基于分布式光纖傳感的光纜防外破監測研究

張均偉，藍 波，黃嘉庚，謝曉華

(廣西電網有限責任公司柳州供電局，廣西 柳州 545001)

0 引 言

隨著物聯網時代的到來，外界信息獲取和感知日益重要，光纖能夠以每秒太比特的速率傳輸數據，廣泛應用于電信領域[1]。光纖結構及其工作原理(全反射)，以及載波(光)的形式使數據傳輸非常安全、可靠，并且能抵抗多種干擾源。但光纖參數對環境條件(如溫度、應變、振動或強環境電磁場)具有一定的敏感性[2]。城市化進程的發展在加快光纖網絡應用的同時，施工單位光纜設施保護意識淡薄、經常發生破碎機、打樁機和頂管機等損壞光纜本體，帶來諸多隱患，故障預防、定位及告警成了亟待解決的問題[3-5]。分布式傳感器用于測量諸如溫度、應變和機械振動等變量[6]。Li等[7]人通過移動差分法對外界擾動進行定位，降低了運算的復雜度，同時能夠屏蔽風雨干擾；He等[8]人通過高斯混合模型對振動信號進行分類，對人為擾動的最佳識別準確率為87%；Masoudi等[10]人通過相位敏感光時域反射儀(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer，Φ-OTDR)，設計并搭建了傳感系統組件，可以檢測、定位和分類多種振動源。本文基于分布式光纖傳感器的原理和方案，通過提取拍頻信號關鍵特征和建立模型，對外破隱患類型進行識別，并主動發送預警信息，形成了包含故障預防、定位及告警的光纜防外破監測預警系統，以期為光纜安全運行管理工作提供借鑒。

1 光纖傳感防外破原理

1.1 光纖傳感原理

光纖作為傳感介質，可以采用多種原理來構造傳感器。幾十年來，許多科學家和工程師在這一研究領域設計和測試了用于傳感目的的傳感器。第1種方法是基于最直接的效果，即光強變化。這些傳感器要么是基于違反光沿光纖傳播的全反射原理(基于光纖微彎曲的壓力或位置傳感器)，要么(在外部傳感器的情況下)當光離開光纖時，外部光傳播參數改變，從反射器反射，然后回到檢測器。還有一大批傳感器采用光干涉測量原理[10]，其利用穿過干涉儀臂的光束之間的相位差相遇并產生相互干涉，適當的函數要求干涉光束具有高度相干性，因此臂長差必須遠小于激光源的相干長度。干涉測量方法較為敏感，可以通過光信號獲得溫度、應變和應力等物理信息，實現光纜異常狀況的實時監測。

1.2 分布式光纖振動傳感器

分布式光纖振動傳感器具有分布式的機械振動傳感能力，即可以隨著傳感光纖同時檢測和定位多個事件。在過去的20年里，提出了許多技術、測量方法和方案。最常見的測量方案是基于對詢問脈沖發送到光纖的瑞利后向散射信號的分析，這與OTDR中使用的反射原理類似，如圖1所示。

圖1 分布式光纖傳感器的結構示意圖Figure 1 Structure diagram of distributed optical fiber sensor

標準的OTDR技術已經被電信行業使用了幾十年，用于檢測電纜斷裂、不合適的光纖接頭或有缺陷的連接器[11]。傳統的OTDR是基于瑞利散射和沿不規則光纖信號反射的組合。OTDR的核心是一個寬帶光源，主要是法布里-珀羅激光光源，波長為1 310、1 550或1 625 nm。脈沖通過光纖的過程中，光信號與光纖材料的不均勻性相互作用，產生光吸收和散射效應。部分散射信號被纖芯重新捕獲，其余部分傳播回光纖原點。脈沖寬度決定了傳感器的空間分辨率，分布式傳感器空間分辨率r的表達式如下：

式中：vg為光纖纖芯中的光群速度；τ為時延。由式(1)可知，通過縮小詢問脈沖能夠有效提高傳感器的空間分辨率。然而，相同功率水平下，較窄的脈沖能量較少，導致傳感范圍較短。因此，為達到亞米空間分辨率，可以增加脈沖功率以承載更大的能量來降低信噪比。

2 光纜防外破監測預警系統

2.1 傳感器方案

后向散射信號接收采用直接檢測和相干外差檢測兩種基本方案，均包含由光隔離器保護的激光源、傳感器前分支中的光放大器和光循環器、接收臂中的o/e轉換器、數據采集卡和用于數字信號處理的計算機單元。直接檢測和相干外差檢測方案的主要區別包括應用來自主激光器的本振信號，其與后向散射信號混合，并應用平衡o/e轉換器，在其中發生拍信號放大過程。相干外差檢測方案還包含模擬混頻器，如果所述混頻器過程不是數字信號處理的一部分，則該混頻器可獲得基帶信號。直接檢測比相干外差檢測方案的復雜度低，但存在文獻[11]中所述的幾個問題，限制了其性能。綜上所述，相干外差檢測方案包括后向散射信號與本局光振蕩器的混合和平衡的光/電轉換。在50/50耦合器中，將強本振信號與弱后向散射信號混合，并在平衡光/電探測器中轉換為電流[12-13]。拍頻信號在包含幾個頻率分量的平衡光/電探測器中產生電流。所需要的電流分量[14]表達式如下：

式中：I1和I2為輸出光電流；t為響應時間；R為變換器響應率(A/W)；Ps(t)為接收信號的功率；PL為本振功率；ωAOM為驅動聲光調制器(Acousto-Optic Modulator，AOM)的射頻脈沖角頻率；θs(t)和θL分別為信號的相位和本振的相位。該方法提高了傳感器的靈敏度，提供了更高的動態范圍。

傳感器實際部件的性能會影響傳感器的性能，除激光參數(超窄線寬、頻率和相位穩定性)外，光放大器、光調制器和射頻發生器的參數也會對傳感器的整體性能產生嚴重影響。為了達到較高的傳感器靈敏度、空間分辨率和傳感長度，傳感器設計應盡量抑制實際元件的副作用[15]。在光功率放大器后面增加一個光帶通濾波器有助于抑制由其產生的放大器自發輻射噪聲(Amplifier Spontaneous Emission Noise,ASE)。來自傳感光纖的后向散射信號非常微弱，在環行器第3端口后的傳感接收路徑上增加一個光放大器，然后加一個光濾波器(用來抑制ASE)，將在o/e轉換前增加信號功率。如果發電機G1和G2不能完全同步和穩定，也可能發生信號退化。通過使用一個諧波發生器、一個脈沖整形器和功率放大器來驅動AOM，可以得到輕微改善。然而，只有一個諧波發生器，其輸出被分成兩個支路。第1支路信號連續波進入混頻器，第2支路信號由控制脈沖成形，適當放大后驅動AOM調制器。由于光纖的響應時間遠遠大于發送到AOM的無線電脈沖的寬度調制器，發電機的相位和或頻率可能改變。其結果是：信號向基帶的過渡不是完美的，這可能會導致信號的額外失真，特別是來自傳感光纖更遙遠的位置。o/e平衡轉換器后面的電子帶通濾波器只允許拍信號通過，隨后的電壓控制增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)放大和均衡光纖響應特性，然后將VGA輸出信號分成兩個分支，其中一個分支在混合過程之前進入載波恢復單元。如果正確恢復拍頻，則得到基帶信號而沒有殘留頻移。

一般而言，無擾動時分布式傳感光纖信號較為穩定；遇到擾動時，振動信號強度會瞬時增大。因此，當監測到光纖信號異常時，則轉入異常事件識別模塊，提取頻率特征并對外破事件進行識別，外破事件特征提取檢測流程如圖2所示。

圖2 外破事件特征提取檢測流程Figure 2 External damage event feature extraction and detection process

2.2 光纜防外破預警系統

光纜防外破預警系統如圖3所示。系統軟件界面展示了事件信息和光纜路徑。其中，事件信息包括統計分析、歷史事件查詢以及相應外破事件等；光纜路徑為破壞事件具體位置和光纜路由。

圖3 防外破監測預警系統Figure 3 Monitoring and early warning system for external damage prevention

通過數學統計與采集信號參數值相結合來建立智能分析識別模型，首先對信號幅值進行判斷，然后對外破隱患信號進行寬度和頻域分析，與數據庫中的歷史擾動信號特征進行對比，并根據頻域信號特征分類。內、外網布置系統平臺安裝主機設備后，通過數據網即可通過網頁訪問監測預警系統平臺。同時，通信模塊配置網卡，可及時向運維工作人員發送告警信息，有利于及時掌握光纜危險級別，工作人員可根據告警級別進行相應處理。

3 現場驗證與分析

為驗證系統能否對外破異常信息準確定位，以地鐵在建和道路維修路徑的光纜為對象，進行了光纜路由的標定試驗，監測異常擾動條件下的測距并現場核實。系統在實驗室和現場進行了構建和測試。現場部署的傳感光纖是沿鐵路線敷設的一根總長度為15 km的標準電信光纜暗光纖。由于分布式傳感原理，可以檢測多個同時發生的事件并分別處理。o/e轉換后的拍頻信號如圖4所示。

圖4 o/e轉換后輸出的拍頻信號Figure 4 Beat signal output after o/e conversion

由于光纖響應的指數衰減，從遠距離來看信號水平相對較弱。為此，提出并實現了光纖響應均衡。為了平衡響應，拍頻信號由VGA放大，其增益由與脈沖產生同步的鋸齒形信號控制，如圖5所示。

圖5 VGA控制電壓Figure 5 VGA control voltage

利用單模光纖作為傳輸通道接入主機，對光纜外力破壞進行監測，可以根據不同閾值設定告警級別，可識別手持機械、勘探機、打樁機、頂管機、挖掘機以及破碎機等的振動信號。對擾動信號進行幅值解調，以獲取振動點位置，不同擾動信號振幅如圖6所示。由圖可知，在傳感光纖上，破碎機、挖掘機、頂管機以及車輪碾壓擾動信號分別約在1 886、1 857、1 914以及1 911 m處附近，其中車輪碾壓信號較為穩定，挖掘機擾動信號強度較大，強度變化也更為復雜。

圖6 不同擾動信號振幅Figure 6 Different amplitude of disturbance signal

訓練過程的損失曲線和準確率曲線如圖7所示。由圖可知，模型的準確率和損失函數訓練至穩定時，系統能達到更高的外界擾動識別率。

圖7 損失曲線和準確率變化曲線Figure 7 Loss curve and accuracy change curve

系統對典型振動源信號的識別率如圖8所示。由圖可知，該監測系統對擾動信號的識別比較準確，對于風鎬和破碎機的識別存在一定偏差，主要是兩者工作原理相近，同屬沖擊信號，兩者的頻譜圖也很相近，但總體識別率高達95%。

圖8 不同施工擾動條件下系統預警監測識別率Figure 8 Recognition rate of system early warning monitoring under different construction disturbance conditions

4 結束語

本文設計并構建了基于瑞利后向散射和相干檢測原理的分布式振動傳感系統，其能夠同時檢測和定位沿傳感光纖的多個振動源，該系統可以識別出多種類型的振動源——破碎機、挖掘機、頂管機以及車輪碾壓等擾動信號。同時系統具有可擴展性，即可以同時運行多個傳感單元并提供至后臺工作人員，將光纜被動搶修轉為主動預警，有利于預防外力破壞事件，實現通信光纜的智能化監測，避免了斷纖事故的發生，提升了精益化運維和通信光纜的全壽命周期管理能力。