分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究

尹婧 中國聯(lián)通山東省分公司

引言

近年來，光纜信息通信技術(shù)得到高速發(fā)展，光纜監(jiān)測系統(tǒng)因其具有自動報警、故障地點快速判斷等優(yōu)點，也得到了廣泛的應(yīng)用。為克服反射光信息不夠豐富，難以實現(xiàn)模式識別，且靈敏度可控性相對較差，誤告警的問題，目前出現(xiàn)了一種新型光纜監(jiān)測系統(tǒng)，即采用分布式振動傳感技術(shù)，基于原始光干涉效應(yīng)，通過監(jiān)測振動引起的光干涉進(jìn)行定位、定性、還原現(xiàn)場聲音。及時發(fā)現(xiàn)對管線的入侵和破壞行為，實現(xiàn)了對光纜安全防護(hù)的預(yù)警機制。

1 分布式光纖振動傳感技術(shù)

基于相位敏感光時域反射技術(shù)的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)，是用光纖作為傳感單元實現(xiàn)全分布式振動實時監(jiān)測。利用高相干激光器作為傳感光源(一般要求激光源線寬10kHz)，從光纖一端注入高相干激光脈沖，脈沖光在光纖沿線激發(fā)高相干后向瑞利散射光，根據(jù)散射光相對于注入光脈沖的時間差，即可實現(xiàn)空間定位，由于注入的脈沖光有一定的時間脈寬(幾十ns量級)，光纖中保持時空同步的后向瑞利散射光將發(fā)生多光束干涉現(xiàn)象，當(dāng)光纖線路由于振動、沖擊、入侵或者聲波等發(fā)生擾動時，相應(yīng)位置處光纖的折射率及長度將會發(fā)生動態(tài)變化，導(dǎo)致該位置處瑞利散射光的干涉譜發(fā)生相應(yīng)變化，通過對瑞利散射光干涉譜的幅度及相位信息進(jìn)行解調(diào)，即可獲得振動擾動的全部信息。

分布式光纖振動傳感其單通道監(jiān)測距離可以達(dá)到50公里以上，振動監(jiān)測頻率范圍可實現(xiàn)1kHz以上，空間定位精度可以達(dá)到5米以內(nèi)，目前已有的長距離分布式光纖振動傳感系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)的振動探測靈敏度基本可達(dá)到100nε量級。

2 分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)

分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)基于分布式光纖振動傳感技術(shù)，監(jiān)測光纜及管線沿線近域的所有振動擾動，對事件定位、定性、現(xiàn)場音頻還原。當(dāng)光纜管線周域或內(nèi)部出現(xiàn)機械施工、人工動作、自然事件等擾動時，事件振動信號即被系統(tǒng)采集并分析，實時判定擾動發(fā)生的位置、類型，并采集還原事件現(xiàn)場的音頻。系統(tǒng)自動識別并分級，篩除非破壞性事件，在監(jiān)控終端以豐富的信息顯示相應(yīng)的告警事件，同時發(fā)送到管理人員手機。管理人員實時掌握線路上發(fā)生的事件。既可有效預(yù)防外力造成的斷纜事件，又可預(yù)防非法放纜等事件的發(fā)生。

系統(tǒng)原理：

圖1 系統(tǒng)組成

光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器A分為兩束，一束經(jīng)過調(diào)整光路，一束未被調(diào)制，進(jìn)入耦合器B，共同進(jìn)入傳感光纖，這兩束光可以從物理意義上看作薩格奈克原理中的兩束光。兩束光到達(dá)遠(yuǎn)端后返回并再次經(jīng)過兩個耦合器，進(jìn)入探測器。

若沒有外界破壞事件作用在光纖環(huán)上，則兩路光沒有相位差，在耦合器輸出時不會發(fā)生干涉現(xiàn)象。若有一個隨時間變化的外界振動作用在光纖上某點時，會在不同時間引起兩束光的相位在該點處發(fā)生變化，因此輸出的兩束光有相位差，將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，光電探測器接收的干涉信號能反映兩束光的相位差，即含有該點的位置信息和振動特征信息。

通過一定的數(shù)學(xué)模型計算，得出振動點的位置信息。提取振動信號中的特征值，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對,判定引發(fā)振動的事件性質(zhì)。利用聲音作用于光纖時產(chǎn)生的彈光效應(yīng)，還原出事件現(xiàn)場的的音頻信號。

3 分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)備由主機與遠(yuǎn)端單元兩部分構(gòu)成，主機完成光的發(fā)送與接收、信號分析處理、告警信息管理發(fā)送、系統(tǒng)運行管理等工作，一般安裝在設(shè)備機房，接入監(jiān)測管線光纜的一端；遠(yuǎn)端單元為無源模塊。主要完成環(huán)形光路的構(gòu)成，可靈活安裝，接入監(jiān)測管線光纜的另一端。

3.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)安裝示意圖

系統(tǒng)可根據(jù)實際管線網(wǎng)絡(luò)采取組網(wǎng)方式布設(shè)，形成以主機為中心的分遠(yuǎn)端、分主機結(jié)構(gòu)，靈活組建星型、樹形、環(huán)形結(jié)構(gòu)。

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)可實現(xiàn)對多地多條線路進(jìn)行集中遠(yuǎn)程監(jiān)測管理。開放的通信接口方式，允許建立方便的監(jiān)控方式。

在管理終端的監(jiān)控界面中，展示線路告警事件的時間、位置、類別、地理圖、事件前后各10秒的現(xiàn)場音頻，并能實時監(jiān)聽現(xiàn)場聲音。系統(tǒng)同時對所有信息進(jìn)行存儲，形成告警歷史庫。

系統(tǒng)具備智能化模式識別功能，可自動完善數(shù)據(jù)庫。長期數(shù)據(jù)存儲、查詢便捷。事件信息如時間、位置、類型、現(xiàn)場聲音等完整再現(xiàn)。

4 分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

4.1 光纜線路入侵預(yù)警

由于系統(tǒng)采集的是原始光而不是散射光，所以采集的振動信息豐富，可實現(xiàn)模式識別。系統(tǒng)通過模式識別可自動分別事件類型，將誤警率控制在極低量級。同時，可實現(xiàn)聲音監(jiān)聽，現(xiàn)場音頻還原度高。輔以人工判斷可確認(rèn)事件本質(zhì)，進(jìn)一步提高報警準(zhǔn)確度。

4.2 光纜線路狀況報告

當(dāng)發(fā)生漸進(jìn)式損壞管線的事件時，如地質(zhì)坍塌、樹枝碰纜、架空纜脫鉤等，系統(tǒng)告警并定位定性，在斷纜事件早前期預(yù)警。

4.3 完善光纜線路資料

系統(tǒng)的無損定位功能，可準(zhǔn)確標(biāo)定光纜實際長度與實際地理位置的對應(yīng)關(guān)系，完善光纜線路資料。

4.4 輔助通信線路查修

當(dāng)線路出現(xiàn)斷纜、劣變等情況時，快速準(zhǔn)確定位斷纜、劣變點的位置，縮短搶修時間，減少工作量。通過歷史記錄分析事件原因。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

2018年某運營商使用兩套該系統(tǒng)作為試點，監(jiān)測光纜路由60多公里，從應(yīng)用情況來看，較為理想。對侵害光纜管道的各類事件，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確告警，維護(hù)人員高效處置，僅2018年全年的記錄，共預(yù)警處置40多起路面機械施工， 38起人孔內(nèi)非法作業(yè)，撤出非法放纜9200多米。

6 結(jié)束語

分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)基于光纖振動傳感技術(shù)，可以高精度地感知光纜管線周域和內(nèi)部的所有振動事件，為光纜線路維護(hù)提供可靠高效的技術(shù)手段，不僅大幅降低巡線人工工作量，降低線路故障率，而且使現(xiàn)在龐大的光纜網(wǎng)絡(luò)成為高靈敏度的巨大傳感網(wǎng)，可拓展監(jiān)測地質(zhì)、道路、水、氣、電等領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常廣泛。