|
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%。
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。
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。 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。
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。
| 
