CN103048070B - 分布式光纤系统的应力监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的分布式光纤系统的应力监测方法，将激光分成两束激光，一束激光与脉冲调制或随机序列信号调制为脉冲光，并将脉冲光放大；另一束激光与OFDM信号调制为光OFDM信号，并对光OFDM信号进行放大；将放大后的脉冲光作为泵浦光，放大后的光OFDM信号作为探测光；两种光在单模光纤内经历布里渊增益；将布里渊增益后的泵浦光和探测光进行光电转换后获得OFDM电信号；对OFDM电信号进行信道估计获得各子载波的布里渊频移；根据各子载波的布里渊频移获得沿光纤轴向分布的各个点的应力值。本发明能够提高测量时间和精度，使得动态范围得到很大提高，实时对电网系统设备进行应力监测，提升分布式传感系统的可靠性和实时性。

Description

分布式光纤系统的应力监测方法

【技术领域】

本发明涉及电力系统的应力测量技术领域，尤其涉及利用分布式光纤系统进行应力监测的方法。

【背景技术】

在电力系统中，电缆，风电设备等长期暴露在大气中，受到外力及外界环境变化的影响如风振冰灾舞动等会发生形变产生弧垂导致设备产生应力应变，设备强度下降造成线路中断故障。而应力对设备影响并不能直观表现出来，一旦应力积累到一定程度造成设备工作中断，将会严重影响电力系统输供电的安全，如何在没有发生故障时及时了解设备应力应变情况发现故障隐患采取有效的预防措施对于提高电力系统可靠性非常重要。

目前对应力测量的方法非常多，有应变片测量、磁测量等等多种手段，最新研究的精度比较高的测量手段主要为分布式光纤应力测量技术。分布式光纤应力测量技术主要有基于瑞利散射的分布式光纤应力传感技术、基于BOTDR(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry)（布里渊光时域反射）技术并采用光学滤波法检测布里渊频移的分布式光纤传感技术、基于BOTDA技术并采用直接检测方法获取布里渊频移的分布式光纤传感技术和基于微波外调制的损耗型BOTDA分布式光纤传感系统。

图1是基于瑞利散射的分布式光纤应力传感技术的原理示意框图。由于光纤中存在成分和密度的不均匀，使得折射率的微观呈现不均匀性，当激光脉冲在光纤中传输时会产生瑞利散射。在利用瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位。该技术的发展初期，主要是通过记录沿传感光纤后向瑞利散射光的强度来检查光纤的衰减和连续性，确定光纤各处的损耗、光纤故障点和断点的位置。后来根据瑞利散射系数随应力的变化，利用瑞利散射光强度与应变应力的调制关系，将该技术用于测量光纤沿线的应变应力场分布。依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型，它们分别利用光纤的吸收、损耗特性或瑞利散射系数和在光纤中传播光波的偏振态受外界物理量的调制来实现外部物理量的传感测量的。基于瑞利散射的分布式光纤应力传感技术存在以下问题：精度低、传感距离短和检测响应时间较长。

如图2所示，基于BOTDR(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry)（布里渊光时域反射）技术并采用光学滤波法检测布里渊频移的分布式光纤传感技术是将自发布里渊散射检测和光时域反射仪相结合，当光纤的应变发生变化时，光纤纤芯的折射率和声速会发生相应的变化，从而导致布里渊频移的改变。在应用过程中使脉冲光从光纤的一端输入，并在同一端测量后向返回的自发布里渊散射光，通过将后向自发布里渊散射光与一个频率较为接近的参考光进行差频相干，测量频率较低的拍频信号来得到布里渊频移。有了布里渊频移的变化量就可以测算出应变的变化量；同时，通过测定脉冲光入射到散射光的回波时间就可以确定传感的位置。图2是基于BOTDR技术并采用光学滤波法检测布里渊频移的分布式光纤传感技术的原理示意框图。在该基于BOTDR技术并采用光学滤波法检测布里渊频移的分布式光纤传感技术中，主要存在以下问题：（1）系统中产生的自发布里渊散射光比较微弱；（2）系统中布里渊频移很小，测量难度很大；（3）由于布里渊频移很小，对滤波器要求极高，测量准确度不高，影响测量精度；（4）检测响应时间较长。

如图3所示，在基于BOTDA技术并采用直接检测方法获取布里渊频移的分布式光纤传感技术中，从光纤的两端分别注入一脉冲光(泵浦光)与一连续光(探测光)在光纤的铺设路径上，由于应力不同，相同波长的泵浦光激发的布里渊散射频移也不同。当泵浦光与探测光的频率差与布里渊频移相等时，两束光之间发生能量转移，布里渊波长上的光就会被放大，即在该位置产生了布里渊放大效应。当对一个激光波长进行扫描时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光功率，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差。由于布里渊频移与应力呈线性关系，因此，对激光器的频率进行连续调节的时候，就可以得到应力信息，实现分布式测量。实际运用中可以采用电光调制器对探测光或者泵浦光的频率在布里渊频移波段（约为10.8GHz~11.1GHz）进行扫描，以绘制布里渊增益/损耗谱。然而这样的扫频技术需要耗费很长的时间，不能做到实时的检测，同时也降低了精度和动态范围。。可是该技术存在以下问题：(1)光源稳频要求高；(2)由于需要分析点数非常多，为提高测试灵敏度，需要多次平均，因此测试时间非常长；(3)增益型传感方式会引起泵浦光能量急剧降低，难以实现长距离检测。

如图4所示，基于微波外调制的损耗型BOTDA分布式光纤传感系统采用1.55μm工作波长的窄线宽激光器，通过耦合器1将光源分为两路。其中一路光信号由声光调制器(AOM)调制成脉冲光，经过掺铒光纤放大器(EDFA)放大信号和光栅滤除EDFA产生的自发辐射噪声后进入传感光纤。耦合器的另一路光信号由电光调制器(EOM)调制产生约11GHz频移的光信号。为了获得最大的输出信号和平坦的传输特性，EOM前需加偏振控制器(PC)进行偏振态的控制。本系统采用损耗型BOTDA技术，连续光频率高于脉冲光频率。因此选取调制信号的上边带。经过调制后的光信号作为探测光进入传感光纤。当光纤中相向传输的两路光的频率差与光纤的布里渊频移一致时，受激布里渊散射作用最强。探测光通过耦合器2进入光电检测器检测，再由高速数据采集设备迭加平均并进行频谱拟合，就可确定光纤各段布里渊增益达到最大时所对应的频率差，该频率差与光纤各段上的布里渊频移相等，因此能够确定与布里渊频移成线性关系的应力值，从而实现应力的分布式测量。

该基于微波外调制的损耗型BOTDA分布式光纤传感系统只需要一个激光器作为光源，将激光器输出光分成两路，通过调节探测光调制信号的频率实现对被测光纤区域的扫描，以此确定布里渊频移的改变量并获得应力的传感信息。损耗型是指连续探测光频率高于脉冲光频率，探测光的能量向脉冲光转移，这种传感方式使脉冲光能量升高，不存在泵浦耗尽现象，从而能实现长距离的检测。系统基本原理：在传感光纤两端分别入射短脉冲光与连续探测光，当两者的频率差与光纤中某区域的布里渊频移υ_B相等时，则在该区域就会产生受激布里渊散射(SBS)放大效应，两光束之间发生能量转移。由于布里渊频移与应力存在线性关系，因此，在对激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的探测光，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差。从而得到传感光纤上应力的信息，实现分布式测量。

布里渊频移υ_B是应力和应变的函数，在应力单独作用下有如下关系：

υ_B(ε)＝υ_B(ε_r)[1+C_rε(ε-ε_r)]         (1)

其中式中ε_r为参考应力；C_rε为布里渊频移的应力灵敏度系数。

该基于微波外调制的损耗型BOTDA分布式光纤传感系统主要有以下技术缺陷：(1)单端方案不能实现远距离传感；(2)为提高测量精度，需要测量多个频点，多次平均，因此测量时间较长；(3)该方案因为要对大量实验数据进行统计分析,对实验设备及环境要求很高。

【发明内容】

针对上述问题，本发明提供一种分布式光纤系统的应力监测方法，能够提高测量时间和精度，使得动态范围得到很大提高，实时对电网系统设备进行应力监测，提升分布式传感系统的可靠性和实时性。

本发明提供的分布式光纤系统的应力监测方法，包括步骤：

将激光分成两束激光，将其中一束激光与脉冲调制或随机序列信号调制为脉冲光，并将所述脉冲光进行放大；将另一束激光与OFDM信号调制为带有光载波的光OFDM信号，并对所述光OFDM信号进行放大；其中，所述光OFDM信号的频率分辨率为子载波间隔；

将放大后的所述脉冲光作为泵浦光，放大后的所述光OFDM信号作为探测光；所述泵浦光和所述探测光在单模光纤内经历布里渊增益；

将布里渊增益后的所述泵浦光和所述探测光进行光电转换后获得OFDM电信号；

对所述OFDM电信号进行信道估计获得各子载波的布里渊频移；

根据各所述子载波的布里渊频移获得沿光纤轴向分布的各个点的应力值。

使用本发明相比较于现有技术，解决了现有技术的测量精度低的问题，也可以解决现有技术测量范围受限制的问题，进一步解决了现有技术测量结果的单一性问题。

此外，在本发明采用光OFDM信号取代单束激光作为BOTDA系统中的探测光，其可以大大的增加扫描速度，一次性完成多个频点的扫描，从而解决了现有技术单点单频扫描速度慢和单频扫描精度不高的缺点；可以大大提高测量动态范围。本发明可简化传统方式中的平均过程，降低系统计算复杂度，减少检测时间；解决了现有技术不能进行实时监控的缺点。

【附图说明】

图1是基于瑞利散射的分布式光纤应力传感技术的原理示意框图；

图2是基于BOTDR技术并采用光学滤波法检测布里渊频移的分布式光纤传感技术的原理示意框图；

图3是基于BOTDA技术并采用直接检测方法获取布里渊频移的分布式光纤传感技术的原理示意框图；

图4是基于微波外调制的损耗型BOTDA分布式光纤传感系统示意图；

图5是依据本发明的流程图；

图6是含有5个子载波的光OFDM信号的示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图来详细说明本发明的采用光OFDM信道估计方式测量布里渊频移技术，下面仅仅作为示例来说明，本领域技术人员清楚地知晓，只要符合本发明思想的方法及系统均落入本发明之中；另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至采用光OFDM信道估计方式测量布里渊频移技术的具体结构或部件的具体参数。

本发明的采用光OFDM信道估计方式测量布里渊频移技术，本发明采用新颖的采用光信道估计方式进行应力测量，可以在一个时间单位上完成多个频点的扫描，使得测量速度及测量精度大大增加。相对于基于布里渊散射的分布式光纤温度传感系统BOTDA中现大多依靠扫频方式获得温度导致布里渊频移的频移测量值以及通过拟合得到测量结果，克服了由于激光器单频扫描速度慢、精度不高、很难实现快速高精度等问题。

在本发明的采用光OFDM信道估计方式测量布里渊频移技术中，由于温度会导致不同的布里渊频移，测量出不同的频移量即可分析出沿光纤轴向分布的应力值，为此，利用光正交频分复用O-OFDM通信系统中的信道估计技术可以精确估计出布里渊频移量。OFDM信号是一种含有多个子载波的宽带信号。

如图5所示，本发明提供的分布式光纤系统的应力监测方法，首先将激光分成两束激光（S501），将其中一束激光与脉冲调制或随机序列信号调制为脉冲光（S502），并将所述脉冲光进行放大（S503）；将另一束激光与OFDM信号调制为带有光载波的光OFDM信号（S504），并对所述光OFDM信号进行放大（S505）；其中，所述光OFDM信号的频率分辨率为子载波间隔；

将放大后的所述脉冲光作为泵浦光，放大后的所述光OFDM信号作为探测光；所述泵浦光和所述探测光在单模光纤内经历布里渊增益（S506）；

将布里渊增益后的所述泵浦光和所述探测光进行光电转换后获得OFDM电信号（S507）；

对所述OFDM电信号进行信道估计获得各子载波的布里渊频移（S508）；

根据各所述子载波的布里渊频移获得沿光纤轴向分布的各个点的应力值（S509）。

如图6所示。图6给出了一个含有5个子载波的光OFDM信号，其中，中心光载波的频率为f0。假设子载波的带宽固定，即频点间隔固定，通过增加子载波的个数，使得光OFDM信号的带宽增加，则一次扫频扫过的带宽越大，测量速度越高。通过调节子载波的带宽，可调节频点间隔。

作为一个实施例，步骤S508和S509的实现过程可以通过以下步骤实现：

根据公式（1）获得所述OFDM电信号的第k个子载波的信号相对强度：

$H_k={\left|\frac{Y_k}{X_k}\right|}^2$        （公式1）

其中，X_k为所述探测光上第k个子载波上的符号，Y_k为所述OFDM电信号的该子载波上的符号；

根据所述相对强度H_k，获得最大值的子载波的频率，所述最大值的子载波的频率为布里渊频移υ_B(ε)；

根据公式2获得所述应力值ε：

ε=ε_r+[υ_B(ε)/υ_B(ε_r)-1]/C_rε

其中式中ε_r为参考应力，C_rε为应力灵敏度系数，υ_B(ε_r)为参考应力ε_r下的布里渊频移。

作为一个实施例，步骤S504中发射端产生OFDM信号的过程可以是：

伪随机序列PRBS码经过串并变换后映射到相应的调制方式，经过逆傅里叶IFFT变换到时域信号后加循环前缀，然后再并串变换后经过数模转换转换为所述OFDM信号；

相应的，在一个实施例中，接收端将布里渊增益后的所述泵浦光和所述探测光进行光电转换后获得OFDM电信号的步骤包括：

将布里渊增益后的所述泵浦光和所述探测光进行同步，然后进行串并变换并去除所述循环前缀，再傅里叶FFT变换到频域信号，获得OFDM电信号。

在一个改进的实施例中，提供了一种改进型调制解调方法来获得步骤S504产生OFDM信号的过程：

循环发射同一帧的伪随机序列PRBS码，经过串并变换后映射到相应的调制方式，经过逆傅里叶IFFT变换到时域信号后进行并串变换；然后再并串变换后经过数模转换转换为所述OFDM信号；

相应的，在接收端将布里渊增益后的所述泵浦光和所述探测光进行光电转换后获得OFDM电信号的步骤包括：

将布里渊增益后的泵浦光和探测光进行同步，然后进行串并变换，再傅里叶FFT变换到频域信号，获得OFDM电信号。

这种方法省去添加CP(循环前缀)和不同帧不同PRBS(伪随机二进制序列)的调制映射，只需要在发射端循环发射同一帧的OFDM信号，由于不考虑解调映射的PRBS，所以省略去添加CP过程，这样可以简化发射端的算法复杂度，更容易在线实现。经过这种简化算法调制出的循环OFDM信号由AWG生成的模拟信号经过MZM调制器调制到激光发所发出的光载波后进入布里渊系统作为探测光，可达到于原算法相同的功能，同时对于电器件的要求大大降低，使得产品可以做到更加成本经济。

本发明的基于LabView、Matlab/C/C++等软件产生数字OFDM信号，通过示波器实现模数转换器的功能，通过示波器得到的数字信号送入LabView、Matlab/C/C++等计算机软件进行检测，从而分析出布里渊频移得到需要测量的参数值值。利用LabView开发周期短，观测效果好。利用Matlab/C/C++等软件产生OFDM信号以及对传输后的信号进行处理，可根据需要选择合适的算法，提高测量精度。其可以利用较复杂的算法来提高系统性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种分布式光纤系统的应力监测方法，其特征在于，包括步骤：

将激光分成两束激光，将其中一束激光与脉冲调制或随机序列信号调制为脉冲光，并将所述脉冲光进行放大；将另一束激光与OFDM信号调制为带有光载波的光OFDM信号，并对所述光OFDM信号进行放大；其中，所述光OFDM信号的频率分辨率为子载波间隔；

将放大后的所述脉冲光作为泵浦光，放大后的所述光OFDM信号作为探测光；所述泵浦光和所述探测光在单模光纤内经历布里渊增益；

将布里渊增益后的所述泵浦光和所述探测光进行光电转换后获得OFDM电信号；

对所述OFDM电信号进行信道估计获得各子载波的布里渊频移；

根据各所述子载波的布里渊频移获得沿光纤轴向分布的各个点的应力值；

其中，获得布里渊频移以及根据所述布里渊频移获得应力值的步骤包括：

根据公式(1)获得所述OFDM电信号的第k个子载波的信号相对强度：

$H_k={\left|\frac{Y_k}{X_k}\right|}^2$    (公式1)

其中，X_k为所述探测光上第k个子载波上的符号，Y_k为所述OFDM电信号的该子载波上的符号；

根据所述相对强度H_k，获得最大值的子载波的频率，所述最大值的子载波的频率为布里渊频移υ_B(ε)；

根据公式2获得所述应力值ε：

ε＝ε_r+[υ_B(ε)/υ_B(ε_r)-1]/C_rε   (公式2)

其中式中ε_r为参考应力，C_rε为应力灵敏度系数，υ_B(ε_r)为参考应力ε_r下的布里渊频移。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤系统的应力监测方法，其特征在于，将另一束激光与OFDM信号调制为带有光载波的光OFDM信号的步骤之前还包括产生所述OFDM信号的步骤：

伪随机序列PRBS码经过串并变换后映射到相应的调制方式，经过逆傅里叶IFFT变换到时域信号后加循环前缀，然后再并串变换后经过数模转换转换为所述OFDM信号；

将布里渊增益后的所述泵浦光和所述探测光进行光电转换后获得OFDM电信号的步骤包括：

将布里渊增益后的所述泵浦光和所述探测光进行同步，然后进行串并变换并去除所述循环前缀，再傅里叶FFT变换到频域信号，获得OFDM电信号。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤系统的应力监测方法，其特征在于，将另一束激光与OFDM信号调制为带有光载波的光OFDM信号的步骤之前还包括产生所述OFDM信号的步骤：

循环发射同一帧的伪随机序列PRBS码，经过串并变换后映射到相应的调制方式，经过逆傅里叶IFFT变换到时域信号后进行并串变换；然后再并串变换后经过数模转换转换为所述OFDM信号；

将布里渊增益后的所述泵浦光和所述探测光进行光电转换后获得OFDM电信号的步骤包括：

将布里渊增益后的所述泵浦光和所述探测光进行同步，然后进行串并变换，再傅里叶FFT变换到频域信号，获得OFDM电信号。