分布式光纖傳感系統的參數測量裝置的製作方法
2023-12-10 00:57:51 4
專利名稱：分布式光纖傳感系統的參數測量裝置的製作方法
分布式光纖傳感系統的參數測量裝置
技術領域：
本發明涉及電力系統的參數測量技術領域，特別涉及一種分布式光纖傳感系統的
參數測量裝置。
背景技術：
在電力系統中，經常會需要對電纜、風電設備等長期暴露在大氣中的設備的某些參數進行在線監測，例如，高溫、火災是影響電力系統安全運行的常見事故，所以溫度在線監測的質量是影響電力系統安全運行中很重要的一個方面，如果能在安全事故發生早期通過溫度測量進行預警並迅速採取措施，就能有效避免此類安全事故。分布式光纖測量系統能夠實現多點、在線的分布式測量，其利用光纖既可感知參數信息又可傳輸參數信息，在電力系統中，在高壓電力電纜、電氣設備因接觸不良易產生發熱的部位、電纜夾層、電纜通道、大型發電機定子、大型變壓器、鍋爐等設施的溫度定點傳感場合，這種光纖傳感技術具有廣泛應用前景。在分布式光纖參數測量技術中，主要有基於拉曼散射的分布式光纖傳感技術、基於布裡淵光時域反射(BOTDR)技術的分布式光纖傳感技術和基於布裡淵光時域分析(BOTDA)技 術的分布式光纖傳感技術。在基於BOTDA技術的分布式光纖且採用直接檢測方法獲取布裡淵頻移的技術中，如圖1所示，從光纖的兩端分別注入一脈衝光(泵浦光)與一連續光(探測光)在光纖的鋪設路徑上，由於溫度、應力等參數不同，相同波長的泵浦光激發的布裡淵散射頻移也不同。當泵浦光與探測光的頻率差與布裡淵頻移相等時，兩束光之間發生能量轉移，布裡淵波長上的光就會被放大，即在該位置產生了布裡淵放大效應。當對一個雷射波長進行掃描時，通過檢測從光纖一端耦合出來的連續光功率，就可以確定光纖各小段區域上能量轉移達到最大時所對應的頻率差。由於布裡淵頻移與溫度、應力等參數呈線性關係，因此，對雷射器的頻率進行連續調節的時候，就可以得到需要測量的各種信息，實現分布式測量。實際運用中可以採用電光調製器對探測光或者泵浦光的頻率在布裡淵頻移波段(約為10.SGHz
11.1GHz)進行掃描，以繪製布裡淵增益/損耗譜。可是該技術存在以下問題:⑴光源穩頻要求高；(2)由於需要分析點數非常多，為提高測試靈敏度，需要多次平均，因此測試時間非常長；(3)增益型傳感方式會引起泵浦光能量急劇降低，難以實現長距離檢測。在基於微波外調製的損耗型BOTDA分布式光纖傳感技術中，參考圖2所不的基於微波外調製的損耗型BOTDA分布式光纖傳感技術的微波外調製BOTDA光纖傳感系統不意圖，基於微波外調製的BOTDA系統只需要一個雷射器作為光源，將雷射器輸出光分成兩路，通過調節探測光調製信號的頻率實現對被測光纖區域的掃描，以此確定布裡淵頻移的改變量並獲得溫度、應力等參數的傳感信息。損耗型是指連續探測光頻率高於脈衝光頻率，探測光的能量向脈衝光轉移，這種傳感方式使脈衝光能量升高，不存在泵浦耗盡現象，從而能實現長距離的檢測。參考圖2所示的基於微波外調製的損耗型BOTDA分布式光纖傳感技術的微波外調製BOTDA光纖傳感系統示意圖，系統基本原理:在傳感光纖兩端分別入射短脈衝光與連續探測光，當兩者的頻率差與光纖中某區域的布裡淵頻移u B相等時，則在該區域就會產生受激布裡淵散射(SBS)放大效應，兩光束之間發生能量轉移。由於布裡淵頻移與需要測量的參數存在線性關係，因此，在對雷射器的頻率進行連續調節的同時，通過檢測從光纖一端耦合出來的探測光，就可以確定光纖各小段區域上能量轉移達到最大時所對應的頻率差。從而得到傳感光纖上需測量參數的信息，實現分布式測量。基於微波外調製的損耗型BOTDA分布式光纖傳感技術主要有以下技術缺陷:(I)為提高測量精度，需要測量多個頻點，多次平均，因此測量時間較長；(2)該方案因為要對大量實驗數據進行統計分析，對實驗設備及環境要求很高。
發明內容針對上述問題，本發明提供一種分布式光纖傳感系統的參數測量裝置，能夠提高測量時間和精度，擴大測量的動態範圍，提升分布式傳感系統的可靠性和實時性。本發明提供的分布式光纖傳感系統的參數測量裝置，包括基於BOTDA技術的分布式光纖傳感系統、光OFDM信號發生模塊、OFDM檢測模塊和信號處理模塊；其中基於BOTDA技術的分布式光纖溫度傳感系統包括雷射器、稱合器、第一電光調製器、第二電光調製器、脈衝/隨機序列發生器、環形器和作為傳感光纖的單模光纖；所述雷射器 產生雷射，利用所述耦合器將所述雷射器產生的雷射分成兩路雷射，所述第一電光調製器將其中一路雷射與所述脈衝/隨機序列發生器生成的電信號進行調製，生成泵浦光；所述第二電光調製器將另一路雷射與所述光OFDM信號發生模塊生成的光信號調製為帶有光載波的光OFDM信號，帶有光載波的光OFDM信號作為探測光和所述泵浦光通過所述單模光纖傳入所述環形器；當所述環形器中的所述泵浦光與所述探測光的頻率差與布裡淵頻移相等時，產生帶有布裡淵增益信息的光信號，該帶有布裡淵增益信息的光信號通過所述環形器進入所述OFDM檢測模塊；所述信號處理模塊對所述OFDM檢測模塊中獲得數據進行處理，獲得待測參數信息。作為一個實施例，所述光OFDM信號發生模塊包括利用FPGA/ASIC/DSP發射OFDM電信號的模塊、數模轉換器和驅動模塊；其中所述利用FPGA/ASIC/DSP發射OFDM電信號的模塊用於產生偽隨機序列，符號映射，逆快速傅立葉變換，加循環前綴，並串轉換得到OFDM信號數字序列；所述數模轉換器用於將所述OFDM信號數字序列轉換成為實際模擬電OFDM信號；所述驅動模塊用於將模擬電OFDM信號放大用於驅動第二電光調製器；所述信號處理模塊包括利用FPGA/ASIC/DSP接收OFDM電信號的模塊和模數轉換器，其中模數轉換器用於將接收到的模擬電OFDM信號轉換成OFDM信號數字序列；利用FPGA/ASIC/DSP串並轉換，去循環前綴，快速傅立葉變換得到攜帶有布裡淵頻移的接收信號。作為一個實施例，所述信號處理模塊還用於對所述待測參數信息進行顯示。作為一個實施例，所述信號處理模塊還包括客戶端顯示模塊，用於顯示所述待測參數信息。使用本發明相比較於現有技術，解決了現有技術的測量精度低的問題，也可以解決現有技術測量範圍受限制的問題，進一步解決了現有技術測量結果的單一性問題。
此外，在本發明採用光OFDM信號取代單束雷射作為BOTDA系統中的探測光，其可以大大的增加掃描速度，一次性完成多個頻點的掃描，從而解決了現有技術單點單頻掃描速度慢和單頻掃描精度不高的缺點；可以大大提高測量動態範圍。本發明可簡化傳統方式中的平均過程，降低系統計算複雜度，減少檢測時間；解決了現有技術不能進行實時監控的缺點。
圖1是基於BOTDA技術的分布式光纖傳感且採用直接檢測方法獲取布裡淵頻移的技術的原理
圖2是基於微波外調製的損耗型BOTDA分布式光纖傳感技術的微波外調製BOTDA光纖傳感系統示意圖；圖3是本發明分布式光纖傳感系統的參數測量裝置的邏輯框圖；圖4是含有5個子載波的光OFDM信號的示意圖；圖5是本發明的基於FPGA/ASIC/DSP的分布式光纖傳感系統的參數測量裝置的示意框圖。
具體實施方式以下結合附圖來詳細說明本發明的分布式光纖傳感系統的參數測量裝置，下面僅僅作為示例來說明，本領域技術人員清楚地知曉，只要符合本發明思想的方法及系統均落入本發明之中；另外地，不應當將本發明的保護範圍僅僅限制至採用光OFDM信道估計方式測量布裡淵頻移技術的具體結構或部件的具體參數。如圖3所示，本發明採用光OFDM信道估計方式測量布裡淵頻移技術，即利用光OFDM信道估計方法測量布裡淵頻移框圖，本發明可以在一個時間單位上完成多個頻點的掃描，使得測量速度及測量精度大大增加。相對於基於布裡淵散射的分布式光纖傳感系統BOTDA中現大多依靠掃頻方式獲得溫度導致布裡淵頻移的頻移測量值以及通過擬合得到測量結果，克服了由於雷射器單頻掃描速度慢、精度不高、很難實現快速高精度等問題。本發明是一種分布式光纖傳感系統的參數測量裝置，包括基於BOTDA技術的分布式溫度傳感BOTDA系統，光OFDM信號發生模塊，OFDM檢測模塊和信號處理顯示模塊。其中分布式溫度傳感BOTDA系統包括雷射器、稱合器、第一電光調製器、第二電光調製器、產生脈衝/隨機序列的脈衝/隨機序列發生器、環形器和作為傳感光纖的單模光纖。如圖3所示，在整個發明裝置中，首先使用雷射器101，利用耦合器106分成兩路雷射，一路作為泵浦光光源，通過第一電光調製器1031將脈衝/隨機序列發生器生成的電信號與作為泵浦光光源的雷射調製出脈衝或者隨機序列光信號；用另一路雷射與光OFDM信號發生模塊生成的OFDM光信號通過第二電光調製器1032調製成產生帶有光載波的光OFDM信號，並且使用這個光OFDM信號作為探測光進入單模光纖107。通過單模光纖107將泵浦光和探測光傳入環形器，當泵浦光與探測光在環形器中的頻率差與布裡淵頻移相等時，兩束光之間發生能量轉移，布裡淵波長上的光就會被放大，即在該位置產生了布裡淵放大效應。帶有布裡淵增益信息的光信號從環形器105進入OFDM檢測模塊112，接下來通過信號處理模塊113進行數據的處理，從而實現參數測量。可選的，信號處理模塊113還可以將處理後的參數信息進行顯不O在本發明的採用光OFDM信道估計方式測量布裡淵頻移技術中，由於需要測量的參數(例如溫度、應力等)會導致不同的布裡淵頻移，測量出不同的頻移量即可分析出沿光纖軸向分布的參數值，為此，利用光正交頻分復用O-OFDM通信系統中的信道估計技術可以精確估計出布裡淵頻移量。OFDM信號是一種含有多個子載波的寬帶信號。如圖4所示。圖4給出了一個含有5個子載波的光OFDM信號，其中，中心光載波的頻率為f0。假設子載波的帶寬固定，即頻點間隔固定，通過增加子載波的個數，使得光OFDM信號的帶寬增加，則一次掃頻掃過的帶寬越大，測量速度越高。通過調節子載波的帶寬，可調節頻點間隔。圖5給出了本發明的基於FPGA/ASIC/DSP的0FDM-B0TDA系統框圖。該基於FPGA/ASIC/DSP的0FDM-B0TDA系統包括基於BOTDA技術的分布式光纖傳感系統，光OFDM信號發生模塊，OFDM檢測模塊和信號處理顯不模塊。其中基於BOTDA技術的分布式光纖傳感系統包括一個雷射器、一個稱合器、第一電光調製器、第二電光調製器、一個產生脈衝/隨機序列的發生器、一個環形器和作為傳感光纖的單模光纖；光OFDM發生模塊包括利用FPGA/ASIC/DSP發射OFDM電信號的模塊和一個數模轉換器；信號處理顯不模塊包括一個模數轉換器、利用FPGA/ASIC/DSP對OFDM信號接收的模塊和客戶端顯示模塊。在整個發明裝置中，首先利用耦合器506將雷射器501發出的雷射分成兩路，一路雷射進入第一電光調製器5031進行脈衝或者隨機序列調製，調製之後的脈衝光作為泵浦光，通過環形器505後進入單模光纖507。另一路雷射與利用FPGA/ASIC/DSP發射的OFDM電信號通過第二電光調製器5032作為探測光，第二電光調製器5032將電OFDM信號調製成光OFDM信號並進入單模光纖507 ;光OFDM信號經過布裡淵增益後進入OFDM檢測模塊512，再經模數轉換器514得到數位訊號並利用FPGA/DSP/ASIC光OFDM信號接收模塊522進行接收測量，利用FPGA/ASIC/DSP串並轉換，去循環前綴，快速傅立葉變換得到攜帶有布裡淵頻移的接收信號，分析出布裡淵頻移得到需測量的參數值。OFDM檢測模塊分為直接檢測和相干檢測，將光OFDM信號轉為電OFDM信號；數模轉換器515和模數轉換器514的作用分別是OFDM信號的數模轉換和模數轉換；本方案利用FPGA/DSP/ASIC的光OFDM信號發射模塊521產生OFDM信號，經過數模轉換器515使數位訊號轉換成為模擬信號；本方案利用數位訊號處理得到布裡淵頻移；最後將得到的測量結果傳送給客戶端。光OFDM信號發射模塊521發生OFDM電信號的過程如下:利用FPGA/DSP/ASIC等處理器產生偽隨機序列，符號映射，逆快速傅立葉變換，加循環前綴，並串轉換得到OFDM信號數字序列通過數模轉換器515轉換為模擬信號，通過模數轉換器514進行數據採集生成OFDM電信號；驅動模塊將模擬電OFDM信號放大用於驅動第二電光調製器。本發明可以利用FPGA/DSP/ASIC等處理器來實現數據的實時處理使系統能夠進行實時處理，為本發明推廣到商業市場提供了更有力的保障。本發明的基於LabView、Matlab/C/C++等軟體產生數字OFDM信號，通過示波器實現模數轉換器的功能，通過示波器得到的數位訊號送入LabView、Mat lab/C/C++等計算機軟體進行檢測，從而分析出布裡淵頻移得到需要測量的參數值值。利用LabView開發周期短，觀測效果好。利用Matlab/C/C++等軟體產生OFDM信號以及對傳輸後的信號進行處理，可根據需要選擇合適的算法，提高測量精度。其可以利用較複雜的算法來提高系統性能。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種分布式光纖傳感系統的參數測量裝置,其特徵在於，包括基於BOTDA技術的分布式光纖傳感系統、光OFDM信號發生模塊、OFDM檢測模塊和信號處理模塊； 其中基於BOTDA技術的分布式光纖溫度傳感系統包括雷射器、稱合器、第一電光調製器、第二電光調製器、脈衝/隨機序列發生器、環形器和作為傳感光纖的單模光纖； 所述雷射器產生雷射，利用所述耦合器將所述雷射器產生的雷射分成兩路雷射，所述第一電光調製器將其中一路雷射與所述脈衝/隨機序列發生器生成的電信號進行調製，生成泵浦光；所述第二電光調製器將另一路雷射與所述光OFDM信號發生模塊生成的光信號調製為帶有光載波的光OFDM信號，帶有光載波的光OFDM信號作為探測光和所述泵浦光通過所述單模光纖；當所述環形器中的所述泵浦光與所述探測光的頻率差與布裡淵頻移相等時，產生帶有布裡淵增益信息的光信號，該帶有布裡淵增益信息的光信號通過所述環形器進入所述OFDM檢測模塊；所述信號處理模塊對所述OFDM檢測模塊中獲得數據進行處理，獲得待測參數信息。
2.根據權利要求1所述的分布式光纖傳感系統的參數測量裝置，其特徵在於，所述光OFDM信號發生模塊包括利用FPGA/ASIC/DSP發射OFDM電信號的模塊、數模轉換器和驅動模塊；其中所述利用FPGA/ASIC/DSP發射OFDM電信號的模塊用於產生偽隨機序列，符號映射，逆快速傅立葉變換，加循環前綴，並串轉換得到OFDM信號數字序列；所述數模轉換器用於將所述OFDM信號數字序列轉換成為實際模擬電OFDM信號；所述驅動模塊用於將模擬電OFDM信號放大用於驅動第二電光調製器； 所述信號處理模塊包括利用FPGA/ASIC/DSP接收OFDM電信號的模塊和模數轉換器，其中模數轉換器用於將接收到的模擬電OFDM信號轉換成OFDM信號數字序列；利用FPGA/ASIC/DSP串並轉換，去循環前綴，快速傅立葉變換得到攜帶有布裡淵頻移的接收信號。
3.根據權利要求2所述的分布式光纖傳感系統的參數測量裝置，其特徵在於， 所述信號處理模塊還用於對所述待測參數信息進行顯示。
4.根據權利要求3所述的分布式光纖傳感系統的參數測量裝置，其特徵在於，所述信號處理模塊還包括客戶端顯示模塊，用於顯示所述待測參數信息。
全文摘要
本發明提供的一種分布式光纖傳感系統的參數測量裝置，包括基於BOTDA技術的分布式光纖傳感系統、光OFDM信號發生模塊、OFDM檢測模塊和信號處理模塊；其中基於BOTDA技術的分布式光纖溫度傳感系統包括雷射器、耦合器、第一電光調製器、第二電光調製器、脈衝/隨機序列發生器、環形器和作為傳感光纖的單模光纖。本發明解決了現有技術的測量精度低的問題，也可以解決現有技術測量範圍受限制的問題，進一步解決了現有技術測量結果的單一性問題。
文檔編號G01D5/353GK103175558SQ20131001835
公開日2013年6月26日 申請日期2013年1月17日 優先權日2013年1月17日
發明者蔣康明, 胡俊楊, 吳贊紅, 李溢傑, 李偉堅, 楊旭, 林斌, 伍國豪, 楊嘉明, 賴群 申請人:廣東電網公司電力調度控制中心