王培國，楊 斌，李 澤，盧大興

（1.成都市江漢路31號網(wǎng)管中心，四川 成都 610011；2.上海華魏光纖傳感技術有限公司，上海 201103）

引 言

光纖通信是現(xiàn)代信息傳輸?shù)闹匾侄危饫w通信網(wǎng)是信息傳輸?shù)幕A網(wǎng)絡，廣泛應用于長距離干線網(wǎng)、本地網(wǎng)、支線通信網(wǎng)中。但是光纜線路有時會由于一些人為因素（如施工挖斷、盜割等）或自然災害（如滑坡、塌方、地基沉降、洪水等）造成光纜中斷，光纜線路一旦中斷，將影響其承載的各業(yè)務網(wǎng)系（如電話網(wǎng)、電視網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)等），影響通信網(wǎng)絡建設效能的發(fā)揮；同時通信光纜還存在人為挖掘偵聽的安全隱患。

文中研究基于Φ－光時域反射計的分布式光纖傳感技術實現(xiàn)對光纜線路的險情預警和定位，提醒線路維護人員及時到指定地點進行線路巡視、路基加固、線路搶代通及線路整改等準備工作，預防光纖通信傳送網(wǎng)的阻斷，確保光纖通信網(wǎng)安全可靠的運行。

1 系統(tǒng)工作原理

通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)以實現(xiàn)因人為因素或自然災害對光纜線路造成的險情實時定位監(jiān)測和告警為應用目標，利用Φ－光時域反射計（Φ－OTDR）［1－4］的干涉機理，外界擾動作用在光纜上面或附近產(chǎn)生的壓力（振動）導致光纖中瑞利散射光［5］相位發(fā)生變化。由于干涉作用，光相位變化將引起光強度的變化，故通過實時監(jiān)測不同時刻后向瑞利散射信號的干涉效應來定位險情位置，解決光纜線路險情監(jiān)測的關鍵技術；并通過建立光纜線路環(huán)境特征參數(shù)數(shù)據(jù)模型和告警監(jiān)測閾值模型，降低監(jiān)測告警的虛警率。

通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)采用普通通信光纜中的一根空閑纖芯作傳感單元，進行分布式光纖傳感器多點振動測量［6］。其基本原理是當外界有振動作用于通信光纜時，引起光纜中纖芯發(fā)生形變，導致纖芯長度和折射率發(fā)生變化，造成光纜中光的相位發(fā)生變化。當光在光纜中傳輸時，由于光子與纖芯晶格間發(fā)生作用，因此不斷向后傳輸瑞利散射光。當外界有振動發(fā)生時，背向瑞利散射光的相位隨之發(fā)生變化，這些攜帶外界振動信息的信號光，反射回系統(tǒng)主機時，經(jīng)光學系統(tǒng)處理，將微弱的相位變化轉換為光強變化；經(jīng)光電轉換和信號處理后，進入計算機進行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)根據(jù)分析的結果，判斷入侵事件的發(fā)生，并確認入侵地點。圖1為通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)結構示意圖。

該系統(tǒng)的定位精度P與注入光纖的光脈沖寬度ΔT有關，且有

式（1）中，c為真空中的光速，n為傳輸介質折射率。試驗中系統(tǒng)采用的光脈沖寬度ΔT為250ns，對應理論定位精度25m，實測定位精度優(yōu)于50m。

通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)由于采用的Φ－OTDR技術是基于光時域反射技術和光纖干涉技術發(fā)展而成的先進的光纖傳感技術，它同時具有光時域反射技術定位精度高和光纖干涉技術靈敏度高的特點，特別適合于通信光纜防破壞監(jiān)測的應用領域。

2 通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)組成

現(xiàn)開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)通過采集通信光纜的振動信號，加速度信號，對通信光纜進行實時監(jiān)測，并通過采集得到的數(shù)據(jù)對通信光纜的振動狀態(tài)進行特性分析和診斷。根據(jù)通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)的功能，選擇合適的硬件，包括光信號解調(diào)儀、數(shù)據(jù)分析儀（包含數(shù)據(jù)采集卡）和傳感光纜。光信號解調(diào)儀、數(shù)據(jù)分析儀放置于機房中，由光信號解調(diào)儀引出傳感光纜敷設至現(xiàn)場需要監(jiān)測的位置。主機標配可掛接40km光纜纖芯，對現(xiàn)場環(huán)境進行監(jiān)測。系統(tǒng)的總體功能結構圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)主要功能

通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)的主要功能就是對振動信號監(jiān)測、報警，同時對數(shù)據(jù)信息進行管理。系統(tǒng)能探測危及光纖通信傳送網(wǎng)通信光纜的險情和識別險情種類行為。如果有危及通信光纜的險情，則將對光纖內(nèi)傳輸光束產(chǎn)生擾動，擾動信號通過同一根光纖傳輸至系統(tǒng)主機上，通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)對這些信號進行分析識別后，則發(fā)出指令觸發(fā)報警。

圖2 系統(tǒng)的總體功能結構圖Fig.2 Structure of overall system function

主要有如下功能：

（1）光纜險情監(jiān)測功能：從光纖通信傳送網(wǎng)的通信光纜纖芯沿線提取出振動信息進行分析，識別出可能危及光纜的施工、故意破壞、人為偵聽、自然災害等震動類型，定位震動源。

（2）光纜險情告警功能：系統(tǒng)能濾除誤報干擾信號，識別出挖掘機、鐵鍬、鐵錘、切割設備等可能危及光纜的有效振動信號后將險情數(shù)據(jù)入庫，同時在客戶端通過可視化地圖閃爍顯示震動源地點和險情類別，并進行聲音告警，以便提醒線路維護人員及時準確地采取有效預防措施，防止光纜線路出現(xiàn)阻斷。

（3）光纜險情處置情況錄入功能：系統(tǒng)提供險情處置情況錄入功能。用戶可根據(jù)權限錄入險情實際情況和處置情況，由系統(tǒng)根據(jù)運行過程中的用戶對纖芯沿線出現(xiàn)的震動波形、實際險情種類、需設置的告警級別等數(shù)據(jù)的關聯(lián)，實現(xiàn)險情模式知識積累功能。

（4）光纜險情數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計功能：提供險情歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、分析功能，可按時間段、險情類別等數(shù)據(jù)項條件對險情歷史記錄進行查詢統(tǒng)計。用戶可以根據(jù)自己的需求，把報警記錄導出來以文件的形式保存，同時還支持打印的功能。

（5）光纜區(qū)段設置功能：由于光纜敷設地段不同，環(huán)境差異較大，故不同的環(huán)境對系統(tǒng)的靈敏度的要求不同。系統(tǒng)提供光纜區(qū)段設置功能。用戶可以根據(jù)光纜途經(jīng)的不同環(huán)境設置不同的區(qū)段，各區(qū)段設置與之對應的靈敏度等級等系統(tǒng)校正參數(shù)。

（6）電子地圖功能：監(jiān)控軟件具有電子地圖、振動波形等直觀的人機界面功能，同時配有數(shù)據(jù)庫可以使您隨時查詢歷史報警事件和歷史波形。可通過電子地圖的不同圖標直觀地表示設備所處的不同的工作狀態(tài)，一旦有報警發(fā)生，電子地圖上會彈出報警點閃爍顯示，及時提醒值勤維護人員警情發(fā)生的地點位置，同時多媒體音箱發(fā)出報警語音提示。

（7）聯(lián)動功能接口：系統(tǒng)預留聯(lián)動接口，根據(jù)具體需要，系統(tǒng)可與各種音響、聲光報警裝置實現(xiàn)聯(lián)動，在監(jiān)測、識別、定位破壞行為后，啟動報警裝置，顯示險情位置。

4 系統(tǒng)的軟件部分

軟件基于Microsoft平臺，采用Microsoft Visual C＃2008語言，以及.NET Framework 2.0技術開發(fā)。

Microsoft.NET平臺包括用于創(chuàng)建和操作新一代服務的.NET基礎結構和工具、用于實施多信息客戶端的.NET用戶經(jīng)驗，以及用于啟用新一代智能Internet設備的.NET構造塊服務和.NET設備軟件。

數(shù)據(jù)庫是Microsoft Sql Server 2005簡體中文版，版本號為9.0.1399.0。

監(jiān)控軟件使用C／S結構設計，即客戶機和服務器結構。它是軟件系統(tǒng)體系結構，通過它可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務合理分配到Client端和Server端來實現(xiàn)，降低系統(tǒng)的通訊開銷。

系統(tǒng)的上層軟件架構如圖3所示，主要內(nèi)容包括：

（1）系統(tǒng)登錄模塊：接收用戶輸入登錄系統(tǒng)，登錄模塊還包括數(shù)據(jù)庫配置功能，提供了友好的數(shù)據(jù)庫配置界面，用戶配置好數(shù)據(jù)庫連接以后，輸入正確的用戶名和密碼就可以進入系統(tǒng)；

（2）系統(tǒng)管理模塊：該模塊里面包含了用戶管理、角色管理、權限管理和系統(tǒng)退出等功能模塊，使具有該權限的人員，給其他人員分配不同的權限；

（3）系統(tǒng)設置模塊：該模塊包含了主機設置、通道設置和防區(qū)信息設置等功能模塊，主機設置里面可以設置主機的通信IP等信息，通道設置和防區(qū)設置為系統(tǒng)運行參數(shù)；

（4）系統(tǒng)查詢模塊：該模塊包含了振動波形查詢、報警信息查詢和系統(tǒng)日志查詢等功能模塊，主要對系統(tǒng)的歷史記錄進行回放和查看；

（5）狀態(tài)監(jiān)控模塊：主要顯示電子地圖、實時振動曲線和實時報警信息，以及電子地圖的報警定位等功能；

系統(tǒng)軟件建立特征識別模型算法庫，收集各種常見報警數(shù)據(jù)。通過使用先進的模式識別技術，系統(tǒng)能夠智能分析事件特征，具有防誤報功能，提高報警事件判斷的準確性。

特征識別模型算法庫包括時域分析、頻譜分析和模式識別算法等。軟件是系統(tǒng)的靈魂，故在軟件設計上采用了目前最先進的分類識別算法，完成對擾動特征信息的動態(tài)提取、分析和比較，確定擾動的頻率、幅度和類型等物理特征，實時給出分析結果或對非正常擾動給出預警信號。系統(tǒng)應用軟件處理流程圖如圖4所示。

軟件架構清楚，各個模塊各自獨立，考慮到后續(xù)軟件升級，數(shù)據(jù)處理按照數(shù)據(jù)流程圖運行，思路清晰，易于閱讀及后續(xù)的軟件開發(fā)。系統(tǒng)應用軟件具有以下特點：

（1）算法先進，軟件處理速度快，不丟失數(shù)據(jù)，自我判斷數(shù)據(jù)信號，根據(jù)需要在后端靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度，不漏報，減少誤報，在提高報警的準確程度的同時減少巡邏人員資源的無謂消耗。

（2）界面美觀友好，易于操作，發(fā)生報警時能夠讓監(jiān)控人員在最短的時間內(nèi)找到報警地點。

（3）軟件能夠長時間穩(wěn)定運行，不易發(fā)生崩潰，在不同的環(huán)境下都能夠很好地運行，遇到不可抗拒因素時，能夠很好地保存數(shù)據(jù)。

（4）自動保存信號數(shù)據(jù)，便于后續(xù)維護人員分析。

5 試驗結果

通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)投入運行后，對監(jiān)測結果進行了實際測試。選擇的是一段40km通信光纜，試驗是在光纜埋入1m深的沙土條件下進行。在整個試驗過程中不斷改變測試位置，在通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)檢測到的不同入侵事件（人工挖掘、機械挖掘、管道泄漏等）時系統(tǒng)自動實現(xiàn)振動預警和自動識別，并能根據(jù)實時監(jiān)測結果啟動報警，顯示險情位置。

通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)的界面主要實現(xiàn)圖文并茂地顯示入侵的位置、時間以及相關的報警信息。系統(tǒng)界面主要包括防區(qū)設置界面（見圖5）、電子地圖界面（包含入侵信息欄，見圖6）和振動波形選項界面（見圖7）。防區(qū)設置界面主要實現(xiàn)系統(tǒng)的防區(qū)參數(shù)信息進行相應的設置。電子地圖界面針對的是L＝40km的系統(tǒng)，將40km分成L／ΔL段，將各點代表1個防區(qū)ΔL（防區(qū)大小根據(jù)要求設置）的范圍，L／ΔL個綠色的點依次連成通信光纜的鋪設路線圖。當發(fā)生報警時，在電子地圖下方的列表中，會顯示出該報警防區(qū)的報警信息（包括：設備類型名稱，通道名稱，所在防區(qū)名稱，開始位置，結束位置，事件描述，報警持續(xù)時間和報警時間等），同時報警的防區(qū)會以紅色的點進行閃爍顯示。振動波形選項界面如圖7所示。根據(jù)用戶選擇可以顯示瑞利散射后向曲線或者散射曲線相減后的波影。界面中（a）瑞利曲線圖是40km通信光纜沿線探測的瑞利散射信號，（b）振動波形圖是設置防區(qū)486的一段50m光纜受到入侵時產(chǎn)生的振動波形。

6 結 論

應用基于Φ－光時域反射計技術的通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)對現(xiàn)有光纖通信干線進行監(jiān)測，在光纜附近土層遇到人為挖掘或自然災害險情時，系統(tǒng)進行險情預警和定位；及時通知線路維護人員提前采取有效措施，把傳統(tǒng)的事后搶修維護模式改變成事先預防維護模式，從而可以大幅度提高通信網(wǎng)絡的可靠性和安全性，充分發(fā)揮現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡的建設效能。因此，基于Φ－光時域反射計技術通信光纜險情定位與預警系統(tǒng)在光纜防護中具有廣闊的應用前景。

圖7 振動波形選項界面Fig.7 Option interface of vibration waveform

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