CN106969824A - 一种基于分布式光纤的舞动测振装置和解调算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤的舞动测振装置和解调算法，用于实时监测线路中舞动的幅度、频率和舞动位置，包括光路单元和电子学单元，光路单元将舞动线路上的光路进行调制，电子学单元将光路信息进行实时解调；装置采用具有窄线宽和低频率漂移特性的相干光源，光纤连续分布在线路中，实现被测量对象的连续空间的实时测量；本发明的测振装置能够实时监测室内舞动试验机试验线路舞动状态，可以及时获得在各个舞动频率下的实时数据并进行数据积累，为今后在室外真型试验线路上的长距离监测做铺垫。

Description

一种基于分布式光纤的舞动测振装置和解调算法

技术领域

本发明涉及舞动监测领域，尤其涉及一种基于分布式光纤的舞动测振装置和解调算法。

背景技术

振动量测量在结构健康监测、电力、航空航天等领域具有非常高的应用价值，传统的振动测量方法为电测量法，存在灵敏度低，体积大，安装限制等问题，且传统的振动测量只能进行点式测量。

分布式光纤传感技术是指在光纤传输路径上的外部信号通过一定的方法对光纤种的光波进行调试，以实现被测量对象的连续空间的实时测量。分布式光纤传感器不仅具有普通光纤传感器的全部优点，而且充分利用了光纤一维空间连续分布的特点，可以在整个传感光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行多点或者连续测量。光纤同时具有导光介质和传感元件的功能。相比于传统的振动传感器，光纤传感器具有灵敏度高、动态范围大、体积小、重量轻、不易受环境影响等特点，可进行全光纤的监控。

输电线路舞动是不均匀覆冰导线在风激励下产生的一种低频率（0.1～5Hz）、大振幅（导线直径的20～300倍）的自激振动。高压输电线路舞动能量大，持续时间长，易造成线路闪络、跳闸、杆塔螺栓松动、脱落，严重时会发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，甚至倒塔，导致重大电网事故。

发明内容

为了开展针对输电线路的全分布式光纤测试，尤其是前期的舞动特征识别等数据积累阶段，需要建设具备光纤的试验线路，本发明的目的在于提供一种基于分布式光纤的舞动测振装置和解调算法，利用室内舞动试验进而模拟输电线路的舞动。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于分布式光纤的舞动测振装置，用于实时监测线路中舞动的幅度、频率和舞动位置，其特征在于，包括光路单元和电子学单元，所述光路单元将舞动线路上的光路进行调制，所述电子学单元将光路信息进行实时解调。

所述光纤连续分布在线路中，实现被测量对象的连续空间的实时测量。

所述装置采用具有窄线宽和低频率漂移特性的相干光源。

所述装置采用相位敏感的光时域反射型（Φ-OTDR）传感器。

所述装置是室内舞动试验装置，用于模拟输电线路的舞动。

所述室内舞动试验装置能够设置档距，档距中间直线塔位置能够调整；耐张拉力、舞动频率也能够调整。

当所述线路某位置发生振动时，该处光的相位发生改变，返回的发生干涉的瑞利后向散射光光强因为相位的改变也发生改变，通过与未发生振动检测到的信号进行比较，找出光强变化的时间对应振动的确切位置。

所述光路单元的光信号经过光电探测器模块将光信号转换为电信号，进入所述电子学单元，电子学单元的高速AD转换单元采集所述光路信息，经过FPGA控制器，在FPGA控制器内经过解调算法的处理，将光纤中的振动信息进行提取，在人机界面上进行显示和存储。

所述光路单元包括：依次连接的窄线宽激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器。

所述声光调制器用于将所述窄线宽激光器发出的窄线宽激光，调制成重复频率为f，脉宽为W的脉冲序列，经过所述掺铒光纤放大器的功率放大后，经过所述环形器注入到传感光纤。

所述光路单元还包括：依次连接的光纤干涉仪、光电探测器。

在前向脉冲光遍历传感光纤时，后向瑞利散射光逆着光传播方向经所述环形器进入到所述光纤干涉仪中，经过所述光纤干涉仪的干涉调制，干涉信号经过所述光电探测器的光电转换，进入到系统的解调仪，经过解调算法，解调出传感光纤处的振动信息。

所述电子学单元包括：DIO接口、AD转换单元、FPGA控制器、CPU单元和人机界面。

所述AD转换单元采集光电探测器输出的电压信号，将其传送给所述FPGA控制器，所述FPGA控制器根据自定义的解调算法，经过处理后得到所述舞动测振装置中舞动线路的振动信息。

所述FPGA控制器内部的高速传输引擎将所述振动信息，通过PXIe总线传送给CPU单元，进行数据的显示、存储操作。

所述DIO接口向所述光路单元提供驱动脉冲，对光路进行调制。

一种基于分布式光纤的舞动测振解调算法，用于实时监测线路中舞动的幅度、频率和舞动位置，其特征在于，将光纤中传输的3路光信号转换为3路电信号，根据所述3路电信号进行实时解调，所述3路电信号之间的相位相差120度。

该解调算法具体包括以下步骤：

（1）求出3路电信号A、B、C的算术平均值,；令

,,；

（2）令；

（3）令，，，即分别对a、b、c求微分；

（4）令；

（5）求取积分值,并经过高通滤波后，得到待测信号；

其中，a、b、c、d、e、f、M、N表示中间变量值，A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7表示不同的增益值。

本发明的有益效果在于：本发明的室内舞动试验机分布式光纤测振实时监测装置能够实时监测室内舞动试验机试验线路舞动状态，可以及时获得在各个舞动频率下的实时数据并进行数据积累，为今后在室外真型试验线路上的长距离监测做铺垫，系统功能强大，既能对舞动状态进行定性监测，也可对舞动线路进行舞动幅度频率的定量监测，同时可以监测舞动试验机常见的低频舞动状态；系统体积小，安装方面，可直接放置在室内，通过简单的操作即可进行设备的运行和监测。

附图说明

图1为分布式光纤测振系统框图；

图2为数据采集前置系统结构及安装示意图；

图3为电子学单元设计框图；

图4为3*3耦合器解调算法框图；

图5为时域频域界面。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本发明的室内舞动试验机可以模拟输电线路的舞动。具体参数如下：

① 总档距70m，激振器激励舞动；

② 可配置为1档或2档，档距中间直线塔位置可调整，便于调整2档各档档距；

③ 耐张拉力可调，最大10T；

④ 舞动最低频率，根据导线和耐张拉力，调整范围为0.9-1.6Hz；

⑤ 舞动试验机挂OPPC-400导线，包含24芯单模光纤导线，外观和尺寸和常规LGJ-400/50导线一致。同时并在OPPC上方安装OPGW光缆，以模拟实际运行环境。OPGW与OPPC光纤熔接，便于分布式光纤设备同时测试舞动时两者通过塔材的振动传递情况；

本发明提供的舞动试验机分布式光纤测振装置的系统结构如图1所示。该系统包括硬件部分和上位机软件部分。硬件部分包括光路调制系统、数据采集模块、FPGA解调模块以及工控机，软件部分包括数据显示、数据存储、数据后处理，运行于电子学单元。

其中光路单元的光信号经过光电转换模块将光信号转换为电信号，进入电子学单元，电子学单元的高速(>100MS/s)AD采集光路信息，经过FPGA，在FPGA内经过解调算法的处理，将光纤中的振动信息进行提取，在人机界面上进行显示和存储。

基于相位敏感的光时域反射型（Φ-OTDR）传感器与传统型OTDR最大的不同就是采用了具有窄线宽和低频率漂移特性相干光源，相应极大地提高了空间分辨率（可达1m），利用这种散射光的相干性设计出的相位敏感型光时域反射系统，光纤本身既是传输媒质又是感知元件，光纤上任意一点都是传感单元，是一种真正意义上的全分布式光纤传感器，当光缆某位置发生振动时，该位置的光纤会发生应力形变，从而导致该处折射率发生改变，最终导致该处光的相位发生改变，因此，返回的发生干涉的瑞利后向散射光光强因为相位的改变而发生改变，通过与未发生振动检测到的信号进行比较，最终找出光强变化的时间对应振动的确切位置，同时，结合先进的解调算法，Φ-OTDR测量信噪比和准确率都比传统型OTDR高得多，传感距离可达30km、，实时性好，非常适合输电线路振动的监测。另外，Φ-OTDR与传统型OTDR结合，应用于输电线路的监测，可实现单根光纤输电线路的振动、温度、应变等多种参量的同时监测，从而减轻输电线路不必要的重量，减少输电系统不必要的设备，实现输电线路减负及运维管理简便的目的，大幅增强电网感知的深度和广度，提升电网交互性、自动化和信息化

图2为数据采集前置系统结构及安装示意图，所述光路单元包括：依次连接的窄线宽激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器，依次连接的光纤干涉仪、光电探测器；窄线宽激光器发出窄线宽的激光，经过声光调制器(AOM)的脉冲调制，调制成重复频率为f，脉宽为W的脉冲序列，经过光功率放大器的功率放大后，经过环形器注入到传感光纤，在前向脉冲光遍历传感光纤时，后向瑞利散射光逆着光传播方向经环形器进入到光纤干涉仪中，经过干涉仪的干涉调制，干涉信号经过PD的光电转换，进入到系统的解调仪，经过相应的解调算法，解调出传感光纤处的振动信息。

激光器：激光器是分布式光纤测振装置中非常关键的部件，采用RIO公司的极窄线宽激光器模块，具有极小的频率飘逸，可以迅速响应光相位的变化，干涉作用非常明显。该激光器的光中心波长为1550.12nm，光功率10mW。

声光调制器（AOM）：在系统中，使用的是连续注入的脉冲光来进行探测，因此必须使用调试器将连续光转换为脉冲光。相比于电光调制器，声光调试器工作更加稳定，不受偏振影响，适合工程应用。

掺铒光纤放大器（EDFA）：由于光线制备水平的快速发展，光线的损耗越来越低，瑞利散射光也越来越小，对于长距离的分布式传感器，需要采用光放大技术，采用掺铒光纤放大器，具有增益高、噪声低、工作频带宽、输出功率高、泵浦功率高等良好特性。

图3为电子学单元设计框图，所述电子学单元包括：DIO接口、AD转换单元、FPGA控制器、CPU单元和人机界面，电子学单元通过采集光电探测器输出的电压信号（3路），将模拟电压信号转换为数字信号，对该数字信号进一步执行数字信号处理算法，得到所需的信息量，实现传感目的，进而获取室内舞动试验机的舞动线路的振动信息。

电子学部分的核心是板载Xilinx Virtex-5 FPGA，具有丰富的硬件乘法器和RAM单元，用户可自定义复杂的实时信号处理算法，尤其适用于OEM应用。通过采用高速大容量缓存和高速数据传输引擎技术（Mass Buffered Storage & High Speed TransferEngine），可达100MS/s的采样率。

如图3，电子学电源通过DIO向光路部分提供驱动脉冲，经过一系列操作对光路进行调制，通过光路部分的光电探测器发出3路表征光路信息的电压信号，通过高速ADC进行数据采集，采集控制单元将采集的电压信号传送给在FPGA上的自定义的解调算法，得到光路部分的振动信号后，高速传输引擎将数据通过PXIe总线传送给上位机，在CPU端进行数据的存储，显示，配置等操作。

模拟输入：模拟通道采用交流耦合方式，两个巴伦背对背连接，避免降低偶次谐波性能，可以提供88dBc的无杂散动态范围。每个通道的-3dB输入带宽为0.5MHz~135MHz，满量程输入范围为2Vp-p。

时钟资源：上电后默认使用板载的10MHz 高精度TCXO作为参考时钟，通过时钟分配器倍频到实际的采样时钟频率。用户可选使用外部的CLK IN端口输入10MHz时钟作为参考时钟，此时板载TCXO被旁路。无论使用板载参考时钟还是外部参考时钟，在CLK OUT端口都能得到一个交流耦合输出的100MHz时钟。

触发方式：提供软件触发和外部触发两种触发方式，其中外部触发可以设置成上升沿触发、下降沿触发、高电平触发、低电平触发4种模式。通过使用外部触发资源，用户可以同步多个板卡的同步采集。

DIO资源：板载4通道3.3V LVTTL数字量输入和8通道3.3V LVTTL数字量输出资源，除了通用的I/O使用方法，用户可自定义UART、SPI和I2C等协议与外部设备互联。

数据处理单元：核心FPGA采用Xilinx公司的Virtex-5系列，具有48个DSP48E乘法器和2640Kb RAM资源，适用于数字下变频（DDC）、多点FFT等复杂信号处理算法的实现。与数字信号处理在PC上实现的方法相比，基于FPGA的数字信号处理能够进行并行运算，降低算法执行时间，加快分析速度，同时降低了对数据传输总线带宽的要求。

图4为3*3耦合器解调算法框图，该算法由FPGA控制器实现，用于实时监测线路中舞动的幅度、频率和舞动位置，其特征在于，将光纤中传输的3路光信号转换为3路电信号，根据所述3路电信号进行实时解调，所述3路电信号之间的相位相差120度。

3*3耦合器3路电信号在相位上相差120°，即干涉仪的输出光强Ik=D+I0cos[φ(t)-(k-1)(2π/3)]。式中：φ(t)= Φ(t)+ Ψ(t)；D为输出光强的平均值；I0为干涉条纹的峰值强度；k为输出光路的序列号，k=1,2,3；Φ(t)位传感器的相位差信号，即待测信号，Ψ(t)为环境变换产生的相位差，在图中，A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7分别代表相应三个加法器、微分器、乘法器、平方器与除法器的增益，φ(t)是解调过程中最后的输出量。经过运算后得到Vout=1.732[φ(t)+ Ψ(t)]。通常将Ψ(t)当做满变化量，经过高通滤波器即可滤除，从而得到待测信号φ(t)。

如图4所示，该解调算法具体包括以下步骤：

（1）求出3路电信号A、B、C的算术平均值,；令

,,；

（2）令；

（3）令，，，即分别对a、b、c求微分；

（4）令；

（5）求取积分值,并经过高通滤波后，得到待测信号；

其中，a、b、c、d、e、f、M、N表示中间变量值，A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7表示不同的增益值。

室内舞动试验机分布式光纤监测系统的软件包括参数配置界面、实时采集界面、历史回放界面等。如图5就是测试时根据测量数据得到的时域频域界面。

上述具体实施例只是为了说明本发明的技术构思和应用特点，其目的在于让熟悉此领域的工程设计人员能够了解本发明的内涵实质并加以应用，但并不能因此而限制本发明的保护范围。因此实际应用时的任何物理位置均在此专利的保护范围之内。无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以用许多方式实施本发明。上述控制方式的细节在其执行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种基于分布式光纤的舞动测振装置，用于实时监测线路中舞动的幅度、频率和舞动位置，其特征在于，包括光路单元和电子学单元，所述光路单元将舞动线路上的光路进行调制，所述电子学单元将光路信息进行实时解调。

2.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述光纤连续分布在线路中，实现被测量对象的连续空间的实时测量。

3.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述装置采用具有窄线宽和低频率漂移特性的相干光源。

4.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述装置采用相位敏感的光时域反射型（Φ-OTDR）传感器。

5.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述装置是室内舞动试验装置，用于模拟输电线路的舞动。

6.如权利要求5所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述室内舞动试验装置能够设置档距，档距中间直线塔位置能够调整；耐张拉力、舞动频率也能够调整。

7.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：当所述线路某位置发生振动时，该位置处光的相位发生改变，返回的发生干涉的瑞利后向散射光光强因为相位的改变也发生改变，通过与未发生振动检测到的信号进行比较，找出光强变化的时间对应振动的确切位置。

8.如权利要求1-7中任一项所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述光路单元的光信号经过光电探测器模块将光信号转换为电信号，进入所述电子学单元，电子学单元的高速AD转换单元采集所述光路信息，经过FPGA控制器，在FPGA控制器内经过解调算法的处理，将光纤中的振动信息进行提取，在人机界面上进行显示和存储。

9.如权利要求1-7中任一项所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述光路单元包括：依次连接的窄线宽激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器。

10.如权利要求9所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述声光调制器用于将所述窄线宽激光器发出的窄线宽激光，调制成重复频率为f，脉宽为W的脉冲序列，经过所述掺铒光纤放大器的功率放大后，经过所述环形器注入到传感光纤。

11.如权利要求9所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述光路单元还包括：依次连接的光纤干涉仪、光电探测器。

12.如权利要求11所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：在前向脉冲光遍历传感光纤时，后向瑞利散射光逆着光传播方向经所述环形器进入到所述光纤干涉仪中，经过所述光纤干涉仪的干涉调制，干涉信号经过所述光电探测器的光电转换，进入到系统的解调仪，经过解调算法，解调出传感光纤处的振动信息。

13.如权利要求1-7中任一项所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述电子学单元包括：DIO接口、AD转换单元、FPGA控制器、CPU单元和人机界面。

14.如权利要求13所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述AD转换单元采集光电探测器输出的电压信号，将其传送给所述FPGA控制器，所述FPGA控制器根据自定义的解调算法，经过处理后得到所述舞动测振装置中舞动线路的振动信息。

15.如权利要求14所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述FPGA控制器内部的高速传输引擎将所述振动信息，通过PXIe总线传送给CPU单元，进行数据的显示、存储操作。

16.如权利要求13所述的一种基于分布式光纤的舞动测振装置，其特征在于：所述DIO接口向所述光路单元提供驱动脉冲，对光路进行调制。

17.一种基于分布式光纤的舞动测振解调算法，用于实时监测线路中舞动的幅度、频率和舞动位置，其特征在于，将光纤中传输的3路光信号转换为3路电信号，根据所述3路电信号进行实时解调，所述3路电信号之间的相位相差120度。

18.如权利要求17所述的一种基于分布式光纤的舞动测振解调算法，其特征在于：该解调算法具体包括以下步骤：

（1）求出3路电信号A、B、C的算术平均值,；令

,,；

（2）令；

（3）令，，，即分别对a、b、c求微分；

（4）令；

（5）求取积分值,并经过高通滤波后，得到待测信号；

其中，a、b、c、d、e、f、M、N表示中间变量值，A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7表示不同的增益值。