基于Φ－OTDR技術(shù)的通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

王培國，楊 斌，李 澤，盧大興

（1.成都市江漢路31號網(wǎng)管中心，四川 成都 610011；2.上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司，上海 201103）

引 言

光纖通信是現(xiàn)代信息傳輸?shù)闹匾侄?，光纖通信網(wǎng)是信息傳輸?shù)幕A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于長距離干線網(wǎng)、本地網(wǎng)、支線通信網(wǎng)中。但是光纜線路有時(shí)會(huì)由于一些人為因素（如施工挖斷、盜割等）或自然災(zāi)害（如滑坡、塌方、地基沉降、洪水等）造成光纜中斷，光纜線路一旦中斷，將影響其承載的各業(yè)務(wù)網(wǎng)系（如電話網(wǎng)、電視網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)等），影響通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)效能的發(fā)揮；同時(shí)通信光纜還存在人為挖掘偵聽的安全隱患。

文中研究基于Φ－光時(shí)域反射計(jì)的分布式光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對光纜線路的險(xiǎn)情預(yù)警和定位，提醒線路維護(hù)人員及時(shí)到指定地點(diǎn)進(jìn)行線路巡視、路基加固、線路搶代通及線路整改等準(zhǔn)備工作，預(yù)防光纖通信傳送網(wǎng)的阻斷，確保光纖通信網(wǎng)安全可靠的運(yùn)行。

1 系統(tǒng)工作原理

通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)因人為因素或自然災(zāi)害對光纜線路造成的險(xiǎn)情實(shí)時(shí)定位監(jiān)測和告警為應(yīng)用目標(biāo)，利用Φ－光時(shí)域反射計(jì)（Φ－OTDR）［1－4］的干涉機(jī)理，外界擾動(dòng)作用在光纜上面或附近產(chǎn)生的壓力（振動(dòng)）導(dǎo)致光纖中瑞利散射光［5］相位發(fā)生變化。由于干涉作用，光相位變化將引起光強(qiáng)度的變化，故通過實(shí)時(shí)監(jiān)測不同時(shí)刻后向瑞利散射信號的干涉效應(yīng)來定位險(xiǎn)情位置，解決光纜線路險(xiǎn)情監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)；并通過建立光纜線路環(huán)境特征參數(shù)數(shù)據(jù)模型和告警監(jiān)測閾值模型，降低監(jiān)測告警的虛警率。

通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)采用普通通信光纜中的一根空閑纖芯作傳感單元，進(jìn)行分布式光纖傳感器多點(diǎn)振動(dòng)測量［6］。其基本原理是當(dāng)外界有振動(dòng)作用于通信光纜時(shí)，引起光纜中纖芯發(fā)生形變，導(dǎo)致纖芯長度和折射率發(fā)生變化，造成光纜中光的相位發(fā)生變化。當(dāng)光在光纜中傳輸時(shí)，由于光子與纖芯晶格間發(fā)生作用，因此不斷向后傳輸瑞利散射光。當(dāng)外界有振動(dòng)發(fā)生時(shí)，背向瑞利散射光的相位隨之發(fā)生變化，這些攜帶外界振動(dòng)信息的信號光，反射回系統(tǒng)主機(jī)時(shí)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)處理，將微弱的相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化；經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號處理后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)根據(jù)分析的結(jié)果，判斷入侵事件的發(fā)生，并確認(rèn)入侵地點(diǎn)。圖1為通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

該系統(tǒng)的定位精度P與注入光纖的光脈沖寬度ΔT有關(guān)，且有

式（1）中，c為真空中的光速，n為傳輸介質(zhì)折射率。試驗(yàn)中系統(tǒng)采用的光脈沖寬度ΔT為250ns，對應(yīng)理論定位精度25m，實(shí)測定位精度優(yōu)于50m。

通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)由于采用的Φ－OTDR技術(shù)是基于光時(shí)域反射技術(shù)和光纖干涉技術(shù)發(fā)展而成的先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)，它同時(shí)具有光時(shí)域反射技術(shù)定位精度高和光纖干涉技術(shù)靈敏度高的特點(diǎn)，特別適合于通信光纜防破壞監(jiān)測的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)組成

現(xiàn)開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)通過采集通信光纜的振動(dòng)信號，加速度信號，對通信光纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過采集得到的數(shù)據(jù)對通信光纜的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行特性分析和診斷。根據(jù)通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)的功能，選擇合適的硬件，包括光信號解調(diào)儀、數(shù)據(jù)分析儀（包含數(shù)據(jù)采集卡）和傳感光纜。光信號解調(diào)儀、數(shù)據(jù)分析儀放置于機(jī)房中，由光信號解調(diào)儀引出傳感光纜敷設(shè)至現(xiàn)場需要監(jiān)測的位置。主機(jī)標(biāo)配可掛接40km光纜纖芯，對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)主要功能

通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)的主要功能就是對振動(dòng)信號監(jiān)測、報(bào)警，同時(shí)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理。系統(tǒng)能探測危及光纖通信傳送網(wǎng)通信光纜的險(xiǎn)情和識別險(xiǎn)情種類行為。如果有危及通信光纜的險(xiǎn)情，則將對光纖內(nèi)傳輸光束產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)信號通過同一根光纖傳輸至系統(tǒng)主機(jī)上，通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行分析識別后，則發(fā)出指令觸發(fā)報(bào)警。

圖2 系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of overall system function

主要有如下功能：

（1）光纜險(xiǎn)情監(jiān)測功能：從光纖通信傳送網(wǎng)的通信光纜纖芯沿線提取出振動(dòng)信息進(jìn)行分析，識別出可能危及光纜的施工、故意破壞、人為偵聽、自然災(zāi)害等震動(dòng)類型，定位震動(dòng)源。

（2）光纜險(xiǎn)情告警功能：系統(tǒng)能濾除誤報(bào)干擾信號，識別出挖掘機(jī)、鐵鍬、鐵錘、切割設(shè)備等可能危及光纜的有效振動(dòng)信號后將險(xiǎn)情數(shù)據(jù)入庫，同時(shí)在客戶端通過可視化地圖閃爍顯示震動(dòng)源地點(diǎn)和險(xiǎn)情類別，并進(jìn)行聲音告警，以便提醒線路維護(hù)人員及時(shí)準(zhǔn)確地采取有效預(yù)防措施，防止光纜線路出現(xiàn)阻斷。

（3）光纜險(xiǎn)情處置情況錄入功能：系統(tǒng)提供險(xiǎn)情處置情況錄入功能。用戶可根據(jù)權(quán)限錄入險(xiǎn)情實(shí)際情況和處置情況，由系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行過程中的用戶對纖芯沿線出現(xiàn)的震動(dòng)波形、實(shí)際險(xiǎn)情種類、需設(shè)置的告警級別等數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)險(xiǎn)情模式知識積累功能。

（4）光纜險(xiǎn)情數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)功能：提供險(xiǎn)情歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、分析功能，可按時(shí)間段、險(xiǎn)情類別等數(shù)據(jù)項(xiàng)條件對險(xiǎn)情歷史記錄進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)。用戶可以根據(jù)自己的需求，把報(bào)警記錄導(dǎo)出來以文件的形式保存，同時(shí)還支持打印的功能。

（5）光纜區(qū)段設(shè)置功能：由于光纜敷設(shè)地段不同，環(huán)境差異較大，故不同的環(huán)境對系統(tǒng)的靈敏度的要求不同。系統(tǒng)提供光纜區(qū)段設(shè)置功能。用戶可以根據(jù)光纜途經(jīng)的不同環(huán)境設(shè)置不同的區(qū)段，各區(qū)段設(shè)置與之對應(yīng)的靈敏度等級等系統(tǒng)校正參數(shù)。

（6）電子地圖功能：監(jiān)控軟件具有電子地圖、振動(dòng)波形等直觀的人機(jī)界面功能，同時(shí)配有數(shù)據(jù)庫可以使您隨時(shí)查詢歷史報(bào)警事件和歷史波形?？赏ㄟ^電子地圖的不同圖標(biāo)直觀地表示設(shè)備所處的不同的工作狀態(tài)，一旦有報(bào)警發(fā)生，電子地圖上會(huì)彈出報(bào)警點(diǎn)閃爍顯示，及時(shí)提醒值勤維護(hù)人員警情發(fā)生的地點(diǎn)位置，同時(shí)多媒體音箱發(fā)出報(bào)警語音提示。

（7）聯(lián)動(dòng)功能接口：系統(tǒng)預(yù)留聯(lián)動(dòng)接口，根據(jù)具體需要，系統(tǒng)可與各種音響、聲光報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，在監(jiān)測、識別、定位破壞行為后，啟動(dòng)報(bào)警裝置，顯示險(xiǎn)情位置。

4 系統(tǒng)的軟件部分

軟件基于Microsoft平臺(tái)，采用Microsoft Visual C＃2008語言，以及.NET Framework 2.0技術(shù)開發(fā)。

Microsoft.NET平臺(tái)包括用于創(chuàng)建和操作新一代服務(wù)的.NET基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和工具、用于實(shí)施多信息客戶端的.NET用戶經(jīng)驗(yàn)，以及用于啟用新一代智能Internet設(shè)備的.NET構(gòu)造塊服務(wù)和.NET設(shè)備軟件。

數(shù)據(jù)庫是Microsoft Sql Server 2005簡體中文版，版本號為9.0.1399.0。

監(jiān)控軟件使用C／S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。它是軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，通過它可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端來實(shí)現(xiàn)，降低系統(tǒng)的通訊開銷。

系統(tǒng)的上層軟件架構(gòu)如圖3所示，主要內(nèi)容包括：

（1）系統(tǒng)登錄模塊：接收用戶輸入登錄系統(tǒng)，登錄模塊還包括數(shù)據(jù)庫配置功能，提供了友好的數(shù)據(jù)庫配置界面，用戶配置好數(shù)據(jù)庫連接以后，輸入正確的用戶名和密碼就可以進(jìn)入系統(tǒng)；

（2）系統(tǒng)管理模塊：該模塊里面包含了用戶管理、角色管理、權(quán)限管理和系統(tǒng)退出等功能模塊，使具有該權(quán)限的人員，給其他人員分配不同的權(quán)限；

（3）系統(tǒng)設(shè)置模塊：該模塊包含了主機(jī)設(shè)置、通道設(shè)置和防區(qū)信息設(shè)置等功能模塊，主機(jī)設(shè)置里面可以設(shè)置主機(jī)的通信IP等信息，通道設(shè)置和防區(qū)設(shè)置為系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；

（4）系統(tǒng)查詢模塊：該模塊包含了振動(dòng)波形查詢、報(bào)警信息查詢和系統(tǒng)日志查詢等功能模塊，主要對系統(tǒng)的歷史記錄進(jìn)行回放和查看；

（5）狀態(tài)監(jiān)控模塊：主要顯示電子地圖、實(shí)時(shí)振動(dòng)曲線和實(shí)時(shí)報(bào)警信息，以及電子地圖的報(bào)警定位等功能；

系統(tǒng)軟件建立特征識別模型算法庫，收集各種常見報(bào)警數(shù)據(jù)。通過使用先進(jìn)的模式識別技術(shù)，系統(tǒng)能夠智能分析事件特征，具有防誤報(bào)功能，提高報(bào)警事件判斷的準(zhǔn)確性。

特征識別模型算法庫包括時(shí)域分析、頻譜分析和模式識別算法等。軟件是系統(tǒng)的靈魂，故在軟件設(shè)計(jì)上采用了目前最先進(jìn)的分類識別算法，完成對擾動(dòng)特征信息的動(dòng)態(tài)提取、分析和比較，確定擾動(dòng)的頻率、幅度和類型等物理特征，實(shí)時(shí)給出分析結(jié)果或?qū)Ψ钦_動(dòng)給出預(yù)警信號。系統(tǒng)應(yīng)用軟件處理流程圖如圖4所示。

軟件架構(gòu)清楚，各個(gè)模塊各自獨(dú)立，考慮到后續(xù)軟件升級，數(shù)據(jù)處理按照數(shù)據(jù)流程圖運(yùn)行，思路清晰，易于閱讀及后續(xù)的軟件開發(fā)。系統(tǒng)應(yīng)用軟件具有以下特點(diǎn)：

（1）算法先進(jìn)，軟件處理速度快，不丟失數(shù)據(jù)，自我判斷數(shù)據(jù)信號，根據(jù)需要在后端靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度，不漏報(bào)，減少誤報(bào)，在提高報(bào)警的準(zhǔn)確程度的同時(shí)減少巡邏人員資源的無謂消耗。

（2）界面美觀友好，易于操作，發(fā)生報(bào)警時(shí)能夠讓監(jiān)控人員在最短的時(shí)間內(nèi)找到報(bào)警地點(diǎn)。

（3）軟件能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，不易發(fā)生崩潰，在不同的環(huán)境下都能夠很好地運(yùn)行，遇到不可抗拒因素時(shí)，能夠很好地保存數(shù)據(jù)。

（4）自動(dòng)保存信號數(shù)據(jù)，便于后續(xù)維護(hù)人員分析。

5 試驗(yàn)結(jié)果

通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)投入運(yùn)行后，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了實(shí)際測試。選擇的是一段40km通信光纜，試驗(yàn)是在光纜埋入1m深的沙土條件下進(jìn)行。在整個(gè)試驗(yàn)過程中不斷改變測試位置，在通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)檢測到的不同入侵事件（人工挖掘、機(jī)械挖掘、管道泄漏等）時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)預(yù)警和自動(dòng)識別，并能根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果啟動(dòng)報(bào)警，顯示險(xiǎn)情位置。

通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)的界面主要實(shí)現(xiàn)圖文并茂地顯示入侵的位置、時(shí)間以及相關(guān)的報(bào)警信息。系統(tǒng)界面主要包括防區(qū)設(shè)置界面（見圖5）、電子地圖界面（包含入侵信息欄，見圖6）和振動(dòng)波形選項(xiàng)界面（見圖7）。防區(qū)設(shè)置界面主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的防區(qū)參數(shù)信息進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。電子地圖界面針對的是L＝40km的系統(tǒng)，將40km分成L／ΔL段，將各點(diǎn)代表1個(gè)防區(qū)ΔL（防區(qū)大小根據(jù)要求設(shè)置）的范圍，L／ΔL個(gè)綠色的點(diǎn)依次連成通信光纜的鋪設(shè)路線圖。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，在電子地圖下方的列表中，會(huì)顯示出該報(bào)警防區(qū)的報(bào)警信息（包括：設(shè)備類型名稱，通道名稱，所在防區(qū)名稱，開始位置，結(jié)束位置，事件描述，報(bào)警持續(xù)時(shí)間和報(bào)警時(shí)間等），同時(shí)報(bào)警的防區(qū)會(huì)以紅色的點(diǎn)進(jìn)行閃爍顯示。振動(dòng)波形選項(xiàng)界面如圖7所示。根據(jù)用戶選擇可以顯示瑞利散射后向曲線或者散射曲線相減后的波影。界面中（a）瑞利曲線圖是40km通信光纜沿線探測的瑞利散射信號，（b）振動(dòng)波形圖是設(shè)置防區(qū)486的一段50m光纜受到入侵時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波形。

6 結(jié) 論

應(yīng)用基于Φ－光時(shí)域反射計(jì)技術(shù)的通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)對現(xiàn)有光纖通信干線進(jìn)行監(jiān)測，在光纜附近土層遇到人為挖掘或自然災(zāi)害險(xiǎn)情時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行險(xiǎn)情預(yù)警和定位；及時(shí)通知線路維護(hù)人員提前采取有效措施，把傳統(tǒng)的事后搶修維護(hù)模式改變成事先預(yù)防維護(hù)模式，從而可以大幅度提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，充分發(fā)揮現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)效能。因此，基于Φ－光時(shí)域反射計(jì)技術(shù)通信光纜險(xiǎn)情定位與預(yù)警系統(tǒng)在光纜防護(hù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 振動(dòng)波形選項(xiàng)界面Fig.7 Option interface of vibration waveform

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