基于Φ-OTDR分布式光纤传感系统的电缆防开挖分析

徐海宁　张引贤　韩　磊　马　勋　竺本杰

（舟山供电公司，浙江 舟山 316000）

基于Φ-OTDR分布式光纤传感系统的电缆防开挖分析

徐海宁张引贤韩磊马勋竺本杰

（舟山供电公司，浙江 舟山 316000）

本文以陆地电缆为研究对象，利用Φ-OTDR分布式光纤传感系统建立陆缆防开挖数据模型，并应用于实际现场试验，验证了建模的正确性以及定位的准确性。在Φ-OTDR分布式光纤传感系统上建立陆缆防破坏综合系统。本文研究内容可以为陆地电缆防开挖提供技术支持，减少陆缆被人为破坏的可能性，保护用电线路安全。

Φ-OTDR；定位；陆缆防破坏；线路安全

21世纪是信息化的时代，特别是美国911事件以来，世界各国均重视了煤、水、电等基础民生设施的安全防护，以免遭受外力破坏的危害，作为分布式传感系统的Φ-OTDR系统因其具有低成本、重量轻、体积小等优点，同时作为传感部分的光纤可直接深埋地下，具有非常好的隐蔽性，因此分布式光纤传感防破坏系统现已成为监测各电力等基础设施保护研究的热点问题［1］。

1　设备选型原理介绍

1.1基于OTDR技术的分布式传感技术

作为测试光纤传输链路特性的仪器的OTDR是基于瑞利后向散射理论，该理论从提出到完善历经10余年，系统阐述了光纤结构参数与后向散射系数之间的关系，并作为有效的理论依据成功的实现了OTDR在单模光纤中的应用。

图1　OTDR原理框图

OTDR的工作原理是测量光纤背向瑞利散射的光功率，通过获得沿光纤传输的光损耗信息，进而可以测得光纤的衰减。图1为OTDR的原理图。OTDR在近些年的发展中，已被广泛应用于光纤链接的定位和网络在断点和其他异常情况。OTDR本身即具有分布式测量的特点，同样它也存在对分布式传感灵敏度较低的缺点。近些年来，科技工作者在传统的OTDR的基础上不断创新，开发出了新的分布式光纤传感技术，这些关键性能指标对比见表1。

表1　关键技术指标对比表

此次主要利用散射原理技术检测光纤的振动信号，进行防开挖预警，因此我们采用的是Φ-OTDR技术，因其具有定位精度及灵敏度高、数据处理简单等优点。

1.2Φ-OTDR的原理介绍

图2为Φ-OTDR分布式传感系统原理图。

图2　Φ-OTDR的系统入侵图

光脉冲从光纤的一端注入，通过使用探测器感知后向瑞利散射光。因注入光纤激光器线宽狭窄，使其具备了良好的相干性，所以传感器系统输出的即是脉冲宽度区域反射回来的瑞利散射光相干涉的结果。因Φ-OTDR系统可以通过测量输入脉冲和输出脉冲之间的时间延迟定位干扰点的位置，所以当光纤线路上的位置因入侵产生一个扰动，光纤在相应位置的折射率将产生折射率变化，这将导致光路干涉效应，相变诱发后向散射光光强发生变化，而光强度变化的时间即可定位入侵的位置［2］。

瑞利后向散射光返回到耦合器被光电探测器接收，在正常情况下，激光器将发出规则的单一不变的激光脉冲，在没有不受外力的情况下，此时的光相位表现为不因光纤长度的变化而变化，这样所有Φ-OTDR路径轨迹应该是相同一致的，我们将其称之为正常图；相反，当受外力引起相变，此时轨迹图的变化将会在相应时间刻度有所反应，这一段变化的时间刻度即对应着的传感光纤上入侵者所处的位置，这被称其为入侵图。我们用有变化的轨迹图减去已存的无入侵情况下的正常图，就可以非常显著的发现这两者中的不同点，将其称之为差值图，通过利用差值图就可以很容易得精确定位和检测到入侵者［3］。

当一短脉冲被耦合入光纤时，其脉冲周期T由下式给出：

式中，Ng为光纤的反射指数；L为检测距离。在日常工作中应用常规光纤作为传感器，其反射指数Ng=1.46则计算得T=9.73L，此时L单位为km，T的单位为μs。因此，对于检测距离为10km的传感光路，发射光脉冲信号的周期为98μs。

Td是定义光脉冲持续期发射光脉冲到瑞利后向反射回的光脉冲到达光电探测器的距离，则

式中，Ng为光纤的反射指数；Lactua1的长度。

2　防开挖实验验证

本次实验的具体环境是，利用挖掘机在一个空旷的平地上，开挖一条长10m，深1m的沟渠模拟电缆沟，在沟的底部埋设一根传感光缆，然后覆土，压实，传感光缆总长10km，接上Φ-OTDR分布式传感系统设备，通电，向传感光缆中注入窄线宽激光，观察设备在没有外物入侵传感光缆时的波形，然后用挖掘机模拟在电缆沟上行走，挖掘电缆沟等动作，观察设备预警报警情况以及在其他情况下的误报警等内容。

设备运行时由于周围环境没有大的干扰，没有车辆经过，这种情况下系统波形应该稳定且不会发生报警，如图3所示。

图3　设备背景波形

2.1 埋设区域挖掘机作业行为

在光缆位置360m的正上方区域做挖掘操作，一组操作的动作包括挖土和回填。现场作业如图4所示，振动曲线分布图如图5所示。

图4　挖机在传感光纤正上方挖掘

图5　振动曲线图

从振动曲线上看，370～380m位置的振动强度达到800mv/s，其他位置基本不受影响。

2.2埋设区域的拍土行为

在光缆位置360m的正上方区域做拍土操作，一组操作的动作是将上一次回填的土夯实。现场作业如图6所示，振动曲线分布图如图7所示。

图6　挖机在传感光纤正上方拍土

从振动曲线上看，370～380m位置的振动强度达到800mv/s，其他位置基本不受影响。

图7　振动曲线图

2.3挖掘机行走行为

挖掘机沿光缆的埋设路由行驶，但是距离燃气管道水平距离大约为2m。现场作业如图8所示，振动曲线分布图如图9所示。

图8　挖机在传感光纤边缘行走

图9　振动曲线图

从振动曲线上看，行走对光缆的影响明显比挖掘和拍土行为的影响小，只能达到400mv/s，且影响位置随挖掘机行走路径变化。系统不产生报警事件。

3　结论

本文针对Φ-OTDR分布式传感系统进行陆地电缆防开挖防盗模拟仿真实验，得出Φ-OTDR分布式传感系统可以在深埋的情况下同样能够进行精确报警、准确定位、误报少，满足实际工程应用要求。在此基础上结合视频监控系统能够起到陆缆保护无人值守功能，给陆地电缆安全增加一道实时监控、智能化防护。保护由于人为破坏给社会造成不必要的损失。为保护电缆安全提供智能化技术支持。

［1］ 谢孔利. 基于Φ-OTDR的分布式光纤传感系统［D］.成都： 电子科技大学， 2008： 8-9.

［2］ 谢孔利， 饶云江， 冉曾令. 基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的Φ-光时域反射计光纤分布式传感系统［J］. 光学学报， 2008， 28（3）： 569-572.

［3］ 彭龙， 邹琪琳， 张敏， 等. 光纤周界探测技术原理及研究现状［J］. 激光杂志， 2007， 28（4）： 1-3.

Research on Method to Prevent External Damage of Submarine Cable by Distributed Optical Fiber Sensing System with Φ-OTDR

Xu Haining Zhang Yinxian Han Lei Ma Xun Zhu Benjie
（Zhoushan Electric Power Bureau， Zhoushan， Zhejiang 316000）

This paper choose Land cable as the research object. The land cable anti excavation data model was established by distributed optical fiber sensing system with Φ-OTDR. The model applied to the actual field experiments to verify the modeling accuracy and positioning accuracy. The establishment of land cables in distributed optical fiber sensing system with Φ-OTDR on anti damage integrated system. The research content of this paper can provide technical support for the ground cable to prevent excavation， reduce the possibility of damage to the land cable， and protect the safety of the electric line.

Φ-OTDR diameter； location； land cable damage prevention； safety line

徐海宁（1983-），男，硕士研究生，工程师，主要从事从事海缆运行检修工作。