本发明涉及光纤通信网络故障检测技术，具体是一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置及方法。本发明解决了现有时分复用无源光网络故障检测技术计算数据量大、检测速度低的问题。一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置，包括时分复用光网络和检测装置；所述时分复用光网络包括光端机、馈线光纤、1分n+1路的分光器、n+1根光纤、n个光网络单元；所述检测装置包括无隔离器的半导体激光器、耦合器、光耦合装置、光电探测器、信号采集处理装置、n+1个光反馈装置。本发明适用于时分复用无源光网络故障检测。
1.一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置，其特征在于：包括时分复用光网络和检测装置；
所述时分复用光网络包括光端机、馈线光纤、1分n+1路的分光器、n+1根光纤、n个光网络单元；n+1根光纤中最短的1根光纤作为参考支路光纤，其余n根光纤均作为支路光纤；光端机通过馈线光纤与分光器的公共口连接；分光器的n+1个分光口中与参考支路光纤连接的1个分光口定义为第1分光口，其余n个分光口分别定义为第2至第n+1分光口；分光器的第
2至第n+1分光口通过n根支路光纤与n个光网络单元的入射端面一一对应连接；第1根支路光纤的长度大于参考支路光纤的长度；第i+1根支路光纤的长度大于第i根支路光纤的长度；第1根支路光纤的长度与第n根支路光纤的长度之差小于等于第1根支路光纤的长度与参考支路光纤的长度之差的十分之一；第n根支路光纤的长度与参考支路光纤的长度之差小于L米；L为设定的检测长度；其中，L小于等于S的千分之一；S为无隔离器的半导体激光器距第n+1个光反馈装置的距离；i为正整数，且1≤i≤n-1；
所述检测装置包括无隔离器的半导体激光器、耦合器、光耦合装置、光电探测器、信号采集处理装置、n+1个光反馈装置；无隔离器的半导体激光器与耦合器连接；耦合器的大比例输出端与光耦合装置的输入端连接，耦合器的小比例输出端与光电探测器的输入端连接；光耦合装置安装于馈线光纤上；光电探测器的输出端与信号采集处理装置的输入端连接；无隔离器的半导体激光器、耦合器、光耦合装置、光电探测器、信号采集处理装置均位于光端机一侧；第1个光反馈装置安装于参考支路光纤的末端，第2至第n+1个光反馈装置一一对应安装于第1至第n根支路光纤上；第2至第n+1个光反馈装置一一对应位于n个光网络单元一侧。
2.根据权利要求1所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置，其特征在于：
所述无隔离器的半导体激光器的波长范围为1600nm-1700nm，输出功率为1mW-1W；所述耦合器为耦合比为1分2的光耦合器，其中1路的耦合比大于等于60%；所述光耦合装置为波分复用器或耦合比为50：50的光耦合器；所述光电探测器为可响应波长范围为1600nm-1700nm且带宽小于50GHz的高速光电探测器；所述信号采集处理装置由带宽小于50GHz的单路信号采集装置和可进行自相关计算的数字相关器或计算机连接组成。
3.根据权利要求1或2所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置，其特征在于：所述光反馈装置由波分复用器和可反射波长范围为1600nm-1700nm的光纤反射镜连接组成，或者采用波长范围为1600nm-1700nm的反射式光纤光栅，或者采用镀于支路光纤的末端端面且可反射波长范围为1600nm-1700nm的高反膜，或者采用镀于光网络单元的接收端面且可反射波长范围为1600nm-1700nm的高反膜。
4.根据权利要求1或2所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置，其特征在于：第i+1根支路光纤的长度与第i根支路光纤的长度之差为定值。
5.根据权利要求1或2所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置，其特征在于：第i+1根支路光纤的长度与第i根支路光纤的长度之差不相等。
6.一种快速检测时分复用光网络链路故障的方法，该方法在如权利要求1所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置中实现，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
1）当时分复用光网络铺设完成后，开始进行如下步骤：
1.1）无隔离器的半导体激光器发射激光；所发射的激光依次经耦合器、光耦合装置耦合入馈线光纤，并经分光器分入参考支路光纤和n根支路光纤，然后经n+1个光反馈装置原路返回至无隔离器的半导体激光器，使得无隔离器的半导体激光器产生非线性动态输出，非线性动态输出经耦合器传输至光电探测器，并经光电探测器转换为电信号后传输至信号采集处理装置；
1.2）信号采集处理装置接收t秒的电信号，并将接收到的电信号进行自相关计算，由此得到自相关曲线；其中t=L/v，L为设定的检测长度，v为激光在光纤中传播的速度；
1.3）此时，自相关曲线中除零点外在不同位置上存在多个相关峰；该多个相关峰根据位置分为两部分：一部分靠近零点的位置，该位置为本方法的干扰区域；另一部分远离零点的位置，该位置为本方法的有效区域；有效区域中的n个相关峰与n根支路光纤一一对应；
1.4）逐个断开或移除各路的光反馈装置，并重复进行步骤1.2）；此时，有效区域中的相关峰逐个减弱或消失，据此标记出步骤1.3）所得自相关曲线中每个相关峰所对应的支路光纤；
2）当时分复用光网络开始运行后，不断重复进行步骤1.1）-1.2），并将每次得到的自相关曲线与步骤1.3）中的自相关曲线进行对比：
2.1）若有效区域中的n个相关峰同时减弱或消失，则表明故障点位于参考支路光纤上；
2.2）若有效区域中的某1个相关峰减弱或消失，则表明故障点位于与该相关峰所对应的支路光纤上；
2.3）若有效区域中的某几个相关峰减弱或消失，则表明故障点位于与这几个相关峰所对应的支路光纤上。
一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤通信网络故障检测技术，具体是一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置及方法。
背景技术
[0002] 时分复用无源光网络（TDM-PON，Time Division Multiplexed Passive Optical Network）的通信速率已经达到100Gbps。对于高速率的通信，一旦通信中断，丢失的信息将难以计数。如果能提早一秒钟检测定位网络故障，就能避免数百Gbit信息丢失。因此，时分复用无源光网络的故障检测显得尤为重要。
[0003] 目前常用的时分复用无源光网络故障检测方法是使用光时域反射仪（OTDR，Optical Time-Domain Reflectometry）对所有支路逐条检测。此种检测方法由于自身原理所限，存在空间分辨率低、结构复杂、灵敏度低、动态范围小的问题。中国专利ZL201410515353.5公开了一种监测时分复用光网络链路故障的装置及方法。此种检测技术有效解决了上述检测方法空间分辨率低、结构复杂、灵敏度低、动态范围小的问题，但其由于自身原理所限，存在计算数据量大、检测速度低的问题。基于此，有必要发明一种全新的时分复用无源光网络故障检测技术，以解决现有时分复用无源光网络故障检测技术计算数据量大、检测速度低的问题。
发明内容
[0004] 本发明为了解决现有时分复用无源光网络故障检测技术计算数据量大、检测速度低的问题，提供了一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置及方法。
[0005] 本发明是采用如下技术方案实现的：
[0006] 一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置，包括时分复用光网络和检测装置；
[0007] 所述时分复用光网络包括光端机（OLT，Optical Line Terminal）、馈线光纤、1分n+1路的分光器、n+1根光纤、n个光网络单元（ONU，Optical Network Unit）；n+1根光纤中最短的1根光纤作为参考支路光纤，其余n根光纤均作为支路光纤；光端机通过馈线光纤与分光器的公共口连接；分光器的n+1个分光口中与参考支路光纤连接的1个分光口定义为第1分光口，其余n个分光口分别定义为第2至第n+1分光口；分光器的第2至第n+1分光口通过n根支路光纤与n个光网络单元的入射端面一一对应连接；第1根支路光纤的长度大于参考支路光纤的长度；第i+1根支路光纤的长度大于第i根支路光纤的长度；第1根支路光纤的长度与第n根支路光纤的长度之差小于等于第1根支路光纤的长度与参考支路光纤的长度之差的十分之一；第n根支路光纤的长度与参考支路光纤的长度之差小于L米；L为设定的检测长度；其中，L小于等于S的千分之一；S为无隔离器的半导体激光器距第n+1个光反馈装置的距离；i为正整数，且1≤i≤n-1；
[0008] 所述检测装置包括无隔离器的半导体激光器、耦合器、光耦合装置、光电探测器、信号采集处理装置、n+1个光反馈装置；无隔离器的半导体激光器与耦合器连接；耦合器的大比例输出端与光耦合装置的输入端连接，耦合器的小比例输出端与光电探测器的输入端连接；光耦合装置安装于馈线光纤上；光电探测器的输出端与信号采集处理装置的输入端连接；无隔离器的半导体激光器、耦合器、光耦合装置、光电探测器、信号采集处理装置均位于光端机一侧；第1个光反馈装置安装于参考支路光纤的末端，第2至第n+1个光反馈装置一一对应安装于第1至第n根支路光纤上；第2至第n+1个光反馈装置一一对应位于n个光网络单元一侧。
[0009] 一种快速检测时分复用光网络链路故障的方法（该方法在本发明所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置中实现），该方法是采用如下步骤实现的：
[0010] 1）当时分复用光网络铺设完成后，开始进行如下步骤：
[0011] 1.1）无隔离器的半导体激光器发射激光；所发射的激光依次经耦合器、光耦合装置耦合入馈线光纤，并经分光器分入参考支路光纤和n根支路光纤，然后经n+1个光反馈装置原路返回至无隔离器的半导体激光器，使得无隔离器的半导体激光器产生非线性动态输出，非线性动态输出经耦合器传输至光电探测器，并经光电探测器转换为电信号后传输至信号采集处理装置；
[0012] 1.2）信号采集处理装置接收t秒的电信号，并将接收到的电信号进行自相关计算，由此得到自相关曲线；其中t=L/v，v为激光在光纤中传播的速度；
[0013] 1.3）此时，自相关曲线中除零点外在不同位置上存在多个相关峰；该多个相关峰根据位置分为两部分：一部分靠近零点的位置，该位置为本方法的干扰区域；另一部分远离零点的位置，该位置为本方法的有效区域；有效区域中的n个相关峰与n根支路光纤一一对应；
[0014] 1.4）逐个断开或移除各路的光反馈装置，并重复进行步骤1.2）；此时，有效区域中的相关峰逐个减弱或消失，据此标记出步骤1.3）所得自相关曲线中每个相关峰所对应的支路光纤；
[0015] 2）当时分复用光网络开始运行后，不断重复进行步骤1.1）-1.2），并将每次得到的自相关曲线与步骤1.3）中的自相关曲线进行对比：
[0016] 2.1）若有效区域中的n个相关峰同时减弱或消失，则表明故障点位于参考支路光纤上；
[0017] 2.2）若有效区域中的某1个相关峰减弱或消失，则表明故障点位于与该相关峰所对应的支路光纤上；
[0018] 2.3）若有效区域中的某几个相关峰减弱或消失，则表明故障点位于与这几个相关峰所对应的支路光纤上。
[0019] 与现有时分复用无源光网络故障检测技术相比，本发明所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置及方法增设了1根参考支路光纤，其末端不连接光网络单元，并预先设置了n根支路光纤的长度，其仅需将t秒的电信号进行自相关计算，即可快速检测出时分复用无源光网络的故障，由此大幅减小了计算数据量，显著提高了检测速度。
[0020] 由于外部多个反馈光的扰动，半导体激光器会产生具有多腔特征的混沌激光。各个腔之间出现的谐振现象，在相关曲线中腔-腔之差的位置也会出现旁瓣。本发明中各个支路的反馈类似于不同的反馈腔，不同支路的腔长之差在自相关曲线中会在光程差的位置产生相关峰，基于此设计，仅仅检测特定长度的数据，可实现对各个支路状态的检测。
[0021] 实践表明，与现有时分复用无源光网络故障检测技术相比，本发明的检测速度提高了至少三个数量级。如图4所示，实线框中为现有技术的显示区域，虚线框中为本发明的显示区域。通过图4可以看出：现有技术必须检测到S长度的数据从而判定故障单元，而本发明仅通过检测L长度的数据就能确定故障单元，由于L远小于S，因此本发明的检测速度远高于现有技术的检测速度。
[0022] 本发明有效解决了现有时分复用无源光网络故障检测技术计算数据量大、检测速度低的问题，适用于时分复用无源光网络故障检测。
附图说明
[0023] 图1是本发明所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置的结构示意图。
[0024] 图2是本发明所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的方法的第一种原理示意图。
[0025] 图3是本发明所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的方法的第二种原理示意图。
[0026] 图4是本发明所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的方法与现有时分复用无源光网络故障检测技术的对比示意图。
具体实施方式
[0027] 实施例一
[0028] 一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置，包括时分复用光网络和检测装置；
[0029] 所述时分复用光网络包括光端机、馈线光纤、1分n+1路的分光器、n+1根光纤、n个光网络单元；n+1根光纤中最短的1根光纤作为参考支路光纤，其余n根光纤均作为支路光纤；光端机通过馈线光纤与分光器的公共口连接；分光器的n+1个分光口中与参考支路光纤连接的1个分光口定义为第1分光口，其余n个分光口分别定义为第2至第n+1分光口；分光器的第2至第n+1分光口通过n根支路光纤与n个光网络单元的入射端面一一对应连接；第1根支路光纤的长度大于参考支路光纤的长度；第i+1根支路光纤的长度大于第i根支路光纤的长度；第1根支路光纤的长度与第n根支路光纤的长度之差小于等于第1根支路光纤的长度与参考支路光纤的长度之差的十分之一；第n根支路光纤的长度与参考支路光纤的长度之差小于L米；L为设定的检测长度；其中，L小于等于S的千分之一；S为无隔离器的半导体激光器距第n+1个光反馈装置的距离；i为正整数，且1≤i≤n-1；
[0030] 所述检测装置包括无隔离器的半导体激光器、耦合器、光耦合装置、光电探测器、信号采集处理装置、n+1个光反馈装置；无隔离器的半导体激光器与耦合器连接；耦合器的大比例输出端与光耦合装置的输入端连接，耦合器的小比例输出端与光电探测器的输入端连接；光耦合装置安装于馈线光纤上；光电探测器的输出端与信号采集处理装置的输入端连接；无隔离器的半导体激光器、耦合器、光耦合装置、光电探测器、信号采集处理装置均位于光端机一侧；第1个光反馈装置安装于参考支路光纤的末端，第2至第n+1个光反馈装置一一对应安装于第1至第n根支路光纤上；第2至第n+1个光反馈装置一一对应位于n个光网络单元一侧。
[0031] 所述无隔离器的半导体激光器的波长范围为1600nm-1700nm，输出功率为1mW-1W；所述耦合器为耦合比为1分2的光耦合器，其中1路的耦合比大于等于60%；所述光耦合装置为波分复用器或耦合比为50：50的光耦合器；所述光电探测器为可响应波长范围为1600nm-
1700nm且带宽小于50GHz的高速光电探测器；所述信号采集处理装置由带宽小于50GHz的单路信号采集装置和可进行自相关计算的数字相关器或计算机连接组成。
[0032] 所述光反馈装置由波分复用器和可反射波长范围为1600nm-1700nm的光纤反射镜连接组成，或者采用波长范围为1600nm-1700nm的反射式光纤光栅，或者采用镀于支路光纤的末端端面且可反射波长范围为1600nm-1700nm的高反膜，或者采用镀于光网络单元的接收端面且可反射波长范围为1600nm-1700nm的高反膜。
[0033] 在本实施例中，第i+1根支路光纤的长度与第i根支路光纤的长度之差为定值（如图2所示，n个相关峰中相邻两个相关峰之间的距离为定值x）。
[0034] 一种快速检测时分复用光网络链路故障的方法（该方法在本发明所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置中实现），该方法是采用如下步骤实现的：
[0035] 1）当时分复用光网络铺设完成后，开始进行如下步骤：
[0036] 1.1）无隔离器的半导体激光器发射激光；所发射的激光依次经耦合器、光耦合装置耦合入馈线光纤，并经分光器分入参考支路光纤和n根支路光纤，然后经n+1个光反馈装置原路返回至无隔离器的半导体激光器，使得无隔离器的半导体激光器产生非线性动态输出，非线性动态输出经耦合器传输至光电探测器，并经光电探测器转换为电信号后传输至信号采集处理装置；
[0037] 1.2）信号采集处理装置接收t秒的电信号，并将接收到的电信号进行自相关计算，由此得到自相关曲线；其中t=L/v，v为激光在光纤中传播的速度；
[0038] 1.3）此时，自相关曲线中除零点外在不同位置上存在多个相关峰；该多个相关峰根据位置分为两部分：一部分靠近零点的位置，该位置为本方法的干扰区域；另一部分远离零点的位置，该位置为本方法的有效区域；有效区域中的n个相关峰与n根支路光纤一一对应；
[0039] 1.4）逐个断开或移除各路的光反馈装置，并重复进行步骤1.2）；此时，有效区域中的相关峰逐个减弱或消失，据此标记出步骤1.3）所得自相关曲线中每个相关峰所对应的支路光纤；
[0040] 2）当时分复用光网络开始运行后，不断重复进行步骤1.1）-1.2），并将每次得到的自相关曲线与步骤1.3）中的自相关曲线进行对比：
[0041] 2.1）若有效区域中的n个相关峰同时减弱或消失，则表明故障点位于参考支路光纤上（即图2所示的“参考支路故障（故障I）”）；
[0042] 2.2）若有效区域中的某1个相关峰减弱或消失，则表明故障点位于与该相关峰所对应的支路光纤上（即图2所示的“单支路故障（故障II）”）；
[0043] 2.3）若有效区域中的某几个相关峰减弱或消失，则表明故障点位于与这几个相关峰所对应的支路光纤上（即图2所示的“多支路故障（故障III）”）。
[0044] 实施例二
[0045] 一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置，包括时分复用光网络和检测装置；
[0046] 所述时分复用光网络包括光端机、馈线光纤、1分n+1路的分光器、n+1根光纤、n个光网络单元；n+1根光纤中最短的1根光纤作为参考支路光纤，其余n根光纤均作为支路光纤；光端机通过馈线光纤与分光器的公共口连接；分光器的n+1个分光口中与参考支路光纤连接的1个分光口定义为第1分光口，其余n个分光口分别定义为第2至第n+1分光口；分光器的第2至第n+1分光口通过n根支路光纤与n个光网络单元的入射端面一一对应连接；第1根支路光纤的长度大于参考支路光纤的长度；第i+1根支路光纤的长度大于第i根支路光纤的长度；第1根支路光纤的长度与第n根支路光纤的长度之差小于等于第1根支路光纤的长度与参考支路光纤的长度之差的十分之一；第n根支路光纤的长度与参考支路光纤的长度之差小于L米；L为设定的检测长度；其中，L小于等于S的千分之一；S为无隔离器的半导体激光器距第n+1个光反馈装置的距离；i为正整数，且1≤i≤n-1；
[0047] 所述检测装置包括无隔离器的半导体激光器、耦合器、光耦合装置、光电探测器、信号采集处理装置、n+1个光反馈装置；无隔离器的半导体激光器与耦合器连接；耦合器的大比例输出端与光耦合装置的输入端连接，耦合器的小比例输出端与光电探测器的输入端连接；光耦合装置安装于馈线光纤上；光电探测器的输出端与信号采集处理装置的输入端连接；无隔离器的半导体激光器、耦合器、光耦合装置、光电探测器、信号采集处理装置均位于光端机一侧；第1个光反馈装置安装于参考支路光纤的末端，第2至第n+1个光反馈装置一一对应安装于第1至第n根支路光纤上；第2至第n+1个光反馈装置一一对应位于n个光网络单元一侧。
[0048] 所述无隔离器的半导体激光器的波长范围为1600nm-1700nm，输出功率为1mW-1W；所述耦合器为耦合比为1分2的光耦合器，其中1路的耦合比大于等于60%；所述光耦合装置为波分复用器或耦合比为50：50的光耦合器；所述光电探测器为可响应波长范围为1600nm-
1700nm且带宽小于50GHz的高速光电探测器；所述信号采集处理装置由带宽小于50GHz的单路信号采集装置和可进行自相关计算的数字相关器或计算机连接组成。
[0049] 所述光反馈装置由波分复用器和可反射波长范围为1600nm-1700nm的光纤反射镜连接组成，或者采用波长范围为1600nm-1700nm的反射式光纤光栅，或者采用镀于支路光纤的末端端面且可反射波长范围为1600nm-1700nm的高反膜，或者采用镀于光网络单元的接收端面且可反射波长范围为1600nm-1700nm的高反膜。
[0050] 在本实施例中，第i+1根支路光纤的长度与第i根支路光纤的长度之差不相等（如图3所示，n个相关峰中相邻两个相关峰之间的距离不相等）。
[0051] 一种快速检测时分复用光网络链路故障的方法（该方法在本发明所述的一种快速检测时分复用光网络链路故障的装置中实现），该方法是采用如下步骤实现的：
[0052] 1）当时分复用光网络铺设完成后，开始进行如下步骤：
[0053] 1.1）无隔离器的半导体激光器发射激光；所发射的激光依次经耦合器、光耦合装置耦合入馈线光纤，并经分光器分入参考支路光纤和n根支路光纤，然后经n+1个光反馈装置原路返回至无隔离器的半导体激光器，使得无隔离器的半导体激光器产生非线性动态输出，非线性动态输出经耦合器传输至光电探测器，并经光电探测器转换为电信号后传输至信号采集处理装置；
[0054] 1.2）信号采集处理装置接收t秒的电信号，并将接收到的电信号进行自相关计算，由此得到自相关曲线；其中t=L/v，v为激光在光纤中传播的速度；
[0055] 1.3）此时，自相关曲线中除零点外在不同位置上存在多个相关峰；该多个相关峰根据位置分为两部分：一部分靠近零点的位置，该位置为本方法的干扰区域；另一部分远离零点的位置，该位置为本方法的有效区域；有效区域中的n个相关峰与n根支路光纤一一对应；
[0056] 1.4）逐个断开或移除各路的光反馈装置，并重复进行步骤1.2）；此时，有效区域中的相关峰逐个减弱或消失，据此标记出步骤1.3）所得自相关曲线中每个相关峰所对应的支路光纤；
[0057] 2）当时分复用光网络开始运行后，不断重复进行步骤1.1）-1.2），并将每次得到的自相关曲线与步骤1.3）中的自相关曲线进行对比：
[0058] 2.1）若有效区域中的n个相关峰同时减弱或消失，则表明故障点位于参考支路光纤上（即图3所示的“参考支路故障（故障I）”）；
[0059] 2.2）若有效区域中的某1个相关峰减弱或消失，则表明故障点位于与该相关峰所对应的支路光纤上（即图3所示的“单支路故障（故障II）”）；
[0060] 2.3）若有效区域中的某几个相关峰减弱或消失，则表明故障点位于与这几个相关峰所对应的支路光纤上（即图3所示的“多支路故障（故障III）”）。
