一种基于分布式光纤传感的多路光电复合缆区分方法
阅读说明：本技术 一种基于分布式光纤传感的多路光电复合缆区分方法 (Distributed optical fiber sensing-based multi-path photoelectric composite cable distinguishing method ) 是由 张益昕 宋金玉 熊菲 张旭苹 佟帅 张驰 王峰 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于分布式光纤传感的多路光电复合缆区分方法,实现该方法的系统包括：特殊设计的光纤传感装置、简易振动器等。本发明使用特殊设计的光纤传感装置探测简易振动器所施加在线缆上的特定频率的振动信号,利用线缆本身内部具有的光纤作为传感载体,并使用通过处理探测信号得到的频谱分布图作为判断依据,最终达到快速区分不同线缆的目的。解决了长距离和复杂铺设环境下的多路光电复合缆铺设的辅助区分问题,从而帮助线缆铺设工人高效地完成施工作业。(The invention discloses a distributed optical fiber sensing-based multi-path photoelectric composite cable distinguishing method, and a system for realizing the method comprises the following steps: specially designed optical fiber sensing device, simple vibrator, etc. The invention uses a specially designed optical fiber sensing device to detect the vibration signal with specific frequency applied on the cable by the simple vibrator, uses the optical fiber in the cable as a sensing carrier, and uses the frequency spectrum distribution graph obtained by processing the detection signal as a judgment basis, thereby finally achieving the purpose of quickly distinguishing different cables. The problem of supplementary differentiation that multichannel photoelectricity composite cable laid under long distance and the complicated environment of laying is solved to help cable laying workman accomplish the construction operation high-efficiently.)
技术领域
本发明创造涉及分布式光纤传感领域，提供一种基于分布式光纤传感的多路光电复合缆区分方法。
背景技术
铺设线缆是构建现代社会电力和通信网络的基础工程项目，其中不仅包括输送电力的电缆，还有OPGW(光纤复合架空地线)、OPLC(光纤复合低压电缆)等光电复合缆，或者是ADDS(全介质自承式光缆)，其中的光单元担负着电网内部通信与数据采集的任务。
在实际的线缆铺设施工中，无论是直埋、架空、管道还是水底等铺设方式，都常常遇到多路光电复合缆的区分问题。当多条线缆混合在一起时，尤其是线缆的粗细、颜色、包装等外在直观表现较为接近，且线缆两端距离又较长时，很难通过简单的肉眼观察就将其区分开来。如果不能准确地区分这些混合线缆，会给线路的连接和铺设带来阻扰，这也是现场铺设工人常常会遇到的一个实际问题。目前有的解决方法，大都是依赖于施工工人的现场处理经验。例如事先将电缆的排列用表或图的方式画出来，以防电缆交叉和混乱；或者铺设时通过对不同电缆施加机械外力来观察线缆的拉伸程度，进而加以区分不同线缆。然而当线缆铺设长度过长、线缆数量过多或者线路过于复杂时，这种依靠人工的处理方式就变得不够高效甚至不可行，如果没有合理的区分方法，将会极大地影响施工进度。
声音是一种非常重要的信息载体，它的本质是一种振动波，具有两个重要的特征：强度和频率。当有振动事件发生时，振动事件发出的振动波通过声场进行传播，并对传感光纤的性质产生影响。分布式光纤传感技术就通过光纤性质的改变来传感声场的强度和频率，进而对振动事件进行监测。它将光纤同时作为传输和传感介质，仅一次测量便可得到整条光纤沿线的振动信息，能够实现远距离为数千米甚至几十千米的连续监测。其具有抗电磁干扰、耐腐蚀、质量轻、体积小等优点，适合用于上述中对超长距离、复杂铺设地形缆线铺设的辅助区分。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明公开一种基于分布式光纤传感的多路光电复合缆区分技术。利用线缆本身具有的内部光纤作为传感载体，通过探测施加的振动信号，快速区分不同线缆，进而帮助线缆铺设工人高效地完成施工作业。
为了实现上述目的，本发明创造提供如下技术方案：
将简易低功耗振动器固定在线缆一端，其可在线缆上施加一定频率的振动信号，同时在线缆的另一端引出内部光纤接口接入光纤传感装置来检测该振动信号。特殊设计的光纤传感装置的内部结构如图1所示，窄线宽激光器(NLL)直接将连续光注入待测线缆中，所产生的瑞利后向散射信号(RBS)经环形器被光电探测器(PD)接收探测，再经过数据采集卡(DAQ)被主控系统(PC)接收。该RBS信号经相位解调后使用短时傅里叶变换(STFT)可得到频谱分布图。简易振动器和该光纤传感装置配合使用，两者同时工作。如果能够在最终处理得到的频谱分布图中观测到简易振动器所施加的特定频率的振动信号，说明两者连接于同一根缆线，如此依次检测，最终可达到区分不同缆线的目的。与传统分布式光纤传感装置相比，该装置不需要使用声光调制器(AOM)将连续光转化为脉冲光，也不需要使用光放大器(例如EDFA)。这种装置通过探测整个线缆长度的瑞利后向散射的干涉叠加信号，可以在不使用光放大器的情况下也能够获得足够强的振动传感信号。具体步骤如下：
步骤1、选取合适的位置，将简易振动器固定在选取的待区分线缆的一端上；
步骤2、在线缆的另一端引出内部光纤，连接到光纤传感装置；
步骤3、设置振动器和光纤传感装置同步开始振动和检测；
步骤4、在PC端对接收到的后向瑞利散射(RBS)信号解调相位后，再经短时傅里叶变换(STFT)得到频谱图，判断频谱图上谐振峰所在的频点和施加的振动频率是否相同。
如果频谱特征不明显或者存在明显的干扰，可改变振动器振动频率，再对比观察所测得频谱图。选择恰当的振动频率，可得到特征明显、清晰可辨的频谱图，如此有助于对光纤传感装置与简易振荡器是否连接于同一条线缆的判断，降低判断难度和误判率。
步骤5、如果光纤传感装置测得的频谱图中观察不到所施加的振动对应的谐振峰，此时需将振动器固定到另一条线缆上，施加振动，重复3-4步骤，直到当前所测量线缆测得的频谱图和施加的振动频率相匹配时，即从待区分线缆簇中区分出一条线缆。
步骤6、将光纤传感装置接入新的一条待区分线缆上，按照以上步骤，如此依次区分，最终可将所有的线缆都区分出来。
作为本发明所述的一种基于光纤传感装置的多路光电复合缆区分技术进一步的优化方案：在振动器施加振动在线缆上之前，先使用光纤传感装置测得线缆的固有频率和环境噪声，之后在调节振动器的振动频率时，主动调节避开线缆的固有频率和环境干扰频段，以免影响对待探测振动信号的判断。
作为本发明所述的一种基于光纤传感装置的多路光电复合缆区分技术进一步的优化方案：光纤传感系统在采集RBS信号时至少采集10s以上，以保证获得足够的数据点。经过STFT得到的频谱图上，判断频谱图上谐振峰所在的频点和施加的振动频率是否相同，且该振动信号是可调幅的。例如对振动信号幅度开1s关1s，则在10s的观测周期内，如果以1s为一个窗口，可以得到对应频点处开关切换的上限为10次。如果捕捉到5个以上的切换，则认为缆线对应。
由于从大部分种类的线缆内部引出光纤的操作较为复杂，在现场施工环境下不易频繁更换光纤接口。所以更为实用的操作是固定线缆内部光纤和光纤传感装置的接口，而改变位于另一端的振动器，让其施加在不同线缆上，进而得到的不同频谱分布图，最终判断区分出不同线缆。由于实际选取线缆进行测量时具有随机性，根据检索原理，若要将所有线缆都区分开来，假设有N条待区分线缆，则区分第一条线缆的最大测量次数是N-1，区分第二条的最大测量次数为N-2，依次类推，直到最后剩余的两条线缆需要测量1次，因此，理论上最大的测量次数为：
当待区分线缆数目过多时，区分所有线缆可能需要测量相当多的次数，此时将振动器固定到线缆上和取下来就显得十分繁琐。为了简化操作流程，只用尽可能少的测量次数和工序，就能将所有的线缆就加以区分开来，在实际操作时可以将多条线缆束成一股一起施加振动或者使用多个振荡器，这样可在起初的测量中快速减少检索范围，提高区分效率。这种分组成束的方法具体方案如下：
1、在测量之前将所有线缆标号，例有N条待区分线缆，可以从1到N对线缆进行标号。
2、将N条线缆平均分为多组，每一组的M条线缆束成一束，可以使用扎带简单固定。M的具体数量需根据实际线缆粗细调整，保证整束的直径不能超过振动器内壁最大伸展直径。
3、使用振动器同时对一整束线缆施加相应振动，观察所得到的频谱图中是否出现相应振动频率的谐振峰。若不能观察到就继续对下一束线缆进行检测，若能观察到则起初的检索范围就从N条变为M条，再对M条线缆进行区分即可。如此，理论上区分第一条线缆的最大测量次数为：
4、如果经过一次分组后M的值过大，可根据实际情况继续将M条线缆继续分组，最大测量次数将继续减少，但分组后M的值至少为2，否则分组成束的测量方法就失去了意义。另外，也可以使用多个振动器施加在不同线缆上，注意调节为相同的振动频率，可以和分组成束的方法达到同样的效果，适用于线缆特别粗的情况，但所需成本也会相应增加。
5、对剩余待区分的N-1条线缆重复以上步骤，直到区分所有线缆。这个过程可能会出现剩余待区分线缆数不能均分，即剩余线缆数为质数的情况，实际处理时不必使每组线缆数都相等，这并不会影响使用该方法减少总测量次数。使用分组成束的方法，理论上的最大测量次数为：
有益效果：与现有方式或技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
(1)利用线缆本身具有的内部光纤，不需要额外搭建辅助检测线路，方便快捷。另外该特殊设计的光纤传感装置减少使用了声光调制器和光放大器等原有的较为昂贵的器件，经济实惠，节约成本。
(2)本发明检测手段不会对线缆产生任何破坏损伤，且装置便携、易于使用，适用于线缆铺设工人的现场施工作业。
(3)本发明鉴别手段是区分频谱图的谐振峰分布特征，检测精度高，反应灵敏，抗干扰能力强，适用于复杂的线缆铺设环境。
附图说明
图1光纤传感装置示意图；
图2振荡器示意图；
图3频谱分布示意图，图(a)为施加振动前频谱分布示意图、图(b)为施加振动后频谱分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明提出的一种基于分布式光纤传感的多路光电复合缆区分技术，通过特殊设计的光纤传感装置测量简易振动器施加在线缆一端的机械振动，利用线缆本身内部具有的光纤作为传感载体，达到快速区分不同线缆的目的。
为了能够将一定频率的振动通过振动器耦合到线缆内部光纤上，简易振荡器内部中空部分被设计为可以通过外壁旋钮调节的松紧结构，如图2所示。顺时针旋转旋钮，振荡器内壁收紧，向内挤压线缆；逆时针旋转则内壁扩张，减轻向内挤压。只有当振荡器内部和线缆充分贴合，振荡器所产生的机械振动才能够很好地传递到线缆内部光纤。为了方便现场工人简单准确地判断振荡器是否和线缆充分贴合，同时保护旋转旋钮不会因过度旋紧而损坏，对外壁旋钮做了过度旋拧保护设计。当振荡器内壁受到一定的由受挤压线缆产生的向外的应力时，外壁调节旋钮内部脱钩，此时再旋转旋钮，振荡器内壁不会继续向内部挤压，而且会听到因旋钮内部脱钩而产生的“咔咔”的声音。另外当线缆过粗或者内部结构特殊，直接在线缆外部施加机械振动可能不能有效地传递内部光缆，这种情况下也可以利用线缆接续口处可能留有的光纤环或者光纤接续盒等易于对内部光纤施加振动的结构。
为了最终能得到特征明显的频谱图，在实际的操作中应该选取一个适宜的振动器振动频率。该频率应该区分于线缆的固有谐振频率和可能存在的干扰较大的环境噪声。为此，可在不使用振荡器且处于现场施工环境的情况下，先测定线缆的空载谐振频率分布图。这样测定的现场频谱分布图同时包括了谐振频谱和环境噪声频谱，可作为选择简易振动器振动频率的参照频谱分布图。如图3所示，分别测定了振动施加前后的频谱分布图，其中横轴坐标是频率(单位：Hz)，纵轴坐标是幅值(相对量，无量纲)。根据实际经验，可将横轴划分为三个主要分布频带：低频区域(典型范围：0～200Hz)、中频区域(典型范围：500～1kHz)、高频区域(典型范围：1.2～2.0kHz)。其中线缆固有谐振频率一般位于低频范围，且低频部分易受到环境噪声干扰，如示意图a中0～200Hz存在很多环境噪声。所以，在选择简易振动器的振动频率时，应该避开上述可能存在干扰的频带，通常选择位于中高频频段的一个振动频率值(典型值：1～2kHz)。例如，示意图a中在1.2kHz附近施加了振动信号，避开了存在较大干扰的低频频带，可以观察到明显的谐振峰。
为了快速区分所有线缆，简化操作流程，只用尽可能少的测量次数和工序，就能将所有的线缆就加以区分开来，采用分组成束的方法。例如有20条待区分线缆，可将这20条线缆均分为5组，分别记为A、B、C、D、E组。每组4条线缆束成一束，作为一个整体施加振动。现从A组开始进行检测，即振动器同时对这4条线缆施加振动，观察PC端处理得到的频谱图。假设此时得到频谱图中没有观察到与施加振动频率相符合的谐振峰，则继续对B组进行检测。同样观察得到的频谱图，如果此时能够观察到，则说明B组的4条线缆中有一条线缆和传感装置接入的线缆为同一条。再对这4条线缆进行分组，即每2条线缆为一组，那么最多只需要测量两次就可以区分出第一条线缆。上述过程中只使用了4次测量就区分出第一条线缆，理论上使用该方法去区分一条线缆最大测量次数为8次，远小于不使用的该方法的最大测量次数19次。
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