耦合光纖和GIS技術(shù)的地下通信光纜智能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

謝曉華，藍 波，張均偉，黃嘉庚

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司 柳州供電局，廣西 柳州 545000)

光纖通信具備效率高、質(zhì)量輕、信息傳送量大、耗損低等優(yōu)點，被應(yīng)用于電話、計算機通信、云數(shù)據(jù)可訪問性、互聯(lián)網(wǎng)使用等在內(nèi)的各種通信技術(shù)領(lǐng)域。因此，保障光纜的安全直接影響到通信系統(tǒng)的實時性、可靠性和準確性[1]。然而，由于光纖質(zhì)地脆、連接點結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及機械強度低等缺點，導(dǎo)致光纖鋪設(shè)及工作過程中極易發(fā)生故障。此外，傳統(tǒng)的光纜診斷系統(tǒng)存在維護周期長、故障定位困難等問題，嚴重影響通信網(wǎng)絡(luò)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(jiān)測定位，光纜走向錯綜復(fù)雜，該技術(shù)能夠監(jiān)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(shù)，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，如結(jié)合簡單易行的脈沖測距法以及光子計數(shù)法高靈敏度的特點，提出光子計數(shù)OTDR技術(shù)[5]；僅局限于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件，現(xiàn)實應(yīng)用過程中無法得到大面積推廣?；诳梢暬檎宜惴?，通過半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)了通信光纜故障的高精度定位[6]；但其技術(shù)要求和成本均較高?；跀?shù)字相干探測與維納濾波技術(shù)，提出了相位敏感OTDR，能夠?qū)崿F(xiàn)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(jiān)測[7]；但系統(tǒng)需要較高相干性的探測光且測量誤差較大。從國內(nèi)外現(xiàn)有研究來看，大多忽略了故障診斷的現(xiàn)實狀況，僅依靠故障點與檢測點間的距離測量，難以實現(xiàn)可靠準確的故障定位。光纖通信行業(yè)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(yè)。光纖通信技術(shù)的進步促進了光纖傳感器的發(fā)展?；诖?，在Φ-OTDR技術(shù)的基礎(chǔ)上引入光纖布拉格光柵(FBG)，對光纜故障進行定位，同時結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)，實現(xiàn)了電子地圖中上通信光纜的智能監(jiān)測，并以某市建設(shè)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(jiān)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(tǒng)

1.1 Φ-OTDR故障定位

Φ-OTDR技術(shù)是從傳統(tǒng)的OTDR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，2種技術(shù)的區(qū)別都來自于Φ-OTDR技術(shù)中光源的改進，將光的特征變化轉(zhuǎn)化為承載光纖振動狀態(tài)的信號，再進行模數(shù)轉(zhuǎn)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(huán)境條件下具有令人滿意地執(zhí)行高質(zhì)量、高精度、高相干激光等特點。通過使用電光調(diào)制器作為強度調(diào)制器來實現(xiàn)光源[11-12]。Φ-OTDR利用瑞利散射的相干效應(yīng)來檢測振動；其系統(tǒng)獨立設(shè)計用于高速數(shù)據(jù)傳輸。硬件系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)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(shù)表示為：

(2)

(3)

式中：Φ為均勻分布，r為正態(tài)分布；σ2為概率最大的反射率；

1.2 GIS技術(shù)

GIS 技術(shù)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(shù)據(jù)庫提供各種動態(tài)和空間地理信息系統(tǒng)，并將相關(guān)地理信息通過圖形的方式進行展現(xiàn)，GIS系統(tǒng)由系統(tǒng)管理人員、地理空間數(shù)據(jù)、計算機硬件和軟件系統(tǒng)構(gòu)成[14-16]。

GIS系統(tǒng)功能包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)庫管理與存儲、空間查詢、產(chǎn)品顯示等。數(shù)據(jù)的采集是將統(tǒng)計數(shù)據(jù)、文字報告、地圖數(shù)據(jù)和物化遙感數(shù)據(jù)等錄入系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理和存儲能夠提供數(shù)據(jù)修改、檢索、存儲和更新的功能，決定GIS的數(shù)據(jù)分析精度和效率?？臻g查詢包括拓撲疊加、空間模型和空間檢索分析，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字地形等多種模型性的分析，是GIS系統(tǒng)的核心功能。產(chǎn)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(yōu)勢?？紤]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(yīng)的模式有效指數(shù)(nμ)之間的關(guān)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(shù)。

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(jié)果激發(fā)了新的布拉格波長，激發(fā)布拉格波長與2個相應(yīng)的耦合橫穿模式之間的關(guān)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(shù)。由于被激發(fā)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(nèi)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(shù)。

2 光纜故障監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

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

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)總體框架圖Fig.3 Overall framework of monitoring system

2.2 組網(wǎng)方式

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3層，分別為最底層、中間層以及最上層，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 System network structure

將FBG和Φ-OTDR連接光纖的2端，F(xiàn)BG用于監(jiān)測光纖是否發(fā)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(fù)用器和多路光開關(guān)對Φ-OTDR進行復(fù)用[20]。而手持GIS數(shù)據(jù)采集模塊由DTU模塊和GPS定位器組成，將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至無線終端和中央管理器。服務(wù)器為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中間層，包括后臺軟件、MySQL數(shù)據(jù)庫、電子地圖。服務(wù)器用于Φ-OTDR的配置管理、解調(diào)儀數(shù)據(jù)分析、告警處理、測試結(jié)果以及地圖告警定位功能。將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的預(yù)存長度與計算結(jié)果進行對比，判斷光纖線路是否發(fā)生故障。若光纖線路故障，發(fā)出光纖故障告警至客戶端，以可視化圖形的方式將結(jié)果展現(xiàn)于電子地圖，并通知光纖維護工作人員?？蛻魧訛橄到y(tǒng)最上層，光纖維護人員可以通過客戶端瀏覽器訪問服務(wù)端的告警情況、電子地圖訪問等光纖狀態(tài)信息。系統(tǒng)開發(fā)模式為BIS模式，具有操作簡單、分布性強、易維護、成本低等優(yōu)點。

2.3 基于耦合FBG的光纜網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測

耦合FBG的光纜網(wǎng)絡(luò)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(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個光纖光柵和解調(diào)儀[11]。后端服務(wù)器連接解調(diào)儀和Φ-OTDR，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的診斷和分析。通過C波段(1 530～1 565 nm)的解調(diào)儀對耦合FBG反射光進行解調(diào)。

3 故障定位實例

以建設(shè)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(jiān)測的有效性。通過Φ-OTDR進行測量，起點為建設(shè)東路6#配電房，Φ-OTDR測試數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 Φ-OTDR測試數(shù)據(jù)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(fā)生反射事件。通過軟件查詢發(fā)現(xiàn)光纜全長985 m，通過對比數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)故障點。

通過耦合光纖和GIS系統(tǒng)定位后顯示得出故障點的空間位置，具體如圖7所示。發(fā)現(xiàn)該段位于地下光纜溝，無法用肉眼發(fā)現(xiàn)故障點，與檢測位置地面上距離為635.7 m，且光纜走向復(fù)雜，有多處預(yù)留余纜，通過人為排查嚴重影響搶修進度。現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，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(jiān)測結(jié)果，如表1所示。

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

由表1可知，通過系統(tǒng)顯示故障位置與實際故障位置對比，實際工程中系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)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(tǒng)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(jù)分析數(shù)據(jù)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(jié)語

隨著通信光纜規(guī)模的不斷擴大，其故障頻率也不斷增加，結(jié)合Φ-OTDR技術(shù)、光纖傳感技術(shù)與GIS技術(shù)，建立了基于耦合光纖與GIS的地下通信光纜故障智能監(jiān)測及信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合地理實體對象，對具體故障位置進行計算，能夠?qū)收贤ㄐ殴饫|的實際地理位置發(fā)出告警信息，并在電子地圖上展示給用戶，實現(xiàn)了極高的自動化。同時，以建設(shè)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(jiān)測的有效性進行了驗證，該系統(tǒng)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%。