TWI798968B

TWI798968B - 光纜震動預警監測定位系統

Info

Publication number: TWI798968B
Application number: TW110144737A
Authority: TW
Inventors: 柯孫堅; 莊修榮
Original assignee: 中華電信股份有限公司
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2023-04-11
Also published as: TW202323775A

Abstract

提供一種光纜震動預警監測定位系統，特別是指將單軸干涉環模組與相位光時域反射模組整合所形成的光纖震動量測。當光纖感測到震動時，透過結合單軸干涉環模組量測的震動波形與相位光時域反射模組量測的震動點位置，可快速提供光纜預警保護作用。

Description

光纜震動預警監測定位系統

本發明是有關於一種光纜震動預警監測定位系統。

因應高速寬頻服務的頻寬需求與日俱增，作為通信線路的光纜其建置數量也隨之成長，當光纖通信系統之光纖芯線發生障礙時，其嚴重性足以造成用戶重大損失。光纜故障原因可分人為因素與天然災害，包括：施工挖斷、人為破壞、颱風、洪水、地震、土石流、及材料可靠度等。天然的災害很難預知與防犯，人為破壞、施工挖斷則可藉由光纜監測系統建立，當光纜沿線範圍有工程施工時，能夠發現並通知線路維護人員及時到達施工地點進行巡查並提醒施工人員小心，即可避免因施工活動造成光纜遭受損傷。

當光纜被施工挖損之前，施工過程中機具會產生震動壓力，這種震動壓力會透過光纜包覆傳入內部光纖，當光纖感測壓力作用時會引起光纖應變及折射率變化，該變化會改變光纖內載送光波的相位，因此透過量測光纖中載送光的相位變化即可以感測外在環境所產生震動壓力，監測工程施工對光纜影響。

光纜沿線工程其施工活動的監測架構有二種類型：單軸干涉環型架構和相位光時域反射(phi-OTDR)型架構。其中，單軸干涉環架構是利用光路干涉讓兩道具相同性質的光沿著相同/不同光程路徑，當經過震動點時其光發生相位變化，並再與另一未發生相位變化的光產生光干涉，藉由量測干涉光強度變化來進行震動訊息收集；相位光時域反射型架構則是藉由脈衝光沿著光程路徑，經過震動點其光發生相位變化，並再與另一光程路徑未發生相位變化的光產生光干涉，藉由量測背向散射干涉光來進行震動訊息收集。單軸干涉環型架構具備架構簡單優點，從量測資訊可直接得到震動波形易於後續震動源辨識，但會隨著監測距離增加而降低定位準確度且無法多點定位。相位光時域反射型架構則具備同時多點定位優點，但其量測資訊需要複雜訊號解調處理才可獲得震動波形。

有鑑於此，本案發明人乃亟思加以改良創新，提出一種光纜震動預警監測定位系統，乃整合單軸干涉環模組與相位光時域反射模組兩者所形成系統，其中單軸干涉環模組用以震動波形量測，相位光時域反射模組則用以震動源定位。外界有震動產生時，其干涉環模組將所量測到震動波形更可與預存波形進行比對，來強化監測系統預警的準確度。特別是當比對為工程施工震動波形時，則判斷該震動事件為告警震動事件，並結合相位光時域反射模組所量測對應震動源位置，由此判斷結果告警於電信機房端維運者或通知施工單位，來停止施工進行對光纜產生預警保護作用。

本發明提出一種光纜震動預警監測定位系統，架構如圖1所示由單軸干涉環模組11和相位光時域反射模組12整合所構成。單軸干涉環模組11和相位光時域反射模組12可用以量測來自感測光纖15的震動訊號，並藉由檢光器13將量測光訊號所轉換為電氣訊號並在信號分析器14進行信號處理。當感測光纖15感應到震動時改變光纖的導光狀態使得感測光的相位產生變化，然而相位改變所引發光強度變化較小致使量測困難，必須藉由光路干涉架構讓光形成建設性干涉與破壞性干涉，透過光干涉後提高光強度變化幅度以間接方式量測出感測光的相位變化來得知震動訊號。單軸干涉模組11和相位光時域反射模組12藉由光程路徑設計讓因震動發生相位變化產生光干涉。

其中，圖2為單軸干涉模組11量測其感測光干涉所產生光強度之時間變化軌跡對應的震動波形，其後續可再透過波形比對即可以推估出震動源型式。

此外，如圖3所示，相位光時域反射模組12則利用脈衝光技巧來量測光干涉所產生背向散射的干涉光，並計算脈衝光發射至震動信號的時間來得到震動源所在的位置。

為確保在每次量測只有一個脈衝光在感測光纖內行進以避免脈衝光相互干擾問題，通常設定脈衝光往返感測光纖全長一次所需時間為其脈衝光最小週期，而脈衝光寬度代表脈衝的時間長度，可換算為脈衝在感測光纖上所占的空間長度，其影響震動源定位量測的精確度。結合震動波形與震動源位置資訊，可提高預警的精確度，讓光纜震動預警監測定位系統具備長距離的安全預警監控能力。

因此，本發明係提供一種光纜震動預警監測定位系統，藉由單軸干涉環模組與相位光時域反射模組兩者整合來進行光纜震動量測，用以將量測震動波形與發生位置訊息快速回傳來對光纜產生預警保護作用，讓光纜維運者在光纜被施工挖損之前能夠即時阻止施工進行。

為讓本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明。

11:單軸干涉模組

12:相位光時域反射模組

13:檢光器

14:信號分析器

15:感測光纖

401:感測光源

402:分光器

403:檢光器

404:信號分析器

405:檢光器

411:光分歧器

412:光分歧器

413:延遲光纖

414:反射鏡

415:感測光纖

421:分光器

422:聲光調變器

423:光纖放大器

424:濾波器

425:感測光纖

426:光迴旋器

427:光分歧器

501:感測光源

502:光開關

503:光開關

504:感測光纖

505:檢光器

506:信號分析器

511:光分歧器

512:光分歧器

513:延遲光纖

521:聲光調變器

522:光纖放大器

523:濾波器

A、B、C、J₁、D₁、I₁、E₁、H₁、F₁、G₁、L、M、S、T、R、N、K、J₂、D₂、I₂、E₂、H₂、F₂、G₂:端點

X:震動源

圖1為本發明之光纜震動預警監測定位系統架構方塊圖。

圖2為本發明之光纜震動預警監測定位系統之單軸干涉模組在感測光纖所量測震動波形圖。

圖3為本發明之光纜震動預警監測定位系統之相位光時域反射模組在感測光纖所量測震動源位置圖。

圖4為依照本發明之第一實施例之光纜震動預警監測定位系統架構圖。

圖5為依照本發明之第二實施例之光纜震動預警監測定位系統架構圖。

本發明之目的提供一種整合單軸干涉模組與相位光時域反射模組兩者所形成光纜震動量測系統，用以將震動波形與震動源發生位置訊息快速回傳，讓光纜維運者在光纜被施工挖損之前能夠即時阻止施工進行，來對光纜產生預警保護作用。

為使對本發明的目的、構造、特徵及其功能有進一步瞭解，接著以二種實施例來說明本發明的方法之實現步驟及其優點。但非用來限制本發明之範圍。

第一實施例

本發明之光纜震動預警監測定位系統，乃為整合單軸干涉環模組與相位光時域反射模組來進行光纖震動量測，可快速從量測數據直接取得震動波形與震動源位置。

圖4繪示本發明之光纜震動預警監測定位系統架構圖之第一實施例。如圖4所示，光纜震動預警監測定位系統可包括感測光源401、單軸干涉環模組、相位光時域反射模組、分光器402、檢光器403、檢光器405以及信號分析器404。

在本實施例中，單軸干涉環模組包括單軸干涉環、感測光纖415和反射鏡414。單軸干涉環連接感測光纖415，且感測光纖415連接反射鏡414(即，單軸干涉環模組為單軸干涉環、感測光纖415以及反射鏡414依序連接所形成)。

進一步而言，單軸干涉環為光分歧器411與光分歧器412以一段端延遲光纖413連接所形成。詳細而言，光分歧器411以及光分歧器412的形式都為2x2，即二側分別具有二端點，且光分歧器411的端點E₁連接光分歧器412的端點H₁，且光分歧器411的端點D₁連接延遲光纖413，延遲光纖413連接光分歧器412的端點F₁。

感測光纖415的尾端連接反射鏡414。

在本實施例中，相位光時域反射模組包括：分光器421、聲光調變器422、光纖放大器423、濾波器424、光迴旋器426、感測光纖425和光分歧器427。分光器421連接聲光調變器422，聲光調變器422連接光纖放大器423，光纖放大器423連接濾波器424，濾波器424連接光迴旋器426，光迴旋器426連接感測光纖425，感測光纖425連接光分歧器427(即，相位光時域反射模組為分光器421、聲光調變器422、光纖放大器423、濾波器424、光迴旋器426、感測光纖425和光分歧器427依序連接所形成)。光分歧器427的形式為2x2，即二側分別具有二端點。

感測光源401用以產生感測光。感測光為窄線寬雷射，所需線寬長度與量測感測光纖長度成反比。感測光源401產生的感測光由分光器402的端點A進入分光器402。接著，感測光由分光器402的端點B注入單軸干涉環模組，並且由分光器402的端點C注入相位光時域反射模組，其中端點B與端點C的分光比例不大於10：90。

在本實施例中，單軸干涉環模組之光程路徑為：感測光從分光器402之端點B注入光分歧器411之端點J₁，此感測光被光分歧器411平分成為二等分的感測光，其中一等分的感測光從光分歧器411的端點D₁(經由延遲光纖413)進入光分歧器412的端點F₁，另一等分的感測光從光分歧器411的端點E₁進入光分歧器412的端點H₁。由於光分歧器411的端點D₁連接延遲光纖413，且延遲光纖413連接光分歧器412的端點F₁，因此端點D₁與端點F₁之間的光程將會和端點E₁與端點H₁之間的光程有光程差異。此二等分的感測光在光分歧器412被合成一道感測光，並從光分歧器412的端點G₁進入感測光纖415。

當感測光沿感測光纖415至震動源X點發生相位改變，相位改變感測光繼續沿感測光纖415至反射鏡414被反射沿原感測光纖415路徑返回至光分歧器412的端點G₁。從端點G₁進入光分歧器412的相位改變感測光被光分歧器412平分成為二等分的相位改變感測光，此二等分的相位改變感測光從光分歧器412的端點F₁和端點H₁出來，其中一等分的相位改變感測光從端點H₁經由端點E₁進入光分歧器411，另一等分的相位改變感測光從端點F₁(經由延遲光纖413)且經由端點D₁進入光分歧器411，以由光分歧器411產生光干涉。干涉感測光由光分歧器411的端點I₁輸出進入檢光器403。檢光器403將感測光的信號轉換成為電氣信號，再輸出至信號分析器404進行震動波形顯示與預存波形比對。

在本實施例中，相位光時域反射模組之光程路徑為：感測光從分光器402的端點C注入分光器421，分光器421依不大於10：90分光比將感測光分別從端點N注入光分歧器427與端點M注入聲光調變器422。注入聲光調變器422的感測光被調變成為脈衝形式的感測光，再進入光纖放大器423將其光強度給予放大。被放大脈衝形式的感測光透過濾波器424濾除無調變部分，然後從端點S進入光迴旋器426，再從光迴旋器426的端點T進入感測光纖425。

當脈衝形式的感測光沿感測光纖425至震動源X點發生相位改變，其相位改變背向散射光沿原感測光纖425路徑返回至端點T進入光迴旋器426，再從光迴旋器426之端點R進入光分歧器427。來自分光器421的端點L的感測光與來自光迴旋器426的端點R的背向散射相位改變的感測光在光分歧器427進行光干涉。干涉感測光從端點K輸出進入檢光器405。檢光器405將感測光的信號轉換成為電氣信號，再輸出至信號分析器404進行震動源位置計算。

第二實施例

圖5繪示本發明之光纜震動預警監測定位系統架構圖之第二實施例。如圖5所示，光纜震動預警監測定位系統可包括感測光源501、光開關502、光開關503、單軸干涉環模組、相位光時域反射模組、檢光器505以及信號分析器506。

在本實施例中，單軸干涉環模組包括單軸干涉環和感測光纖504。單軸干涉環連接感測光纖504(即，單軸干涉環模組為單軸干涉環以及感測光纖504依序連接所形成)。

進一步而言，單軸干涉環為光分歧器511與光分歧器512以一段端延遲光纖513連接所形成。詳細而言，光分歧器511以及光分歧器512的形式都為2x2，即二側分別具有二端點，且光分歧器511的端點E₂連接光分歧器512的端點H₂，且光分歧器511的端點D₂連接延遲光纖513，延遲光纖513連接光分歧器512的端點F₂。

在本實施例中，相位光時域反射模組包括：聲光調變器521、光纖放大器522、濾波器523、單軸干涉環和感測光纖504，且聲光調變器521連接光纖放大器522，光纖放大器522連接濾波器523，濾波器523連接單軸干涉環，單軸干涉環連接感測光纖504(即，相位光時域反射模組為聲光調變器521、光纖放大器522、濾波器523、單軸干涉環和感測光纖504依序連接所形成)。相位光時域反射模組可與單軸干涉環模組共用單軸干涉環。

藉由光開關502與光開關503連動設計，當選擇路徑1時，則由感測光源501所發出感測光，經聲光調變器521、光纖放大器522與濾波器523使其成為放大脈衝形式的感測光，用以提供相位光時域反射模組進行量測使用。另一方面，當選擇路徑2時則由感測光源501所發出感測光，用以提供單軸干涉環模組進行量測使用。

在本實施例中，單端干涉環模組之光程路徑為：感測光源501發出感測光，經光開關502與光開關503連動設定路徑2從端點I₂進入光分歧器511。此感測光被光分歧器511平分成為二等分的感測光，其中一等分的感測光從光分歧器511的端點E₂進入光分歧器512的端點H₂，另一等分的感測光從光分歧器511的端點D₂(經由延遲光纖513)進入光分歧器512的端點F₂。由於光分歧器511的端點D₂連接延遲光纖513，且延遲光纖513連接光分歧器512的端點F₂，因此端點D₂與端點F₂之間的光程將會和端點E₂與端點H₂之間的光程有光程差異。此二等分的感測光在光分歧器512被合成一道感測光，並從光分歧器512的端點G₂出來進入感測光纖504。

當感測光沿感測光纖504至震動源X點發生相位改變，背向散射相位變化感測光沿原感測光纖504路徑返回至光分歧器512之端點G₂，以由光分歧器512產生相位變化感測光。此相位改變感測光被光分歧器512平分成為二等分的相位變化感測光，此二等分的相位變化感測光從光分歧器512的端點F₂和端點H₂出來，其中一等分的相位改變感測光從端點H₂經由端點E₂進入光分歧器511，另一等分的相位改變感測光從光分歧器512的端點 F₂(經由延遲光纖513)且經由端點D₂進入光分歧器511，以由光分歧器511產生光干涉。干涉感測光從光分歧器511之端點J₂進入檢光器505。檢光器505將感測光的信號轉換成為電氣信號，再輸出至信號分析器506進行震動波形顯示與預存波形比對。

在本實施例中，相位光時域反射模組之光程路徑為：感測光源501所發出感測光，經1x2光開關502與1x2光開關503連動設定路徑1，藉由聲光調變器521、光纖放大器522和濾波器523形成放大脈衝形式的感測光，該放大脈衝形式的感測光從端點I₂進入光分歧器511。此感測光被光分歧器511平分成為二等分的感測光，其中一等分的感測光從光分歧器511端的端點E₂進入光分歧器512的端點H₂，另一等分的感測光從光分歧器511的端點D₂(經由延遲光纖513)進入光分歧器512的端點F₂。由於光分歧器511的端點D₂連接延遲光纖513，且延遲光纖513連接光分歧器512的端點F₂，因此端點D₂與端點F₂之間的光程將會和端點E₂與端點H₂之間的光程有光程差異。此二等分的感測光在光分歧器512被合成一道感測光，從光分歧器512的端點G₂出來進入感測光纖504。

當感測光沿感測光纖504至震動源X點發生相位改變，背向散射相位變化感測光沿原感測光纖504路徑返回至光分歧器512之端點G₂，以由光分歧器512產生相位變化感測光。相位變化感測光被光分歧器512平分成為二等分的相位變化感測光，此二等分的相位變化感測光從光分歧器512的端點F₂和端點H₂出來，其中一等分的相位改變感測光從端點H₂經由端點E₂進入光分歧器511，另一等分的相位改變感測光從光分歧器512的端點F₂(經由延遲光纖513)且經由端點D₂進入光分歧器511，以由光分歧器511產生光干涉。干涉感測光分別從光分歧器511之端點J₂進入檢光器505。檢光器505將感測光的信號轉換成為電氣信號，再輸出至信號分析器506進行震動源位置計算。

本發明係提供一種光纜震動預警監測定位系統，乃整合單軸干涉環模組與相位光時域反射模組來進行光纜震動量測。當感測光纖感測到外界震動時，其單軸干涉環模組無需複雜訊號解調處理即可得到完整震動波形，同時在相位光時域反射模組所量測對應震動源所在位置兩者資訊結合之下，除可以提升震動事件精確判斷外，並可強化對長距離的安全預警監控能力。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11:單軸干涉模組

12:相位光時域反射模組

13:檢光器

14:信號分析器

15:感測光纖

Claims

一種光纜震動預警監測定位系統，係整合一單軸干涉環模組與一相位光時域反射模組來進行光纖震動量測，其中該單軸干涉環模組用以量測一震動波形，該相位光時域反射模組用以量測一震動源位置，以藉由該震動波形與該震動源位置來對光纜產生安全預警監測，其中該光纜震動預警監測定位系統包括：一感測光源，用以產生一感測光；該單軸干涉環模組；該相位光時域反射模組；一第一分光器，以一第一分光比例分配該感測光來提供給該單軸干涉環模組與該相位光時域反射模組使用；一第一檢光器；一第二檢光器，其中該第一檢光器以及該第二檢光器用以接收和量測該感測光並將該感測光轉換成為一電氣信號；一信號分析器，連接至該第一檢光器以及該第二檢光器，用以顯示該震動波形與計算該震動源位置。
如申請專利範圍第1項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該第一分光比例不大於10：90。
如申請專利範圍第1項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該單軸干涉環模組包括：一單軸干涉環，用以產生光干涉；一感測光纖，用以感測環境震動；一反射鏡，用以反射該感測光。
如申請專利範圍第3項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該單軸干涉環連接該感測光纖，該感測光纖連接該反射鏡，其中該單軸干涉環連接該第一分光器以從該第一分光器接收該感測光，並將該單軸干涉環模組所產生的一干涉感測光注入該第一檢光器。
如申請專利範圍第3項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該單軸干涉環包括一第一光分歧器以及一第二光分歧器，其中該第一光分歧器以及該第二光分歧器分別包括位於一側的二端點及位於另一側的二端點，其中該第一光分歧器的第一端點連接該第二光分歧器的第一端點，其中該第一光分歧器的第二端點連接一延遲光纖，且該延遲光纖連接該第二光分歧器的第二端點。
如申請專利範圍第1項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該相位光時域反射模組包括：一第二分光器，以一第二分光比例分配該感測光來提供感測光及產生脈衝形式感測光使用；一聲光調變器，用以調變該感測光使之成為脈衝形式感測光；一光纖放大器，用以放大脈衝形式感測光的光強度；一濾波器，用以濾除脈衝形式感測光無調變部分；一感測光纖，用以感測環境震動；一光迴旋器，用以改變感測光行進路線；一第三光分歧器，其中該第三光分歧器包括位於一側的二端點及位於另一側的二端點，用以會合感測光與脈衝形式背向散射相位改變的感測光進行光干涉。
如申請專利範圍第6項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該第二分光器連接該聲光調變器，該聲光調變器連接該光纖放大器，該光纖放大器連接該濾波器，該濾波器連接該光迴旋器，該光迴旋器連接該感測光纖，該感測光纖連接該第三光分歧器，其中該第二分光器接收該感測光，該第三光分歧器將該相位光時域反射模組所產生的一干涉感測光注入該第二檢光器。
如申請專利範圍第6項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該第二分光比例不大於10：90。
一種光纜震動預警監測定位系統，係整合一單軸干涉環模組與一相位光時域反射模組來進行光纖震動量測，其中該單軸干涉環模組用以量測一震動波形，該相位光時域反射模組用以量測一震動源位置，以藉由該震動波形與該震動源位置來對光纜產生安全預警監測，其中該光纜震動預警監測定位系統包括：一感測光源，用以產生一感測光；一第一光開關；一第二光開關，其中該第一光開關以及該第二光開關用以選擇光路徑；該單軸干涉環模組；該相位光時域反射模組；一檢光器，用以接收和量測該感測光並將該感測光轉換成為一電氣信號；一信號分析器，連接至該檢光器，用以顯示該震動波形與計算該震動源位置。
如申請專利範圍第9項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該單軸干涉環模組包括：一單軸干涉環，用以產生光干涉；一感測光纖，用以感測環境震動。
如申請專利範圍第10項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該單軸干涉環連接該感測光纖，其中該單軸干涉環連接該第二光開關以從該第二光開關接收該感測光，並將該單軸干涉環模組所產生的一干涉感測光注入該檢光器。
如申請專利範圍第10項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該單軸干涉環包括一第一光分歧器以及一第二光分歧器，其中該第一光分歧器以及該第二光分歧器分別包括位於一側的二端點及位於另一側的二端點，其中該第一光分歧器以及該第二光分歧器分別包括位於一側的二端點及位於另一側的二端點，其中該第一光分歧器的第二端點連接一延遲光纖，且該延遲光纖連接該第二光分歧器的第二端點。
如申請專利範圍第9項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該相位光時域反射模組包括：一聲光調變器，用以調變該感測光使之成為脈衝形式感測光；一光纖放大器，用以放大脈衝形式感測光的光強度；一濾波器，用以濾除脈衝形式感測光無調變部分；一單軸干涉環，用以產生光干涉；一感測光纖，用以感測環境震動。
如申請專利範圍第13項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該聲光調變器連接該光纖放大器，該光纖放大器連接該濾波器，該濾波器連接該單軸干涉環，該單軸干涉環連接該感測光纖，其中該單軸干涉環連接且連動一第一光開關以及一第二光開關，以接收該感測光，並將該相位光時域反射模組所產生的一干涉感測光注入該檢光器。
如申請專利範圍第13項所述之光纜震動預警監測定位系統，其中該單軸干涉環包括一第一光分歧器以及一第二光分歧器，其中該第一光分歧器以及該第二光分歧器分別包括位於一側的二端點及位於另一側的二端點，其中該第一光分歧器以及該第二光分歧器分別包括位於一側的二端點及位於另一側的二端點，其中該第一光分歧器的第二端點連接一延遲光纖，且該延遲光纖連接該第二光分歧器的第二端點。