便攜式光纖斷點定位振動監(jiān)測設(shè)備的研制

季 偉，王文軍，張飛勇，黃俊杰，吳建靈，徐常志，葉俊健

（1.麗水正陽電力建設(shè)有限公司，麗水 323000；2.深圳市特發(fā)信息股份有限公司，東莞 523000）

0 引言

隨著國家電網(wǎng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，大規(guī)模的光纖網(wǎng)絡(luò)得以鋪設(shè)，電力通信光網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性關(guān)系著兩網(wǎng)融合后新型電網(wǎng)的安全有效運行。普通的人力巡察存在故障查找困難、排障時間長、修復(fù)成本過高等缺點。因此，如何實時的監(jiān)測光纖的故障隱患，如何管理和維護光纜線路以確保通信系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行已成為重要問題。目前市場上光纖斷點的定位主要設(shè)備就是光時域反射計，這種基于傳統(tǒng)的OTDR 技術(shù)的設(shè)備定位精度不高，且難以實時監(jiān)測光纜故障，不能夠有效地對光纜破壞進行預(yù)警且難以將斷點位置與實際斷點地理位置聯(lián)系起來。

1 工作原理

1.1 傳統(tǒng)的OTDR 技術(shù)

傳統(tǒng)的OTDR 技術(shù)是根據(jù)光的瑞利散射和菲涅爾反射原理來測量光纖的特征。瑞利散射是由于光波在光纖中傳輸，沿途受到直徑比光波長還小的散射粒子的產(chǎn)生的無規(guī)律散射。菲涅爾反射是光波在光纖中受到散射粒子的影響而產(chǎn)生的，OTDR 通過打一束光，然后利用采集分析打回來的瑞利背向散射光和菲涅爾發(fā)射光，即采集光信號碰到造成反向系數(shù)改變因素的反射光，例如光纖制作次品或長期使用的光纖內(nèi)部玻璃結(jié)構(gòu)在空氣中的間隙、光纖擠壓拉扯的磨損處、或者光纖斷裂處等，使用光電探測器采集接受到的反射信號，再經(jīng)過信號處理計算出光纖長度與斷點位置。

1.2 Φ-OTDR 技術(shù)

OTDR 是通過光的時域來計算斷點，采用的是低相干性的光源脈沖，這會導(dǎo)致光纖鏈路中的干涉噪聲會被衰減檢測的過程有效抑制，從而降低了散射光干涉信號的相位變化帶來的敏感特性，這不利于光纖對于外界環(huán)境的振動時間進行實時監(jiān)測。而Φ-OTDR 將傳統(tǒng)OTDR設(shè)備的光源換成了窄線寬光源，增強了光脈沖光波內(nèi)散射光相互干涉的響應(yīng)度，爭對監(jiān)測散射光信號的相位信息，對相位變化產(chǎn)生高響應(yīng)度，使得Φ-OTDR 從信號的空間、時間、相位來對振動事件模式作為判別依據(jù)。

當(dāng)傳感光纖正常運作時，穩(wěn)態(tài)光纖中產(chǎn)生的散射光信號保持一種穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)光纖發(fā)生碰撞、擠壓等振動事件時，根據(jù)光彈效應(yīng)，光纖中的傳輸光發(fā)生相位變化，光電探測器采集振動位置的散射干涉區(qū)間中產(chǎn)生的疊加干涉光強，就能依據(jù)相位變化分析出該區(qū)間對應(yīng)的外部信息。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由激光光源、光調(diào)制解調(diào)儀、光探測模塊、信號采集器、光放大器以及應(yīng)用軟件等部分組成。

2.1 光學(xué)部分

本系統(tǒng)選取的光源為一窄線寬激光光源，其發(fā)出的窄線寬的連續(xù)光經(jīng)脈沖調(diào)制器調(diào)制為脈沖光（脈沖寬度20 ns）再經(jīng)EDFA 進行放大后通過環(huán)形器注入到傳感光纖中，以產(chǎn)生背向瑞利散射光信號。窄線寬光纖激光器因其線寬窄、低噪聲、抗電磁干擾、安全、可遠程控制等特性，廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感、光纖遙感、材料技術(shù)以及高精度光譜等領(lǐng)域。產(chǎn)生光脈沖序列的方法一般有兩種，即調(diào)Q 和鎖模。調(diào)Q 產(chǎn)生的光脈沖序列重復(fù)頻率通常較低，為10–200 kHz；脈沖寬度約為幾十納秒。鎖模產(chǎn)生的光脈沖序列重復(fù)頻率一般較高，通常大于10 MHz；脈沖寬度約為皮秒到飛秒量級。兩種方法產(chǎn)生脈沖的光譜寬度通常較寬，一般從幾納米到幾十納米，遠大于窄線寬脈沖光纖激光器對光譜寬度的要求。相較于OTDR 系統(tǒng)，Φ-OTDR 系統(tǒng)光源的線寬要窄，所以背向瑞利散射光產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象更加明顯，從而監(jiān)測出相位的變化。

（1）調(diào)制器。Φ-OTDR 系統(tǒng)根據(jù)后向瑞利散射光原理，由光調(diào)制解調(diào)儀輸出的大功率窄脈沖光注入到傳感光纖中，會在傳感光纖中產(chǎn)生后向瑞利散射光。這個后向瑞利散射光經(jīng)過調(diào)制器分離后得到攜帶振動的光信號的疊加，但是同時存在一部分的殘余散射光的光信號疊加，這些殘余散射光會使得有效的光信號上的信噪比降低；在插入端損耗較大的情況下引入光纖放大器（EDFA），也會引入新的噪聲，這大大影響了系統(tǒng)的脈沖準確度。所在研制便攜式光纖斷點定位振動監(jiān)測儀時系統(tǒng)采用了基于半導(dǎo)體光放大器的脈沖調(diào)制方案。

（2）光纖放大器（EDFA）。本系統(tǒng)中的后向瑞利散射經(jīng)光調(diào)制器分離后得到攜帶振動的光信號的疊加，從光調(diào)制器后向反射回來的瑞利散射光進入光接收模塊進行光／電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)光纖放大器放大，此時信號已由光信號轉(zhuǎn)換成了電信號，再進入到后續(xù)的轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換。運用光放大器作為前置放大器，對光信號進行放大，從而探測出背向瑞利散射光信號。本系統(tǒng)中由于接收模塊的的飽和光功率很小，所以放大器工作在比較小的泵浦功率下，放大器的增益是可以通過精細地調(diào)整前向泵浦激光器和后向泵浦激光器功率來實現(xiàn)增益的連續(xù)可調(diào)節(jié)，在小信號增益的情況下，測量的噪聲指數(shù)為4.5，降低對光纖放大器放大倍數(shù)的要求，降低噪聲，提高信噪比。

2.2 電子部分

返回來的背向瑞利散射信號，經(jīng)光電探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號，最終送入到系統(tǒng)的信號采集和信號處理系統(tǒng)中。

（1）光電探測器。光電探測器主要將激光源發(fā)射到探測器靶面的光功率轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)化。由于背向瑞利散射信號強度較小，設(shè)備研制需要采用光電探測器具有增益大、噪聲小的特點。

（2）A/D 轉(zhuǎn)換器。A/D 轉(zhuǎn)換器將光放大器經(jīng)過處理的光信號進行轉(zhuǎn)換，從電信號再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由后臺處理器對數(shù)字信號進行預(yù)處理和分析計算等。本系統(tǒng)應(yīng)用A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時序控制和數(shù)據(jù)處理功能，結(jié)合新型可編程器件實現(xiàn)光纖的振動數(shù)據(jù)采集，從轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換頻率上實現(xiàn)信號的精確采樣。

2.3 應(yīng)用軟件部分

應(yīng)用軟件主要采用網(wǎng)頁的方式進行操作和數(shù)據(jù)交互。應(yīng)用軟件系統(tǒng)功能包含了登陸系統(tǒng)、程序設(shè)置按鈕、地圖編輯、修改密碼、報表統(tǒng)計、用戶管理、用戶操作日志設(shè)置中心點、報警等級、P/V 圖、P/V/T 圖。

3 系統(tǒng)先進性及優(yōu)越性

3.1 系統(tǒng)技術(shù)先進性

（1）高功率、高穩(wěn)定性激光脈沖光源的技術(shù)應(yīng)用。激光光源對傳感系統(tǒng)有著重要影響，是光纖傳感系統(tǒng)的核心器件之一。我司通過高功率、高穩(wěn)定性的窄線寬激光脈沖光源的應(yīng)用，從而可提高光源脈沖功率，而脈沖功率的提高可使光源功率穩(wěn)定性越高，散射光信號功率就會更穩(wěn)定，傳感系統(tǒng)的信噪比就越高。

圖1 系統(tǒng)硬件外觀

圖2 應(yīng)用軟件界面

（2）高空間分辨率的技術(shù)應(yīng)用。高空間分辨率既決定了測試和報警位置的精準度，也決定了對于不同信號的分辨分析能力。本系統(tǒng)通過將裝置的空間分辨率由常規(guī)的10–20 m 提高到2–3 m，明顯提升了振動信號分辨能力。進行了機械及人工威脅作業(yè)測試后，綜合報警準確率達到100%，誤報率小于5%。對成捆光纜的單根快速識別、光纖段測距、線路防外力破壞預(yù)警和快速尋找故障點等應(yīng)用需求，進行了大量測試和工程流程優(yōu)化，實現(xiàn)光纜運維效率的大幅提升，為電力光纖網(wǎng)安全運行提供了新的技術(shù)手段和有力保障。

（3）高數(shù)據(jù)采集速率和分析處理技術(shù)的應(yīng)用。市場上在研的單一分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)中，基本開發(fā)100–150 M 采集速率，我司光纖振動產(chǎn)品采用的是200 M 以上采集速率，從而全面提升捕捉全線的振動信號數(shù)量，避免對報警信號的遺漏，并可在極短時間內(nèi)完成線路的振動信息掃描，完成大量數(shù)據(jù)的采集分析，讓系統(tǒng)達到24小時不間斷實時監(jiān)測。

（4）高分布式光纖振動信噪比方法的應(yīng)用。高靈敏度的光纖振動傳感系統(tǒng)中，各光、電器件的噪聲會降低系統(tǒng)對信號的探測和分辨、還原能力，因此，在長距離光纖振動傳感系統(tǒng)中為使系統(tǒng)的測量精度達到工程應(yīng)用要求，我司采用的是小波降噪技術(shù)，從而可提高振動信號信噪比。

3.2 系統(tǒng)算法先進性

光纜振動信號的強度、頻率、范圍、時間等特征各不相同，通過對振動信號進行算法分析，可更好地區(qū)分振動信號，濾除誤報，對事件行為進行及時報警定位。

3.2.1 各應(yīng)用場景下不同振動信號的波形及數(shù)據(jù)庫

樣本分析技術(shù)的應(yīng)用

（1）不同外力破壞行為算法分析。不同外力破壞方式、破壞強度、破壞時間，振動信號不同，通過采集不同振動信號的波形，并進行數(shù)據(jù)庫樣本的建立和算法分析，可準確預(yù)判外力破壞行為。

圖3 持續(xù)振動信號

圖4 瞬間撞擊信號

圖5 移動信號

（2）現(xiàn)場實際環(huán)境算法分析。不同的現(xiàn)場，其土質(zhì)、氣候、周圍建筑、周圍環(huán)境等不同，光纜振動信號的強度、頻率、范圍等特征各不相同，因此需建立不同現(xiàn)場試驗，通過采集不同的數(shù)據(jù)并建立不同的數(shù)據(jù)庫，開發(fā)具有同類場景通用特性的數(shù)據(jù)模型，提高系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境條件下的信號算法分析和報警能力，從而進一步有效解決設(shè)備誤報問題。

3.2.2 通信線路信號識別與分析算法的應(yīng)用

（1）信號強度算法分析。需監(jiān)測的護欄碰撞行為外，其同一事件不同撞擊信號強度也不同；通過信號強度分析，并建立信號強度數(shù)據(jù)庫對比，從而辨別不同撞擊事件信號強度行為。

（2）信號持續(xù)時間算法分析。不同撞擊事件持續(xù)時間會不相同，外力破壞產(chǎn)生的振動行為信號長，通過對線路不同信號產(chǎn)生的持續(xù)時間及強度，并進行數(shù)據(jù)庫對比及算法分析，可提高系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的不同事件持續(xù)時間問題分析以及報警能力。

4 光纜振動測試

首先，將損壞的光纖接入分布式光纖振動傳感系統(tǒng)，測量并記錄光纖斷點的纖長數(shù)據(jù)，這里可假設(shè)光纖斷點位置的纖長為9，000 m。

為進一步確定光纜斷點位置，在測量的光纖斷點附近（只做大概估計即可），利用大錘、鉛球、鏟背等工具，在光纜正上方的向下砸擊地面，此時，分布式光纖振動傳感系統(tǒng)會呈現(xiàn)出如圖6的振動曲線。

圖6 光纖振動曲線圖

通過在不同的位置不斷的敲擊光纜上方地面就可以逐步的逼近光纜斷點的實際位置。在以往的光纖斷點定位中，如何快速準確的定位光纖斷點所在地理位置是最大的難點。一般需要挖開光纜，而往往要開挖很多的坑才能逐步逼近找到斷點，過程耗時耗力效率低。

結(jié)合分布式光纖斷點定位傳感系統(tǒng)采用光纖振動測試的方式進行斷點的定位，不用多次開挖和直接接觸光纜，效率和準確性都大大提高。

5 結(jié)束語

我們研制的這臺便攜式光纖斷點定位振動監(jiān)測儀已初步達到工程應(yīng)用的技術(shù)水平，其振動定位精度可達±5 m，測量距離可達30 km，無盲區(qū)，取樣間隔1米，并且體積小、重量輕，方便攜帶。但也存在一些問題，如何提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的空間分辨率和不同折射率的光纖可操作性，都有待進一步解決和擴展。從目前泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)速度來看，基于Φ-OTDR 技術(shù)的光纖斷點定位振動監(jiān)測儀將會是一種大眾化儀器。