引言

  光纖傳感器具有無輻射干擾、抗電磁干擾性好、化學穩定性好等優點，受到越來越多的重視。其中DOFS(Distributed Optical Fiber Sensor,分布式光纖傳感器）不僅具有一般光纖傳感器的優點，而且可以在沿光纖的路徑上同時得到被測量場在時間和空間上的連續分布信息，能做到對大型基礎工程設施的每一個部位都如人的神經系統一樣進行遠程監控，因此具有廣泛的應用前景。在民用和國防領域，諸如城市煤氣管道、城市輸電/通信纜線、海底輸油氣管道、海底電纜、水庫水壩、橋梁、隧道、高速公路、大型設施等建筑物的應力溫度檢測方面有獨特的優勢，因此受到越來越多的重視。分布式布里淵光纖傳感系統，直接利用普通單模光纖就能做到連續監測長距離光纖沿線的應力及溫度。其中光纖布里淵散射對溫度和應變敏感，通過檢測來自傳感光纖的布里淵散射光的頻移和強度，布里淵散射DOFS可以得到沿光纖分布的溫度或應變信息；并且工作于1.55μm波長附近的布里淵散射DOFS，光信號受到的衰減和色散較小，從而使得布里淵散射DOFS適合于長距離（大于幾十千米）分布式傳感。由于可以做到單端測試，部署容易，對現網的適應能力更強^[1]。B-OTDR 方案已經成為業內公認的分布式光纖傳感的主要解決方案。

1. 1. 布里淵散射傳感原理

  布里淵散射DOFS是利用光纖布里淵散射原理來工作的。光纖介質分子內部存在的一定形式的振動，引起介質折射率隨時間和空間周期性起伏，從而產生自發聲波場。光定向入射到光纖介質時受到該聲波場的作用則產生布里淵散射。在普通石英單模光纖中，布里淵散射光的頻移與光纖的有效折射率和超聲聲速有關。而溫度和應力都能改變光纖的折射率和超聲聲速，故理論上來講只要檢測到光纖中布里淵頻移的變化，就可以通過計算得到溫度或應力在光纖上的分布。實驗發現布里淵散射光功率，隨溫度上升而線性增加，而隨應變增加而線性下降（如圖1所示）^[2]。布里淵頻移ν_B和應變ε的關系見公式（1）和（2）：

  上述式中ν_B為布里淵頻移，ε為光纖的應變，T為光纖的溫度，T_r為參考溫度，Cε=4.6，C_T =9.4×10^-5K^-1，分別為應變和溫度對應的比例系數。

   對于T = 300 K，光波長工作在λ=1550nm附近的普通單模光纖，布里淵頻移變化量的計算見公式（3）：

  式中為布里淵頻移的變化量，C _vε=0.0483±0.0004MHz/με為應變頻移系數，C_vT = (1.10±0.02)/MHz/K為溫度頻移系數，為應變產生的頻移變化，為溫度產生的頻移變化。  在溫度變化單獨作用下，布里淵頻移和功率變化如圖1所示。在應力應變單獨作用下，布里淵頻移和功率變化如圖2所示。

2. 交叉敏感問題的研究現狀  

B-OTDR能實現對溫度和應變進行傳感，主要依據是光纖中布里淵信號的布里淵頻移與溫度以及應變的線性關系。但由于溫度和應變交叉敏感的影響，B-OTDR很難通過布里淵頻移的波動直接分離區分光纖中變化的應變與溫度信息，這對它的實際工程應用產生了一定的限制。特別是在真實的分布式光纖網絡環境中，溫度和應變都是隨機變化，這種交叉敏感問題制約了基于布里淵散射的全分布式光纖傳感器的實用化。如何解決交叉敏感問題，或者說是如何做到溫度與應力的解耦，成為B-OTDR商用的第一大技術難題。 

解決基于布里淵散射的全分布式光纖傳感器的交叉敏感問題最初的方案是在測量光纖的旁邊布置參考光纖，讓參考光纖處于松弛狀態，僅測量被測量場的溫度信息，然后從測量光纖的測量信息中扣除溫度的信息，實現溫度和應變的同時測量。這種方案由于需要同時并行布置兩套光纖，實用性不高。目前國內外研究的方向主要是利用工作光纖自身來解決交叉敏感問題，當前的理論解決方案可以歸納為四種:1)基于布里淵散射譜的雙參量矩陣法；2) 基于特種光纖的雙頻移矩陣法；3) 基于Landau-Placzek率；4)聯合其它的物理效應^[3]。 

在上述四種解決交叉敏感問題的方案中，基于Landau-Placzek率法和聯合其他的物理效應法的這兩種方案，除了需要測量布里淵散射譜，還要測量Rayleigh散射譜或Raman散射譜，系統結構比較復雜，實現成本高，實用化難度大?；谔胤N光纖的雙頻移矩陣法，由于需要特種光纖作為傳感器件，傳感系統的費用會顯著增加，而且這種方案也難以應用到已敷設普通光纖的系統中去，應用面相對較窄，商業價值不高?；谄胀▎文９饫w的布里淵散射譜的雙參量矩陣法是當前用于解決交叉敏感問題的主要方案，其計算方法如公式4所示。    式中為布里淵頻移的變化量，為對應溫度和應變的另一個特征參量的變化量，為對應的作用系數，為應變的變化量，為溫度的變化量。 

其中聯合布里淵峰值功率和頻移同應變和溫度的關系構建的解決交叉敏感問題的方案精度較高。但是由于線路中可能引起布里淵峰值功率變化的因素很多，要精確求解應變和溫度必須找到合適方法先行消除線路中其他因素對布里淵峰值功率的影響。目前市場上還只有極少數廠家的商用儀表已經較好地解決了交叉敏感這個問題。

3. B-OTDR在線路運維中的應用

3.1 OTDR和B-OTDR的測試曲線對比 

傳統OTDR測試儀表的真實名稱叫光時域反射儀，是利用光在光纖中傳輸時的瑞利散射(半徑比光的波長小很多的微粒對入射光的散射)和菲涅爾反射(射到不同介質的表面，會將其一部分光進行反射的現象)所產生背向散射的原理制成的測試儀表。OTDR被廣泛應用于光纜線路的維護、施工之中，可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭損耗和故障定位等測量應用。OTDR具有測試時間短、測試速度快、測試精度高等優點。但OTDR不能測試光纖發生的應變，除非光纖的應變已經影響到光纖的衰減。因此僅僅用OTDR的測試結果來判斷光纖線路的質量是明顯不足的，尤其對關鍵的光纜線路，其結果蘊含著巨大的技術風險。如圖3所示的曲線是OTDR測試的線路衰減曲線。從曲線看光纖鏈路衰減性能參數還都是在正常范圍內，通常運維人員就會認為光纜線路處于良好運行狀態，不會采取進一步的維護措施^[4]。

 圖3 用OTDR測試的光纜線路衰減曲線

圖4 用B-OTDR測試的光纜線路應變曲線

接下來用B-OTDR對同一條光纜線路做應力和溫度進行測試，得到的測試曲線如圖4所示。從圖中可以清晰發現光纜線路沿線 15千米、21千米、24千米和 27.5千米處的應變出現明顯異常。根據標準IEC 60794-3-20︰2016規定，在最大允許張力下，光纖的應變不能大于 0.2%。局部放大顯示可以發現此處幾段光纖的應變都嚴重超標。15千米處局部放大后，可以清晰看見應變變大的位置和應變大小及分布（如圖5所示），線路上應變超過 0.2% 的光纖總共有長達58米，需要運維部門到現場進行檢查處理。

圖5 15千米處線路的應變情況

3.2 在OPGW線路運維中的應用 

復合架空地線(OPGW)兼具電力傳輸線路地線和通信光纜雙重功能，作為電力通信網的信號傳輸媒介，承載著底層基礎電力生產業務信息傳輸功能，在電力系統正常運行中發揮著極其重要的作用。國網公司一級骨干通信系統OPGW線路總里程已達8萬余千米，且近60%的OPGW運行年限已超過15年，光纖進入了老化及故障多發期。OPGW在長期運行過程中受覆冰、蠕變等自然環境影響而產生非彈性形變。等到光纖余長消耗完畢后，光纖就會長期受到應力作用，即使暫時沒有斷裂也表明光纖線路存在巨大安全隱患。在實際維護中大量過載覆冰的OPGW在重新緊線后又開始重新投入運行。夏天光纜弧垂增大或再次遭遇冰災導致OPGW再伸長時，疊加上溫度的全年變化效應，光纜中的光纖極有可能一直處于受力的不安全狀態。此時用傳統的OTDR測試光纖衰減的方法是發現不了線路的安全隱患。應該采取更有效的應變和溫度監測方法對運行年限久、遭受冰災影響大的骨干線路進行衰減、應變和溫度在線監測，至少每年要進行全面定期測試。  

傳統OPGW線路監測手段依賴于線路中的外置傳感器，多為點式測量技術，具有很大的局限性?；诜植际焦饫w傳感技術的OPGW光纜在線監測手段無需在線路中另置傳感器，利用OPGW光纜中一根或兩根備用纖芯即可實現全局的分布式測量，實施方便。若通過通道擴展器進行時分復用，就可同時實現多個線路的在線監測，不僅可以克服高壓輸電線路上強電磁干擾以及高電壓絕緣的困難，對于環境惡劣、地形復雜的無人區光纜線路維護尤為合適。故分布式光纖傳感技術非常適于電力系統OPGW監測，能有效地提升線路安全預警與故障診斷能力^[5]。 

圖6是使用B-OTDR對一條長約60公里的實際OPGW電力光纜線路連續6天的監測結果。監測曲線同時顯示應變和溫度的變化，并在13公里處檢測到了一個應變異常的先兆故障。隨后運維人員在光纜線路對應的位置發現了故障點并進行了處理，將隱患消除在萌芽之中。

圖6 OPGW線路溫度和應力監測曲線 m （來源于國家電網）

3.3 B-OTDR測溫功能在線路運維上的應用  

在城市區域光纜會共享或使用現有的管道設施。在某些情況下，地下光纜會與現有管道（蒸汽輸送管、電力電纜管道等）相鄰。B-OTDR 測量可以檢測和突出顯示可能危及光纜壽命的潛在危險因素。  

圖7是利用B-OTDR對在城市里沿軌道電纜同溝敷設的光纜所處環境溫度進行測試得出的溫度分布曲線。測試發現光纜線路有15 米以上溫度大于 90℃，超出了光纜的標準使用環境要求，這會大大縮短光纜的使用壽命，需要進行現場排查，以消除安全隱患。但由于布里淵頻移對應變和溫度的雙重敏感性，常規的沒有實現溫度和應變解耦的 B-OTDR 也是無法確定光纜線路上的事件是由于 90℃ 的發熱點還是 0.2% 的伸長引起的。所以用于光纜線路監測的B-OTDR測試儀表必須要有溫度及應變的解耦能力，才可以保障在現網測試環境中的測試準確性。 

圖7 B-OTDR 對光纜線路進行測溫的曲線
    通過以上的真實測試案例可以看出，光纜受到應力或者工作環境溫度異常時，由于光纜的自身保護功能和光纖通信的原理，此時光纖的衰減性能未必發生任何變化，通信服務也可以依然正常提供。但這時光纜線路已經存在巨大安全隱患，輕則影響光纜的使用壽命，重者甚至發生斷纖的嚴重故障。我們可以利用B-OTDR進行定期測試以及時發現隱患，盡早處理消除隱患，從而避免發生重大故障。這種光纜線路主動運維方法可大大降低線路修復成本，最大限度減小對客戶業務的影響，提高光纜線路安全運行質量?！?span>

　4 小結

  分布式光纖傳感系統具備提取大范圍測量場特征信息的能力，能夠解決目前測量領域的眾多難題。其中B-OTDR可用于各種光纜線路老化性能及工作環境溫度的監測，是線路運維工作中的有力武器。B-OTDR經過20年的技術發展和方案的不斷修正，應變和溫度的解耦技術日趨完善。B-OTDR已經開始為各個光纜專網及光纖傳感大規模應用，為各個網絡及系統的長期穩定運行發揮著“千里眼和順風耳”的功能，提前發現故障隱患及問題，做到主動運維，防患未然。

參考文獻
［1］宋牟平，葉險峰.結合布里淵光時域分析和光時域反射計的分布式光纖傳感器[J]. 光學學報, 2010. 30(3).651652［2］董玉明，張旭蘋，劉躍輝. 基于布里淵散射的全分布式光纖傳感器交叉敏感問題的研究. 中國科技論文在線.http：//www.paper.edu.cn.［3］廖延彪. 光纖光學[M]. 北京. 清華大學出版社. 2000:5455.
［4］VIAVI DTSS 分布式光纖傳感方案白皮書.
［5］VIAVI 唯亞威 OTU8000光纖傳感操作說明書.
作者信息：李春生，北郵華飛研究所  北京  100876
尹攀、劉慶為 ，VIAVI中國     北京  100020

李琳瑩，成都泰瑞通信設備檢測有限公司    成都  610021

文章來源：中國通信學會2022年第41屆通信線路學術年會論文集