基于BOTDR 分布式檢測技術的光纜隱蔽性缺陷識別

夏彥衛，賈伯巖，龐先海，丁立坤，王怡欣

（1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021；2.國網河北省電力有限公司，河北 石家莊 050021）

引言

隨著社會用電量需求的增加，用電負荷屢次突破歷史極值，線路重載、過載現象較為突出，導致線路故障風險劇增。為了滿足大容量、大跨越的輸電要求，提高線路載流量勢在必行[1-3]。目前光纜的材質種類很多，而碳纖維導線在增加輸送容量、降低弧垂、減少線損、提高線路抗風能力等方面表現出其他類型導線無可比擬的優勢，被業內稱為“超導導線”，在線路增容改造、復雜地形大跨越等線路工程中得到廣泛應用，并推廣至基建工程中[4-6]。該導線纖芯為碳纖維浸漬樹脂制成，其伸長率相對較低，不能大角度彎折，但在施工時難免會出現彎折現象，造成碳纖維導線在投運前就已遭到破壞，出現微裂紋等隱蔽性缺陷，待正式投運后在導線重力、風載荷等共同作用下，隱蔽性缺陷快速增大，出現跳線斷線故障。因此，為使碳纖維導線更好地應用于光纜項目，對其隱蔽性缺陷進行識別非常必要。

近年來，國外有學者做了相關研究，如文獻[7]利用納米矢量網絡分析儀在不同頻率下測量光纜的輸入端口反射幅度，將其作為特征進行散射參數的識別，通過K 近鄰算法對光纜信號分類，實現缺陷識別；文獻[8]介紹了分布式光纖傳感技術的一般背景和基本原理，然后對其在基礎設施健康監測中的應用進行了全面的回顧和評價，包括橋梁、水壩、邊坡、管道、隧道、礦山輸送機和路面。如吉咸陽等人采用邊緣檢測方法搜索光纜邊界，再利用統計過程控制方法對光纜的缺陷進行預估，形成疑似缺陷圖像，而準實時檢測是利用雙向微分算法對疑似缺陷圖像的弱邊緣進行分析，并通過分水嶺分割算法對整個缺陷區域進行分割，以此確定光纜的缺陷位置[9]；李斌等人首先對光時域反射儀進行了構建，利用其對故障信號進行采集，然后通過小波分解的方式對信號進行分解與重組，并對小波包能量進行特征提取，將提取的特征向量輸入至支持向量機模型中進行訓練與測試，進而實現光纜缺陷的檢測與識別[10]。上述兩種方法雖然對光纜出現的缺陷起到了一定的識別作用，但是第一種方法對圖像采集的質量要求較高，且算法復雜，應用價值不高；第二種方法則不擅長連續缺陷點的處理，也就是說如果光纜同時存在多處缺陷點時，該方法的識別精度就會下降。

布里淵光時域反射（Brillouin optic time domain reflectometer，BOTDR）技術采用單端測量結構，可以同時獲取測量溫度與應變信息，測量精度高、傳感距離長且比較容易實現，被廣泛應用于各類設施運行情況的識別[11-12]。因此，本文提出基于BOTDR 分布式檢測技術與解調信號的光纜隱蔽性缺陷識別方法，可以有效實現光纜隱蔽性缺陷識別，具有較強的應用性。

1 光纜隱蔽性缺陷識別

為了實現以碳纖維導線為材質的光纜隱蔽性缺陷在線無損識別，本文利用分布式光纖傳感技術，在生產階段將光纖植入多股碳纖維導線復合芯的內部作為傳感器，利用光纖對溫度、應力、傳播損耗的高精度感知，來檢測植入光纖后對以多股碳纖維導線復合芯為芯棒的光纜隱蔽性缺陷。將光纖植入到線芯內部后，內部出現的微裂紋等隱蔽性缺陷分為兩大類：一是微裂紋傷及光纖本體，光在光纖受損處受阻或逸出，表現為光路不通或損耗增加，通過測量光路通斷或損耗情況對其進行表征；二是微裂紋未傷及光纖本體，碳纖維導線正常運行狀態下，會受到導線重力等形成的張力作用，整體發生拉長形變，微裂紋缺陷處將出現應力集中，其形變量大于其他完好區段，光纖將出現一個較大的形變點，進而造成光纖頻率出現突變。

本文采用基于分布式光纖布里淵散射的BOTDR 技術，檢測碳纖維導線的溫度和應變分布情況，同時結合光時域反射技術（optic time domain reflectometer，OTDR）檢測碳纖維導線中光纖的損耗情況，多維度地分析碳纖維導線的缺陷及位置分布，進而實現光纜的隱蔽性缺陷識別。

1.1 基于分布式傳感技術的光纜隱蔽性缺陷識別

1.1.1 基于BOTDR 技術的光纜溫度和應變檢測

BOTDR 屬于傳感技術，具有分布式的特點。該技術可以感知到光纖的溫度與應變信息的變化，而這一過程則是通過分析布里淵（Brillouin）散射頻譜在時間以及空間上的變化情況與分布情況來實現[13]。

當植入到碳纖維導線線芯內部中的光纖溫度T與應變值 ε產生變動時，在散射譜中體現出來的便是功率與頻率的改變。而T與 ε通常利用測量Brillouin 頻移vB來進行傳感，所以vB與T和 ε之間存在著一定的數學關聯。

設定植入到碳纖維導線線芯內部的光纖密度用 ρ描述，泊松比用k描述，光纖折射率用n描述，楊氏模量用Y描述，激光波長用 λ描述。如果T或 ε發生變化，那么n就會發生改變，ρ、k和Y均會受到影響，所以布里淵頻移可以通過T和 ε的關系函數進行描述，公式為

如果T等于初始溫度T0，那么在應變梯度較小的情形下，當 ε=0，且不考慮高階項的情況時，對式（1）進行泰勒展開，進而得到：

式中：Δε 為應變變量；Cε為vB的應變線性系數。由此可以看出，vB隨著 ε的改變會產生線性變化。

如果光纖沒有產生應變，且溫度梯度較小時，當T=T0，且不考慮高階項的情況下，實施泰勒展開，可得到：

式中：ΔT為溫度變量；CT為vB的溫度線性系數。以此可以得出，vB也會隨著T的改變產生線性變化。

依據T和 ε對vB的影響，可以將vB重新描述為

式中：vB(ε0,T0)為初始Brillouin 頻移；ε0為初始應變值。

根據獲取的Brillouin 頻移，便可以知曉植入到碳纖維導線線芯內部的光纖溫度與應變情況，進而可以獲取碳纖維導線的缺陷及位置分布。

1.1.2 基于OTDR 技術的光纖損耗檢測

為了對以多股碳纖維導線復合芯為芯棒的光纜隱蔽性缺陷進行更為精準地識別，在對碳纖維導線線芯內部的光纖進行溫度與應變檢測之外，還需對光纖的傳播消耗情況進行檢測，從多維度來分析碳纖維導線存在的缺陷以及分布的位置，進而實現光纜的隱蔽性缺陷識別。

OTDR 是當下較為有效的對光纖傳播損耗進行監測的技術，該技術可以將光纖后向散射信號曲線反映出來，具有直觀、準確的特點，并且在監測損耗的過程中，還能夠測量到由局內至所有接頭點的傳播距離，對于光纜缺陷的精確查找以及故障的及時處理都非常重要。

OTDR 技術首先將脈沖光發射至碳纖維導線線芯內部的光纖中，之后在OTDR 端口處對返回的信息進行接收，以此完成傳播損耗測量。

在光纖內，脈沖光在傳播的過程中，往往會出現散射和反射現象，這樣便會有一些散射光以及反射光重新折返至OTDR 端口位置，此時探測器便會對這些折返光中的信息進行探測，獲取的結果則被視為在光纖各個位置上的時間或曲線片段。根據脈沖光信號從發射至折回所需的時間，以及脈沖光在光纖中的傳播速度，進而求得傳感距離，描述為

式中：c為真空光速；t為脈沖光信號從發射至折回所需的時間。

根據此距離便可以確定碳纖維導線線芯內部光纖出現破損的位置。

關于光纖的特性，OTDR 技術通過瑞利散射與菲涅爾反射來體現。其中瑞利散射是一種沒有規律性的散射，脈沖光順著光纖方向進行傳輸時產生。接收機可以根據折返的背向散射光，判斷出光纖傳播損耗情況，在移動軌跡上體現出來的就是呈衰減趨勢的曲線。由此可知，背向散射光的功率在逐漸變弱，進而表明在光纖中，光信號經由一定時間的傳播后，有不同程度的損耗。

菲涅爾反射通常由光纖內的一些點引發形成，當散射光通過這些由引起反向系數發生變化的各種因素構成的點時，便會被反射回來。通過反射信息就可以獲取各個連接點以及斷點的位置。

根據上述兩種光纖信號的作用原理，可以檢測碳纖維導線發生線芯微裂紋、斷裂后對光纖損耗、形變等參量的影響。當外界環境施加后，可以根據外界環境作用方式（如波動性、整體性等）的不同對信號進行區分。

1.1.3 光纜隱蔽性缺陷識別實現

將BOTDR 技術與OTDR 技術相結合，便可以設計出關于光纖溫度、應力以及光纖傳播損耗檢測的分布式傳感系統，以此實現以多股碳纖維導線復合芯為芯棒的光纜隱蔽性缺陷識別。

一般情況下，分布式傳感系統檢測光信號的方式主要分為2 類，即直接檢測與相干檢測。由于Brillouin 散射光的功率較小，并且摻雜的噪聲也較多，不適合直接檢測方式；而相干檢測則可以通過參考光來增強Brillouin 散射光的信噪比，起到了間接放大Brillouin 后向散射光的作用，因此本文選用相干檢測的方法對光信號進行檢測?；诜植际焦饫w傳感技術的傳感系統框圖如圖1 所示。

圖1 BOTDR 傳感系統框圖Fig.1 Block diagram of BOTDR sensing system

在該系統中，利用分路器將連續波信號劃分成2 類，即信號光、參考光。其中，信號光通過電光調制器轉換成脈沖光，脈寬可以自適應調節。利用光纖放大器對脈沖光進行放大操作，然后由光纖光柵將放大的自發輻射噪聲去掉，再通過環形器投射至待測光纖中。

Brillouin 后向散射信號返回時，會經過環形器，并在此處完成耦合操作，之后再次進行放大處理，這一過程需利用光纖放大器來實現。參考光與Brillouin 后向散射信號在光電檢測環節中實施相干檢測，用公式描述為

式中：?為光電轉換系數；φs、Ds0以及fs為信號光初始相位、強度以及頻率；φr與Dr0以及f為參考光初始相位、強度以及頻率。

當碳纖維導線線芯內部光纖的某個位置的溫度、應力以及傳播損耗發生改變時，Brillouin 散射光就會出現頻移現象，將參考光和散射光混頻之后進入相干接收機，對后向Brillouin 散射信號進行測量。因為往往只有散粒噪聲才能對相干接收機產生影響，所以其具有較高的靈敏度，通常情況下，瑞利散射與Brillouin 散射相比會高出20 dB～30 dB，這樣就可以利用相干接收機將瑞利散射去除，進而獲取足夠窄的頻率精度，確保，靈敏性。

綜上所述，分布式傳感系統可以對導線線芯內部的光纖溫度、應力以及傳輸損耗情況進行感知與表征，可以快速地定位到碳纖維導線線芯內部的光纖表面，以及本體出現微裂紋的部位，進而實現對以多股碳纖維導線復合芯為芯棒的光纜隱蔽性缺陷識別。

1.2 Brillouin 散射信號包絡解調

在傳感系統中，由于接收到的Brillouin 散射信號通常為寬帶信號，不在指定頻率上，而且整個散射呈非線性，導致其表現為隨機偏振態，散射信號中存在較多的隨機噪聲，因此需要利用一種處理方法，從信號中對包絡信息進行提取，去除噪聲，實現信號的解調。

morlet 小波具有多尺度、自適應性能好的特點，并且在時域和頻域上均有較強的表征能力[14-15]。因此，本文使用morlet 小波對散射信號的包絡進行提取，從而得到解調后的信號。

對于morlet 小波而言，可將其視為復數濾波器，它的實部可以看成是零相移濾波器，而它的虛部則可以看成是相移濾波器。根據這一特點，便可以對散射信號實施包絡提取。

在morlet 小波中，母小波可以描述為

式中p0為中心頻率。

將式（7）進行擴展，得到關于實部與虛部的表現形式，分別描述為

設定信號用x(t)描述，展縮因子用s描述，平移因子用 τ描述，進行morlet 小波變換以后，其實部可以描述為

虛部可以描述為

對式（10）、式（11）實施平方相加的運算，再進行開方處理，便能夠獲取經過小波變換以后的包絡，描述為

信號的包絡檢波主要包含2 個部分，即濾波與幅值解調，利用小波的濾波功能以及實部與虛部π/2的正交特性所提供的信號解調功能，便能夠完成包絡檢波。如果取不同尺度下的小波對信號進行分析處理，就能夠獲取到信號在不同頻率下的包絡成份，并得到信號的包絡尺度譜，進而得到整個頻域內的包絡，實現散射信號的包絡解調。

1.3 Brillouin 散射譜的曲線擬合

Brillouin 頻移與溫度和應變都呈線性關系，如何快速提取并準確計算出Brillouin 頻移是實現參量分析、長距離定位的關鍵。為此，本文利用列文伯格-馬夸爾特算法（LM）對Brillouin 散射譜進行數據擬合，對最優Brillouin 頻移量參數作出精確估計。

LM 算法是在高斯牛頓算法基礎上引進阻尼因子，并對期望參數進行重組，使初始值的選擇區域得到拓展。

設定Brillouin 散射譜模型描述為

式中：B為Brillouin 頻移量參數向量；i=0,1,···,N為離散點，其中傳感系統中的點數用N＞3描述。

以求得B的逼近誤差E(B)為目標，建立目標函數描述為

算法的迭代關系可以描述為

式中：J=[yi-f(xi,B)]TR-1[yi-f(xi,B)]，為Jacobian矩陣，其中R為對角陣；H=JTJ為Hessian 矩陣；A為單位矩陣；λ為阻尼因子；l為迭代次數。目標函數的最小值即為Brillouin 散射譜模型中的頻移量最佳參數。LM 算法流程圖如圖2 所示。

圖2 LM 算法流程圖Fig.2 Flow chart of LM algorithm

LM 算法具體過程如下：

1）對相關參數進行初始化操作，包括B的初始值、權重w以及期望誤差 ε等；

2）根據式（14），求得初始逼近誤差E1；

3）將ε 與E1作對比，若E1＞ε，那么計算Jacobian矩陣，對w進行修改，并重新求取逼近誤差，得到E2；

4）比較E1與E2，當E2＜E1時，那么再次對w進行修改，計算逼近誤差E3，并將E3與E1作對比，如此反復循環，直到E＜ε，保留w，完成Brillouin 散射譜的數據擬合，得到Brillouin 散射譜模型中的頻移量最佳參數，進而獲取精準的Brillouin 頻移，快速、準確地定位光纜隱蔽性缺陷的位置。

2 實驗分析

以某地區的電力光纜為實驗對象，光纜全長約150 km，橫跨多個區域，為周邊地區進行電力傳輸與信息通訊。該電力光纜采用架空式的鋪設形式，架設在電力線桿塔上，光纜芯棒為7 股碳纖維導線復合芯。

為了驗證本文方法的有效性，實驗選取該電力光纜中某一段光纜作為識別對象。實驗采用中心波長為1 550 nm 的DFB 激光器、CONOPTICS-M370LA電光調制器、AmonicsEDFA 摻鉺光纖放大器、PulseRider PG1000 脈沖發生器、康冠KG-RF 放大器、SiliconAPD-C30921 光纖光電探測器以及Discovery DP-QPSK 相干接收機作為主要元件，構建了分布式光纖傳感系統，對該段光纜進行隱蔽性缺陷識別，結果如圖3 所示。由圖3 可知，利用本文方法對該段光纜的隱蔽性缺陷進行識別時，從光纖溫度與應變頻移方面來看，在1 160 m 之前的頻移較為平穩，而在位于1 170 m 附近則出現大幅波動；從光纖傳播損耗方面來看，也是在1 170 m 處出現了斷崖式下降，表現異常。綜合上述3 個方面考慮，判斷該段光纜在1 170 m 處存在隱蔽性缺陷。

圖3 光纖溫度與應變頻移以及傳播損耗情況Fig.3 Optical fiber temperature,frequency conversion shift and propagation loss

為了驗證本文方法對于光纜隱蔽性缺陷識別的準確性，實驗將1 170 m 處的光纜進行了截取，并剝開線芯進行檢查，結果如圖4 所示。由圖4可知，截取的1 170 m 處光纜，去除光纜保護套，剝開線芯后可以清楚地看到，有部分碳纖維導線出現了輕微破損，雖未傷及光纖本體，沒有影響光纜的正常運行，但光在傳輸過程中，在該受損處受阻，表現為光路不通暢、損耗增加。如果不進行處理，那么若再有外力作用于此處，則會形成一個較大的形變點，引起頻率突變，影響整個光纜的正常運行。

圖4 碳纖維導線線芯破損圖Fig.4 Broken image of carbon fiber conductor core

綜上可以看出，本文方法可以有效地識別光纜的隱蔽性缺陷，準確度高，實用性強。為了進一步考量本文方法對于碳纖維導線復合芯內部狀況的檢測性能，實驗將從該光纜上截取的1 170 m 處有輕微破損的光纜以及一段完好無損的光纜作為樣本，對它們進行了施力與撤力操作，經過測試，得出的應力變化結果如圖5 所示。

圖5 光纖應力變化對比圖Fig.5 Comparison diagram of optical fiber stress changes

由圖5 可知，在對2 種光纜進行施力操作后，光纖的應力均產生了明顯變化，與初始狀態相比，均有一定的偏差。當撤去施加在這2 種光纜上的力之后，無破損光纖內部的應變迅速恢復到初始狀態，而受損的光纖則沒能恢復到初始狀態，且與初始狀態存在較大差異。由此說明，通過本文方法可以較好地分析出光纖應力的變化情況，進而準確地對光纜的隱蔽性缺陷進行表征。

3 結論

為了推動碳纖維導線在增容、大跨越等線路工程中的應用，杜絕導線斷線等惡性事故的發生，為新型電力系統建設提供技術支撐，本文提出一種基于BOTDR 分布式檢測技術與解調信號的光纜隱蔽性缺陷識別方法，對以多股碳纖維導線復合芯為芯棒的光纜隱蔽性缺陷進行了識別。該方法揭示了存在隱蔽性缺陷碳纖維導線內部光纖信號的變化規律，實現了碳纖維導線隱蔽性缺陷的準確識別。通過實驗證明，本文方法在識別光纜隱蔽性缺陷方面有著較好的表現，適用于此類缺陷問題的解決。