光頻域反射在電力光纜故障定位中應(yīng)用研究

郭 旻，李春明，王 健

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010080；2.國網(wǎng)山西省電力公司信息通信公司，山西 太原 030001）

0 引言

目前，隨著我國光纖通信的快速發(fā)展，光纖已經(jīng)成為信息傳輸?shù)闹饕绞讲V泛應(yīng)用于各行業(yè)；特別是在電力通信領(lǐng)域，由于光纜承載著絕大多數(shù)的電力生產(chǎn)及管理業(yè)務(wù)，因此對光纜的運行維護(hù)工作是不可或缺的。如果沒有及時對光纜出現(xiàn)的故障情況進(jìn)行排查，不僅會嚴(yán)重影響到光纖通信和光纜正常運行，更會給人們的日常生活帶來諸多不便。為保證電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運行，探尋一種精確查找故障、有效處理故障的方法就顯得尤為重要。目前，針對故障定位的方法使用較多的是利用光時域反射計OTDR（optical time domain reflection），這種方法是通過對散射光的光程差以及時間差檢測來判定光纜的故障位置，但其判定的精確度取決于探測脈沖寬度的大小，很大程度上會影響故障位置準(zhǔn)確性的判定[1-2]。為了解決這個問題，研究者們運用各種信號處理技術(shù)改進(jìn)定位的精度。自20世紀(jì)90年代起，光頻域反射計 OFDR （optical frequency domain reflectometer）作為一個發(fā)展快速的新技術(shù)，由于其在測量精度上的優(yōu)勢引起了廣大研究者研究的興趣，并進(jìn)行了深入的分析。

1 光頻域反射的工作原理分析

OFDR是一種基于光外差探測的新技術(shù)，其工作原理的總體結(jié)構(gòu)由線性掃頻光源、邁克爾遜干涉儀（M-Z干涉儀）、信號處理單元（頻譜分析儀）、光電探測器（PD） 等組成。工作原理圖如圖1所示。

光頻域反射計通過持續(xù)線性掃頻光源，經(jīng)光纖耦合器后分成兩束光，即參考光和信號光。參考光是一束光經(jīng)固定反射鏡轉(zhuǎn)向注入端，由于其光程固定，將其定義為參考光。信號光是一束光經(jīng)待測光纖，由于待測光纖折射率的不均勻而產(chǎn)生瑞利散射，使其部分后向散射光轉(zhuǎn)向注入端，將其定義為信號光。當(dāng)光束的傳播長度滿足光的相干條件時，參考光和信號光會在光電探測器上發(fā)生混頻現(xiàn)象[3]。

圖1 OFDR工作原理圖

為方便分析光頻域反射過程，將待測光纖長度設(shè)為L，且為單模光纖；經(jīng)過耦合進(jìn)入光纖x=0處光波的電場強(qiáng)度設(shè)為E0，背向瑞利散射系數(shù)設(shè)為σ（x），光功率衰減系數(shù)設(shè)為a（x），參考臂反射系數(shù)設(shè)為r，傳播常數(shù)為 β（t）=ω（t）/vg=β0+γt，得參考光的電場強(qiáng)度為

得信號光的電場強(qiáng)度為

得輸出電流為

在式（3） 中，和兩項代表著測電流的交流分量，可寫為

由式（4） 可知，在待測光纖上任意一點處，其后向瑞利散射信號所對應(yīng)的光電纜頻率為當(dāng)x=0時，散射點位置Ω與光電纜頻率 成正比關(guān)系。當(dāng)光電纜頻率Ω小于光電探測器的截止頻率時，光電探測器輸出一個相應(yīng)頻率的光電纜，該振幅與待測光纖上任意一點x處的后向瑞利散射系數(shù)、光功率大小均成正比關(guān)系。因此可以得到待測光纖的瑞利散射衰減特性，再通過測試得到的頻率最大值便可對待測光纖長度進(jìn)行推導(dǎo)計算[4]。

2 光頻域反射優(yōu)點及應(yīng)用層面

OFDR作為一種新技術(shù)，通過對光纖中背向瑞利散射的探測實現(xiàn)分布式光纖傳感。與傳統(tǒng)的OTDR相比，OFDR在信噪比、靈敏度和空間分辨率上具有明顯優(yōu)勢[5]。在靈敏度方面，OTDR直接探測待測光纖的后向瑞利散射光信號，由于參考光的光功率較大，而后向瑞利散射光功率很小。因此，OFDR探測方式的靈敏度要比OTDR探測方式的靈敏度更優(yōu)?？臻g分辨率高是指辨別測量點之間距離短，可測量得到相較于OTDR更多的光纖信息，并明顯反映光纖特性。

對于光頻域反射技術(shù)主要應(yīng)用于光通信網(wǎng)絡(luò)診斷、集成光路診斷以及光學(xué)相干層析技術(shù)3個方面，而應(yīng)用領(lǐng)域的差異主要體現(xiàn)在OFDR系統(tǒng)光源部分的調(diào)制方式上。光通信網(wǎng)絡(luò)診斷需要波長為1.3 μm或是1.55 μm的光源，對測量量程要求大。1990年Sorin等人利用ND：YAG激光器產(chǎn)生波長為1.32 μm的光源，測量范圍為50 km，分辨率達(dá)380 m[6]；1995年Tsuji等人利用Er-Yb激光器產(chǎn)生波長為1.55 μm的光源，測量范圍為30 km，分辨率達(dá)50 m[7]；2000年Oberson等人利用可調(diào)諧光纖激光器產(chǎn)生線寬為10 kHz的光源，在150 m長度上，分辨率達(dá)16 cm[8]；集成光路診斷對測量量程要求大于光學(xué)相干層析技術(shù)。1993年，Glombitza等人利用磷化銦光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在25 mm的測量長度上的50 μm的分辨率[9]。光學(xué)相干層析技術(shù)可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，是一種可對組織層進(jìn)行掃描成像的技術(shù)。測量范圍幾個毫米，分辨率可大幾十微米。1998年H.Hiratsuka等人利用光柵調(diào)制半導(dǎo)體激光器光源搭建了一種測量量程1 mm，分辨率達(dá)47 μm的OFDR系統(tǒng)[10]。2003年S.H.Yun等人驗證了一種分辨率達(dá)13.5 μm的OFDR系統(tǒng)[11]。

3 光頻域反射應(yīng)用于電力光纜故障定位中的案例分析

基于目前電力光纜故障定位普遍存在定位不準(zhǔn)的缺陷?，F(xiàn)有光纜故障定位方法以O(shè)TDR測定光纜長度為依據(jù)，結(jié)合光纜敷設(shè)資料以起點為基準(zhǔn)點進(jìn)行計算，估算光纜故障地理位置區(qū)域，并在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行人工查找?；贠TDR的光纜定位方法如圖2所示。

圖2 基于OTDR光纜定位方法

測試光纜以故障點37 km中斷測試為例，在光纜長度與光纜地理長度誤差率恒定為5%的基礎(chǔ)下，其地理定位誤差將達(dá)到1.8 km。而光纜在敷設(shè)時存在彎曲、傾斜等因素，以O(shè)TDR測定光纜長度方法會造成光纜長度與光纜地理長度的地理定位誤差，且地理定位誤差隨光纜長度成一定誤差率增長。

基于OFDR的光纜故障定位方法，通過對光纖中背向瑞利散射的探測，以接頭盒作為光纜標(biāo)識點和地理標(biāo)識點進(jìn)行定位。經(jīng)實際分析，其故障地理定位精度誤差在±25 m內(nèi)。使其地理定位誤差不再跟隨光纜增長而增加，有效降低光纜故障地理定位誤差，便于維護(hù)人員精準(zhǔn)定位、快速排查光纜故障點。

4 結(jié)束語

通過分析OFDR技術(shù)原理，對比了OFDR的優(yōu)勢，提出了一種基于OFDR技術(shù)的電力光纜故障定位的應(yīng)用研究。解決了光纜敷設(shè)時存在的彎曲傾斜等情況所造成的光纜長度與光纜地理長度的地理定位誤差問題，實現(xiàn)了光纜故障定位精度的提升。