CN107218995A - 基于真型试验线路opgw光缆的光纤测振系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统及方法，包括光路调制系统以及与所述光路调制系统相连接的电子解调系统，所述光路调制系统包括脉冲激光序列单元、光电转换单元以及分别与两者连接的环形器，所述环形器连接舞动线路的测试光纤；所述电子解调系统包括顺次连接的模数转换单元、数字信号处理单元、CPU单元和人机交互终端，所述CPU单元与所述人机交互终端之间通过视频线连接；所述数字信号处理单元包括可编程逻辑控制器及其连接的适配器模块接口、高速传输引擎单元。本发明能够提出针对性的测振模拟试验方案，在特定的真型试验线路上针对舞动、振动特性的监测，实现OPGW光缆振动特征数据的采集与分析。

Description

基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统及方法

技术领域

本发明涉及电力光缆安全防护装置及措施技术领域，尤其涉及基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统及方法。

背景技术

高压输电线路一般工作环境较为恶劣，受到常年气候因素的影响，舞动的产生就颇为常见。一旦高压输电线路产生舞动，将会影响超高压输电线路的安全使用及运行，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。所以做好高压输电线路舞动状态的监测就至关重要。

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。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，可进行全分布的监控。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）和振动强度分辨率。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光纤传感器。

专利号为201410027722.6的发明公开了一种检测振动的光纤传感器，属于光纤传感技术领域。该光纤传感器包括传导光纤、光纤光栅、简支梁和带有开口的非金属保护外壳；光纤光栅和简支梁置于非金属保护外壳中，光纤光栅粘贴在简支梁上，且光纤光栅的中心点与简支梁的中心点对齐；非金属保护外壳的一个侧壁上开有开口，简支梁的一端从开口中穿出，另一端固定在非金属保护外壳的另一个侧壁上。该发明所述的光纤传感器不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅进行测量，形成一个的传感网络

专利号为201510917944.X 的发明涉及光学工程、光纤光学和信息获取与感知技术领域，具体涉及一种U型传感光纤部署结构的光纤传感系统。本发明将光纤传感系统中用于检测振动信号的传感光纤布置成多U型结构，该多U型结构由N条平行边构成N-1个U型，且相邻U型方向相反，N>1。从传感光纤起始端将其依次划分为一系列连续且等长的通道，各通道的长度为入射脉冲激光线宽T的一半。传感光纤各平行边上的每个通道与相邻平行边对应的通道在垂直于平行边方向上不重叠。该发明在不减小光源脉冲宽度，不牺牲光源入射功率，不减小光电探测器最小积分时间的基础上，提高了系统的空间分辨率

专利号为201210060041.0 的发明公布了基于相位解调的超大动态范围光纤传感装置及方法。其中包括光源，耦合器，声光调制器，光放大器，环形器，探测器，自动增益控制装置，调制器驱动装置，锁相放大器，传感光缆，信号处理以及信号输出装置。本发明采用了自动增益控制装置，可以实现大动态范围的信号检测；采用了锁相放大器的相位解调检测装置，降低了强度噪声的影响，可以实现了高灵敏度，高带宽振动信号检测，从而可以实现大动态范围振动传感。该发明的有益效果为可实现具有如下优势的长距离传感：动态范围大，定位精度高，干涉传感灵敏度高，检测振动信号的带宽大，可多点定位，检测距离长等。

然而，上述方案的侧重点均放在光纤传感部件的实际应用方面，对测振所需要的数据处理及分析输出并未作出详细描述，所以并为构成完整的测振技术方案，存在应用功能上的缺陷，而且还都存在对于输电线路舞动特征研究针对性不强的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统及方法，它能够提出针对性的测振模拟试验方案，在特定的真型试验线路上针对舞动、振动特性的监测，实现OPGW光缆振动特征数据的采集与分析。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统，包括光路调制系统以及与所述光路调制系统相连接的电子解调系统，所述光路调制系统包括脉冲激光序列单元、光电转换单元以及分别与两者连接的环形器，所述环形器连接舞动线路的测试光纤；所述电子解调系统包括顺次连接的模数转换单元、数字信号处理单元、CPU单元和人机交互终端，所述CPU单元与所述人机交互终端之间通过视频线连接；所述数字信号处理单元包括可编程逻辑控制器及其连接的适配器模块接口、高速传输引擎单元。

进一步地，所述模数转换单元包括脉冲输出模块、数字信号转换模块和滤波模块，所述数字信号转换模块包括多路输入/输出信道和交/直流耦合单元，所述滤波模块包括椭圆滤波器。

进一步地，所述适配器模块接口包括与所述可编程逻辑控制器连接的高速通用数字I/O端口和时序控制芯片。

进一步地，所述高速传输引擎单元包括双口缓冲存储器和高速数据总线，所述双口缓冲存储器采用DMA数据交换协议。

进一步地，所述人机交互终端包括LED数字显示模块和触屏式数据输入终端，所述触屏式数据输入终端连接打印机接口和点阵式键盘接口。

进一步地，所述脉冲激光序列单元包括顺次连接的激光器、调制器和放大器，所述激光器包括极窄线宽激光器模块。

进一步地，所述调制器为声光调制器，可将连续光转换为脉冲光。

进一步地，所述放大器为掺铒光纤放大器。

进一步地，所述光电转化单元包括与所述环形器连接的光纤干涉仪以及与所述光纤干涉仪连接的光电探测器。

基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振方法，包括如下步骤：

1)由脉冲激光序列单元的激光器发出激光，经过声光调制器的脉冲调制，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；

2)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，干涉信号经过光电探测器的光电转换，进入到电子解调系统中；

3）模数转换单元向光路调制系统提供驱动脉冲，将接收到的交/直流耦合信号输入数字信号转换模块进行转换，并通过滤波模块进行信号加工；

4）转换加工后的信号通过传送给可编程逻辑控制器，并通过基于3*3耦合器的解调算法，得到光路调制系统的振动信号；

5）高速传输引擎将振动信号数据通过数据总线传送给高性能CPU单元进行数据存储和配置，并通过视频线将数据发给人机交互终端进行数据的显示和输出操作；

6）依据人机交互终端的最终数据筛选所需的信息量，实现传感目的，进而获取真型试验线路OPGW光缆的舞动线路振动信息。

本发明的有益效果包括以下几个方面：

1、本发明主要应用于实时监测真型试验线路OPGW光缆的舞动状态，具备强大的多重监测功能，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，同时可以监测真型试验线路OPGW光缆常见的低频舞动状态；

2、本发明测振系统具备很好的集成性，不同于一般的模块式电路连接方式，而是采用多种芯片复合集成的模式，将所有电子功能集中在一个芯片面板上，并通过面板内置解调算法实现运行监测功能，体现了良好的集成化。自动化特性；

3、本发明依靠FIFO双口缓冲器及DMA数据交换协议实现与CPU单元的信号传输，可极大加快传输速率和效率，节省CPU芯片内存占用量，还可以通过CPU对信息进行存储于数据集中积累配置，为今后在实际高压输电线路线路上的长距离监测做铺垫。

附图说明

图1是本发明光纤测振系统的结构原理图。

图2是本发明电子解调系统的结构原理图。

图3是本发明模数转换单元的芯片连接图。

图4是本发明数字信号处理单元的解调算法原理框图。

图5是本发明的光纤测振方法流程图。

具体实施方式

实施例

如图1至图5所示，基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统，包括光路调制系统以及与光路调制系统相连接的电子解调系统，光路调制系统包括脉冲激光序列单元、光电转换单元以及分别与两者连接的环形器，环形器连接舞动线路的测试光纤；电子解调系统包括顺次连接的模数转换单元、数字信号处理单元、CPU单元和人机交互终端，CPU单元与人机交互终端之间通过视频线连接；数字信号处理单元包括可编程逻辑控制器及其连接的适配器模块接口、高速传输引擎单元。模数转换单元包括脉冲输出模块、数字信号转换模块和滤波模块，数字信号转换模块包括多路输入/输出信道和交/直流耦合单元，滤波模块包括椭圆滤波器。适配器模块接口包括与可编程逻辑控制器连接的高速通用数字I/O端口和时序控制芯片。高速传输引擎单元包括双口缓冲存储器和高速数据总线，双口缓冲存储器采用DMA数据交换协议。人机交互终端包括LED数字显示模块和触屏式数据输入终端，触屏式数据输入终端连接打印机接口和点阵式键盘接口。

脉冲激光序列单元包括顺次连接的激光器、调制器和放大器，激光器是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。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，对于长距离的传感器，需要采用光放大技术，采用掺铒光纤放大器（EDFA），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。

如图2所示，电子解调系统通过脉冲输出模块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多路表征光路信息的电压信号，通过数字信号转换模块的高速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可编程逻辑控制器上的自定义解调算法，得到光路部分的振动信号后，高速传输引擎通过DMA数据交换协议的FIFO双口缓冲器将数据通过高速数据总线传送给CPU单元端进行储存和配置，并在人机交互终端进行数据的显示、导出等操作。人机交互终端可以加载基于真型试验线路OPGW光缆的光纤监测软件界面，用户可以通过触屏式数据输入端，查询监控现状，监控界面包括参数配置界面、实时采集界面、历史回放界面等。

本发明的电子解调系统不同于一般的模块式电路连接方式，而是采用多种芯片复合集成的模式，将所有电子功能集中在一个芯片面板上，在实际应用时，光路调制系统的光电探测器所输出电压信号，通过模数转换单元将模拟电压信号转换为数字信号，进入数字信号处理单元，对该数字信号进一步执行数字信号处理算法，解析后相位信息通过DMA数据交换协议的FIFO双口缓冲器上传至CPU单元，实现传感目的，进而获取真型试验线路OPGW光缆的舞动线路的振动信息。

模拟转换单元在通过面板集成的可编程逻辑控制器提供硬件定制优势的同时，还提供了灵活的测量功能。 基于16位的分辨率，该单元在高带宽上提供极高的动态范围，以满足各类应用需求。在该级别的性能状态下，4路输入通道实现了每个PXI插槽前所未有的高通道密度。 数字信号转换模块的交/直流耦合单元可允许模块连接各类信号源，并配有50 Ω输入阻抗和0 dB、6 dB或12 dB可编程增益的2 Vpp输入范围，提供适用于低幅度信号的最高动态范围；同时，外部衰减可确保模块安全地采集更大的电压。

模拟转换单元还包括滤波模块，利用可选式Bessel滤波器最大程度降低了输入带宽上的群时延，并利用椭圆滤波器最大程度增加了平滑带宽。在具体应用时，为了实现最佳灵活性，滤波器旁通路径还可连接外部可自定义的输入式滤波器。多路输入/输出信道可采用12条双向数字I/O信道，能够接受测试控制中的数字设备和简单的数字协议，如图3所示。

电子解调系统的核心是数字信号处理单元，它包括了采用Xilinx Virtex-5 可编程逻辑控制器的PXI芯片 和 PXI Express模块，板载DRAM，形成高性能的面向应用的集成电路（ASICs），还为可编程逻辑控制器提供I/O的NI FlexRIO适配器模块接口。适配器模块接口包括直接连接到可编程逻辑控制器管脚的132线通用数字I/O，以及定义接口所必需的时序控制芯片，这样就可以将这132线配置为高达400 Mbits/s速率的单端操作和高达1Gbit/s速率的差分操作，并提供66 Gbits/s (8.25 GB/s)的最大I/O带宽。数字信号处理单元芯片面板上的所有连接都加载可控阻抗，形成匹配长度的差分方式排布。

可编程逻辑控制器采用Xilinx公司的Virtex-5系列芯片，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。这种集成化的芯片板，与数字信号处理在上位工控机或PC机上实现的方法相比，基于可编程逻辑控制器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。

可编程逻辑控制器上集成3*3式耦合器解调算法，如图4所示，耦合器3个输出量在相位上相差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)。

本发明的数据传输与配置处理主要依靠高速传输引擎，即通过FIFO双口缓冲器及DMA数据交换协议实现与CPU单元的信号传输，FIFO存储器是一个先入先出的双口缓冲器，即第一个进入其内的数据第一个被移出，其中一个存储器的输入口，另一个口是存储器的输出口。主要有三个方面的作用：1）对连续的数据流进行缓存，防止在进机和存储操作时丢失数据；2）数据集中起来进行进机和存储，可避免频繁的总线操作，减轻CPU的负担；3）允许系统进行DMA操作，提高数据的传输速度。这是至关重要的一点，如果不采用DMA操作协议，数据传输将达不到传输要求，而且大大增加CPU的负担，无法同时完成数据的存储工作。DMA即“Direct Memory Access”，意为直接内存访问，是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换协议。PIO模式下硬盘和内存之间的数据传输是由CPU来控制的；而在DMA模式下，CPU只须向DMA控制器下达指令，让DMA控制器来处理数的传送，数据传送完毕再把信息反馈给CPU，这样就很大程度上减轻了CPU资源占有率。DMA 传送协议的优先级高于程序中断，两者的区别主要表现在对CPU的干扰程度不同。中断请求不但使CPU停下来，而且要CPU执行中断服务程序为中断请求服务，这个请求包括了对断点和现场的处理以及CPU与外设的传送，所以CPU付出了很多的代价；DMA请求仅仅使CPU暂停一下，不需要对断点和现场的处理，并且是由DMA控制外设与主存之间的数据传送，无需CPU的干预，DMA只是借用了一点CPU的时间而已。还有一个区别就是，CPU对这两个请求的响应时间不同，对中断请求一般都在执行完一条指令的时钟周期末尾响应，而对DMA的请求，由于考虑它的高效性，CPU在每条指令执行的各个阶段之中都可以让给DMA使用，是立即响应。

图5所示体现了光纤测振方法流程，即光路调制系统的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，干涉信号经过光电探测器的光电转换，进入到电子解调系统，模数转换单元通过采集光电探测器输出的信号，将模拟电压信号转换为数字信号，经过滤波处理后，数字信号处理单元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，解调出传感光纤处的振动信息，实现传感目的，进而获取舞动线路的振动信息。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统，其特征在于：包括光路调制系统以及与所述光路调制系统相连接的电子解调系统，所述光路调制系统包括脉冲激光序列单元、光电转换单元以及分别与两者连接的环形器，所述环形器连接舞动线路的测试光纤；所述电子解调系统包括顺次连接的模数转换单元、数字信号处理单元、CPU单元和人机交互终端，所述CPU单元与所述人机交互终端之间通过视频线连接；所述数字信号处理单元包括可编程逻辑控制器及其连接的适配器模块接口、高速传输引擎单元。

2.如权利要求1所述的基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统，其特征在于：所述模数转换单元包括脉冲输出模块、数字信号转换模块和滤波模块，所述数字信号转换模块包括多路输入/输出信道和交/直流耦合单元，所述滤波模块包括椭圆滤波器。

3.如权利要求1所述的基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统，其特征在于：所述适配器模块接口包括与所述可编程逻辑控制器连接的高速通用数字I/O端口和时序控制芯片。

4.如权利要求1所述的基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统，其特征在于：所述高速传输引擎单元包括双口缓冲存储器和高速数据总线，所述双口缓冲存储器采用DMA数据交换协议。

5.如权利要求1所述的基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统，其特征在于：所述人机交互终端包括LED数字显示模块和触屏式数据输入终端，所述触屏式数据输入终端连接打印机接口和点阵式键盘接口。

6.如权利要求1所述的基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统，其特征在于：所述脉冲激光序列单元包括顺次连接的激光器、调制器和放大器，所述激光器包括极窄线宽激光器模块。

7.如权利要求6所述的基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统，其特征在于：所述调制器为声光调制器，可将连续光转换为脉冲光。

8.如权利要求6所述的基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统，其特征在于：所述放大器为掺铒光纤放大器。

9.如权利要求1所述的基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振系统，其特征在于：所述光电转化单元包括与所述环形器连接的光纤干涉仪以及与所述光纤干涉仪连接的光电探测器。

10.基于真型试验线路OPGW光缆的光纤测振方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)由脉冲激光序列单元的激光器发出激光，经过声光调制器的脉冲调制，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；

2)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，干涉信号经过光电探测器的光电转换，进入到电子解调系统中；

3）模数转换单元向光路调制系统提供驱动脉冲，将接收到的交/直流耦合信号输入数字信号转换模块进行转换，并通过滤波模块进行信号加工；

4）转换加工后的信号通过传送给可编程逻辑控制器，并通过基于3*3耦合器的解调算法，得到光路调制系统的振动信号；

5）高速传输引擎将振动信号数据通过数据总线传送给高性能CPU单元进行数据存储和配置，并通过视频线将数据发给人机交互终端进行数据的显示和输出操作；

6）依据人机交互终端的最终数据筛选所需的信息量，实现传感目的，进而获取真型试验线路OPGW光缆的舞动线路振动信息。