光纖傳感及時域切分技術在管道監控預警中的應用

摘要：管道安全關系到人類生命和財產安全，及時掌握管道結構健康狀態是確保管道安全運行的重要前提。文章通過探究光纖傳感及時域切分技術的原理，為其在管道監控預警中的應用提供理論基礎，并做好其在管道監控預警應用中的各個技術要點，以此保證其能夠發揮最大化的作用，保障管道運行安全。

關鍵詞：光纖傳感；時域切分技術；管道；監控預警

中圖分類號：TP277

文獻標志碼：A

0 引言

電力設施是社會發展的重要動力和保障。由于城市建設、公路施工、橋梁施工、軌道交通施工、市政給排水施工等在施工建設的過程中缺乏適當的保護，導致地面坍塌、不均勻沉降等，在外力的作用下會導致電纜被破壞，造成嚴重的經濟損失，同時會影響城市的快速發展^［1］。目前，輔助人工巡檢的監測手段通常利用傳感技術搭建管道監測系統，包含幾個必要元素：傳感單元、信息傳輸通道、供電通路。但該類監測手段普遍存在技術缺陷：（1）監測距離通常在40 km以內，且只能監測一條線路，覆蓋路徑大大受限，如若延長監測路徑或同時監測多條線路，需架設多套系統或裝置，成本較高。（2）信息傳輸通道沿途需部署較多的傳感模塊，通過每一個傳感點回傳數據信息才能保證路徑全程信息的完整性。（3）點狀部署的傳感器監測空白區域多，提高部署密度又帶來巨大的施工工作量與建設成本，此外惡劣的環境大大降低了電子設備的壽命。常規的技術方法用于電力管道的實時監測實用性不高，本文在現有監測系統裝置的基礎上，為打破目前一套系統裝置只能監測同一路徑光纜的局限性，開展基于薩格奈克效應和彈光效應光纖傳感的時間切片技術的研究與應用，實現一套系統裝置完成多路由線路事件的實時信息同步監測。

1 基本原理

1.1 薩格耐克效應的基本原理

薩格耐克效應的原理如圖1所示，其工作原理是借助環形干涉儀，對一束光進行分解，并在環形干涉儀的作用下兩束光進行相互干涉。

圖1（a）處于靜止狀態，從一個光源中發射出兩束光，都從M點出發，因為兩束光的速度相同，所以旋轉一周之后重新回到M點，由于不存在相位差，因此二者之間不會出現干涉。

圖1（b）中在環形干涉儀的作用下給予兩束光角速度旋轉，由于二者的光程存在差異，所以再次到達M點時因為相位差的存在，導致二者之間出現了相互干涉的現象。

由此可見，其基本原理是創建科學的光路，并借助環形干涉儀對同一光源的兩束光進行干涉，并以二者的光程差、相位差為依據進行測量，以此保證測量的準確度和精度。

1.2 彈光效應

聲壓作用于光纖時產生彈光效應，改變線偏光和圓偏光的折射率，從而對光波的相位進行了調制，產生干涉。原理如圖2所示。

基于彈光效應原理，通過構建合理的光路，可以達到對光路沿線的音頻進行采集的目的。

2 技術研究與實現

本文研究并提出基于薩格耐克干涉及彈光效應原理的光纖振動傳感技術的時間切片機制。研究過程的重點難點及具體技術是通過光開關的切換實現在時域上將分布式傳感光信號進行切分。根據對光開關重要參數指標的要求，本文提出有效且最優的光開關選擇方案，部署時間切片模塊構建合理光路。軟件設計針對光開關切換，需同時開發對應的控制軟件，信號采集處理、事件類型識別軟件、聲音還原軟件等，本文不展開描述。

2.1 相關參數

為了保證光纖傳感及時域切分技術的監控質量和水平，需要保證光開關的各項參數能夠滿足管道監控預警的實際需求，具體參數主要包括以下4個方面：（1）開關時間參數，在計算時間時，需要以施加轉換能量的時刻為測量起點，以開關初始接通的時刻為結點，或者以撤去轉換能量的時刻為測量起點，以開關斷開的時刻為結點，精確計算二者之間的時間差。（2）消光比指端口在導通情況和非導通情況之間的差值。（3）隔離度指前一個隔離輸出端口光功率和后一個隔離輸出端口光功率之間的比。（4）回波損耗指輸入端返回光功率數值和返回之前的比。

針對光纖振動傳感系統的特點，對上述指標的要求為：插入損耗低；回波損耗低；隔離度高；消光比低；開關時間短。

2.2 光開關選型

光開關的類型主要包括機械式、非機械式、干涉儀光開關、全光開關以及MEMS光開關5種類型，不同類型光開關的特點不同，適用范圍也存在一定差異，需要根據管道監控預警的實際情況選擇合適的光開關，具體表現如下。

2.2.1 機械式光開關

機械式光開關主要包括微精密電機控制和磁保持兩種^［2］。機械式光開關有不同的作用機制，有的可以接近上述要求，與其他光開關相比，機械式光開關的特點表現為：操作簡單、重量大、造價低廉等。機械式光開關的結構如圖3所示，其中圖3（a）是磁保持結構光開關，在磁鐵的作用下進行光開關的控制，圖3（b）為移動反射式光開關，是由微精密機電對反射鏡、旋轉軸進行有效控制，對光纖進行反射，以此達到啟閉開關的目的。

2.2.2 非機械式

非機械式光開關和機械式光開關的區別在于其不借助光學元件，而是通過借助多種光學效應進行開關啟閉的光開關。非機械式光開關與其他光開關的區別表現為：適用范圍廣，能夠和光纖進行適配；體積非常小，便于運輸；安裝操作簡單。

2.2.3 MEMS光開關

MEMS光開關以半導體基片為基礎，借助精益加工工藝在基片上設置微鏡列陣，以此達到對光傳播進行精密控制的效果。MEMS光開關以電磁力原理為基礎，在精密芯片的作用下，進行微鏡的各種操作，以此實現對光傳播方向的控制，進而完成光路的通斷控制。在微鏡列陣的控制作用下，所有輸入端口和輸出端口都能夠進行互聯，但是在實際運行過程中遵循唯一原則，即確定好光路之后，在同一時間輸出端口無法與兩個或者以上輸入端口進行連接，只能和單個端口進行連接，以此保障通斷控制的精確度。該種光開關和其他類型光開關的區別表現為以下幾個方面：插入損耗非常低，經濟性良好；調制方式、速率等不會對光開關通斷產生干擾；串擾發生的概率非常低；耐候性強，使用年限長；響應速度適中；MEMS光開關體積小，在未來系統小型化、集成化時是最佳選擇，但成本較高。

2.2.4 全光開關

全光開關的控制原理主要包括兩種，即通過控制光斑的移動實現光開關功能和通過控制光的強度來實現開關功能。光開關直接關系傳感信號的優劣與系統的整體性能，因此需要通過反復的搭建與測試，選擇適合的原理與結構，使系統性能達到最優。

2.2.5 干涉儀光開關

干涉儀光開關如圖4所示，有兩個3 dB耦合器（DC1，DC2）和兩個臂（L1，L2）組成。干涉儀光開關基于光干涉原理，而光纖振動傳感系統也是基于光干涉原理，通過試驗提高匹配度，有提高光纖傳感性能的可能；同時開關沒有機械動作，減少了光纖路由的物理變化對傳感信號帶來的噪聲。

本文通過對普通機械光開關、MEMS光開關、干涉儀光開關進行對比，同時對不同機制光開關與時間切片方案的試驗以及能夠實現合理光路的構建，最終確定與薩格耐克振動傳感光信號匹配性最優的機制選擇機械式光開關。

2.3 部署時間切片模塊構建光路

如圖5所示，在光路構建過程中，機械式光開關以及光環行器是構成時間切片模塊的核心構件。機械式光開關實現光在時間上的路由切分。光環形器是光纖通信系統中一種重要的光無源器件，它使光信號只能沿固定途徑進行環行傳輸^［3］。光信號由任一端口輸入時，都能按順序從下一端口以很小的損耗輸出，確保切分后的光分量在獨立的光路上傳輸且互不干擾，光信號在單根纖芯中雙向收發，返回的光信號不再進入光開關，而是分別傳輸至對應的信號采集處理模塊。

3 結語

本文提出的基于薩格耐克及彈光效應原理的光纖傳感時域切分技術實現了單系統覆蓋多路由管道實時監測，通過利用光開關與光環形器組合的技術，保證了每一條路由不會因為時間切片導致監測效果下降，可以達到與單路監測相同的技術指標。一方面，該技術可大幅降低使用成本，增加的硬件成本顯著小于增加部署多套單路系統的成本。另一方面，該技術可貼合現有光纜網絡的星狀結構，降低多區域覆蓋的技術難度，便于快速部署。

參考文獻

［1］王尉軍，郭舉富，殷慧，等.光傳感技術在電力管道光纜防外破監測系統中的應用［J］.光學與光電技術，2021（6）：34-37.

［2］曹俊忠.機械式光開關性能分析［J］.天津通信技術，2004（2）：21-24.

［3］宛政文，萬助軍.一種光環行器優化設計方法［J］.光器件，2010（3）：41-42.

（編輯 王雪芬）

Application of optical fiber sensing and time domain segmentation technology in pipeline monitoring and warning

Ren Chaohua

（Telecommunication Branch of Xiamen Electric Power Engineering Group Co.， Ltd.， Xiamen 361000， China）

Abstract： Pipeline safety is related to the safety of human life and property. Timely grasping the health status of pipeline structure is an important prerequisite to ensure the safe operation of pipeline. By exploring the principle of optical fiber sensing and time-domain segmentation technology， this paper provides a theoretical basis for its application in pipeline monitoring and early warning， and does a good job in various technical points in pipeline monitoring and early warning， so as to ensure that it can play a maximum role to ensure the safety of pipeline operation.

Key words： optical fiber sensing; time domain segmentation technology; pipeline; monitoring and early warning