CN114136430A - 一种精准寻缆系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精准寻缆系统及方法，涉及光纤声波传感技术领域，系统包括光纤声波传感主机、光缆夹具、振动发生器和光缆缠纤盘，光缆夹具用于固定光缆缠纤盘出纤端的任一待测光缆，并改变其振动传导系数；振动发生器用于分别对处于光缆夹具的待测光缆、光缆缠纤盘与光缆夹具之间的待测光缆引起振动，因振动产生的后向瑞利散射光通过光缆传递到入纤端的目标光缆；光纤声波传感主机与光缆缠纤盘入纤端的目标光缆相连，用于检测目标光缆周围的振动信息，当两次振动信息差别较大时，待测光缆与目标光缆是同一光缆，当两次振动信息相近时，待测光缆与目标光缆不是同一光缆。因此该系统在不破坏光缆的条件下能够快速精准的识别出目标光缆。

Description

一种精准寻缆系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤声波传感技术领域，尤其是一种精准寻缆系统及方法。

背景技术

分布式声波传感技术是目前传感技术领域发展较快的技术之一。分布式声波传感器通过高采样频率的方式，同时探测到光纤全段多个位置的振动波形，通过对振动点振动波形的分析得到光纤周围的振动信息，比如振动强度、振动点距离、振动点声音等信息。分布式声波传感技术在地埋光缆防外破预警、长输管道防盗防泄漏预警、区域周界安防、地质勘探等领域均有应用案例。

光缆寻缆定位是目前光缆运维工作中的一个难点，随着信息化建设的快速发展、光缆数量急剧增加。近年来城市发展迅速，随着城市的建设，原有的地貌及地下管线都有很大调整，原有的光缆图纸信息难以准确的反应光缆的真实位置，同时光缆原有标识牌由于被雨水冲刷腐蚀很多已经无法辨识，以上因素导致精确寻找目标光缆非常困难。

目前寻找光缆的方式主要有以下两种：第一种是通过在光缆一端打红光，在测试点剥开光缆保护层，对纤芯进行弯折，通过观察弯折处是否有红光判断目标光缆，此方法探测距离较短且需要破坏光缆，对在运行的业务具有较大安全隐患。第二种是通过OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer，光时域反射仪)在光缆一端打光，在测试点对光缆进行较大程度的弯折，以制造较大衰耗点，通过观察OTDR探测曲线判断目标光缆，此方法虽然探测距离较长，但准确率不高，且会对光缆造成不可逆的损伤，影响光缆使用寿命。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种精准寻缆系统及方法，本发明的技术方案如下：

一种精准寻缆系统，包括光纤声波传感主机、光缆夹具、振动发生器和光缆缠纤盘，光缆夹具用于固定光缆缠纤盘出纤端的任一待测光缆，并改变其振动传导系数；振动发生器用于分别对处于光缆夹具的待测光缆、光缆缠纤盘与光缆夹具之间的待测光缆引起振动，因振动产生的后向瑞利散射光通过光缆传递到入纤端的目标光缆；光纤声波传感主机与光缆缠纤盘入纤端的目标光缆相连，用于检测目标光缆周围的振动信息，当两次振动信息差别较大时，待测光缆与目标光缆是同一光缆，当两次振动信息相近时，待测光缆与目标光缆不是同一光缆。

其进一步的技术方案为，光纤声波传感主机包括光源模组、信号采集模组、信号处理模组和环形器，光源模组连接环形器的第一端口，环形器的第二端口连接目标光缆，环形器的第三端口依次与信号采集模组、信号处理模组相连；光源模组用于向目标光缆发射光脉冲信号；信号采集模组用于采集光纤中因后向瑞利散射现象反射回来的光信号，并将其转换为电信号；信号处理模组用于从电信号中提取振动信息。

其进一步的技术方案为，光缆夹具包括两个尺寸相同的凹槽，两个凹槽的一侧铰接，组成内部中空的光缆夹具，待测光缆穿过光缆夹具的中空部设置，且中空部填充有硬质橡皮泥，用于改变待测光缆的振动传导系数；两个凹槽的另一侧的相对位置处均设有开口，光缆夹具闭合时两个开口形成探测预留窗，振动发生器通过探测预留窗对处于光缆夹具的待测光缆引起振动；在两个凹槽的另一侧上，探测预留窗的两侧还设有槽口，槽口沿光缆夹具的高度方向设置，光缆夹具闭合时槽口用于放置快拆杆，快拆杆用于固定光缆夹具。

其进一步的技术方案为，在信号采集模组中，光纤各点的反射光相位变化量与光纤因振动产生的应变大小存在比例关系，通过探测反射光相位变化量来分析对应的振动信息；

在光纤任意位置处的一个光纤反射点，其反射光的相位描述为：

其中，z为光纤任意位置，β为真空中的波矢，n(x)为光纤折射率分部函数；

当光纤因发生振动引起光纤应变改变时，应变发生前后的相位变化量为：

ΔΦ_L(ε)＝2β(nε+C_εε+C_εε²)L (2)

其中，C_ε为光纤的光弹系数，ε为应变强度大小，L为空间差分计算时所选取的距离；

由于因振动而引起的光纤应变强度较小，因此将式(2)式简化为：

ΔΦ_L(ε)＝2β(n+C_ε)εL (3)

则光纤各点的反射光相位变化量正比于应变强度，采用干涉技术进行相位探测，将反射光相位变化量转换为光强信息。

其进一步的技术方案为，振动发生器的振动频率可调，频率调节范围为50-1000Hz；

振动发生器的振动传导端采用胶质棒，长度范围为5-20cm。

其进一步的技术方案为，光源模组所用激光器为超窄线宽激光器，线宽小于等于3KHz。

其进一步的技术方案为，光缆夹具的长度范围为50-100cm；

探测预留窗的长度范围为10-20cm；

槽口为半圆形，且凹面朝外。

一种精准寻缆方法，该方法包括：

将从光缆缠纤盘入纤端选取的目标光缆接入光纤声波传感主机；

在光缆夹具内部填充硬质橡皮泥，将从光缆缠纤盘出纤端选取的任一待测光缆放入光缆夹具内，固定光缆夹具，使硬质橡皮泥与待测光缆充分接触，其中硬质橡皮泥用于改变待测光缆的振动传导系数；

光纤声波传感主机向目标光缆发射光脉冲信号，利用振动发生器分别对处于光缆夹具的待测光缆、光缆缠纤盘与光缆夹具之间的待测光缆引起振动，因振动产生的后向瑞利散射光通过光缆传递到入纤端的目标光缆；

通过光纤声波传感主机依次检测目标光缆周围的振动信息，当两次振动信息差别较大时，待测光缆与目标光缆是同一光缆，当两次振动信息相近时，待测光缆与目标光缆不是同一光缆。

其进一步的技术方案为，光纤声波传感主机依次检测目标光缆周围的振动信息，包括：

光纤声波传感主机采集光纤中因后向瑞利散射现象反射回来的光信号，并将其转换为电信号；

采用短时傅里叶变换法得到电信号中包含的频谱信息，采用多维度小波分解法提取频谱信息中的振动特征信息，包括振动频率和声色；

利用标准振动特征信息库训练多种分类模型，将采集得到的振动特征信息同时送入多种分类模型中，分别得到振动特征信息属于标准振动特征信息库的符合度，将所有分类模型均判断满足符合度的振动特征信息作为最终输出的振动信息，其中多种分类模型包括支持向量机、前馈神经网络模型和贝叶斯网络模型。

本发明的有益技术效果是：

本申请的精准寻缆系统基于光纤声波传感技术，通过光缆夹具固定待测光缆，还可以改变两次测量时待测光缆的振动传导系数，使两次测量的振动频率有较大差别。由于待测光缆与目标光缆在光缆缠纤盘中会有直接或间接接触，当待测的光缆不是目标光缆时，两次测试到的振动信息都相当于待测光缆与目标光缆的接触点引起的，因此当待测光缆与目标光缆不是同一光缆时，所采集到的振动频率相近。当待测光缆就是目标光缆时，由于传导系数不同，采集的振动信息分别对应于两种不同的振动频率，因此待测光缆与目标光缆是同一光缆时，采集到的两次振动频率差别较大。经测试，该系统在不破坏光缆的条件下，能够在50km范围内精准识别出目标光缆，提高光缆运维效率。

附图说明

图1是本申请提供的一种精准寻缆系统的结构示意图。

图2是本申请提供的光纤声波传感主机各模组的连接示意图。

图3是本申请提供的光缆夹具的结构示意图。

图4是本申请提供的振动发生器的结构示意图。

图5是本申请提供的一种精准寻缆方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，一种精准寻缆系统，包括光纤声波传感主机1、光缆夹具2、振动发生器3和光缆缠纤盘4，光缆夹具2用于固定光缆缠纤盘出纤端的任一待测光缆401，并改变其振动传导系数。振动发生器3用于分别对处于光缆夹具2的待测光缆401、光缆缠纤盘4与光缆夹具2之间的待测光缆401引起振动，因振动产生的后向瑞利散射光通过光缆传递到入纤端的目标光缆402。光纤声波传感主机1与光缆缠纤盘入纤端的目标光缆402相连，用于检测目标光缆周围的振动信息，下面分别详细介绍系统各模块的结构及原理。

<1>如图2所示，光纤声波传感主机包括光源模组101、信号采集模组102、信号处理模组103和环形器104，光源模组101连接环形器104的第一端口，环形器104的第二端口连接目标光缆，环形器104的第三端口依次与信号采集模组102、信号处理模组103相连，其中：

光源模组101用于向目标光缆发射光脉冲信号。可选的，光源模组101所用激光器为超窄线宽激光器，线宽小于等于3KHz。

信号采集模组102用于采集光纤中因后向瑞利散射现象反射回来的光信号，并将其转换为电信号。具体的，信号采集模组102采用相位解调法采集光信号，实现对振动信号的解调，包括：

光纤的折射率会随外界振动的变化而改变，当采用高相干光进行探测时，光纤各点的反射光相位会随振动强度的变化而改变，对应的反射光相位变化量与光纤因振动产生的应变大小存在比例关系，因此通过探测反射光相位变化量来分析对应的振动信息。例如，在光纤任意位置处的一个光纤反射点，其反射光的相位描述为：

其中，z为光纤任意位置，β为真空中的波矢，n(x)为光纤折射率分部函数。

当光纤因发生振动引起光纤应变改变时，应变发生前后的相位变化量为：

ΔΦ_L(ε)＝2β(nε+C_εε+C_εε²)L (2)

其中，C_ε为光纤的光弹系数，ε为应变强度大小，L为空间差分计算时所选取的距离。

由于因振动而引起的光纤应变强度较小，因此将式(2)式简化为：

ΔΦ_L(ε)＝2β(n+C_ε)εL (3)

则光纤各点的反射光相位变化量正比于应变强度，采用干涉技术进行相位探测，将反射光相位变化量转换为光强信息，以克服光电探测器无法直接响应光信号的相位信息。

可选的，信号采集模组102的采集频率大于等于200MHz。

信号处理模组103用于从电信号中提取振动信息。

可选的，光纤声波传感主机1支持移动电源供电、-48V直流供电及220V交流供电。为提高接口稳定性、减少接口反射光强度，光纤声波传感主机1的光口类型选择为FC(APC)接头105。

可选的，光纤声波传感主机1还具有测量振动点距离、还原振动点音频的功能。

光纤声波传感主机1的工作原理是利用光纤中后向瑞利散射现象完成光纤通道上任意点处的振动信息的定位与采集。因为机械振动在介质中传播的距离较远，所以光纤声波传感是以振动事件为采集单位。由于光信号在光纤中的传输损耗低，因此通过光纤传感的方式可以实现长度可达数十千米的振动信息探测。

<2>结合图1、图3所示，光缆夹具2包括两个尺寸相同的凹槽201，两个凹槽201的一侧通过合页铰接，组成内部中空的光缆夹具2，待测光缆401穿过光缆夹具2的中空部设置，且中空部填充有硬质橡皮泥，用于改变待测光缆401的振动传导系数。两个凹槽201的另一侧的相对位置处均设有开口202，光缆夹具2闭合时两个开口202形成探测预留窗203，振动发生器3通过探测预留窗203对处于光缆夹具2的待测光缆401引起振动。在两个凹槽201的另一侧上，探测预留窗203的两侧还设有槽口204，槽口204沿光缆夹具2的高度方向设置，光缆夹具2闭合时槽口204用于放置快拆杆(图中未示出)，通过快拆杆对光缆夹具2施加压力，以达到固定光缆夹具2、使硬质橡皮泥与待测光缆401充分接触，避免因光缆夹具2抖动影响探测结果，同时提高系统对光缆识别的精度。其中快拆杆为一种快速固定夹具的便利工具，不属于本申请的发明点，在此不详细描述其结构。

可选的，光缆夹具2的长度范围为50-100cm，本实施例优选光缆夹具2的长度为100cm，宽度为10cm，高度为10cm。

可选的，光缆夹具2的内部中空部的宽度和高度均为5cm。

可选的，探测预留窗203的长度范围为10-20cm，本实施例优选探测预留窗203的长度为20cm。

可选的，槽口204为半圆形，凹面朝外，直径为0.8cm。

<3>如图4所示，振动发生器3的振动频率可调，频率调节范围为50-1000Hz，本实施例优选测试频率为400Hz。

可选的，振动发生器3的振动传导端301采用胶质棒，长度范围为5-20cm，本实施例优选振动传导端301的长度为10cm，直径为0.5cm。

可选的，由于寻缆环境多为地下管道，常存在积水情况，因此振动发生器3要求具备防水能力。

使用该系统分别在测试点A、测试点B进行测试，当两次振动信息差别较大时，待测光缆401与目标光缆402是同一光缆，当两次振动信息相近甚至相同时，待测光缆401与目标光缆402不是同一光缆，该系统在不破坏光缆的条件下，能够在50km范围内精准识别出目标光缆，提高光缆运维效率。

基于上述精准寻缆系统，本申请还提供了一种精准寻缆方法，如图5所示，该方法包括如下步骤：

步骤1：将从光缆缠纤盘入纤端选取的目标光缆的空余纤芯接入光纤声波传感主机的光口中。

步骤2：在光缆夹具内部填充硬质橡皮泥，将从光缆缠纤盘出纤端选取的任一待测光缆放入光缆夹具内，固定光缆夹具，使硬质橡皮泥与待测光缆充分接触，其中硬质橡皮泥用于改变待测光缆的振动传导系数。

需要说明的是，光缆夹具的探测预留窗无需填充硬质橡皮泥，使振动发生器探测时直接与待测光缆进行接触。

步骤3：光纤声波传感主机向目标光缆发射光脉冲信号，利用振动发生器分别对处于光缆夹具的待测光缆、光缆缠纤盘与光缆夹具之间的待测光缆引起振动，因振动产生的后向瑞利散射光通过光缆传递到入纤端的目标光缆。

步骤4：通过光纤声波传感主机依次检测目标光缆周围的振动信息，当两次振动信息差别较大时，待测光缆与目标光缆是同一光缆，当两次振动信息相近时，待测光缆与目标光缆不是同一光缆。

在上述步骤3中，光纤声波传感主机依次检测目标光缆周围的振动信息，包括：

1)光纤声波传感主机采集光纤中因后向瑞利散射现象反射回来的光信号，并将其转换为电信号。

2)采用短时傅里叶变换法得到电信号中包含的频谱信息，采用多维度小波分解法提取频谱信息中的振动特征信息，包括振动频率和声色。

3)利用标准振动特征信息库训练多种分类模型，将采集得到的振动特征信息同时送入多种分类模型中，分别得到振动特征信息属于标准振动特征信息库的符合度，将所有分类模型均判断满足符合度的振动特征信息作为最终输出的振动信息，其中多种分类模型包括支持向量机、前馈神经网络模型和贝叶斯网络模型。其中，建立标准振动特征信息库的方法与上述第2点相同，通过对振动特征信息的提取与分析，建立信号标准型，作为参照信号。

本申请采用上述三种分类模型，每个算法模型独立做出判断，最终取判断一致的计算结果，通过滤除干扰信号，能够提高信号识别的准确率，降低对信号特征信息的误判率。

本申请提供的精准寻缆系统及方法的光缆识别原理为：

由于待测光缆与目标光缆在光缆缠纤盘中会有直接或间接接触，当待测的光缆不是目标光缆时，两次测试到的振动信息都相当于待测光缆与目标光缆的接触点引起的，因此当待测光缆与目标光缆不是同一光缆时，所采集到的振动频率相近。当待测光缆就是目标光缆时，由于传导系数不同，采集的振动信息分别对应于两种不同的振动频率，因此待测光缆与目标光缆是同一光缆时，采集到的两次振动频率差别较大。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种精准寻缆系统，其特征在于，所述系统包括光纤声波传感主机、光缆夹具、振动发生器和光缆缠纤盘，所述光缆夹具用于固定光缆缠纤盘出纤端的任一待测光缆，并改变其振动传导系数；所述振动发生器用于分别对处于所述光缆夹具的待测光缆、所述光缆缠纤盘与光缆夹具之间的待测光缆引起振动，因振动产生的后向瑞利散射光通过光缆传递到入纤端的目标光缆；所述光纤声波传感主机与光缆缠纤盘入纤端的目标光缆相连，用于检测目标光缆周围的振动信息，当两次振动信息差别较大时，所述待测光缆与目标光缆是同一光缆，当两次振动信息相近时，所述待测光缆与目标光缆不是同一光缆。

2.根据权利要求1所述的精准寻缆系统，其特征在于，所述光纤声波传感主机包括光源模组、信号采集模组、信号处理模组和环形器，所述光源模组连接所述环形器的第一端口，所述环形器的第二端口连接所述目标光缆，所述环形器的第三端口依次与所述信号采集模组、信号处理模组相连；所述光源模组用于向所述目标光缆发射光脉冲信号；所述信号采集模组用于采集光纤中因后向瑞利散射现象反射回来的光信号，并将其转换为电信号；所述信号处理模组用于从所述电信号中提取振动信息。

3.根据权利要求1所述的精准寻缆系统，其特征在于，所述光缆夹具包括两个尺寸相同的凹槽，两个凹槽的一侧铰接，组成内部中空的光缆夹具，所述待测光缆穿过所述光缆夹具的中空部设置，且所述中空部填充有硬质橡皮泥，用于改变所述待测光缆的振动传导系数；两个凹槽的另一侧的相对位置处均设有开口，所述光缆夹具闭合时两个开口形成探测预留窗，所述振动发生器通过所述探测预留窗对处于所述光缆夹具的待测光缆引起振动；在两个凹槽的另一侧上，所述探测预留窗的两侧还设有槽口，所述槽口沿所述光缆夹具的高度方向设置，所述光缆夹具闭合时所述槽口用于放置快拆杆，所述快拆杆用于固定所述光缆夹具。

4.根据权利要求2所述的精准寻缆系统，其特征在于，在所述信号采集模组中，光纤各点的反射光相位变化量与光纤因振动产生的应变大小存在比例关系，通过探测所述反射光相位变化量来分析对应的振动信息；

在光纤任意位置处的一个光纤反射点，其反射光的相位描述为：

其中，z为光纤任意位置，β为真空中的波矢，n(x)为光纤折射率分部函数；

当光纤因发生振动引起光纤应变改变时，应变发生前后的相位变化量为：

ΔΦ_L(ε)＝2β(nε+C_εε+C_εε²)L (2)

其中，C_ε为光纤的光弹系数，ε为应变强度大小，L为空间差分计算时所选取的距离；

由于因振动而引起的光纤应变强度较小，因此将式(2)式简化为：

ΔΦ_L(ε)＝2β(n+C_ε)εL (3)

则光纤各点的反射光相位变化量正比于应变强度，采用干涉技术进行相位探测，将所述反射光相位变化量转换为光强信息。

5.根据权利要求1所述的精准寻缆系统，其特征在于，所述振动发生器的振动频率可调，频率调节范围为50-1000Hz；

所述振动发生器的振动传导端采用胶质棒，长度范围为5-20cm。

6.根据权利要求2所述的精准寻缆系统，其特征在于，所述光源模组所用激光器为超窄线宽激光器，线宽小于等于3KHz。

7.根据权利要求3所述的精准寻缆系统，其特征在于，所述光缆夹具的长度范围为50-100cm；

所述探测预留窗的长度范围为10-20cm；

所述槽口为半圆形，且凹面朝外。

8.一种精准寻缆方法，其特征在于，适用于上述权利要求1-7任一项所述的精准寻缆装置，所述方法包括：

将从光缆缠纤盘入纤端选取的目标光缆接入光纤声波传感主机；

在光缆夹具内部填充硬质橡皮泥，将从光缆缠纤盘出纤端选取的任一待测光缆放入光缆夹具内，固定所述光缆夹具，使所述硬质橡皮泥与所述待测光缆充分接触，其中所述硬质橡皮泥用于改变所述待测光缆的振动传导系数；

所述光纤声波传感主机向所述目标光缆发射光脉冲信号，利用振动发生器分别对处于所述光缆夹具的待测光缆、所述光缆缠纤盘与光缆夹具之间的待测光缆引起振动，因振动产生的后向瑞利散射光通过光缆传递到入纤端的目标光缆；

通过所述光纤声波传感主机依次检测目标光缆周围的振动信息，当两次振动信息差别较大时，所述待测光缆与目标光缆是同一光缆，当两次振动信息相近时，所述待测光缆与目标光缆不是同一光缆。

9.根据权利要求8所述的精准寻缆方法，其特征在于，所述光纤声波传感主机依次检测目标光缆周围的振动信息，包括：

所述光纤声波传感主机采集光纤中因后向瑞利散射现象反射回来的光信号，并将其转换为电信号；

采用短时傅里叶变换法得到所述电信号中包含的频谱信息，采用多维度小波分解法提取所述频谱信息中的振动特征信息，包括振动频率和声色；

利用标准振动特征信息库训练多种分类模型，将采集得到的所述振动特征信息同时送入多种分类模型中，分别得到所述振动特征信息属于所述标准振动特征信息库的符合度，将所有分类模型均判断满足符合度的振动特征信息作为最终输出的振动信息，其中多种分类模型包括支持向量机、前馈神经网络模型和贝叶斯网络模型。

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