便携式光纤断点定位振动监测设备的研制

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0 引言
随着国家电网泛在电力物联网战略规划的提出，大规模的光纤网络得以铺设，电力通信光网络的稳定性和可靠性关系着两网融合后新型电网的安全有效运行。

普通的人力巡察存在故障查找困难、排障时间长、修复成本过高等缺点。

因此，如何实时的监测光纤的故障隐患，如何管理和维护光缆线路以确保通信系统安全稳定运行已成为重要问题。

目前市场上光纤断点的定位主要设备就是光时域反射计，这种基于传统的OTDR技术的设备定位精度不高，且难以实时监测光缆故障，不能够有效地对光缆破坏进行预警且难以将断点位置与实际断点地理位置联系起来。

1 工作原理
1.1 传统的OTDR技术
传统的OTDR技术是根据光的瑞利散射和菲涅尔反射原理来测量光纤的特征。

瑞利散射是由于光波在光纤中传输，沿途受到直径比光波长还小的散射粒子的产生的无规律散射。

菲涅尔反射是光波在光纤中受到散射粒子的影响而产生的，OTDR通过打一束光，然后利用采集分析打回来的瑞利背向散射光和菲涅尔发射光，即采集光信号碰到造成反向系数改变因素的反射光，例如光纤制作次品或长期使用的光纤内部玻璃结构在空气中的间隙、光纤挤压拉扯的磨损处、或者光纤断裂处等，使用光电探测器采集接受到的反射信号，再经过信号处理计算出光纤长度与断点位置。

1.2 Φ-OTDR技术
OTDR是通过光的时域来计算断点，采用的是低相干性的光源脉冲，这会导致光纤链路中的干涉噪声会被衰减检测的过程有效抑制，从而降低了散射光干涉信号的相位变化带来的敏感特性，这不利于光纤对于外界环境的振动时间进行实时监测。

而Φ-OTDR将传统OTDR 设备的光源换成了窄线宽光源，增强了光脉冲光波内散射光相互干涉的响应度，争对监测散射光信号的相位信息，对相位变化产生高响应度，使得Φ-OTDR从信号的空间、时间、相位来对振动事件模式作为判别依据。

当传感光纤正常运作时，稳态光纤中产生的散射光信号保持一种稳定的状态，当光纤发生碰撞、挤压等振动事件时，根据光弹效应，光纤中的传输光发生相位变化，光电探测器采集振动位置的散射干涉区间中产生的叠加干涉光强，就能依据相位变化分析出该区间对应的外部信息。

2 系统组成
本系统主要由激光光源、光调制解调仪、光探测模块、信号采集器、光放大器以及应用软件等部分组成。

2.1 光学部分
本系统选取的光源为一窄线宽激光光源，其发出的窄线宽的连续光经脉冲调制器调制为脉冲光（脉冲宽度20 ns）再经EDFA进行放大后通过环形器注入到传感光纤中，以产生背向瑞利散射光信号。

窄线宽光纤激光器因其线宽窄、低噪声、抗电磁干扰、安全、可远程控制等特性，广泛应用于光纤通信、光纤传感、光纤遥感、材料技术以及高精度光谱等领域。

产生光脉冲序列的方法一般有两种，即调Q和锁模。

调Q产生的光脉冲序列重复频率通常较低，为10–200 kHz；脉冲宽度约为几十纳秒。

锁模产生的光脉冲序列重复频率一般较高，通常大于10 MHz；脉冲宽度约为皮秒到飞秒量级。

两种方法产生脉冲的光谱宽度通常较宽，一般从几纳米到几十纳米，远大于窄线宽脉冲光纤激光器对光谱宽度的要求。

相较于OTDR系统，Φ-OTDR系统光源的线宽要窄，所以背向瑞利散射光产生的干涉现象更加明显，从而监测出相位的变化。

（1）调制器。

Φ-OTDR系统根据后向瑞利散射光原理，由光调制解调仪输出的大功率窄脉冲光注入到传感光纤中，会在传感光纤中产生后向瑞利散射光。

这个后向瑞利散射光经过调制器分离后得到携带振动的光信
便携式光纤断点定位振动监测设备的研制
季　伟1，王文军1，张飞勇1，黄俊杰1，吴建灵1，徐常志2，叶俊健2
（1.丽水正阳电力建设有限公司，丽水 323000；2.深圳市特发信息股份有限公司，东莞 523000）摘要：为解决传统OTDR设备断点难以进行实际地理位置定位，以及Φ-OTDR设备笨重，不方便携带的且操作复杂的问题，研制出了一台初步达到工程应用的便携式光纤断点定位振动监测仪。

阐述了光纤断点定位振动监测仪的工作原理和制作方法，对每个组成部分，包括软件和硬件都作了说明，阐述了研制该设备的系统先进性。

通过对光纤样品的测量分析了该光纤断点定位振动监测仪的效果。

关键词：光纤断点定位振动监测仪；相位敏感光时域反射计；Φ-OTDR
doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2020.06.009
中图分类号：TM744 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2020）06-0023-04
研究
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号的叠加，但是同时存在一部分的残余散射光的光信号叠加，这些残余散射光会使得有效的光信号上的信噪比降低；在插入端损耗较大的情况下引入光纤放大器（EDFA ），也会引入新的噪声，这大大影响了系统的脉冲准确度。

所在研制便携式光纤断点定位振动监测仪时系统采用了基于半导体光放大器的脉冲调制方案。

（2）光纤放大器（EDFA ）。

本系统中的后向瑞利散射经光调制器分离后得到携带振动的光信号的叠加，从光调制器后向反射回来的瑞利散射光进入光接收模块进行光／电转换，再经光纤放大器放大，此时信号已由光信号转换成了电信号，再进入到后续的转换器中进行转换。

运用光放大器作为前置放大器，对光信号进行放大，从而探测出背向瑞利散射光信号。

本系统中由于接收模块的的饱和光功率很小，所以放大器工作在比较小的泵浦功率下，放大器的增益是可以通过精细地调整前向泵浦激光器和后向泵浦激光器功率来实现增益的连续可调节，在小信号增益的情况下，测量的噪声指数为4.5，降低对光纤放大器放大倍数的要求，降低噪声，提高信噪比。

2.2 电子部分
返回来的背向瑞利散射信号，经光电探测器接收并转化为电信号，最终送入到系统的信号采集和信号处理系统中。

（1）光电探测器。

光电探测器主要将激光源发射到探测器靶面的光功率转化成相应的电信号，实现光信号到电信号的转化。

由于背向瑞利散射信号强度较小，设备研制需要采用光电探测器具有增益大、噪声小的特点。

（2）A/D 转换器。

A/D 转换器将光放大器经过处理的光信号进行转换，从电信号再转换为数字信号，再由后台处理器对数字信号进行预处理和分析计算等。

本系统应用A/D 转换器转换时序控制和数据处理功能，结合新型可编程器件实现光纤的振动数据采集，从转换精度和转换频率上实现信号的精确采样。

2.3 应用软件部分
应用软件主要采用网页的方式进行操作和数据交互。

应用软件系统功能包含了登陆系统、程序设置按钮、地图编辑、修改密码、报表统计、用户管理、用户操作日志设置中心点、报警等级、P/V 图、P/V/T 图。

3 系统先进性及优越性
3.1 系统技术先进性
（1）高功率、高稳定性激光脉冲光源的技术应用。

激光光源对传感系统有着重要影响，是光纤传感系统的核心器件之一。

我司通过高功率、高稳定性的窄线宽激
光脉冲光源的应用，从而可提高光源脉冲功率，而脉冲功率的提高可使光源功率稳定性越高，散射光信号功率
就会更稳定，传感系统的信噪比就越高。

图1 系统硬件外观
图2 应用软件界面
（2）高空间分辨率的技术应用。

高空间分辨率既决定了测试和报警位置的精准度，也决定了对于不同信号的分辨分析能力。

本系统通过将装置的空间分辨率由常规的10–20 m 提高到2–3 m ，明显提升了振动信号分辨能力。

进行了机械及人工威胁作业测试后，综合报警准确率达到100%，误报率小于5%。

对成捆光缆的单根快速识别、光纤段测距、线路防外力破坏预警和快速寻找故障点等应用需求，进行了大量测试和工程流程优化，实现光缆运维效率的大幅提升，为电力光纤网安全运行提供了新的技术手段和有力保障。

（3）高数据采集速率和分析处理技术的应用。

市场上在研的单一分布式振动监测系统中，基本开发100–150 M 采集速率，我司光纤振动产品采用的是200 M 以上采集速率，从而全面提升捕捉全线的振动信号数量，避免对报警信号的遗漏，并可在极短时间内完成线路的振动信息扫描，完成大量数据的采集分析，让系统达到24小时不间断实时监测。

（4）高分布式光纤振动信噪比方法的应用。

高灵敏度的光纤振动传感系统中，各光、电器件的噪声会降低系统对信号的探测和分辨、还原能力，因此，在长距离光纤振动传感系统中为使系统的测量精度达到工程应用要求，我司采用的是小波降噪技术，从而可提高振动信号信噪比。

3.2 系统算法先进性
光缆振动信号的强度、频率、范围、时间等特征各不相同，通过对振动信号进行算法分析，可更好地区分振动信号，滤除误报，对事件行为进行及时报警定位。

3.2.1 各应用场景下不同振动信号的波形及数据库
样本分析技术的应用
（1）不同外力破坏行为算法分析。

不同外力破坏方式、破坏强度、破坏时间，振动信号不同，通过采集不同振动信号的波形，并进行数据库样本的建立和算法分
析，可准确预判外力破坏行为。

图3 持续振动信号
图4 瞬间撞击信号
图5 移动信号
（2）现场实际环境算法分析。

不同的现场，其土质、
气候、周围建筑、周围环境等不同，光缆振动信号的强度、频率、范围等特征各不相同，因此需建立不同现场试验，通过采集不同的数据并建立不同的数据库，开发具有同类场景通用特性的数据模型，提高系统在复杂环境条件下的信号算法分析和报警能力，从而进一步有效解决设
备误报问题。

3.2.2 通信线路信号识别与分析算法的应用
（1）信号强度算法分析。

需监测的护栏碰撞行为外，其同一事件不同撞击信号强度也不同；通过信号强度分析，并建立信号强度数据库对比，从而辨别不同撞击事件信号强度行为。

（2）信号持续时间算法分析。

不同撞击事件持续时间会不相同，外力破坏产生的振动行为信号长，通过对线路不同信号产生的持续时间及强度，并进行数据库对比及算法分析，可提高系统在复杂环境下的不同事件持续时间问题分析以及报警能力。

4 光缆振动测试
首先，将损坏的光纤接入分布式光纤振动传感系统，测量并记录光纤断点的纤长数据，这里可假设光纤断点位置的纤长为9，000 m 。

为进一步确定光缆断点位置，在测量的光纤断点附近（只做大概估计即可），利用大锤、铅球、铲背等工具，在光缆正上方的向下砸击地面，此时，分布式光纤振动传感系统会呈现出如图6
的振动曲线。

图6 光纤振动曲线图
通过在不同的位置不断的敲击光缆上方地面就可以逐步的逼近光缆断点的实际位置。

在以往的光纤断点定位中，如何快速准确的定位光纤断点所在地理位置是最大的难点。

一般需要挖开光缆，而往往要开挖很多的坑才能逐步逼近找到断点，过程耗时耗力效率低。

结合分布式光纤断点定位传感系统采用光纤振动测试的方式进行断点的定位，不用多次开挖和直接接触光缆，效率和准确性都大大提高。

5 结束语
我们研制的这台便携式光纤断点定位振动监测仪已初步达到工程应用的技术水平，其振动定位精度可达±5 m ，测量距离可达30 km ，无盲区，取样间隔1米，并且体积小、重量轻，方便携带。

但也存在一些问题，如何提高系统的稳定性，提高系统的空间分辨率和不同折射率的光纤可操作性，都有待进一步解（下转第27页）
每片容量为128 MB ，两片级联可提供32 MB 的存储容量。

选取其中一片存储器为高位，另一片存储器为低位，将这两片存储器作为一个整体，将其配置到ARM 的片选信号上。

两片存储器的地址复用，SDRAM 的时钟信号CLK 和时钟使能信号CKE 都接到ARM 的控制线上。

用高低控制线DQML 和DQMH 来区分高16位和低16位。

相关连接示意图如图4
所示。

图4 连接示意图
2.6 调试接口
调试接口采用两路RS232串口与调试计算机相连，同时提供20针仿真器接口，用于Multi-ICE 、Trace32等仿真调试工具的连接。

ARM 处理器最小系统与外设之间通过16245总线缓冲器进行数据总线和地址总线的隔离。

将处理器最小系统与外设电路进行隔离，易于调试和故障定位。

NorFLash 和SDRAM 都挂接在ARM 处理器的数据
总线和地址总线上形成处理器最小系统，为将最小系统中数据总线和地址总线相隔离，设计隔离电路。

除最小系统的外设数据总线或地址总线发生短路或粘连，不会影响到最小系统中的总线，最小系统能够正常启动运行。

3 A RM 处理器启动过程
（1）模块上电，电源电路向最小系统中输入3.3 V ，1.8 V 。

（2）32.768 kHz 晶体起振，18.432 MHz 晶体起振。

（3）FPGA 器件向最小系统中输入复位信号。

（4）ARM 处理器复位后，为了降低启动时所需的功耗，ARM 处理器默认将18.432 MHz 晶体输入禁能，该晶体停振。

（5）ARM 处理器在32.768 kHz 时钟驱动下，从FLASH 存储器开始运行代码。

（6）使能18.432 MHz 晶体，并起振。

（7）ARM 处理器驱动时钟变为180 MHz ，将代码由FLASH 载入SDRAM 中，程序跳转SDRAM 开始运行。

（8）初始化串口，向串口打印调试信息，基于最小系统的功能得以实现。

4 结束语
随着信息技术的快速发展，单片机不管是在功能和速度上，还是功耗上都与32位的微处理器无法比。

本文采用的AT91RM9200微处理器，通过外扩存储器，增加ARM 芯片的存储单元，最小系统得以实现，经实际应用证明，上述设计是实用、稳定且可靠的。

（上接第25页）决和扩展。

从目前泛在电力物联网的建设速度来看，基于Φ-OTDR 技术的光纤断点定位振动监测仪将会是一种大众化仪器。

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