基于DAS技术的地下通信光缆路由寻址

晏 晨,张大路,刘 东,熊志刚,吴海勇,王如刚,陈勐勐*

(1.盐城工学院 信息工程学院,江苏 盐城 224051;2.南京晓庄学院 电子工程学院,江苏 南京 211171)

光纤通信是如今通讯网络的主要传输方式,当光缆发生故障时,会导致通讯信号质量的下降甚至中断,对居民的生活产生诸多不便,如果该光缆连接着企业的重要业务,还会给企业造成严重的经济损失。如何在短时间内迅速地找到损坏光缆的路由并进行维修是一道亟需解决的难题,而早期的地下光缆混乱,更是给光缆的修复工作带来层层阻碍。因此,维护通信光缆的安全事关重大[1]。同时,光纤难免会遭到多方面原因的破坏,比如在施工过程中的意外损坏、洪水等自然灾害的破坏、老鼠等动物的啃咬、不法分子的偷盗以及光缆保护层的自然老化等,因此,一种稳定可靠的、可以精准定位故障点的光缆巡纤技术,在恢复光缆通信这一过程中是必不可少的。

传统的巡纤方法包括:红外热成像法、震动检测法及气压检测法。但这些方法普遍存在着灵敏度低,无法连续监测,易受外界干扰,成本高等劣势,限制了其在光纤巡纤领域的应用。光纤传感技术1977年首次被提出,经过40多年的发展,逐渐产生了点式、准分布式、分布式三种光纤传感模式,其中,分布式光纤传感技术已经在地质灾害监测[2,3]、建筑结构健康评估[4,5]、油气管道安全监测[6,7]、医疗保健[8,9]、智能交通等领域取得了巨大的成功。以分布式声波传感(DAS)技术为代表,当光纤受到扰动,便可以通过测量光纤中后向瑞利散射光的相位变化,得知扰动发生的位置,进而得知光缆的路由[10]。与传统的巡纤方法相比,DAS技术以光纤为原材料,成本低;可以对光缆中任意位置进行准确的实时监测,能快速地对发生故障的位置进行定位;由DAS技术得到的数据可以有效地降低误判率和漏报率,提高了监测的可靠性。本文使用DAS进行地下光缆寻址的实验,并对实验结果进行了分析。

1 DAS技术原理

DAS技术的工作原理如下:激光二极管(LD)发出的连续激光被分成两路,一路到达声光调制器(AOM),脉冲信号发生器(PG)通过反馈机制,将方波振荡器产生的方波信号与用户设定的参考电压进行比较。当两者差值大于阈值后,发出脉冲信号对声光调制器(AOM)控制,将电脉冲调制为光脉冲后到达光放大器(EDFA),光放大器将泵浦光的能量转变为信号光的能量,将该光脉冲放大为高功率的探测脉冲,另一路作为干涉光。被放大的光脉冲经带通滤波器(BPF)滤波后经过环形器到达传感光纤,当外界有入侵产生时,振动会对传感光纤产生一定的弹性形变,从而改变该位置的光纤折射率,这便引起了后向瑞利散射光相位的变化,后向瑞利散射光返回到环形器,与参考光一起输入光耦合器(OC),光耦合器将两路光信号进行耦合,使其聚焦到输出光纤中,从而实现光信号的传输和传导,耦合器输出信号由平衡光电探测器接收(BPD),BPD将光信号转化为电信号后由示波器进行采集并显示,使用MATLAB对采集到的信号进行处理,处理结果可以反应传输光纤链路上的扰动信息[11-13]。实验装置如图1所示。为探究DAS技术在寻找光缆路由上的可行性,我们将聚联科技的TK200光缆普查仪接入南京晓庄学院的光缆,同步开展了实验。

图1 基于单模光纤的DAS传感系统的实验装置LD:激光二极管;OC:光耦合器;AOM:声光调制器;PG:脉冲信号发生器;EDFA:光放大器;BPF:带通滤波器;BPD:平衡光电二极管;Oscilloscope:示波器

2 现场实验及数据处理

图2 南京晓庄学院光缆分布图

2.1 现场实验

以南京晓庄学院的校内光缆为研究对象验证DAS系统可靠性。将DAS接入到学校数据中心的预留光纤,该预留光纤通往美术楼,实验探究这段地下光缆的路由(图2)。在巡纤路由时,同时借助聚联科技的TK200光缆普查仪,将DAS结果与TK200实验结果做比对分析。

图3 数据中心到美术楼的光缆路由图

按规划图,由数据中心通往美术楼的路由如图3所示。在系统搭建完成之后,按规划图寻找路由。首先找到规划路由上的光缆井盖,并在地图上进行标记,后掀开井盖,使用工具对每一个井盖内的光缆进行拨动,来判断数据中心到美术楼的路由是否经过该段光缆。实验过程中使用DAS系统采集拨动光缆时的振动信息,同时使用TK200判断光缆是否经过此路径。

2.2 实验数据处理

TK200仅可以通过声响判断光缆是否经过此路由,DAS技术除可以实现以上功能外,还可以计算出每个光缆井盖内的预留光缆的长度:当需要扩充网络或者修复光缆的时候,如果长度足够,则可以直接使用预留光缆来进行扩充网络或修复光缆;如果预留光缆的长度不够,且无法通过光纤接头连接到已有的光缆,则可能需要熔接部分光缆。使用DAS技术获取扰动信息之后,本文另采用图像处理的方法,计算井盖内预留光纤长度。DAS系统采集到的光缆沿线振动信息分布如图4(a)所示(以图书馆南侧的窨井盖下的光缆为例),由图可知,当光纤受扰动敲击等干扰后,其在该段位置上的相位信息发生了明显变化,以此明确扰动发生的位置。这里可以借用OpenCV的图像边缘检测的Sobel算子来实现边缘检测。

Sobel算子是一种边缘检测算子,用于检测图像中灰度变化的点,可以提高图像的对比度,其通过与两个卷积核进行卷积得到水平方向和垂直方向上的边缘。假设要处理的图像为I,卷积核的大小为3×3时,Sobel算子进行边缘检测的过程如下:

得到水平方向的变化:

(1)

得到垂直方向的变化:

(2)

将水平方向和垂直方向得到的结果平方相加并开方,得到的最终结果为:

(3)

由图4(a)可知,扰动区域在垂直方向上的灰度变化比较明显,而非扰动区域则比较平缓。而在水平方向上,各个区域都可能产生明显的灰度变化,如果对图像进行完整的边缘检测,则会检测出一些无意义的边缘,所以采用对垂直方向进行边缘提取的方法,提取出扰动区域。结果如图4(b)所示。

图5 腐蚀后的图像

当得到y方向上进行Sobel算子后的图像后,对其进行了二值化,腐蚀等操作。得到的图像如图5所示,从图中可以看出,由于进行了腐蚀处理,一些原本细微的白点变得很大,这也是需要对其进行腐蚀操作的原因。为了去除扰动区域外的白点,采用了对轮廓的面积进行筛选的方式对图像进行处理,即仅保留面积最大的区域,其余的轮廓都用黑色来填充。处理完成后,可以看出扰动区域的内部有黑色的孔洞,于是采用闭运算对孔洞进行填充。对于该图像,可以通过orb角点检测的方式得到其角点坐标,将坐标通过x值进行划分,将其分为左右两个部分,计算出左右两部分坐标点的x坐标的平均值作为井内光缆的首尾位置,将首尾的x坐标进行相减便可以得到井内预留光缆的长度。计算出窨井盖下预留光纤长度如图6所示,在采集完所有点的坐标后,得到左边缘的x坐标平均值为209.43,右边缘的x坐标平均值为237.39,得到该窨井盖下光缆长度为27.96 m。其余部分窨井盖下光缆长度如图7所示。

图6 窨井盖下的预留光纤长度

图7 部分窨井盖下光缆长度(a)图书馆处光纤振动分布图;(b)图书馆处窨井盖下光缆长度;(c)转盘处光纤振动分布图;(d)转盘处窨井盖下光缆长度;(e)行知楼处光纤振动分布图;(f)行知楼处窨井盖下光缆长度;(g)琴房处光纤振动分布图;(h)琴房处窨井盖下光缆长度

3 结 论

本文介绍了利用DAS技术巡纤以寻找光缆路由的研究过程,探究将光纤传感技术利用到通信光缆路由巡纤上的可行性。研究结果表明,将DAS技术应用于地下光缆巡址,可以准确地找出光缆的路由,可帮助通信服务工程师迅速定位到被破坏的位置以进行维修。同时,根据光纤振动分布图,可以采用OpenCV图像处理的方式来计算出预留光纤的长度,对光缆的维修能起到减少工程时间的作用。随着城市化的进程和互联网的发展,光缆的密度和范围一直在迅猛增加,这将为DAS技术提供更加广阔的利用空间。