CN110011728A - 断点检测与振动检测结合的埋地光缆故障点定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电探测系统，具体涉及一种断点检测与振动检测结合的埋地光缆故障点定位系统，包括分布式反馈激光器、窄带激光器、光开关、声光调制器、驱动器、环形器、被测埋地光缆、光电探测器、采集卡和计算机；本发明具有以下有益效果：在光缆故障点位置测试时复用了光时域反射测试技术和相位灵敏光时域反射测试技术；按照光缆故障点定位、光缆振动位置定位的顺序，通过寻找地面敲击位置和故障点位置重合的地面位置，实现埋地光缆故障点的定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电探测系统，具体涉及一种断点检测与振动检测结合的埋地光缆故障点定位系统。
背景技术
光纤通讯技术是基于激光传输实现的，激光传输需要光缆作为载体，光缆的通断影响光纤通讯信息的正常传输。随着光纤通讯技术的发展，越来越多的光缆铺设在地面下，且铺设的里程越来越长，导致工程人员在确定光缆故障点位置时越来越困难，一旦光缆发生故障，往往需要花费大量的财力和精力去寻找故障点的位置，使得光缆故障的抢修效率难以保证，且财力和人力花费较多，基于这个原因，人们需要一种能够帮助工程人员快速定位光缆故障点的仪器。
目前探测光缆距离的光时域反射测试技术已经比较成熟了，通过这种技术能够测试光纤内传输激光的回波损耗，以此来测量光缆的长度，或测量故障点在光缆上的距离。这种技术应用在埋地光缆故障点探测时，只能测出光缆故障点在光缆上的距离，无法得出光缆故障点在地面上的位置，为了测出埋地光缆故障点的地面位置需要叠加其他技术。
在埋地光缆故障点地面位置测量技术中，相位灵敏光时域反射测试技术也有应用，相位灵敏光时域反射测试系统比光时域反射测试系统多一个干涉过程。系统使激光发生干涉，干涉光在光纤中传播时，干涉光强的大小会随着干涉光相位的周期变化而周期变化，当光纤状态稳定时，相位变化规律也是稳定的，但当光纤发生振动时，相位变化就会因为振动而不停变化，人们可以从相位扰动当中了解振动位置与光纤位置之间的关系。但是单纯使用相位灵敏光时域反射测试技术难以寻找光纤断点的位置，因为相位灵敏光时域反射测试技术并不能准确定位光纤断点的位置，即使知道了地面振动位置与光纤位置之间的关系，也无法知道哪里是断点。
目前在埋地光缆故障点检测技术中，国家发明专利“利用光缆人工故障精确定位光缆线路故障点”(ZL201210522693.1)首先需要利用光时域反射探测仪测得光缆上故障点的位置，然后对照光缆布线图，找到光纤断点的大概位置，然后再人工开挖光缆，一点点试探地寻找光纤故障点。这种方法需要有光缆布线图可对照，如果没有光缆布线图则难以找到故障点的具体位置，且基于这种方法探测到的只是故障点在地面上的大概位置，通过人工开挖去一点点寻找故障点是十分浪费时间、人力和物力的。
在埋地光缆故障点检测技术当中，国家发明专利申请“埋地通讯光缆故障位置地面精确定位装置及方法”(公开日：2018.06.15)和“一种埋地光缆故障地面精确定位的振动测试装置”(公开日：2018.09.07)均利用相位敏感光时域反射探测仪来探测光缆故障点：首先通过不断敲击地面使埋地光缆产生振动，再利用相位敏感光时域反射探测仪探测光缆振动的状态，寻找光缆故障点所在的位置，这种探测方法在不知道光缆故障点大概位置的情况下，需要不断在光缆线路上敲击找到光缆故障点的大概位置，这个过程也是十分浪费时间、人力和物力的。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺点，本发明提出一种断点检测与振动检测结合的埋地光缆故障点检测系统，先通过光时域反射探测技术寻找光缆故障点的大概位置，然后再在这个大概位置附近通过相敏光时域反射探测技术寻找更为精确的光缆故障点，极大地提高了故障点的探测效率。
本发明采用的技术方案为：一种断点检测与振动检测结合的埋地光缆故障点检测系统，该系统将光时域反射测试技术和相位灵敏光时域反射测试技术相结合，包括分布式反馈激光器1、窄带激光器2、光开关3、声光调制器4、驱动器5、环形器6、被测埋地光缆7、光电探测器8、采集卡9和计算机10。分布式反馈激光器1和窄带激光器2同时通过光纤与光开关3连接，光开关3通过光纤与声光调制器4的光纤端口401连接，驱动器5通过信号线与声光调制器4的信号端口402连接，声光调制器4的输出端口403通过光纤与环形器6的第一端口601连接，环形器6的第二端口602连接被测埋地光缆7，环形器6的第三端口603通过光纤与光电探测器8的输入端口连接，光电探测器8的输出端口与采集卡9连接，采集卡9再连接到计算机10上。
分布式反馈激光器1为内置光纤布拉格光栅的激光器，用于发射激光，以实现系统的光时域反射测试。
窄带激光器2用于发射激光，且和分布式反馈激光器1发射的激光在同一频段上，但窄带激光器2和分布式反馈激光器1相比，窄带激光器发射的激光频带更窄，容易发生干涉，其用于相位灵敏光时域反射测试。
光开关3用于选择激光光源。光开关3可以选择让分布式反馈激光器1发出的激光通过，也可以选择让窄带激光器2发出的激光通过，当光开关3选择让分布式反馈激光器1发出的激光通过时，系统工作在光时域反射测试模式。当光开关3选择让窄带激光器2发出的激光通过时，系统工作在相位灵敏光时域反射测试模式。
声光调制器4用于调制激光，它将来自光开关3的连续激光调制成为脉冲激光，之后将脉冲激光发送给环形器6。
驱动器5用于给声光调制器4发送调制信号，声光调制器4根据驱动器5发出的调制信号对激光进行调制。
环形器6首先将声光调制器4调制后发来的激光发送给被测埋地光缆7，然后再将被测埋地光缆7反射回来的激光发送给光电探测器8。脉冲激光在被测埋地光缆中由于瑞利散射会存在一部分返回光，返回光再经过环形器6进入到光电探测器8当中。
光电探测器8用于将环形器6发送的光信号转化为电信号，再将这部分电信号发送给采集卡9。
采集卡9采集了光电探测器8发送的电信号后，将采集到的电信号发送给计算机10，再由计算机10进行信号分析和处理。
本发明还提供一种基于以上系统的埋地光缆故障点定位方法，包括以下步骤：
S1将被测埋地光缆7接入系统。
S2进行光时域反射测试，使用系统的光时域反射测试功能，测出被测光纤7故障点的大概位置，具体包括以下步骤：
S2.1分布式反馈激光器1发送激光到光开关3。
S2.2激光经过光开关3到达声光调制器4的光纤端口401，声光调制器4将激光调制为脉冲激光，从输出端口403输出。
S2.3脉冲激光到达环形器6的第一端口601，从环形器6的第二端口602输出，进入被测埋地光缆7。
S2.4传输在被测埋地光缆7中的激光会发生瑞利散射，其中向正后方散射的那部分散射光输入环形器6的第二端口602，从环形器6的第三端口603输出。
S2.5从环形器6的第三端口603输出的瑞利散射光输入光电探测器8，由光电探测器8转化为相应的电信号。
S2.6光电探测器8输出的电信号输入采集卡9，由采集卡9采集。
S2.7采集卡9将采集到的电信号发送给计算机10，计算机10处理信号，计算出被测光纤7故障点的大概位置。
S3进行相位灵敏光时域反射测试，使用系统的相位灵敏光时域反射测试功能，在S2测得的故障点大概位置附近敲击地面，并得到因光缆振动而测得的振动测试数据,具体包括以下步骤：
S3.1窄带激光器2发送激光到光开关3。
S3.2激光经过光开关3到达声光调制器4的光纤端口401，声光调制器4将激光调制为脉冲激光，从输出端口403输出。
S3.3脉冲激光到达环形器6的第一端口601，从环形器6的第二端口602输出，进入被测埋地光缆7。
S3.4传输在被测埋地光缆7中的激光产生的背向瑞利散射光相互干涉形成带有相位信息的背向瑞利散射光，带有相位信息的背向瑞利散射光输入环形器6的第二端口602，从环形器6的第三端口603输出。
S3.5从环形器6的第三端口603输出的带有相位信息的背向瑞利散射光输入光电探测器8，由光电探测器8转化为相应的电信号。
S3.6光电探测器8输出的电信号输入采集卡9，由采集卡9采集。
S3.7采集卡9将采集到的信号发送给计算机10，计算机10处理信号，得到带有相位信息的反馈信号，外界振动信息就体现在反馈信号中。
S4数据处理和分析判断，根据S3得到的带有相位信息的反馈信号，分析敲击点是否是光缆的故障点，不是故障点时进行S5，是故障点时进行S6。
S5移动测试位置，不是故障点时，进行移动测试，向光缆故障点位置的方向移动，重复S3和S4。
S6地面开挖，是故障点时则挖开地面，找出光缆上的故障点。
本发明具有以下有益效果：
1、在光缆故障点位置测试时复用了光时域反射测试技术和相位灵敏光时域反射测试技术；
2、按照光缆故障点定位、光缆振动位置定位的顺序，通过寻找地面敲击位置和故障点位置重合的地面位置，实现埋地光缆故障点的定位。
附图说明
图1为本发明所述断点检测与振动检测结合的埋地光缆故障点定位系统的结构示意图；
图2为本发明所述断点检测与振动检测结合的埋地光缆故障点定位方法的流程图；
图3是采用本发明系统进行故障点测试得到的波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步介绍。
本发明所述断点检测与振动检测结合的埋地光缆故障点定位系统复用了光时域反射测试技术和相位灵敏光时域反射测试技术。
当光开关3选择分布式反馈激光器1作为光源时，系统处在光时域反射测试状态。
分布式反馈激光器1发出的连续激光经过光开关3后，连续激光被声光调制器4调制成脉冲激光，脉冲激光再经过环形器6进入被测光纤7中。
激光在被测光纤7中传播时会发生瑞利散射，其中向正后方散射的那部分散射光再返回环形器6，这部分返回光经环形器再传输给光电探测器8，脉冲激光的发射和返回在时间上是分开的，实现了对光纤的分布式测量。
光电探测器8将接收到的光信号转化为电信号，再将电信号发送给采集卡9，采集卡9将采集到的信号发送给计算机10，由计算机10对信号进行分析处理和展示。
激光在被测光纤7中传播时，近处光纤瑞利散射返回光的功率大于远处光纤瑞利散射返回光的功率，这是激光传播损耗造成的，在软件中可以看到一个随光纤距离增加而逐渐衰减的信号曲线。
而在光纤故障点，激光会被故障点断面反射，形成功率很大的反射光，在计算机软件上可以观察到信号会出现一个高峰值，根据信号波形上反射峰的位置可以计算出反射端面在光纤上的距离。
当光开关3选择窄带激光器2作为光源时，系统处在相位灵敏光时域反射测试状态。窄带激光器2发出的激光也会在被测光纤7中传播并返回瑞利散射光。
由于窄带激光器2的带宽较窄，根据光纤干涉规律可知，窄带激光器2发出的激光在被测光纤7中传播时，产生的瑞利散射返回光之间更容易发生干涉，形成附带相位信息的干涉光，在计算机10的软件中将能看到附带了相位信息的返回干涉光波形。
当被测光纤7处于稳定状态时，被测光纤7的光程是稳定的，返回的干涉光的相位也是稳定的，在计算机10的软件中将能看到稳定的干涉光波形。当外界振动对被测光纤7产生扰动时，被测光纤7的光程会不断地变化，干涉光的相位也会不断变动，在计算机10的软件中将会看到不断跳动的干涉光波形，根据波形跳动的位置，可以算出振动点与光纤故障点位置之间的关系。
在获得了光纤故障点位置和光纤振动位置之后，工程人员可以通过敲击地面判断地面敲击点和光纤故障点位置之间的关系，当工程人员敲击地面引起的振动位置与故障点位置在波形上相重合时，就可确定当前地面敲击点是光纤故障点的地面位置了。
图3是采用本发明系统进行故障点测试得到的波形，图中上方的曲线是相敏光时域反射测试得到的光缆振动曲线，图中曲线的幅度代表了光缆振动的大小，在光缆上方的地面敲击，会使敲击点的曲线幅度大规模上涨。图中下方的曲线是光时域反射测试得到的故障点曲线，曲线的尖峰就是故障点的位置，在这幅测试图中，尖峰约位于38km处，说明光缆的故障点位于光缆上38km左右的位置。
Claims (3)
1.一种断点检测与振动检测结合的埋地光缆故障点检测系统，其特征在于：包括分布式反馈激光器(1)、窄带激光器(2)、光开关(3)、声光调制器(4)、驱动器(5)、环形器(6)、被测埋地光缆(7)、光电探测器(8)、采集卡(9)和计算机(10)；分布式反馈激光器(1)和窄带激光器(2)同时通过光纤与光开关(3)连接，光开关(3)通过光纤与声光调制器(4)的光纤端口(401)连接，驱动器(5)通过信号线与声光调制器(4)的信号端口(402)连接，声光调制器(4)的输出端口(403)通过光纤与环形器(6)的第一端口(601)连接，环形器(6)的第二端口(602)连接被测埋地光缆(7)，环形器(6)的第三端口(603)通过光纤与光电探测器(8)的输入端口连接，光电探测器(8)的输出端口与采集卡(9)连接，采集卡(9)再连接到计算机(10)上；
分布式反馈激光器(1)用于发射激光，以实现系统的光时域反射测试；
窄带激光器(2)用于发射激光，且和分布式反馈激光器(1)发射的激光在同一频段上，但窄带激光器(2)和分布式反馈激光器(1)相比，窄带激光器发射的激光频带更窄，容易发生干涉，其用于相位灵敏光时域反射测试；
光开关(3)用于选择激光光源，光开关(3)可以选择让分布式反馈激光器()1发出的激光通过，也可以选择让窄带激光器(2)发出的激光通过，当光开关(3)选择让分布式反馈激光器(1)发出的激光通过时，系统工作在光时域反射测试模式；当光开关(3)选择让窄带激光器(2)发出的激光通过时，系统工作在相位灵敏光时域反射测试模式；
声光调制器(4)用于调制激光，它将来自光开关(3)的连续激光调制成为脉冲激光，之后将脉冲激光发送给环形器(6)；
驱动器(5)用于给声光调制器(4)发送调制信号，声光调制器(4)根据驱动器(5)发出的调制信号对激光进行调制；
环形器(6)首先将声光调制器(4)调制后发来的激光发送给被测埋地光缆(7)，然后再将被测埋地光缆(7)反射回来的激光发送给光电探测器(8)；
光电探测器(8)用于将环形器(6)发送的光信号转化为电信号，再将这部分电信号发送给采集卡(9)；
采集卡(9)采集了光电探测器(8)发送的电信号后，将采集到的电信号发送给计算机(10)，再由计算机(10)进行信号分析和处理。
2.一种根据权利要求1所述断点检测与振动检测结合的埋地光缆故障点检测系统，其特征在于：分布式反馈激光器(1)为内置光纤布拉格光栅的激光器。
3.一种基于权利要求1所述系统的埋地光缆故障点定位方法，包括以下步骤：
S1将被测埋地光缆(7)接入系统；
S2进行光时域反射测试，使用系统的光时域反射测试功能，测出被测光纤(7)故障点的大概位置，具体包括以下步骤：
S2.1分布式反馈激光器(1)发送激光到光开关(3)；
S2.2激光经过光开关(3)到达声光调制器(4)的光纤端口(401)，声光调制器(4)将激光调制为脉冲激光，从输出端口(403)输出；
S2.3脉冲激光到达环形器(6)的第一端口(601)，从环形器(6)的第二端口(602)输出，进入被测埋地光缆(7)；
S2.4传输在被测埋地光缆(7)中的激光会发生瑞利散射，其中向正后方散射的那部分散射光输入环形器(6)的第二端口(602)，从环形器(6)的第三端口(603)输出；
S2.5从环形器(6)的第三端口(603)输出的瑞利散射光输入光电探测器(8)，由光电探测器(8)转化为相应的电信号；
S2.6光电探测器(8)输出的电信号输入采集卡(9)，由采集卡(9)采集；
S2.7采集卡(9)将采集到的电信号发送给计算机(10)，计算机(10)处理信号，计算出被测光纤(7)故障点的大概位置；
S3进行相位灵敏光时域反射测试，使用系统的相位灵敏光时域反射测试功能，在S2测得的故障点大概位置附近敲击地面，并得到因光缆振动而测得的振动测试数据,具体包括以下步骤：
S3.1窄带激光器(2)发送激光到光开关(3)；
S3.2激光经过光开关(3)到达声光调制器(4)的光纤端口(401)，声光调制器(4)将激光调制为脉冲激光，从输出端口(403)输出；
S3.3脉冲激光到达环形器(6)的第一端口(601)，从环形器(6)的第二端口(602)输出，进入被测埋地光缆(7)；
S3.4传输在被测埋地光缆(7)中的激光产生的背向瑞利散射光相互干涉形成带有相位信息的背向瑞利散射光，带有相位信息的背向瑞利散射光输入环形器(6)的第二端口(602)，从环形器(6)的第三端口(603)输出；
S3.5从环形器(6)的第三端口(603)输出的带有相位信息的背向瑞利散射光输入光电探测器(8)，由光电探测器(8)转化为相应的电信号；
S3.6光电探测器(8)输出的电信号输入采集卡(9)，由采集卡(9)采集；
S3.7采集卡(9)将采集到的信号发送给计算机(10)，计算机(10)处理信号，得到带有相位信息的反馈信号，外界振动信息就体现在反馈信号中；
S4数据处理和分析判断，根据S3得到的带有相位信息的反馈信号，分析敲击点是否是光缆的故障点，不是故障点时进行S5，是故障点时进行S6；
S5移动测试位置，不是故障点时，进行移动测试，向光缆故障点位置的方向移动，重复S3和S4；
S6地面开挖，是故障点时则挖开地面，找出光缆上的故障点。
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