CN110361164B - 一种海底光缆断点位置和扰动位置分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电网监测的技术领域，更具体地，涉及一种海底光缆断点位置和扰动位置分析方法及系统，包括：采用数据采集卡采集光缆上信号强度数据，对采集到信息的强度做多点数据平均后得到信号强度曲线；将多条信号强度曲线进行累加；将相邻两条累加得到的强度累加曲线相减后的值取绝对值后得到差值曲线；对差值曲线上的值与阈值做比较，差值曲线上超过阈值的点判断为海缆扰动事件，当某点之后所有点都有事件发生时，则可判断该点为光缆断点；强度累加曲线上其后点纵坐标值均小于0的点为扰动点。本发明对信号在空间和时间上进行累加以获得较强的信噪比，通过前后两组累加的信号相减来判断海底光缆上的扰动情况从而获得海底光缆的断点位置，在探测光缆扰动的同时又能判断光缆断点位置，判断准确且计算时间少。

Description

一种海底光缆断点位置和扰动位置分析方法及系统

技术领域

本发明涉及电网监测的技术领域，更具体地，涉及一种海底光缆断点位置和扰动位置分析方法及系统。

背景技术

海底光缆的存在和发展已经有160多年的历史，海底光缆的使用也超过了百年。由于海底光缆造价昂贵，布设环境特殊，海缆受损后维修及维护成本高、周期长，同时由于海底光缆故障引起的停电、停产费用极高，迫切需要采用海底光缆在线监测技术对海缆实时运行情况进行监测。传统的海缆保护思维主要着眼于建设施工时的防护和故障后的快速修复，对捕鱼作业和锚害等的监测和预警主要借助海岸雷达，通过人工巡逻、高音喇叭喊话等方式。然而，这些传统方式无法第一时间发现海底光缆有扰动或者损坏，有碍于海底光缆的保护及维修。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海底光缆断点位置和扰动位置分析方法及系统，可在探测光缆扰动的同时又能快速准确地判断是否存在断纤及海底光缆的断点位置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种海底光缆断点位置和扰动位置分析方法，包括以下步骤：

S10.在数据库中预先存储海底光缆长度信息；

S20.采集海底光缆上每组包含N个信号强度数据点的n组信号强度数据并存储于数据库中；

S30.N点信号强度数据以M个点为一段并做算术平均，得到包含N/M个数据点的信号强度曲线，其中：M∈(1，N)；

S40.n条信号强度曲线中，每m条信号强度曲线相互累加得到n/m条强度累加曲线；

S50.对步骤S40中所述累加曲线上的值与数值0比较：若在第X点之后所有点的值都小于0，则可判断第X点为光缆断点，所述光缆断点的位置结合步骤S10中存储的光缆长度比较得到光缆断点位置；

S60.根据相邻的两条步骤S40中累加曲线相减后的值取绝对值后得到差值曲线；

S70.对步骤S60中差值曲线上的值与阈值做比较，差值曲线上超过阈值的点判断为扰动事件：若在第Y点之后所有点都有扰动事件发生时，则可判断第Y点为光缆扰动位置，第Y点位置结合步骤S10中存储的光缆长度比较得到光缆扰动位置。

本发明的海底光缆断点位置和扰动位置分析方法，通过采集获得的信号强度数据，对信号在空间和时间上进行累加以获得较强的信噪比，通过判断累加曲线上数值与数值0的比较判断海底光缆的断点位置，通过前后两组累加的信号相减来判断海底光缆上的扰动情况从而获得海底光缆的断点位置；本发明的方法在探测光缆扰动的同时又能判断是否存在断纤及断纤的位置，判断准确且计算时间少。

优选地，步骤S20中，采用数据采集卡采集信号强度数据，数据采集卡每触发一次采集一组信号强度数据，每组信号强度数据均包含N点信号强度数据，表示为：

X₁＝{X_1，1,X_1，2,...,X_1，N}

X₂＝{X_2，1,X_2，2,...,X_2，N}

X_n＝{X_n，1，X_n，2，...，X_n，N}

式中，X₁、X₂、X_n分别表示第一组、第二组及第n组信号强度数据集合。采集多组信号强度数据用以计算分析，增加本发明报警分析方法的准确性。

优选地，步骤S30中，将每一组数据按照M个数据为一段，分段进行算术平均，则信号强度数据集合表示为：

式中，x₁、x₂、x_n分别表示第一组、第二组及第n组信号强度数据分段算术平均处理后的数据集合。

优选地，步骤S40中，将m条信号强度曲线相互累加，表示为下式：

式中，Y₁、Y₂、Y_n/m分别表示第一条到第m条信号强度曲线的累加数据集合、第m+1条到第2m条信号强度曲线的累加数据集合、第n-m条到第n条信号强度曲线的累加数据集合。

优选地，步骤S60中，将相邻的累加的数据组相减后的值取绝对值：

式中：Z₁、Z₂、Z_n/m-1分别表示第一条差值曲线的数据集合、第二条差值曲线的数据集合及第n/m-1条差值曲线的数据集合。

优选地，步骤S70中，利用采集卡的采样率计算获得第X点、第Y点的时间，按下式计算光缆断点位置和光缆扰动位置：

2L＝C/n×Δt

其中，n是光纤折射率，C为光速，Δt是数据采集卡采集到第X点、第Y点所需时间，L为第X点、第Y点距离光纤始端的距离。

本发明还提供了一种海底光缆断点位置和扰动位置分析系统，包括顺次连接的第二光纤耦合器、平衡探测器、对数检波器、数据采集卡及PC机，所述第二光纤耦合器的输入端连接有第一输入回路及第二输入回路：

所述第一输入回路包括信号连接的光源及第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器连接于第二光纤耦合器的第一输入端；

所述第二输入回路包括顺次信号连接的光源、第一光纤耦合器、声光调制器、光纤放大器及光回旋器，所述光回旋器连接于第二光纤耦合器的第二输入端，所述声光调制器连接有射频信号发生器，所述光回旋器将光脉冲耦合进入待测光纤；

所述PC机嵌置写入有权利要求1至6任一项的海底光缆断点位置和扰动位置分析方法的程序模块。

本发明的海底光缆断点位置和扰动位置分析系统，光源发射出的连续光经过第一光纤耦合器后分别通过两条支路，一路经过声光调制器调制成有频移的光脉冲后再经过光纤放大器放大后由光回旋器器耦合进入待测光纤；另一路光为本振参考光，测试光纤中瑞利散射回的光与本振参考光在第光纤二耦合器中相干后输入到平衡探测器，如果待测光纤稳定，反射回来的瑞利散射信号统计特征则是固定不变的，所以散射回来的瑞利信号是不变的。一旦待测光纤有外界振动，振动会引起光纤长度变化或者折射率变化，最终表现在瑞利散射曲线上是振动点位置的相位信号发生变化；探测的数据上传至PC机进行分析处理即可获取光缆断点位置和扰动位置。本发明对采集的数据按海底光缆断点位置和扰动位置分析方法进行分析处理，在探测光缆扰动的同时又能快速准确地判断是否断纤及断纤的位置，具有较强的实用性和适用性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的海底光缆断点位置和扰动位置分析方法及系统获得信号强度数据，对信号强度数据进行累加以获得较强的信噪比，通过前后两组累加的信号相减获得差值曲线来判断光缆上的扰动情况从而获得光缆的断点位置，在探测光缆扰动的同时又能快速准确判断是否存在断纤及断纤的位置，且具有判断准确、计算时间少的特点。

附图说明

图1为实施例一中海底光缆断点位置和扰动位置分析方法的流程图；

图2为实施例一中无光缆断点和光缆扰动的信号强度曲线的示意图；

图3为实施例一中无光缆断点和光缆扰动的强度累加曲线的示意图；

图4为实施例一中出现光缆扰动的差值曲线的示意图；

图5为实施例一种出现光缆断点的强度累加曲线的示意图；

图6为实施例二中海底光缆断点位置和扰动位置系统方法的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例一

如图1至图5所示为本实施例为海底光缆断点位置和扰动位置分析方法的实施例，包括以下步骤：

S10.在数据库中预先存储海底光缆长度信息；

S20.采集海底光缆上每组包含N个信号强度数据点的n组信号强度数据并存储于数据库中；

S30.N点信号强度数据以M个点为一段并做算术平均，得到包含N/M个数据点的信号强度曲线，其中：M∈(1，N)；

S40.n条信号强度曲线中，每m条信号强度曲线相互累加得到n/m条强度累加曲线；

S50.对步骤S40中所述累加曲线上的值与数值0比较：若在第X点之后所有点的值都小于0，则可判断第X点为光缆断点，所述光缆断点的位置结合步骤S10中存储的光缆长度比较得到光缆断点位置；

S60.根据相邻的两条步骤S40中累加曲线相减后的值取绝对值后得到差值曲线；

S70.对步骤S60中差值曲线上的值与阈值做比较，差值曲线上超过阈值的点判断为扰动事件：若在第Y点之后所有点都有扰动事件发生时，则可判断第Y点为光缆扰动位置，第Y点位置结合步骤S10中存储的光缆长度比较得到光缆扰动位置。

其中，步骤S20中，采用数据采集卡采集信号强度数据，数据采集卡每触发一次采集一组信号强度数据，每组信号强度数据均包含N点信号强度数据，表示为：

X₁＝{X_1，1,X_1，2,...,X_1，N}

X₂＝{X_2，1,X_2，2,...,X_2，N}

X_n＝{X_n，1，X_n，2，...，X_n，N}

式中，X₁、X₂、X_n分别表示第一组、第二组及第n组信号强度数据集合。采集多组信号强度数据用以计算分析，增加本发明报警分析方法的准确性。

步骤S30中，将每一组数据按照M个数据为一段，分段进行算术平均，则信号强度数据集合表示为：

式中，x₁、x₂、x_n分别表示第一组、第二组及第n组信号强度数据分段算术平均处理后的数据集合。

步骤S40中，将m条信号强度曲线相互累加，表示为下式：

式中，Y₁、Y₂、Y_n/m分别表示第一条到第m条信号强度曲线的累加数据集合、第m+1条到第2m条信号强度曲线的累加数据集合、第n-m条到第n条信号强度曲线的累加数据集合。

步骤S60中，将相邻的累加的数据组相减后的值取绝对值：

式中：Z₁、Z₂、Z_n/m-1分别表示第一条差值曲线的数据集合、第二条差值曲线的数据集合及第n/m-1条差值曲线的数据集合。

步骤S70中，利用采集卡的采样率计算获得第X点、第Y点的时间，按下式计算光缆断点位置和光缆扰动位置：

2L＝C/n×Δt

其中，n是光纤折射率，C为光速，Δt是数据采集卡采集到第X点、第Y点所需时间，L为第X点、第Y点距离光纤始端的距离。

经过以上步骤，通过采集获得的信号强度数据，对信号在空间和时间上进行累加以获得较强的信噪比，通过前后两组累加的信号相减来判断海底光缆上的扰动情况从而获得海底光缆的断点位置，在探测光缆扰动的同时又能判断是否存在断纤及断纤的位置，判断准确且计算时间少。

为了验证本实施例中海底光缆扰动和断纤报警分析方法的准确性，本实施例以50km长(定位精度为10m)采用实施例一中方法对采集的信号强度数据进行分析处理：

在初始安装海底光缆时对海底光缆进行数据采集，每10米采集一个数据点，每25点进行算术平均得到信号强度曲线，如图2所示；对图2中信号强度曲线(每50条)进行累加得到累加曲线，如图3所示；从图3中可以看出，初始安装的海底光缆无光缆扰动和光缆断点发生；

在海底光缆使用过程中，对海底光缆进行数据采集，每10米采集一个数据点，每25点进行算术平均得到信号强度曲线，对信号强度曲线进行累加得到累加曲线，如图5所示；并对相邻两条强度累加曲线相减后得到差值曲线，如图4所示，本实施例根据海底光缆的实际应用环境不同而设置为2～3之间的某一值。由图4中可以看出，第10通道处幅值达到5.5，超出设定阈值，则认为此点为扰动位置；同时，由图5中可以看出，在3900点处出现光缆断点，根据海缆长度可计算在光缆距离始端39000米处出现光缆断点。

实施例二

如图5所示为本实施例为海底光缆断点位置和扰动位置分析系统的实施例，包括顺次连接的第二光纤耦合器、平衡探测器、对数检波器、数据采集卡及PC机，第二光纤耦合器的输入端连接有第一输入回路及第二输入回路：

第一输入回路包括信号连接的光源及第一光纤耦合器，第一光纤耦合器连接于第二光纤耦合器的第一输入端；

第二输入回路包括顺次信号连接的光源、第一光纤耦合器、声光调制器、光纤放大器及光回旋器，光回旋器连接于第二光纤耦合器的第二输入端，声光调制器连接有射频信号发生器，光回旋器与待测光纤连接；

PC机嵌置写入有如前的海底光缆断点位置和扰动位置分析方法的程序模块。

本实施例在实施时，光源发射出的连续光经过第一光纤耦合器后分别通过两条支路，一路经过声光调制器调制成有频移的光脉冲后再经过光纤放大器放大后由光回旋器器耦合进入待测光纤；另一路光为本振参考光，测试光纤中瑞利散射回的光与本振参考光在第光纤二耦合器中相干后输入到平衡探测器，如果待测光纤稳定，反射回来的瑞利散射信号统计特征则是固定不变的，所以散射回来的瑞利信号是不变的。一旦待测光纤有外界振动，振动会引起光纤长度变化或者折射率变化，最终表现在瑞利散射曲线上是振动点位置的相位信号发生变化；探测的数据上传至PC机进行分析处理即可获取光缆断点位置和扰动位置。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海底光缆断点位置和扰动位置分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10.在数据库中预先存储海底光缆长度信息；

S20.采集海底光缆上每组包含N个信号强度数据点的n组信号强度数据并存储于数据库中；

S30.N点信号强度数据以M个点为一段并做算术平均，得到包含N/M个数据点的信号强度曲线，其中：M∈(1，N)；

S40.n条信号强度曲线中，每m条信号强度曲线相互累加得到n/m条强度累加曲线；

S50.对步骤S40中所述累加曲线上的值与数值0比较：若在第X点之后所有点的值都小于0，则可判断第X点为光缆断点，所述光缆断点的位置结合步骤S10中存储的光缆长度比较得到光缆断点位置；

S60.根据相邻的两条步骤S40中累加曲线相减后的值取绝对值后得到差值曲线；

S70.对步骤S60中差值曲线上的值与阈值做比较，差值曲线上超过阈值的点判断为扰动事件：若在第Y点之后所有点都有扰动事件发生时，则可判断第Y点为光缆扰动位置，第Y点位置结合步骤S10中存储的光缆长度比较得到光缆扰动位置。

2.根据权利要求1所述的海底光缆断点位置和扰动位置分析方法，其特征在于，步骤S20中，采用数据采集卡采集信号强度数据，数据采集卡每触发一次采集一组信号强度数据，每组信号强度数据均包含N点信号强度数据，表示为：

X₁＝{X_1，1,X_1，2,...,X_1，N}

X₂＝{X_2，1,X_2，2,...,X_2，N}

X_n＝{X_n，1,X_n，2,...,X_n，N}

式中，X₁、X₂、X_n分别表示第一组、第二组及第n组信号强度数据集合。

3.根据权利要求2所述的海底光缆断点位置和扰动位置分析方法，其特征在于，步骤S30中，将每一组数据按照M个数据为一段，分段进行算术平均，则信号强度数据集合表示为：

式中，x₁、x₂、x_n分别表示第一组、第二组及第n组信号强度数据分段算术平均处理后的数据集合。

4.根据权利要求3所述的海底光缆断点位置和扰动位置分析方法，其特征在于，步骤S40中，将m条信号强度曲线相互累加，表示为下式：

式中，Y₁、Y₂、Y_n/m分别表示第一条到第m条信号强度曲线的累加数据集合、第m+1条到第2m条信号强度曲线的累加数据集合、第n-m条到第n条信号强度曲线的累加数据集合。

5.根据权利要求4所述的海底光缆断点位置和扰动位置分析方法，其特征在于，步骤S60中，将相邻的累加的数据组相减后的值取绝对值：

Z₁＝|Y₂-Y₁|

Z₂＝|Y₃-Y₂|

式中：Z₁、Z₂、Z_n/m-1分别表示第一条差值曲线的数据集合、第二条差值曲线的数据集合及第n/m-1条差值曲线的数据集合。

6.根据权利要求4所述的海底光缆断点位置和扰动位置分析方法，其特征在于，步骤S50和步骤S70中，利用采集卡的采样率计算获得第X点、第Y点的时间，按下式计算光缆断点位置和光缆扰动位置：

2L＝C/n×Δt

其中，n是光纤折射率，C为光速，Δt是数据采集卡采集到第X点、第Y点所需时间，L为第X点、第Y点距离光纤始端的距离。

7.一种海底光缆断点位置和扰动位置分析系统，其特征在于，包括顺次连接的第二光纤耦合器、平衡探测器、对数检波器、数据采集卡及PC机，所述第二光纤耦合器的输入端连接有第一输入回路及第二输入回路：

所述第一输入回路包括信号连接的光源及第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器连接于第二光纤耦合器的第一输入端；

所述第二输入回路包括顺次信号连接的光源、第一光纤耦合器、声光调制器、光纤放大器及光回旋器，所述光回旋器连接于第二光纤耦合器的第二输入端，所述声光调制器连接有射频信号发生器，所述光回旋器将光脉冲耦合进入待测光纤；

所述PC机嵌置写入有权利要求1至6任一项的海底光缆断点位置和扰动位置分析方法的程序模块。

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