CN111239842A - 一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统及方法 - Google Patents

一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统及方法，该系统包括分布式监测系统、传感光缆，分布式监测系统包括分布式解析主机与及与分布式解析主机连接的分布式监测主机，分布式监测主机与传感光缆连接，传感光缆从待测井盖下方经过，分布式监测主机用于监测下雨时传感光缆中的后向瑞利散射信号以及瑞利背向散射光，分布式解析主机用于根据所述后向瑞利散射信号以及瑞利背向散射光分析雨水进入管道前后传感光缆的振动信号特征变化与温度变化趋势来判断该处井盖是否受到雨水的入侵。本发明利用瑞利散射以及布里渊散射同时监测整个雨水侵入过程中光缆受到的振动和温度变化，综合分析来判断光缆管道是否遭到雨水入侵。

Description

一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统及 方法
技术领域
本发明涉及光缆监测技术领域，具体是一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统及方法。
背景技术
分布式光纤传感技术是一种利用光纤作为传感元件与信号传输介质的传感技术，可实现光纤沿线各个分布式测点的状态变化监测，大量应用于山体滑坡、地质沉降、输电线路、石油管道等需要长距离、大范围分布式监控的领域。
光纤传感技术其中利用较多技术有PHIOTDR(瑞利散射)，BOTDR(布里渊散射)等。瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。当光缆受到振动时，引起光缆中的光纤同步振动，进而导致光纤发生微形变，引起其局部折射率的变化，于是在光纤中传输的背向散射光信号的相位也被同步调制，因而通过分析背向传输光信号的特征便可得到光缆附近的振动情况。布里渊散射是由介质声学声子引起的非弹性散射，受介质的声学、弹性力学等特性影响，因此监测布里渊频移就可以监测传感光纤上的温度。
随着现代化城市建设的加速，各大城市都形成了错综复杂的地下光缆分布网。光缆分布交叉的越繁杂，对于巡线人员的检修维护困难也就更大。遇到恶劣天气如暴雨等，如果大量雨水入侵光缆沟道形成淹埋在平时的运维中不易被发现，人工巡视后续对于光缆的检修运维工作将会难上加难。其次，光缆接续盒由于搭挂在电缆管道中，受气候环境影响较大。常年的雨淋或雨水浸泡，密闭封条容易老化，一旦进水积水，不仅会造成壳体内金属固件的锈蚀使光缆脱出；或光纤涂覆层受酸性污水浸蚀易发断纤；更为严重的是在冬季，壳内积水结冰，导致光纤发生应力改变，使损耗增大，传输质量显著下降。
目前针对这些问题，还没有一套完整的检测系统能够全面监测整条光缆的所有人手井盖是否受到雨水的侵入使光缆受到淹埋，能够实时在线监测恶劣天气下光缆沟道是否受到雨水入侵或浸泡并告知相关巡视人员是当前各大运营商或供电公司需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统及方法，实用性高，安装方便，不受恶劣气候条件影响，一般安装在变电站或机房，与一芯光纤连接就可实现对一整条光缆线路的事实有效监测。
一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统，包括分布式监测系统、传感光缆，所述分布式监测系统包括分布式解析主机与及与分布式解析主机连接的分布式监测主机，分布式监测主机与传感光缆连接，传感光缆从待测井盖下方经过，所述分布式监测主机用于监测下雨时传感光缆中的后向瑞利散射信号以及瑞利背向散射光，所述分布式解析主机用于根据所述后向瑞利散射信号以及瑞利背向散射光分析雨水进入管道前后传感光缆的振动信号特征变化与温度变化趋势来判断该处井盖是否受到雨水的入侵。
进一步的，分布式解析主机通过数据线与分布式监测主机连接。
一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测方法，采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、将分布式光纤传感系统安装在机房或变电站里，与待监测传感光缆的一芯冗余光纤相连接；
步骤二、用振动模拟器，沿待测传感光缆路由寻找所有的井盖进行振动实验，并通过分布式监测系统记录下振动点的皮长，在系统部署后，标记这些位于井盖处的光缆段作为监测段；
步骤三、获取待测传感光缆的温度系数CT；
步骤四、分布式监测主机向传感光缆的光纤注入调制后的脉冲信号，当有雨水透过标定井盖进入光缆沟道导致传输光缆的振动时，会引起瑞利背向散射光的变化，传感光缆产生后向瑞利散射光并经采集后输入给分布式监测主机，分布式监测主机通过对比后向瑞利散射光信号与无扰动情况下时的区别判断该点光纤受到扰动，根据之前标定工作已经确定的各个井盖点所对应的光缆皮长确切位置，初步判断哪些井盖可能已经遭受到雨水入侵；
步骤五、分布式监测主机监测传感光缆中的布里渊散射信号并发送给分布式解析主机，分布式解析主机根据布里渊散射频率发生变化判断监测段处传感光缆的温度发生下降趋势，根据之前求得的温度系数CT计算当前温度Tcurrent；
步骤六、分布式解析主机结合采集到的瑞利散射信号和布里渊频移信号进行解析，如果某一监测段振动强烈，且随后温度成下降趋势，则判断该监测段受到雨水入侵并淹埋。
进一步的，步骤三具体为：
以某一环境下的环境温度为初始温度T0，通过分布式解析主机1获得该环境温度下的初始频移值f0，然后对监测段6的光缆进行加热，当加热段光缆的温度稳定后，保持温度稳定状态一段时间，记录该时间段的温度作为最终温度Tend，取该段时间内采集的数据，获得温度稳定状态下的频移值fend，根据初始温度和初始频移值以及最终温度和最终频移值计算温度系数CT，其计算公式如下：
Figure BDA0002360680860000031
进一步的，步骤五中计算当前温度Tcurrent的公式如下所示：
Tcurrent＝T0+CT(fcurrent-f0)
其中，T0为初始温度，CT为温度系数，f0为下雨前布里渊散射信号的初始频移值，fcurrent为下雨后布里渊散射信号的当前频移值。
本发明的有益效果：
1、本发明能够采用一套雨水入侵光缆监测系统同时监测一条传感光缆上的所有井盖对应的监测段，即对所有监测段的监测是并行进行的，对某一处井盖下的光缆沟道监测不影响对其他监测段光缆沟道的监测。
2、本监测系统无需铺设额外的传感光缆，监测设备安装在机房或变电站里，与待监测光缆的一芯冗余光纤相连接，方便快捷。
3、本系统利用PHIOTDR(瑞利散射)以及BOTDR(布里渊散射)同时监测整个雨水侵入过程中光缆受到的振动和温度变化，并综合分析来判断光缆管道是否遭到雨水入侵，监测结果准确性高。
附图说明
图1为本发明一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统的结构示意图；
图2为本发明一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测方法的流程图；
图3为对一条皮长8km左右的实验光纤进行振动监测的数据显示；
图4为对同一条实验光纤进行温度监测的数据显示；
图5所示为实验中当测试光缆受到雨水入侵后的温度变化情况。
图中：1—分布式解析主机，2—数据线，3—分布式监测主机，4—分布式监测系统，5—传感光缆，6—监测段，7—井盖。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1，本发明实施例提供一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统，其采用分布式光纤传感原理中的PHIOTDR(瑞利散射)以及BOTDR(布里渊散射)两项技术分别对下雨初和雨后光纤管道内的动态静态两种情况进行监测，从而判断出光缆管道是否受到雨水的侵入。
所述系统包括分布式监测系统4、传感光缆5，所述分布式监测系统4包括分布式解析主机1与及与分布式解析主机1连接的分布式监测主机3，分布式监测主机3与传感光缆5连接，传感光缆5从待测井盖7下方经过。
分布式解析主机1通过数据线2与分布式监测主机3连接，利用光纤跳线从ODF光纤配线架上接入待测光纤引入监测系统，系统上电。该系统安装在机房或变电站里与待测传感光缆5的一芯冗余光纤相连接，可监测整条光缆与标定井盖7对应的位置，不需要额外铺设光缆。所述系统包括分布式监测系统4能够实现分布式振动监测和温度监测功能，具体的，能够利用PHIOTDR(瑞利散射)分析下雨时传感光缆5的振动信号，提取雨水侵入光缆管道后对光缆引起的振动信号特征；还能够利用BOTDR(布里渊散射)监测下雨前后传感光缆5的温度信号，分析传感光缆5浸泡在雨水中前后的温度变化趋势，所述分布式解析主机1结合雨水进入管道前后传感光缆5的振动信号特征变化与温度变化趋势来判断该处井盖是否受到雨水的入侵。
如图2所示，本发明实施例还提供一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测方法，其可采用图1所示系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、将分布式光纤传感系统4安装在机房或变电站里，与待监测传感光缆5的一芯冗余光纤相连接，不需要额外铺设光缆，进行部署调试；
步骤二、用振动模拟器，沿待测传感光缆5路由寻找所有的井盖7进行振动实验，并通过分布式监测系统4记录下振动点的皮长，在系统部署后，标记这些位于井盖7处的光缆段6作为监测段；在该雨水入侵光缆监测系统中，光纤就是传感器，无需设置另外的传感器模块，利用光纤特性完全可以采集到外部扰动事件的振动信息。
步骤三、由于不同型号光纤的温度系数有一定的差异，所以需要通过温度标定来计算温度系数。以某一环境下的环境温度为初始温度T0，通过分布式解析主机1获得该环境温度下的初始频移值f0，然后对监测段6的光缆进行加热，当加热段光缆的温度稳定后，保持温度稳定状态一段时间，记录该时间段的温度作为最终温度Tend，取该段时间内采集的数据，获得温度稳定状态下的频移值fend，根据初始温度和初始频移值以及最终温度和最终频移值计算温度系数CT，其计算公式如下：
Figure BDA0002360680860000061
步骤四、分布式监测主机3向传感光缆5的光纤注入调制后的脉冲信号，当有雨水透过标定井盖7进入光缆沟道导致传感光缆5振动时，会引起PHIOTDR背向散射光的变化，分布式解析主机1会接收到这一产生变化的信号，并传送给分布式解析主机1进行算法分析，分布式解析主机1根据之前标定的监测段初步判断哪些井盖可能已经遭受到雨水入侵。图3展示的是对一条皮长8km左右的实验光纤进行振动监测的数据显示，纵轴电压表示信号强度即背向散射光的强度，横轴为光纤长度。
其中，分布式监测主机3向传感光缆5注入的脉冲光，是首先经过声光调制器(AOM)的调制，形成脉冲光信号；后经过掺铒光纤放大器(EDFA)后得到峰值功率放大后的脉冲光，然后将该脉冲光经过环形器注入传感光缆5。脉冲光在光纤内部正向传播的过程中，由于光纤纤芯折射率的不均匀性，会不断的产生后向瑞利散射光，这些后向散射的脉冲光沿着光纤逆向传播，最终再次通过环形器进入光电探测器，并经采集卡采集信号，交由监测主机处理。由于光纤不同位置产生的瑞利后向散射光受到该位置外界振动信号的调制，其相位信号携带了外部振动信号的信息。通过光脉冲发射时间与接收到的瑞利后向散射光之间的时间差，即可计算出扰动点到设备光纤出口之间的距离，因此可以通过对后向瑞利散射信号进行分析，获知光纤沿线不同位置处的振动情况。当有雨水透过标定井盖进入光缆沟道导致传输光缆的振动时，会引起瑞利背向散射光的变化，分布式监测主机3接收到这一产生变化的信号，并传送给分布式监测主机3，分布式监测主机3通过对比该信号与无扰动情况下监测主机监测信号的区别判断该点光纤受到扰动，根据之前标定工作已经确定了各个井盖点所对应的光缆皮长确切位置，因此可以初步判断哪些井盖可能已经遭受到雨水入侵。
步骤五、当大量雨水已经入侵光缆沟道并导致井盖7下的传感光缆5淹埋或半淹埋在水中时，监测段光缆的温度势必会降低，随之影响其布里渊散射频率发生变化。分布式监测主机3采集该布里渊散射信号并发送给分布式解析主机1，与初始布里渊散射信号进行比较，得到监测段6处传感光缆5的温度发生下降趋势，根据之前求得的温度系数CT计算当前温度Tcurrent，其公式如下所示：
Tcurrent＝T0+CT(fcurrent-f0) (2)
其中，T0为初始温度，f0为初始频移值，fcurrent为当前频移值。图4展示的是对同一条实验光纤进行温度监测的数据显示，横轴为温度，纵轴为光纤长度。
步骤六、分布式解析主机1结合采集到的瑞利散射信号和布里渊频移信号进行解析，并将信号转为监测段振动频谱以及温度变化趋势，最终综合分析，一般光缆铺设在光缆沟道中在一段时间内温度的整体情况很难大幅度改变，火灾发生时光缆的温度会迅速上升，而令光缆温度下降的原因只有可能是光缆遭到雨水入侵并形成淹埋，如果某一监测段开始受到雨水入侵振动强烈，随后温度成下降趋势，则判断该监测段受到雨水入侵并淹埋，系统此时会确定该监测段对应井盖，通过短信告知巡线人员待雨停时前往该处进行排查。如图5所示为实验中当测试光缆受到雨水入侵后的温度变化情况。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统，其特征在于：包括分布式监测系统(4)、传感光缆(5)，所述分布式监测系统(4)包括分布式解析主机(1)与及与分布式解析主机(1)连接的分布式监测主机(3)，分布式监测主机(3)与传感光缆(5)连接，传感光缆(5)从待测井盖(7)下方经过，所述分布式监测主机(3)用于监测下雨时传感光缆(5)中的后向瑞利散射信号以及瑞利背向散射光，所述分布式解析主机(1)用于根据所述后向瑞利散射信号以及瑞利背向散射光分析雨水进入管道前后传感光缆(5)的振动信号特征变化与温度变化趋势来判断该处井盖是否受到雨水的入侵。
2.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统，其特征在于：分布式解析主机(1)通过数据线(2)与分布式监测主机(3)连接。
3.一种基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测方法，其特征在于：采用权利要求1-2中任一项所述系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、将分布式光纤传感系统(4)安装在机房或变电站里，与待监测传感光缆(5)的一芯冗余光纤相连接；
步骤二、用振动模拟器，沿待测传感光缆(5)路由寻找所有的井盖(7)进行振动实验，并通过分布式监测系统(4)记录下振动点的皮长，在系统部署后，标记这些位于井盖(7)处的光缆段(6)作为监测段；
步骤三、获取待测传感光缆(5)的温度系数CT；
步骤四、分布式监测主机(3)向传感光缆(5)的光纤注入调制后的脉冲信号，当有雨水透过标定井盖进入光缆沟道导致传输光缆的振动时，会引起瑞利背向散射光的变化，传感光缆(5)产生后向瑞利散射光并经采集后输入给分布式监测主机(3)，分布式监测主机(3)通过对比后向瑞利散射光信号与无扰动情况下时的区别判断该点光纤受到扰动，根据之前标定工作已经确定的各个井盖点所对应的光缆皮长确切位置，初步判断哪些井盖可能已经遭受到雨水入侵；
步骤五、分布式监测主机(3)监测传感光缆(5)中的布里渊散射信号并发送给分布式解析主机(1)，分布式解析主机(1)根据布里渊散射频率发生变化判断监测段(6)处传感光缆(5)的温度发生下降趋势，根据之前求得的温度系数CT计算当前温度Tcurrent；
步骤六、分布式解析主机(1)结合采集到的瑞利散射信号和布里渊频移信号进行解析，如果某一监测段振动强烈，且随后温度成下降趋势，则判断该监测段受到雨水入侵并淹埋。
4.如权利要求3所述的基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测方法，其特征在于：步骤三具体为：
以某一环境下的环境温度为初始温度T0，通过分布式解析主机1获得该环境温度下的初始频移值f0，然后对监测段6的光缆进行加热，当加热段光缆的温度稳定后，保持温度稳定状态一段时间，记录该时间段的温度作为最终温度Tend，取该段时间内采集的数据，获得温度稳定状态下的频移值fend，根据初始温度和初始频移值以及最终温度和最终频移值计算温度系数CT，其计算公式如下：
Figure FDA0002360680850000021
5.如权利要求4所述的基于分布式光纤传感技术的雨水入侵光缆监测系统，其特征在于：步骤五中计算当前温度Tcurrent的公式如下所示：
Tcurrent＝T0+CT(fcurrent-f0) (2)
其中，T0为初始温度，CT为温度系数，f0为下雨前布里渊散射信号的初始频移值，fcurrent为下雨后布里渊散射信号的当前频移值。
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