便攜式光纖斷點定位振動監測設備的研制

季 偉，王文軍，張飛勇，黃俊杰，吳建靈，徐常志，葉俊健

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

0 引言

隨著國家電網泛在電力物聯網戰略規劃的提出，大規模的光纖網絡得以鋪設，電力通信光網絡的穩定性和可靠性關系著兩網融合后新型電網的安全有效運行。普通的人力巡察存在故障查找困難、排障時間長、修復成本過高等缺點。因此，如何實時的監測光纖的故障隱患，如何管理和維護光纜線路以確保通信系統安全穩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備就是光時域反射計，這種基于傳統的OTDR 技術的設備定位精度不高，且難以實時監測光纜故障，不能夠有效地對光纜破壞進行預警且難以將斷點位置與實際斷點地理位置聯系起來。

1 工作原理

1.1 傳統的OTDR 技術

傳統的OTDR 技術是根據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生的無規律散射。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射光，即采集光信號碰到造成反向系數改變因素的反射光，例如光纖制作次品或長期使用的光纖內部玻璃結構在空氣中的間隙、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，再經過信號處理計算出光纖長度與斷點位置。

1.2 Φ-OTDR 技術

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境的振動時間進行實時監測。而Φ-OTDR 將傳統OTDR設備的光源換成了窄線寬光源，增強了光脈沖光波內散射光相互干涉的響應度，爭對監測散射光信號的相位信息，對相位變化產生高響應度，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。

當傳感光纖正常運作時，穩態光纖中產生的散射光信號保持一種穩定的狀態，當光纖發生碰撞、擠壓等振動事件時，根據光彈效應，光纖中的傳輸光發生相位變化，光電探測器采集振動位置的散射干涉區間中產生的疊加干涉光強，就能依據相位變化分析出該區間對應的外部信息。

2 系統組成

本系統主要由激光光源、光調制解調儀、光探測模塊、信號采集器、光放大器以及應用軟件等部分組成。

2.1 光學部分

本系統選取的光源為一窄線寬激光光源，其發出的窄線寬的連續光經脈沖調制器調制為脈沖光（脈沖寬度20 ns）再經EDFA 進行放大后通過環形器注入到傳感光纖中，以產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，廣泛應用于光纖通信、光纖傳感、光纖遙感、材料技術以及高精度光譜等領域。產生光脈沖序列的方法一般有兩種，即調Q 和鎖模。調Q 產生的光脈沖序列重復頻率通常較低，為10–200 kHz；脈沖寬度約為幾十納秒。鎖模產生的光脈沖序列重復頻率一般較高，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，Φ-OTDR 系統光源的線寬要窄，所以背向瑞利散射光產生的干涉現象更加明顯，從而監測出相位的變化。

（1）調制器。Φ-OTDR 系統根據后向瑞利散射光原理，由光調制解調儀輸出的大功率窄脈沖光注入到傳感光纖中，會在傳感光纖中產生后向瑞利散射光。這個后向瑞利散射光經過調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，這大大影響了系統的脈沖準確度。所在研制便攜式光纖斷點定位振動監測儀時系統采用了基于半導體光放大器的脈沖調制方案。

（2）光纖放大器（EDFA）。本系統中的后向瑞利散射經光調制器分離后得到攜帶振動的光信號的疊加，從光調制器后向反射回來的瑞利散射光進入光接收模塊進行光／電轉換，再經光纖放大器放大，此時信號已由光信號轉換成了電信號，再進入到后續的轉換器中進行轉換。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整前向泵浦激光器和后向泵浦激光器功率來實現增益的連續可調節，在小信號增益的情況下，測量的噪聲指數為4.5，降低對光纖放大器放大倍數的要求，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，經光電探測器接收并轉化為電信號，最終送入到系統的信號采集和信號處理系統中。

（1）光電探測器。光電探測器主要將激光源發射到探測器靶面的光功率轉化成相應的電信號，實現光信號到電信號的轉化。由于背向瑞利散射信號強度較小，設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 轉換器。A/D 轉換器將光放大器經過處理的光信號進行轉換，從電信號再轉換為數字信號，再由后臺處理器對數字信號進行預處理和分析計算等。本系統應用A/D 轉換器轉換時序控制和數據處理功能，結合新型可編程器件實現光纖的振動數據采集，從轉換精度和轉換頻率上實現信號的精確采樣。

2.3 應用軟件部分

應用軟件主要采用網頁的方式進行操作和數據交互。應用軟件系統功能包含了登陸系統、程序設置按鈕、地圖編輯、修改密碼、報表統計、用戶管理、用戶操作日志設置中心點、報警等級、P/V 圖、P/V/T 圖。

3 系統先進性及優越性

3.1 系統技術先進性

（1）高功率、高穩定性激光脈沖光源的技術應用。激光光源對傳感系統有著重要影響，是光纖傳感系統的核心器件之一。我司通過高功率、高穩定性的窄線寬激光脈沖光源的應用，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定性越高，散射光信號功率就會更穩定，傳感系統的信噪比就越高。

圖1 系統硬件外觀

圖2 應用軟件界面

（2）高空間分辨率的技術應用。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。本系統通過將裝置的空間分辨率由常規的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、線路防外力破壞預警和快速尋找故障點等應用需求，進行了大量測試和工程流程優化，實現光纜運維效率的大幅提升，為電力光纖網安全運行提供了新的技術手段和有力保障。

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

（4）高分布式光纖振動信噪比方法的應用。高靈敏度的光纖振動傳感系統中，各光、電器件的噪聲會降低系統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中為使系統的測量精度達到工程應用要求，我司采用的是小波降噪技術，從而可提高振動信號信噪比。

3.2 系統算法先進性

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 各應用場景下不同振動信號的波形及數據庫

樣本分析技術的應用

（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，并進行數據庫樣本的建立和算法分析，可準確預判外力破壞行為。

圖3 持續振動信號

圖4 瞬間撞擊信號

圖5 移動信號

（2）現場實際環境算法分析。不同的現場，其土質、氣候、周圍建筑、周圍環境等不同，光纜振動信號的強度、頻率、范圍等特征各不相同，因此需建立不同現場試驗，通過采集不同的數據并建立不同的數據庫，開發具有同類場景通用特性的數據模型，提高系統在復雜環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備誤報問題。

3.2.2 通信線路信號識別與分析算法的應用

（1）信號強度算法分析。需監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，并建立信號強度數據庫對比，從而辨別不同撞擊事件信號強度行為。

（2）信號持續時間算法分析。不同撞擊事件持續時間會不相同，外力破壞產生的振動行為信號長，通過對線路不同信號產生的持續時間及強度，并進行數據庫對比及算法分析，可提高系統在復雜環境下的不同事件持續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，測量并記錄光纖斷點的纖長數據，這里可假設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會呈現出如圖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。

結合分布式光纖斷點定位傳感系統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 結束語

我們研制的這臺便攜式光纖斷點定位振動監測儀已初步達到工程應用的技術水平，其振動定位精度可達±5 m，測量距離可達30 km，無盲區，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，如何提高系統的穩定性，提高系統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網的建設速度來看，基于Φ-OTDR 技術的光纖斷點定位振動監測儀將會是一種大眾化儀器。