基于Φ-OTDR分布式光纖傳感系統的電纜防開挖分析

徐海寧　張引賢　韓　磊　馬　勛　竺本杰

（舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

基于Φ-OTDR分布式光纖傳感系統的電纜防開挖分析

徐海寧張引賢韓磊馬勛竺本杰

（舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

本文以陸地電纜為研究對象，利用Φ-OTDR分布式光纖傳感系統建立陸纜防開挖數據模型，并應用于實際現場試驗，驗證了建模的正確性以及定位的準確性。在Φ-OTDR分布式光纖傳感系統上建立陸纜防破壞綜合系統。本文研究內容可以為陸地電纜防開挖提供技術支持，減少陸纜被人為破壞的可能性，保護用電線路安全。

Φ-OTDR；定位；陸纜防破壞；線路安全

21世紀是信息化的時代，特別是美國911事件以來，世界各國均重視了煤、水、電等基礎民生設施的安全防護，以免遭受外力破壞的危害，作為分布式傳感系統的Φ-OTDR系統因其具有低成本、重量輕、體積小等優點，同時作為傳感部分的光纖可直接深埋地下，具有非常好的隱蔽性，因此分布式光纖傳感防破壞系統現已成為監測各電力等基礎設施保護研究的熱點問題［1］。

1　設備選型原理介紹

1.1基于OTDR技術的分布式傳感技術

作為測試光纖傳輸鏈路特性的儀器的OTDR是基于瑞利后向散射理論，該理論從提出到完善歷經10余年，系統闡述了光纖結構參數與后向散射系數之間的關系，并作為有效的理論依據成功的實現了OTDR在單模光纖中的應用。

圖1　OTDR原理框圖

OTDR的工作原理是測量光纖背向瑞利散射的光功率，通過獲得沿光纖傳輸的光損耗信息，進而可以測得光纖的衰減。圖1為OTDR的原理圖。OTDR在近些年的發展中，已被廣泛應用于光纖鏈接的定位和網絡在斷點和其他異常情況。OTDR本身即具有分布式測量的特點，同樣它也存在對分布式傳感靈敏度較低的缺點。近些年來，科技工作者在傳統的OTDR的基礎上不斷創新，開發出了新的分布式光纖傳感技術，這些關鍵性能指標對比見表1。

表1　關鍵技術指標對比表

此次主要利用散射原理技術檢測光纖的振動信號，進行防開挖預警，因此我們采用的是Φ-OTDR技術，因其具有定位精度及靈敏度高、數據處理簡單等優點。

1.2Φ-OTDR的原理介紹

圖2為Φ-OTDR分布式傳感系統原理圖。

圖2　Φ-OTDR的系統入侵圖

光脈沖從光纖的一端注入，通過使用探測器感知后向瑞利散射光。因注入光纖激光器線寬狹窄，使其具備了良好的相干性，所以傳感器系統輸出的即是脈沖寬度區域反射回來的瑞利散射光相干涉的結果。因Φ-OTDR系統可以通過測量輸入脈沖和輸出脈沖之間的時間延遲定位干擾點的位置，所以當光纖線路上的位置因入侵產生一個擾動，光纖在相應位置的折射率將產生折射率變化，這將導致光路干涉效應，相變誘發后向散射光光強發生變化，而光強度變化的時間即可定位入侵的位置［2］。

瑞利后向散射光返回到耦合器被光電探測器接收，在正常情況下，激光器將發出規則的單一不變的激光脈沖，在沒有不受外力的情況下，此時的光相位表現為不因光纖長度的變化而變化，這樣所有Φ-OTDR路徑軌跡應該是相同一致的，我們將其稱之為正常圖；相反，當受外力引起相變，此時軌跡圖的變化將會在相應時間刻度有所反應，這一段變化的時間刻度即對應著的傳感光纖上入侵者所處的位置，這被稱其為入侵圖。我們用有變化的軌跡圖減去已存的無入侵情況下的正常圖，就可以非常顯著的發現這兩者中的不同點，將其稱之為差值圖，通過利用差值圖就可以很容易得精確定位和檢測到入侵者［3］。

當一短脈沖被耦合入光纖時，其脈沖周期T由下式給出：

式中，Ng為光纖的反射指數；L為檢測距離。在日常工作中應用常規光纖作為傳感器，其反射指數Ng=1.46則計算得T=9.73L，此時L單位為km，T的單位為μs。因此，對于檢測距離為10km的傳感光路，發射光脈沖信號的周期為98μs。

Td是定義光脈沖持續期發射光脈沖到瑞利后向反射回的光脈沖到達光電探測器的距離，則

式中，Ng為光纖的反射指數；Lactua1的長度。

2　防開挖實驗驗證

本次實驗的具體環境是，利用挖掘機在一個空曠的平地上，開挖一條長10m，深1m的溝渠模擬電纜溝，在溝的底部埋設一根傳感光纜，然后覆土，壓實，傳感光纜總長10km，接上Φ-OTDR分布式傳感系統設備，通電，向傳感光纜中注入窄線寬激光，觀察設備在沒有外物入侵傳感光纜時的波形，然后用挖掘機模擬在電纜溝上行走，挖掘電纜溝等動作，觀察設備預警報警情況以及在其他情況下的誤報警等內容。

設備運行時由于周圍環境沒有大的干擾，沒有車輛經過，這種情況下系統波形應該穩定且不會發生報警，如圖3所示。

圖3　設備背景波形

2.1 埋設區域挖掘機作業行為

在光纜位置360m的正上方區域做挖掘操作，一組操作的動作包括挖土和回填。現場作業如圖4所示，振動曲線分布圖如圖5所示。

圖4　挖機在傳感光纖正上方挖掘

圖5　振動曲線圖

從振動曲線上看，370～380m位置的振動強度達到800mv/s，其他位置基本不受影響。

2.2埋設區域的拍土行為

在光纜位置360m的正上方區域做拍土操作，一組操作的動作是將上一次回填的土夯實。現場作業如圖6所示，振動曲線分布圖如圖7所示。

圖6　挖機在傳感光纖正上方拍土

從振動曲線上看，370～380m位置的振動強度達到800mv/s，其他位置基本不受影響。

圖7　振動曲線圖

2.3挖掘機行走行為

挖掘機沿光纜的埋設路由行駛，但是距離燃氣管道水平距離大約為2m。現場作業如圖8所示，振動曲線分布圖如圖9所示。

圖8　挖機在傳感光纖邊緣行走

圖9　振動曲線圖

從振動曲線上看，行走對光纜的影響明顯比挖掘和拍土行為的影響小，只能達到400mv/s，且影響位置隨挖掘機行走路徑變化。系統不產生報警事件。

3　結論

本文針對Φ-OTDR分布式傳感系統進行陸地電纜防開挖防盜模擬仿真實驗，得出Φ-OTDR分布式傳感系統可以在深埋的情況下同樣能夠進行精確報警、準確定位、誤報少，滿足實際工程應用要求。在此基礎上結合視頻監控系統能夠起到陸纜保護無人值守功能，給陸地電纜安全增加一道實時監控、智能化防護。保護由于人為破壞給社會造成不必要的損失。為保護電纜安全提供智能化技術支持。

［1］ 謝孔利. 基于Φ-OTDR的分布式光纖傳感系統［D］.成都： 電子科技大學， 2008： 8-9.

［2］ 謝孔利， 饒云江， 冉曾令. 基于大功率超窄線寬單模光纖激光器的Φ-光時域反射計光纖分布式傳感系統［J］. 光學學報， 2008， 28（3）： 569-572.

［3］ 彭龍， 鄒琪琳， 張敏， 等. 光纖周界探測技術原理及研究現狀［J］. 激光雜志， 2007， 28（4）： 1-3.

Research on Method to Prevent External Damage of Submarine Cable by Distributed Optical Fiber Sensing System with Φ-OTDR

Xu Haining Zhang Yinxian Han Lei Ma Xun Zhu Benjie
（Zhoushan Electric Power Bureau， Zhoushan， Zhejiang 316000）

This paper choose Land cable as the research object. The land cable anti excavation data model was established by distributed optical fiber sensing system with Φ-OTDR. The model applied to the actual field experiments to verify the modeling accuracy and positioning accuracy. The establishment of land cables in distributed optical fiber sensing system with Φ-OTDR on anti damage integrated system. The research content of this paper can provide technical support for the ground cable to prevent excavation， reduce the possibility of damage to the land cable， and protect the safety of the electric line.

Φ-OTDR diameter； location； land cable damage prevention； safety line

徐海寧（1983-），男，碩士研究生，工程師，主要從事從事海纜運行檢修工作。