基于DAS技術的地下通信光纜路由尋址

晏 晨,張大路,劉 東,熊志剛,吳海勇,王如剛,陳勐勐*

(1.鹽城工學院 信息工程學院,江蘇 鹽城 224051;2.南京曉莊學院 電子工程學院,江蘇 南京 211171)

光纖通信是如今通訊網絡的主要傳輸方式,當光纜發生故障時,會導致通訊信號質量的下降甚至中斷,對居民的生活產生諸多不便,如果該光纜連接著企業的重要業務,還會給企業造成嚴重的經濟損失。如何在短時間內迅速地找到損壞光纜的路由并進行維修是一道亟需解決的難題,而早期的地下光纜混亂,更是給光纜的修復工作帶來層層阻礙。因此,維護通信光纜的安全事關重大[1]。同時,光纖難免會遭到多方面原因的破壞,比如在施工過程中的意外損壞、洪水等自然災害的破壞、老鼠等動物的啃咬、不法分子的偷盜以及光纜保護層的自然老化等,因此,一種穩定可靠的、可以精準定位故障點的光纜巡纖技術,在恢復光纜通信這一過程中是必不可少的。

傳統的巡纖方法包括:紅外熱成像法、震動檢測法及氣壓檢測法。但這些方法普遍存在著靈敏度低,無法連續監測,易受外界干擾,成本高等劣勢,限制了其在光纖巡纖領域的應用。光纖傳感技術1977年首次被提出,經過40多年的發展,逐漸產生了點式、準分布式、分布式三種光纖傳感模式,其中,分布式光纖傳感技術已經在地質災害監測[2,3]、建筑結構健康評估[4,5]、油氣管道安全監測[6,7]、醫療保健[8,9]、智能交通等領域取得了巨大的成功。以分布式聲波傳感(DAS)技術為代表,當光纖受到擾動,便可以通過測量光纖中后向瑞利散射光的相位變化,得知擾動發生的位置,進而得知光纜的路由[10]。與傳統的巡纖方法相比,DAS技術以光纖為原材料,成本低;可以對光纜中任意位置進行準確的實時監測,能快速地對發生故障的位置進行定位;由DAS技術得到的數據可以有效地降低誤判率和漏報率,提高了監測的可靠性。本文使用DAS進行地下光纜尋址的實驗,并對實驗結果進行了分析。

1 DAS技術原理

DAS技術的工作原理如下:激光二極管(LD)發出的連續激光被分成兩路,一路到達聲光調制器(AOM),脈沖信號發生器(PG)通過反饋機制,將方波振蕩器產生的方波信號與用戶設定的參考電壓進行比較。當兩者差值大于閾值后,發出脈沖信號對聲光調制器(AOM)控制,將電脈沖調制為光脈沖后到達光放大器(EDFA),光放大器將泵浦光的能量轉變為信號光的能量,將該光脈沖放大為高功率的探測脈沖,另一路作為干涉光。被放大的光脈沖經帶通濾波器(BPF)濾波后經過環形器到達傳感光纖,當外界有入侵產生時,振動會對傳感光纖產生一定的彈性形變,從而改變該位置的光纖折射率,這便引起了后向瑞利散射光相位的變化,后向瑞利散射光返回到環形器,與參考光一起輸入光耦合器(OC),光耦合器將兩路光信號進行耦合,使其聚焦到輸出光纖中,從而實現光信號的傳輸和傳導,耦合器輸出信號由平衡光電探測器接收(BPD),BPD將光信號轉化為電信號后由示波器進行采集并顯示,使用MATLAB對采集到的信號進行處理,處理結果可以反應傳輸光纖鏈路上的擾動信息[11-13]。實驗裝置如圖1所示。為探究DAS技術在尋找光纜路由上的可行性,我們將聚聯科技的TK200光纜普查儀接入南京曉莊學院的光纜,同步開展了實驗。

圖1 基于單模光纖的DAS傳感系統的實驗裝置LD:激光二極管;OC:光耦合器;AOM:聲光調制器;PG:脈沖信號發生器;EDFA:光放大器;BPF:帶通濾波器;BPD:平衡光電二極管;Oscilloscope:示波器

2 現場實驗及數據處理

圖2 南京曉莊學院光纜分布圖

2.1 現場實驗

以南京曉莊學院的校內光纜為研究對象驗證DAS系統可靠性。將DAS接入到學校數據中心的預留光纖,該預留光纖通往美術樓,實驗探究這段地下光纜的路由(圖2)。在巡纖路由時,同時借助聚聯科技的TK200光纜普查儀,將DAS結果與TK200實驗結果做比對分析。

圖3 數據中心到美術樓的光纜路由圖

按規劃圖,由數據中心通往美術樓的路由如圖3所示。在系統搭建完成之后,按規劃圖尋找路由。首先找到規劃路由上的光纜井蓋,并在地圖上進行標記,后掀開井蓋,使用工具對每一個井蓋內的光纜進行撥動,來判斷數據中心到美術樓的路由是否經過該段光纜。實驗過程中使用DAS系統采集撥動光纜時的振動信息,同時使用TK200判斷光纜是否經過此路徑。

2.2 實驗數據處理

TK200僅可以通過聲響判斷光纜是否經過此路由,DAS技術除可以實現以上功能外,還可以計算出每個光纜井蓋內的預留光纜的長度:當需要擴充網絡或者修復光纜的時候,如果長度足夠,則可以直接使用預留光纜來進行擴充網絡或修復光纜;如果預留光纜的長度不夠,且無法通過光纖接頭連接到已有的光纜,則可能需要熔接部分光纜。使用DAS技術獲取擾動信息之后,本文另采用圖像處理的方法,計算井蓋內預留光纖長度。DAS系統采集到的光纜沿線振動信息分布如圖4(a)所示(以圖書館南側的窨井蓋下的光纜為例),由圖可知,當光纖受擾動敲擊等干擾后,其在該段位置上的相位信息發生了明顯變化,以此明確擾動發生的位置。這里可以借用OpenCV的圖像邊緣檢測的Sobel算子來實現邊緣檢測。

Sobel算子是一種邊緣檢測算子,用于檢測圖像中灰度變化的點,可以提高圖像的對比度,其通過與兩個卷積核進行卷積得到水平方向和垂直方向上的邊緣。假設要處理的圖像為I,卷積核的大小為3×3時,Sobel算子進行邊緣檢測的過程如下:

得到水平方向的變化:

(1)

得到垂直方向的變化:

(2)

將水平方向和垂直方向得到的結果平方相加并開方,得到的最終結果為:

(3)

由圖4(a)可知,擾動區域在垂直方向上的灰度變化比較明顯,而非擾動區域則比較平緩。而在水平方向上,各個區域都可能產生明顯的灰度變化,如果對圖像進行完整的邊緣檢測,則會檢測出一些無意義的邊緣,所以采用對垂直方向進行邊緣提取的方法,提取出擾動區域。結果如圖4(b)所示。

圖5 腐蝕后的圖像

當得到y方向上進行Sobel算子后的圖像后,對其進行了二值化,腐蝕等操作。得到的圖像如圖5所示,從圖中可以看出,由于進行了腐蝕處理,一些原本細微的白點變得很大,這也是需要對其進行腐蝕操作的原因。為了去除擾動區域外的白點,采用了對輪廓的面積進行篩選的方式對圖像進行處理,即僅保留面積最大的區域,其余的輪廓都用黑色來填充。處理完成后,可以看出擾動區域的內部有黑色的孔洞,于是采用閉運算對孔洞進行填充。對于該圖像,可以通過orb角點檢測的方式得到其角點坐標,將坐標通過x值進行劃分,將其分為左右兩個部分,計算出左右兩部分坐標點的x坐標的平均值作為井內光纜的首尾位置,將首尾的x坐標進行相減便可以得到井內預留光纜的長度。計算出窨井蓋下預留光纖長度如圖6所示,在采集完所有點的坐標后,得到左邊緣的x坐標平均值為209.43,右邊緣的x坐標平均值為237.39,得到該窨井蓋下光纜長度為27.96 m。其余部分窨井蓋下光纜長度如圖7所示。

圖6 窨井蓋下的預留光纖長度

圖7 部分窨井蓋下光纜長度(a)圖書館處光纖振動分布圖;(b)圖書館處窨井蓋下光纜長度;(c)轉盤處光纖振動分布圖;(d)轉盤處窨井蓋下光纜長度;(e)行知樓處光纖振動分布圖;(f)行知樓處窨井蓋下光纜長度;(g)琴房處光纖振動分布圖;(h)琴房處窨井蓋下光纜長度

3 結 論

本文介紹了利用DAS技術巡纖以尋找光纜路由的研究過程,探究將光纖傳感技術利用到通信光纜路由巡纖上的可行性。研究結果表明,將DAS技術應用于地下光纜巡址,可以準確地找出光纜的路由,可幫助通信服務工程師迅速定位到被破壞的位置以進行維修。同時,根據光纖振動分布圖,可以采用OpenCV圖像處理的方式來計算出預留光纖的長度,對光纜的維修能起到減少工程時間的作用。隨著城市化的進程和互聯網的發展,光纜的密度和范圍一直在迅猛增加,這將為DAS技術提供更加廣闊的利用空間。