羅杰 馬玉寶 覃新容 王雁玉 謝文峰

國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道南寧輸油氣分公司

摘  要：大部分管道通信光纜故障地表特征不明顯，又缺乏竣工和維護(hù)資料，憑借普通OTDR很難準(zhǔn)確定位。分析了基于φ-OTDR的分布式光纖振動(dòng)傳感機(jī)理，提出了以管道伴行光纜光纖為傳感介質(zhì)，利用OTDR的光纖測試功能與φ -OTDR的振動(dòng)監(jiān)測功能相結(jié)合進(jìn)行通信光纜故障點(diǎn)定位的方法。

關(guān)鍵詞：φ-OTDR；通信光纜；故障定位

管道通信光纜與管道同溝鋪設(shè)，埋深一般在地表面下 1.0～1.5 m。通信光纜故障可分為光纜中斷、光纜斷芯和損耗過大[1]。光纜中斷故障一般是外載荷作用力導(dǎo)致，地表特征明顯，易于發(fā)現(xiàn)。光纜斷芯或光纖損耗過大等常見故障地表沒有明顯特征，故障點(diǎn)的查找和定位比較困難。如圖 1所示，某管道公司近3年累計(jì)發(fā)生通信光纜故障56起，其中因鼠蟻咬噬導(dǎo)致光纜斷芯及光纖損耗過大等光纜故障占比達(dá)79%。

1 OTDR的原理及應(yīng)用

1.1 OTDR工作原理

光時(shí)域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer， OTDR）是當(dāng)前通信光纜維護(hù)最常用、最便捷的工具。它是基于光在光纖中傳輸過程中的后向瑞利散射和菲涅爾反射原理。如圖 2所示。激光器發(fā)出的光在光纖傳播過程中，受光纖材質(zhì)不均勻性影響，光子與纖芯晶格間發(fā)生碰撞會(huì)產(chǎn)生散射效應(yīng)。包括瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射。當(dāng)光纖鏈路中有非常規(guī)能量損失點(diǎn)時(shí)，后向瑞利散射光特性會(huì)發(fā)生明顯變化，通過檢測后向散射光能量的大小用以定位傳輸衰減故障點(diǎn)。當(dāng)光纖鏈路中有斷點(diǎn)時(shí)，光會(huì)在斷點(diǎn)處產(chǎn)生菲涅爾反射，通過檢測光信號(hào)即可定位光纖斷點(diǎn)位置。

1.2 OTDR在光纜故障定位中的應(yīng)用

當(dāng)發(fā)生光纜斷芯或光纖損耗過大故障，首先使用OTDR測量故障點(diǎn)到機(jī)房距離，再根據(jù)光纜線路維護(hù)資料或工作經(jīng)驗(yàn)，在故障點(diǎn)所在區(qū)段人工開挖出距離故障點(diǎn)最近的光纜接頭盒，打開接頭盒，在接頭盒內(nèi)找到已知故障光纖，將故障光纖從中斷開，使用熔纖機(jī)將故障光纖與光纖冷接頭熔接，并連接OTDR設(shè) 備，測量光纜故障點(diǎn)到接頭盒的纜長距離，再根據(jù)此距離開挖查找故障點(diǎn)。

OTDR只能測量故障點(diǎn)光纖距離，對(duì)光纜線路維護(hù)資料管理和人員工作經(jīng)驗(yàn)有很高的要求，對(duì)地表特征不明顯的光纜故障無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。單個(gè)故障點(diǎn)查找和定位成本高，耗時(shí)長，難度大。

基于相敏感光時(shí)域反射（Phase-sensitive OpticalTime Domain Reflectometer， φ-OTDR）的光纖振動(dòng)傳感技術(shù)是在OTDR的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，已被廣泛應(yīng)用于周界安防系統(tǒng)以及管道外載荷作用破壞預(yù)警[2]等多個(gè)領(lǐng)域。提出了以管道伴行光纜光纖為傳感介質(zhì)，利用OTDR光纖測試功能和φ-OTDR振動(dòng)監(jiān)測功能相結(jié)合進(jìn)行通信光纜故障點(diǎn)定位的方法。

2 φ-OTDR的原理及系統(tǒng)組成

2.1 φ-OTDR工作原理

OTDR利用了瑞利散射感知散射信號(hào)的大小，靈敏度不高，不能檢測光纖振動(dòng)信號(hào)[3]。 φ-OTDR與OTDR的不同之處在于， φ-OTDR是基于相干檢測的。系統(tǒng)采用了超窄脈寬光源，增強(qiáng)了瑞利散射光干涉效果，避免了后向瑞利散射的干涉效應(yīng)被弱化而不能響應(yīng)光波的相位調(diào)制，靈敏度更高，具備了檢測光纜周邊振動(dòng)頻率和強(qiáng)度信息的功能。脈沖光從光纖一端注入檢測光纖，當(dāng)外界有振動(dòng)作用于光纜時(shí)，會(huì)引起光纖拆射率發(fā)生改變，導(dǎo)致光纖中后向瑞利散射光相位發(fā)生變化。相干檢測中并不是直接檢測散射回來的瑞利光信號(hào)，而是將散射回的信號(hào)先與本地光信號(hào)進(jìn)行拍頻，經(jīng)過光學(xué)單元處理，光的相位變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)變化，經(jīng)光電轉(zhuǎn)化后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過測量注入脈沖時(shí)間與接收信號(hào)之間的時(shí)間延遲，即可計(jì)算出振動(dòng)點(diǎn)距離主機(jī)的距離[4]。振動(dòng)點(diǎn)距離主機(jī)的距離與注入光纖脈沖光寬度有關(guān)。

式（1）中， c 為光在真空中的傳播速度， n 為光纖折射率。

2.2 φ-OTDR系統(tǒng)組成

φ-OTDR系統(tǒng)主要由超窄脈寬光源、光耦合器、光調(diào)制器、光纖放大器、環(huán)形器、檢測光纖、光電探測器、信號(hào)處理單元等部分組成。檢測光纖由硅管保護(hù)，沿地下管道埋地鋪設(shè)。超窄脈寬光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器1分成兩部分，一部分進(jìn)入光調(diào)制器形成脈沖信號(hào)，經(jīng)過摻鉺光纖放大器（EDFA）進(jìn)行功率補(bǔ)償后，通過環(huán)形器注入檢測光纖，另一部分作為本地光信號(hào)，與后向瑞利散射光在耦合器2進(jìn)行拍頻，以提高散射光強(qiáng)度，濾除噪聲，增加探測距離，拍頻后的光信號(hào)經(jīng)濾波器濾除不同散射益的光信號(hào)后，經(jīng)光電探測器捕捉再進(jìn)入信號(hào)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如圖 3所示。

3 基于φ-OTDR的光纜故障定位方法

3.1 實(shí)現(xiàn)路徑

（1）使用OTDR連接故障光纖，測量光纖損耗情況，以及故障點(diǎn)到中繼站機(jī)房距離L1，判斷光纖質(zhì)量及故障點(diǎn)所處地理區(qū)段。

（2）將φ-OTDR設(shè)備連接到光纜光纖，在光纜 線路故障點(diǎn)區(qū)段管道中心線5米范圍內(nèi)，人工使用器 具連續(xù)制造振動(dòng)信號(hào)，測量振動(dòng)點(diǎn)到中繼站機(jī)房的距離L2。

（3）將故障點(diǎn)到機(jī)房的距離L1與振動(dòng)點(diǎn)到機(jī)房的距離L2對(duì)比分析，若L1與L2偏差較大，則向故障點(diǎn)的方向移動(dòng)并重新制造振動(dòng)，直至L1與L2相同，則振動(dòng)點(diǎn)即為光纜故障點(diǎn)位置。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析

（1）優(yōu)化光源選擇。 φ-OTDR光源需要超窄線寬和極小頻率漂移，以提高對(duì)振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別靈敏度。線寬越窄，系統(tǒng)靈敏度越高。頻率漂移越小，后向瑞利散射曲線抖動(dòng)越小，系統(tǒng)越穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)成本及性能需要優(yōu)化光源選擇。

（2）消減干擾信號(hào)。消減干擾信號(hào)主要可從提高振動(dòng)信號(hào)識(shí)別率、振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理、振動(dòng)信號(hào)降噪、模式識(shí)別等方面入手。

應(yīng)盡可能固定一種器具制造振動(dòng)信號(hào)，如人工使用錘機(jī)敲擊地面，以提高系統(tǒng)分辨率。在模式識(shí)別算法中，可建立振動(dòng)模式數(shù)學(xué)函數(shù)，在應(yīng)用現(xiàn)場采集特定人工振動(dòng)信號(hào)作為特征樣本，系統(tǒng)僅需要精確地識(shí)別出這一種振動(dòng)信號(hào)，而忽略其它干擾信號(hào)，以減小系統(tǒng)計(jì)算量。

在對(duì)振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理時(shí)，采用差分運(yùn)算法消除硬件缺陷導(dǎo)致的偏移，也可消減一定外界信號(hào)干擾。同一器具在距離光纖不同位置所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的幅值會(huì)逐漸衰減，但頻率會(huì)比較穩(wěn)定，利用這一原理，通過設(shè)置振動(dòng)信號(hào)的幅值大小、過零率來排除遠(yuǎn)距離的干擾信號(hào)，只有近距離的振動(dòng)信號(hào)才能加以識(shí)別，提高系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分辨率[3]。

光纖傳感器對(duì)周圍環(huán)境噪聲比較敏感，而光纜沿線環(huán)境復(fù)雜，干擾信號(hào)會(huì)降低振動(dòng)信號(hào)信噪比。采用小波理論及譜減降噪法[5]等對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，可提高系統(tǒng)信噪比。

3.3 功能特征及注意事項(xiàng)

（1） φ-OTDR可利用光纜中備用光纖作為傳感單元，連續(xù)分布，支持跳芯測試。無需額外安裝傳感器及電源，無電磁干擾，操作便捷，本質(zhì)安全。

（2） φ-OTDR系統(tǒng)不能檢測出光纖沿線損耗分布等具體信息，且對(duì)被測光纖質(zhì)量要求較高，若被測光纖質(zhì)量較差或損耗較高，則會(huì)縮減測試長度。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)首先使用OTDR測量光纖損耗情況，判斷光纖質(zhì)量和故障點(diǎn)距離，再在距離故障點(diǎn)最近的中繼站使用φ-OTDR振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，提高故障定位準(zhǔn)確性。

（3）該方法是通過測試故障點(diǎn)和振動(dòng)點(diǎn)的地面相對(duì)距離，以判斷故障點(diǎn)位置，不需要查找光纜接續(xù)盒，減少了人工開挖作業(yè)坑工作量。為了提高故障定位效率，可使用φ-OTDR系統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測功能，結(jié)合管道里程信息，選取管道沿線代表性地理參照物，如管道“三樁一牌”、建構(gòu)筑物等，借助GPS工具，對(duì)光纜里程進(jìn)行標(biāo)定，掌握管道和光纜里程相對(duì)關(guān)系。

4 結(jié)束語

OTDR的光纖測試功能與φ-OTDR的振動(dòng)監(jiān)測功能相結(jié)合進(jìn)行通信光纜故障點(diǎn)定位的方法操作便捷，定位準(zhǔn)確，可減少大量人工開挖探坑工作量，降低維護(hù)成本，節(jié)約維護(hù)時(shí)間。但受光纜沿線復(fù)雜地理環(huán)境和頻繁人類活動(dòng)影響， φ-OTDR系統(tǒng)的振動(dòng)檢測距離有限。光纖損耗增大會(huì)進(jìn)一步縮短系統(tǒng)檢測距離，因此，需要優(yōu)化系統(tǒng)配置，延長檢測距離，提高振動(dòng)探測靈敏度和環(huán)境適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 張春熹，鄧卓，王夏霄，于佳.譜減降噪法在相位敏感OTDR擾動(dòng)傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].激光雜志，2019， 40(3)： 16-19.

作者簡介：羅杰，工程師， 1985年生， 2008年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道生產(chǎn)運(yùn)行管理工作。聯(lián)系方式： 18107719626， 765741661@qq.com。