基于BOTDR 分布式检测技术的光缆隐蔽性缺陷识别

夏彦卫，贾伯岩，庞先海，丁立坤，王怡欣

（1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021；2.国网河北省电力有限公司，河北 石家庄 050021）

引言

随着社会用电量需求的增加，用电负荷屡次突破历史极值，线路重载、过载现象较为突出，导致线路故障风险剧增。为了满足大容量、大跨越的输电要求，提高线路载流量势在必行[1-3]。目前光缆的材质种类很多，而碳纤维导线在增加输送容量、降低弧垂、减少线损、提高线路抗风能力等方面表现出其他类型导线无可比拟的优势，被业内称为“超导导线”，在线路增容改造、复杂地形大跨越等线路工程中得到广泛应用，并推广至基建工程中[4-6]。该导线纤芯为碳纤维浸渍树脂制成，其伸长率相对较低，不能大角度弯折，但在施工时难免会出现弯折现象，造成碳纤维导线在投运前就已遭到破坏，出现微裂纹等隐蔽性缺陷，待正式投运后在导线重力、风载荷等共同作用下，隐蔽性缺陷快速增大，出现跳线断线故障。因此，为使碳纤维导线更好地应用于光缆项目，对其隐蔽性缺陷进行识别非常必要。

近年来，国外有学者做了相关研究，如文献[7]利用纳米矢量网络分析仪在不同频率下测量光缆的输入端口反射幅度，将其作为特征进行散射参数的识别，通过K 近邻算法对光缆信号分类，实现缺陷识别；文献[8]介绍了分布式光纤传感技术的一般背景和基本原理，然后对其在基础设施健康监测中的应用进行了全面的回顾和评价，包括桥梁、水坝、边坡、管道、隧道、矿山输送机和路面。如吉咸阳等人采用边缘检测方法搜索光缆边界，再利用统计过程控制方法对光缆的缺陷进行预估，形成疑似缺陷图像，而准实时检测是利用双向微分算法对疑似缺陷图像的弱边缘进行分析，并通过分水岭分割算法对整个缺陷区域进行分割，以此确定光缆的缺陷位置[9]；李斌等人首先对光时域反射仪进行了构建，利用其对故障信号进行采集，然后通过小波分解的方式对信号进行分解与重组，并对小波包能量进行特征提取，将提取的特征向量输入至支持向量机模型中进行训练与测试，进而实现光缆缺陷的检测与识别[10]。上述两种方法虽然对光缆出现的缺陷起到了一定的识别作用，但是第一种方法对图像采集的质量要求较高，且算法复杂，应用价值不高；第二种方法则不擅长连续缺陷点的处理，也就是说如果光缆同时存在多处缺陷点时，该方法的识别精度就会下降。

布里渊光时域反射（Brillouin optic time domain reflectometer，BOTDR）技术采用单端测量结构，可以同时获取测量温度与应变信息，测量精度高、传感距离长且比较容易实现，被广泛应用于各类设施运行情况的识别[11-12]。因此，本文提出基于BOTDR 分布式检测技术与解调信号的光缆隐蔽性缺陷识别方法，可以有效实现光缆隐蔽性缺陷识别，具有较强的应用性。

1 光缆隐蔽性缺陷识别

为了实现以碳纤维导线为材质的光缆隐蔽性缺陷在线无损识别，本文利用分布式光纤传感技术，在生产阶段将光纤植入多股碳纤维导线复合芯的内部作为传感器，利用光纤对温度、应力、传播损耗的高精度感知，来检测植入光纤后对以多股碳纤维导线复合芯为芯棒的光缆隐蔽性缺陷。将光纤植入到线芯内部后，内部出现的微裂纹等隐蔽性缺陷分为两大类：一是微裂纹伤及光纤本体，光在光纤受损处受阻或逸出，表现为光路不通或损耗增加，通过测量光路通断或损耗情况对其进行表征；二是微裂纹未伤及光纤本体，碳纤维导线正常运行状态下，会受到导线重力等形成的张力作用，整体发生拉长形变，微裂纹缺陷处将出现应力集中，其形变量大于其他完好区段，光纤将出现一个较大的形变点，进而造成光纤频率出现突变。

本文采用基于分布式光纤布里渊散射的BOTDR 技术，检测碳纤维导线的温度和应变分布情况，同时结合光时域反射技术（optic time domain reflectometer，OTDR）检测碳纤维导线中光纤的损耗情况，多维度地分析碳纤维导线的缺陷及位置分布，进而实现光缆的隐蔽性缺陷识别。

1.1 基于分布式传感技术的光缆隐蔽性缺陷识别

1.1.1 基于BOTDR 技术的光缆温度和应变检测

BOTDR 属于传感技术，具有分布式的特点。该技术可以感知到光纤的温度与应变信息的变化，而这一过程则是通过分析布里渊（Brillouin）散射频谱在时间以及空间上的变化情况与分布情况来实现[13]。

当植入到碳纤维导线线芯内部中的光纤温度T与应变值 ε产生变动时，在散射谱中体现出来的便是功率与频率的改变。而T与 ε通常利用测量Brillouin 频移vB来进行传感，所以vB与T和 ε之间存在着一定的数学关联。

设定植入到碳纤维导线线芯内部的光纤密度用 ρ描述，泊松比用k描述，光纤折射率用n描述，杨氏模量用Y描述，激光波长用 λ描述。如果T或 ε发生变化，那么n就会发生改变，ρ、k和Y均会受到影响，所以布里渊频移可以通过T和 ε的关系函数进行描述，公式为

如果T等于初始温度T0，那么在应变梯度较小的情形下，当 ε=0，且不考虑高阶项的情况时，对式（1）进行泰勒展开，进而得到：

式中：Δε 为应变变量；Cε为vB的应变线性系数。由此可以看出，vB随着 ε的改变会产生线性变化。

如果光纤没有产生应变，且温度梯度较小时，当T=T0，且不考虑高阶项的情况下，实施泰勒展开，可得到：

式中：ΔT为温度变量；CT为vB的温度线性系数。以此可以得出，vB也会随着T的改变产生线性变化。

依据T和 ε对vB的影响，可以将vB重新描述为

式中：vB(ε0,T0)为初始Brillouin 频移；ε0为初始应变值。

根据获取的Brillouin 频移，便可以知晓植入到碳纤维导线线芯内部的光纤温度与应变情况，进而可以获取碳纤维导线的缺陷及位置分布。

1.1.2 基于OTDR 技术的光纤损耗检测

为了对以多股碳纤维导线复合芯为芯棒的光缆隐蔽性缺陷进行更为精准地识别，在对碳纤维导线线芯内部的光纤进行温度与应变检测之外，还需对光纤的传播消耗情况进行检测，从多维度来分析碳纤维导线存在的缺陷以及分布的位置，进而实现光缆的隐蔽性缺陷识别。

OTDR 是当下较为有效的对光纤传播损耗进行监测的技术，该技术可以将光纤后向散射信号曲线反映出来，具有直观、准确的特点，并且在监测损耗的过程中，还能够测量到由局内至所有接头点的传播距离，对于光缆缺陷的精确查找以及故障的及时处理都非常重要。

OTDR 技术首先将脉冲光发射至碳纤维导线线芯内部的光纤中，之后在OTDR 端口处对返回的信息进行接收，以此完成传播损耗测量。

在光纤内，脉冲光在传播的过程中，往往会出现散射和反射现象，这样便会有一些散射光以及反射光重新折返至OTDR 端口位置，此时探测器便会对这些折返光中的信息进行探测，获取的结果则被视为在光纤各个位置上的时间或曲线片段。根据脉冲光信号从发射至折回所需的时间，以及脉冲光在光纤中的传播速度，进而求得传感距离，描述为

式中：c为真空光速；t为脉冲光信号从发射至折回所需的时间。

根据此距离便可以确定碳纤维导线线芯内部光纤出现破损的位置。

关于光纤的特性，OTDR 技术通过瑞利散射与菲涅尔反射来体现。其中瑞利散射是一种没有规律性的散射，脉冲光顺着光纤方向进行传输时产生。接收机可以根据折返的背向散射光，判断出光纤传播损耗情况，在移动轨迹上体现出来的就是呈衰减趋势的曲线。由此可知，背向散射光的功率在逐渐变弱，进而表明在光纤中，光信号经由一定时间的传播后，有不同程度的损耗。

菲涅尔反射通常由光纤内的一些点引发形成，当散射光通过这些由引起反向系数发生变化的各种因素构成的点时，便会被反射回来。通过反射信息就可以获取各个连接点以及断点的位置。

根据上述两种光纤信号的作用原理，可以检测碳纤维导线发生线芯微裂纹、断裂后对光纤损耗、形变等参量的影响。当外界环境施加后，可以根据外界环境作用方式（如波动性、整体性等）的不同对信号进行区分。

1.1.3 光缆隐蔽性缺陷识别实现

将BOTDR 技术与OTDR 技术相结合，便可以设计出关于光纤温度、应力以及光纤传播损耗检测的分布式传感系统，以此实现以多股碳纤维导线复合芯为芯棒的光缆隐蔽性缺陷识别。

一般情况下，分布式传感系统检测光信号的方式主要分为2 类，即直接检测与相干检测。由于Brillouin 散射光的功率较小，并且掺杂的噪声也较多，不适合直接检测方式；而相干检测则可以通过参考光来增强Brillouin 散射光的信噪比，起到了间接放大Brillouin 后向散射光的作用，因此本文选用相干检测的方法对光信号进行检测。基于分布式光纤传感技术的传感系统框图如图1 所示。

图1 BOTDR 传感系统框图Fig.1 Block diagram of BOTDR sensing system

在该系统中，利用分路器将连续波信号划分成2 类，即信号光、参考光。其中，信号光通过电光调制器转换成脉冲光，脉宽可以自适应调节。利用光纤放大器对脉冲光进行放大操作，然后由光纤光栅将放大的自发辐射噪声去掉，再通过环形器投射至待测光纤中。

Brillouin 后向散射信号返回时，会经过环形器，并在此处完成耦合操作，之后再次进行放大处理，这一过程需利用光纤放大器来实现。参考光与Brillouin 后向散射信号在光电检测环节中实施相干检测，用公式描述为

式中：∂为光电转换系数；φs、Ds0以及fs为信号光初始相位、强度以及频率；φr与Dr0以及f为参考光初始相位、强度以及频率。

当碳纤维导线线芯内部光纤的某个位置的温度、应力以及传播损耗发生改变时，Brillouin 散射光就会出现频移现象，将参考光和散射光混频之后进入相干接收机，对后向Brillouin 散射信号进行测量。因为往往只有散粒噪声才能对相干接收机产生影响，所以其具有较高的灵敏度，通常情况下，瑞利散射与Brillouin 散射相比会高出20 dB～30 dB，这样就可以利用相干接收机将瑞利散射去除，进而获取足够窄的频率精度，确保，灵敏性。

综上所述，分布式传感系统可以对导线线芯内部的光纤温度、应力以及传输损耗情况进行感知与表征，可以快速地定位到碳纤维导线线芯内部的光纤表面，以及本体出现微裂纹的部位，进而实现对以多股碳纤维导线复合芯为芯棒的光缆隐蔽性缺陷识别。

1.2 Brillouin 散射信号包络解调

在传感系统中，由于接收到的Brillouin 散射信号通常为宽带信号，不在指定频率上，而且整个散射呈非线性，导致其表现为随机偏振态，散射信号中存在较多的随机噪声，因此需要利用一种处理方法，从信号中对包络信息进行提取，去除噪声，实现信号的解调。

morlet 小波具有多尺度、自适应性能好的特点，并且在时域和频域上均有较强的表征能力[14-15]。因此，本文使用morlet 小波对散射信号的包络进行提取，从而得到解调后的信号。

对于morlet 小波而言，可将其视为复数滤波器，它的实部可以看成是零相移滤波器，而它的虚部则可以看成是相移滤波器。根据这一特点，便可以对散射信号实施包络提取。

在morlet 小波中，母小波可以描述为

式中p0为中心频率。

将式（7）进行扩展，得到关于实部与虚部的表现形式，分别描述为

设定信号用x(t)描述，展缩因子用s描述，平移因子用 τ描述，进行morlet 小波变换以后，其实部可以描述为

虚部可以描述为

对式（10）、式（11）实施平方相加的运算，再进行开方处理，便能够获取经过小波变换以后的包络，描述为

信号的包络检波主要包含2 个部分，即滤波与幅值解调，利用小波的滤波功能以及实部与虚部π/2的正交特性所提供的信号解调功能，便能够完成包络检波。如果取不同尺度下的小波对信号进行分析处理，就能够获取到信号在不同频率下的包络成份，并得到信号的包络尺度谱，进而得到整个频域内的包络，实现散射信号的包络解调。

1.3 Brillouin 散射谱的曲线拟合

Brillouin 频移与温度和应变都呈线性关系，如何快速提取并准确计算出Brillouin 频移是实现参量分析、长距离定位的关键。为此，本文利用列文伯格-马夸尔特算法（LM）对Brillouin 散射谱进行数据拟合，对最优Brillouin 频移量参数作出精确估计。

LM 算法是在高斯牛顿算法基础上引进阻尼因子，并对期望参数进行重组，使初始值的选择区域得到拓展。

设定Brillouin 散射谱模型描述为

式中：B为Brillouin 频移量参数向量；i=0,1,···,N为离散点，其中传感系统中的点数用N＞3描述。

以求得B的逼近误差E(B)为目标，建立目标函数描述为

算法的迭代关系可以描述为

式中：J=[yi-f(xi,B)]TR-1[yi-f(xi,B)]，为Jacobian矩阵，其中R为对角阵；H=JTJ为Hessian 矩阵；A为单位矩阵；λ为阻尼因子；l为迭代次数。目标函数的最小值即为Brillouin 散射谱模型中的频移量最佳参数。LM 算法流程图如图2 所示。

图2 LM 算法流程图Fig.2 Flow chart of LM algorithm

LM 算法具体过程如下：

1）对相关参数进行初始化操作，包括B的初始值、权重w以及期望误差 ε等；

2）根据式（14），求得初始逼近误差E1；

3）将ε 与E1作对比，若E1＞ε，那么计算Jacobian矩阵，对w进行修改，并重新求取逼近误差，得到E2；

4）比较E1与E2，当E2＜E1时，那么再次对w进行修改，计算逼近误差E3，并将E3与E1作对比，如此反复循环，直到E＜ε，保留w，完成Brillouin 散射谱的数据拟合，得到Brillouin 散射谱模型中的频移量最佳参数，进而获取精准的Brillouin 频移，快速、准确地定位光缆隐蔽性缺陷的位置。

2 实验分析

以某地区的电力光缆为实验对象，光缆全长约150 km，横跨多个区域，为周边地区进行电力传输与信息通讯。该电力光缆采用架空式的铺设形式，架设在电力线杆塔上，光缆芯棒为7 股碳纤维导线复合芯。

为了验证本文方法的有效性，实验选取该电力光缆中某一段光缆作为识别对象。实验采用中心波长为1 550 nm 的DFB 激光器、CONOPTICS-M370LA电光调制器、AmonicsEDFA 掺铒光纤放大器、PulseRider PG1000 脉冲发生器、康冠KG-RF 放大器、SiliconAPD-C30921 光纤光电探测器以及Discovery DP-QPSK 相干接收机作为主要元件，构建了分布式光纤传感系统，对该段光缆进行隐蔽性缺陷识别，结果如图3 所示。由图3 可知，利用本文方法对该段光缆的隐蔽性缺陷进行识别时，从光纤温度与应变频移方面来看，在1 160 m 之前的频移较为平稳，而在位于1 170 m 附近则出现大幅波动；从光纤传播损耗方面来看，也是在1 170 m 处出现了断崖式下降，表现异常。综合上述3 个方面考虑，判断该段光缆在1 170 m 处存在隐蔽性缺陷。

图3 光纤温度与应变频移以及传播损耗情况Fig.3 Optical fiber temperature,frequency conversion shift and propagation loss

为了验证本文方法对于光缆隐蔽性缺陷识别的准确性，实验将1 170 m 处的光缆进行了截取，并剥开线芯进行检查，结果如图4 所示。由图4可知，截取的1 170 m 处光缆，去除光缆保护套，剥开线芯后可以清楚地看到，有部分碳纤维导线出现了轻微破损，虽未伤及光纤本体，没有影响光缆的正常运行，但光在传输过程中，在该受损处受阻，表现为光路不通畅、损耗增加。如果不进行处理，那么若再有外力作用于此处，则会形成一个较大的形变点，引起频率突变，影响整个光缆的正常运行。

图4 碳纤维导线线芯破损图Fig.4 Broken image of carbon fiber conductor core

综上可以看出，本文方法可以有效地识别光缆的隐蔽性缺陷，准确度高，实用性强。为了进一步考量本文方法对于碳纤维导线复合芯内部状况的检测性能，实验将从该光缆上截取的1 170 m 处有轻微破损的光缆以及一段完好无损的光缆作为样本，对它们进行了施力与撤力操作，经过测试，得出的应力变化结果如图5 所示。

图5 光纤应力变化对比图Fig.5 Comparison diagram of optical fiber stress changes

由图5 可知，在对2 种光缆进行施力操作后，光纤的应力均产生了明显变化，与初始状态相比，均有一定的偏差。当撤去施加在这2 种光缆上的力之后，无破损光纤内部的应变迅速恢复到初始状态，而受损的光纤则没能恢复到初始状态，且与初始状态存在较大差异。由此说明，通过本文方法可以较好地分析出光纤应力的变化情况，进而准确地对光缆的隐蔽性缺陷进行表征。

3 结论

为了推动碳纤维导线在增容、大跨越等线路工程中的应用，杜绝导线断线等恶性事故的发生，为新型电力系统建设提供技术支撑，本文提出一种基于BOTDR 分布式检测技术与解调信号的光缆隐蔽性缺陷识别方法，对以多股碳纤维导线复合芯为芯棒的光缆隐蔽性缺陷进行了识别。该方法揭示了存在隐蔽性缺陷碳纤维导线内部光纤信号的变化规律，实现了碳纤维导线隐蔽性缺陷的准确识别。通过实验证明，本文方法在识别光缆隐蔽性缺陷方面有着较好的表现，适用于此类缺陷问题的解决。