吳建靈，季 偉，葉向陽，王文軍，吳俊杰，徐常志，葉俊健

（1.麗水正陽電力建設(shè)有限公司，麗水 323000；2.深圳市特發(fā)信息股份有限公司，東莞 523000）

0 引言

電力產(chǎn)業(yè)作為國家經(jīng)濟(jì)的命脈產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)維護(hù)國家產(chǎn)業(yè)布局，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的重要性日益明顯。隨著國家電網(wǎng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，大規(guī)模的光纖網(wǎng)絡(luò)得以鋪設(shè)，電力通信光網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性關(guān)系著兩網(wǎng)融合后新型電網(wǎng)的安全有效運(yùn)行。普通的人力巡察存在故障查找困難、排障時(shí)間長、修復(fù)成本過高等缺點(diǎn)。因此，如何實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)光纖的故障隱患，如何管理和維護(hù)光纜線路以確保通信系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行已成為重要問題。

1 基于背向瑞利散射的傳感技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)的OTDR 技術(shù)

OTDR 的典型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，光源從激光器中發(fā)射，入射波經(jīng)過環(huán)形器，在磁場(chǎng)作用下，傳遞到接入端口的傳感光纖，光纖中的光纖中的瑞利散射光向各個(gè)方向散射，當(dāng)光纖受到外界振動(dòng)影響，因光彈效應(yīng)背向瑞利散射光沿著光纖返回入射端，通過環(huán)形器從另一端口入射到光電探測(cè)器中，經(jīng)光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終送入到系統(tǒng)的信號(hào)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)中。

圖1 OTDR典型結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的OTDR 采用的激光光源非常微弱，光脈沖光波內(nèi)散射光相互干涉的響應(yīng)度較小，需要對(duì)散射回的信號(hào)進(jìn)行多次累積處理才能采集到信號(hào)，從而影響到監(jiān)測(cè)光纜線路損耗的數(shù)值。而且不用破壞光纜并做一個(gè)全面的檢查。在工程應(yīng)用中傳統(tǒng)的OTDR 路由標(biāo)定技術(shù)定位精度低±10–50 m，且不具備GIS 系統(tǒng)。因此，當(dāng)發(fā)生光纖斷點(diǎn)時(shí)往往依靠人工下井來回跑巡查確定斷點(diǎn)所在的位置，如此費(fèi)時(shí)費(fèi)力大大增加了電力光纜維護(hù)的成本，且效率不高。

1.2 Φ-OTDR 傳感技術(shù)

光彈效應(yīng)也叫作雙折射效應(yīng)，它是物質(zhì)的彈性形變，產(chǎn)生雙折射引起其折射率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。當(dāng)光纖發(fā)生光彈效應(yīng)時(shí)，光在光纖中的瑞利散射光因折射率發(fā)生變化，進(jìn)而引起光纖中所傳輸光的相位變化。

假設(shè)傳 感光纖長度為l，λ 為光的中心波長，n為光纖的折射率，通過相位公式計(jì)算出φ：

由式（1）可知，當(dāng)該傳感光纖受到外界環(huán)境引起的振動(dòng)變化時(shí)，光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)受到影響，光的波長發(fā)生改變，其相位隨之發(fā)生變化，相位變化量公式如（2）所示

根據(jù)△φ 的變化信息，可推算出對(duì)應(yīng)光纖位置的相位的變化，再根據(jù)該背向散射光的光強(qiáng)變化，就可以推算出相應(yīng)的振動(dòng)信息。

與OTDR 不同的是，Φ-OTDR 采用一窄線寬激光光源，其原因是OTDR 采用的低相干性脈沖光源抑制了相位變化，而Φ-OTDR 選取的窄線寬激光光源，其發(fā)出的窄線寬的連續(xù)光經(jīng)脈沖調(diào)制器調(diào)制為脈沖光（脈沖寬度20 ns），再經(jīng)EDFA 進(jìn)行放大后通過環(huán)形器注入到傳感光纖中，以產(chǎn)生背向瑞利散射光信號(hào)。產(chǎn)生的背向瑞利散射光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終送入到系統(tǒng)的信號(hào)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)中。Φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 Φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

相比傳統(tǒng)的OTDR 技術(shù)Φ-OTDR 定位精度要高，傳統(tǒng)的OTDR 技術(shù)定位精度±10–50 m，而Φ-OTDR定位精度可達(dá)到±5 m 的高定位精度。

2 光纜故障原因及分析

由于我國國土遼闊，工程建設(shè)過程難免會(huì)出現(xiàn)意外挖斷地下通信光纜的情況，例如華北某油田輸油光纜光纖斷點(diǎn)定位修復(fù)，津滄線幾根冗余芯也在此處斷裂，后在現(xiàn)場(chǎng)證實(shí)是中鐵建設(shè)施工挖斷?，F(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 中鐵施工挖斷光纜現(xiàn)場(chǎng)圖

最為常見的光纖故障：

（1）人為破壞（包括挖傷、砍斷、火燒、砸傷、施工時(shí)光纜打絞等）。

（2）不可抗力造成（如桿倒、地質(zhì)沉降、地震）。

（3）中間接頭內(nèi)光纖斷。

（4）中間接頭內(nèi)光纖收縮嚴(yán)重或光纖焊接頭老化。

（5）光纜內(nèi)斷。

（6）終端盒里面光纖焊接頭接不好。

3 基于Φ-OTDR 技術(shù)的工程應(yīng)用方案

城市內(nèi)光纖網(wǎng)絡(luò)四通八達(dá)為了能夠更好的維護(hù)城市的通信網(wǎng)絡(luò)，減少經(jīng)濟(jì)損失使用先進(jìn)的Φ-OTDR 技術(shù)無疑是一種明智的選擇。如圖4所示。

圖4 Φ-OTDR技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)圖

光纖斷點(diǎn)定位步驟如下：

（1）路由標(biāo)定。主機(jī)接入光纖后，通過路由標(biāo)定確定光纜實(shí)際位置以及走向，并在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，當(dāng)有光纖出現(xiàn)斷點(diǎn)后，會(huì)在主機(jī)軟件界面上顯示報(bào)警。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后，通過載入百度地圖顯示光纜所在位置地圖，并設(shè)定中心點(diǎn)，選定當(dāng)?shù)厮谖恢?，在地圖上標(biāo)出光纜走向圖，當(dāng)有報(bào)警時(shí)，界面會(huì)出現(xiàn)一個(gè)彈窗，顯示光纖斷點(diǎn)位置。并可比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)光纜實(shí)際位置，查看實(shí)際斷點(diǎn)位置。

（2）確定損壞光纜斷點(diǎn)位置。首先，將損壞的光纖（圖5中的1號(hào)光纜）接入分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，測(cè)量并記錄光纖斷點(diǎn)的纖長數(shù)據(jù)，這里可假設(shè)光纖斷點(diǎn)位置的纖長為550 m。

圖5 光纖斷點(diǎn)定位示意圖

（3）振動(dòng)測(cè)試。為進(jìn)一步確定光纜斷點(diǎn)位置，在測(cè)量的光纖斷點(diǎn)附近（只做大概估計(jì)即可），利用大錘、鉛球、鏟背等工具，在光纜正上方的向下砸擊地面，此時(shí)，分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)會(huì)呈現(xiàn)出圖6的振動(dòng)曲線。

圖6 光纖振動(dòng)曲線圖

通過觀察現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)，會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)光纜所處環(huán)境造成干擾，導(dǎo)致光纜光源走向發(fā)生改變，促使斷點(diǎn)前振動(dòng)曲線上升，從而進(jìn)一步判斷光纜斷點(diǎn)位置。

4 結(jié)束語

文研究圍繞傳統(tǒng)OTDR 技術(shù)展開，詳細(xì)說明了基于背向瑞利散射Φ-OTDR 技術(shù)的原理。從工程應(yīng)用的角度去分析對(duì)比了OTDR 技術(shù)和Φ-OTDR 技術(shù)的優(yōu)劣，在以往采用傳統(tǒng)OTDR 技術(shù)的的光纖斷點(diǎn)定位中，如何快速準(zhǔn)確定位光纖斷點(diǎn)所在地理位置是最大的難點(diǎn)。一般需要挖開光纜，而往往要開挖很多的坑才能逐步逼近找到斷點(diǎn)，過程耗時(shí)耗力效率低。相比之下Φ-OTDR光纖斷點(diǎn)定位傳感系統(tǒng)采用光纖振動(dòng)測(cè)試的方式進(jìn)行斷點(diǎn)的定位，不用多次開挖和直接接觸光纜，效率和準(zhǔn)確性都大大提高。