷沒有恢復(fù)，并且還未達到自適應(yīng)更新基準值時間，則該模塊仍然處于光纖瞬斷狀態(tài)；否則，該模塊將進入第三個狀態(tài)。

第三個狀態(tài)是重新確定基準值狀態(tài)。此狀態(tài)是由于光纖瞬斷之后沒有在規(guī)定時間內(nèi)恢復(fù)，從而導(dǎo)致原來的光纖瞬斷判決基準值失效，需要重新確定判決基準值。在重新確定基準值狀態(tài)中，通過暫存時間連續(xù)且數(shù)值相近的光功率采樣值，并對這些暫存值進行平均，從而更新光纖瞬斷判決基準值。在更新判決基準值操作完成之后，該模塊進入正常狀態(tài)，繼續(xù)接受光功率采樣值，完成光纖瞬斷特征信息的實時提取。

基準值門限計算模塊4

基準值門限計算模塊4是根據(jù)國家軍用檢測標準，確定光功率采樣值所允許達到的上下門限。若在此門限內(nèi)，光纖沒有發(fā)生瞬斷；否則，光纖發(fā)生了瞬斷。該模塊的輸入數(shù)據(jù)為光纖瞬斷判決基準值，用戶定義數(shù)據(jù)為上下門限的范圍，輸出數(shù)據(jù)為判決上門限和判決下門限。

該模塊的具體工作過程為：首先提取用戶定義的上下門限范圍，一般采用百分比或者dB形式給出，然后進行乘法運算，將判決基準值乘以上門限和下門限，從而得到上門限采樣值和下門限采樣值。

本模塊在實現(xiàn)乘法運算時，采用固定移位運算，將乘數(shù)分解為2的冪級數(shù)，然后利用移位運算代替乘法運算。

瞬斷判決模塊5

瞬斷判決模塊5的主要功能是通過光功率采樣值與判決門限的比較，獲得光纖瞬斷的持續(xù)時間、光纖瞬斷過程中光功率采樣值的最大偏移量、未發(fā)生光纖瞬斷的判決基準值等特征信息。該模塊輸入數(shù)據(jù)為滑動平均光功率采樣值、判決基準值、判決上門限、判決下門限，用戶定義數(shù)據(jù)為最大正常狀態(tài)計數(shù)值，輸出數(shù)據(jù)為未發(fā)生光纖瞬斷時的判決基準值和正常狀態(tài)持續(xù)時間、發(fā)生光纖瞬斷時光功率采樣值的最大偏移量和光纖瞬斷持續(xù)時間。

圖3是瞬斷判決模塊5的工作流程圖，瞬斷判決模塊5通過有限狀態(tài)機進行實現(xiàn)，主要包括兩個狀態(tài)。第一個狀態(tài)是正常狀態(tài)。在系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)進入正常狀態(tài)，并且開啟正常狀態(tài)計數(shù)器。在此狀態(tài)下，對于每一個時鐘周期，正常狀態(tài)計數(shù)器加一。同時比較光功率采樣值和瞬斷判決門限，以確定是否發(fā)生了光纖瞬斷。如果未發(fā)生光纖瞬斷，則在每次正常狀態(tài)計數(shù)值達到用戶預(yù)設(shè)后，輸出一次判決基準值和正常狀態(tài)計數(shù)值。隨后將正常狀態(tài)計數(shù)器清零，該模塊仍然處于正常狀態(tài)。如果發(fā)生了光纖瞬斷，則輸出一次判決基準值和正常狀態(tài)計數(shù)值后，該模塊進入光纖瞬斷狀態(tài)。

第二個狀態(tài)是光纖瞬斷狀態(tài)。光纖瞬斷狀態(tài)也需要開啟一個瞬斷狀態(tài)計數(shù)器。在此狀態(tài)下，對于每一個時鐘周期，瞬斷狀態(tài)計數(shù)器加1，并且比較光功率采樣值和瞬斷判決門限，以確定光纖瞬斷是否恢復(fù)。如果判定仍然發(fā)生了光纖瞬斷，說明此時光纖瞬斷尚未恢復(fù)，該模塊仍然處于光纖瞬斷狀態(tài)。如果判定未發(fā)生光纖瞬斷，則說明此時光纖瞬斷已恢復(fù)，此時輸出光纖瞬斷過程中的光功率采樣值的最大偏移量和瞬斷狀態(tài)計數(shù)器的計數(shù)值，同時該模塊將進入正常狀態(tài)。

時間門限處理模塊6

時間門限處理的作用是滿足國家軍用標準中用戶自定義光纖瞬斷時間長度的要求。該模塊將持續(xù)時間過小的、對于系統(tǒng)影響可以忽略的光纖瞬斷濾除，保留持續(xù)時間足夠長的光纖瞬斷。保留下來的光纖瞬斷稱為有效瞬斷，也就是對于系統(tǒng)性能會產(chǎn)生嚴重影響的瞬斷。

該模塊的輸入數(shù)據(jù)包括未發(fā)生光纖瞬斷時的判決基準值和正常狀態(tài)持續(xù)時間、發(fā)生光纖瞬斷時光功率采樣值的最大偏移量和光纖瞬斷持續(xù)時間，輸出數(shù)據(jù)為有效光纖瞬斷的光功率采樣值的最大偏移量和持續(xù)時間。

時間門限處理模塊6的運行過程如下。在光纖瞬斷發(fā)生的條件下，該模塊會比較光纖瞬斷計數(shù)值與用戶定義的時間門限。如果光纖瞬斷計數(shù)值超過了用戶定義的時間門限，此瞬斷為有效瞬斷，將輸出光纖瞬斷計數(shù)值和對應(yīng)的光功率采樣值的最大偏移量；否則為無效瞬斷，忽略此次光纖瞬斷，不輸出任何有關(guān)此次瞬斷的特征信息。

為了驗證上述系統(tǒng)，本實施例中利用現(xiàn)場可編程門陣列對上述系統(tǒng)進行了實現(xiàn)。整個系統(tǒng)樣機通過了各種光纖瞬斷情況的測試，其中較為典型的結(jié)果如圖4所示，它為瞬斷持續(xù)時間為20納秒、瞬斷幅度為10％的光纖瞬斷的測試結(jié)果。上方波形為輸入光纖瞬斷信號，下方波形是算法處理后的響應(yīng)波形。由圖可知，每一次納秒量級的光纖瞬斷都對應(yīng)了一次瞬斷指示響應(yīng)，充分驗證了本發(fā)明具有處理納秒量級光纖瞬斷的能力。

在實驗測試中，通過對多種光纖瞬斷持續(xù)時間(從20納秒至1.6毫秒)的情況進行測試，并將測試結(jié)果與真實值比較，比較結(jié)果如下表所示，發(fā)現(xiàn)測量所得脈寬和實際脈寬的誤差不超過0.1％，結(jié)果非常吻合，驗證了本發(fā)明提取光纖瞬斷特征信息的精度。

綜上所述，測試結(jié)果驗證了該光纖瞬斷特征信息提取系統(tǒng)能夠檢測從納秒量級到毫秒量級的光纖瞬斷，且檢測精度很高。