CN109765034A - 一种φ-OTDR阈值自适应装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种φ‑OTDR阈值自适应装置及方法，装置包括：激光器1、激光器2，光开关(2×1)，声光调制器(AOM)，掺铒光纤放大器1(EDFA1)，光环形器，拉曼放大器(RA)，波分复用器(WDM)，掺铒光纤放大器2(EDFA2)，光电探测器，数据采集模块和处理服务器，该发明通过激光器1与光开关的导通实现φ‑OTDR技术，当传感光缆受到收到外界振动，系统能够快速检测到振动及振源位置，及时筛选判断，并上传报警；每隔一定周期光开关切换到激光器2，扫描计算一次传感光缆的线路损耗，本发明通过软硬件相结合的方式实现了φ‑OTDR系统的报警阈值自适应，效率高、适应性强、易维护，在增加少量的成本下可以大幅提高系统的可靠性和稳定性，具有很高的实用价值。

Description

一种φ-OTDR阈值自适应装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种Φ-OTDR报警系统的阈值自适应装置及方法。

背景技术

分布式光纤传感系统具备小巧、无源、抗电磁干扰、抗腐蚀等一系列优势，基于瑞利散射的相干光时域反射技术(φ-OTDR，定位型振动光纤系统)又有着长距传输、高灵敏度、精确定位的优势，振动光纤，特别是φ-OTDR系统越来越多的被应用在石油、军事和安防等领域。

然而φ-OTDR系统因为其相干特性，测量得到是瑞利散射光相干后的结果，不能定量光纤损耗，只能定性观察，而实际的实施和维护过程中会存在很多可能导致光缆损耗发生变化的行为，如光缆弯曲、光纤熔接、施工破坏修复、光纤头污染等。当线路损耗发生变化，会直接导致系统信噪比、响指值发生变化，原先设置的报警阈值保持不变就会造成误报或漏报，可能会造成严重的后果，如何应对线路损耗发生变化，提高系统稳定性是我们急需要解决的问题。

目前通用的方法有两种：一种是维护人员定期检查系统，人工判断损耗变化，手动调整阈值。但这种方式响应慢，不能及时修正阈值；需要逐点修正阈值，工作量大；特别对于长周界，线路损耗发生变化是大概率事件，耗费人力巨大，另一种是软件算法优化，主要有动态阈值法(根据前一定时间来计算当前时间的阈值)和归一化阈值算法(相对值比较)，但φ-OTDR系统信噪比与光功率有着很大关系(光功率衰减3dB，信噪比降低>3dB)，单纯的软件补偿很难将阈值恢复到合适值，显然上述的两种处理方式仍然会存在较高的误报率和漏报率，当前的处理方式是不能满足实际需要的，因此一套行之有效的阈值自适应方法显得非常重要和迫切。

发明内容

本发明主要解决现有技术在应用上的不足，采用OTDR及φ-OTDR与光开关相结合的方式，能够实时动态扫描光缆线路损耗，快速检测，适应性强、实时性高，能够大幅提高系统稳定性、可靠性，本发明的技术方案如下：

一种φ-OTDR阈值自适应装置，特征在于改进型φ-OTDR系统，其构成包括：激光器1与激光器2连接到光开关(2×1)，然后依次连接声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器1(EDFA1)、光环形器端口1，光环形器端口2与拉曼放大器(RA)一同连接到波分复用器(WDM，1550/1450nm)，波分复用器连接到传感光缆；光环形器端口3依次连接掺铒光纤放大器2(EDFA2)、光电探测器、数据采集模块和处理服务器；

系统有两个工作模式：常规报警模式(光开关连通激光器1)与阈值校正模式(光开关连通激光器2)；

系统默认运行在常规报警模式下，每隔一定周期，系统切换到阈值校正模式，计算每个位置的损耗，通过调节报警阈值和拉曼放大器的输出功率来自适应报警阈值。

优选的，所述的激光器1为窄线宽光纤激光器，工作波长为1550nm，其线宽不大于10KHz。

优选的，所述的激光器2为DFB激光器，工作波长为1550nm，其线宽不小于1GHz。

优选的，所述的光开关为2×1光开关，工作波长为1550nm，包含两个输入端和一个输出端。

优选的，激光器1、激光器2共同连接到光开关(2×1)的输入端，同一时间激光器1、激光器2只有一路与后续光路连通。

优选的，所述的拉曼放大器，其工作波长为1450nm。

优选的，所述的波分复用器，其特征在于其通过波长为1550nm和1450nm。

优选的，所述的光开关、拉曼放大器的控制信号由处理服务器发送，声光调制器的调制信号由数据采集模块发送。

一种φ-OTDR阈值自适应方法，该方法基于权利要求1所述的改进型φ-OTDR系统，包括以下步骤：

S1：调试人员需要在初始配置时在阈值校正模式下获得初始基准损耗曲线；

S2：根据现场环境和设备情况设置最佳的报警阈值，设置完成后设备切换到常规报警模式；

S3：每隔一定周期，系统切换到阈值校正模式，计算每个位置的损耗；

S4：将当前的损耗曲线与基准损耗曲线作对比，获得损耗变化曲线；

S5：通过损耗变化曲线计算出每个位置的补偿系数，通过调节报警阈值来自适应报警阈值，若是整条线路损耗都发生了变化，则调节拉曼放大器的输出功率来调整系统信噪比，然后再调节报警阈值使设备工作在最佳状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.在φ-OTDR模式下，系统能够快速检测到振动及振源位置，及时筛选判断，并上传报警。

2.在OTDR模式下，可以快速获悉光缆的长度、损耗和熔接点位置等信息，可实时监测线路状态，线路路损耗异常(损耗变化Δα>0.3dB)，可及时将信息上报给维护人员，快速的响应并修复线路。

3.通过软硬件相结合的方式实现了系统的报警阈值自适应：首先通过拉曼放大器可以补偿线路的物理损耗，可以使系统信噪比尽量保持稳定，其次通过光缆前后损耗的对比，动态调整阈值，可以使设备一直工作在最佳状态。

4.系统工作全自动，无需人为干预，省时省力，稳定可靠。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明计算流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种φ-OTDR阈值自适应装置的结构示意图，其构成为：激光器1与激光器2连接到光开关(2×1)，然后依次连接声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器1(EDFA1)、光环形器端口1，光环形器端口2与拉曼放大器(RA)一同连接到波分复用器(WDM，1550/1450nm)，波分复用器连接到传感光缆；光环形器端口3依次连接掺铒光纤放大器2(EDFA2)、光电探测器、数据采集模块和处理服务器；

其中激光器1为窄线宽光纤激光器，工作波长为1550nm，因为其要实现φ-OTDR功能，所以必须要要有足够的相干长度，其线宽不大于10KHz；

其中激光器2为DFB激光器，工作波长为1550nm，因为其要实现OTDR功能，所以必须要避免瑞利散射光发生相干，其线宽要不小于1GHz；

其中光开关为2×1光开关，工作波长为1550nm，包含两个输入端和一个输出端；

激光器1、激光器2共同连接到光开关(2×1)的输入端，同一时间激光器1、激光器2只有一路与后续光路连通；

其中拉曼放大器，其工作波长为1450nm；

其中波分复用器，其特征在于其通过波长为1550nm和1450nm；

其中光开关、拉曼放大器的控制信号由处理服务器发送，声光调制器的调制信号由数据采集模块发送，数据采模块来控制时钟同步、激光脉宽、扫描频率。

参阅图2一种φ-OTDR阈值自适应方法的计算流程图，初始调试时需要记录下基准损耗和与其对应的初始报警阈值，然后再在系统常规运行时，会按一定周期在两个工作模式下相互切换，当在阈值校正模式下探测到线路损耗发生变化则会进行判断：若线路整体发生损耗且超过了设定的阈值，则调整拉曼放大器输出功率，调整后再按公式调整每个点位的报警阈值；若个别点位损耗发生变化，则判断变化是否达到阈值调整触发阈值，达到则调整该点位阈值，未达到则不作任何处理。

下面举个具体的例子来说明阈值自适应方法是如何实施的：

假定光缆长度40km，扫描频率2kHz，脉宽200ns，整条线路分为10000个离散点(分辨率为4m)，拉曼放大器输出功率调整阈值为T2＝0.5dB(线路整体平均损耗变化超过0.5dB则调整拉曼放大器输出功率)，阈值自适应调整阈值T1＝0.3dB(某个位置损耗变化超过0.3dB才会调整阈值)。

正常工作模式下每工作60秒切换到阈值校正模式0.5秒，如此循环往复。

阈值自适应的实现主要有以下步骤：

1)软件调试时，切换模式调为“手动”，此模式下光开关不会自动切换，需要手动切换光开关连通激光器1还是激光器2；

2)手动将光开关切换到激光器2上，连续采集10s，得到20000条OTDR曲线，对其做平均，得到初始基准损耗曲线α(x,t₀)，注意这里的损耗曲线是以每个点位相对于初始点位的损耗差值(单位dB)来计算的，比如得到曲线值为[10,7,4,-6]那么归一化后即为[0,-3,-6,-16]。考虑到光缆首端菲涅尔反射峰造成的影响，取100m处为基准点进行归一化；

3)手动将光开关切换到激光器1上，根据现场实际情况，将各参数的阈值设置到合适值，得到各参数的基准阈值Threshold1(x,t₀)、Threshold2(x,t₀)、Threshold3(x,t₀)等等；

4)切换模式调为“自动”，进入正常工作模式(每60s切换光开关到激光器2，停留500ms再切回激光器1)；

5)正常工作模式60s后，光开关切换到激光器2上，等待250ms(保证光开关切换完成)，采集50ms，得到500条OTDR曲线，对曲线做平均得到每点的损耗值α(x,t₁)；

6)将α(x,t₁)逐点与α(x,t₀)进行比对，记下每个点的损耗变化量Δα(x,t₁),Δα(x,t₁)＝α(x,t₁)-α(x,t₀)。

计算此时整条链路的平均损耗变化标量

Ⅰ.若|Δα_ave(t₁)|>0.5dB(T2)，则会调整拉曼放大器输出功率，再根据补偿系数计算每个点位的报警阈值。

假定Δα_ave(t₁)＝-1dB，则调整拉曼放大器输出功率使其能够补偿这1dB的损耗，考虑光缆线路中不是每个点位都发生了损耗，所以需要对每个点位单独修正，计算公式为：

Threshold1(x,t₁)＝Threshold1(x,t₀)*10^{(Δa(x，t1)+1)/10}，

Threshold2(x,t₁)＝Threshold2(x,t₀)*10^{(Δa(x，t1)+1)/10}，

Threshold3(x,t₁)＝Threshold3(x,t₀)*10^{(Δa(x，t1)+1)/10}……

Ⅱ.若|Δα_ave(t₁)|<0.5dB(T2)，则遍历比对每个点位的损耗变化量Δα(x,t₁)

a)若|Δα(x,t₁)|>0.3dB(T1)，则调整报警阈值，计算公式为：

Threshold1(x,t₁)＝Threshold1(x,t₀)*10^{Δa(x，t1)/10}，

Threshold2(x,t₁)＝Threshold2(x,t₀)*10^{Δa(x，t1)/10}，

Threshold3(x,t₁)＝Threshold3(x,t₀)*10^{Δα(x，t1)/10}……

b)若|Δα(x,t₁)|<0.3dB(T1)，不作任何处理(避免与之过分抖动)。

7)光开关切换到激光器1上，重复动作5～6。

通过以上7个步骤可以自动完成系统阈值自适应，可以保证设备运行在稳定可靠可控的区间。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种φ-OTDR阈值自适应装置，特征在于改进型φ-OTDR系统，其构成包括：激光器1与激光器2连接到光开关(2×1)，然后依次连接声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器1(EDFA1)、光环形器端口1，光环形器端口2与拉曼放大器(RA)一同连接到波分复用器(WDM，1550/1450nm)，波分复用器连接到传感光缆；光环形器端口3依次连接掺铒光纤放大器2(EDFA2)、光电探测器、数据采集模块和处理服务器；

系统有两个工作模式：常规报警模式(光开关连通激光器1)与阈值校正模式(光开关连通激光器2)；

系统默认运行在常规报警模式下，每隔一定周期，系统切换到阈值校正模式，计算每个位置的损耗，通过调节报警阈值和拉曼放大器的输出功率来自适应报警阈值。

2.根据权利要求1所述的一种φ-OTDR阈值自适应装置，其特征在于：所述的激光器1为窄线宽光纤激光器，工作波长为1550nm，其线宽不大于10KHz。

3.根据权利要求1所述的一种φ-OTDR阈值自适应装置，其特征在于：所述的激光器2为DFB激光器，工作波长为1550nm，其线宽不小于1GHz。

4.根据权利要求1所述的一种φ-OTDR阈值自适应装置，其特征在于：所述的光开关为2×1光开关，工作波长为1550nm，包含两个输入端和一个输出端。

5.根据权利要求1所述的一种φ-OTDR阈值自适应装置，其特征在于：激光器1、激光器2共同连接到光开关(2×1)的输入端，同一时间激光器1、激光器2只有一路与后续光路连通。

6.根据权利要求1所述的一种φ-OTDR阈值自适应装置，其特征在于：所述的拉曼放大器，其工作波长为1450nm。

7.根据权利要求1所述的一种φ-OTDR阈值自适应装置，其特征在于：所述的波分复用器，其特征在于其通过波长为1550nm和1450nm。

8.根据权利要求1所述的一种φ-OTDR阈值自适应装置，其特征在于：所述的光开关、拉曼放大器的控制信号由处理服务器发送，声光调制器的调制信号由数据采集模块发送。

9.一种φ-OTDR阈值自适应方法，该方法基于权利要求1所述的改进型φ-OTDR系统，包括以下步骤：

S1：调试人员需要在初始配置时在阈值校正模式下获得初始基准损耗曲线；

S2：根据现场环境和设备情况设置最佳的报警阈值，设置完成后设备切换到常规报警模式；

S3：每隔一定周期，系统切换到阈值校正模式，计算每个位置的损耗；

S4：将当前的损耗曲线与基准损耗曲线作对比，获得损耗变化曲线；

S5：通过损耗变化曲线计算出每个位置的补偿系数，通过调节报警阈值来自适应报警阈值，若是整条线路损耗都发生了变化，则调节拉曼放大器的输出功率来调整系统信噪比，然后再调节报警阈值使设备工作在最佳状态。