光频域反射在电力光缆故障定位中应用研究

郭 旻，李春明，王 健

（1.内蒙古自治区工业大学信息工程学院，内蒙古自治区 呼和浩特 010080；2.国网山西省电力公司信息通信公司，山西 太原 030001）

0 引言

目前，随着我国光纤通信的快速发展，光纤已经成为信息传输的主要方式并广泛应用于各行业；特别是在电力通信领域，由于光缆承载着绝大多数的电力生产及管理业务，因此对光缆的运行维护工作是不可或缺的。如果没有及时对光缆出现的故障情况进行排查，不仅会严重影响到光纤通信和光缆正常运行，更会给人们的日常生活带来诸多不便。为保证电力通信网络的安全稳定运行，探寻一种精确查找故障、有效处理故障的方法就显得尤为重要。目前，针对故障定位的方法使用较多的是利用光时域反射计OTDR（optical time domain reflection），这种方法是通过对散射光的光程差以及时间差检测来判定光缆的故障位置，但其判定的精确度取决于探测脉冲宽度的大小，很大程度上会影响故障位置准确性的判定[1-2]。为了解决这个问题，研究者们运用各种信号处理技术改进定位的精度。自20世纪90年代起，光频域反射计 OFDR （optical frequency domain reflectometer）作为一个发展快速的新技术，由于其在测量精度上的优势引起了广大研究者研究的兴趣，并进行了深入的分析。

1 光频域反射的工作原理分析

OFDR是一种基于光外差探测的新技术，其工作原理的总体结构由线性扫频光源、迈克尔逊干涉仪（M-Z干涉仪）、信号处理单元（频谱分析仪）、光电探测器（PD） 等组成。工作原理图如图1所示。

光频域反射计通过持续线性扫频光源，经光纤耦合器后分成两束光，即参考光和信号光。参考光是一束光经固定反射镜转向注入端，由于其光程固定，将其定义为参考光。信号光是一束光经待测光纤，由于待测光纤折射率的不均匀而产生瑞利散射，使其部分后向散射光转向注入端，将其定义为信号光。当光束的传播长度满足光的相干条件时，参考光和信号光会在光电探测器上发生混频现象[3]。

图1 OFDR工作原理图

为方便分析光频域反射过程，将待测光纤长度设为L，且为单模光纤；经过耦合进入光纤x=0处光波的电场强度设为E0，背向瑞利散射系数设为σ（x），光功率衰减系数设为a（x），参考臂反射系数设为r，传播常数为 β（t）=ω（t）/vg=β0+γt，得参考光的电场强度为

得信号光的电场强度为

得输出电流为

在式（3） 中，和两项代表着测电流的交流分量，可写为

由式（4） 可知，在待测光纤上任意一点处，其后向瑞利散射信号所对应的光电缆频率为当x=0时，散射点位置Ω与光电缆频率 成正比关系。当光电缆频率Ω小于光电探测器的截止频率时，光电探测器输出一个相应频率的光电缆，该振幅与待测光纤上任意一点x处的后向瑞利散射系数、光功率大小均成正比关系。因此可以得到待测光纤的瑞利散射衰减特性，再通过测试得到的频率最大值便可对待测光纤长度进行推导计算[4]。

2 光频域反射优点及应用层面

OFDR作为一种新技术，通过对光纤中背向瑞利散射的探测实现分布式光纤传感。与传统的OTDR相比，OFDR在信噪比、灵敏度和空间分辨率上具有明显优势[5]。在灵敏度方面，OTDR直接探测待测光纤的后向瑞利散射光信号，由于参考光的光功率较大，而后向瑞利散射光功率很小。因此，OFDR探测方式的灵敏度要比OTDR探测方式的灵敏度更优。空间分辨率高是指辨别测量点之间距离短，可测量得到相较于OTDR更多的光纤信息，并明显反映光纤特性。

对于光频域反射技术主要应用于光通信网络诊断、集成光路诊断以及光学相干层析技术3个方面，而应用领域的差异主要体现在OFDR系统光源部分的调制方式上。光通信网络诊断需要波长为1.3 μm或是1.55 μm的光源，对测量量程要求大。1990年Sorin等人利用ND：YAG激光器产生波长为1.32 μm的光源，测量范围为50 km，分辨率达380 m[6]；1995年Tsuji等人利用Er-Yb激光器产生波长为1.55 μm的光源，测量范围为30 km，分辨率达50 m[7]；2000年Oberson等人利用可调谐光纤激光器产生线宽为10 kHz的光源，在150 m长度上，分辨率达16 cm[8]；集成光路诊断对测量量程要求大于光学相干层析技术。1993年，Glombitza等人利用磷化铟光波导结构在25 mm的测量长度上的50 μm的分辨率[9]。光学相干层析技术可应用于医学领域，是一种可对组织层进行扫描成像的技术。测量范围几个毫米，分辨率可大几十微米。1998年H.Hiratsuka等人利用光栅调制半导体激光器光源搭建了一种测量量程1 mm，分辨率达47 μm的OFDR系统[10]。2003年S.H.Yun等人验证了一种分辨率达13.5 μm的OFDR系统[11]。

3 光频域反射应用于电力光缆故障定位中的案例分析

基于目前电力光缆故障定位普遍存在定位不准的缺陷。现有光缆故障定位方法以OTDR测定光缆长度为依据，结合光缆敷设资料以起点为基准点进行计算，估算光缆故障地理位置区域，并在区域内进行人工查找。基于OTDR的光缆定位方法如图2所示。

图2 基于OTDR光缆定位方法

测试光缆以故障点37 km中断测试为例，在光缆长度与光缆地理长度误差率恒定为5%的基础下，其地理定位误差将达到1.8 km。而光缆在敷设时存在弯曲、倾斜等因素，以OTDR测定光缆长度方法会造成光缆长度与光缆地理长度的地理定位误差，且地理定位误差随光缆长度成一定误差率增长。

基于OFDR的光缆故障定位方法，通过对光纤中背向瑞利散射的探测，以接头盒作为光缆标识点和地理标识点进行定位。经实际分析，其故障地理定位精度误差在±25 m内。使其地理定位误差不再跟随光缆增长而增加，有效降低光缆故障地理定位误差，便于维护人员精准定位、快速排查光缆故障点。

4 结束语

通过分析OFDR技术原理，对比了OFDR的优势，提出了一种基于OFDR技术的电力光缆故障定位的应用研究。解决了光缆敷设时存在的弯曲倾斜等情况所造成的光缆长度与光缆地理长度的地理定位误差问题，实现了光缆故障定位精度的提升。