耦合光纤和GIS技术的地下通信光缆智能系统优化设计

谢晓华，蓝 波，张均伟，黄嘉庚

(广西电网有限责任公司 柳州供电局，广西 柳州 545000)

光纤通信具备效率高、质量轻、信息传送量大、耗损低等优点，被应用于电话、计算机通信、云数据可访问性、互联网使用等在内的各种通信技术领域。因此，保障光缆的安全直接影响到通信系统的实时性、可靠性和准确性[1]。然而，由于光纤质地脆、连接点结构复杂以及机械强度低等缺点，导致光纤铺设及工作过程中极易发生故障。此外，传统的光缆诊断系统存在维护周期长、故障定位困难等问题，严重影响通信网络的安全运行。目前，主要采用光时域反射仪(OTDR)对光缆故障的进行监测定位，光缆走向错综复杂，该技术能够监测距离故障点的距离信息，但无法显示地理空间位置，严重影响通信光缆的故障定位和维修[2-4]。

针对光缆故障定位技术，国内外学者做了大量研究，如结合简单易行的脉冲测距法以及光子计数法高灵敏度的特点，提出光子计数OTDR技术[5]；仅局限于波导结构器件，现实应用过程中无法得到大面积推广。基于可视化查找算法，通过半导体激光器实现了通信光缆故障的高精度定位[6]；但其技术要求和成本均较高。基于数字相干探测与维纳滤波技术，提出了相位敏感OTDR，能够实现长距离通信光缆的故障位置、扰动信号强度及频率的同步监测[7]；但系统需要较高相干性的探测光且测量误差较大。从国内外现有研究来看，大多忽略了故障诊断的现实状况，仅依靠故障点与检测点间的距离测量，难以实现可靠准确的故障定位。光纤通信行业通过提供更可靠的电信链路、更高的性能和不断降低的带宽成本，彻底改变了电信行业。光纤通信技术的进步促进了光纤传感器的发展。基于此，在Φ-OTDR技术的基础上引入光纤布拉格光栅(FBG)，对光缆故障进行定位，同时结合地理信息系统技术(GIS)，实现了电子地图中上通信光缆的智能监测，并以某市建设东路N#配电房到中原东路配电房地下通信光缆实际故障为例，验证了智能监测方法的有效性，以期为智能化通信光缆故障定位的维护管理提供有益借鉴。

1 光纤故障定位原理及GIS系统

1.1 Φ-OTDR故障定位

Φ-OTDR技术是从传统的OTDR技术基础上发展而来的，2种技术的区别都来自于Φ-OTDR技术中光源的改进，将光的特征变化转化为承载光纤振动状态的信号，再进行模数转换，其灵敏度远高于普通的OTDR，还能同时检测多点入侵事件[8-10]。除此之外，它还在多种极端环境条件下具有令人满意地执行高质量、高精度、高相干激光等特点。通过使用电光调制器作为强度调制器来实现光源[11-12]。Φ-OTDR利用瑞利散射的相干效应来检测振动；其系统独立设计用于高速数据传输。硬件系统的框图如图1所示，离散反射镜模型如图2所示。

图1 基于Φ-OTDR的振动检测原理功能图Fig.1 Φ- OTDR vibration detection principle function diagram

图2 离散反射镜模型Fig.2 discrete mirror model

将光纤(长度为L)平均分成N段，且均由M个反射镜组成，ΔL为光脉冲的宽度[13]。第k段内的场矢量和表示为：

(1)

式中：rk为光纤上散射体的幅值；Φk为光纤上散射体的相位和；Ωi和ai分别为ΔL范围内背向瑞利散射体的相位值和幅值。

散射光的相位和幅度概率密度函数表示为：

(2)

(3)

式中：Φ为均匀分布，r为正态分布；σ2为概率最大的反射率；

1.2 GIS技术

GIS 技术为存储、分析、描述和输出地理信息提供了方法，它使用地理模型和数据库提供各种动态和空间地理信息系统，并将相关地理信息通过图形的方式进行展现，GIS系统由系统管理人员、地理空间数据、计算机硬件和软件系统构成[14-16]。

GIS系统功能包括：数据采集、数据编辑、数据库管理与存储、空间查询、产品显示等。数据的采集是将统计数据、文字报告、地图数据和物化遥感数据等录入系统。数据管理和存储能够提供数据修改、检索、存储和更新的功能，决定GIS的数据分析精度和效率。空间查询包括拓扑叠加、空间模型和空间检索分析，可以实现网络、数字地形等多种模型性的分析，是GIS系统的核心功能。产品显示是可视化表达GIS的重要功能，输出全要素地图，工作人员可以对其进行缩小或放大展示。

1.3 光纤布拉格光栅传感器理论

光纤光栅具有插入损耗低、回波损耗高、制作简单等显著优势。考虑具有平均折射率光纤的均匀布拉格光栅，每个布拉格波长(λμ)与相应的模式有效指数(nμ)之间的关系由下式给出[17-18]：

λμ=2nμ(λμ)Λ

(4)

式中：Λ为光栅周期；下标μ为横模的阶数。

由于沿光纤的折射率周期性变化，引入了2个横模之间的耦合，结果激发了新的布拉格波长，激发布拉格波长与2个相应的耦合横穿模式之间的关系由下式给出：

λμ,V=[nμ(λμ,V)+nV(λμ,V)]Λ

(5)

式中：μ和V为2个不同的横模的阶数。由于被激发的布拉格波长λμ,V恰好位于λμ和λv之间的中间，式(6)可以改写为：

λμ,V=(λμ+λV)/2

(6)

考虑具有平均折射率光纤的均匀布拉格光栅，折射率分布可以表示为：

(7)

式中：neff为光栅周期内空间平均的折射率变化；v为折射率变化的边缘可见性；φ(L)为光栅啁啾。

光纤光栅的耦合模式方程为：

(8)

式中：K为耦合系数。

2 光缆故障监测系统优化设计

2.1 系统总体设计

耦合FBG光缆线监测系统由GIS地理数据采集、下级测试单元以及中央管理服务端组成，系统框架如图3所示。其中，GIS地理数据采集模块用于寻线定位地理坐标，并通过TCP/IP协议将地理数据传输至中央管理服务端[19]。中央管理服务端负责配置管理、故障告警和数据储存等核心功能。同时，系统还包括客户端管理单元，可为光纤维护人员提供数据查询和维护，易于使用，操作界面简单。

图3 监测系统总体框架图Fig.3 Overall framework of monitoring system

2.2 组网方式

网络结构分为3层，分别为最底层、中间层以及最上层，系统网络结构，如图4所示。

图4 系统网络结构Fig.4 System network structure

将FBG和Φ-OTDR连接光纤的2端，FBG用于监测光纤是否发生故障。Φ-OTDR能够计算出光纤损耗分布特性曲线，非破坏性的探测光纤的运行状况，并分析得出光纤的故障位置。远程测试单元通过波分复用器和多路光开关对Φ-OTDR进行复用[20]。而手持GIS数据采集模块由DTU模块和GPS定位器组成，将串口数据转换为IP数据通过网络传输至无线终端和中央管理器。服务器为系统网络结构的中间层，包括后台软件、MySQL数据库、电子地图。服务器用于Φ-OTDR的配置管理、解调仪数据分析、告警处理、测试结果以及地图告警定位功能。将系统数据库中的预存长度与计算结果进行对比，判断光纤线路是否发生故障。若光纤线路故障，发出光纤故障告警至客户端，以可视化图形的方式将结果展现于电子地图，并通知光纤维护工作人员。客户层为系统最上层，光纤维护人员可以通过客户端浏览器访问服务端的告警情况、电子地图访问等光纤状态信息。系统开发模式为BIS模式，具有操作简单、分布性强、易维护、成本低等优点。

2.3 基于耦合FBG的光缆网络监测

耦合FBG的光缆网络测试模块，如图5所示。

图5 远程测试模块Fig.5 Remote test module

从图5可以看出，模块在Φ-OTDR中断监控系统的基础上增加了一个光纤光栅和解调仪[11]。后端服务器连接解调仪和Φ-OTDR，实现数据的诊断和分析。通过C波段(1 530～1 565 nm)的解调仪对耦合FBG反射光进行解调。

3 故障定位实例

以建设东路6#配电房到中原东路配电房地下通信光缆为例，验证故障智能监测的有效性。通过Φ-OTDR进行测量，起点为建设东路6#配电房，Φ-OTDR测试数据如图6所示。

图6 Φ-OTDR测试数据Fig.6 Φ- OTDR test data

从图6可以看出，838.3 m处为光纤末端，距离检测点426.6 m处发生反射事件。通过软件查询发现光缆全长985 m，通过对比数据库中该段正常Φ-OTDR测试曲线确定距离检测点426.6 m存在活动连接器。因此，判断838.3 m处光缆存在断裂故障。维护人员至距离检测点838.3 m处未发现故障点。

通过耦合光纤和GIS系统定位后显示得出故障点的空间位置，具体如图7所示。发现该段位于地下光缆沟，无法用肉眼发现故障点，与检测位置地面上距离为635.7 m，且光缆走向复杂，有多处预留余缆，通过人为排查严重影响抢修进度。现场检测发现，故障位置距检测点的线性长度为650.2 m，绝对误差为0.9 m，相对误差为0.13%，故障原因为光缆断裂，进一步证明该方法能够精确定位通信光缆故障位置。

图7 软件故障定位Fig.7 Software fault location

多条故障光缆故障智能监测结果，如表1所示。

表1 地下通信光缆故障定位结果Tab.1 Fault location results of underground communication optical cable

由表1可知，通过系统显示故障位置与实际故障位置对比，实际工程中系统具有较高的准确率，可以精准定位光缆故障，有效保证电力系统的稳定性。传统故障定位方法主要通过Φ-OTDR 测试仪获得故障位置的测试曲线并进行定位。从图6还可看出，距离测试点838.3 m处为光纤末端，426.6 m处存在反射事件，通过系统查426.6 m处为连接器，光缆全长985 m，进而确定故障位置为838.3 m处。维修人员根据分析数据线性距离沿着光缆寻找故障位置并进行排除，维修人员行走的为地面距离，无法精确定位故障位置严重延误维修进度。

4 结语

随着通信光缆规模的不断扩大，其故障频率也不断增加，结合Φ-OTDR技术、光纤传感技术与GIS技术，建立了基于耦合光纤与GIS的地下通信光缆故障智能监测及信息管理系统。系统结合地理实体对象，对具体故障位置进行计算，能够对故障通信光缆的实际地理位置发出告警信息，并在电子地图上展示给用户，实现了极高的自动化。同时，以建设东路6#配电房到中原东路配电房地下通信光缆为例对故障智能监测的有效性进行了验证，该系统具有较高的准确率，可以精准定位光缆故障，绝对误差为0.9 m，相对误差为0.13%。