摘要：管道安全關(guān)系到人類生命和財(cái)產(chǎn)安全，及時(shí)掌握管道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)是確保管道安全運(yùn)行的重要前提。文章通過探究光纖傳感及時(shí)域切分技術(shù)的原理，為其在管道監(jiān)控預(yù)警中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，并做好其在管道監(jiān)控預(yù)警應(yīng)用中的各個(gè)技術(shù)要點(diǎn)，以此保證其能夠發(fā)揮最大化的作用，保障管道運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：光纖傳感；時(shí)域切分技術(shù)；管道；監(jiān)控預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

電力設(shè)施是社會(huì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿捅Ｕ?。由于城市建設(shè)、公路施工、橋梁施工、軌道交通施工、市政給排水施工等在施工建設(shè)的過程中缺乏適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，導(dǎo)致地面坍塌、不均勻沉降等，在外力的作用下會(huì)導(dǎo)致電纜被破壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)會(huì)影響城市的快速發(fā)展^［1］。目前，輔助人工巡檢的監(jiān)測(cè)手段通常利用傳感技術(shù)搭建管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包含幾個(gè)必要元素：傳感單元、信息傳輸通道、供電通路。但該類監(jiān)測(cè)手段普遍存在技術(shù)缺陷：（1）監(jiān)測(cè)距離通常在40 km以內(nèi)，且只能監(jiān)測(cè)一條線路，覆蓋路徑大大受限，如若延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)路徑或同時(shí)監(jiān)測(cè)多條線路，需架設(shè)多套系統(tǒng)或裝置，成本較高。（2）信息傳輸通道沿途需部署較多的傳感模塊，通過每一個(gè)傳感點(diǎn)回傳數(shù)據(jù)信息才能保證路徑全程信息的完整性。（3）點(diǎn)狀部署的傳感器監(jiān)測(cè)空白區(qū)域多，提高部署密度又帶來巨大的施工工作量與建設(shè)成本，此外惡劣的環(huán)境大大降低了電子設(shè)備的壽命。常規(guī)的技術(shù)方法用于電力管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)用性不高，本文在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置的基礎(chǔ)上，為打破目前一套系統(tǒng)裝置只能監(jiān)測(cè)同一路徑光纜的局限性，開展基于薩格奈克效應(yīng)和彈光效應(yīng)光纖傳感的時(shí)間切片技術(shù)的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)裝置完成多路由線路事件的實(shí)時(shí)信息同步監(jiān)測(cè)。

1 基本原理

1.1 薩格耐克效應(yīng)的基本原理

薩格耐克效應(yīng)的原理如圖1所示，其工作原理是借助環(huán)形干涉儀，對(duì)一束光進(jìn)行分解，并在環(huán)形干涉儀的作用下兩束光進(jìn)行相互干涉。

圖1（a）處于靜止?fàn)顟B(tài)，從一個(gè)光源中發(fā)射出兩束光，都從M點(diǎn)出發(fā)，因?yàn)閮墒獾乃俣认嗤孕D(zhuǎn)一周之后重新回到M點(diǎn)，由于不存在相位差，因此二者之間不會(huì)出現(xiàn)干涉。

圖1（b）中在環(huán)形干涉儀的作用下給予兩束光角速度旋轉(zhuǎn)，由于二者的光程存在差異，所以再次到達(dá)M點(diǎn)時(shí)因?yàn)橄辔徊畹拇嬖冢瑢?dǎo)致二者之間出現(xiàn)了相互干涉的現(xiàn)象。

由此可見，其基本原理是創(chuàng)建科學(xué)的光路，并借助環(huán)形干涉儀對(duì)同一光源的兩束光進(jìn)行干涉，并以二者的光程差、相位差為依據(jù)進(jìn)行測(cè)量，以此保證測(cè)量的準(zhǔn)確度和精度。

1.2 彈光效應(yīng)

聲壓作用于光纖時(shí)產(chǎn)生彈光效應(yīng)，改變線偏光和圓偏光的折射率，從而對(duì)光波的相位進(jìn)行了調(diào)制，產(chǎn)生干涉。原理如圖2所示。

基于彈光效應(yīng)原理，通過構(gòu)建合理的光路，可以達(dá)到對(duì)光路沿線的音頻進(jìn)行采集的目的。

2 技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

本文研究并提出基于薩格耐克干涉及彈光效應(yīng)原理的光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的時(shí)間切片機(jī)制。研究過程的重點(diǎn)難點(diǎn)及具體技術(shù)是通過光開關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)在時(shí)域上將分布式傳感光信號(hào)進(jìn)行切分。根據(jù)對(duì)光開關(guān)重要參數(shù)指標(biāo)的要求，本文提出有效且最優(yōu)的光開關(guān)選擇方案，部署時(shí)間切片模塊構(gòu)建合理光路。軟件設(shè)計(jì)針對(duì)光開關(guān)切換，需同時(shí)開發(fā)對(duì)應(yīng)的控制軟件，信號(hào)采集處理、事件類型識(shí)別軟件、聲音還原軟件等，本文不展開描述。

2.1 相關(guān)參數(shù)

為了保證光纖傳感及時(shí)域切分技術(shù)的監(jiān)控質(zhì)量和水平，需要保證光開關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)能夠滿足管道監(jiān)控預(yù)警的實(shí)際需求，具體參數(shù)主要包括以下4個(gè)方面：（1）開關(guān)時(shí)間參數(shù)，在計(jì)算時(shí)間時(shí)，需要以施加轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻為測(cè)量起點(diǎn)，以開關(guān)初始接通的時(shí)刻為結(jié)點(diǎn)，或者以撤去轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻為測(cè)量起點(diǎn)，以開關(guān)斷開的時(shí)刻為結(jié)點(diǎn)，精確計(jì)算二者之間的時(shí)間差。（2）消光比指端口在導(dǎo)通情況和非導(dǎo)通情況之間的差值。（3）隔離度指前一個(gè)隔離輸出端口光功率和后一個(gè)隔離輸出端口光功率之間的比。（4）回波損耗指輸入端返回光功率數(shù)值和返回之前的比。

針對(duì)光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)上述指標(biāo)的要求為：插入損耗低；回波損耗低；隔離度高；消光比低；開關(guān)時(shí)間短。

2.2 光開關(guān)選型

光開關(guān)的類型主要包括機(jī)械式、非機(jī)械式、干涉儀光開關(guān)、全光開關(guān)以及MEMS光開關(guān)5種類型，不同類型光開關(guān)的特點(diǎn)不同，適用范圍也存在一定差異，需要根據(jù)管道監(jiān)控預(yù)警的實(shí)際情況選擇合適的光開關(guān)，具體表現(xiàn)如下。

2.2.1 機(jī)械式光開關(guān)

機(jī)械式光開關(guān)主要包括微精密電機(jī)控制和磁保持兩種^［2］。機(jī)械式光開關(guān)有不同的作用機(jī)制，有的可以接近上述要求，與其他光開關(guān)相比，機(jī)械式光開關(guān)的特點(diǎn)表現(xiàn)為：操作簡(jiǎn)單、重量大、造價(jià)低廉等。機(jī)械式光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中圖3（a）是磁保持結(jié)構(gòu)光開關(guān)，在磁鐵的作用下進(jìn)行光開關(guān)的控制，圖3（b）為移動(dòng)反射式光開關(guān)，是由微精密機(jī)電對(duì)反射鏡、旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行有效控制，對(duì)光纖進(jìn)行反射，以此達(dá)到啟閉開關(guān)的目的。

2.2.2 非機(jī)械式

非機(jī)械式光開關(guān)和機(jī)械式光開關(guān)的區(qū)別在于其不借助光學(xué)元件，而是通過借助多種光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行開關(guān)啟閉的光開關(guān)。非機(jī)械式光開關(guān)與其他光開關(guān)的區(qū)別表現(xiàn)為：適用范圍廣，能夠和光纖進(jìn)行適配；體積非常小，便于運(yùn)輸；安裝操作簡(jiǎn)單。

2.2.3 MEMS光開關(guān)

MEMS光開關(guān)以半導(dǎo)體基片為基礎(chǔ)，借助精益加工工藝在基片上設(shè)置微鏡列陣，以此達(dá)到對(duì)光傳播進(jìn)行精密控制的效果。MEMS光開關(guān)以電磁力原理為基礎(chǔ)，在精密芯片的作用下，進(jìn)行微鏡的各種操作，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)光傳播方向的控制，進(jìn)而完成光路的通斷控制。在微鏡列陣的控制作用下，所有輸入端口和輸出端口都能夠進(jìn)行互聯(lián)，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中遵循唯一原則，即確定好光路之后，在同一時(shí)間輸出端口無法與兩個(gè)或者以上輸入端口進(jìn)行連接，只能和單個(gè)端口進(jìn)行連接，以此保障通斷控制的精確度。該種光開關(guān)和其他類型光開關(guān)的區(qū)別表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：插入損耗非常低，經(jīng)濟(jì)性良好；調(diào)制方式、速率等不會(huì)對(duì)光開關(guān)通斷產(chǎn)生干擾；串?dāng)_發(fā)生的概率非常低；耐候性強(qiáng)，使用年限長(zhǎng)；響應(yīng)速度適中；MEMS光開關(guān)體積小，在未來系統(tǒng)小型化、集成化時(shí)是最佳選擇，但成本較高。

2.2.4 全光開關(guān)

全光開關(guān)的控制原理主要包括兩種，即通過控制光斑的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能和通過控制光的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。光開關(guān)直接關(guān)系傳感信號(hào)的優(yōu)劣與系統(tǒng)的整體性能，因此需要通過反復(fù)的搭建與測(cè)試，選擇適合的原理與結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

2.2.5 干涉儀光開關(guān)

干涉儀光開關(guān)如圖4所示，有兩個(gè)3 dB耦合器（DC1，DC2）和兩個(gè)臂（L1，L2）組成。干涉儀光開關(guān)基于光干涉原理，而光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)也是基于光干涉原理，通過試驗(yàn)提高匹配度，有提高光纖傳感性能的可能；同時(shí)開關(guān)沒有機(jī)械動(dòng)作，減少了光纖路由的物理變化對(duì)傳感信號(hào)帶來的噪聲。

本文通過對(duì)普通機(jī)械光開關(guān)、MEMS光開關(guān)、干涉儀光開關(guān)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)對(duì)不同機(jī)制光開關(guān)與時(shí)間切片方案的試驗(yàn)以及能夠?qū)崿F(xiàn)合理光路的構(gòu)建，最終確定與薩格耐克振動(dòng)傳感光信號(hào)匹配性最優(yōu)的機(jī)制選擇機(jī)械式光開關(guān)。

2.3 部署時(shí)間切片模塊構(gòu)建光路

如圖5所示，在光路構(gòu)建過程中，機(jī)械式光開關(guān)以及光環(huán)行器是構(gòu)成時(shí)間切片模塊的核心構(gòu)件。機(jī)械式光開關(guān)實(shí)現(xiàn)光在時(shí)間上的路由切分。光環(huán)形器是光纖通信系統(tǒng)中一種重要的光無源器件，它使光信號(hào)只能沿固定途徑進(jìn)行環(huán)行傳輸^［3］。光信號(hào)由任一端口輸入時(shí)，都能按順序從下一端口以很小的損耗輸出，確保切分后的光分量在獨(dú)立的光路上傳輸且互不干擾，光信號(hào)在單根纖芯中雙向收發(fā)，返回的光信號(hào)不再進(jìn)入光開關(guān)，而是分別傳輸至對(duì)應(yīng)的信號(hào)采集處理模塊。

3 結(jié)語

本文提出的基于薩格耐克及彈光效應(yīng)原理的光纖傳感時(shí)域切分技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單系統(tǒng)覆蓋多路由管道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過利用光開關(guān)與光環(huán)形器組合的技術(shù)，保證了每一條路由不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間切片導(dǎo)致監(jiān)測(cè)效果下降，可以達(dá)到與單路監(jiān)測(cè)相同的技術(shù)指標(biāo)。一方面，該技術(shù)可大幅降低使用成本，增加的硬件成本顯著小于增加部署多套單路系統(tǒng)的成本。另一方面，該技術(shù)可貼合現(xiàn)有光纜網(wǎng)絡(luò)的星狀結(jié)構(gòu)，降低多區(qū)域覆蓋的技術(shù)難度，便于快速部署。

參考文獻(xiàn)

［1］王尉軍，郭舉富，殷慧，等.光傳感技術(shù)在電力管道光纜防外破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2021（6）：34-37.

［2］曹俊忠.機(jī)械式光開關(guān)性能分析［J］.天津通信技術(shù)，2004（2）：21-24.

［3］宛政文，萬助軍.一種光環(huán)行器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.光器件，2010（3）：41-42.

（編輯 王雪芬）

Application of optical fiber sensing and time domain segmentation technology in pipeline monitoring and warning

Ren Chaohua

（Telecommunication Branch of Xiamen Electric Power Engineering Group Co.， Ltd.， Xiamen 361000， China）

Abstract： Pipeline safety is related to the safety of human life and property. Timely grasping the health status of pipeline structure is an important prerequisite to ensure the safe operation of pipeline. By exploring the principle of optical fiber sensing and time-domain segmentation technology， this paper provides a theoretical basis for its application in pipeline monitoring and early warning， and does a good job in various technical points in pipeline monitoring and early warning， so as to ensure that it can play a maximum role to ensure the safety of pipeline operation.

Key words： optical fiber sensing; time domain segmentation technology; pipeline; monitoring and early warning