耦合光纖和GIS技術的地下通信光纜智能系統優化設計

謝曉華，藍 波，張均偉，黃嘉庚

(廣西電網有限責任公司 柳州供電局，廣西 柳州 545000)

光纖通信具備效率高、質量輕、信息傳送量大、耗損低等優點，被應用于電話、計算機通信、云數據可訪問性、互聯網使用等在內的各種通信技術領域。因此，保障光纜的安全直接影響到通信系統的實時性、可靠性和準確性[1]。然而，由于光纖質地脆、連接點結構復雜以及機械強度低等缺點，導致光纖鋪設及工作過程中極易發生故障。此外，傳統的光纜診斷系統存在維護周期長、故障定位困難等問題，嚴重影響通信網絡的安全運行。目前，主要采用光時域反射儀(OTDR)對光纜故障的進行監測定位，光纜走向錯綜復雜，該技術能夠監測距離故障點的距離信息，但無法顯示地理空間位置，嚴重影響通信光纜的故障定位和維修[2-4]。

針對光纜故障定位技術，國內外學者做了大量研究，如結合簡單易行的脈沖測距法以及光子計數法高靈敏度的特點，提出光子計數OTDR技術[5]；僅局限于波導結構器件，現實應用過程中無法得到大面積推廣。基于可視化查找算法，通過半導體激光器實現了通信光纜故障的高精度定位[6]；但其技術要求和成本均較高。基于數字相干探測與維納濾波技術，提出了相位敏感OTDR，能夠實現長距離通信光纜的故障位置、擾動信號強度及頻率的同步監測[7]；但系統需要較高相干性的探測光且測量誤差較大。從國內外現有研究來看，大多忽略了故障診斷的現實狀況，僅依靠故障點與檢測點間的距離測量，難以實現可靠準確的故障定位。光纖通信行業通過提供更可靠的電信鏈路、更高的性能和不斷降低的帶寬成本，徹底改變了電信行業。光纖通信技術的進步促進了光纖傳感器的發展。基于此，在Φ-OTDR技術的基礎上引入光纖布拉格光柵(FBG)，對光纜故障進行定位，同時結合地理信息系統技術(GIS)，實現了電子地圖中上通信光纜的智能監測，并以某市建設東路N#配電房到中原東路配電房地下通信光纜實際故障為例，驗證了智能監測方法的有效性，以期為智能化通信光纜故障定位的維護管理提供有益借鑒。

1 光纖故障定位原理及GIS系統

1.1 Φ-OTDR故障定位

Φ-OTDR技術是從傳統的OTDR技術基礎上發展而來的，2種技術的區別都來自于Φ-OTDR技術中光源的改進，將光的特征變化轉化為承載光纖振動狀態的信號，再進行模數轉換，其靈敏度遠高于普通的OTDR，還能同時檢測多點入侵事件[8-10]。除此之外，它還在多種極端環境條件下具有令人滿意地執行高質量、高精度、高相干激光等特點。通過使用電光調制器作為強度調制器來實現光源[11-12]。Φ-OTDR利用瑞利散射的相干效應來檢測振動；其系統獨立設計用于高速數據傳輸。硬件系統的框圖如圖1所示，離散反射鏡模型如圖2所示。

圖1 基于Φ-OTDR的振動檢測原理功能圖Fig.1 Φ- OTDR vibration detection principle function diagram

圖2 離散反射鏡模型Fig.2 discrete mirror model

將光纖(長度為L)平均分成N段，且均由M個反射鏡組成，ΔL為光脈沖的寬度[13]。第k段內的場矢量和表示為：

(1)

式中：rk為光纖上散射體的幅值；Φk為光纖上散射體的相位和；Ωi和ai分別為ΔL范圍內背向瑞利散射體的相位值和幅值。

散射光的相位和幅度概率密度函數表示為：

(2)

(3)

式中：Φ為均勻分布，r為正態分布；σ2為概率最大的反射率；

1.2 GIS技術

GIS 技術為存儲、分析、描述和輸出地理信息提供了方法，它使用地理模型和數據庫提供各種動態和空間地理信息系統，并將相關地理信息通過圖形的方式進行展現，GIS系統由系統管理人員、地理空間數據、計算機硬件和軟件系統構成[14-16]。

GIS系統功能包括：數據采集、數據編輯、數據庫管理與存儲、空間查詢、產品顯示等。數據的采集是將統計數據、文字報告、地圖數據和物化遙感數據等錄入系統。數據管理和存儲能夠提供數據修改、檢索、存儲和更新的功能，決定GIS的數據分析精度和效率。空間查詢包括拓撲疊加、空間模型和空間檢索分析，可以實現網絡、數字地形等多種模型性的分析，是GIS系統的核心功能。產品顯示是可視化表達GIS的重要功能，輸出全要素地圖，工作人員可以對其進行縮小或放大展示。

1.3 光纖布拉格光柵傳感器理論

光纖光柵具有插入損耗低、回波損耗高、制作簡單等顯著優勢。考慮具有平均折射率光纖的均勻布拉格光柵，每個布拉格波長(λμ)與相應的模式有效指數(nμ)之間的關系由下式給出[17-18]：

λμ=2nμ(λμ)Λ

(4)

式中：Λ為光柵周期；下標μ為橫模的階數。

由于沿光纖的折射率周期性變化，引入了2個橫模之間的耦合，結果激發了新的布拉格波長，激發布拉格波長與2個相應的耦合橫穿模式之間的關系由下式給出：

λμ,V=[nμ(λμ,V)+nV(λμ,V)]Λ

(5)

式中：μ和V為2個不同的橫模的階數。由于被激發的布拉格波長λμ,V恰好位于λμ和λv之間的中間，式(6)可以改寫為：

λμ,V=(λμ+λV)/2

(6)

考慮具有平均折射率光纖的均勻布拉格光柵，折射率分布可以表示為：

(7)

式中：neff為光柵周期內空間平均的折射率變化；v為折射率變化的邊緣可見性；φ(L)為光柵啁啾。

光纖光柵的耦合模式方程為：

(8)

式中：K為耦合系數。

2 光纜故障監測系統優化設計

2.1 系統總體設計

耦合FBG光纜線監測系統由GIS地理數據采集、下級測試單元以及中央管理服務端組成，系統框架如圖3所示。其中，GIS地理數據采集模塊用于尋線定位地理坐標，并通過TCP/IP協議將地理數據傳輸至中央管理服務端[19]。中央管理服務端負責配置管理、故障告警和數據儲存等核心功能。同時，系統還包括客戶端管理單元，可為光纖維護人員提供數據查詢和維護，易于使用，操作界面簡單。

圖3 監測系統總體框架圖Fig.3 Overall framework of monitoring system

2.2 組網方式

網絡結構分為3層，分別為最底層、中間層以及最上層，系統網絡結構，如圖4所示。

圖4 系統網絡結構Fig.4 System network structure

將FBG和Φ-OTDR連接光纖的2端，FBG用于監測光纖是否發生故障。Φ-OTDR能夠計算出光纖損耗分布特性曲線，非破壞性的探測光纖的運行狀況，并分析得出光纖的故障位置。遠程測試單元通過波分復用器和多路光開關對Φ-OTDR進行復用[20]。而手持GIS數據采集模塊由DTU模塊和GPS定位器組成，將串口數據轉換為IP數據通過網絡傳輸至無線終端和中央管理器。服務器為系統網絡結構的中間層，包括后臺軟件、MySQL數據庫、電子地圖。服務器用于Φ-OTDR的配置管理、解調儀數據分析、告警處理、測試結果以及地圖告警定位功能。將系統數據庫中的預存長度與計算結果進行對比，判斷光纖線路是否發生故障。若光纖線路故障，發出光纖故障告警至客戶端，以可視化圖形的方式將結果展現于電子地圖，并通知光纖維護工作人員。客戶層為系統最上層，光纖維護人員可以通過客戶端瀏覽器訪問服務端的告警情況、電子地圖訪問等光纖狀態信息。系統開發模式為BIS模式，具有操作簡單、分布性強、易維護、成本低等優點。

2.3 基于耦合FBG的光纜網絡監測

耦合FBG的光纜網絡測試模塊，如圖5所示。

圖5 遠程測試模塊Fig.5 Remote test module

從圖5可以看出，模塊在Φ-OTDR中斷監控系統的基礎上增加了一個光纖光柵和解調儀[11]。后端服務器連接解調儀和Φ-OTDR，實現數據的診斷和分析。通過C波段(1 530～1 565 nm)的解調儀對耦合FBG反射光進行解調。

3 故障定位實例

以建設東路6#配電房到中原東路配電房地下通信光纜為例，驗證故障智能監測的有效性。通過Φ-OTDR進行測量，起點為建設東路6#配電房，Φ-OTDR測試數據如圖6所示。

圖6 Φ-OTDR測試數據Fig.6 Φ- OTDR test data

從圖6可以看出，838.3 m處為光纖末端，距離檢測點426.6 m處發生反射事件。通過軟件查詢發現光纜全長985 m，通過對比數據庫中該段正常Φ-OTDR測試曲線確定距離檢測點426.6 m存在活動連接器。因此，判斷838.3 m處光纜存在斷裂故障。維護人員至距離檢測點838.3 m處未發現故障點。

通過耦合光纖和GIS系統定位后顯示得出故障點的空間位置，具體如圖7所示。發現該段位于地下光纜溝，無法用肉眼發現故障點，與檢測位置地面上距離為635.7 m，且光纜走向復雜，有多處預留余纜，通過人為排查嚴重影響搶修進度。現場檢測發現，故障位置距檢測點的線性長度為650.2 m，絕對誤差為0.9 m，相對誤差為0.13%，故障原因為光纜斷裂，進一步證明該方法能夠精確定位通信光纜故障位置。

圖7 軟件故障定位Fig.7 Software fault location

多條故障光纜故障智能監測結果，如表1所示。

表1 地下通信光纜故障定位結果Tab.1 Fault location results of underground communication optical cable

由表1可知，通過系統顯示故障位置與實際故障位置對比，實際工程中系統具有較高的準確率，可以精準定位光纜故障，有效保證電力系統的穩定性。傳統故障定位方法主要通過Φ-OTDR 測試儀獲得故障位置的測試曲線并進行定位。從圖6還可看出，距離測試點838.3 m處為光纖末端，426.6 m處存在反射事件，通過系統查426.6 m處為連接器，光纜全長985 m，進而確定故障位置為838.3 m處。維修人員根據分析數據線性距離沿著光纜尋找故障位置并進行排除，維修人員行走的為地面距離，無法精確定位故障位置嚴重延誤維修進度。

4 結語

隨著通信光纜規模的不斷擴大，其故障頻率也不斷增加，結合Φ-OTDR技術、光纖傳感技術與GIS技術，建立了基于耦合光纖與GIS的地下通信光纜故障智能監測及信息管理系統。系統結合地理實體對象，對具體故障位置進行計算，能夠對故障通信光纜的實際地理位置發出告警信息，并在電子地圖上展示給用戶，實現了極高的自動化。同時，以建設東路6#配電房到中原東路配電房地下通信光纜為例對故障智能監測的有效性進行了驗證，該系統具有較高的準確率，可以精準定位光纜故障，絕對誤差為0.9 m，相對誤差為0.13%。