基于Φ－OTDR技术的通信光缆险情定位与预警系统设计与实现＊

王培国，杨 斌，李 泽，卢大兴

（1.成都市江汉路31号网管中心，四川 成都 610011；2.上海华魏光纤传感技术有限公司，上海 201103）

引 言

光纤通信是现代信息传输的重要手段，光纤通信网是信息传输的基础网络，广泛应用于长距离干线网、本地网、支线通信网中。但是光缆线路有时会由于一些人为因素（如施工挖断、盗割等）或自然灾害（如滑坡、塌方、地基沉降、洪水等）造成光缆中断，光缆线路一旦中断，将影响其承载的各业务网系（如电话网、电视网、数据网等），影响通信网络建设效能的发挥；同时通信光缆还存在人为挖掘侦听的安全隐患。

文中研究基于Φ－光时域反射计的分布式光纤传感技术实现对光缆线路的险情预警和定位，提醒线路维护人员及时到指定地点进行线路巡视、路基加固、线路抢代通及线路整改等准备工作，预防光纤通信传送网的阻断，确保光纤通信网安全可靠的运行。

1 系统工作原理

通信光缆险情定位与预警系统以实现因人为因素或自然灾害对光缆线路造成的险情实时定位监测和告警为应用目标，利用Φ－光时域反射计（Φ－OTDR）［1－4］的干涉机理，外界扰动作用在光缆上面或附近产生的压力（振动）导致光纤中瑞利散射光［5］相位发生变化。由于干涉作用，光相位变化将引起光强度的变化，故通过实时监测不同时刻后向瑞利散射信号的干涉效应来定位险情位置，解决光缆线路险情监测的关键技术；并通过建立光缆线路环境特征参数数据模型和告警监测阈值模型，降低监测告警的虚警率。

通信光缆险情定位与预警系统采用普通通信光缆中的一根空闲纤芯作传感单元，进行分布式光纤传感器多点振动测量［6］。其基本原理是当外界有振动作用于通信光缆时，引起光缆中纤芯发生形变，导致纤芯长度和折射率发生变化，造成光缆中光的相位发生变化。当光在光缆中传输时，由于光子与纤芯晶格间发生作用，因此不断向后传输瑞利散射光。当外界有振动发生时，背向瑞利散射光的相位随之发生变化，这些携带外界振动信息的信号光，反射回系统主机时，经光学系统处理，将微弱的相位变化转换为光强变化；经光电转换和信号处理后，进入计算机进行数据分析。系统根据分析的结果，判断入侵事件的发生，并确认入侵地点。图1为通信光缆险情定位与预警系统结构示意图。

该系统的定位精度P与注入光纤的光脉冲宽度ΔT有关，且有

式（1）中，c为真空中的光速，n为传输介质折射率。试验中系统采用的光脉冲宽度ΔT为250ns，对应理论定位精度25m，实测定位精度优于50m。

通信光缆险情定位与预警系统由于采用的Φ－OTDR技术是基于光时域反射技术和光纤干涉技术发展而成的先进的光纤传感技术，它同时具有光时域反射技术定位精度高和光纤干涉技术灵敏度高的特点，特别适合于通信光缆防破坏监测的应用领域。

2 通信光缆险情定位与预警系统组成

现开发的监测系统通过采集通信光缆的振动信号，加速度信号，对通信光缆进行实时监测，并通过采集得到的数据对通信光缆的振动状态进行特性分析和诊断。根据通信光缆险情定位与预警系统的功能，选择合适的硬件，包括光信号解调仪、数据分析仪（包含数据采集卡）和传感光缆。光信号解调仪、数据分析仪放置于机房中，由光信号解调仪引出传感光缆敷设至现场需要监测的位置。主机标配可挂接40km光缆纤芯，对现场环境进行监测。系统的总体功能结构图如图2所示。

3 系统主要功能

通信光缆险情定位与预警系统的主要功能就是对振动信号监测、报警，同时对数据信息进行管理。系统能探测危及光纤通信传送网通信光缆的险情和识别险情种类行为。如果有危及通信光缆的险情，则将对光纤内传输光束产生扰动，扰动信号通过同一根光纤传输至系统主机上，通信光缆险情定位与预警系统对这些信号进行分析识别后，则发出指令触发报警。

图2 系统的总体功能结构图Fig.2 Structure of overall system function

主要有如下功能：

（1）光缆险情监测功能：从光纤通信传送网的通信光缆纤芯沿线提取出振动信息进行分析，识别出可能危及光缆的施工、故意破坏、人为侦听、自然灾害等震动类型，定位震动源。

（2）光缆险情告警功能：系统能滤除误报干扰信号，识别出挖掘机、铁锹、铁锤、切割设备等可能危及光缆的有效振动信号后将险情数据入库，同时在客户端通过可视化地图闪烁显示震动源地点和险情类别，并进行声音告警，以便提醒线路维护人员及时准确地采取有效预防措施，防止光缆线路出现阻断。

（3）光缆险情处置情况录入功能：系统提供险情处置情况录入功能。用户可根据权限录入险情实际情况和处置情况，由系统根据运行过程中的用户对纤芯沿线出现的震动波形、实际险情种类、需设置的告警级别等数据的关联，实现险情模式知识积累功能。

（4）光缆险情数据查询和统计功能：提供险情历史数据查询、统计、分析功能，可按时间段、险情类别等数据项条件对险情历史记录进行查询统计。用户可以根据自己的需求，把报警记录导出来以文件的形式保存，同时还支持打印的功能。

（5）光缆区段设置功能：由于光缆敷设地段不同，环境差异较大，故不同的环境对系统的灵敏度的要求不同。系统提供光缆区段设置功能。用户可以根据光缆途经的不同环境设置不同的区段，各区段设置与之对应的灵敏度等级等系统校正参数。

（6）电子地图功能：监控软件具有电子地图、振动波形等直观的人机界面功能，同时配有数据库可以使您随时查询历史报警事件和历史波形。可通过电子地图的不同图标直观地表示设备所处的不同的工作状态，一旦有报警发生，电子地图上会弹出报警点闪烁显示，及时提醒值勤维护人员警情发生的地点位置，同时多媒体音箱发出报警语音提示。

（7）联动功能接口：系统预留联动接口，根据具体需要，系统可与各种音响、声光报警装置实现联动，在监测、识别、定位破坏行为后，启动报警装置，显示险情位置。

4 系统的软件部分

软件基于Microsoft平台，采用Microsoft Visual C＃2008语言，以及.NET Framework 2.0技术开发。

Microsoft.NET平台包括用于创建和操作新一代服务的.NET基础结构和工具、用于实施多信息客户端的.NET用户经验，以及用于启用新一代智能Internet设备的.NET构造块服务和.NET设备软件。

数据库是Microsoft Sql Server 2005简体中文版，版本号为9.0.1399.0。

监控软件使用C／S结构设计，即客户机和服务器结构。它是软件系统体系结构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低系统的通讯开销。

系统的上层软件架构如图3所示，主要内容包括：

（1）系统登录模块：接收用户输入登录系统，登录模块还包括数据库配置功能，提供了友好的数据库配置界面，用户配置好数据库连接以后，输入正确的用户名和密码就可以进入系统；

（2）系统管理模块：该模块里面包含了用户管理、角色管理、权限管理和系统退出等功能模块，使具有该权限的人员，给其他人员分配不同的权限；

（3）系统设置模块：该模块包含了主机设置、通道设置和防区信息设置等功能模块，主机设置里面可以设置主机的通信IP等信息，通道设置和防区设置为系统运行参数；

（4）系统查询模块：该模块包含了振动波形查询、报警信息查询和系统日志查询等功能模块，主要对系统的历史记录进行回放和查看；

（5）状态监控模块：主要显示电子地图、实时振动曲线和实时报警信息，以及电子地图的报警定位等功能；

系统软件建立特征识别模型算法库，收集各种常见报警数据。通过使用先进的模式识别技术，系统能够智能分析事件特征，具有防误报功能，提高报警事件判断的准确性。

特征识别模型算法库包括时域分析、频谱分析和模式识别算法等。软件是系统的灵魂，故在软件设计上采用了目前最先进的分类识别算法，完成对扰动特征信息的动态提取、分析和比较，确定扰动的频率、幅度和类型等物理特征，实时给出分析结果或对非正常扰动给出预警信号。系统应用软件处理流程图如图4所示。

软件架构清楚，各个模块各自独立，考虑到后续软件升级，数据处理按照数据流程图运行，思路清晰，易于阅读及后续的软件开发。系统应用软件具有以下特点：

（1）算法先进，软件处理速度快，不丢失数据，自我判断数据信号，根据需要在后端灵活调节系统灵敏度，不漏报，减少误报，在提高报警的准确程度的同时减少巡逻人员资源的无谓消耗。

（2）界面美观友好，易于操作，发生报警时能够让监控人员在最短的时间内找到报警地点。

（3）软件能够长时间稳定运行，不易发生崩溃，在不同的环境下都能够很好地运行，遇到不可抗拒因素时，能够很好地保存数据。

（4）自动保存信号数据，便于后续维护人员分析。

5 试验结果

通信光缆险情定位与预警系统投入运行后，对监测结果进行了实际测试。选择的是一段40km通信光缆，试验是在光缆埋入1m深的沙土条件下进行。在整个试验过程中不断改变测试位置，在通信光缆险情定位与预警系统检测到的不同入侵事件（人工挖掘、机械挖掘、管道泄漏等）时系统自动实现振动预警和自动识别，并能根据实时监测结果启动报警，显示险情位置。

通信光缆险情定位与预警系统的界面主要实现图文并茂地显示入侵的位置、时间以及相关的报警信息。系统界面主要包括防区设置界面（见图5）、电子地图界面（包含入侵信息栏，见图6）和振动波形选项界面（见图7）。防区设置界面主要实现系统的防区参数信息进行相应的设置。电子地图界面针对的是L＝40km的系统，将40km分成L／ΔL段，将各点代表1个防区ΔL（防区大小根据要求设置）的范围，L／ΔL个绿色的点依次连成通信光缆的铺设路线图。当发生报警时，在电子地图下方的列表中，会显示出该报警防区的报警信息（包括：设备类型名称，通道名称，所在防区名称，开始位置，结束位置，事件描述，报警持续时间和报警时间等），同时报警的防区会以红色的点进行闪烁显示。振动波形选项界面如图7所示。根据用户选择可以显示瑞利散射后向曲线或者散射曲线相减后的波影。界面中（a）瑞利曲线图是40km通信光缆沿线探测的瑞利散射信号，（b）振动波形图是设置防区486的一段50m光缆受到入侵时产生的振动波形。

6 结 论

应用基于Φ－光时域反射计技术的通信光缆险情定位与预警系统对现有光纤通信干线进行监测，在光缆附近土层遇到人为挖掘或自然灾害险情时，系统进行险情预警和定位；及时通知线路维护人员提前采取有效措施，把传统的事后抢修维护模式改变成事先预防维护模式，从而可以大幅度提高通信网络的可靠性和安全性，充分发挥现有光纤通信网络的建设效能。因此，基于Φ－光时域反射计技术通信光缆险情定位与预警系统在光缆防护中具有广阔的应用前景。

图7 振动波形选项界面Fig.7 Option interface of vibration waveform

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