油气长输管道伴行光缆状态监测及断点精确定位技术综述*

张 涛1，曹文琛1，罗仁泽2a,，孙 啸1，郑宇恒1，沈 忱1，谢 斐1，邓治林

(1.国家管网集团西南管道有限责任公司，成都 610218；2.西南石油大学 a.油气藏地质及开发工程国家重点实验室;b.电气信息学院，成都 610500)

0 引 言

油气长输管道是我国油气资源的主要运输方式，对于国家的经济发展以及安全都十分重要。但是，我国油气管道所经地环境复杂，人工难以实现长距离实时监测，这给油气资源运输安全带来了极大的挑战。随着技术的进步，相关学者提出了管道伴行光纤监测的方式用以实时监测油气管道周边的情况[1]。但是，随着管道规模的逐步扩大，管道伴行光纤的规模也随之扩大。随着时间的推移，管道伴行光纤由于老化、地质变化、人为破坏等事件会受到不同程度的影响，甚至发生断纤等事件，严重影响企业通信以及管道企业的安全运行。因此，管道伴行光纤状态监测以及断点准确定位对于管道企业安全运行也十分重要。

光纤断点检测主要是检测光在光纤中传播时后向散射光的变化情况。激光器发出的光在光纤传播过程中受光纤材质不均匀性等影响，光子与纤芯晶格间发生碰撞会产生散射效应，包括瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射。当光纤链路中有非常规能量损失点时，后向瑞利散射光特性会发生明显变化，通过检测后向散射光能量的大小可以定位传输衰减故障点[2]。当光纤链路中有断点时，光会在断点处产生菲涅尔反射。光时域反射仪(Optical Time-Domain Reflectometer,OTDR)可以对相关信号检测，实现对故障点的定位与检测[3-4]。早在20世纪80年代，我国学者就开始研究光纤断点检测设备，当时主要有传送损失测定法、杂散光检出法、相位零点检测法、光脉冲反射法、光子探测或背向散射法[5-7]。但由于技术条件限制，有的方法在实际使用中效果并不理想，但是背向散射法检测光纤断点却拥有较好的效果，现在一些光纤断点检测设备大致也是依照类似的原理进行检测，并逐步成熟。随着光纤故障检测技术的发展，OTDR衍生出了多种不同类型的产品[8]。随着计算机的发展，许多设备都依赖计算机进行信号分析，OTDR也是如此，并且现有许多算法被用来分析OTDR设备传回的信号。

现如今，对于企业而言，为维护企业内部通信，光纤通信也是极其重要的通信方式，而目前企业也迫切需要对光纤状态进行高精度的实时监测。到目前为止，大多光纤断点检测设备难以实现实时监测功能，而现在光纤所处环境日益复杂，传统的检测设备难以适应目前实际需求，断点及状态监测显得十分重要。

1 油气长输管道伴行光纤状态检测技术

光纤断点检测仪器主要有脉冲法OTDR、光子计数法OTDR、相干法OTDR，其中相干法OTDR由于其自身优势被广泛应用而取得了较好的发展。

1.1 脉冲法OTDR

如图1所示，脉冲法OTDR采用脉冲激光器发射激光，光纤正常时产生瑞利散射，故障时有菲涅尔反射，利用脉冲激光光纤链路传播时间确定光纤故障位置。但背向散射信号弱，有用信号难以获得。虽然该法简单易行，但有着动态范围和空间分辨率不可兼得的缺点[8]。

图1 脉冲法OTDR原理

1.2 光子计数法OTDR

利用光子雪崩效应电子计数检测，对背向散射信号位置定位[9]。2013年光子计数OTDR可在13 min内识别出长达217 km光纤的缺陷[10]。Li等人[11]研制了一种光子计数OTDR，该光子计数OTDR实现了小于9 cm的空间分辨率。Zhao等人[12]使用基于超导纳米线单光子探测器的光子计数OTDR，获得了46.9 dB的动态范围，最大感知距离为246.8 km，在100 km后测量光纤的时间减少到1 min。该法动态范围大、低噪声，但系统结构复杂，组件价格高，同时测试时间长，不宜实时监测。

图2 光子计数法OTDR原理

1.3 相干法OTDR

1.3.1 简单编码相干OTDR

该相干探测原理如图3所示[13]。该类OTDR动态范围有所提高，但系统组件成本高昂，测量精度较低，并且随着现在光纤检测距离越来越长，基于简单编码的OTDR由于其编码长度的限制有可能会出现重复编码的问题，这对信号的精准检测也存在一定程度上的干扰。

1.3.2 基于混沌信号的OTDR

(1)混沌信号的获取

近年来，混沌激光被认为是一种有希望产生高速随机数的物理熵源。为了得到更好的混沌信号，研究人员也通过各种方式来获取这种信号。Wu等人[14]通过实验研究了由半导体激光器驱动和双半导体激光器组成的远距离等时混沌同步系统，通过外部反馈驱动半导体激光器产生的驱动混沌信号。Mu等人[15]研究了一个由三个级联耦合半导体环形激光器(Semiconductor Ring Laser,SRL)组成的混沌系统，同时研究了所产生混沌的时延特征(Time-Delay Signature,TDS)和带宽，并论证了在注入强度的参数空间中同时消除TDS和提高带宽的可能性。Zhao等人[16]提出了一种快速产生随机数的方案，将传统的混沌外腔半导体激光器(External-Cavity Semiconductor Laser,ECSL)的信号注入到频谱扩展模块中，从而产生带宽增强的混沌信号。仿真结果表明，该方案可产生带宽增强的混沌光，其有效带宽可提高到70 GHz。

半导体激光器由于受光反馈、光注入或光电反馈的影响，很容易发出大振幅的光学混沌信号。不幸的是，由于半导体激光器的弛豫振荡频率较低，利用上述三种技术产生的这些光学混沌信号的带宽一直被限制在几千兆赫。因此，光学混沌信号在带宽方面的优势没有得到充分利用。Wang等人[17]通过实验证明了用连续波光注入方法可以增强混沌激光产生的混沌信号的带宽，采用光反馈的分布式反馈半导体激光器作为混沌激光器。与无光注入时相比，光注入混沌激光器使混沌信号的带宽提高了约3倍。

Pan等人[18]对半导体激光器混沌信号的随机性和带宽增强进行了实验和数值研究，通过在传统的主从配置中增加一个额外的注入路径可以提高系统产生的混沌信号的随机性和带宽，与单路径注入相比，从半导体激光器(Slave Semiconductor Laser，SSL)中导致宽带随机性增强的混沌的注入参数空间区域可以大大拓宽。Xue等人[19]用数值方法展示了一种高速双向混沌通信，使用了带有抑制延时信号的混沌光信号。在该方案中，第三个半导体激光器的输出作为信号驱动另外两个具有自反馈的相同激光器进行同步。当驱动激光器的部分输出耦合到第三激光器中时，由于具有较强的宽带光注入，驱动激光器产生的混沌的固有时延特征被抑制，可以实现10 Gb/s以上的高速混沌通信。Han等人[20]的数值计算表明，双模连续波光注入Fabry-Perot激光二极管在光反馈作用下产生的混沌带宽是没有光注入时的4～6倍。即使在Fabry Perot激光二极管偏置电流较低的情况下，双模光注入后的混沌带宽也能达到35 GHz，是无光注入时的6倍。他们还通过光反馈激励FP-LD的不同模式，发现这些模式的混沌带宽有所增强。Xiang等人[21]数值研究了半导体激光器在双混沌光注入(Double Chaotic Optical Injection,DCOI)作用下产生的混沌信号的不可预见性和带宽特性，利用排列熵定量评价了系统的不可预测性程度。与单次混沌光注入的从机相比，DCOI能显著提高从机的混沌带宽和不可预知性程度。结果表明，随着注入强度的增加，半导体激光器(Semiconductor Laser,SL)产生的混沌信号的不可预测性程度先增大后减小，直到达到一个恒定的饱和状态。

(2)混沌光时域反射仪(COTDR)

过去常用成本较低的光时域反射仪实现光纤断点检测，该方法能正常检测，但动态检测范围小。利用混沌光，采取波分复用技术，可完成断点故障定位[22]。

传统单脉冲OTDR测量精度受到脉冲宽度、计时误差等因素影响[23]；相关法光时域反射仪(correlation-OTDR)[24]可较好实现光纤完整性检测[25]，但其空间分辨率并未改善。混沌激光带宽可达GHz级别[17]，无周期循环问题[26]；混沌光时域反射仪(Chaotic OTDR,COTDR)[27-30]能实现长距离、等精度测量[31]，其原理如图4所示。

图4 COTDR原理

表1对光纤故障检测设备的性能进行了总结和对比。

表1 光纤故障检测设备性能对比

2 油气长输管道伴行光纤状态监测技术

2.1 光纤状态监测系统

如图5所示，相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)是基于相干检测的，系统采用超窄脉宽光源，增强了瑞利散射光干涉效果，避免了后向瑞利散射的干涉效应被弱化，具备监测光缆周边振动频率和强度信息的功能。光电探测器探测通过检测散射光返回时间定位[4,32-34]，通过信号间时间延迟算出振动点距主机距离[32,35-36]。

图5 Φ-OTDR原理

普通OTDR仅能探测光纤传感折射率突变。1993年，Taylor提出光源高度相干、仅极小线宽、极小频率漂移的Φ-OTDR传感技术[32]；1994年，Juskaitis[37]利用Φ-OTDR实现入侵(振动)检测；2013年，安阳等人[38]设计了双光束干涉分布式光纤振动传感系统，分辨率达20 m，信噪比到8.5 dB。

2.2 基于Φ-OTDR的管道伴行光纤断点定位方法

Φ-OTDR系统光源线宽窄，背向瑞利散射光干涉更明显，但后向瑞利散射光经过调制器分离后信噪比降低，光纤放大器引入后产生了新的噪声。小波方法可解决非平稳信号处理中时间分辨率与频率分辨率的矛盾[39]，采用小波理论及谱减降噪法[40]可对信号降噪处理[41]。冯欣等人[42]提出了小波信息熵法分离噪声和入侵信号，何元飞等人[43]提出了小波变换光通信网断点实时检测法实现断点大区间动态检测。

2.3 光纤断点状态监测系统优缺点

该方法的优点：可通过测试故障点和振动点的地面相对距离以判断故障点位置，不需要查找光缆接续盒，减少了人工开挖作业坑工作量；通过高功率、高稳定性的窄线宽激光脉冲光源应用，散射光信号更稳定，系统信噪比高；普通OTDR仅有100～150 Mb/s采集速率，但Φ-OTDR可达200 Mb/s以上采集速率，可在极短时间内完成线路振动信息扫描，达到不间断实时监测。

但是，Φ-OTDR系统不能检测出光纤沿线损耗分布等具体信息，且对被测光纤质量要求较高，若被测光纤质量较差或损耗较高，则会缩减测试长度。在实际应用中，应首先使用OTDR测量光纤损耗情况，判断光纤质量和故障点距离，再在距离故障点最近的中继站使用Φ-OTDR振动监测系统，提高故障定位准确性[35]。

3 结束语

管道伴行光缆已成为管道公司之间相互联系以及管道状态监测的主要方式，对管道伴行光缆状态监测十分重要。OTDR对光缆定时检测，难以做到实时监测。现有Φ-OTDR可以对管道伴行光纤进行实时的故障监测，该设备基于光纤振动信号来监测光纤故障情况，对光纤材质以及数据处理算法要求较高。仅仅依靠小波去噪处理效果不能满足工程需要，因此研究高效、精确的光纤状态监测及断点定位算法是今后的方向，也是国家油气管网集团所急需。