背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测方法与流程

本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测方法。

背景技术：

光缆交接箱是为主干层光缆、配线层光缆提供光缆成端、跳接的交接设备。光缆引入光缆交接箱后，经固定、端接、配纤以后，使用跳纤将主干层光缆和配线层光缆连通。其主要用于光缆通信网络中连接主干光缆和分支光缆，对光缆、光纤进行终结保护、连接及调度管理的配线设备。

随着光纤用户接入网(fttx、fiber-to-the-x)技术的推广，各类数据业务的扩展，运营商在城市中大量设置光缆交接箱用于光缆网络的接入。但是大部分光缆交接箱安装在室外，箱内又是承载大量重要业务的哑资源，作为无源设备，长期运行在户外，多变的外围环境对光缆交接箱的安全运行造成了潜在的威胁，维护人员无法远端进行管理和监控是一个非常严重且亟待解决的问题。这是因为大量的光缆交接箱都是光纤无源连接的分支分配器箱，光缆交接箱分散在城市的各个角落，无法做到电源的接入和管理，故一般的电传感器无法得以应用。有运营商设计开发太阳能和蓄电池的交接箱管理系统，但是，这类设备投资成本高，运营维护成本也高，因而难以普及推广。因光缆交接箱被非法破坏、事故损伤而造成的光纤信号故障已经造成运营商大量的运维以及业务损失，严重的甚至造成政治影响。因此，保障交接箱的安全，是保障网络最后一公里能够通畅的首要条件。

为了保障交接箱的安全，客观上需要一种可以检测光缆交接箱的箱门打开与关闭的技术手段与传感设备，以判断光缆交接箱是否被非法打开，但是，光缆交接箱用于光纤跳纤，未提供电源。所以客观上要求该开关传感器为无源设备。传感设备所探测的箱门开闭状态量也需要在不供电的情形下传到后台系统。为此，公开号为cn205861075u和cn205861076u的中国专利申请公开了一种基于光纤的反射式开关传感器与一种基于光纤的透射式开关传感器，利用直流光源发出的光束在传感器中的反射光通断来表达传感器的开闭状态。这两类开关传感器已经应用在通信光缆交接箱的门页打开、闭合传感中，通过反射式与透射式两种传感器的组合，可以实现对多门光缆交接箱的多扇门页的监控。

但是，对于用于处理反射光信号的信号解析设备只能通过光纤中反射光的存在与否来判断单一光缆交接箱的门页开闭状态，即单一光缆交接箱对应一个信号解析设备，这就造成实际应用中需要使用大量闲置光纤资源才能完成对多个光缆交接箱门页开闭状态的监控，进而导致光纤传感系统的部署可能造成电信运营商光纤网络扩容能力的降低。此外，光缆交接箱一般沿着光缆隧道形成串联式半环形结构。由于近些年基站设备尺寸降低，通信机房变得越来越少，导致现在已经难以找到足够多的通信机房就近安置用于处理反射光信号的信号解析设备。因此本申请人还设计了一种光纤开关传感网络与背向脉冲光光纤开关节点传感器,将多个光缆交接箱通过节点传感器进行组网，实现了利用较少的光纤资源对多个光缆交接箱的组网监控的功能，解决了由于通信机房较少，难以找到足够多的通信机房就近安置用于处理反射光信号的信号解析设备的技术难题。

背向脉冲光光纤开关传感节点开关状态检测方法需要获得传感网络中传感节点的次序、数目以及其脉冲峰值在采样周期内采样数据序列的位置，从而依据背向脉冲光及其脉冲光峰值强度、时序与时隙按照节点序列准确判定节点开关状态。脉冲信号峰值位置的确定，一般直接在脉冲时域采样信号中查找超出能量阈值的单个或连续位置。这种方法难以在采样点数据中区分光纤耦合处因耦合连接不良产生的反射脉冲光与传感节点的正常反射脉冲光。另外背向脉冲光信号可能受到来自于光路或电路的噪声干扰。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测方法，其目的在于，为背向脉冲光光纤开关传感检测系统准确提供光纤开关传感节点反射回的背向脉冲光的时序信息。

为了实现上述目的，本发明提供了背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测方法，其包括如下步骤：

s1：同时发出开始采样指令与前向脉冲光信号，所述开始采样指令以采样间隔t1周期性发出，所述前向脉冲光信号为光源发出且未经任何反射的脉冲光信号，所述前向脉冲光信号的脉宽为w，其中，所述t1和w为预设值；

s2：在接收到开始采样指令后，在一个采样周期内以采样频率f与采样时长t2采集背向脉冲光信号得到当前采样周期的数据，所述背向脉冲光信号为前向脉冲光信号通过待检测光纤开关传感节点后反射产生的脉冲光信号，其中，所述采样时长t2大于从一个前向脉冲光信号发出到收到最后一个背向脉冲光信号之间的时长，所述采样间隔t1的值大于或等于所述采样时长t2的值，所述采样频率f为预设值；

s3：对所述当前采样周期的数据进行噪声抑制；

s4：将经过所述噪声抑制后的当前采样周期的数据存储到缓存器中，并判断缓存器中已存储数据的采样周期个数是否大于或等于c，若大于或等于则转步骤s5，若小于则转步骤s1，其中，所述缓存器用于按照先进先出的策略存储所述经过噪声抑制后的当前采样周期的数据，所述缓存器可以存放大于或等于c个采样周期的采样数据，所述c为预设值；

s5：取出缓存器中与当前采样周期相隔所述c个采样周期的采样周期数据；

s6：利用步骤s5取出的采样周期数据与所述经过噪声抑制后的当前采样周期的数据依次对对应序号的数据做求取相对变化量；

s7：记录所述相对变化量大于阈值t的采样数据的序号并将这些序号作为脉冲信号的区间位置；

s9：将所述脉冲信号的区间位置或者所述脉冲信号区间位置的中点作为光纤开关传感节点位置添加存储到位置存储器，其中，所述位置存储器用于存放光纤开关传感节点位置。

本发明的一个实施例中，所述采样间隔t1小于或等于250毫秒，所述c的值为整数值，且所述c的值大于500毫秒除以采样间隔t1之商；光缆交接箱的开门或关门动作的持续时间一般小于500毫秒，当c的值大于500毫秒除以采样间隔t1之商，缓存器可以存储超过传感节点状态变化所需时长的多个周期采样数据，缓存器中存放的数据足以判定光缆交接箱的开门或关门动作造成的传感节点状态变化。

本发明的一个实施例中，所述求取相对变化量为将所述经平滑后的当前采样周期数据与所述步骤s5取出的采样周期数据按周期内序号依次相除求取商值，并将商值作为对应序号位置的相对变化量；步骤s7中，所述阈值t的取值范围满足以下不等式：1.1≤t≤3，考虑到在不同的传感节点反射回的背向脉冲光具有不同的信号能量强度和噪声能量强度，在求取相对变化量中采用除法运算相较于差值运算更有助于稳定相对变化量，在阈值比对时比对结果更为准确。

本发明的一个实施例中，步骤s3中，所述噪声抑制方法为平均滤波，或者中位值滤波，或者一阶滞后滤波，或者消抖滤波，或者限幅滤波，或者卡尔曼滤波，或者为如下方法：从所述缓存器取出平滑窗口宽度w个采样周期的脉冲电平数据，再将当前周期采样点数据与w个周期中的脉冲电平数据进行对应序号的均值计算并将均值计算结果作为平滑后的采样点数据；其中，所述平滑窗口宽度w的取值范围满足以下不等式：2≤w≤c；所述均值计算为算术平均，或者几何平均，或者调和平均，或者加权平均，或者平方平均，或者指数平均，或者中位数平均。

本发明的一个实施例中，在步骤s7与步骤s9之间，还包含步骤s8：删除所述脉冲信号的区间位置的长度小于l的脉冲信号区间位置记录，其中，所述l的计算方法为：所述脉宽w乘以所述采样频率f之积的向下取整；由于前向脉冲光经过各传感节点反射后产生的多个背向脉冲光的脉宽w都不会因为光路或电路的影响收窄，背向脉冲光信号的脉宽仍然为w或略大于w，所以脉宽小于w的脉冲信号不是背向脉冲光信号，而是由光路或电路产生的噪声信号，为了进一步滤除噪声，本实例中将小于前向脉冲光的脉宽的脉冲光信号过滤掉，提高了背向脉冲光的识别准确度。

本发明的一个实施例中，步骤s9中，所述脉冲信号高电平区间位置的中点的计算方法为将所述脉冲信号的区间位置的起始序号和结束序号进行均值计算求得均值，再对所述均值进行取整运算求得取整数均值作为所述脉冲信号高电平区间的中点，所述均值计算为算术平均，或者几何平均，或者调和平均，或者加权平均，或者平方平均，或者指数平均，或者中位数平均，所述取整运算为四舍五入，或者向下取整，或者向上取整；脉冲信号的中点一般处于脉冲信号的高电平区间内，中点处的能量值即为脉冲的能量峰值，本实例中巧妙地利用脉冲信号高电平区间位置的中点作为传感节点的位置，使得传感节点传感状态变化的检测用单个采样点即可完成判定，更为简单。

本发明的一个实施例中，所述采样时长t2的值还满足以下不等式：0.05ms≤t2≤1ms；采样时长大于或等于0.05ms即可满足脉冲光在5km光路中的往返需求，而脉冲光在100公里的光路中往返所需的时间约为1ms，大于100公里的光路，脉冲光可能损耗殆尽，比1ms更长的采样时长可能带来大量无意义的采样数据与系统负载，本实例使得系统可以支持的最大光路距离在5km到100km。

本发明的一个实施例中，所述前向脉冲宽度的脉宽w的值小于或等于3微秒，所述数据采集器的采样频率f大于或等于1秒除以脉宽w之商的2倍；在普通光纤(材质为石英玻璃)中，光子是以全反射的形式传播的，因此一端到另一端的传播会出现延迟，速度会降低，大约是真空光速的三分之二，约200000km/s，脉宽大于3微秒可能造成间距小于300m的两个传感节点反射的两个背向脉冲光产生信号的重叠，使得本发明难以区分不同传感节点的背向脉冲光信号的在时域信号中的高电平区间的位置，脉宽小于3微秒可以使得系统的传感节点最小间距达到300m，满足了应用中多数光交箱实际间距的需求。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明中，考虑到耦合处的不良反光不会因为传感节点传感量的变化而变化，通过采集多个周期的采样点数据，并采用两个不同采样周期的采样点数据检测出传感节点反射的脉冲光信号在周期内的位置，有效排除了光路中光纤耦合点的异常反射脉冲光信号被判定为传感节点位置的情况，提高了背向脉冲光管线开关传感节点位置标定的准确性。

(2)同时本发明为了抑制背向脉冲光采样信号中的各种噪声，在进行脉冲信号峰值位置识别前求取了采样信号的均值，提高了信号整体的信噪比，使得传感节点开关状态的判定更为准确。

(3)本发明为了进一步去除周期性噪声，还删除所述脉冲信号的区间位置的长度小于l的脉冲信号区间位置记录，使得脉宽小于l的脉冲信号都被识别为噪声并去除，进一步提高了传感节点开关状态判定的准确性。

(4)在普通光纤(材质为石英玻璃)中，光子是以全反射的形式传播的，因此一端到另一端的传播会出现延迟，速度会降低，大约是真空光速的三分之二，约200000km/s。在电信运营商的全光网络中，光缆环路可能超过5km，本专利将单个采样周期内的采样时长控制在0.05ms到1ms之间，充足保证脉冲光在在5km到100km光路长度中往返的需要，使得系统可以支持的最大光路距离在5km到100km。

(5)本专利使用的前向脉冲光的脉宽w的值小于或等于3微秒，可以使得两个大于或等于300m的传感节点所反射回的背向脉冲光不发生信号的重叠，传感节点最小间距可以达到300m。

附图说明

图1是本发明实施例中背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

现有的脉冲信号峰值位置的检测方法，一般直接在脉冲时域采样信号中查找超出能量阈值的单个或连续位置。这种方法难以在采样点数据中区分光纤耦合处因耦合连接不良产生的反射脉冲光与传感节点的正常反射脉冲光。同时背向脉冲光信号可能受到来自于光路或电路的噪声干扰，更加难以在周期性循环采样的数据中准确定位各传感节点反射的脉冲信号区间位置。

因此本发明提供了一种背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测方法，图2是本发明实施例中用于背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测方法中背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测装置结构的示意图，由图可知，本发明的检测装置由数据采集器、去噪模块、脉冲信号峰值位置标记模块、位置存储器依次相连构成。

其中，数据采集器用于在接收到开始采样指令后，在1个采样周期内以采样频率f与采样时长t2采集背向脉冲光信号得到当前采样周期的数据，具体的，采样时长t2大于从1个前向脉冲光信号发出到收到最后一个背向脉冲光信号之间的时长，采样时长t2的值还满足以下不等式：0.05ms≤t2≤1ms，采样间隔t1的值大于或等于采样时长t2的值，采样频率f与脉宽w为预设值；数据采集器的采样间隔t1小于或等于250毫秒；数据采集器的采样频率f大于或等于1秒除以脉宽w之商的2倍，更具体的，采样频率f为1mhz，采样时长t2为1ms，背向脉冲光信号为前向脉冲光信号通过待检测光纤开关传感节点后反射产生的脉冲光信号，数据采集器还用于将当前采样周期的数据发向去噪模块，具体的，开始采样指令与前向脉冲光信号同时发出，开始采样指令以采样间隔t1周期性发出，前向脉冲光信号为光源发出且未经任何反射的脉冲光信号，前向脉冲光信号信号的脉宽为w，前向脉冲宽度的脉宽w的值小于或等于3微秒，更具体的，采样间隔时间为2ms，脉宽为2.5微秒。

其中，去噪模块包含平滑器、缓存器，平滑器与缓存器相连；

平滑器用于对当前采样周期的数据进行噪声抑制，平滑器从缓存器取出平滑窗口宽度w个采样周期的脉冲电平数据，平滑器再将当前周期采样点数据与w个周期中的脉冲电平数据进行对应序号的均值计算并将均值计算结果作为平滑后的采样点数据，平滑窗口宽度w的取值范围满足以下不等式：2≤w≤c，均值计算为算术平均，或者几何平均，或者调和平均，或者加权平均，或者平方平均，或者指数平均，或者中位数平均，更具体的，w的值为100，均值计算为算术平均；平滑器还用于将经过噪声抑制后的当前采样周期的数据存储到缓存器中，并判断缓存器中已存储数据的采样周期个数是否大于或等于c，若大于或等于则取出缓存器中与当前采样周期相隔c个采样周期的采样周期数据，并将经过噪声抑制后的当前采样周期的数据和与当前采样周期相隔c个采样周期的采样周期数据发向脉冲信号峰值位置标记模块，若小于则取消当前周期采样数据的处理，c为预设值；c的值为整数值，且c的值大于500毫秒除以采样间隔t1之商，更具体的，c的值为500。

缓存器用于按照先进先出的策略存储经过噪声抑制后的当前采样周期的数据，具体的，缓存器可以存放大于或等于c个采样周期的采样数据，更具体的，c的值为500。

脉冲信号峰值位置标记模块包含有脉冲高电平识别单元、脉宽过滤单元、脉冲信号高电平区间中点计算单元，脉冲信号峰值位置标记模块用于将脉冲信号的区间位置或者脉冲信号区间位置的中点作为光纤开关传感节点位置添加存储到位置存储器，位置存储器用于存放光纤开关传感节点位置，更具体的，如果光纤开关传感节点的位置已经在位置存储器中存在，则不存储该位置信息，如果光纤开关传感节点的位置在位置存储器中不存在，则添加存储该位置信息。

脉冲高电平识别单元用于利用与当前采样周期相隔c个采样周期的采样周期数据与经过噪声抑制后的当前采样周期的数据依次对对应序号的数据做求取相对变化量操作，并记录相对变化量大于阈值t的采样数据的序号并将这些序号作为脉冲信号的区间位置，求取相对变化量操作为将经平滑后的当前采样周期数据与相隔c个采样周期的采样周期数据按周期内序号依次相除求取商值，并将商值作为对应序号位置的相对变化量；阈值t的取值范围满足以下不等式：1.1≤t≤3，更具体的，阈值t的值为1.1。

脉宽过滤单元与脉冲高电平识别模块相连，脉宽过滤单元用于删除脉冲信号的区间位置的长度小于l的脉冲信号区间位置记录，具体的，l的计算方法为：脉宽w乘以采样频率f之积的向下取整，更具体的，本实施方式中前向脉冲光的脉宽w为2.5ms，数据采集器的采样频率为1mhz,可以算得l的值为2。

脉冲信号高电平区间中点计算单元与脉宽过滤单元相连，脉冲信号高电平区间中点计算单元将脉冲信号的区间位置的起始序号和结束序号进行算术均值计算求得算术均值，再对算术均值进行向下取整运算求得取整数均值作为脉冲信号高电平区间的中点。

位置存储器用于存放光纤开关传感节点位置。

图1是本发明实施例中背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测方法的流程示意图，由图可知，本发明进行背向脉冲光光纤开关传感节点序列检测方法包括如下步骤：

s1：同时发出开始采样指令与前向脉冲光信号，具体的，开始采样指令以采样间隔t1周期性发出，前向脉冲光信号为光源发出且未经任何反射的脉冲光信号，前向脉冲光信号的脉宽为w，采样间隔t1小于或等于250毫秒，前向脉冲宽度的脉宽w的值小于或等于3微秒，更具体的，采样间隔时间为2ms，脉宽为2.5微秒。

s2：在接收到开始采样指令后，在一个采样周期内以采样频率f与采样时长t2采集背向脉冲光信号得到当前采样周期的数据，背向脉冲光信号为前向脉冲光信号通过待检测光纤开关传感节点后反射产生的脉冲光信号，具体的，采样时长t2大于从一个前向脉冲光信号发出到收到最后一个背向脉冲光信号之间的时长，采样间隔t1的值大于或等于采样时长t2的值，采样时长t2的值还满足以下不等式：0.05ms≤t2≤1ms，数据采集器的采样频率f大于或等于1秒除以脉宽w之商的2倍，更具体的，采样频率f为1mhz，采样时长t2为1ms。

s3：对当前采样周期的数据进行噪声抑制，具体的，平滑器从缓存器取出平滑窗口宽度w个采样周期的脉冲电平数据，平滑器再将当前周期采样点数据与w个周期中的脉冲电平数据进行对应序号的均值计算并将均值计算结果作为平滑后的采样点数据，平滑窗口宽度w的取值范围满足以下不等式：2≤w≤c，均值计算为算术平均，或者几何平均，或者调和平均，或者加权平均，或者平方平均，或者指数平均，或者中位数平均，更具体的，w的值为100，均值计算为算术平均。

s4：将经过噪声抑制后的当前采样周期的数据存储到缓存器中，并判断缓存器中已存储数据的采样周期个数是否大于或等于c，若大于或等于则转步骤s5，若小于则转步骤s1，具体的，缓存器用于按照先进先出的策略存储经过噪声抑制后的当前采样周期的数据，缓存器可以存放大于或等于c个采样周期的采样数据，c的值为整数值，且c的值大于500毫秒除以采样间隔t1之商，更具体的，c的值为500。

s5：取出缓存器中与当前采样周期相隔c个采样周期的采样周期数据，具体的，由平滑器从缓存器中取出一个与当前采样周期相隔c个采样周期的采样周期数据，更具体的，c的值为500。

s6：利用步骤s5取出的采样周期数据与经过噪声抑制后的当前采样周期的数据按周期内数据序号求取相对变化量，具体的，由脉冲高电平识别单元将经平滑后的当前采样周期与与当前采样周期相隔c个采样周期的采样周期相同序号位置的采样点数据依次相除求取商值，并将商值作为对应序号位置的相对变化量；

s7：记录相对变化量大于阈值t的采样数据的序号并将这些序号作为脉冲信号的区间位置，具体的，由脉冲高电平识别单元将相对变化量数据中超过阈值t的连续区间作为脉冲信号的高电平区间，并记录这些区间的起始位置与结束位置，阈值t的取值范围满足以下不等式：1.1≤t≤3，更具体的，阈值t的值为1.1。

s8：删除脉冲信号的区间位置的长度小于l的脉冲信号区间位置记录，具体的，利用脉宽过滤单元比较脉冲信号的区间位置长度与l的大小，并删除小于长度小于l的脉冲信号区间位置记录，l的计算方法为：脉宽w乘以采样频率f之积的向下取整，更具体的，本实施方式中前向脉冲光的脉宽w为2.5ms，数据采集器的采样频率为1mhz,可以算得l的值为2。

s9：将脉冲信号的区间位置或者脉冲信号区间位置的中点作为光纤开关传感节点位置添加存储到位置存储器，具体的，脉冲信号高电平区间中点计算单元将脉冲信号的区间位置的起始序号和结束序号进行算术均值计算求得算术均值，再对算术均值进行向下取整运算求得取整数均值作为脉冲信号高电平区间的中点，并将脉冲信号高电平区间的中点作为光纤开关传感节点位置添加存储到位置存储器，位置存储器用于存放光纤开关传感节点位置，更具体的，如果光纤开关传感节点的位置已经在位置存储器中存在，则不存储该位置信息，如果光纤开关传感节点的位置在位置存储器中不存在，则添加存储该位置信息。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。