應用于光纜外破監測的雨水信號識別

王尉軍,郭舉富,殷 慧,盛興隆

(貴州電網有限責任公司貴陽供電局,貴州 貴陽 550004)

1 引 言

隨著城市建設和電網建設的不斷推進,電力通信光纜的內外部運行環境日益惡化,電力通信光纜外破現象逐漸凸顯[1]。分布式光纖振動傳感技術給傳統模式下的光纜運維管理帶來了曙光,將“監控故障信息被動搶修改造”的傳統模式蛻變成“提前發現隱患主動防護遷改”的新模式,將光纜運維管理智能化,有效減少光纜突發故障次數。

城市建設開挖引起的外力破壞是通信光纜故障的主要原因,可以通過信號的強弱等特征進行判斷,但降雨時雨水通過管道流入光纖,會增強局部信號,而增強的信號夾雜在傳感信號中,使得系統難以區分,造成誤報,干擾系統的正常運行。如若光纜進水,在嚴寒水結冰膨脹會爆傷光纖,而且水分長期沒入光纜會損壞其外保護套,使光纖衰減增大。今年破壞力超強的臺風“利奇馬”登陸溫嶺[2],持續北上,使得江浙一帶受損嚴重,據報道,浙江、上海、江蘇、安徽、山東等五省市的通信都受到一定程度的損害,光纜受損5349公里。排除因洪水長時間浸泡帶來的損壞,還有日常的雨季帶來的累積影響。如若臺風之前對受雨水影響區段進行保養修護,那么在臺風時期的暴雨之下損失將會大幅縮減。

目前鮮有學者研究雨水對光纖的影響,東南大學的朱輝[3]針對雨滴碰擊引起的相位調制進行理論研究,基于云動力學理論建立了雨滴碰擊光纜引起的光纖內傳輸光的相位調制模型,獲得了降雨強度與相位調制間的關系。但鄒東伯[4]從信號識別角度研究了下雨和敲墻時的振動信號,從頻域新角度出發計算特征參量,通過實驗證明基于MFCC特征參量提取的新算法對振動入侵的檢測更為精確。劉素杰[5]從時域和頻域各狀態量的角度出發,找到下雨振源的特征屬性,建立能量信息熵模型識別下雨振源。

本文基于分布式光纖振動傳感技術[6],針對下雨環境下的光纜振動信號,分析雨水環境下的信號差異,增設雨水影響區段提醒,減少預警系統誤報率。

2 基本原理

2.1 分布式光纖振動傳感技術

分布式光纖振動傳感器采用相位敏感光時域反射(Ф-OTDR)技術[7],以分布式的光纖作為傳感敏感元件,連續感知作用在傳感光纖上的振動動態,分析處理其光信號變化,從而實現對傳輸路徑下的多類入侵事件進行高效識別并及時預警。而防外破監測系統是一種利用光纖中的后向瑞利散射光對光纖沿線振動信號進行傳感的技術,其系統結構圖如圖1所示。其原理為:超窄線寬激光器產生1550 nm的強相干連續光,經過聲光調制器(AOM)的調制,形成脈沖光信號；后經過摻鉺光纖放大器(EDFA)后得到峰值功率放大后的脈沖光,然后將該脈沖光經過環形器注入傳感光纖。在脈沖光在光纖內部正向傳播的過程中,會由于光纖纖芯折射率的不均勻性,會不斷的產生后向瑞利散射光。這些后向散射的脈沖光沿著待測光纖逆向傳播,最終再次通過環形器進入光電探測器,并經采集卡采集信號,交由主機處理。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

本文研究針對城市光纜外破事件監控系統,實時監控光纜周邊的城市建設開挖引起的外力破壞,對有害入侵行為進行預警,但由于環境因素,尤其是雨季,集中暴雨、大雨帶來的系統誤報影響較為明顯。因此,本文開展下雨環境下,分布式光纖振動系統的雨水識別研究,系統的基本框架如圖2所示。

圖2 雨水識別系統基本框架圖Fig.2 Basic frame diagram of rainwater identification system

2.2 振動烈度

振動烈度[8]定義為頻率10～1000 Hz范圍內振動速度的均方根值,是反映機械設備振動狀態簡明綜合、是用有效的特征量,通常用于衡量振動強度的大小,而振動強度是指物體振動速度的均方根值,即振動速度的有效值,反映了包含各次諧波能量的總振動能量的大小,其表達式為:

(1)

式中,T表示所測信號的時間長度(s);而v則是物體的振動速度(mm·s-1)。若所測信號為離散信號,則表達式可寫為:

(2)

文中已分析得到可以利用DFT在頻域計算振動烈度,而考慮到Ф-OTDR測量值涉及位移,因此選取位移信號下的振動烈度計算公式,即N點振動信號x(n),采樣頻率為fs,那么在頻率范圍fa～fb上的振動烈度為:

(3)

其中,ka為不小于N·fa/fs的最小整數;kb為不大于N·fa/fs的最小整數。

3 振動信號處理

時域和頻域是振動信號處理的首選也是最為經典的方式,本文選取一段試驗光纖,實時監測不同環境下信號特征。試驗期間監測到一段長時間下雨,分別從時域和頻域進行畫圖分析。

3.1 外破系統介紹

本文搭建了一套分布式外破監測系統,通過實驗對系統的有效性進行了相應測試。測試所用平臺為一套光纜外破在線監測系統,該系統部署在通訊機房內,與一條長度為10 km的光纜相連接。只需將監測系統與已鋪設好的一芯冗余光纖相連接,就可以實現整條線路的在線監測。編程實現所述信號識別技術,并將該程序部署到該監測系統中,當系統監測到有外破入侵施工信號包括雨水入侵信號,人工光纜作業,一般機械施工等等時,算法程序及時將施工點皮長與事件類型計算出來,并通過4G傳輸網絡,在系統上顯示。

3.2 實驗可行性驗證及雨水信號采集處理

為驗證算法的可行性,在監測光纖上尋找兩處容易受雨水入侵的井蓋實驗點分別問0.5 km和1.1 km左右。系統采集下雨前后的原始信號,并通過快速傅里葉變換得到其頻譜。

圖3所示為截取的一段光纖在900 s內的振動時空分布圖,發現其中兩個區段有明顯的信號增強現象,且與實驗中標記的兩處易受雨水侵襲位置高度吻合。挑出這兩個區段繪制時域波形如圖4所示。

圖3 試驗段時域信號Fig.3 Time domain signal of test section

圖4 試驗段振動信號Fig.4 Vibration signal of test section

從圖中可以看出除了標記的兩個實驗點之外,光纜其他區域在時域上信號沒有明顯變化。而實驗區域的兩個區段振動信號振動強度不一,可能是由于降雨量不同導致。圖5、圖6分別是兩處試驗段的二維頻譜信號和三維頻譜信號。可以清楚地看出光纜受到雨水沖刷后,頻譜信號也會隨之發生變化。圖7為這900 s內的烈度疊加。

圖5 雨水信號時域頻域圖Fig.5 Time-domain and frequency-domain diagramof rain signal

圖7 雨水信號烈度圖Fig.7 Rain signal intensity map

4 雨水信號識別

基于分布式光纖傳感技術的外破監測系統能夠監測線路上受振動引起的不同外破信號,不同的外破事件會引起不同的振動信號特征,分析出不同信號特征之間的差異就能更好地識別雨水信號。

如圖8所示,分別為雨水信號、人工光纜作業信號,機械施工信號的時域烈度對比圖,圖9為這三種外破事件信號的頻域強度對比圖,圖10為外破事件中心點的頻率特征對比。

圖8 時域信號對比Fig.8 Comparison of time domain signals

圖9 頻域信號對比Fig.9 Frequency domain signal comparison

圖10 頻率特征對比Fig.10 Comparison of frequency characteristics

從時域特征上來看,雨水信號與人工光纜施工的強度都比較強且比機械施工要更為密集。從頻域上看,各類信號的特征差異更加明顯,雨水信號的頻譜特征與人工光纜作業較為類似,都呈現出整齊的矩形狀,區別是人工光纜作業影響的光纜皮長范圍較大可達到300 m左右,而雨水信號的影響區域相對較小僅為不到100 m。再對比機械施工來看,特征差異清晰可見,機械施工的頻域信號為排列規律的一系列非穩定線譜信號,破碎機工作時,信號強度隨事件存在間歇性強弱變化,但是線譜特征始終存在。最后,對外破事件中心點的頻率特征分析,雨水信號在低頻段區間強度高,在高頻段強度低,隨著頻率增高強度呈明顯下降趨勢。和人工光纜的不同點時,雨水信號隨頻率升高下降較急,下降趨勢明顯,人工光纜作業信號隨頻率升高下降較緩,下降趨勢不明顯。

綜上所述,雨水信號特征從影響范圍,頻譜特征等方面均與人工光纜作業與一般機械施工存在較大差異,所以本文提取雨水的信號特征對其進行識別分析,當判斷有持續雨水信號時,外破監測系統則會判定當時的天氣為下雨天,并反饋在系統告警中如圖11所示。

圖11 通過雨水信號判定的天氣狀況Fig.11 Weather conditions judged by rain signals

5 結 論

暴雨入侵時,將會通過井蓋對光纜造成沖擊,只要能引起光纜的振動,光纜外破監測系統就能夠采集到該區域的振動信號。而要想識別雨水信號,則需要通過計算得到其頻譜強度信號,從上述分析可以看出,頻域上的雨水信號與其他人工光纜作業或者一般機械作業信號有著較為明顯的差異。分布式外破監測系統能夠分析出不同外破事件的頻譜特征差異,因此能夠對雨水信號進行監測,并通過系統及時告知巡線人員。