基于Φ-OTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的電纜防開(kāi)挖分析

徐海寧　張引賢　韓　磊　馬　勛　竺本杰

（舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

基于Φ-OTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)的電纜防開(kāi)挖分析

徐海寧張引賢韓磊馬勛竺本杰

（舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

本文以陸地電纜為研究對(duì)象，利用Φ-OTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)建立陸纜防開(kāi)挖數(shù)據(jù)模型，并應(yīng)用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了建模的正確性以及定位的準(zhǔn)確性。在Φ-OTDR分布式光纖傳感系統(tǒng)上建立陸纜防破壞綜合系統(tǒng)。本文研究?jī)?nèi)容可以為陸地電纜防開(kāi)挖提供技術(shù)支持，減少陸纜被人為破壞的可能性，保護(hù)用電線(xiàn)路安全。

Φ-OTDR；定位；陸纜防破壞；線(xiàn)路安全

21世紀(jì)是信息化的時(shí)代，特別是美國(guó)911事件以來(lái)，世界各國(guó)均重視了煤、水、電等基礎(chǔ)民生設(shè)施的安全防護(hù)，以免遭受外力破壞的危害，作為分布式傳感系統(tǒng)的Φ-OTDR系統(tǒng)因其具有低成本、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)作為傳感部分的光纖可直接深埋地下，具有非常好的隱蔽性，因此分布式光纖傳感防破壞系統(tǒng)現(xiàn)已成為監(jiān)測(cè)各電力等基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［1］。

1　設(shè)備選型原理介紹

1.1基于OTDR技術(shù)的分布式傳感技術(shù)

作為測(cè)試光纖傳輸鏈路特性的儀器的OTDR是基于瑞利后向散射理論，該理論從提出到完善歷經(jīng)10余年，系統(tǒng)闡述了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)與后向散射系數(shù)之間的關(guān)系，并作為有效的理論依據(jù)成功的實(shí)現(xiàn)了OTDR在單模光纖中的應(yīng)用。

圖1　OTDR原理框圖

OTDR的工作原理是測(cè)量光纖背向瑞利散射的光功率，通過(guò)獲得沿光纖傳輸?shù)墓鈸p耗信息，進(jìn)而可以測(cè)得光纖的衰減。圖1為OTDR的原理圖。OTDR在近些年的發(fā)展中，已被廣泛應(yīng)用于光纖鏈接的定位和網(wǎng)絡(luò)在斷點(diǎn)和其他異常情況。OTDR本身即具有分布式測(cè)量的特點(diǎn)，同樣它也存在對(duì)分布式傳感靈敏度較低的缺點(diǎn)。近些年來(lái)，科技工作者在傳統(tǒng)的OTDR的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出了新的分布式光纖傳感技術(shù)，這些關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

此次主要利用散射原理技術(shù)檢測(cè)光纖的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行防開(kāi)挖預(yù)警，因此我們采用的是Φ-OTDR技術(shù)，因其具有定位精度及靈敏度高、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1.2Φ-OTDR的原理介紹

圖2為Φ-OTDR分布式傳感系統(tǒng)原理圖。

圖2　Φ-OTDR的系統(tǒng)入侵圖

光脈沖從光纖的一端注入，通過(guò)使用探測(cè)器感知后向瑞利散射光。因注入光纖激光器線(xiàn)寬狹窄，使其具備了良好的相干性，所以傳感器系統(tǒng)輸出的即是脈沖寬度區(qū)域反射回來(lái)的瑞利散射光相干涉的結(jié)果。因Φ-OTDR系統(tǒng)可以通過(guò)測(cè)量輸入脈沖和輸出脈沖之間的時(shí)間延遲定位干擾點(diǎn)的位置，所以當(dāng)光纖線(xiàn)路上的位置因入侵產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)，光纖在相應(yīng)位置的折射率將產(chǎn)生折射率變化，這將導(dǎo)致光路干涉效應(yīng)，相變誘發(fā)后向散射光光強(qiáng)發(fā)生變化，而光強(qiáng)度變化的時(shí)間即可定位入侵的位置［2］。

瑞利后向散射光返回到耦合器被光電探測(cè)器接收，在正常情況下，激光器將發(fā)出規(guī)則的單一不變的激光脈沖，在沒(méi)有不受外力的情況下，此時(shí)的光相位表現(xiàn)為不因光纖長(zhǎng)度的變化而變化，這樣所有Φ-OTDR路徑軌跡應(yīng)該是相同一致的，我們將其稱(chēng)之為正常圖；相反，當(dāng)受外力引起相變，此時(shí)軌跡圖的變化將會(huì)在相應(yīng)時(shí)間刻度有所反應(yīng)，這一段變化的時(shí)間刻度即對(duì)應(yīng)著的傳感光纖上入侵者所處的位置，這被稱(chēng)其為入侵圖。我們用有變化的軌跡圖減去已存的無(wú)入侵情況下的正常圖，就可以非常顯著的發(fā)現(xiàn)這兩者中的不同點(diǎn)，將其稱(chēng)之為差值圖，通過(guò)利用差值圖就可以很容易得精確定位和檢測(cè)到入侵者［3］。

當(dāng)一短脈沖被耦合入光纖時(shí)，其脈沖周期T由下式給出：

式中，Ng為光纖的反射指數(shù)；L為檢測(cè)距離。在日常工作中應(yīng)用常規(guī)光纖作為傳感器，其反射指數(shù)Ng=1.46則計(jì)算得T=9.73L，此時(shí)L單位為km，T的單位為μs。因此，對(duì)于檢測(cè)距離為10km的傳感光路，發(fā)射光脈沖信號(hào)的周期為98μs。

Td是定義光脈沖持續(xù)期發(fā)射光脈沖到瑞利后向反射回的光脈沖到達(dá)光電探測(cè)器的距離，則

式中，Ng為光纖的反射指數(shù)；Lactua1的長(zhǎng)度。

2　防開(kāi)挖實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)的具體環(huán)境是，利用挖掘機(jī)在一個(gè)空曠的平地上，開(kāi)挖一條長(zhǎng)10m，深1m的溝渠模擬電纜溝，在溝的底部埋設(shè)一根傳感光纜，然后覆土，壓實(shí)，傳感光纜總長(zhǎng)10km，接上Φ-OTDR分布式傳感系統(tǒng)設(shè)備，通電，向傳感光纜中注入窄線(xiàn)寬激光，觀(guān)察設(shè)備在沒(méi)有外物入侵傳感光纜時(shí)的波形，然后用挖掘機(jī)模擬在電纜溝上行走，挖掘電纜溝等動(dòng)作，觀(guān)察設(shè)備預(yù)警報(bào)警情況以及在其他情況下的誤報(bào)警等內(nèi)容。

設(shè)備運(yùn)行時(shí)由于周?chē)h(huán)境沒(méi)有大的干擾，沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)，這種情況下系統(tǒng)波形應(yīng)該穩(wěn)定且不會(huì)發(fā)生報(bào)警，如圖3所示。

圖3　設(shè)備背景波形

2.1 埋設(shè)區(qū)域挖掘機(jī)作業(yè)行為

在光纜位置360m的正上方區(qū)域做挖掘操作，一組操作的動(dòng)作包括挖土和回填?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖4所示，振動(dòng)曲線(xiàn)分布圖如圖5所示。

圖4　挖機(jī)在傳感光纖正上方挖掘

圖5　振動(dòng)曲線(xiàn)圖

從振動(dòng)曲線(xiàn)上看，370～380m位置的振動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到800mv/s，其他位置基本不受影響。

2.2埋設(shè)區(qū)域的拍土行為

在光纜位置360m的正上方區(qū)域做拍土操作，一組操作的動(dòng)作是將上一次回填的土夯實(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖6所示，振動(dòng)曲線(xiàn)分布圖如圖7所示。

圖6　挖機(jī)在傳感光纖正上方拍土

從振動(dòng)曲線(xiàn)上看，370～380m位置的振動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到800mv/s，其他位置基本不受影響。

圖7　振動(dòng)曲線(xiàn)圖

2.3挖掘機(jī)行走行為

挖掘機(jī)沿光纜的埋設(shè)路由行駛，但是距離燃?xì)夤艿浪骄嚯x大約為2m?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖8所示，振動(dòng)曲線(xiàn)分布圖如圖9所示。

圖8　挖機(jī)在傳感光纖邊緣行走

圖9　振動(dòng)曲線(xiàn)圖

從振動(dòng)曲線(xiàn)上看，行走對(duì)光纜的影響明顯比挖掘和拍土行為的影響小，只能達(dá)到400mv/s，且影響位置隨挖掘機(jī)行走路徑變化。系統(tǒng)不產(chǎn)生報(bào)警事件。

3　結(jié)論

本文針對(duì)Φ-OTDR分布式傳感系統(tǒng)進(jìn)行陸地電纜防開(kāi)挖防盜模擬仿真實(shí)驗(yàn)，得出Φ-OTDR分布式傳感系統(tǒng)可以在深埋的情況下同樣能夠進(jìn)行精確報(bào)警、準(zhǔn)確定位、誤報(bào)少，滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用要求。在此基礎(chǔ)上結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠起到陸纜保護(hù)無(wú)人值守功能，給陸地電纜安全增加一道實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能化防護(hù)。保護(hù)由于人為破壞給社會(huì)造成不必要的損失。為保護(hù)電纜安全提供智能化技術(shù)支持。

［1］ 謝孔利. 基于Φ-OTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)［D］.成都： 電子科技大學(xué)， 2008： 8-9.

［2］ 謝孔利， 饒?jiān)平?冉曾令. 基于大功率超窄線(xiàn)寬單模光纖激光器的Φ-光時(shí)域反射計(jì)光纖分布式傳感系統(tǒng)［J］. 光學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 28（3）： 569-572.

［3］ 彭龍， 鄒琪琳， 張敏， 等. 光纖周界探測(cè)技術(shù)原理及研究現(xiàn)狀［J］. 激光雜志， 2007， 28（4）： 1-3.

Research on Method to Prevent External Damage of Submarine Cable by Distributed Optical Fiber Sensing System with Φ-OTDR

Xu Haining Zhang Yinxian Han Lei Ma Xun Zhu Benjie
（Zhoushan Electric Power Bureau， Zhoushan， Zhejiang 316000）

This paper choose Land cable as the research object. The land cable anti excavation data model was established by distributed optical fiber sensing system with Φ-OTDR. The model applied to the actual field experiments to verify the modeling accuracy and positioning accuracy. The establishment of land cables in distributed optical fiber sensing system with Φ-OTDR on anti damage integrated system. The research content of this paper can provide technical support for the ground cable to prevent excavation， reduce the possibility of damage to the land cable， and protect the safety of the electric line.

Φ-OTDR diameter； location； land cable damage prevention； safety line

徐海寧（1983-），男，碩士研究生，工程師，主要從事從事海纜運(yùn)行檢修工作。