基於真型試驗線路OPGW光纜的光纖測振系統及方法與流程
2023-11-03 13:28:26
本發明涉及電力光纜安全防護裝置及措施技術領域，尤其涉及基於真型試驗線路opgw光纜的光纖測振系統及方法。
背景技術：
高壓輸電線路一般工作環境較為惡劣，受到常年氣候因素的影響，舞動的產生就頗為常見。一旦高壓輸電線路產生舞動，將會影響超高壓輸電線路的安全使用及運行，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。所以做好高壓輸電線路舞動狀態的監測就至關重要。
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測量，形成一個的傳感網絡
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傳感系統。本發明將光纖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真型試驗線路opgw光纜的光纖測振系統及方法，它能夠提出針對性的測振模擬試驗方案，在特定的真型試驗線路上針對舞動、振動特性的監測，實現opgw光纜振動特徵數據的採集與分析。
為實現本發明的目的所採用的技術方案是：基於真型試驗線路opgw光纜的光纖測振系統，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模數轉換單元、數位訊號處理單元、cpu單元和人機互動終端，所述cpu單元與所述人機互動終端之間通過視頻線連接；所述數位訊號處理單元包括可編程邏輯控制器及其連接的適配器模塊接口、高速傳輸引擎單元。
進一步地，所述模數轉換單元包括脈衝輸出模塊、數位訊號轉換模塊和濾波模塊，所述數位訊號轉換模塊包括多路輸入/輸出信道和交/直流耦合單元，所述濾波模塊包括橢圓濾波器。
進一步地，所述適配器模塊接口包括與所述可編程邏輯控制器連接的高速通用數字i/o埠和時序控制晶片。
進一步地，所述高速傳輸引擎單元包括雙口緩衝存儲器和高速數據總線，所述雙口緩衝存儲器採用dma數據交換協議。
進一步地，所述人機互動終端包括led數字顯示模塊和觸屏式數據輸入終端，所述觸屏式數據輸入終端連接印表機接口和點陣式鍵盤接口。
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，所述光電轉化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。
基於真型試驗線路opgw光纜的光纖測振方法，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）模數轉換單元向光路調製系統提供驅動脈衝，將接收到的交/直流耦合信號輸入數位訊號轉換模塊進行轉換，並通過濾波模塊進行信號加工；
4）轉換加工後的信號通過傳送給可編程邏輯控制器，並通過基於3*3耦合器的解調算法，得到光路調製系統的振動信號；
5）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cpu單元進行數據存儲和配置，並通過視頻線將數據發給人機互動終端進行數據的顯示和輸出操作；
6）依據人機互動終端的最終數據篩選所需的信息量，實現傳感目的，進而獲取真型試驗線路opgw光纜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真型試驗線路opgw光纜的舞動狀態，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，同時可以監測真型試驗線路opgw光纜常見的低頻舞動狀態；
2、本發明測振系統具備很好的集成性，不同於一般的模塊式電路連接方式，而是採用多種晶片複合集成的模式，將所有電子功能集中在一個晶片面板上，並通過面板內置解調算法實現運行監測功能，體現了良好的集成化。自動化特性；
3、本發明依靠fifo雙口緩衝器及dma數據交換協議實現與cpu單元的信號傳輸，可極大加快傳輸速率和效率，節省cpu晶片內存佔用量，還可以通過cpu對信息進行存儲於數據集中積累配置，為今後在實際高壓輸電線路線路上的長距離監測做鋪墊。
附圖說明
圖1是本發明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是本發明模數轉換單元的晶片連接圖。
圖4是本發明數位訊號處理單元的解調算法原理框圖。
圖5是本發明的光纖測振方法流程圖。
具體實施方式
實施例
如圖1至圖5所示，基於真型試驗線路opgw光纜的光纖測振系統，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模數轉換單元、數位訊號處理單元、cpu單元和人機互動終端，cpu單元與人機互動終端之間通過視頻線連接；數位訊號處理單元包括可編程邏輯控制器及其連接的適配器模塊接口、高速傳輸引擎單元。模數轉換單元包括脈衝輸出模塊、數位訊號轉換模塊和濾波模塊，數位訊號轉換模塊包括多路輸入/輸出信道和交/直流耦合單元，濾波模塊包括橢圓濾波器。適配器模塊接口包括與可編程邏輯控制器連接的高速通用數字i/o埠和時序控制晶片。高速傳輸引擎單元包括雙口緩衝存儲器和高速數據總線，雙口緩衝存儲器採用dma數據交換協議。人機互動終端包括led數字顯示模塊和觸屏式數據輸入終端，觸屏式數據輸入終端連接印表機接口和點陣式鍵盤接口。
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，電子解調系統通過脈衝輸出模塊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多路表徵光路信息的電壓信號，通過數位訊號轉換模塊的高速adc進行數據採集，採集控制單元將採集的電壓信號傳送給在可編程邏輯控制器上的自定義解調算法，得到光路部分的振動信號後，高速傳輸引擎通過dma數據交換協議的fifo雙口緩衝器將數據通過高速數據總線傳送給cpu單元端進行儲存和配置，並在人機互動終端進行數據的顯示、導出等操作。人機互動終端可以加載基於真型試驗線路opgw光纜的光纖監測軟體界面，用戶可以通過觸屏式數據輸入端，查詢監控現狀，監控界面包括參數配置界面、實時採集界面、歷史回放界面等。
本發明的電子解調系統不同於一般的模塊式電路連接方式，而是採用多種晶片複合集成的模式，將所有電子功能集中在一個晶片面板上，在實際應用時，光路調製系統的光電探測器所輸出電壓信號，通過模數轉換單元將模擬電壓信號轉換為數位訊號，進入數位訊號處理單元，對該數位訊號進一步執行數位訊號處理算法，解析後相位信息通過dma數據交換協議的fifo雙口緩衝器上傳至cpu單元，實現傳感目的，進而獲取真型試驗線路opgw光纜的舞動線路的振動信息。
模擬轉換單元在通過面板集成的可編程邏輯控制器提供硬體定製優勢的同時，還提供了靈活的測量功能。基於16位的解析度，該單元在高帶寬上提供極高的動態範圍，以滿足各類應用需求。在該級別的性能狀態下，4路輸入通道實現了每個pxi插槽前所未有的高通道密度。數位訊號轉換模塊的交/直流耦合單元可允許模塊連接各類信號源，並配有50ω輸入阻抗和0db、6db或12db可編程增益的2vpp輸入範圍，提供適用於低幅度信號的最高動態範圍；同時，外部衰減可確保模塊安全地採集更大的電壓。
模擬轉換單元還包括濾波模塊，利用可選式bessel濾波器最大程度降低了輸入帶寬上的群時延，並利用橢圓濾波器最大程度增加了平滑帶寬。在具體應用時，為了實現最佳靈活性，濾波器旁通路徑還可連接外部可自定義的輸入式濾波器。多路輸入/輸出信道可採用12條雙向數字i/o信道，能夠接受測試控制中的數字設備和簡單的數字協議，如圖3所示。
電子解調系統的核心是數位訊號處理單元，它包括了採用xilinxvirtex-5可編程邏輯控制器的pxi晶片和pxiexpress模塊，板載dram，形成高性能的面向應用的集成電路（asics），還為可編程邏輯控制器提供i/o的niflexrio適配器模塊接口。適配器模塊接口包括直接連接到可編程邏輯控制器管腳的132線通用數字i/o，以及定義接口所必需的時序控制晶片，這樣就可以將這132線配置為高達400mbits/s速率的單端操作和高達1gbit/s速率的差分操作，並提供66gbits/s(8.25gb/s)的最大i/o帶寬。數位訊號處理單元晶片面板上的所有連接都加載可控阻抗，形成匹配長度的差分方式排布。
可編程邏輯控制器採用xilinx公司的virtex-5系列晶片，具有48個dsp48e乘法器和2640kbram資源，適用於數字下變頻（ddc）、多點fft等複雜信號處理算法的實現。這種集成化的晶片板，與數位訊號處理在上位工控機或pc機上實現的方法相比，基於可編程邏輯控制器的數位訊號處理能夠進行並行運算，降低算法執行時間，加快分析速度，同時降低了對數據傳輸總線帶寬的要求。
可編程邏輯控制器上集成3*3式耦合器解調算法，如圖4所示，耦合器3個輸出量在相位上相差120°，即幹涉儀的輸出光強ik=d+i0cos[φ(t)-(k-1)(2π/3)]。式中：φ(t)=φ(t)+ψ(t)；d為輸出光強的平均值；i0為幹涉條紋的峰值強度；k為輸出光路的序列號，k=1,2,3；φ(t)位傳感器的相位差信號，即待測信號，ψ(t)為環境變換產生的相位差，在圖中，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7分別代表相應三個加法器、微分器、乘法器、平方器與除法器的增益，φ(t)是解調過程中最後的輸出量。經過運算後得到vout=1.732[φ(t)+ψ(t)]。通常將ψ(t)當做滿變化量，經過高通濾波器即可濾除，從而得到待測信號φ(t)。
本發明的數據傳輸與配置處理主要依靠高速傳輸引擎，即通過fifo雙口緩衝器及dma數據交換協議實現與cpu單元的信號傳輸，fifo存儲器是一個先入先出的雙口緩衝器，即第一個進入其內的數據第一個被移出，其中一個存儲器的輸入口，另一個口是存儲器的輸出口。主要有三個方面的作用：1）對連續的數據流進行緩存，防止在進機和存儲操作時丟失數據；2）數據集中起來進行進機和存儲，可避免頻繁的總線操作，減輕cpu的負擔；3）允許系統進行dma操作，提高數據的傳輸速度。這是至關重要的一點，如果不採用dma操作協議，數據傳輸將達不到傳輸要求，而且大大增加cpu的負擔，無法同時完成數據的存儲工作。dma即「directmemoryaccess」，意為直接內存訪問，是一種不經過cpu而直接從內存存取數據的數據交換協議。pio模式下硬碟和內存之間的數據傳輸是由cpu來控制的；而在dma模式下，cpu只須向dma控制器下達指令，讓dma控制器來處理數的傳送，數據傳送完畢再把信息反饋給cpu，這樣就很大程度上減輕了cpu資源佔有率。dma傳送協議的優先級高於程序中斷，兩者的區別主要表現在對cpu的幹擾程度不同。中斷請求不但使cpu停下來，而且要cpu執行中斷服務程序為中斷請求服務，這個請求包括了對斷點和現場的處理以及cpu與外設的傳送，所以cpu付出了很多的代價；dma請求僅僅使cpu暫停一下，不需要對斷點和現場的處理，並且是由dma控制外設與主存之間的數據傳送，無需cpu的幹預，dma只是借用了一點cpu的時間而已。還有一個區別就是，cpu對這兩個請求的響應時間不同，對中斷請求一般都在執行完一條指令的時鐘周期末尾響應，而對dma的請求，由於考慮它的高效性，cpu在每條指令執行的各個階段之中都可以讓給dma使用，是立即響應。
圖5所示體現了光纖測振方法流程，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，模數轉換單元通過採集光電探測器輸出的信號，將模擬電壓信號轉換為數位訊號，經過濾波處理後，數位訊號處理單元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。