CN111917466B - 一种光纤故障点监控识别***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤故障点监控识别***及方法，***包括：脉冲光源；环形器；1×N光开关；N根通信光纤；多个数据采集器，依次间隔设置于N根通信光纤上，多个数据采集器用于生成包含位置数据和唯一识别信息码的振频信号；光电探测器；主控模块，分别与脉冲光源、1×N光开关、光电探测器连接以用于控制脉冲光源的输出、控制1×N光开关的输出切换、控制光电探测器的接收以及识别按规则应变的光波信号与故障点识别。本实施例利用分布式传感***，识别固定位置固定频率的应变变化，结合1×N光开关和多光纤构建光纤链路矩阵，通过不间断采集多光纤中非振动信号与光纤链路矩阵的数据采集器状态信息对比分析，来进行振动故障点精准定位。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通讯领域，特别涉及一种光纤故障点监控识别***及方法。
背景技术
现有光纤在被外力破坏以后，依赖于人工逐段逐点排查，效率低下，浪费很多人力且严重影响用户体验。尤其是军用布防光缆，多跟光缆布置在一起，更加难以排查。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种光纤故障点监控识别***，可实现外力破坏故障点的快速精准定位；本发明还提供了一种光纤故障点监控识别方法。
根据本发明第一方面实施例的一种光纤故障点监控识别***，包括：脉冲光源，用于输出脉冲光波；环形器，所述环形器具有第一端口、第二端口、第三端口；所述环形器的第一端口与脉冲光源的输出端连接；1×N光开关，所述1×N光开关的输入端与所述环形器的第二端口连接；N根通信光纤，N根所述通信光纤分别与所述1×N光开关的N个输出端连接；多个数据采集器，依次间隔设置于N根所述通信光纤上，多个所述数据采集器用于生成包含位置数据和唯一识别信息码的振频信号并作用于所述通信光纤的外层以使所在位置的通信光纤回传按一定规则发生应变的光波信号；光电探测器，所述光电探测器的输入端与所述环形器的第三端口连接，用于接收所述通信光纤回传的按规则应变的光波信号；主控模块，分别与所述脉冲光源、1×N光开关、光电探测器电性连接以用于控制脉冲光源的输出、控制1×N光开关的输出切换、控制光电探测器的接收以及识别按规则应变的光波信号与故障点识别。
根据本发明第一实施例的光纤故障点监控识别***，至少具有如下有益效果：本实施例利用分布式传感***，识别固定位置固定频率的应变变化，结合1×N光开关和多光纤构建光纤链路矩阵，通过不间断采集多光纤中非振动信号与光纤链路矩阵的数据采集器状态信息对比分析，来进行振动故障点精准定位。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述数据采集器包括壳体以及设置在所述壳体内的电源、控制芯片、应变器、定位芯片、唤醒开关，所述电源为所述控制芯片、应变器、定位芯片、唤醒开关供电，所述定位芯片用于采集所述数据采集器的位置数据以提供给所述控制芯片，所述唤醒开关用于将待机状态下的所述控制芯片唤醒到工作状态，所述控制芯片用于将唯一识别信息码与所述数据采集器的位置数据按照一定规则组合编码并控制所述应变器输出相应的振频信号，所述通信光纤与所述应变器相接触。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述壳体包括相互扣合连接的上盖、下盖，所述上盖、下盖扣合时构成具有供通信光纤穿设的通道，所述通道内侧具有环形凹槽，所述环形凹槽内设置有柔性电路板，柔性电路板用于安装所述电源、控制芯片、应变器、定位芯片、唤醒开关。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述应变器为电磁振动器，所述电磁振动器的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，其中n为正整数。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述壳体上设置有控制所述电源供电的触发开关。
根据本发明第二方面实施例的一种光纤故障点监控识别方法，包括以下步骤：S1、控制脉冲光源发送脉冲光波；S2、脉冲光波经环形器进入依次间隔设置有多个数据采集器进行分段的通信光纤；S3、多个所述数据采集器分别生成包含位置数据和唯一识别信息码组合编码的振频信号，并作用于数据采集器所在位置的通信光纤外层，以使通信光纤回传的光波信号按一定规则发生应变；S4、控制光电探测器接收所述通信光纤中经环形器回传的光波信号生成按规则应变的光波信号；S5、光电探测器将其接收的按规则应变的光波信号传输给主控模块，并由主控模块识别按规则应变的光波信号以解码出多个所述数据采集器的位置数据、唯一识别信息码、长度和光波能量强度；S6、将多个所述数据采集器的位置数据、唯一识别信息码、长度和光波能量强度记为当前通信光纤的初始链路状态信息；S7、控制1×N光开关轮流接入N根通信光纤，重复上述S1至S6步骤，便可得到N根通信光纤的初始链路状态信息；S8、控制1×N光开关不间断地轮流接入N根通信光纤，重复上述S1至S6步骤，将检测的振频信号与当前所在通信光纤初始链路状态信息进行对比，若振频信号为非数据采集器的振频信号，则调取当前所在通信光纤的数据采集器状态信息，根据数据采集器状态信息识别故障点的所在光纤段，并采集相邻通信光纤中振动信号强度最大的数据采集器状态信息；S9、利用振动通信光纤和相邻通信光纤对应振动信号强度最大的数据采集器的位置和光波能量进行三点定位计算，得出故障点的准确位置和强度。
根据本发明第二实施例的一种光纤故障点监控识别方法，至少具有如下有益效果：本实施例利用分布式传感***，识别固定位置固定频率的应变变化，结合1×N光开关和多光纤构建光纤链路矩阵，通过不间断采集多光纤中非振动信号与光纤链路矩阵的数据采集器状态信息对比分析，来进行振动故障点精准定位。
根据本发明第二方面的一些实施例，计算所述数据采集器距离起始点的长度，长度L＝t12*c*r/2，其中t12为脉冲光源发送时间与光电探测器接收时间之差，c为光速，r为群折射率。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述振动信号的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，其中n为正整数。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明第一方面实施例的光纤故障点监控识别***原理图；
图2为本发明第一方面实施例的数据采集器原理图；
图3为本发明第一方面实施例的数据采集器壳体结构示意图；
图4为本发明第二方面实施例的光纤故障点监控识别方法流程图。
附图标记：
脉冲光源100、环形器200、1×N光开关300、通信光纤400；
数据采集器500、壳体510、上盖511、下盖512、通道513、环形凹槽514、柔性电路板515、电源520、控制芯片530、应变器540、定位芯片550、唤醒开关560、触发开关570；
光电探测器600、主控模块700。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图1所示，为本技术方案第一方面实施例的一种光纤故障点监控识别***，包括：脉冲光源100，用于输出脉冲光波；环形器200，所述环形器200具有第一端口、第二端口、第三端口；所述环形器200的第一端口与脉冲光源100的输出端连接；1×N光开关300，所述1×N光开关300的输入端与所述环形器200的第二端口连接；N根通信光纤400，N根所述通信光纤400分别与所述1×N光开关300的N个输出端连接；多个数据采集器500，依次间隔设置于N根所述通信光纤400上，多个所述数据采集器500用于生成包含位置数据和唯一识别信息码的振频信号并作用于所述通信光纤400的外层以使所在位置的通信光纤400回传按一定规则发生应变的光波信号；光电探测器600，所述光电探测器600的输入端与所述环形器200的第三端口连接，用于接收所述通信光纤400回传的按规则应变的光波信号；主控模块700，分别与所述脉冲光源100、1×N光开关300、光电探测器600电性连接以用于控制脉冲光源100的输出、控制1×N光开关300的输出切换、控制光电探测器500的接收以及识别按规则应变的光波信号与故障点识别。
上述环形器200用于实现光波的耦合，将脉冲光波输出到通信光纤400，并将通信光纤400中回向反射、散射光波输出到光电探测器端，数据采集器500用于产生一定规则的包含位置数据和唯一识别信息码的应变频率序列，当发生应变时通信光纤400所反射和散射的光波信号会伴随应变频率同步发生波长变化，主控模块600控制光电探测器500的接收以及识别按规则应变的光波信号，识别以后再跟后续采集的光波信号比较以实现故障诊断。
本实施例利用分布式传感***，识别固定位置固定频率的应变变化，结合1×N光开关和多光纤构建光纤链路矩阵，通过不间断采集多光纤中非振动信号与光纤链路矩阵的数据采集器状态信息对比分析，来进行振动故障点精准定位。
在本发明第一方面的一些实施例中，如图2、图3所示，数据采集器500包括壳体510以及设置在所述壳体510内的电源520、控制芯片530、应变器540、定位芯片550、唤醒开关560，所述电源520为所述控制芯片530、应变器540、定位芯片550、唤醒开关560供电，所述定位芯片550用于采集所述数据采集器500的位置数据以提供给所述控制芯片540，所述唤醒开关560用于将待机状态下的所述控制芯片540唤醒到工作状态，所述控制芯片540用于将唯一识别信息码与所述数据采集器500的位置数据按照一定规则组合编码并控制所述应变器540输出相应的振频信号，所述通信光纤400与所述应变器540相接触。其中控制芯片530控制应变器500按一定规则进行应变，按一定时间规则进行应变，将该规则转换成相应的长短信号或者0、1信号，结合***的可操作性和方便性，最终优选0、1信号将二进制码转换成应变信号。
其中，定位芯片550采用小尺寸、低功率定位芯片，且兼容GPS、北斗卫星定位。唤醒开关560采用振动开关，当人为晃动数据采集器时，振动开关启动并唤醒主控模块600进行工作。
在本发明第一方面的一些实施例中，如图3所示，所述壳体510包括相互扣合连接的上盖511、下盖512，所述上盖511、下盖512扣合时构成具有供通信光纤400穿设的通道513，所述通道513内侧具有环形凹槽514，所述环形凹槽514内设置有柔性电路板515，柔性电路板515用于安装所述电源520、控制芯片530、应变器540、定位芯片550、唤醒开关560。其中，电源520采用柔性电池，考虑到***长时间处于待机状态，且实际用户需求使用寿命并不长，所以，可以采用相对薄款的柔性电池。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述壳体510上设置有控制所述电源520供电的触发开关570。触发开关570使用压条进行压触，压触时电源供电关闭，当智能接头盒使用时需拔出压条，压条拔出后电源开始供电，***正常工作。为节能需要采用触发开关570，只有上下盖固定在光缆上，光缆接触触发开关570才启动数据采集器500；定位芯片550启动频率采用间隔较长时间启动一次；振动信号发送也采用较长时间启动一次，这样节省能耗。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述应变器540为电磁振动器、加热器或应力发生器。但考虑时间控制、耗能控制等因素(如由于加热器不利于散热控制)，最终考虑使用电磁控制的振动器；单次振动，其振动波形存在一定的特征，但是由于其受干扰和距离等因素影响，要识别到准确的特征点其准确率有风险，但是，本方案只是识别到振动和连续振动时间，这就容易实现。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述应变器540为电磁振动器，所述电磁振动器的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，其中n为正整数。唤醒开关560采用振动开关，振动开关的启动力量大于电磁振动器，避免电磁振动器振动时干扰振动开关；当现场进行故障点查找时，可大力摇动数据采集器，摇动力量触发振动开关，振动开关启动，并向光缆振动响应时长的数据信息。
如图4所示，根据本发明第二方面实施例的一种光纤故障点监控识别方法，包括以下步骤：
S1、控制脉冲光源发送脉冲光波；
S2、脉冲光波经环形器进入依次间隔设置有多个数据采集器进行分段的通信光纤；
S3、多个所述数据采集器分别生成包含位置数据(如经纬度)和唯一识别信息码组合编码(按照一定的二进制编组规则，形成应变时间和间隔时间组合)的振频信号，并作用于数据采集器所在位置的通信光纤外层，以使通信光纤回传的光波信号按一定规则发生应变；
S4、控制光电探测器接收所述通信光纤中经环形器回传的光波信号生成按规则应变的光波信号；
S5、光电探测器将其接收的按规则应变的光波信号传输给主控模块，并由主控模块识别按规则应变的光波信号以解码出多个所述数据采集器的位置数据、唯一识别信息码、长度和光波能量强度；
S6、将多个所述数据采集器的位置数据、唯一识别信息码、长度和光波能量强度记为当前通信光纤的初始链路状态信息；
S7、控制1×N光开关轮流接入N根通信光纤，重复上述S1至S6步骤，便可得到N根通信光纤的初始链路状态信息；
S8、控制1×N光开关不间断地轮流接入N根通信光纤，重复上述S1至S6步骤，将检测的振频信号与当前所在通信光纤初始链路状态信息进行对比，若振频信号为非数据采集器的振频信号，则调取当前所在通信光纤的数据采集器状态信息，根据数据采集器状态信息识别故障点的所在光纤段，并采集相邻通信光纤中振动信号强度最大的数据采集器状态信息；
S9、利用振动通信光纤和相邻通信光纤对应振动信号强度最大的数据采集器的位置和光波能量进行三点定位计算，得出故障点的准确位置和强度。
本实施例利用分布式传感***，识别固定位置固定频率的应变变化，结合1×N光开关和多光纤构建光纤链路矩阵，通过不间断采集多光纤中非振动信号与光纤链路矩阵的数据采集器状态信息对比分析，来进行振动故障点精准定位。
在本发明第二方面的一些实施例中，所述振频信号为振动信号、温度信号或应力信号。由于当光纤受到外界环境(如温度，压力，振动等)影响时，光纤中传输光的强度，相位，频率，偏振态等参量将会相应的发生变化。
在本发明第二方面的一些实施例中，计算所述数据采集器距离起始点的长度，长度L＝t12*c*r/2，其中t12为脉冲光源发送时间与光电探测器接收时间之差，c为光速，r为群折射率。
在本发明第二方面的一些实施例中，所述振频信号为振动信号，所述振动信号的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，其中n为正整数。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种光纤故障点监控识别***，其特征在于，包括：
脉冲光源(100)，用于输出脉冲光波；
环形器(200)，所述环形器(200)具有第一端口、第二端口、第三端口；所述环形器(200)的第一端口与脉冲光源(100)的输出端连接；
1×N光开关(300)，所述1×N光开关(300)的输入端与所述环形器(200)的第二端口连接；
N根通信光纤(400)，N根所述通信光纤(400)分别与所述1×N光开关(300)的N个输出端连接；
多个数据采集器(500)，依次间隔设置于N根所述通信光纤(400)上，多个所述数据采集器(500)用于生成包含位置数据和唯一识别信息码的振频信号并作用于所述通信光纤(400)的外层以使所在位置的通信光纤(400)回传按一定规则发生应变的光波信号；
光电探测器(600)，所述光电探测器(600)的输入端与所述环形器(200)的第三端口连接，用于接收所述通信光纤(400)回传的按规则应变的光波信号；
主控模块(700)，分别与所述脉冲光源(100)、1×N光开关(300)、光电探测器(600)电性连接以用于控制脉冲光源(100)的输出、控制1×N光开关(300)的输出切换、控制光电探测器(500)的接收以及识别按规则应变的光波信号与故障点识别；
所述数据采集器(500)包括壳体(510)以及设置在所述壳体(510)内的电源(520)、控制芯片(530)、应变器(540)、定位芯片(550)、唤醒开关(560)，所述电源(520)为所述控制芯片(530)、应变器(540)、定位芯片(550)、唤醒开关(560)供电，所述定位芯片(550)用于采集所述数据采集器(500)的位置数据以提供给所述控制芯片(530)，所述唤醒开关(560)用于将待机状态下的所述控制芯片(530)唤醒到工作状态，所述控制芯片(530)用于将唯一识别信息码与所述数据采集器(500)的位置数据按照一定规则组合编码并控制所述应变器(540)输出相应的振频信号，所述通信光纤(400)与所述应变器(540)相接触。
2.根据权利要求1所述的光纤故障点监控识别***，其特征在于：所述壳体(510)包括相互扣合连接的上盖(511)、下盖(512)，所述上盖(511)、下盖(512)扣合时构成具有供通信光纤(400)穿设的通道(513)，所述通道(513)内侧具有环形凹槽(514)，所述环形凹槽(514)内设置有柔性电路板(515)，柔性电路板(515)用于安装所述电源(520)、控制芯片(530)、应变器(540)、定位芯片(550)、唤醒开关(560)。
3.根据权利要求1所述的光纤故障点监控识别***，其特征在于：所述应变器(540)为电磁振动器，所述电磁振动器的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，其中n为正整数。
4.根据权利要求1所述的光纤故障点监控识别***，其特征在于：所述壳体(510)上设置有控制所述电源(520)供电的触发开关(570)。
5.一种光纤故障点监控识别方法，应用于权利要求1至4任一所述的一种光纤故障点监控识别***，其特征在于：包括以下步骤
S1、控制脉冲光源发送脉冲光波；
S2、脉冲光波经环形器进入依次间隔设置有多个数据采集器进行分段的通信光纤；
S3、多个所述数据采集器分别生成包含位置数据和唯一识别信息码组合编码的振频信号，并作用于数据采集器所在位置的通信光纤外层，以使通信光纤回传的光波信号按一定规则发生应变；
S4、控制光电探测器接收所述通信光纤中经环形器回传的光波信号生成按规则应变的光波信号；
S5、光电探测器将其接收的按规则应变的光波信号传输给主控模块，并由主控模块识别按规则应变的光波信号以解码出多个所述数据采集器的位置数据、唯一识别信息码、长度和光波能量强度；
S6、将多个所述数据采集器的位置数据、唯一识别信息码、长度和光波能量强度记为当前通信光纤的初始链路状态信息；
S7、控制1×N光开关轮流接入N根通信光纤，重复上述S1至S6步骤，便可得到N根通信光纤的初始链路状态信息；
S8、控制1×N光开关不间断地轮流接入N根通信光纤，重复上述S1至S6步骤，将检测的振频信号与当前所在通信光纤初始链路状态信息进行对比，若振频信号为非数据采集器的振频信号，则调取当前所在通信光纤的数据采集器状态信息，根据数据采集器状态信息识别故障点的所在光纤段，并采集相邻通信光纤中振动信号强度最大的数据采集器状态信息；
S9、利用振动通信光纤和相邻通信光纤对应振动信号强度最大的数据采集器的位置和光波能量进行三点定位计算，得出故障点的准确位置和强度。
6.根据权利要求5所述的一种光纤故障点监控识别方法，其特征在于：计算所述数据采集器距离起始点的长度，长度L＝t12*c*r/2，其中t12为脉冲光源发送时间与光电探测器接收时间之差，c为光速，r为群折射率。
7.根据权利要求5所述的一种光纤故障点监控识别方法，其特征在于：所述振动信号的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，其中n为正整数。
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