Полевые испытания метода поиска трассы прокладки полностью диэлектрического оптического кабеля

Поиск трассы прокладки кабеля является неотъемлемой частью процесса технической эксплуатации подземных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Однако традиционные методы поиска, основанные на принципе электромагнитной индукции, неприменимы для оптических кабелей (ОК) без металлических элементов. В то же время полностью диэлектрические ОК обладают значительными преимуществами, связанными с устойчивостью к внешним электромагнитным воздействиям, и широко используются в районах с высокой грозовой активностью, а также на участках сближения с высоковольтными линиями электропередач и электрическими железными дорогам [1]. Также легкие малогабаритные диэлектрические ОК применяются при строительстве методом задувки в защитные полиэтиленовые трубы и пакеты микротрубок транспортной многоканальной коммуникации.

Следовательно, в процессе эксплуатации подобных ВОЛС требуются эффективные методы и средства для поиска трассы прокладки ОК и локализации повреждений.

В настоящее время технология распределенных волоконно-оптических сенсоров акустических и вибрационных воздействий интенсивно развивается, что сопровождается повышением ее эффективности и расширением области применения [2–4].

В ряде публикаций [5–7] рассматривались различные подходы по применению данной технологии для решения задач поиска и локализации кабельных линий.

В работах [8; 9] были предложены методы поиска трассы прокладки диэлектрического ОК, основанные на регистрации и анализе откликов волоконно-оптической системы вибро-акустического мониторинга (СВАМ), реализованной на базе фазочувствительного оптического рефлектометра, на вибрационное и акустическое воздействие в области локализации.

Настоящая работа посвящена усовершенствованию данных методов и их экспериментальной апробации в полевых условиях.

Метод поиска трассы прокладки

Предлагаемый метод поиска трассы прокладки оптического кабеля полностью диэлектрической конструкции представляет собой развитие и адаптацию метода, предложенного в работах [9; 10], к полевым условиям. Суть метода заключается в следующем: СВАМ размещается на оконечном пункте ВОЛС и подключается к свободному оптическому волокну (ОВ) из кабеля, трассу прокладки которого необходимо определить; в месте локализации оказывается вибрационное и/или акустическое воздействие заданного вида для набора точек на поверхности грунта; отклики СВАМ анализируются, и определяется местоположение трасы.

При этом вводятся следующие предположения: примерная область прокладки ОК известна с точностью R; чувствительность ОВ в ОК не зависит от направления воздействия; характеристики распространения вибро-акустических воздействий в грунте однородны.

Метод реализуется в два этапа: на первом этапе производится примерное определение зоны прокладки кабеля на местности с применением импульсного ударного воздействия; на втором этапе производится определение направления трассы и уточнение местоположения кабеля.

Алгоритм реализации метода:

• 1)    в заданном месте поиска трассы прокладки ОК строится прямоугольная система координат, которую для определенности можно привязать к сторонам света;

• 2)    на заданном расстоянии R от центра системы координат отмечаются точки в соответствии с направлением (Север – 1, Восток – 2, Юг – 3, Запад – 4);

• 3)    в отмеченных точках производятся ударные воздействия заданной кратности путем организации свободного падения груза массой 5 кг с

высоты 1 м на поверхность грунта, с фиксацией откликов СВАМ;

• 4)    определяется точка максимальной интенсивности отклика, в которую переносится центр координат, и задаются новые точки воздействия на расстоянии R ;

• 5)    при необходимости выполняется несколько итераций до тех пор, пока воздействию в центре системы координат не будет соответствовать наиболее интенсивный отклик;

• 6)    производится анализ спектральных характеристик, мешающих вибро-акустических воздействий в зоне поиска трассы кабеля по результатам анализа характеристик СВАМ без какого-либо рода внешнего воздействия;

• 7)    производится анализ спектральных харак-

• теристик откликов при размещении источника акустического сигнала в центре системы координат и воздействии с помощью сигнала с линейной частотной модуляцией;

• 8)    определяется частота, соответствующая максимальной чувствительности и отношению сигнал/шум;

• 9)    в отмеченных точках производится воздействие гармоническим акустическим сигналом на определенной ранее частоте, и фиксируются отклики СВАМ;

• 10)    составляется карта распределения интенсивностей оклика по оси ОК для выбранных точек воздействия;

• 11)    взаимное расположение максимумов откликов для различных точек воздействия по длине ОВ определяет примерное направление трассы прокладки ОК;

• 12)    определяется азимут направления трассы прокладки ОК в соответствии с формулами:

0 = acos Q P , 0 = asin

1 2 R J

Q- 1 2 R )

где Q_P – расстояние между максимумами откликов для диаметральных точек воздействия по направлению оси отсчета азимута; Q _┴ – расстояние между максимумами откликов для диаметральных точек воздействия вдоль перпендикулярного направления, относительно оси отсчета азимута; R – расстояние от центра системы координат до точки воздействия;

• 13)    полученные результаты для пар точек «Север-Юг» и «Запад-Восток» сопоставляются, и выносится заключение о корректности расчетов

с учетом влияния погрешности локализации;

• 14)    из центра системы координат перпендикулярно предполагаемому направлению трассы прокладки ОК проводится линия;

• 15)    вдоль полученной линии с заданным шагом перемещается источник акустического воздействия, и регистрируются отклики СВАМ;

• 16)    местоположение трассы уточняется по результатам анализа откликов СВАМ.

На рисунке 1 приведен пример варианта взаимного расположения кабельной трассы и географической системы координат.

Взаимное расположение точек N, E, S и W, соответствующих пространственным координатам максимумов откликов на характеристиках СВАМ, при воздействии вибрационным или акустическим методом в точках 1–4 будет определять ориентировочное направление трассы кабеля с

Рисунок 1. Пример расположения кабельной трассы и географической системы координат

учетом расположения СВАМ. В результате определения ориентировочного направления трассы будет выбираться направление, относительного которого целесообразно откладывать азимут.

В общем случае возможны 12 вариантов взаимного расположения точек, включая частные случаи при расположении трассы кабеля под углами 0 ° , 45 ° , 90 ° и 135 ° относительно одной из осей выбранной системы координат.

Основными факторами, влияющими на точность локализации, являются: разная чувствительность ОВ по длине ОК; неоднородность грунта; избыточность длины ОВ в ОК; расположение ОК в трубке; шаг дискретизации по расстоянию СВАМ (параметр, определяющий пространственную разрешающую способность).

Погрешность определения азимута трассы прокладки в зависимости от погрешности локализации максимума воздействия по откликам СВАМ можно выразить в виде:

д0 = (4R2 - Q2 )-0.5 -5Q, где дQ - погрешность локализации максимума воздействия по откликам СВАМ.

В отсутствии дополнительной обработки данных СВАМ в качестве основной составляющей погрешности локализации максимума воздействия будем считать погрешность, связанную с дискретизацией характеристики СВАМ по расстоянию.

Рисунок 2. Зависимость погрешности определения азимута от величины истинного значения азимута и расстояния от центра координат до точек воздействия

На рисунке 2 приведены результаты расчета погрешности определения азимута трассы прокладки ОК в соответствии с разработанным методом при пространственном разрешении СВАМ 1,25 м.

Таким образом, целесообразно выбирать значения не менее 10 м и определять азимут по ре- зультатам анализа отклика для двух ортогональных осей согласно формулам (1).

Результаты экспериментальной апробации в полевых условиях

Экспериментальная апробация метода проводилась на участке действующей ВОЛС, построенной с использованием ОК полностью диэлектрической конструкции. На участке сближения с высоковольтными линиями электропередачи (ЛЭП) 110–220 кВ оптический кабель с броней из стеклопластиковых прутков прокладывался на глубине 0,9–1,2 м.

Присутствие высоковольтных ЛЭП в непосредственной близи от места проведения испытаний оказывает дестабилизирующее электромагнитное и акустическое влияние.

При обследовании выставлялись следующие параметры измерения СВАМ: длина волны 1550 нм; шаг дискретизации по расстоянию 1,25 м; измерительная (калибровочная) длина 5 м; частота опроса 2000 Гц; показатель преломления 1,4682; длина участка анализа от 2500 до 4500 м.

В результате проведенных мероприятий в соответствии с пунктами 1)–5) после второй итерации была выстроена прямоугольная географическая система координат, ориентированная по сторонам света, а опорные точки были выставлены на расстоянии 10 м от центра.

Для определения возможностей локализации при импульсном вибрационном воздействии в каждой опорной точке осуществлялось по три последовательных воздействия в виде свободного падения на грунт массы в 5 кг с высоты 1 метр с интервалом 1–3 секунды.

На рисунках 3 и 4 приведены диаграммы распределения энергии откликов СВАМ, рассчитанные для диапазона частот от 0 до 40 Гц.

Было отмечено, что отклик на импульсное воздействие в основном сосредоточен в диапазоне частот от 10 до 40 Гц и на диаграммах можно однозначно выделить трехкратное воздействие.

В результате анализа полученных диаграмм были сделаны следующие выводы: наибольшее воздействие наблюдается для точки «Юг»; наименьшее воздействие наблюдается для точки «Запад»; воздействие в точке «Север» сильнее, чем в точке «Восток».

Для определения точности локализации при импульсном вибрационном воздействии от точки «Юг» в направлении центра координат производилось перемещение по направлению к Центру координат с шагом 1 м, в каждой точке при этом осуществлялось по три импульсных вибрацион-

Рисунок 3. Диаграммы распределения энергии откликов СВАМ на импульсное воздействие в опорных точках во временной области и вдоль оптического волокна в диапазоне частот 0–40 Гц

Рисунок 4. Диаграммы распределения энергии откликов СВАМ на импульсное воздействие в опорных точках в частотной области и вдоль оптического волокна

ных воздействия (свободное падение на грунт массы в 5 кг с высоты 1 метр).

В итоге было проанализировано 11 точек, расположенных вдоль направления «Юг» – «Центр», при этом 1-я точка соответствует месту, отстоящему от опорной точки «Юг» на 5 метров южнее, а 11-я точка соответствует месту, отстоящему от опорной точки «Юг» на 5 метров севернее. Точка № 6 соответствует опорной точке «Юг».

На рисунке 5а представлена диаграмма энергий частотного диапазона при троекратных импульсных вибрационных воздействиях вдоль направления «Юг» – «Центр» с шагом 1 метр, начиная от точки, отстоящей на 5 метров в южном направлении. На рисунке 5б приведена интегральная диаграмма энергий при троекратных импульсных вибрационных воздействиях вдоль направления «Юг» – «Центр» с шагом 1 метр, начиная от точки, отстоящей на 5 метров в южном направлении (среднеквадратичное по интервалу расстояния воздействия и временного диапазона воздействия в каждой точке).

По полученным результатам сделано заключение о том, что предполагаемая область прохождения трассы соответствует интервалу от точки № 5 и точки № 7, что соответствует точности ±1 м относительно точки № 6 – опорная точка «Юг». Смещение точек локальных максимумов по оптическому расстоянию на рисунке 5а свидетельствует о том, что для выбранной системы координат траектория трассы отклоняется от направления «Юг» – «Север» к «Востоку» (ориентировочно «Северо – Северо-Восток»).

По результатам шурфования был обнаружен ОК полностью диэлектрической конструкции. Глубина залегания кабеля составила 0,65 м. В результате расстояние от точки № 6 до ОК состави- ло 0,2 м, а расстояние от точки № 5 до ОК составило 0,72 м.

В соответствии с пунктами 6) и 7) предлагаемого метода были проведены измерения фонового шума без воздействия и с воздействием акустическим сигналом с линейной частотной модуляцией в диапазоне частот 140–200 Гц для временного интервала 180 с.

На рисунке 6 приведены частотно-временное распределение интенсивности отклика на акустический сигнал с линейной частотной модуляцией и итоговая спектральная характеристика. В результате анализа для дальнейших испытаний была выбрана частота акустического воздействия 180 Гц.

В соответствии с пунктом 9) источник аку-сти-ческого сигнала частотой 180 Гц и уровнем сигнала порядка 95 дБа перемещался по опорным точкам, и характеристики СВАМ сохранялись для дальнейшей обработки. По результатам обработки был определен ориентировочный диапазон значений угла в пределах 20–40 градусов вправо относительно направления «Юг» – «Север».

В соответствии с пунктами 14) и 15) из центра системы координат проводится линия, перпендикулярная предполагаемому направлению прокладки трассы ВОЛС, и источник акустического воздействия перемещается вдоль проведенной перпендикулярной линии с шагом 30 см с сохранением откликов СВАМ.

В результате обработки полученных данных построена диаграмма, отображающая зависимость интенсивности отклика на акустическое воздействие на частоте 180 Гц от точки воздействия и координаты по оптическому расстоянию. (рисунок 7а). На рисунке 7б приведена зависимость интенсивности отклика на акустическое воздействие на частоте 180 Гц от точки воздей-

а)

Рисунок 5. Локализация трассы прокладки кабеля при импульсных воздействиях: а) распределения откликов СВАМ на импульсное воздействие; б) распределение амплитуды откликов по точкам импульсного воздействия

б)

а)

б)

Рисунок 6. Отклик СВАМ на акустический сигнал с линейной частотной модуляцией: а) частотно-временное распределение отклика; б) спектральная характеристика

Шаг 0,3 м

а)

б)

Рисунок 7. Отклик СВАМ на акустический сигнал: а) распределение отклика по длине оптического волокна и точкам воздействия; б) зависимость амплитуды отклика от точки акустического воздействия

ствия и результат аппроксимации, полученные в результате обработки данных в специализированной программе.

В результате было сделано заключение о том, что наиболее вероятное местоположение кабеля окажется в районе точки № 9.

По результатам шурфования в обозначенной области был обнаружен ОК полностью диэлектрической конструкции. Глубина залегания кабеля составила 0,74 м. Итоговое отклонение от точки максимального акустического воздействия (точка № 9), определенной по результатам обработки данных СВАМ и рекомендованной в качестве исходной для шурфования, составило 0,17 м.

Заключение

В результате экспериментальной апробации в полевых условиях была продемонстрирована эффективность предложенного метода и возможность локализации трассы прокладки с погрешностью не более ± 0,2 м.

В ходе исследования был сделан вывод о необходимости дальнейшего развития метода с использованием сложных акустических сигналов для повышения эффективности работы в условиях сильного акустического шума от сторонних источников, таких как трубопроводы, шоссейные дороги, линии электропередач и иные инженерные сооружения.