B-OTDR在光缆线路运维中应用探讨

引言

  光纤传感器具有无辐射干扰、抗电磁干扰性好、化学稳定性好等优点，受到越来越多的重视。其中DOFS(Distributed Optical Fiber Sensor,分布式光纤传感器）不仅具有一般光纤传感器的优点，而且可以在沿光纤的路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息，能做到对大型基础工程设施的每一个部位都如人的神经系统一样进行远程监控，因此具有广泛的应用前景。在民用和国防领域，诸如城市煤气管道、城市输电/通信缆线、海底输油气管道、海底电缆、水库水坝、桥梁、隧道、高速公路、大型设施等建筑物的应力温度检测方面有独特的优势，因此受到越来越多的重视。分布式布里渊光纤传感系统，直接利用普通单模光纤就能做到连续监测长距离光纤沿线的应力及温度。其中光纤布里渊散射对温度和应变敏感，通过检测来自传感光纤的布里渊散射光的频移和强度，布里渊散射DOFS可以得到沿光纤分布的温度或应变信息；并且工作于1.55μm波长附近的布里渊散射DOFS，光信号受到的衰减和色散较小，从而使得布里渊散射DOFS适合于长距离（大于几十千米）分布式传感。由于可以做到单端测试，部署容易，对现网的适应能力更强^[1]。B-OTDR 方案已经成为业内公认的分布式光纤传感的主要解决方案。

1. 布里渊散射传感原理

  布里渊散射DOFS是利用光纤布里渊散射原理来工作的。光纤介质分子内部存在的一定形式的振动，引起介质折射率随时间和空间周期性起伏，从而产生自发声波场。光定向入射到光纤介质时受到该声波场的作用则产生布里渊散射。在普通石英单模光纤中，布里渊散射光的频移与光纤的有效折射率和超声声速有关。而温度和应力都能改变光纤的折射率和超声声速，故理论上来讲只要检测到光纤中布里渊频移的变化，就可以通过计算得到温度或应力在光纤上的分布。实验发现布里渊散射光功率，随温度上升而线性增加，而随应变增加而线性下降（如图1所示）^[2]。布里渊频移ν_B和应变ε的关系见公式（1）和（2）：

上述式中ν_B为布里渊频移，ε为光纤的应变，T为光纤的温度，T_r为参考温度，Cε=4.6，C_T =9.4×10^-5K^-1，分别为应变和温度对应的比例系数。

   对于T = 300 K，光波长工作在λ=1550nm附近的普通单模光纤，布里渊频移变化量的计算见公式（3）：

  式中为布里渊频移的变化量，C _vε=0.0483±0.0004MHz/με为应变频移系数，C_vT = (1.10±0.02)/MHz/K为温度频移系数，为应变产生的频移变化，为温度产生的频移变化。  在温度变化单独作用下，布里渊频移和功率变化如图1所示。在应力应变单独作用下，布里渊频移和功率变化如图2所示。

2. 交叉敏感问题的研究现状  

B-OTDR能实现对温度和应变进行传感，主要依据是光纤中布里渊信号的布里渊频移与温度以及应变的线性关系。但由于温度和应变交叉敏感的影响，B-OTDR很难通过布里渊频移的波动直接分离区分光纤中变化的应变与温度信息，这对它的实际工程应用产生了一定的限制。特别是在真实的分布式光纤网络环境中，温度和应变都是随机变化，这种交叉敏感问题制约了基于布里渊散射的全分布式光纤传感器的实用化。如何解决交叉敏感问题，或者说是如何做到温度与应力的解耦，成为B-OTDR商用的第一大技术难题。 

解决基于布里渊散射的全分布式光纤传感器的交叉敏感问题最初的方案是在测量光纤的旁边布置参考光纤，让参考光纤处于松弛状态，仅测量被测量场的温度信息，然后从测量光纤的测量信息中扣除温度的信息，实现温度和应变的同时测量。这种方案由于需要同时并行布置两套光纤，实用性不高。目前国内外研究的方向主要是利用工作光纤自身来解决交叉敏感问题，当前的理论解决方案可以归纳为四种:1)基于布里渊散射谱的双参量矩阵法；2) 基于特种光纤的双频移矩阵法；3) 基于Landau-Placzek率；4)联合其它的物理效应^[3]。 

在上述四种解决交叉敏感问题的方案中，基于Landau-Placzek率法和联合其他的物理效应法的这两种方案，除了需要测量布里渊散射谱，还要测量Rayleigh散射谱或Raman散射谱，系统结构比较复杂，实现成本高，实用化难度大。基于特种光纤的双频移矩阵法，由于需要特种光纤作为传感器件，传感系统的费用会显著增加，而且这种方案也难以应用到已敷设普通光纤的系统中去，应用面相对较窄，商业价值不高。基于普通单模光纤的布里渊散射谱的双参量矩阵法是当前用于解决交叉敏感问题的主要方案，其计算方法如公式4所示。  

式中为布里渊频移的变化量，为对应温度和应变的另一个特征参量的变化量，为对应的作用系数，为应变的变化量，为温度的变化量。 

其中联合布里渊峰值功率和频移同应变和温度的关系构建的解决交叉敏感问题的方案精度较高。但是由于线路中可能引起布里渊峰值功率变化的因素很多，要精确求解应变和温度必须找到合适方法先行消除线路中其他因素对布里渊峰值功率的影响。目前市场上还只有极少数厂家的商用仪表已经较好地解决了交叉敏感这个问题。

3. B-OTDR在线路运维中的应用

3.1 OTDR和B-OTDR的测试曲线对比 

传统OTDR测试仪表的真实名称叫光时域反射仪，是利用光在光纤中传输时的瑞利散射(半径比光的波长小很多的微粒对入射光的散射)和菲涅尔反射(射到不同介质的表面，会将其一部分光进行反射的现象)所产生背向散射的原理制成的测试仪表。OTDR被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头损耗和故障定位等测量应用。OTDR具有测试时间短、测试速度快、测试精度高等优点。但OTDR不能测试光纤发生的应变，除非光纤的应变已经影响到光纤的衰减。因此仅仅用OTDR的测试结果来判断光纤线路的质量是明显不足的，尤其对关键的光缆线路，其结果蕴含着巨大的技术风险。如图3所示的曲线是OTDR测试的线路衰减曲线。从曲线看光纤链路衰减性能参数还都是在正常范围内，通常运维人员就会认为光缆线路处于良好运行状态，不会采取进一步的维护措施^[4]

图3 用OTDR测试的光缆线路衰减曲线

图4 用B-OTDR测试的光缆线路应变曲线

接下来用B-OTDR对同一条光缆线路做应力和温度进行测试，得到的测试曲线如图4所示。从图中可以清晰发现光缆线路沿线 15千米、21千米、24千米和 27.5千米处的应变出现明显异常。根据标准IEC 60794-3-20︰2016规定，在最大允许张力下，光纤的应变不能大于 0.2%。局部放大显示可以发现此处几段光纤的应变都严重超标。15千米处局部放大后，可以清晰看见应变变大的位置和应变大小及分布（如图5所示），线路上应变超过 0.2% 的光纤总共有长达58米，需要运维部门到现场进行检查处理。

图5 15千米处线路的应变情况

3.2 在OPGW线路运维中的应用 

复合架空地线(OPGW)兼具电力传输线路地线和通信光缆双重功能，作为电力通信网的信号传输媒介，承载着底层基础电力生产业务信息传输功能，在电力系统正常运行中发挥着极其重要的作用。国网公司一级骨干通信系统OPGW线路总里程已达8万余千米，且近60%的OPGW运行年限已超过15年，光纤进入了老化及故障多发期。OPGW在长期运行过程中受覆冰、蠕变等自然环境影响而产生非弹性形变。等到光纤余长消耗完毕后，光纤就会长期受到应力作用，即使暂时没有断裂也表明光纤线路存在巨大安全隐患。在实际维护中大量过载覆冰的OPGW在重新紧线后又开始重新投入运行。夏天光缆弧垂增大或再次遭遇冰灾导致OPGW再伸长时，叠加上温度的全年变化效应，光缆中的光纤极有可能一直处于受力的不安全状态。此时用传统的OTDR测试光纤衰减的方法是发现不了线路的安全隐患。应该采取更有效的应变和温度监测方法对运行年限久、遭受冰灾影响大的骨干线路进行衰减、应变和温度在线监测，至少每年要进行全面定期测试。

传统OPGW线路监测手段依赖于线路中的外置传感器，多为点式测量技术，具有很大的局限性。基于分布式光纤传感技术的OPGW光缆在线监测手段无需在线路中另置传感器，利用OPGW光缆中一根或两根备用纤芯即可实现全局的分布式测量，实施方便。若通过通道扩展器进行时分复用，就可同时实现多个线路的在线监测，不仅可以克服高压输电线路上强电磁干扰以及高电压绝缘的困难，对于环境恶劣、地形复杂的无人区光缆线路维护尤为合适。故分布式光纤传感技术非常适于电力系统OPGW监测，能有效地提升线路安全预警与故障诊断能力^[5]。 

图6是使用B-OTDR对一条长约60公里的实际OPGW电力光缆线路连续6天的监测结果。监测曲线同时显示应变和温度的变化，并在13公里处检测到了一个应变异常的先兆故障。随后运维人员在光缆线路对应的位置发现了故障点并进行了处理，将隐患消除在萌芽之中。

图6 OPGW线路温度和应力监测曲线 m （来源于国家电网）

3.3 B-OTDR测温功能在线路运维上的应用  

在城市区域光缆会共享或使用现有的管道设施。在某些情况下，地下光缆会与现有管道（蒸汽输送管、电力电缆管道等）相邻。B-OTDR 测量可以检测和突出显示可能危及光缆寿命的潜在危险因素。  

图7是利用B-OTDR对在城市里沿轨道电缆同沟敷设的光缆所处环境温度进行测试得出的温度分布曲线。测试发现光缆线路有15 米以上温度大于 90℃，超出了光缆的标准使用环境要求，这会大大缩短光缆的使用寿命，需要进行现场排查，以消除安全隐患。但由于布里渊频移对应变和温度的双重敏感性，常规的没有实现温度和应变解耦的 B-OTDR 也是无法确定光缆线路上的事件是由于 90℃ 的发热点还是 0.2% 的伸长引起的。所以用于光缆线路监测的B-OTDR测试仪表必须要有温度及应变的解耦能力，才可以保障在现网测试环境中的测试准确性。

 

图7 B-OTDR 对光缆线路进行测温的曲线
    通过以上的真实测试案例可以看出，光缆受到应力或者工作环境温度异常时，由于光缆的自身保护功能和光纤通信的原理，此时光纤的衰减性能未必发生任何变化，通信服务也可以依然正常提供。但这时光缆线路已经存在巨大安全隐患，轻则影响光缆的使用寿命，重者甚至发生断纤的严重故障。我们可以利用B-OTDR进行定期测试以及时发现隐患，尽早处理消除隐患，从而避免发生重大故障。这种光缆线路主动运维方法可大大降低线路修复成本，最大限度减小对客户业务的影响，提高光缆线路安全运行质量。

　4 小结

  分布式光纤传感系统具备提取大范围测量场特征信息的能力，能够解决目前测量领域的众多难题。其中B-OTDR可用于各种光缆线路老化性能及工作环境温度的监测，是线路运维工作中的有力武器。B-OTDR经过20年的技术发展和方案的不断修正，应变和温度的解耦技术日趋完善。B-OTDR已经开始为各个光缆专网及光纤传感大规模应用，为各个网络及系统的长期稳定运行发挥着“千里眼和顺风耳”的功能，提前发现故障隐患及问题，做到主动运维，防患未然。

参考文献
［1］宋牟平，叶险峰.结合布里渊光时域分析和光时域反射计的分布式光纤传感器[J]. 光学学报, 2010. 30(3).651652［2］董玉明，张旭苹，刘跃辉. 基于布里渊散射的全分布式光纤传感器交叉敏感问题的研究. 中国科技论文在线.http：//www.paper.edu.cn.［3］廖延彪. 光纤光学[M]. 北京. 清华大学出版社. 2000:5455.
［4］VIAVI DTSS 分布式光纤传感方案白皮书.
［5］VIAVI 唯亚威 OTU8000光纤传感操作说明书.
作者信息：李春生，北邮华飞研究所  北京  100876
尹攀、刘庆为 ，VIAVI中国     北京  100020

李琳莹，成都泰瑞通信设备检测有限公司    成都  610021

文章来源：中国通信学会2022年第41届通信线路学术年会论文集