OFC2025 | 使用高精度Φ-OTDR DAS技术诊断架空电信设施

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引言

电信基础设施的维护和监控对确保可靠的服务至为重要。传统的监控技术依赖于光时域反射计(OTDR)来检测电信光纤中的异常情况。然而，使用相位敏感OTDR(Φ-OTDR)的分布式声波传感(DAS)技术的最新进展为光通信设施的智能维护和运营提供了新方法[1]。

光纤监控技术简介

光时域反射计长期以来一直是检测电信光纤异常的基本工具，这些异常可能导致通信故障。传统的OTDR可以检测弯曲和反射等导致信号损失的事件，甚至可以作为早期预警系统检测人孔内的水浸入。随着能够进行长距离分布式声波传感的相位敏感OTDR(Φ-OTDR)的发展，潜在应用范围显着扩大。已经展示了各种用例，特别是针对地下基础设施，包括人孔站点识别、电缆路由识别和威胁检测。

然而，Φ-OTDR DAS面临局限性，包括由干涉衰落引起的位置依赖应变灵敏度和由探测脉冲宽度决定的中等空间分辨率(米级)。这些限制使从现场试验中提取有意义的信息变得具有挑战性。虽然已经提出了解决方案并开发了使用AI和ML的高级数据分析，但Φ-OTDR的应用尚未被充分探索。

架空电缆监控的挑战

架空电缆面临独特挑战，因为它们持续暴露在风雨等恶劣天气条件下。可能发生各种不可逆的异常情况，如下垂和从捆绑吊架上脱落。如果不加处理，这些问题可能影响通信服务，并可能造成涉及人员、车辆和建筑物的严重事故。早期检测非常重要，但庞大架空网络的目视确认需要大量的人力和时间。

图1：配置图，显示(a)吊架脱落示意图，(b)实际脱落照片，以及(c)多频Φ-OTDR系统设置。

与在电线杆之间的跨度上发生的下垂不同，吊架脱落发生在跨度内的特定部分。这使得在早期阶段的检测变得困难，特别是如果衰落噪声仍然存在，因为受影响部分的应变灵敏度可能会恶化。

多频Φ-OTDR技术

为解决衰落噪声的挑战，研究人员采用了多频Φ-OTDR。通过平均多频信号，他们有效抑制了衰落。该研究采用了基于矢量的相位平均法，能够以高精度和准确度计算超过亚微应变的大振动波形，适用于测量风引起的架空电缆摆动。

实验设置使用单侧带调制器(SSBM)复用8个频率。每个脉冲宽度为40纳秒，提供4米的分辨率。使用放大器(SOA，EDFAs)增强了光信噪比(OSNR)。通过使用数字带通滤波器处理相干接收器获得的背散射信号，计算了IQ平面上的多频信号。

在基于矢量的平均中，相位偏移的差异被跟踪并用时间窗口进行补偿，该时间窗口与测量振动的时间尺度匹配。对于本研究，研究人员将大小调整为10毫秒(100赫兹)，这足以观察重要的振动信号，同时确保应变灵敏度。

现场演示和实验设置

研究人员使用了一条4.3公里长的现场部署的电信服务光纤电缆。该电缆从约2公里处沿架空部分运行，束缚吊架的脱落发生在约2.5公里处的40米跨度内。在多个时间点(几天和时间段)进行了修复前后的测量，包括修复后立即和10个月后再次测量。

图2：时域结果，显示(a)修复前，(b)(c)修复后的瀑布图，展示时空振动模式。

结果与分析

修复前后的特征瀑布图比较显示了时空放大视图。虽然风力条件每天都有变化(不同的振动幅度证明了这一点)，但观察到了类似的模式。研究人员首先调查了电线杆位置，确认振动传播模式在电线杆处发生变化 - 显示较低的振动幅度和沿空间轴的振动传播相位变化较大。

图3：修复前后的振动模式变化(幅度和相位)，显示在电线杆位置和脱落位置的明显变化。

通过计算沿光纤的振动幅度和相位变化(每20秒归一化)并平均多个测量数据，研究人员发现这两个参数的变化非常相似。这表明可以使用这些参数识别电线杆位置 - 标志着首次证明可以通过Φ-OTDR指定电线杆位置。

重要的是，相同的参数也可用于检测吊架脱落。如图2和图3所示，在修复前，脱落部分的振动模式以与电线杆位置相同的方式发生变化。然而，修复后，这种趋势变得不那么明显。

频率分析增强检测

为了更详细的调查，进行了频率分析。在同一跨度内，脱落前、脱落处和脱落后部分的多个数据点的平均频谱显示，虽然绝对强度不同，但最强的自然振动频率(NVF)峰值1.3赫兹和第二特征峰值2.1赫兹出现在所有频谱中。

图4：频率分析，显示(a)脱落前/处/后部分的频谱，(b)基于NVF信号幅度的模式变化，以及(c)NVF与跨度长度的关系。

在修复前的脱落部分，第二峰值没有显着减少，但NVF峰值相对较小，与第二峰值相当，创造了独特的频谱形状。基于这一观察，监测NVF幅度的变化增强了信号可见性，比简单的幅度分析更有效。

跨度长度与NVF的关系显示，在其他跨度处也确认了类似的NVF信号(通常为1-2赫兹)，表明该方法具有更广泛的适用性。重要的是，研究发现了负相关性，表明在处理各种跨度长度的实际操作中，评估和使用适当的NVF值非常关键。

结论

这次使用多频Φ-OTDR DAS诊断架空电缆的首次现场演示显示了有希望的结果。通过有效抑制衰落，研究人员揭示即使在中等分辨率下，也可以使用振动模式参数识别电线杆位置。同样的参数证明对于在早期阶段检测吊架脱落很有用，而NVF分析增强了信号可见性。

这些发现表明，长距离Φ-OTDR DAS在诊断架空电信设施和早期检测异常方面具有重要潜力，这可能革新电信基础设施的维护实践。

参考文献

[1] Y. Wakisaka, H. Takahashi, T. Ishimaru, D. Iida, K. Murakami, C. Kito, Y. Koshikiya, and K. Toge, "First field demonstration of diagnosis of aerial telecom facilities by using high-precision Φ-OTDR DAS," in Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2025, paper M1C.4, 2025.

END