一种超长光缆的故障监测系统的制作方法

本实用新型涉及一种超长光缆的故障监测系统，属于超长光缆探测技术领域。

背景技术：

随着我国经济社会的快速发展，电力需求不断增加。特高压直流电网具有输电距离长、容量大、线路损耗低、节约线路走廊等特点，是实现“西电东送、南北互供、全国联网”这一国家战略目标的重要途径。随着特高压直流线路工程建设速度的加快，安全问题也日益突出，如何及时发现故障是当前的重要课题。当前，超长海底光缆承载国际通信业务量的90％，而海底光缆易受伤受人为及自然灾害影响。因此，对海缆线路故障的快速准确定位，使得维修人员可以快速对故障进行维修，可降低运营海缆通信系统的费用。在超长光缆维修过程中，一大关键技术是故障点的检测和准确定位。当前主要利用光时域反射仪(OTDR)进行光缆的定位，但OTDR 只能测量光纤故障点距测试点的距离，难以获取故障点光缆的温度和应变信息。因此，光缆迫切需要一种准确的故障点诊断，及时发现隐患，提高运维效率。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种超长光缆的故障监测系统，采用布里渊光时域检测系统实现超长光缆的实时在线监测，利用收集的背散布里渊散射信号得到的原始温度和应变数据从而分析光缆异常点的故障信息，实现高精度的故障定位和诊断。

本实用新型提供技术方案如下：

一方面，本实用新型提供了一种超长光缆的故障监测系统，包括：第一布里渊光时域检测系统、第二布里渊光时域检测系统、上行通路光纤、下行通路光纤以及设置于所述上行通路光纤和下行通路光纤各分段内的多个光中继器，所述上行通路光纤和下行通路光纤的两端分别与所述第一布里渊光时域检测系统和第二布里渊光时域检测系统连接，所述第一、第二布里渊光时域检测系统用于发射探测脉冲光到所述上行通路光纤和下行通路光纤，收集光纤通路中的探测脉冲光散射的背散布里渊光信号以及分析得到光纤通路上各点的监测数据。

根据本实用新型的一实施方式，所述第一/第二布里渊光时域检测系统包括：

脉冲光发射模块，用于发射探测脉冲光到所述上行通路光纤和下行通路光纤；

布里渊测量模块，用于收集所述光纤通路中探测脉冲光散射的背散布里渊光信号获得布里渊频移信息；

分析模块，用于分析所述布里渊频移信息得到所述光纤通路上各点的监测数据，并生成监测曲线，所述监测数据为原始温度数据和应变数据，所述监测曲线为温度均值曲线和应变均值曲线。

根据本实用新型的另一实施方式，所述布里渊频移信息与原始温度数据和应变数据的线性关系为：

υB(T,ε)＝υB(T0,ε0)+CvTΔT+CvεΔε

其中υB(T,ε)是处于温度T和应变ε下的光纤中的布里渊频移；

υB(T0,ε0)是处于初始温度T0和初始应变ε0下的光纤中的布里渊初始频移；CvT是布里渊频移的温度系数；Cvε是布里渊频移的应变系数；ΔT和Δε分别是相对于初始温度和初始应变的变化量。

根据本实用新型的另一实施方式，所述光中继器包括第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器和连接所述第一、第二掺铒光纤放大器的连接通道，所述第一、第二掺铒光纤放大器均为单向放大器，用于放大所述探测脉冲光，所述第一掺铒光纤放大器设置于所述上行通路光纤，所述第二掺铒光纤放大器设置于所述下行通路光纤。

根据本实用新型的另一实施方式，所述第一掺铒光纤放大器内部设置有第一隔离器，所述第二掺铒光纤放大器内部设置有第二隔离器，所述第一、第二隔离器用于隔离逆向传输的探测脉冲光的散射光信号。

根据本实用新型的另一实施方式，所述光中继器还包括第一光开关和第二光开关，设置于所述连接通道上，所述第一光开关和第二光开关相连接，用于控制不同连接通道的切换。

根据本实用新型的另一实施方式，当所述第一光开关连通所述第一掺铒光纤放大器的输出端，所述第二光开关连通所述第二掺铒光纤放大器的输入端时，第一连接通道接通，形成第一上行通路测试回路，所述第一上行通路测试回路为从第一布里渊光时域检测系统经过上行通路光纤、第一掺铒光纤放大器、下行通路光纤回到第一布里渊光时域检测系统；

当所述第一光开关连通所述第一掺铒光纤放大器的输出端，所述第二光开关连通连通所述第二掺铒光纤放大器的输出端时，第二连接通道接通，形成第二上行通路测试回路，所述第二上行通路测试回路为从第一布里渊光时域检测系统经过上行通路光纤、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、下行通路光纤回到第一布里渊光时域检测系统。

根据本实用新型的另一实施方式，当所述第一光开关连通所述第一掺铒光纤放大器的输入端，所述第二光开关连通所述第二掺铒光纤放大器的输出端时，第三连接通道接通，形成第一下行通路测试回路，所述第一下行通路测试回路为从第二布里渊光时域检测系统经过下行通路光纤、第一掺铒光纤放大器、上行通路光纤回到第二布里渊光时域检测系统；

当所述第一光开关连通所述第一掺铒光纤放大器的输入端，所述第二光开关连通所述第二掺铒光纤放大器的输入端时，第四连接通道接通，形成第二下行通路测试回路，所述第二下行通路测试回路为从第二布里渊光时域检测系统经过下行通路光纤、第二掺铒光纤放大器、第一掺铒光纤放大器、上行通路光纤回到第二布里渊光时域检测系统。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的超长光缆的故障监测系统仅收集光纤中的背散射布里渊光信号，以获取大量光缆正常运行下的光纤沿线每一点的原始温度和应变数据。布里渊光时域检测系统分析原始温度和应变数据，将长时间监测数据求平均值，以获取该光缆的温度和应变监测数据的均值曲线。本实用新型的超长光缆的故障监测系统包括第一布里渊光时域检测系统、第二布里渊光时域检测系统、上行通路光纤、下行通路光纤以及设置于上行通路光纤和下行通路光纤各分段内的多个光中继器，其结构简单，采用布里渊光时域检测系统实现超长光缆的实时在线监测，利用收集的背散布里渊散射信号得到的原始温度和应变数据从而分析光缆异常点的故障信息，与基于拉曼散射的光纤温度监测系统相比，本系统可同时测量原始温度和应变数据，提高了故障信息判断精确性。本实用新型的超长光缆的故障监测系统通过光开关实现根据测试环境的不同，对测试回路做任意切换，进一步实现更高精度的故障定位和诊断。

附图说明

图1为本实用新型的超长光缆的故障监测系统的一个实施例的结构框图；

图2为本实用新型的布里渊光时域检测系统的一个实施例的结构示意图；

图3为本实用新型的光中继器的第一实施例的结构示意图；

图4为本实用新型的光中继器的第二实施例的结构示意图；

图5为本实用新型的超长光缆的故障监测系统的第一上行通路测试回路的一个实施例示意图；

图6为本实用新型的超长光缆的故障监测系统的第二上行通路测试回路的一个实施例示意图；

图7为本实用新型的超长光缆的故障监测系统的第一下行通路测试回路的一个实施例示意图；

图8为本实用新型的超长光缆的故障监测系统的第二上行通路测试回路的一个实施例示意图。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，如图1所示，本实用新型实施例提供了一种超长光缆的故障监测系统，包括：第一布里渊光时域检测系统10、第二布里渊光时域检测系统20、上行通路光纤30、下行通路光纤40以及设置于上行通路光纤和下行通路光纤各分段内的多个光中继器50，上行通路光纤和下行通路光纤的两端分别与第一布里渊光时域检测系统和第二布里渊光时域检测系统连接，第一、第二布里渊光时域检测系统用于发射探测脉冲光到上行通路光纤和下行通路光纤，收集光纤通路中的探测脉冲光散射的背散布里渊光信号以及分析得到光纤通路上各点的监测数据。

采用布里渊光时域反射技术(BOTDR)，将布里渊光时域检测系统与光纤进行连接，其中光纤是光缆自带的，将布里渊光时域检测系统发射的探测脉冲光注入到光纤，探测脉冲光在光纤中会发生散射，包含瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，本实用新型实施例的监测系统仅收集光纤中的背散射布里渊光信号，以获取大量光缆正常运行下的光纤沿线每一点的原始温度和应变数据。布里渊光时域检测系统分析原始温度和应变数据，将长时间监测数据求平均值，以获取该光缆的温度和应变监测数据的均值曲线。本实用新型实施例的超长光缆的故障监测系统包括第一布里渊光时域检测系统、第二布里渊光时域检测系统、上行通路光纤、下行通路光纤以及设置于上行通路光纤和下行通路光纤各分段内的多个光中继器，其结构简单，采用布里渊光时域检测系统实现超长光缆的实时在线监测，利用收集的背散布里渊散射信号得到的原始温度和应变数据从而分析光缆异常点的故障信息，与基于拉曼散射的光纤温度监测系统相比，本系统可同时测量原始温度和应变数据，提高了故障信息判断精确性。

作为上述实施例的一个举例说明，如图2所示，本实用新型实施例的第一/第二布里渊光时域检测系统包括：

脉冲光发射模块11，用于发射探测脉冲光到上行通路光纤和下行通路光纤；

布里渊测量模块12，用于收集光纤通路中探测脉冲光散射的背散布里渊光信号获得布里渊频移信息；

分析模块13，用于分析布里渊频移信息得到光纤通路上各点的监测数据，并生成监测曲线，监测数据为原始温度数据和应变数据，监测曲线为温度均值曲线和应变均值曲线。

本实用新型实施例的第一/第二布里渊光时域检测系统通过脉冲光发射模块将探测脉冲光注入上行通路光纤和下行通路光纤中，布里渊测量模块监测实时收集光纤通路中探测脉冲光散射的背散布里渊光信号获得布里渊频移信息，分析模块分析布里渊频移信息，根据布里渊频移信息与原始温度数据和应变数据的线性关系获得光纤通路上各点的原始温度数据和应变数据，并计算该光缆的温度和应变监测数据的均值曲线，其计算可为监测数据求均值。

布里渊频移信息与原始温度数据和应变数据的线性关系为：

υB(T,ε)＝υB(T0,ε0)+CvTΔT+CvεΔε

其中υB(T,ε)是处于温度T和应变ε下的光纤中的布里渊频移；

υB(T0,ε0)是处于初始温度T0和初始应变ε0下的光纤中的布里渊初始频移；CvT是布里渊频移的温度系数；Cvε是布里渊频移的应变系数；ΔT和Δε分别是相对于初始温度和初始应变的变化量。

作为上述实施例的另一个举例说明，如图3所示，本实用新型实施例的光中继器50包括第一掺铒光纤放大器51、第二掺铒光纤放大器52和连接第一、第二掺铒光纤放大器的连接通道53，第一、第二掺铒光纤放大器均为单向放大器，用于放大探测脉冲光，第一掺铒光纤放大器设置于上行通路光纤，第二掺铒光纤放大器设置于下行通路光纤。光中继器的第一掺铒光纤放大器和第二掺铒光纤放大器通过连接通道连接，连接通路为一个或多个。

作为上述实施例的另一个举例说明，本实用新型实施例的第一掺铒光纤放大器51内部设置有第一隔离器511(未示出)，第二掺铒光纤放大器 52内部设置有第二隔离器521(未示出)，第一、第二隔离器用于隔离逆向传输的探测脉冲光的散射光信号。

作为上述实施例的另一个举例说明，如图4所示，本实用新型实施例的光中继器还包括第一光开关54和第二光开关55，设置于连接通道上，第一光开关和第二光开关相连接，用于控制不同连接通道的切换。图中按键1和2为第一开关，按键3和4为第二开关，第一开关设置于按键1和第二开关设置于按键3形成第一连接通道，第一开关设置于按键1和第二开关设置于按键4形成第二连接通道，第一开关设置于按键2和第二开关设置于按键4形成第三连接通道，第一开关设置于按键2和第二开关设置于按键3形成第四连接通道。本实用新型实施例的光中继器通过两个光开关切换连通方式，提高了故障监测系统实故障定位和诊断的精度。

作为上述实施例的另一个举例说明，如图5所示，本实用新型实施例当第一光开关连通第一掺铒光纤放大器的输出端，第二光开关连通第二掺铒光纤放大器的输入端时，第一连接通道接通，形成第一上行通路测试回路a，第一上行通路测试回路为从第一布里渊光时域检测系统经过上行通路光纤、第一掺铒光纤放大器、下行通路光纤回到第一布里渊光时域检测系统；

如图6所示，当第一光开关连通第一掺铒光纤放大器的输出端，第二光开关连通第二掺铒光纤放大器的输出端时，第二连接通道接通，形成第二上行通路测试回路b，第二上行通路测试回路为从第一布里渊光时域检测系统经过上行通路光纤、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、下行通路光纤回到第一布里渊光时域检测系统。

对于测试上行通路光纤故障，当两个光开关设置为1和3时，上行通路光纤中的背向布里渊散射光被引入下行通路光纤，然后沿着下行通路返回布里渊光时域检测系统，完成对背向布里渊散射光的数据处理和检测，解调出温度和应变信息。此种光开关设置适用于测试信号较强或测试长度较短(＜80km)的情况，可以减小掺铒光纤放大器对有效信号的干扰，降低放大器本身所带来的噪声。当两个光开关设置为1和4时，上行通路光纤中的背向布里渊散射光被引入下行通路光纤，并通过第二掺铒光纤放大器对光信号传输和放大，然后沿着下行通路光纤返回第一布里渊光时域检测系统，完成对背向布里渊散射光的数据处理和检测，解调出温度和应变信息。此种光开关设置适用于测试信号较弱或测试长度较长(＞80km)的情况，可以进一步增强有效散射光信号的强度，避免有效信号被完全淹没于噪声之中。

作为上述实施例的另一个举例说明，如图7所示，本实用新型实施例当第一光开关连通第一掺铒光纤放大器的输入端，第二光开关连通第二掺铒光纤放大器的输出端时，第三连接通道接通，形成第一下行通路测试回路c，第一下行通路测试回路为从第二布里渊光时域检测系统经过下行通路光纤、第一掺铒光纤放大器、上行通路光纤回到第二布里渊光时域检测系统；

如图8所示，当第一光开关连通第一掺铒光纤放大器的输入端，第二光开关连通第二掺铒光纤放大器的输入端时，第四连接通道接通，形成第二下行通路测试回路d，第二下行通路测试回路为从第二布里渊光时域检测系统经过下行通路光纤、第二掺铒光纤放大器、第一掺铒光纤放大器、上行通路光纤回到第二布里渊光时域检测系统。

对于测试下行通路光纤故障，当两个光开关设置为2和4时，下行通路光纤中的背向布里渊散射光被引入上行通路光纤，然后沿着上行通路光纤，逐级放大，返回到第二布里渊光时域检测系统，完成对背向布里渊散射光的数据处理和检测，解调出温度和应变信息。此种光开关设置适用于测试信号较强或测试长度较短(＜80km)的情况，可以减小掺铒光纤放大器对有效信号的干扰，降低放大器本身所带来的噪声。当两个光开关设置为2和3时，下行通路光纤中的背向布里渊散射光被引入上行通路光纤，并通过第二、第一掺铒光纤放大器，对光信号传输和放大，然后沿着上行通路光纤返回第二布里渊光时域检测系统，完成对背向布里渊散射光的数据处理和检测，解调出温度和应变信息。此种光开关设置适用于测试信号较若或测试长度较长(＞80km)的情况，可以进一步增强有效散射光信号的强度，避免有效信号被完全淹没于噪声之中。

本实用新型实施例的超长光缆的故障监测系统通过光开关实现根据测试环境的不同，对测试回路做任意切换，实现更高精度的故障定位和诊断。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。