CN104316091B - 一种模块化的分布式光纤传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化的分布式光纤传感装置，装置包括机箱、调制模块、光电模块、信号采集与处理模块和控制器模块；调制模块、光电模块、信号采集与处理模块和控制器模块均与机箱的插槽类型匹配，控制器模块选用嵌入式控制器，调制模块产生电脉冲驱动光电模块中的调制器产生光脉冲，光电模块的光接口输出光脉冲，同时接收从被测光纤中返回的光信号，并经光电探测器转换成电信号，信号采集与处理模块采集并处理从光电模块传输来的电信号，将测量结果传送给控制器模块存储和显示。本发明能推动分布式光纤传感装置的集成化、标准化和模块化生产，从而提升装置的灵活性和通用性，且大大降低传感装置的成本。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种用于光纤线路表征、事件识别和故障定位的分布光纤传感装置。
背景技术
由于光纤可兼做通信和传感的介质，它的无源、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等特点决定了它在智能电网发展中具有巨大潜力。成熟的光纤传感技术和设备已经在电力行业有一定的应用，如拉曼光时域反射仪用于变压器温度监测、布里渊光时域反射仪用于海底电缆温度/应力监测、布里渊光时域分析仪用于输电线路覆冰监测、光纤光栅在开关柜温度监测中的应用等，而在智能变电站建设中全光纤电压互感器和电流互感器业已成为推进变电站智能化的必要设备。光纤在电网中覆盖率也在逐年提升，2012年国家电网公司220kV变电站光纤覆盖率达100％，110kV变电站的光纤覆盖率达97.9％，未来几年，光纤覆盖率在其它等级的变电站将提高到90％以上。智能电网的发展使光纤资源在电网中变得相当充裕，充分利用电网中的光纤是智能电网中先进传感技术发展的重要议题。将光纤传感技术融入到电网运营的实际需求中，构建成全方位、多角度、立体化的传感信息与通信网是光纤传感技术在电网中应用的必然趋势。顺应智能电网发展的需要，建立先进感知和信息通信能力的传感网络显得尤为重要。光纤传感网将在未来智能电网中占据重要地位，建立集信息与通信于一体的大型传感网络也是智能电网的内在需要。智能电网中传感参量多样化，如温度、湿度、风速、应力、舞动、扰动、振动、电场、磁场、放电、辐射等，设备类型广域化，如被测物覆盖发电、输电、变电、配电各个环节而且各具特点，使传感设备呈现多样化。
目前分布式光纤传感装置灵活性、通用性差，而且在系统结构设计方面没有统一的标准，比如，拉曼光时域反射仪、布里渊光时域反射仪，相位光时域反射仪、布里渊光时域分析仪、偏振光时域反射仪等装置在硬件结构和部分功能上极其相似，但是，缺乏统一的和标准的功能模块划分，所以难以实现多种传感功能的复用和集成，于是，在实际的工程应用中很难降低分布式光纤传感装置的成本。国内外在分布式光纤传感装置研究方面，主要关注装置的总体性能，比如：日本光纳株式会社申请的专利“分布式光纤传感器”(申请号：200980147933.0)和“分布式光纤传感器”(申请号：200480043385.4)，中国科学院上海精密机械光学研究所申请的专利“分布式光纤振动传感器”(申请号：201110008557.6)和上海华魏光纤传感技术有限公司申请的专利“分布式光纤温度传感系统的光电装置”(申请号：200910055922.1)等，而且，在商用的分布式光纤传感装置方面，市场上也没有按功能模块设计和组装的产品。
发明内容
本发明提出一种模块化的分布式光纤传感装置，其改进之处在于，所述装置包括机箱(100)、调制模块(101)、光电模块(102)、信号采集与处理模块(103)和控制器模块(104)；
各个模块的插槽类型与机箱的插槽相匹配，控制器模块(104)控制调制模块(101)、光电模块(102)和信号采集与处理模块(103)，使这三个模块协调工作；
调制模块(101)产生电脉冲信号驱动光电模块(102)中的光脉冲调制器从而产生探测光脉冲，探测光脉冲经光电模块(102)的光端口输出到被测光纤，相应地，由于探测光脉冲的作用，传感信号沿光纤经光端口返回进入光电模块(102)中的光电探测器，被转换成电信号；
信号采集与处理模块(103)采集并处理从光电模块(102)传送来的电信号，得到测量结果，并将数据传送给控制器模块(104)进行存储和显示。
所述机箱(100)的插槽类型选PXIe与PXI混合插槽。
所述机箱(100)的插槽类型选PXIe插槽。
所述机箱(100)的插槽类型选PXI插槽。
所述装置包括：所述光电模块(102)包括激光器、耦合器1、耦合器2、光脉冲调制器、环形器、光输出端口、光电探测器和射频输出端口；激光器发出的光经耦合器1分成两路，一路用作本振光进入耦合器2，另一路进入光脉冲调制器产生光脉冲，光脉冲经环形器从光输出端口输出到被测光纤，被测光纤中返回的光信号经环形器后进入耦合器2，将信号光与本振光在耦合器2中混频，其拍频信号被光电探测器转换后从射频输出端口输出。
所述装置包括：所述信号采集与处理模块(103)接收光电模块(102)射频输出端口传来的信号，采集信号并做相应的数学运算和处理，得到测量结果。
所述控制器模块(104)配置Windows操作系统与可控制调制模块(101)、光电模块(102)、信号采集与处理模块(103)的应用软件。
所述控制器模块(104)配置Linux操作系统与可控制调制模块(101)、光电模块(102)、信号采集与处理模块(103)的应用软件。
控制调制模块(101)、光电模块(102)、信号采集与处理模块(103)的应用软件选LabVIEW。
所述控制器模块(104)具备相应端口以连接显示器、鼠标和键盘。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明涉及的模块化的分布式光纤传感装置将系统划分成几个独立的功能模块，它首先能推动分布式光纤传感装置的集成化、标准化和模块化生产，从而提升装置的灵活性和通用性，其次，不同传感功能的分布式光纤传感装置可以共用具有相同功能的模块，比如控制器模块、调制模块、信号采集与处理模块、机箱等，它能促进具有不同传感功能的多种分布式光纤传感装置的融合与集成，从而大大降低传感装置的成本。
附图说明
图1为本发明实施例的一种模块化的分布式光纤装置的模块组成示意图。
图2为本发明实施例的调制模块示意图。
图3为本发明实施例中实现相干光时域反射仪和布里渊光时域反射仪功能所需的光电模块和信号采集与处理模块示意图。
图4为本发明实施例中实现拉曼光时域反射仪功能所需的光电模块和信号采集与处理模块示意图。
图5为本发明实施例中实现布里渊光时域分析仪仪功能所需的光电模块和信号采集与处理模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实施例提供的一种模块化的分布式光纤传感装置，其装置包括：
机箱(100)：用于分布式光纤传感装置各个功能模块的供电、总线控制和数据通信；
调制模块(101)：调制产生电脉冲，以驱动光电模块(102)产生光脉冲；
光电模块(102)：产生光脉冲，接收从被测光纤返回的光信号，并将接收到的光信号转换成电信号；
信号采集与处理模块(103)：采集从光电模块(102)传送来的电信号，并进行数字信号处理，从而得到被传感的参量信息；
控制器模块(104)：用于分布式光纤传感装置收发控制、数据存储、处理和显示。
实施例
如图1所述，一种模块化的分布式光纤传感装置，它包括机箱(100)、调制模块(101)、光电模块(102)、信号采集与处理模块(103)、控制器模块(104)；
所述机箱(100)的插槽类型选用PXIe与PXI混合插槽，调制模块(101)、光电模块(102)、信号采集与处理模块(103)、控制器模块(104)的插槽类型与机箱的插槽类型匹配；
所述机箱(100)的插槽类型也可选用PXIe插槽，调制模块(101)、光电模块(102)、信号采集与处理模块(103)、控制器模块(104)的插槽类型与机箱的插槽类型匹配；
所述机箱(100)的插槽类型也可选用PXI插槽，调制模块(101)、光电模块(102)、信号采集与处理模块(103)、控制器模块(104)的插槽类型与机箱的插槽类型匹配；
控制器模块(104)控制调制模块(101)、光电模块(102)和信号采集与处理模块(103)，使这三个模块协调工作；
所述控制器模块(104)配置Windows操作系统与可控制调制模块(101)、光电模块(102)、信号采集与处理模块(103)的应用软件；
所述调制模块(101)、光电模块(102)、信号采集与处理模块(103)的应用软件选LabVIEW程序；
所述控制器模块(104)具备相应端口连接显示器、鼠标和键盘。
调制模块(101)的功能如图2所示，它产生电脉冲信号驱动光电模块(102)中的光脉冲调制器从而产生探测光脉冲，探测光脉冲经光电模块(102)的光端口输出到被测光纤，相应地，由于探测光脉冲的作用，传感信号沿光纤经光端口返回进入光电模块(102)中的光电探测器，被转换成电信号；
信号采集与处理模块(103)采集并处理从光电模块(102)传送来的电信号，得到测量结果，并将数据传送给控制器模块(104)以进行显示。
图3显示了本发明涉及的分布式光纤传感装置实现相干光时域反射仪和布里渊光时域反射仪的功能所需的硬件结构。图3中，激光器发出的激光分成两路，一路经电光调制产生光脉冲，从光电模块(102)的光端口输出到被测光纤，被测光纤中的散射信号(瑞利散射信号和自发布里渊散射信号)返回与激光器分出的另一路光(本振光)在耦合器中相干，接着进入光电探测器，相应地，光电探测器输出相干得到的射频信号。该射频信号经下变频、模数转换和数字信号处理后得到测量结果。测量结果传送给控制器模块，由控制器模块(104)存储和显示。由于瑞利散射信号和自发布里渊散射信号的频率不同，因此，信号采集与处理模块(103)采集与处理瑞利散射信号则实现相干光时域反射仪的功能，而采集与处理自发布里渊散射信号则实现布里渊光时域反射仪的功能。
图4显示了本发明涉及的分布式光纤传感装置实现拉曼光时域反射仪的功能所需的硬件结构。图4中激光器发出的光经电光调制得到光脉冲，从光电模块(102)的光端口输出，光脉冲在被测光纤中的拉曼散射信号(斯托克斯光和反斯托克斯光)返回，经波分复用器分离成斯托克斯光和反斯托克斯光，这两路光分别进入光电探测器1和光电探测器2。信号采集与处理模块(103)同时采集与处理从探测器输出的对应斯托克斯光和反斯托克斯光强度的电信号，并处理这两路时域信息从而得到被测光纤沿线的温度数据，从而实现拉曼光时域反射仪的功能。
图5显示了本发明涉及的分布式光纤传感装置实现布里渊光时域分析仪功能所需的硬件结构。图5中，激光器发出的光分成两路，一路经电光调制1调制产生光脉冲并注入到被测光纤的一端，而另一路经电光调制2调制得到扫频的连续光。在被测光纤中，光脉冲与扫频的连续光相互作用产生受激布里渊散射光，受激布里渊散射信号返回经窄带滤波后进入光电探测器，相应地，光电探测器输出的电信号进入信号采集与处理模块(103)，从而被转换测数字信号并被做相应的处理，最终得到测量结果。测量结果传送给控制器模块，由控制器模块(104)存储和显示。
从图1至图5可以看出，实现分布式传感的主要功能模块是光电模块(102)，它代表了设备功能特征，比如相干光时域反射仪、布里渊光时域反射仪、拉曼光时域反射仪等，而其它模块在不同功能的传感需求中可以共用，这样，装置的通用性非常好。另外，由于机箱(100)的插槽可以扩展，比如可以选8插槽、18插槽、32插槽的机箱，因此不同功能的光电模块(102)可以同时插入同一机箱，通过调整与调整模块(101)和信号采集与处理模型(103)的端口接线，就可以实现多传感功能的复用和装置的集成，进而在提升装置灵活性、通用性和集成化的同时大大降低成本。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种模块化的分布式光纤传感装置，其特征在于，所述装置包括机箱(100)、调制模块(101)、光电模块(102)、信号采集与处理模块(103)和控制器模块(104)；
各个模块的插槽类型与机箱的插槽相匹配，控制器模块(104)控制调制模块(101)、光电模块(102)和信号采集与处理模块(103)，使这三个模块协调工作；
调制模块(101)产生电脉冲信号驱动光电模块(102)中的光脉冲调制器从而产生探测光脉冲，探测光脉冲经光电模块(102)的光端口输出到被测光纤，相应地，由于探测光脉冲的作用，传感信号沿光纤经光端口返回进入光电模块(102)中的光电探测器，被转换成电信号；
信号采集与处理模块(103)采集并处理从光电模块(102)传送来的电信号，得到测量结果，并将数据传送给控制器模块(104)进行存储和显示；
所述机箱(100)的插槽类型选PXIe与PXI混合插槽；
所述光电模块(102)包括激光器、耦合器1、耦合器2、光脉冲调制器、环形器、光输出端口、光电探测器和射频输出端口；激光器发出的光经耦合器1分成两路，一路用作本振光进入耦合器2，另一路进入光脉冲调制器产生光脉冲，光脉冲经环形器从光输出端口输出到被测光纤，被测光纤中返回的光信号经环形器后进入耦合器2，将信号光与本振光在耦合器2中混频，其拍频信号被光电探测器转换后从射频输出端口输出；
所述信号采集与处理模块(103)接收光电模块(102)射频输出端口传来的信号，采集信号并做相应的数学运算和处理，得到测量结果；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20160406 Address after: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: China Electric Power Research Institute Applicant after: State Grid Smart Grid Institute Applicant after: Information & Telecommunication Branch of State Grid Jiangsu Electric Power Company Address before: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Applicant before: State Grid Corporation of China Applicant before: China Electric Power Research Institute Applicant before: Information & Telecommunication Branch of State Grid Jiangsu Electric Power Company |
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| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: China Electric Power Research Institute Applicant after: GLOBAL ENERGY INTERCONNECTION RESEARCH INSTITUTE Applicant after: Information & Telecommunication Branch of State Grid Jiangsu Electric Power Company Address before: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing Applicant before: State Grid Corporation of China Applicant before: China Electric Power Research Institute Applicant before: State Grid Smart Grid Institute Applicant before: Information & Telecommunication Branch of State Grid Jiangsu Electric Power Company |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |