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基于φ -OTDR的管道通信光缆故障定位方法

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vdianwang 发表于 2021-7-18 21:35:29 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
摘要:大部分管道通信光缆故障地表特征不明显,又缺乏竣工和维护资料,凭借普通OTDR很难准确定位。分析了基于φ-OTDR的分布式光纤振动传感机理,提出了以管道伴行光缆光纤为传感介质,利用OTDR的光纤测试功能与φ-OTDR的振动监测功能相结合进行通信光缆故障点定位的方法。
关键词:φ-OTDR;通信光缆;故障定位
管道通信光缆与管道同沟铺设,埋深一般在地表面下 1.0~1.5 m。通信光缆故障可分为光缆中断、光缆断芯和损耗过大[1]。光缆中断故障一般是外载荷作用力导致,地表特征明显,易于发现。光缆断芯或光纤损耗过大等常见故障地表没有明显特征,故障点的查找和定位比较困难。如图 1所示,某管道公司近3年累计发生通信光缆故障56起,其中因鼠蚁咬噬导致光缆断芯及光纤损耗过大等光缆故障占比达79%。
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图 1  各类通信光缆故障占比

1  OTDR的原理及应用
1.1  OTDR工作原理光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer,OTDR)是当前通信光缆维护最常用、最便捷的工具。它是基于光在光纤中传输过程中的后向瑞利散射和菲涅尔反射原理。如图 2所示。激光器发出的光在光纤传播过程中,受光纤材质不均匀性影响,光子与纤芯晶格间发生碰撞会产生散射效应。包括瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射。当光纤链路中有非常规能量损失点时,后向瑞利散射光特性会发生明显变化,通过检测后向散射光能量的大小用以定位传输衰减故障点。当光纤链路中有断点时,光会在断点处产生菲涅尔反射,通过检测光信号即可定位光纤断点位置。
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图 2  光的散射原理

1.2  OTDR在光缆故障定位中的应用当发生光缆断芯或光纤损耗过大故障,首先使用OTDR测量故障点到机房距离,再根据光缆线路维护资料或工作经验,在故障点所在区段人工开挖出距离故障点最近的光缆接头盒,打开接头盒,在接头盒内找到已知故障光纤,将故障光纤从中断开,使用熔纤机将故障光纤与光纤冷接头熔接,并连接OTDR设备,测量光缆故障点到接头盒的缆长距离,再根据此距离开挖查找故障点。OTDR只能测量故障点光纤距离,对光缆线路维护资料管理和人员工作经验有很高的要求,对地表特征不明显的光缆故障无法实现准确定位。单个故障点查找和定位成本高,耗时长,难度大。基于相敏感光时域反射(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,φ-OTDR)的光纤振动传感技术是在OTDR的基础上发展而来,已被广泛应用于周界安防系统以及管道外载荷作用破坏预警[2]等多个领域。提出了以管道伴行光缆光纤为传感介质,利用OTDR光纤测试功能和φ-OTDR振动监测功能相结合进行通信光缆故障点定位的方法。
2  φ-OTDR的原理及系统组成
2.1  φ-OTDR工作原理OTDR利用了瑞利散射感知散射信号的大小,灵敏度不高,不能检测光纤振动信号[3]。φ-OTDR与OTDR的不同之处在于,φ-OTDR是基于相干检测的。系统采用了超窄脉宽光源,增强了瑞利散射光干涉效果,避免了后向瑞利散射的干涉效应被弱化而不能响应光波的相位调制,灵敏度更高,具备了检测光缆周边振动频率和强度信息的功能。脉冲光从光纤一端注入检测光纤,当外界有振动作用于光缆时,会引起光纤拆射率发生改变,导致光纤中后向瑞利散射光相位发生变化。相干检测中并不是直接检测散射回来的瑞利光信号,而是将散射回的信号先与本地光信号进行拍频,经过光学单元处理,光的相位变化转化为光强变化,经光电转化后进入计算机进行数据分析,通过测量注入脉冲时间与接收信号之间的时间延迟,即可计算出振动点距离主机的距离[4]。振动点距离主机的距离与注入光纤脉冲光宽度有关。
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式(1)中,c为光在真空中的传播速度,n为光纤折射率。2.2  φ-OTDR系统组成φ-OTDR系统主要由超窄脉宽光源、光耦合器、光调制器、光纤放大器、环形器、检测光纤、光电探测器、信号处理单元等部分组成。检测光纤由硅管保护,沿地下管道埋地铺设。超窄脉宽光源发出的光经耦合器1分成两部分,一部分进入光调制器形成脉冲信号,经过掺铒光纤放大器(EDFA)进行功率补偿后,通过环形器注入检测光纤,另一部分作为本地光信号,与后向瑞利散射光在耦合器2进行拍频,以提高散射光强度,滤除噪声,增加探测距离,拍频后的光信号经滤波器滤除不同散射益的光信号后,经光电探测器捕捉再进入信号处理单元进行数据处理,如图 3所示。
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图 3  系统结构示意图

3  基于φ-OTDR的光缆故障定位方法
3.1  实现路径(1)使用OTDR连接故障光纤,测量光纤损耗情况,以及故障点到中继站机房距离L1,判断光纤质量及故障点所处地理区段。(2)将φ-OTDR设备连接到光缆光纤,在光缆线路故障点区段管道中心线5米范围内,人工使用器具连续制造振动信号,测量振动点到中继站机房的距离L2。(3)将故障点到机房的距离L1与振动点到机房的距离L2对比分析,若L1与L2偏差较大,则向故障点的方向移动并重新制造振动,直至L1与L2相同,则振动点即为光缆故障点位置。3.2  关键技术指标分析(1)优化光源选择。φ-OTDR光源需要超窄线宽和极小频率漂移,以提高对振动信号的识别灵敏度。线宽越窄,系统灵敏度越高。频率漂移越小,后向瑞利散射曲线抖动越小,系统越稳定。实际应用中根据成本及性能需要优化光源选择。(2)消减干扰信号。消减干扰信号主要可从提高振动信号识别率、振动信号预处理、振动信号降噪、模式识别等方面入手。应尽可能固定一种器具制造振动信号,如人工使用锤机敲击地面,以提高系统分辨率。在模式识别算法中,可建立振动模式数学函数,在应用现场采集特定人工振动信号作为特征样本,系统仅需要精确地识别出这一种振动信号,而忽略其它干扰信号,以减小系统计算量。在对振动信号预处理时,采用差分运算法消除硬件缺陷导致的偏移,也可消减一定外界信号干扰。同一器具在距离光纤不同位置所产生的振动信号的幅值会逐渐衰减,但频率会比较稳定,利用这一原理,通过设置振动信号的幅值大小、过零率来排除远距离的干扰信号,只有近距离的振动信号才能加以识别,提高系统对振动信号的分辨率[3]。光纤传感器对周围环境噪声比较敏感,而光缆沿线环境复杂,干扰信号会降低振动信号信噪比。采用小波理论及谱减降噪法[5]等对信号进行降噪处理,可提高系统信噪比。3.3  功能特征及注意事项(1)φ-OTDR可利用光缆中备用光纤作为传感单元,连续分布,支持跳芯测试。无需额外安装传感器及电源,无电磁干扰,操作便捷,本质安全。(2)φ-OTDR系统不能检测出光纤沿线损耗分布等具体信息,且对被测光纤质量要求较高,若被测光纤质量较差或损耗较高,则会缩减测试长度。在实际应用中,应首先使用OTDR测量光纤损耗情况,判断光纤质量和故障点距离,再在距离故障点最近的中继站使用φ-OTDR振动监测系统,提高故障定位准确性。(3)该方法是通过测试故障点和振动点的地面相对距离,以判断故障点位置,不需要查找光缆接续盒,减少了人工开挖作业坑工作量。为了提高故障定位效率,可使用φ-OTDR系统振动监测功能,结合管道里程信息,选取管道沿线代表性地理参照物,如管道“三桩一牌”、建构筑物等,借助GPS工具,对光缆里程进行标定,掌握管道和光缆里程相对关系。
4  结束语
OTDR的光纤测试功能与φ-OTDR的振动监测功能相结合进行通信光缆故障点定位的方法操作便捷,定位准确,可减少大量人工开挖探坑工作量,降低维护成本,节约维护时间。但受光缆沿线复杂地理环境和频繁人类活动影响,φ-OTDR系统的振动检测距离有限。光纤损耗增大会进一步缩短系统检测距离,因此,需要优化系统配置,延长检测距离,提高振动探测灵敏度和环境适应性。




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