分布式光纖振動監測系統的應用研究

尹婧 中國聯通山東省分公司

引言

近年來，光纜信息通信技術得到高速發展，光纜監測系統因其具有自動報警、故障地點快速判斷等優點，也得到了廣泛的應用。為克服反射光信息不夠豐富，難以實現模式識別，且靈敏度可控性相對較差，誤告警的問題，目前出現了一種新型光纜監測系統，即采用分布式振動傳感技術，基于原始光干涉效應，通過監測振動引起的光干涉進行定位、定性、還原現場聲音。及時發現對管線的入侵和破壞行為，實現了對光纜安全防護的預警機制。

1 分布式光纖振動傳感技術

基于相位敏感光時域反射技術的分布式光纖振動傳感系統，是用光纖作為傳感單元實現全分布式振動實時監測。利用高相干激光器作為傳感光源(一般要求激光源線寬10kHz)，從光纖一端注入高相干激光脈沖，脈沖光在光纖沿線激發高相干后向瑞利散射光，根據散射光相對于注入光脈沖的時間差，即可實現空間定位，由于注入的脈沖光有一定的時間脈寬(幾十ns量級)，光纖中保持時空同步的后向瑞利散射光將發生多光束干涉現象，當光纖線路由于振動、沖擊、入侵或者聲波等發生擾動時，相應位置處光纖的折射率及長度將會發生動態變化，導致該位置處瑞利散射光的干涉譜發生相應變化，通過對瑞利散射光干涉譜的幅度及相位信息進行解調，即可獲得振動擾動的全部信息。

分布式光纖振動傳感其單通道監測距離可以達到50公里以上，振動監測頻率范圍可實現1kHz以上，空間定位精度可以達到5米以內，目前已有的長距離分布式光纖振動傳感系統技術實現的振動探測靈敏度基本可達到100nε量級。

2 分布式光纖振動監測系統

分布式光纖振動監測系統基于分布式光纖振動傳感技術，監測光纜及管線沿線近域的所有振動擾動，對事件定位、定性、現場音頻還原。當光纜管線周域或內部出現機械施工、人工動作、自然事件等擾動時，事件振動信號即被系統采集并分析，實時判定擾動發生的位置、類型，并采集還原事件現場的音頻。系統自動識別并分級，篩除非破壞性事件，在監控終端以豐富的信息顯示相應的告警事件，同時發送到管理人員手機。管理人員實時掌握線路上發生的事件。既可有效預防外力造成的斷纜事件，又可預防非法放纜等事件的發生。

系統原理：

圖1 系統組成

光源發出的光經耦合器A分為兩束，一束經過調整光路，一束未被調制，進入耦合器B，共同進入傳感光纖，這兩束光可以從物理意義上看作薩格奈克原理中的兩束光。兩束光到達遠端后返回并再次經過兩個耦合器，進入探測器。

若沒有外界破壞事件作用在光纖環上，則兩路光沒有相位差，在耦合器輸出時不會發生干涉現象。若有一個隨時間變化的外界振動作用在光纖上某點時，會在不同時間引起兩束光的相位在該點處發生變化，因此輸出的兩束光有相位差，將產生干涉現象，光電探測器接收的干涉信號能反映兩束光的相位差，即含有該點的位置信息和振動特征信息。

通過一定的數學模型計算，得出振動點的位置信息。提取振動信號中的特征值，與系統數據庫進行比對,判定引發振動的事件性質。利用聲音作用于光纖時產生的彈光效應，還原出事件現場的的音頻信號。

3 分布式光纖振動監測系統結構

分布式光纖振動監測系統硬件設備由主機與遠端單元兩部分構成，主機完成光的發送與接收、信號分析處理、告警信息管理發送、系統運行管理等工作，一般安裝在設備機房，接入監測管線光纜的一端；遠端單元為無源模塊。主要完成環形光路的構成，可靈活安裝，接入監測管線光纜的另一端。

3.1 系統基本結構

圖2 系統安裝示意圖

系統可根據實際管線網絡采取組網方式布設，形成以主機為中心的分遠端、分主機結構，靈活組建星型、樹形、環形結構。

3.2 軟件系統

軟件系統可實現對多地多條線路進行集中遠程監測管理。開放的通信接口方式，允許建立方便的監控方式。

在管理終端的監控界面中，展示線路告警事件的時間、位置、類別、地理圖、事件前后各10秒的現場音頻，并能實時監聽現場聲音。系統同時對所有信息進行存儲，形成告警歷史庫。

系統具備智能化模式識別功能，可自動完善數據庫。長期數據存儲、查詢便捷。事件信息如時間、位置、類型、現場聲音等完整再現。

4 分布式光纖振動監測系統的技術優勢

4.1 光纜線路入侵預警

由于系統采集的是原始光而不是散射光，所以采集的振動信息豐富，可實現模式識別。系統通過模式識別可自動分別事件類型，將誤警率控制在極低量級。同時，可實現聲音監聽，現場音頻還原度高。輔以人工判斷可確認事件本質，進一步提高報警準確度。

4.2 光纜線路狀況報告

當發生漸進式損壞管線的事件時，如地質坍塌、樹枝碰纜、架空纜脫鉤等，系統告警并定位定性，在斷纜事件早前期預警。

4.3 完善光纜線路資料

系統的無損定位功能，可準確標定光纜實際長度與實際地理位置的對應關系，完善光纜線路資料。

4.4 輔助通信線路查修

當線路出現斷纜、劣變等情況時，快速準確定位斷纜、劣變點的位置，縮短搶修時間，減少工作量。通過歷史記錄分析事件原因。

5 系統應用

2018年某運營商使用兩套該系統作為試點，監測光纜路由60多公里，從應用情況來看，較為理想。對侵害光纜管道的各類事件，系統能夠準確告警，維護人員高效處置，僅2018年全年的記錄，共預警處置40多起路面機械施工， 38起人孔內非法作業，撤出非法放纜9200多米。

6 結束語

分布式光纖振動監測系統基于光纖振動傳感技術，可以高精度地感知光纜管線周域和內部的所有振動事件，為光纜線路維護提供可靠高效的技術手段，不僅大幅降低巡線人工工作量，降低線路故障率，而且使現在龐大的光纜網絡成為高靈敏度的巨大傳感網，可拓展監測地質、道路、水、氣、電等領域，應用前景非常廣泛。