骨干网光缆监测系统及方法
骨干网光缆监测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光缆监测技术领域，尤其涉及一种骨干网光缆监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]目前，我国各省市广电网络(集团)公司基本都建成了各自覆盖核心用户的城域骨干光缆网。与传统的电通信、无线等其他通信手段相比，光纤通信技术具有无与伦比的优越性，即通信容量大、中继距离长、保密性能好、适应能力强，但这种大容量和长距离的光缆传输网络目前在广电系统大部分是通过简单的线路巡视检查和应急故障抢修来进行维护管理，随着熔接断点逐渐增多，光缆传输网络的性能会逐渐劣化，而早期敷设光缆是否到达老化年限，故障隐患是否快速增加，在室外架空或管道中的各部分光缆线路是否接近需要更换的临界状况，这些深层次的问题亟待解决，另外一方面，广电网络公司拥有的城域骨干光缆网已经从原来以广播电视信号传输业务为主扩展到支持多种应用的宽带综合业务网，这种发展形势也对光缆维护管理提出了更高的要求。
[0003]电力系统通信调度部门主要采用传统的手工方式被动维护线路，工作人员采用手持光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，简称为0TDR)对光缆线路进行测试，这种维护方式存在以下不足:
[0004](1)它是一种被动测试方式，无法主动、实时地监测在线使用的光纤线路的传输质量，只有通信中断时才可能发现故障，并通过手工测试方式进行测试与故障判别，但此时由于通信中断已经对电力系统的运行造成了影响。
[0005](2)传统的故障判别方法只是判断传输系统的光设备是否报警，而无法区分是光设备故障、各种连接接触不良还是分布于户外的光缆发生了损坏，因此直接影响了故障判别的准确性、科学性和及时性，给维护工作带来很大困难。
[0006]针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0007]本发明提供了一种骨干网光缆监测系统及方法，以至少解决现有的被动测试不能及时发现故障，且故障判别的准确性不高的问题。
[0008]根据本发明的一个方面，提供了一种骨干网光缆监测系统，包括:光源、光脉冲形成单元、光电检测单元、数据处理单元、预警单元和显示单元;所述光脉冲形成单元，用于根据所述光源发出的光产生本振光和脉冲光，其中，所述脉冲光传送至被测的传感光纤，所述脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至所述光电检测单元；所述光电检测单元，用于对所述后向瑞利散射光与所述本振光进行相干检测;所述数据处理单元，用于对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果;所述预警单元，用于根据所述监测结果进行故障预警；所述显示单元，用于基于地理信息系统显示地图，并根据所述地图和所述监测结果对故障位置进行定位，其中所述地图包括骨干网的线路和光缆。
[0009]在一个实施例中，所述光脉冲形成单元包括:依次连接的微波频率综合器、单边带调制器、第一耦合器、电光调制器、放大器和第二耦合器，其中，所述单边带调制器还连接至所述光源，所述第二耦合器还连接至所述被测的传感光纤;所述光脉冲形成单元还包括:脉冲发生器和第三耦合器，其中，所述第三耦合器分别连接至所述第一耦合器、所述第二耦合器和所述光电检测单元;所述脉冲发生器连接至所述电光调制器;所述单边带调制器，用于调节所述微波频率综合器的频率以控制所述光源发出的光的频率，并输出连续光;所述第一耦合器，用于将所述连续光分成两路，一路作为所述本振光，另一路经所述电光调制器和所述脉冲发生器调制成所述脉冲光;所述放大器，用于放大所述脉冲光;所述第二耦合器，用于将所述脉冲光传送至所述被测的传感光纤，以及输出所述脉冲光在传播过程中产生的所述后向瑞利散射光;所述第三耦合器，用于将所述后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至所述光电检测单元。
[0010]在一个实施例中，所述第一耦合器与所述电光调制器之间连接有第一偏振控制器，以保证所述电光调制器的输入光偏振方向与其透光轴重合;所述第一耦合器与所述第三耦合器之间连接有第二偏振控制器，用于减小由偏振不匹配带来的信号起伏。
[0011]在一个实施例中，所述被测的传感光纤内设置有传感器，用于采集环境温度和光缆应变。
[0012]在一个实施例中，所述数据处理单元包括:接收模块，用于接收所述光电检测单元输出的信号;处理模块，用于对所述光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对所述多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿所述被测的传感光纤的瑞利散射功率谱;输出模块，用于从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据所述光的频率变化量获取电力信息，并将所述电力信息作为所述监测结果，输出所述监测结果。
[0013]在一个实施例中，所述骨干网的分支线路利用备纤迂回法接续到主干线路上。
[0014]在一个实施例中，所述光源是分布式反馈激光器。
[0015]在一个实施例中，所述骨干网光缆监测系统还包括:存储单元，用于存储所述骨干网的分布信息；编辑单元，用于对所述骨干网的分布信息进行查询、修改、统计和报表；电源，用于为所述骨干网光缆监测系统供电。
[0016]根据本发明的另一个方面，提供了一种骨干网光缆监测方法，包括:根据光源发出的光产生本振光和脉冲光，其中，所述脉冲光传送至被测的传感光纤;所述脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至光电检测单元，进行相干检测;对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果;根据所述监测结果进行故障预警;基于地理信息系统显示地图，并根据所述地图和所述监测结果对故障位置进行定位，其中所述地图包括骨干网的线路和光缆。
[0017]在一个实施例中，在对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果之前，所述方法还包括:采集环境温度和光缆应变。
[0018]在一个实施例中，对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果，包括:接收所述光电检测单元输出的信号;对所述光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对所述多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿所述被测的传感光纤的瑞利散射功率谱;从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据所述光的频率变化量获取电力信息，并将所述电力信息作为所述监测结果，输出所述监测结果。
[0019]在一个实施例中，在根据光源发出的光产生本振光和脉冲光之前，所述方法还包括:利用备纤迂回法将所述骨干网的分支线路接续到主干线路上。
[0020]通过本发明的骨干网光缆监测系统及方法，可实时主动监测光传输系统的传输性能，通过分析光纤的回波信号和位置信息，及时发现系统中的故障或隐患，当故障发生时能够对故障位置快速定位，准确判别故障类型并及时将故障信息通知给运行维护人员。
【附图说明】
[0021]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中:
[0022]图1是本发明实施例的骨干网光缆监测系统的结构框图；
[0023]图2是本发明实施例的光脉冲形成单元的结构示意图；
[0024]图3是本发明实施例的光脉冲形成单元的另一结构示意图；
[0025]图4是本发明实施例的骨干网路由方案设计示意图；
[0026]图5是本发明实施例的骨干网光缆监测方法的流程图；
[0027]图 6是本发明实施例的骨干网光缆监测系统的架构示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0029]本发明实施例提供了一种骨干网光缆监测系统，图1是本发明实施例的骨干网光缆监测系统的结构框图，如图1所示，该系统包括:光源10、光脉冲形成单元20、光电检测单元30、数据处理单元40、预警单元50和显示单元60。
[0030]光脉冲形成单元20，用于根据光源10发出的光产生本振光和脉冲光，其中，脉冲光传送至被测的传感光纤70，脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与本振光一起传送至光电检测单元30 ；
[0031]光电检测单元30，用于对后向瑞利散射光与本振光进行相干检测；
[0032]数据处理单元40，用于对光电检测单元30输出的信号进行数据处理，输出监测结果;
[0033]预警单元50，用于根据监测结果进行故障预警；
[0034]显示单元60，用于基于地理信息系统显示地图，并根据地图和监测结果对故障位置进行定位，其中地图包括骨干网的线路和光缆。
[0035]通过上述骨干网光缆监测系统，可实时主动监测光传输系统的传输性能，通过分析光纤的回波信号和位置信息，及时发现系统中的故障或隐患，当故障发生时能够对故障位置快速定位，准确判别故障类型并及时将故障信息通知给运行维护人员。
[0036]光源10可以是窄线宽、大功率的高频率稳定度的分布式反馈激光器(DistributedFeedback Laser，简称为DFB)，以提高后向瑞利散射效率和系统的测量精度。光源10的中心波长是电力骨干网光缆监测系统中的一个重要参数，不同波长的光在传感光纤中的色散和衰减特性不同。优选的，光源的中心波长可以为1.55μπι，线宽为3MHz，输出功率为32mW。
[0037]需要说明的是，可以将整个光缆网络分成若干段，分段进行监测。主要监测的内容可以包括:光功率数据采集、光线环境温度采集、应变采集、断纤预警、故障定位、光缆劣化等。
[0038]在一个实施例中，如图2所示，光脉冲形成单元20包括:依次连接的微波频率综合器21、单边带调制器22(Single Side Band，简称为SSB)、第一耦合器23、电光调制器24(Electro Optical Modulator，简称为Ε0Μ)、放大器25和第二親合器26，其中，单边带调制器22还连接至光源10，第二耦合器26还连接至被测的传感光纤70。光脉冲形成单元20还包括:脉冲发生器27和第三耦合器28，其中，第三耦合器28分别连接至第一耦合器23、第二耦合器26和光电检测单元30，脉冲发生器27连接至电光调制器24。
[0039]单边带调制器22，用于调节微波频率综合器21的频率以控制光源10发出的光的频率，并输出连续光。第一耦合器23，用于将连续光分成两路，一路作为本振光，另一路经电光调制器24和脉冲发生器27调制成脉冲光。放大器25，用于放大脉冲光，放大器25可以是掺饵光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，简称为EDFA)。第二親合器26，用于将脉冲光传送至被测的传感光纤70，以及输出脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光。第三耦合器28，用于将后向瑞利散射光与本振光一起传送至光电检测单元30。
[0040]在一个实施例中，如图3所示，第一耦合器23与电光调制器24之间(可以理解为电光调制器24的输入端)可以连接有第一偏振控制器231，以保证电光调制器24的输入光偏振方向与其透光轴重合。第一耦合器23与第三耦合器28之间(即本振光路)可以连接有第二偏振控制器232，用于减小由偏振不匹配带来的信号起伏，消除偏振衰落。
[0041]光脉冲形成单元20可实现将连续光调制为脉冲光、放大光信号和滤除ASE噪声等功能。其中，ASE(Amplified spontaneous emiss1n)噪声是掺t耳光纤放大器中的累加放大的自发辐射。滤除ASE噪声，可增加系统动态范围和信噪比。
[0042]光电检测单元30可以包括光电检测器、低噪声放大器、带通滤波器等，后向瑞利散射光经放大过滤后进入光电检测器中与本振光进行相干检测，利用相干检测方式抑制内部相关噪声。光电检测单元30输出的电信号为低频信号。
[0043]被测的传感光纤70内可以设置有传感器，用于采集环境温度和光缆应变。传感光纤线路同时用作传感器和信号传输通道，使远离测量现场的终端机(预警单元50和显示单元60可以设置于该终端机)获得相应信息，同时使终端机彻底避免强电磁场的干扰。传感光纤不受电磁干扰、瞬间强度电流、环境湿度及腐蚀的影响.也确保了系统的稳定性。系统设计的温度，应变分辨率可达到0,01°C/89ne，空间分辨率达到lm，测量距离达到30km，可设置多级定温报警，并可针对不同的现场环境进行修正来增加系统的灵活性。
[0044]在一个实施例中，数据处理单元40可以包括:接收模块41、处理模块42和输出模块43。其中，接收模块41，用于接收光电检测单元输出的信号;处理模块42，用于对光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对该多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿被测的传感光纤的瑞利散射功率谱;输出模块43，用于从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据光的频率变化量获取电力信息，并将电力信息作为监测结果，输出监测结果。
[0045]具体的，通过微波频率综合器21以一定步进间隔改变探测光频率，数据处理单元40依次获取一组经滤波、消噪的时域波形，将多组波形在计算机软件中按距离、频率、强度拟合为三维图形，获得沿整个传感光纤的瑞利散射功率谱。光的频率变化量与光纤长度、光纤传感器获取的环境温度及光缆应变信息有关，因此可通过检测分析光纤的回波信号(通过瑞利散射功率谱反映)获取电力信息(例如线路长度信息)，进而可利用地理信息系统(GIS)获取对应线路的实际地理位置。
[0046]本实施例中，由于在数据处理单元40接收端接收到的信号伴有随机噪声，所以需要对接收到的信号进行平均和去噪，尽量消除随机噪声的影响，从而提高监测的精度。由于整个系统损耗和噪声的影响，因此，需要进行多次测量，对多次测量的结果进行累加平均和小波去噪处理。
[0047]骨干光传输网的结构比较复杂，分支线路与节点较多，要对主干线路、分支线路及节点进行全面监测，可以对复杂网络结构的光传输网采用备纤迂回法和光开关级联法处理其拓扑结构，从而可以根据网络拓扑支线路进行全面监测。这样一方面可以减少使用光开关的数量，降低监测成本:另一方面还可降低由于增加光开关设备所带来的额外线路损耗。如图4所示，为骨干网路由方案设计示意图，骨干网的分支线路可以利用备纤迂回法接续到主干线路上，A—B—C一D为需要监测的主干网线路，考虑到无法实施对分支线路BE、CF、FG的监测，利用备纤迂回法将分支线路接续到主干线路上，如图4中的线路3、5、7所示，从而可以实现对于分支线路的监测。
[0048]在一个实施例中，上述骨干网光缆监测系统还可以包括:存储单元，用于存储骨干网的分布信息;编辑单元，用于对骨干网的分布信息进行查询、修改(添加、更改或删除)、统计和报表。其中，骨干网的分布信息可以包 括:网络、线路、光缆、设备及所在的人井、杆塔等。通过调用存储的光纤原始数据，分析对比光纤测试波形的变化，可以判断光纤品质的劣化以及估计光缆的寿命等，从而可使光缆网络管理者及时制定出光缆网络的升级、更换及维护计划。
[0049]上述骨干网光缆监测系统还可以包括:电源，用于为骨干网光缆监测系统供电。例如，可以采用太阳能供电，在很大程度上节约了能源。
[0050]以上所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。当然，上述模块划分只是一种示意划分，本发明并不局限于此。只要能实现本发明的目的的模块划分，均应属于本发明的保护范围。
[0051 ]上述描述的骨干网光缆监测系统的工作过程如下:
[0052]微波频率综合器21驱动单边带调制器22通过调节微波频率综合器21的频率实现对光源发出的光的频率的控制。由单边带调制器22输出的连续光经第一耦合器23分成两路，一路作为本振光，另一路经电光调制器24调制成脉冲光，经掺饵光纤放大器25放大后发送到被测的传感光纤70。脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与本振光通过第三耦合器28—起加到光电检测单元30上进行相干检测，光电检测单元30输出的信号发送至数据处理单元40，经Α/D转换后进行数据处理，得到监测结果。根据监测结果判断是否故障，显示具体的故障位置，并进行预警，提醒工作人员及时处理。
[0053]基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种骨干网光缆监测方法，基于上述骨干网光缆监测系统实现。由于该方法解决问题的原理与骨干网光缆监测系统相似，因此该方法的实施可以参见该系统的实施，重复之处不再赘述。
[0054]图5是本发明实施例的骨干网光缆监测方法的流程图，如图5所示，该方法包括如下步骤:
[0055]步骤S501，根据光源发出的光产生本振光和脉冲光，其中，脉冲光传送至被测的传感光纤；
[0056]步骤S502，脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与本振光一起传送至光电检测单元，进行相干检测；
[0057]步骤S503，对光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果；
[0058]步骤S504，根据监测结果进行故障预警；
[0059]步骤S505，基于地理信息系统显示地图，并根据地图和监测结果对故障位置进行定位，其中地图包括骨干网的线路和光缆。
[0060]通过上述骨干网光缆监测方法，可实时主动监测光传输系统的传输性能，通过分析光纤的回波信号和位置信息，及时发现系统中的故障或隐患，当故障发生时能够对故障位置快速定位，准确判别故障类型并及时将故障信息通知给运行维护人员。
[0061]在一个实施例中，在步骤S503之前，上述方法还可以包括:采集环境温度和光缆应变。
[0062]在一个实施例中，步骤S503可以包括:接收光电检测单元输出的信号;对光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对该多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿被测的传感光纤的瑞利散射功率谱;从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据光的频率变化量获取电力信息，并将电力信息作为监测结果，输出监测结果。
[0063]在步骤S501之前，上述方法还可以包括:利用备纤迂回法将骨干网的分支线路接续到主干线路上。
[0064]本发明的骨干网光缆监测系统可以理解为由多个具有相对独立功能的部分组成，包括:自动监测部分、光缆资源管理部分、地理信息系统部分、运行和维护部分。下面结合图6分别进行说明。
[0065](1)自动监测部分
[0066]该部分主要执行对整个光缆通信状态(如光缆中断情况、光通路运行情况)的实时监测。可以将整个光缆网络分成若干段，由自动监测部分分段进行监测和扫描。主要的监测功能包括:光功率数据采集、光线环境温度采集、应变采集、断纤预警、故障定位、光缆劣化等，自动监测部分是骨干网光缆监测系统最重要的部分。
[0067](2)光缆资源管理部分
[0068]光缆资源管理部分主要是对整个电力通信网络的各个硬件组成部分进行管理。管理线路资源(杆塔、吊线、管路、人井等)、光缆资源(光缆、纤芯、接头等)、光路资源(光路、光配线架、光跳纤等)，并提供资源的浏览、查询、检索功能，资源数据的添加、删除、编辑、修改以及资源的统计和报表功能。该部分不仅提供实体硬件资源的管理功能，还提供网络的逻辑资源功能和光缆路由管理功能(路由的浏览、查询、检索)。通过光缆资源管理部分可以全方位地了解整个电力通信网络的各个硬件组成部分，方便故障的搜寻和排除。
[0069]具体的，光缆资源管理部分可以结合地理信息系统(Geographic Informat1nSystem，简称为GIS)进行资源开发。基于GIS的图形化技术为资源管理提供了良好的界面显示和交互操作环境。可以通过建立网管数据库存储网络、线路、光缆、设备及所在的人井、杆塔等的分布信息。
[0070](3)地理信息系统部分
[0071]光缆网络覆盖地域广泛，各种资源分布在不同的地理位置，地理信息在资源管理、故障定位等功能的实现上起着重要作用。地理信息系统主要采用GIS定位技术，以包含地理信息的地图为背景，背景载有精确的地理定位(经度、玮度)信息和地理图形。在背景图层上叠加资源图层，资源图层上载有各种线路、光缆等资源，通过资源图层将各种资源直接定位到地图上，实现对光缆故障的地理定位和资源的可视化、地理化管理。地理信息系统的资源图层直接建立在资源数据库和光缆资源管理系统上，用户可以直接通过地理图浏览、查询、修改和编辑资源对象。地理信息系统还可以为自动监测部分提供地图，实现故障精确定位，在地图上直接标出故障的精确位置。
[0072](4)运行和维护部分
[0073]该部分主要负责光缆的日常运行维护与资源调配管理，着重对工作过程的控制以及对数据资源的及时更新。
[0074]综上所述，本发明实施例提供的电力系统骨干网光缆监测系统及方法，可实时监测光传输系统的传输性能，及时发现系统中的故障或隐患，不仅具有故障预警功能，当故障发生时还能够对故障位置快速定位，准确判别故障类型并及时将故障信息通知给运行维护人员，这对于缩短光缆线路的故障时间，保障电力系统安全稳定地运行具有重要意义。骨干网光缆监测系统集成了计算机、通信、数据库系统、光纤测量技术及GIS定位技术，采用0TDR将光通过波分复用器(Wavelength Divis1n Multiplexing，简称为WDM)和光关加载到被测光纤中。系统通过0TDR分析光纤的回波信号和GIS定位系统的位置信息，可以在计算机屏幕上显示出光缆的路由和障碍位置并发出告警，使管理人员可以很直观地掌握故障情况，从而使维护人员在最短的时间内赶到现场处理问题，减少故障所引起的损失。同时，通过调用数据库中光纤的原始数据，分析对比光纤测试波形的变化，判断光纤品质的劣化以及估计光缆的寿命等，从而可使光缆网络管理者及时制定出光缆网络的升级、更换及维护计划。
[0075]流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能 ，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0076]应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
[0077]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0078]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种骨干网光缆监测系统，其特征在于，包括:光源、光脉冲形成单元、光电检测单元、数据处理单元、预警单元和显示单元； 所述光脉冲形成单元，用于根据所述光源发出的光产生本振光和脉冲光，其中，所述脉冲光传送至被测的传感光纤，所述脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至所述光电检测单元； 所述光电检测单元，用于对所述后向瑞利散射光与所述本振光进行相干检测； 所述数据处理单元，用于对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果; 所述预警单元，用于根据所述监测结果进行故障预警； 所述显示单元，用于基于地理信息系统显示地图，并根据所述地图和所述监测结果对故障位置进行定位，其中所述地图包括骨干网的线路和光缆。2.根据权利要求1所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述光脉冲形成单元包括:依次连接的微波频率综合器、单边带调制器、第一耦合器、电光调制器、放大器和第二耦合器，其中，所述单边带调制器还连接至所述光源，所述第二耦合器还连接至所述被测的传感光纤； 所述光脉冲形成单元还包括:脉冲发生器和第三耦合器，其中，所述第三耦合器分别连接至所述第一耦合器、所述第二耦合器和所述光电检测单元;所述脉冲发生器连接至所述电光调制器； 所述单边带调制器，用于调节所述微波频率综合器的频率以控制所述光源发出的光的频率，并输出连续光； 所述第一耦合器，用于将所述连续光分成两路，一路作为所述本振光，另一路经所述电光调制器和所述脉冲发生器调制成所述脉冲光； 所述放大器，用于放大所述脉冲光； 所述第二耦合器，用于将所述脉冲光传送至所述被测的传感光纤，以及输出所述脉冲光在传播过程中产生的所述后向瑞利散射光； 所述第三耦合器，用于将所述后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至所述光电检测单元。3.根据权利要求2所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于， 所述第一耦合器与所述电光调制器之间连接有第一偏振控制器，以保证所述电光调制器的输入光偏振方向与其透光轴重合； 所述第一耦合器与所述第三耦合器之间连接有第二偏振控制器，用于减小由偏振不匹配带来的信号起伏。4.根据权利要求1所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述被测的传感光纤内设置有传感器，用于采集环境温度和光缆应变。5.根据权利要求4所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述数据处理单元包括: 接收模块，用于接收所述光电检测单元输出的信号； 处理模块，用于对所述光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对所述多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿所述被测的传感光纤的瑞利散射功率谱； 输出模块，用于从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据所述光的频率变化量获取电力信息，并将所述电力信息作为所述监测结果，输出所述监测结果。6.根据权利要求1所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述骨干网的分支线路利用备纤迂回法接续到主干线路上。7.根据权利要求1至6中任一项所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述光源是分布式反馈激光器。8.根据权利要求1至6中任一项所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述骨干网光缆监测系统还包括: 存储单元，用于存储所述骨干网的分布信息； 编辑单元，用于对所述骨干网的分布信息进行查询、修改、统计和报表； 电源，用于为所述骨干网光缆监测系统供电。9.一种骨干网光缆监测方法，其特征在于，包括: 根据光源发出的光产生本振光和脉冲光，其中，所述脉冲光传送至被测的传感光纤； 所述脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至光电检测单元，进行相干检测； 对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果； 根据所述监测结果进行故障预警； 基于地理信息系统显示地图，并根据所述地图和所述监测结果对故障位置进行定位，其中所述地图包括骨干网的线路和光缆。10.根据权利要求9所述的骨干网光缆监测方法，其特征在于，在对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果之前，所述方法还包括: 采集环境温度和光缆应变。11.根据权利要求10所述的骨干网光缆监测方法，其特征在于，对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果，包括: 接收所述光电检测单元输出的信号； 对所述光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对所述多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿所述被测的传感光纤的瑞利散射功率谱； 从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据所述光的频率变化量获取电力信息，并将所述电力信息作为所述监测结果，输出所述监测结果。12.根据权利要求9所述的骨干网光缆监测方法，其特征在于，在根据光源发出的光产生本振光和脉冲光之前，所述方法还包括:利用备纤迂回法将所述骨干网的分支线路接续到主干线路上。
【专利摘要】本发明公开了一种骨干网光缆监测系统及方法，该系统包括：光源、光脉冲形成单元、光电检测单元、数据处理单元、预警单元和显示单元；光脉冲形成单元用于根据光源发出的光产生本振光和脉冲光，脉冲光传送至被测的传感光纤，脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与本振光一起送至光电检测单元；光电检测单元用于对后向瑞利散射光与本振光进行相干检测；数据处理单元用于对光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果；预警单元用于根据监测结果进行故障预警；显示单元用于显示地图，并根据地图和监测结果对故障位置进行定位，地图包括骨干网线路和光缆。本发明实时主动监测光缆性能，及时发现故障或隐患，进行故障定位和预警。
【IPC分类】H04B10/077
【公开号】CN105490739
【申请号】CN201510829123
【发明人】赵旷怡, 李莉, 王刚, 吴润泽, 申惠琪, 万莹, 刘丽, 刘素伊, 聂文海, 黄毅臣, 李红建, 李顺昕, 王泉, 彭柏, 张立斌, 常海娇, 尤新雨, 吴立文, 范士清, 姚学科, 张恩江, 敖翠玲, 傅守强, 朱正甲, 张嵩, 高杨, 许颖, 孙密, 许文秀
【申请人】国家电网公司, 国网冀北电力有限公司经济技术研究院, 华北电力大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月25日
【技术领域】
[0001]本发明涉及光缆监测技术领域，尤其涉及一种骨干网光缆监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]目前，我国各省市广电网络(集团)公司基本都建成了各自覆盖核心用户的城域骨干光缆网。与传统的电通信、无线等其他通信手段相比，光纤通信技术具有无与伦比的优越性，即通信容量大、中继距离长、保密性能好、适应能力强，但这种大容量和长距离的光缆传输网络目前在广电系统大部分是通过简单的线路巡视检查和应急故障抢修来进行维护管理，随着熔接断点逐渐增多，光缆传输网络的性能会逐渐劣化，而早期敷设光缆是否到达老化年限，故障隐患是否快速增加，在室外架空或管道中的各部分光缆线路是否接近需要更换的临界状况，这些深层次的问题亟待解决，另外一方面，广电网络公司拥有的城域骨干光缆网已经从原来以广播电视信号传输业务为主扩展到支持多种应用的宽带综合业务网，这种发展形势也对光缆维护管理提出了更高的要求。
[0003]电力系统通信调度部门主要采用传统的手工方式被动维护线路，工作人员采用手持光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，简称为0TDR)对光缆线路进行测试，这种维护方式存在以下不足:
[0004](1)它是一种被动测试方式，无法主动、实时地监测在线使用的光纤线路的传输质量，只有通信中断时才可能发现故障，并通过手工测试方式进行测试与故障判别，但此时由于通信中断已经对电力系统的运行造成了影响。
[0005](2)传统的故障判别方法只是判断传输系统的光设备是否报警，而无法区分是光设备故障、各种连接接触不良还是分布于户外的光缆发生了损坏，因此直接影响了故障判别的准确性、科学性和及时性，给维护工作带来很大困难。
[0006]针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0007]本发明提供了一种骨干网光缆监测系统及方法，以至少解决现有的被动测试不能及时发现故障，且故障判别的准确性不高的问题。
[0008]根据本发明的一个方面，提供了一种骨干网光缆监测系统，包括:光源、光脉冲形成单元、光电检测单元、数据处理单元、预警单元和显示单元;所述光脉冲形成单元，用于根据所述光源发出的光产生本振光和脉冲光，其中，所述脉冲光传送至被测的传感光纤，所述脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至所述光电检测单元；所述光电检测单元，用于对所述后向瑞利散射光与所述本振光进行相干检测;所述数据处理单元，用于对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果;所述预警单元，用于根据所述监测结果进行故障预警；所述显示单元，用于基于地理信息系统显示地图，并根据所述地图和所述监测结果对故障位置进行定位，其中所述地图包括骨干网的线路和光缆。
[0009]在一个实施例中，所述光脉冲形成单元包括:依次连接的微波频率综合器、单边带调制器、第一耦合器、电光调制器、放大器和第二耦合器，其中，所述单边带调制器还连接至所述光源，所述第二耦合器还连接至所述被测的传感光纤;所述光脉冲形成单元还包括:脉冲发生器和第三耦合器，其中，所述第三耦合器分别连接至所述第一耦合器、所述第二耦合器和所述光电检测单元;所述脉冲发生器连接至所述电光调制器;所述单边带调制器，用于调节所述微波频率综合器的频率以控制所述光源发出的光的频率，并输出连续光;所述第一耦合器，用于将所述连续光分成两路，一路作为所述本振光，另一路经所述电光调制器和所述脉冲发生器调制成所述脉冲光;所述放大器，用于放大所述脉冲光;所述第二耦合器，用于将所述脉冲光传送至所述被测的传感光纤，以及输出所述脉冲光在传播过程中产生的所述后向瑞利散射光;所述第三耦合器，用于将所述后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至所述光电检测单元。
[0010]在一个实施例中，所述第一耦合器与所述电光调制器之间连接有第一偏振控制器，以保证所述电光调制器的输入光偏振方向与其透光轴重合;所述第一耦合器与所述第三耦合器之间连接有第二偏振控制器，用于减小由偏振不匹配带来的信号起伏。
[0011]在一个实施例中，所述被测的传感光纤内设置有传感器，用于采集环境温度和光缆应变。
[0012]在一个实施例中，所述数据处理单元包括:接收模块，用于接收所述光电检测单元输出的信号;处理模块，用于对所述光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对所述多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿所述被测的传感光纤的瑞利散射功率谱;输出模块，用于从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据所述光的频率变化量获取电力信息，并将所述电力信息作为所述监测结果，输出所述监测结果。
[0013]在一个实施例中，所述骨干网的分支线路利用备纤迂回法接续到主干线路上。
[0014]在一个实施例中，所述光源是分布式反馈激光器。
[0015]在一个实施例中，所述骨干网光缆监测系统还包括:存储单元，用于存储所述骨干网的分布信息；编辑单元，用于对所述骨干网的分布信息进行查询、修改、统计和报表；电源，用于为所述骨干网光缆监测系统供电。
[0016]根据本发明的另一个方面，提供了一种骨干网光缆监测方法，包括:根据光源发出的光产生本振光和脉冲光，其中，所述脉冲光传送至被测的传感光纤;所述脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至光电检测单元，进行相干检测;对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果;根据所述监测结果进行故障预警;基于地理信息系统显示地图，并根据所述地图和所述监测结果对故障位置进行定位，其中所述地图包括骨干网的线路和光缆。
[0017]在一个实施例中，在对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果之前，所述方法还包括:采集环境温度和光缆应变。
[0018]在一个实施例中，对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果，包括:接收所述光电检测单元输出的信号;对所述光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对所述多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿所述被测的传感光纤的瑞利散射功率谱;从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据所述光的频率变化量获取电力信息，并将所述电力信息作为所述监测结果，输出所述监测结果。
[0019]在一个实施例中，在根据光源发出的光产生本振光和脉冲光之前，所述方法还包括:利用备纤迂回法将所述骨干网的分支线路接续到主干线路上。
[0020]通过本发明的骨干网光缆监测系统及方法，可实时主动监测光传输系统的传输性能，通过分析光纤的回波信号和位置信息，及时发现系统中的故障或隐患，当故障发生时能够对故障位置快速定位，准确判别故障类型并及时将故障信息通知给运行维护人员。
【附图说明】
[0021]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中:
[0022]图1是本发明实施例的骨干网光缆监测系统的结构框图；
[0023]图2是本发明实施例的光脉冲形成单元的结构示意图；
[0024]图3是本发明实施例的光脉冲形成单元的另一结构示意图；
[0025]图4是本发明实施例的骨干网路由方案设计示意图；
[0026]图5是本发明实施例的骨干网光缆监测方法的流程图；
[0027]图 6是本发明实施例的骨干网光缆监测系统的架构示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0029]本发明实施例提供了一种骨干网光缆监测系统，图1是本发明实施例的骨干网光缆监测系统的结构框图，如图1所示，该系统包括:光源10、光脉冲形成单元20、光电检测单元30、数据处理单元40、预警单元50和显示单元60。
[0030]光脉冲形成单元20，用于根据光源10发出的光产生本振光和脉冲光，其中，脉冲光传送至被测的传感光纤70，脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与本振光一起传送至光电检测单元30 ；
[0031]光电检测单元30，用于对后向瑞利散射光与本振光进行相干检测；
[0032]数据处理单元40，用于对光电检测单元30输出的信号进行数据处理，输出监测结果;
[0033]预警单元50，用于根据监测结果进行故障预警；
[0034]显示单元60，用于基于地理信息系统显示地图，并根据地图和监测结果对故障位置进行定位，其中地图包括骨干网的线路和光缆。
[0035]通过上述骨干网光缆监测系统，可实时主动监测光传输系统的传输性能，通过分析光纤的回波信号和位置信息，及时发现系统中的故障或隐患，当故障发生时能够对故障位置快速定位，准确判别故障类型并及时将故障信息通知给运行维护人员。
[0036]光源10可以是窄线宽、大功率的高频率稳定度的分布式反馈激光器(DistributedFeedback Laser，简称为DFB)，以提高后向瑞利散射效率和系统的测量精度。光源10的中心波长是电力骨干网光缆监测系统中的一个重要参数，不同波长的光在传感光纤中的色散和衰减特性不同。优选的，光源的中心波长可以为1.55μπι，线宽为3MHz，输出功率为32mW。
[0037]需要说明的是，可以将整个光缆网络分成若干段，分段进行监测。主要监测的内容可以包括:光功率数据采集、光线环境温度采集、应变采集、断纤预警、故障定位、光缆劣化等。
[0038]在一个实施例中，如图2所示，光脉冲形成单元20包括:依次连接的微波频率综合器21、单边带调制器22(Single Side Band，简称为SSB)、第一耦合器23、电光调制器24(Electro Optical Modulator，简称为Ε0Μ)、放大器25和第二親合器26，其中，单边带调制器22还连接至光源10，第二耦合器26还连接至被测的传感光纤70。光脉冲形成单元20还包括:脉冲发生器27和第三耦合器28，其中，第三耦合器28分别连接至第一耦合器23、第二耦合器26和光电检测单元30，脉冲发生器27连接至电光调制器24。
[0039]单边带调制器22，用于调节微波频率综合器21的频率以控制光源10发出的光的频率，并输出连续光。第一耦合器23，用于将连续光分成两路，一路作为本振光，另一路经电光调制器24和脉冲发生器27调制成脉冲光。放大器25，用于放大脉冲光，放大器25可以是掺饵光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，简称为EDFA)。第二親合器26，用于将脉冲光传送至被测的传感光纤70，以及输出脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光。第三耦合器28，用于将后向瑞利散射光与本振光一起传送至光电检测单元30。
[0040]在一个实施例中，如图3所示，第一耦合器23与电光调制器24之间(可以理解为电光调制器24的输入端)可以连接有第一偏振控制器231，以保证电光调制器24的输入光偏振方向与其透光轴重合。第一耦合器23与第三耦合器28之间(即本振光路)可以连接有第二偏振控制器232，用于减小由偏振不匹配带来的信号起伏，消除偏振衰落。
[0041]光脉冲形成单元20可实现将连续光调制为脉冲光、放大光信号和滤除ASE噪声等功能。其中，ASE(Amplified spontaneous emiss1n)噪声是掺t耳光纤放大器中的累加放大的自发辐射。滤除ASE噪声，可增加系统动态范围和信噪比。
[0042]光电检测单元30可以包括光电检测器、低噪声放大器、带通滤波器等，后向瑞利散射光经放大过滤后进入光电检测器中与本振光进行相干检测，利用相干检测方式抑制内部相关噪声。光电检测单元30输出的电信号为低频信号。
[0043]被测的传感光纤70内可以设置有传感器，用于采集环境温度和光缆应变。传感光纤线路同时用作传感器和信号传输通道，使远离测量现场的终端机(预警单元50和显示单元60可以设置于该终端机)获得相应信息，同时使终端机彻底避免强电磁场的干扰。传感光纤不受电磁干扰、瞬间强度电流、环境湿度及腐蚀的影响.也确保了系统的稳定性。系统设计的温度，应变分辨率可达到0,01°C/89ne，空间分辨率达到lm，测量距离达到30km，可设置多级定温报警，并可针对不同的现场环境进行修正来增加系统的灵活性。
[0044]在一个实施例中，数据处理单元40可以包括:接收模块41、处理模块42和输出模块43。其中，接收模块41，用于接收光电检测单元输出的信号;处理模块42，用于对光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对该多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿被测的传感光纤的瑞利散射功率谱;输出模块43，用于从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据光的频率变化量获取电力信息，并将电力信息作为监测结果，输出监测结果。
[0045]具体的，通过微波频率综合器21以一定步进间隔改变探测光频率，数据处理单元40依次获取一组经滤波、消噪的时域波形，将多组波形在计算机软件中按距离、频率、强度拟合为三维图形，获得沿整个传感光纤的瑞利散射功率谱。光的频率变化量与光纤长度、光纤传感器获取的环境温度及光缆应变信息有关，因此可通过检测分析光纤的回波信号(通过瑞利散射功率谱反映)获取电力信息(例如线路长度信息)，进而可利用地理信息系统(GIS)获取对应线路的实际地理位置。
[0046]本实施例中，由于在数据处理单元40接收端接收到的信号伴有随机噪声，所以需要对接收到的信号进行平均和去噪，尽量消除随机噪声的影响，从而提高监测的精度。由于整个系统损耗和噪声的影响，因此，需要进行多次测量，对多次测量的结果进行累加平均和小波去噪处理。
[0047]骨干光传输网的结构比较复杂，分支线路与节点较多，要对主干线路、分支线路及节点进行全面监测，可以对复杂网络结构的光传输网采用备纤迂回法和光开关级联法处理其拓扑结构，从而可以根据网络拓扑支线路进行全面监测。这样一方面可以减少使用光开关的数量，降低监测成本:另一方面还可降低由于增加光开关设备所带来的额外线路损耗。如图4所示，为骨干网路由方案设计示意图，骨干网的分支线路可以利用备纤迂回法接续到主干线路上，A—B—C一D为需要监测的主干网线路，考虑到无法实施对分支线路BE、CF、FG的监测，利用备纤迂回法将分支线路接续到主干线路上，如图4中的线路3、5、7所示，从而可以实现对于分支线路的监测。
[0048]在一个实施例中，上述骨干网光缆监测系统还可以包括:存储单元，用于存储骨干网的分布信息;编辑单元，用于对骨干网的分布信息进行查询、修改(添加、更改或删除)、统计和报表。其中，骨干网的分布信息可以包 括:网络、线路、光缆、设备及所在的人井、杆塔等。通过调用存储的光纤原始数据，分析对比光纤测试波形的变化，可以判断光纤品质的劣化以及估计光缆的寿命等，从而可使光缆网络管理者及时制定出光缆网络的升级、更换及维护计划。
[0049]上述骨干网光缆监测系统还可以包括:电源，用于为骨干网光缆监测系统供电。例如，可以采用太阳能供电，在很大程度上节约了能源。
[0050]以上所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。当然，上述模块划分只是一种示意划分，本发明并不局限于此。只要能实现本发明的目的的模块划分，均应属于本发明的保护范围。
[0051 ]上述描述的骨干网光缆监测系统的工作过程如下:
[0052]微波频率综合器21驱动单边带调制器22通过调节微波频率综合器21的频率实现对光源发出的光的频率的控制。由单边带调制器22输出的连续光经第一耦合器23分成两路，一路作为本振光，另一路经电光调制器24调制成脉冲光，经掺饵光纤放大器25放大后发送到被测的传感光纤70。脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与本振光通过第三耦合器28—起加到光电检测单元30上进行相干检测，光电检测单元30输出的信号发送至数据处理单元40，经Α/D转换后进行数据处理，得到监测结果。根据监测结果判断是否故障，显示具体的故障位置，并进行预警，提醒工作人员及时处理。
[0053]基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种骨干网光缆监测方法，基于上述骨干网光缆监测系统实现。由于该方法解决问题的原理与骨干网光缆监测系统相似，因此该方法的实施可以参见该系统的实施，重复之处不再赘述。
[0054]图5是本发明实施例的骨干网光缆监测方法的流程图，如图5所示，该方法包括如下步骤:
[0055]步骤S501，根据光源发出的光产生本振光和脉冲光，其中，脉冲光传送至被测的传感光纤；
[0056]步骤S502，脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与本振光一起传送至光电检测单元，进行相干检测；
[0057]步骤S503，对光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果；
[0058]步骤S504，根据监测结果进行故障预警；
[0059]步骤S505，基于地理信息系统显示地图，并根据地图和监测结果对故障位置进行定位，其中地图包括骨干网的线路和光缆。
[0060]通过上述骨干网光缆监测方法，可实时主动监测光传输系统的传输性能，通过分析光纤的回波信号和位置信息，及时发现系统中的故障或隐患，当故障发生时能够对故障位置快速定位，准确判别故障类型并及时将故障信息通知给运行维护人员。
[0061]在一个实施例中，在步骤S503之前，上述方法还可以包括:采集环境温度和光缆应变。
[0062]在一个实施例中，步骤S503可以包括:接收光电检测单元输出的信号;对光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对该多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿被测的传感光纤的瑞利散射功率谱;从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据光的频率变化量获取电力信息，并将电力信息作为监测结果，输出监测结果。
[0063]在步骤S501之前，上述方法还可以包括:利用备纤迂回法将骨干网的分支线路接续到主干线路上。
[0064]本发明的骨干网光缆监测系统可以理解为由多个具有相对独立功能的部分组成，包括:自动监测部分、光缆资源管理部分、地理信息系统部分、运行和维护部分。下面结合图6分别进行说明。
[0065](1)自动监测部分
[0066]该部分主要执行对整个光缆通信状态(如光缆中断情况、光通路运行情况)的实时监测。可以将整个光缆网络分成若干段，由自动监测部分分段进行监测和扫描。主要的监测功能包括:光功率数据采集、光线环境温度采集、应变采集、断纤预警、故障定位、光缆劣化等，自动监测部分是骨干网光缆监测系统最重要的部分。
[0067](2)光缆资源管理部分
[0068]光缆资源管理部分主要是对整个电力通信网络的各个硬件组成部分进行管理。管理线路资源(杆塔、吊线、管路、人井等)、光缆资源(光缆、纤芯、接头等)、光路资源(光路、光配线架、光跳纤等)，并提供资源的浏览、查询、检索功能，资源数据的添加、删除、编辑、修改以及资源的统计和报表功能。该部分不仅提供实体硬件资源的管理功能，还提供网络的逻辑资源功能和光缆路由管理功能(路由的浏览、查询、检索)。通过光缆资源管理部分可以全方位地了解整个电力通信网络的各个硬件组成部分，方便故障的搜寻和排除。
[0069]具体的，光缆资源管理部分可以结合地理信息系统(Geographic Informat1nSystem，简称为GIS)进行资源开发。基于GIS的图形化技术为资源管理提供了良好的界面显示和交互操作环境。可以通过建立网管数据库存储网络、线路、光缆、设备及所在的人井、杆塔等的分布信息。
[0070](3)地理信息系统部分
[0071]光缆网络覆盖地域广泛，各种资源分布在不同的地理位置，地理信息在资源管理、故障定位等功能的实现上起着重要作用。地理信息系统主要采用GIS定位技术，以包含地理信息的地图为背景，背景载有精确的地理定位(经度、玮度)信息和地理图形。在背景图层上叠加资源图层，资源图层上载有各种线路、光缆等资源，通过资源图层将各种资源直接定位到地图上，实现对光缆故障的地理定位和资源的可视化、地理化管理。地理信息系统的资源图层直接建立在资源数据库和光缆资源管理系统上，用户可以直接通过地理图浏览、查询、修改和编辑资源对象。地理信息系统还可以为自动监测部分提供地图，实现故障精确定位，在地图上直接标出故障的精确位置。
[0072](4)运行和维护部分
[0073]该部分主要负责光缆的日常运行维护与资源调配管理，着重对工作过程的控制以及对数据资源的及时更新。
[0074]综上所述，本发明实施例提供的电力系统骨干网光缆监测系统及方法，可实时监测光传输系统的传输性能，及时发现系统中的故障或隐患，不仅具有故障预警功能，当故障发生时还能够对故障位置快速定位，准确判别故障类型并及时将故障信息通知给运行维护人员，这对于缩短光缆线路的故障时间，保障电力系统安全稳定地运行具有重要意义。骨干网光缆监测系统集成了计算机、通信、数据库系统、光纤测量技术及GIS定位技术，采用0TDR将光通过波分复用器(Wavelength Divis1n Multiplexing，简称为WDM)和光关加载到被测光纤中。系统通过0TDR分析光纤的回波信号和GIS定位系统的位置信息，可以在计算机屏幕上显示出光缆的路由和障碍位置并发出告警，使管理人员可以很直观地掌握故障情况，从而使维护人员在最短的时间内赶到现场处理问题，减少故障所引起的损失。同时，通过调用数据库中光纤的原始数据，分析对比光纤测试波形的变化，判断光纤品质的劣化以及估计光缆的寿命等，从而可使光缆网络管理者及时制定出光缆网络的升级、更换及维护计划。
[0075]流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能 ，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0076]应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
[0077]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0078]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种骨干网光缆监测系统，其特征在于，包括:光源、光脉冲形成单元、光电检测单元、数据处理单元、预警单元和显示单元； 所述光脉冲形成单元，用于根据所述光源发出的光产生本振光和脉冲光，其中，所述脉冲光传送至被测的传感光纤，所述脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至所述光电检测单元； 所述光电检测单元，用于对所述后向瑞利散射光与所述本振光进行相干检测； 所述数据处理单元，用于对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果; 所述预警单元，用于根据所述监测结果进行故障预警； 所述显示单元，用于基于地理信息系统显示地图，并根据所述地图和所述监测结果对故障位置进行定位，其中所述地图包括骨干网的线路和光缆。2.根据权利要求1所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述光脉冲形成单元包括:依次连接的微波频率综合器、单边带调制器、第一耦合器、电光调制器、放大器和第二耦合器，其中，所述单边带调制器还连接至所述光源，所述第二耦合器还连接至所述被测的传感光纤； 所述光脉冲形成单元还包括:脉冲发生器和第三耦合器，其中，所述第三耦合器分别连接至所述第一耦合器、所述第二耦合器和所述光电检测单元;所述脉冲发生器连接至所述电光调制器； 所述单边带调制器，用于调节所述微波频率综合器的频率以控制所述光源发出的光的频率，并输出连续光； 所述第一耦合器，用于将所述连续光分成两路，一路作为所述本振光，另一路经所述电光调制器和所述脉冲发生器调制成所述脉冲光； 所述放大器，用于放大所述脉冲光； 所述第二耦合器，用于将所述脉冲光传送至所述被测的传感光纤，以及输出所述脉冲光在传播过程中产生的所述后向瑞利散射光； 所述第三耦合器，用于将所述后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至所述光电检测单元。3.根据权利要求2所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于， 所述第一耦合器与所述电光调制器之间连接有第一偏振控制器，以保证所述电光调制器的输入光偏振方向与其透光轴重合； 所述第一耦合器与所述第三耦合器之间连接有第二偏振控制器，用于减小由偏振不匹配带来的信号起伏。4.根据权利要求1所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述被测的传感光纤内设置有传感器，用于采集环境温度和光缆应变。5.根据权利要求4所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述数据处理单元包括: 接收模块，用于接收所述光电检测单元输出的信号； 处理模块，用于对所述光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对所述多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿所述被测的传感光纤的瑞利散射功率谱； 输出模块，用于从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据所述光的频率变化量获取电力信息，并将所述电力信息作为所述监测结果，输出所述监测结果。6.根据权利要求1所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述骨干网的分支线路利用备纤迂回法接续到主干线路上。7.根据权利要求1至6中任一项所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述光源是分布式反馈激光器。8.根据权利要求1至6中任一项所述的骨干网光缆监测系统，其特征在于，所述骨干网光缆监测系统还包括: 存储单元，用于存储所述骨干网的分布信息； 编辑单元，用于对所述骨干网的分布信息进行查询、修改、统计和报表； 电源，用于为所述骨干网光缆监测系统供电。9.一种骨干网光缆监测方法，其特征在于，包括: 根据光源发出的光产生本振光和脉冲光，其中，所述脉冲光传送至被测的传感光纤； 所述脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与所述本振光一起传送至光电检测单元，进行相干检测； 对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果； 根据所述监测结果进行故障预警； 基于地理信息系统显示地图，并根据所述地图和所述监测结果对故障位置进行定位，其中所述地图包括骨干网的线路和光缆。10.根据权利要求9所述的骨干网光缆监测方法，其特征在于，在对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果之前，所述方法还包括: 采集环境温度和光缆应变。11.根据权利要求10所述的骨干网光缆监测方法，其特征在于，对所述光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果，包括: 接收所述光电检测单元输出的信号； 对所述光电检测单元输出的信号进行累加平均和小波去噪处理，得到不同时刻的多组瑞利散射功率谱，对所述多组瑞利散射功率谱按距离、频率、强度进行拟合，得到沿所述被测的传感光纤的瑞利散射功率谱； 从拟合后的瑞利散射功率谱获得光的频率变化量，根据所述光的频率变化量获取电力信息，并将所述电力信息作为所述监测结果，输出所述监测结果。12.根据权利要求9所述的骨干网光缆监测方法，其特征在于，在根据光源发出的光产生本振光和脉冲光之前，所述方法还包括:利用备纤迂回法将所述骨干网的分支线路接续到主干线路上。
【专利摘要】本发明公开了一种骨干网光缆监测系统及方法，该系统包括：光源、光脉冲形成单元、光电检测单元、数据处理单元、预警单元和显示单元；光脉冲形成单元用于根据光源发出的光产生本振光和脉冲光，脉冲光传送至被测的传感光纤，脉冲光在传播过程中产生的后向瑞利散射光与本振光一起送至光电检测单元；光电检测单元用于对后向瑞利散射光与本振光进行相干检测；数据处理单元用于对光电检测单元输出的信号进行数据处理，输出监测结果；预警单元用于根据监测结果进行故障预警；显示单元用于显示地图，并根据地图和监测结果对故障位置进行定位，地图包括骨干网线路和光缆。本发明实时主动监测光缆性能，及时发现故障或隐患，进行故障定位和预警。
【IPC分类】H04B10/077
【公开号】CN105490739
【申请号】CN201510829123
【发明人】赵旷怡, 李莉, 王刚, 吴润泽, 申惠琪, 万莹, 刘丽, 刘素伊, 聂文海, 黄毅臣, 李红建, 李顺昕, 王泉, 彭柏, 张立斌, 常海娇, 尤新雨, 吴立文, 范士清, 姚学科, 张恩江, 敖翠玲, 傅守强, 朱正甲, 张嵩, 高杨, 许颖, 孙密, 许文秀
【申请人】国家电网公司, 国网冀北电力有限公司经济技术研究院, 华北电力大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月25日
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