基於室外小檔距OPPC光纜的分布式光纖測振系統及方法與流程
2023-07-18 20:03:01
本發明涉及電力光纜安全防護裝置及措施技術領域，尤其涉及基於室外小檔距oppc光纜的分布式光纖測振系統及方法。
背景技術：
輸電線路舞動是不均勻覆冰導線在風激勵下產生的一種低頻率（0.1～5hz）、大振幅（導線直徑的20～300倍）的自激振動。高壓輸電線路舞動能量大，持續時間長，易造成線路閃絡、跳閘、杆塔螺栓鬆動、脫落，嚴重時會發生金具及絕緣子損壞，導線斷股、斷線，甚至倒塔，導致重大電網事故。為防止類似事故的發生，便需要進行振動量的測量試驗。振動量測量在結構健康監測、電力、航空航天等領域具有非常高的應用價值，傳統的振動測量方法為電測量法，存在靈敏度低，體積大，安裝限制等問題，且傳統的振動測量只能進行點式測量。
分布式光纖傳感技術是指在光纖傳輸路徑上的外部信號通過一定的方法對光纖種的光波進行調試，以實現被測量對象的連續空間的實時測量。光纖同時具有導光介質和傳感元件的功能。相比於傳統的振動傳感器，光纖傳感器具有靈敏度高、動態範圍大、體積小、重量輕、不易受環境影響等特點，可進行全分布的監控。
基於相位敏感的光時域反射型（φ-otdr）傳感器與傳統型otdr最大的不同就是採用了具有窄線寬和低頻率漂移特性相干光源，相應極大地提高了空間解析度（可達1m）和振動強度解析度。利用這種散射光的相干性設計出的相位敏感型光時域反射系統，光纖本身既是傳輸媒質又是感知元件，光纖上任意一點都是傳感單元，是一種真正意義上的全分布式光纖傳感器。
專利號為201410027722.6的發明公開了一種檢測振動的光纖傳感器，屬於光纖傳感技術領域。該光纖傳感器包括傳導光纖、光纖光柵、簡支梁和帶有開口的非金屬保護外殼；光纖光柵和簡支梁置於非金屬保護外殼中，光纖光柵粘貼在簡支梁上，且光纖光柵的中心點與簡支梁的中心點對齊；非金屬保護外殼的一個側壁上開有開口，簡支梁的一端從開口中穿出，另一端固定在非金屬保護外殼的另一個側壁上。該發明所述的光纖傳感器不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響；避免了一般幹涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點的需要；能方便地使用波分復用技術在一根光纖中串接多個布拉格光柵進行分布式測量，形成一個分布式的傳感網絡
專利號為201510917944.x的發明涉及光學工程、光纖光學和信息獲取與感知技術領域，具體涉及一種u型傳感光纖部署結構的光纖分布式傳感系統。本發明將光纖分布式傳感系統中用於檢測振動信號的傳感光纖布置成多u型結構，該多u型結構由n條平行邊構成n-1個u型，且相鄰u型方向相反，n>1。從傳感光纖起始端將其依次劃分為一系列連續且等長的通道，各通道的長度為入射脈衝雷射線寬t的一半。傳感光纖各平行邊上的每個通道與相鄰平行邊對應的通道在垂直於平行邊方向上不重疊。該發明在不減小光源脈衝寬度，不犧牲光源入射功率，不減小光電探測器最小積分時間的基礎上，提高了系統的空間解析度
專利號為201210060041.0的發明公布了基於相位解調的超大動態範圍分布式光纖傳感裝置及方法。其中包括光源，耦合器，聲光調製器，光放大器，環形器，探測器，自動增益控制裝置，調製器驅動裝置，鎖相放大器，傳感光纜，信號處理以及信號輸出裝置。本發明採用了自動增益控制裝置，可以實現大動態範圍的信號檢測；採用了鎖相放大器的相位解調檢測裝置，降低了強度噪聲的影響，可以實現了高靈敏度，高帶寬振動信號檢測，從而可以實現大動態範圍分布式振動傳感。該發明的有益效果為可實現具有如下優勢的長距離分布式傳感：動態範圍大，定位精度高，幹涉傳感靈敏度高，檢測振動信號的帶寬大，可多點定位，檢測距離長等。
然而，上述方案的側重點均放在光纖傳感部件的實際應用方面，對測振所需要的數據處理及分析輸出並未作出詳細描述，所以並為構成完整的測振技術方案，存在應用功能上的缺陷，而且還都存在對於輸電線路舞動特徵研究針對性不強的缺點。
技術實現要素：
本發明的目的是提供基於室外小檔距oppc光纜的分布式光纖測振系統及方法，它能夠針對輸電線路舞動特點，提出針對性的測振模擬試驗方案，實現舞動特徵識別等數據的採集與分析，為室外真型試驗線路上的長距離監測作出理論與實踐基礎。
為實現本發明的目的所採用的技術方案是：基於室外小檔距oppc光纜的分布式光纖測振系統，包括光路調製系統以及與所述光路調製系統相連接的電子解調系統，所述光路調製系統包括脈衝雷射序列單元、光電轉換單元以及分別與兩者連接的環形器，所述環形器連接舞動線路的測試光纖；所述電子解調系統包括順次連接的數據採集模塊、數據解調模塊、嵌入式處理器和上位機，所述嵌入式處理器與所述上位機之間通過網絡埠連接；所述數據解調模塊包括fpga數據處理模塊及其連接的時鐘單元、觸發單元。
進一步地，所述脈衝雷射序列單元包括順次連接的雷射器、調製器和放大器，所述雷射器包括極窄線寬雷射器模塊。
進一步地，所述調製器為聲光調製器，可將連續光轉換為脈衝光。
進一步地，所述放大器為摻鉺光纖放大器。
進一步地，所述光電轉換單元包括與所述環形器連接的光纖幹涉儀以及與所述光纖幹涉儀連接的光電探測器。
進一步地，所述數據採集模塊包括模擬信號採集模塊和數位訊號轉換模塊，所述模擬信號採集模塊包括交流耦合式模擬採樣通道，所述數位訊號轉換模塊可通過通用i/o方法及用戶自定義協議與外部設備互聯。
進一步地，所述觸發單元包括軟體觸發模塊與外部觸發模塊，所述軟體觸發模塊包括上升沿、下降沿、高電平、低電平四種模式。
進一步地，所述數據解調模塊包括數據總線，所述fpga數據處理模塊通過pcie數據總線與所述嵌入式處理器連接。
進一步地，所述網絡埠包括萬兆乙太網口和高速usb通用接口。
基於室外小檔距oppc光纜的分布式光纖測振方法，包括如下步驟：
1)由脈衝雷射序列單元的雷射器發出雷射，經過聲光調製器的脈衝調製，調製成重複頻率為f，脈寬為w的脈衝序列，經過光功率放大器的功率放大後，經過環形器注入到傳感光纖；
2)在前向脈衝光遍歷傳感光纖時，後向瑞利散射光逆著光傳播方向經環形器進入到光纖幹涉儀中，經過幹涉儀的幹涉調製，幹涉信號經過光電探測器的光電轉換，進入到電子解調系統中；
3）數據採集模塊向光路調製系統提供驅動脈衝，通過採集光電探測器輸出的多路電壓信號，並將模擬電壓信號轉換為數位訊號；
4）轉換後的數位訊號通過自定義協議的方式傳送給fpga數據處理模塊，並通過在fpga上自定義的解調算法，得到光路調製系統的振動信號；
5）數據解調模塊運用高速傳輸引擎將振動信號數據通過數據總線傳送給高性能嵌入式處理器，並通過萬兆網將數據發給上位機進行數據的存儲、顯示、配置操作；
6）依據上位機的最終數據篩選所需的信息量，實現傳感目的，進而獲取室內舞動試驗機的舞動線路振動信息。
本發明的有益效果包括以下幾個方面：
1、本發明主要應用於實時監測室外小檔距oppc光纜線路的舞動狀態，具備強大的多重監測功能，既能對舞動狀態進行定性監測，也可對舞動線路進行舞動幅度頻率的定量監測，同時可以監測室外小檔距oppc光纜常見的低頻舞動狀態；
2、本發明測振系統安裝簡便，通過簡單的電路式連接即可，安裝後可直接放置在室內，進行簡易操作即可進行設備的運行和監測；
3、本發明依靠嵌入式處理器以及通過時鐘脈衝觸發的fpga模塊及時獲取光纜試驗線路在各個舞動頻率下的實時數據並進行數據積累，為今後在室外真型試驗線路上的長距離監測做鋪墊。
附圖說明
圖1是本發明分布式光纖測振系統的結構原理圖。
圖2是本發明電子解調系統的結構原理圖。
圖3是本發明的分布式光纖測振方法流程圖。
具體實施方式
實施例
如圖1所示，基於室外小檔距oppc光纜的分布式光纖測振系統，包括光路調製系統以及與光路調製系統相連接的電子解調系統，光路調製系統包括脈衝雷射序列單元、光電轉換單元以及分別與兩者連接的環形器，環形器連接舞動線路的測試光纖；電子解調系統包括順次連接的數據採集模塊、數據解調模塊、嵌入式處理器和上位機，嵌入式處理器與上位機之間通過網絡埠連接；數據解調模塊包括fpga數據處理模塊及其連接的時鐘單元、觸發單元。其中光路調製系統的光信號經過光電轉換模塊將光信號轉換為電信號，進入電子解調系統，電子解調系統的高速(>100ms/s)ad採集光路信息，經過fpga，在fpga內經過解調算法的處理，將光纖中的振動信息進行提取，通過dma將數據傳入高性能armcortex-a9處理器，最後通過萬兆網將數據上傳pc及，在人機界面上進行顯示和存儲。
脈衝雷射序列單元包括順次連接的雷射器、調製器和放大器，雷射器是分布式光纖測振裝置中非常關鍵的部件，採用rio公司的極窄線寬雷射器模塊，具有極小的頻率飄逸，可以迅速響應光相位的變化，幹涉作用非常明顯。該雷射器的光中心波長為1550.12nm，光功率10mw。聲光調製器（aom）在系統中，使用的是連續注入的脈衝光來進行探測，因此必須使用調試器將連續光轉換為脈衝光。相比於電光調製器，聲光調試器工作更加穩定，不受偏振影響，適合工程應用。由於光線製備水平的快速發展，光線的損耗越來越低，瑞利散射光也越來越小，對於長距離的分布式傳感器，需要採用光放大技術，採用摻鉺光纖放大器（edfa），具有增益高、噪聲低、工作頻帶寬、輸出功率高、泵浦功率高等良好特性。
如圖2所示，電子解調系統通過dio向光路部分提供驅動脈衝，經過一系列操作對光路進行調製，通過光路部分的光電探測器發出3路表徵光路信息的電壓信號，通過高速adc進行模擬採集，採集控制單元將採集的電壓信號通過自定義協議的方式傳送給在fpga上的自定義的解調算法，得到光路部分的振動信號後，高速傳輸引擎將數據通過pcie總線傳送給高性能armcortex-a9處理器，在arm9處理上集成萬兆乙太網口，通過萬兆網將數據發給我上位機進行數據的存儲，顯示，配置等操作。
數據採集模塊包括模擬信號採集模塊和數位訊號轉換模塊，模擬信號採集模塊的模擬通道採用交流耦合方式，兩個巴倫背對背連接，避免降低偶次諧波性能，可以提供88dbc的無雜散動態範圍。每個通道的-3db輸入帶寬為0.5mhz~135mhz，滿量程輸入範圍為2vp-p。數位訊號轉換模塊採用dio資源，板載4通道3.3vlvttl數字量輸入和8通道3.3vlvttl數字量輸出資源，除了通用的i/o使用方法，用戶可自定義uart、spi和i2c等協議與外部設備互聯。
數據解調模塊包括fpga數據處理模塊及其連接的時鐘單元、觸發單元；fpga數據處理模塊採用kintex-7k410tfpga，可使用labviewfpga進行編程。利用labviewfpga的高級信號處理庫或集成現有verilog/vhdl。fpga可訪問單個2gbddr3ram組，帶寬為10.6gb/s。fpga上的兩個千兆級收發儀(mgt)可通過sfp+埠連接，從而實現了高達2.5gb/s的高速串行數據流。使用ni提供的代碼可允許將數據通過xilinxaurora、由10個千兆乙太網組成的網絡或集成現有高速串行協議來將數據傳輸到另一個xilinxfpga上。
時鐘單元在上電後默認使用板載的10mhz高精度tcxo作為參考時鐘，通過時鐘分配器倍頻到實際的採樣時鐘頻率。用戶可選使用外部的clkin埠輸入10mhz時鐘作為參考時鐘，此時板載tcxo被旁路。無論使用板載參考時鐘還是外部參考時鐘，在clkout埠都能得到一個交流耦合輸出的100mhz時鐘。
觸發單元提供軟體觸發和外部觸發兩種觸發方式，其中外部觸發可以設置成上升沿觸發、下降沿觸發、高電平觸發、低電平觸發4種模式。通過使用外部觸發資源，用戶可以同步多個板卡的同步採集。
在實際應用中，嵌入式處理器可選用armcortexa9處理器，控制器搭載運行linuxreal-time的667mhz雙核armcortex-a9處理器，可部署到現場長時間可靠地運行。嵌入式處理器可使用labviewreal-time進行編程，您還可利用linux社區龐大的軟體生態系統。上位機可採用plc式工控機，與中控pc機連接，並通過連接的人機互動界面實現振動數據的實時顯示、處理和存儲。
圖3所示，體現了分布式光纖測振方法流程，即光路調製系統的窄線寬雷射器發出窄線寬的雷射，經過聲光調製器(aom)的脈衝調製，調製成重複頻率為f，脈寬為w的脈衝序列，經過光功率放大器的功率放大後，經過環形器注入到傳感光纖，在前向脈衝光遍歷傳感光纖時，後向瑞利散射光逆著光傳播方向經環形器進入到光纖幹涉儀中，經過幹涉儀的幹涉調製，幹涉信號經過光電探測器的光電轉換，進入到電子解調系統，數據採集模塊通過採集光電探測器輸出的電壓信號（3路），將模擬電壓信號轉換為數位訊號，對該數位訊號進一步執行數位訊號處理算法，得到所需的信息量，解調出傳感光纖處的振動信息，實現傳感目的，進而獲取室內舞動試驗機的舞動線路的振動信息。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本發明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。