基于分布式光纤传感的光缆防外破监测研究
时间：2023-05-28 12:00:34 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张均伟，蓝 波，黄嘉庚，谢晓华
(广西电网有限责任公司柳州供电局，广西 柳州 545001)
随着物联网时代的到来，外界信息获取和感知日益重要，光纤能够以每秒太比特的速率传输数据，广泛应用于电信领域[1]。光纤结构及其工作原理(全反射)，以及载波(光)的形式使数据传输非常安全、可靠，并且能抵抗多种干扰源。但光纤参数对环境条件(如温度、应变、振动或强环境电磁场)具有一定的敏感性[2]。城市化进程的发展在加快光纤网络应用的同时，施工单位光缆设施保护意识淡薄、经常发生破碎机、打桩机和顶管机等损坏光缆本体，带来诸多隐患，故障预防、定位及告警成了亟待解决的问题[3-5]。分布式传感器用于测量诸如温度、应变和机械振动等变量[6]。Li等[7]人通过移动差分法对外界扰动进行定位，降低了运算的复杂度，同时能够屏蔽风雨干扰；
He等[8]人通过高斯混合模型对振动信号进行分类，对人为扰动的最佳识别准确率为87%；
Masoudi等[10]人通过相位敏感光时域反射仪(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer，Φ-OTDR)，设计并搭建了传感系统组件，可以检测、定位和分类多种振动源。本文基于分布式光纤传感器的原理和方案，通过提取拍频信号关键特征和建立模型，对外破隐患类型进行识别，并主动发送预警信息，形成了包含故障预防、定位及告警的光缆防外破监测预警系统，以期为光缆安全运行管理工作提供借鉴。
1.1 光纤传感原理
光纤作为传感介质，可以采用多种原理来构造传感器。几十年来，许多科学家和工程师在这一研究领域设计和测试了用于传感目的的传感器。第1种方法是基于最直接的效果，即光强变化。这些传感器要么是基于违反光沿光纤传播的全反射原理(基于光纤微弯曲的压力或位置传感器)，要么(在外部传感器的情况下)当光离开光纤时，外部光传播参数改变，从反射器反射，然后回到检测器。还有一大批传感器采用光干涉测量原理[10]，其利用穿过干涉仪臂的光束之间的相位差相遇并产生相互干涉，适当的函数要求干涉光束具有高度相干性，因此臂长差必须远小于激光源的相干长度。干涉测量方法较为敏感，可以通过光信号获得温度、应变和应力等物理信息，实现光缆异常状况的实时监测。
1.2 分布式光纤振动传感器
分布式光纤振动传感器具有分布式的机械振动传感能力，即可以随着传感光纤同时检测和定位多个事件。在过去的20年里，提出了许多技术、测量方法和方案。最常见的测量方案是基于对询问脉冲发送到光纤的瑞利后向散射信号的分析，这与OTDR中使用的反射原理类似，如图1所示。
图1 分布式光纤传感器的结构示意图Figure 1 Structure diagram of distributed optical fiber sensor
标准的OTDR技术已经被电信行业使用了几十年，用于检测电缆断裂、不合适的光纤接头或有缺陷的连接器[11]。传统的OTDR是基于瑞利散射和沿不规则光纤信号反射的组合。OTDR的核心是一个宽带光源，主要是法布里-珀罗激光光源，波长为1 310、1 550或1 625 nm。脉冲通过光纤的过程中，光信号与光纤材料的不均匀性相互作用，产生光吸收和散射效应。部分散射信号被纤芯重新捕获，其余部分传播回光纤原点。脉冲宽度决定了传感器的空间分辨率，分布式传感器空间分辨率r的表达式如下：
式中：vg为光纤纤芯中的光群速度；
τ为时延。由式(1)可知，通过缩小询问脉冲能够有效提高传感器的空间分辨率。然而，相同功率水平下，较窄的脉冲能量较少，导致传感范围较短。因此，为达到亚米空间分辨率，可以增加脉冲功率以承载更大的能量来降低信噪比。
2.1 传感器方案
后向散射信号接收采用直接检测和相干外差检测两种基本方案，均包含由光隔离器保护的激光源、传感器前分支中的光放大器和光循环器、接收臂中的o/e转换器、数据采集卡和用于数字信号处理的计算机单元。直接检测和相干外差检测方案的主要区别包括应用来自主激光器的本振信号，其与后向散射信号混合，并应用平衡o/e转换器，在其中发生拍信号放大过程。相干外差检测方案还包含模拟混频器，如果所述混频器过程不是数字信号处理的一部分，则该混频器可获得基带信号。直接检测比相干外差检测方案的复杂度低，但存在文献[11]中所述的几个问题，限制了其性能。综上所述，相干外差检测方案包括后向散射信号与本局光振荡器的混合和平衡的光/电转换。在50/50耦合器中，将强本振信号与弱后向散射信号混合，并在平衡光/电探测器中转换为电流[12-13]。拍频信号在包含几个频率分量的平衡光/电探测器中产生电流。所需要的电流分量[14]表达式如下：
式中：I1和I2为输出光电流；
t为响应时间；
R为变换器响应率(A/W)；
Ps(t)为接收信号的功率；
PL为本振功率；
ωAOM为驱动声光调制器(Acousto-Optic Modulator，AOM)的射频脉冲角频率；
θs(t)和θL分别为信号的相位和本振的相位。该方法提高了传感器的灵敏度，提供了更高的动态范围。
传感器实际部件的性能会影响传感器的性能，除激光参数(超窄线宽、频率和相位稳定性)外，光放大器、光调制器和射频发生器的参数也会对传感器的整体性能产生严重影响。为了达到较高的传感器灵敏度、空间分辨率和传感长度，传感器设计应尽量抑制实际元件的副作用[15]。在光功率放大器后面增加一个光带通滤波器有助于抑制由其产生的放大器自发辐射噪声(Amplifier Spontaneous Emission Noise,ASE)。来自传感光纤的后向散射信号非常微弱，在环行器第3端口后的传感接收路径上增加一个光放大器，然后加一个光滤波器(用来抑制ASE)，将在o/e转换前增加信号功率。如果发电机G1和G2不能完全同步和稳定，也可能发生信号退化。通过使用一个谐波发生器、一个脉冲整形器和功率放大器来驱动AOM，可以得到轻微改善。然而，只有一个谐波发生器，其输出被分成两个支路。第1支路信号连续波进入混频器，第2支路信号由控制脉冲成形，适当放大后驱动AOM调制器。由于光纤的响应时间远远大于发送到AOM的无线电脉冲的宽度调制器，发电机的相位和或频率可能改变。其结果是：信号向基带的过渡不是完美的，这可能会导致信号的额外失真，特别是来自传感光纤更遥远的位置。o/e平衡转换器后面的电子带通滤波器只允许拍信号通过，随后的电压控制增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)放大和均衡光纤响应特性，然后将VGA输出信号分成两个分支，其中一个分支在混合过程之前进入载波恢复单元。如果正确恢复拍频，则得到基带信号而没有残留频移。
一般而言，无扰动时分布式传感光纤信号较为稳定；
遇到扰动时，振动信号强度会瞬时增大。因此，当监测到光纤信号异常时，则转入异常事件识别模块，提取频率特征并对外破事件进行识别，外破事件特征提取检测流程如图2所示。
图2 外破事件特征提取检测流程Figure 2 External damage event feature extraction and detection process
2.2 光缆防外破预警系统
光缆防外破预警系统如图3所示。系统软件界面展示了事件信息和光缆路径。其中，事件信息包括统计分析、历史事件查询以及相应外破事件等；
光缆路径为破坏事件具体位置和光缆路由。
图3 防外破监测预警系统Figure 3 Monitoring and early warning system for external damage prevention
通过数学统计与采集信号参数值相结合来建立智能分析识别模型，首先对信号幅值进行判断，然后对外破隐患信号进行宽度和频域分析，与数据库中的历史扰动信号特征进行对比，并根据频域信号特征分类。内、外网布置系统平台安装主机设备后，通过数据网即可通过网页访问监测预警系统平台。同时，通信模块配置网卡，可及时向运维工作人员发送告警信息，有利于及时掌握光缆危险级别，工作人员可根据告警级别进行相应处理。
为验证系统能否对外破异常信息准确定位，以地铁在建和道路维修路径的光缆为对象，进行了光缆路由的标定试验，监测异常扰动条件下的测距并现场核实。系统在实验室和现场进行了构建和测试。现场部署的传感光纤是沿铁路线敷设的一根总长度为15 km的标准电信光缆暗光纤。由于分布式传感原理，可以检测多个同时发生的事件并分别处理。o/e转换后的拍频信号如图4所示。
图4 o/e转换后输出的拍频信号Figure 4 Beat signal output after o/e conversion
由于光纤响应的指数衰减，从远距离来看信号水平相对较弱。为此，提出并实现了光纤响应均衡。为了平衡响应，拍频信号由VGA放大，其增益由与脉冲产生同步的锯齿形信号控制，如图5所示。
图5 VGA控制电压Figure 5 VGA control voltage
利用单模光纤作为传输通道接入主机，对光缆外力破坏进行监测，可以根据不同阈值设定告警级别，可识别手持机械、勘探机、打桩机、顶管机、挖掘机以及破碎机等的振动信号。对扰动信号进行幅值解调，以获取振动点位置，不同扰动信号振幅如图6所示。由图可知，在传感光纤上，破碎机、挖掘机、顶管机以及车轮碾压扰动信号分别约在1 886、1 857、1 914以及1 911 m处附近，其中车轮碾压信号较为稳定，挖掘机扰动信号强度较大，强度变化也更为复杂。
图6 不同扰动信号振幅Figure 6 Different amplitude of disturbance signal
训练过程的损失曲线和准确率曲线如图7所示。由图可知，模型的准确率和损失函数训练至稳定时，系统能达到更高的外界扰动识别率。
图7 损失曲线和准确率变化曲线Figure 7 Loss curve and accuracy change curve
系统对典型振动源信号的识别率如图8所示。由图可知，该监测系统对扰动信号的识别比较准确，对于风镐和破碎机的识别存在一定偏差，主要是两者工作原理相近，同属冲击信号，两者的频谱图也很相近，但总体识别率高达95%。
图8 不同施工扰动条件下系统预警监测识别率Figure 8 Recognition rate of system early warning monitoring under different construction disturbance conditions
本文设计并构建了基于瑞利后向散射和相干检测原理的分布式振动传感系统，其能够同时检测和定位沿传感光纤的多个振动源，该系统可以识别出多种类型的振动源——破碎机、挖掘机、顶管机以及车轮碾压等扰动信号。同时系统具有可扩展性，即可以同时运行多个传感单元并提供至后台工作人员，将光缆被动抢修转为主动预警，有利于预防外力破坏事件，实现通信光缆的智能化监测，避免了断纤事故的发生，提升了精益化运维和通信光缆的全寿命周期管理能力。
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