光纤通信安全预警系统

摘要：光纤通信安全预警系统是利用通信光缆中的光纤作为分布式传感器，长距离连续实时监测光缆沿线的土壤振动情况，来分析判断可能威胁通信光缆安全的破坏事件，做到及时报警，便于相关人员采取相应的措施，起到安全预警的作用。

关键词：光纤通信；土壤振动；安全预警

随着光纤通信技术的广泛应用，通信光缆面临被外界破坏的威胁越来越多。通信光缆被破坏所造成的损失不可估量，目前只能是在光缆被破坏后进行检测及采取补救措施。而光纤通信安全预警系统是利用独有的破坏事件专家数据库和神经网络分析技术，对可能危害通信光缆安全的动土事件进行预警，实现对通信光缆进行长距离无逢实时监测。

一、分布式光纤传感器工作原理

分布式光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤作为传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素作用下，其光学特性（如光强、相位、偏振态等）的变化来实现传和感的功能。

1.1光纤传感原理

光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、结构简单、体积小等优点，因此在传感领域中引起人们的广泛关注。

光是一种电磁波，沿某一方向（如x方向）传播的光波，可以用平面波的波动方程表示：

（1）

式中：空间频率 k=2π/λ，λ为光波在真空中的波长；

A——电场E的振幅矢量；

ω——光波的振动频率；

φ——光相位；

t——光的传播时间。

可见，只要使光的强度、偏振态（矢量A的方向）、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，即可获得所需要的被测量的信息。

1.2分布式光纤传感器调制原理

光纤中光波的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布和波导的横向几何尺寸所决定，当光纤受到纵向（轴向）的振动作用时，光纤的长度（应变效应）、纤芯的直径（泊松效应）、纤芯折射率（光弹效应）都将变化，这些变化将导致光纤中光波相位的变化。光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为：

（2）

式中，β为光波在光纤中的传播系数。

当光纤长度或传播速度变化时，引起光波相位变化为：

（3）

其中n为纤芯的折射率，r为纤芯的半径。

Δφ1为光纤长度变化引起的相位延迟（应变效应）；Δφ2为折射率变化（光弹效应）引起的相位延迟，与光纤的横向应变ε1、ε2（对于各向同性材料，ε1=ε2）以及光纤的纵向应变ε3有关；ε3为纤芯的直径变化（泊松效应）引起的相位延迟。一般来说，Δφ3相对于前两项要小得多，可以忽略不计。

1.3分布式光纤传感器解调原理

在分布式光纤传感器检测区域内，外界因数如：振动、位移、压力等的作用，使其光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光，再经光纤送入光检测器LA、RA，并把光信号转换成电信号而获得被测参数。

当光纤受到振动信号发生作用时，由于两条测试光纤在光缆中排列位置不同，会产生不同的应变，故两束相干光波会分别产生不同的相位变化。两束相干光波干涉后的光强为：

（4）

式中Δs（t）为两束干涉光波相位调制量之差；Δφ为二者初始相位之差；I1、I2为二者光场振幅的平方。

设I0为输入到两条测试光纤中的总光强，α为两相干光波的混合效率，则有：

（5）

如果仅考虑交流光强，式（5）可简化为：

（6）

通过光电检测器将光强信号转化为电流信号，光电流的交流量为：

（7）

式中K为光电转换系数。当 Δφ=π/2时，光电流和检测相位变化斜率最大，因而检测灵敏度最高。其检测响应曲线如下图：

检测响应曲线图

Δs（t）是一个变量，检测信号是两束相干光波相位调制差Δs（t）的函数，通过实时检测干涉光信号的变化，可以检测出分布式光纤传感器沿线的振动信号。

二、光纤通信安全预警系统的结构

光纤通信安全预警系统由预警单元FU、预警管理中端FST和区域监控中心DMC和光纤传感系统组成，其FU、FST、DMC的逻辑等级关系如图所示。

光纤通信安全预警系统的结构

2.1预警单元FU

预警单元FU：是通信管道安全预警系统的基础设备单元，由光源模块、光电模块、处理模块、监控模块、管理模块、数传模块、通信模块、电源模块等主要模块组成，安装在通信管道场站、阀室等设施的控制室内，完成传感信号的分析、事件的识别以及将处理数据上传到FST等工作。

2.2预警管理终端FST

预警管理终端FST：是FU的上级管理终端，由FST服务器、操作维护终端、监听终端等主要部分组成，同时可配备短信模块、车载导航系统、GIS地理信息系统、监控大屏幕等辅助管理设备。FST安装在场站内，需要工作人员值守。FST可分析处理FU上传的信号及数据，并进行分类、存储、上传到DMC等工作。当警情发生时，FST会产生声、光现场报警，提醒工作人员采取相应的应对措施。

2.3区域监控中心

区域监控中心DMC：是预警系统的管理中心，由DMC服务器、操作维护终端及相关的软件组成，DMC安装在场站或者运行维护中心内，需要工作人员值守。DMC可以同步显示FST的报警信息，也可以实时查询、监听各个FST及FU的工作情况。

2.4光纤传感系统

光纤传感系统：即分布式传感器，实时感应土壤的震动信号并传输至FU，每个FU对应一个光纤传感系统。通信管道安全预警系统的光纤传感系统由近端适配器LA、远端适配器RA与其间的三根光纤共同组成，三根光纤中有两根是传感光纤，一根是回传光纤，当光纤产生震动时，振动信号会通过正反两个方面传向预警单元，根据信号的时延差可以计算出定位信息，感应光缆周围的土壤发生震动情况。

分布式光纤传感器工作原理图

三、光纤通信安全预警系统的应用功能

通信安全预警系统可以在外界破坏事件发生之前正确的识别出事件的性质，准确地定位出事件件发生的地点，并产生多种形式的告警信息，从而帮助运行维护人员更有效的阻止破坏通信光缆事件的发生。具体功能如下：

1）告警：系统可根据破坏事件的严重程度分为多个级别告警；

2）声、光报警：当警情发生时，系统设备可产生现场声、光报警以提示工作人员注意；

3）事件识别：系统可根据采集信号的频率特点，识别出破坏事件的性质，如人为光缆挖掘、机械破坏等；

4）短信告警：警情发生时，系统可以自动发送短信息给相关负责人；

5）人工辅助监听：系统自带人工辅助监听功能，可利用人耳进一步监听线路周边的震动情况；

6）联网管理：系统有两级网络管理终端，便于统一管理，可是现超长距离监控；

7）多种组网：系统可以利用自身光通信模块单独组网运行，也可以利用已有通信网络组网运行。

四、结束语

光纤通信安全预警系统是利用同沟敷设的通信光缆中的光纤作为分布式传感器，长距离连续实时监测沿线的土壤振动情况，包括在通信光缆管道附近挖掘、施工、人为破坏油气管道、打孔盗油等，来分析判断可能威胁通信管道光缆安全的破坏事件，并能及时报警，起到安全预警的作用。同时，还可以对这些事件进行精确的分析和定位，确定事件的性质，通过GIS显示事件发生地的具置和性质，实现安全预警、监控、防止和减少破坏沿线设施事故发生的功能。

参考文献：

[1] 张颖艳、岳蕾、傅栋博、黄震、周波、刘丽、秦怀明，光纤通讯仪表与测试应用，人民邮电出版社，2012.4

[2]武文彦、董晔、杨远定，智能光网络运行维护管理，电子工业出版社，2012.1