CN107588873A - 一种具有电磁环境监测功能的光纤传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，包括激光器(1)、第一光纤耦合器(201)、第二光纤耦合器(202)、声光调制器(3)、光纤环形器(4)、光接口(5)、光电探测器(6)、低噪声放大器(7)、射频天线(8)、带通滤波器(9)、射频耦合器(10)、频率合成器(11)、混频器(12)、低通滤波器(13)、数据采集与处理模块(14)、计算机(15)；本发明提供的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置将布里渊散射信号测量模式与电磁环境测量模式进行综合，为电力无线通信专网的通信频谱监测及高压设备、设施的放电产生的频谱的分析提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及电力自动化技术领域，具体涉及一种具有电磁环境监测功能的光纤传感装置。
背景技术
由于光纤可兼作通信和传感的介质，所以它的无源、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等特点决定了它在全球能源互联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。特别是在特高压电网中，单条输电线路的距离可达数千公里，长距离的线路难免受到各种各样自然因素的影响，一些极端的因素可能对输电线路安全造成重大影响，如雷击、覆冰、风偏、闪络等，需要相应的监测手段实时感知输电线等电力设备、设施状态，及时预警或汇报危害性的事件。
此外，电力无线频谱监测或电力电磁环境监测也是电网设施及其环境状态监测的重要内容。无线电监测被形容为无线电管理的“耳目”，实际系统中，必须要进行无线电监测。由于各种设备的复杂性、设备间的交互会使频谱的使用超出相关的规定，从而对周围的其他设备和用户造成干扰，另一方面，无线电监测也必须防止一些非法用户使用频谱从而对授权用户造成干扰。协助无线电管理部门对监测数据库的管理，为无线电管理部门提供更多有参考价值的数据信息，例如频带利用率、电磁环境状况等。协助无线电管理部门处理非法源的定位与决策制定。另外，一些高压设备、设施放电会产生射频信号，通过对射频信号的捕捉和特征的识别，可以提早预测设备、设施的健康状态，从而提高运维效率、降低成本，避免重大灾害事故的发生。
针对上述研究议题，申请号201320771754.8的发明专利提出了一种变电站厂界噪声精确测量装置，它由多台分散的噪声频谱测量单元及一套装有评估分析系统的计算机组成，分散的噪声频谱测量单元与计算机通过无线网络连接。该装置虽然针对电力电磁环境监测，但频谱监测范围有限，而且重点针对噪声频谱，缺少对电力设备、设施的监测功能。另外，申请号为201410584463.7的发明专利提出了一种模块化的分布式光纤传感装置，它装置包括机箱、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。但是，其中的信号采集与处理模块仅仅针对光纤传感信号的特定频点进行分析，不具备对电力电磁环境监测的能力。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，将布里渊散射信号测量模式与电磁环境测量模式进行综合，为电力无线通信专网的通信频谱监测及高压设备、设施的放电产生的频谱的分析提供技术支持。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，包括激光器(1)、第一光纤耦合器(201)、第二光纤耦合器(202)、声光调制器(3)、光纤环形器(4)、光接口(5)、光电探测器(6)、低噪声放大器(7)、射频天线(8)、带通滤波器(9)、射频耦合器(10)、频率合成器(11)、混频器(12)、低通滤波器(13)、数据采集与处理模块(14)、计算机(15)；
所述激光器(1)的输出端连接所述第一光纤耦合器(201)的输入端，所述第一光纤耦合器(201)的第一输出端连接所述声光调制器(3)的输入端，所述第一光纤耦合器(201)的第二输出端连接所述第二光纤耦合器(202)的第一输入端；所述声光调制器(3)的输出端接入所述光纤环形器(4)的第一端口，所述光纤环形器(4)的第二端口通过所述光接口(5)连接被测光纤，所述光纤环形器(4)的第三端口连接所述第二光纤耦合器(202)的第二输入端；所述第二光纤耦合器(202)的输出端连接所述光电探测器(6)的输入端，所述平衡光电探测器(6)依次通过所述噪声放大器(7)和带通滤波器(9)接入所述射频耦合器(10)的第一输入端，所述射频天线(8)接入所述射频耦合器(10)的第二输入端；所述射频耦合器(10)的输出端连接所述混频器(12)的信号输入端，所述频率合成器(11)的输出端连接所述混频器(12)的本地振荡输入端，所述混频器(12)的输出端通过所述低通滤波器(13)连接所述数据采集与处理模块(14)的输入端，所述数据采集与处理模块(14)的输出端连接所述计算机(15)。
所述激光器(1)发出的激光经所述第一光纤耦合器(201)分成两路，其中一路激光经所述声光调制器(3)调制成光脉冲，另一路激光接入所述第二光纤耦合器(202)。
所述光脉冲接入所述光纤环形器(4)的第一端口，所述光纤环形器(4)的第二端口输出光脉冲，所述光脉冲经所述光接口(5)注入被测光纤。
所述光脉冲在被测光纤中的背向散射光经所述光接口(5)进入所述光纤环形器(4)的第二端口，再经过所述光纤环形器(4)的第三端口接入所述第二光纤耦合器(202)。
所述第二光纤耦合器(202)使接入的激光和背向散射光相干产生中频信号，并将中频信号输出给平衡光电探测器(6)。
所述平衡光电探测器(6)将中频信号转换为第一射频信号，并将第一射频信号依次通过低噪声放大器(7)和带通滤波器(9)进行放大和滤波后接入所述射频耦合器(10)的第一输入端，所述射频天线(8)输出的第二射频信号接入所述射频耦合器(10)的第二输入端。
所述射频耦合器(10)对第一射频信号和第二射频信号进行耦合，得到第三射频信号，并将第三射频信号输出给所述混频器(12)的信号输入端。
所述频率合成器(11)输出的本地振荡信号接入所述混频器(12)的本地振荡输入端，所述混频器(12)将第三射频信号和本地振荡信号进行混频，得到基带信号，所述基带信号通过所述低通滤波器(13)滤波后，接入所述数据采集与处理模块(14)的输入端。
所述数据采集与处理模块(14)提取基带信号中布里渊信号的时域、频域和功率信息，同时拟合被测光纤各位置对应的布里渊频点得到布里渊频谱的中心频率后，根据所述布里渊频谱的中心频率得到被测光纤的温度信息和应变信息，并将被测光纤的温度信息和应变信息输出给所述计算机(15)。
所述计算机(15)对所述数据采集与处理模块(14)进行控制，并显示被测光纤的温度信息和应变信息。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置包括激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制器、光纤环形器、光接口、光电探测器、低噪声放大器、射频天线、带通滤波器、射频耦合器、频率合成器、混频器、低通滤波器、数据采集与处理模块以及计算机，最终实现对被测光纤的温度和应变信息的多功能监测和显示；
本发明提供的技术方案将光纤传感信号的频谱分析功能进行拓展从而覆盖电力电磁环境频段，实现对电力光纤温度、应变感知的同时，同时还可为电力无线通信专网的通信频谱监测及高压设备、设施的放电产生的频谱的分析提供技术支持；
本发明提供的技术方案适用于对被测光纤的温度和应变进行监测以及对具体电力环境的电磁频谱数据进行收集，还可以用于捕捉电力设备、设施局部放电产生的特高频信号；
本发明提供的技术方案实现了对光纤复合电缆及其环境的温度和应变等的监测，而且还可用于监测电力场景中的电磁频谱，协助判断电力无线专网是否存在干扰因素以及对高压设备、设施的放电进行监测等。
附图说明
图1是本发明实施例中具有电磁环境监测功能的光纤传感装置结构图；
图2是本发明实施例中逐频点扫描测量布里渊频谱示意图；
图3是本发明实施例中提取到的布里渊频谱的中心频率示意图；
图4是本发明实施例中电力电磁频谱扫描结果示意图；
图中，1-激光器，201-第一光纤耦合器，202-第二光纤耦合器，3-声光调制器，4-光纤环形器，5-光接口，6-光电探测器，7-低噪声放大器，8-射频天线，9-带通滤波器，10-射频耦合器，11-频率合成器，12-混频器，13-低通滤波器，14-双通道数据采集与处理模块，15-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，具体结构图如图1所示，主要包括激光器1、第一光纤耦合器201、第二光纤耦合器202、声光调制器3、光纤环形器4、光接口5、光电探测器6、低噪声放大器7、射频天线8、带通滤波器9、射频耦合器10、频率合成器11、混频器12、低通滤波器13、数据采集与处理模块14、计算机15；它们之间的连接关系具体如下：
其中的激光器1的输出端连接第一光纤耦合器201的输入端，第一光纤耦合器201的第一输出端连接声光调制器3的输入端，第一光纤耦合器201的第二输出端连接第二光纤耦合器202的第一输入端；声光调制器3的输出端接入光纤环形器4的第一端口，光纤环形器4的第二端口通过光接口5连接被测光纤，光纤环形器4的第三端口连接第二光纤耦合器202的第二输入端；第二光纤耦合器202的输出端连接光电探测器6的输入端，平衡光电探测器6依次通过噪声放大器(7)和带通滤波器9接入射频耦合器10的第一输入端，射频天线8接入射频耦合器10的第二输入端；射频耦合器10的输出端连接混频器12的信号输入端，频率合成器11的输出端连接混频器12的本地振荡输入端，混频器12的输出端通过低通滤波器13连接数据采集与处理模块14的输入端，数据采集与处理模块14的输出端连接计算机15。
激光器1发出的激光经第一光纤耦合器201分成两路，其中一路激光经声光调制器3调制成光脉冲，另一路激光接入第二光纤耦合器202。光脉冲接入光纤环形器4的第一端口，光纤环形器4的第二端口输出光脉冲，光脉冲经光接口5注入被测光纤。光脉冲在被测光纤中的背向散射光经光接口5进入光纤环形器4的第二端口，再经过光纤环形器4的第三端口接入第二光纤耦合器202。第二光纤耦合器202使接入的激光和背向散射光相干产生中频信号，并将中频信号输出给平衡光电探测器6。
平衡光电探测器6将中频信号转换为第一射频信号，并将第一射频信号依次通过低噪声放大器7和带通滤波器9进行放大和滤波后接入射频耦合器10的第一输入端，射频天线8输出的第二射频信号接入射频耦合器10的第二输入端。
射频耦合器10对第一射频信号和第二射频信号进行耦合，得到第三射频信号，并将第三射频信号输出给混频器12的信号输入端。
频率合成器11输出的本地振荡信号接入混频器12的本地振荡输入端，混频器12将第三射频信号和本地振荡信号进行混频，得到基带信号，基带信号通过低通滤波器13滤波后，接入数据采集与处理模块14的输入端。
数据采集与处理模块14提取基带信号中布里渊信号的时域、频域和功率信息，同时拟合被测光纤各位置对应的布里渊频点得到布里渊频谱的中心频率后，根据布里渊频谱的中心频率得到被测光纤的温度信息和应变信息，并将被测光纤的温度信息和应变信息输出给计算机15，计算机15对数据采集与处理模块14进行控制，并显示被测光纤的温度信息和应变信息。
本发明实施例提供的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置支持选择布里渊散射信号测量模式和电磁环境测量模式等不同的测量模式，以下对两种测量模式分别进行说明：
(1)在计算机15的软件界面上选择布里渊散射信号测量模式时，计算机15与数据采集与处理模块14通信，并通过数据采集与处理模块14发送控制命令使频率合成器11扫描布里渊频谱，从而布里渊频谱上的各个频点上的信号通过混频器12和低通滤波器13转换成基带信号，并由数据采集与处理模块14的信号采集通道(即输入端)采集得到关于布里渊散射信号的频率、功率和被测光纤沿线位置的三维布里渊散射谱，如图2所示；
然后通过数据拟合算法，得到光纤沿线位置及其对应的布里渊频谱的中心频率，如图3所示，通过将两次测量的结果作差，得到被测光纤沿线的温度信息和应变信息。
(2)在计算机15的软件界面上选择电磁环境测量模式时，计算机15与数据采集与处理模块14通信，并通过数据采集与处理模块14发送控制命令使频率合成器11扫描电磁频谱，如图4所示。
上述的第二光纤耦合器202选用X型的3dB耦合器，上述的光电探测器6的带宽大于12GHz，上述的低噪声放大器7的增益带宽大于12GHz，频率合成器11的扫描范围因测量模式的不同而有所不同，具体是：
1)布里渊散射信号测量模式下，频率合成器11的扫频范围可以在100kHz至12GHz范围；
2)电磁环境测量模式下，频率合成器11的扫频范围在10GHz至12GHz范围。
综上所述，本发明实施例提供的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置通过设置激光器1、第一光纤耦合器201、第二光纤耦合器202、声光调制器3、光纤环形器4、光接口5、光电探测器6、低噪声放大器7、射频天线8、带通滤波器9、射频耦合器10、频率合成器11、混频器12、低通滤波器13、数据采集与处理模块14、计算机15，最终实现对被测光纤的温度和应变信息的多功能监测和显示；具体优点如下：
首先，本发明实施例提供的技术方案将光纤传感信号的频谱分析功能进行拓展从而覆盖电力电磁环境频段，实现对电力光纤温度、应变感知的同时，同时还可为电力无线通信专网的通信频谱监测及高压设备、设施的放电产生的频谱的分析提供技术支持；
再者，本发明实施例提供的技术方案适用于对被测光纤的温度和应变进行监测以及对具体电力环境的电磁频谱数据进行收集，还可以用于捕捉电力设备、设施局部放电产生的特高频信号；
最后，本发明实施例提供的技术方案实现了对光纤复合电缆及其环境的温度和应变等的监测，而且还可用于监测电力场景中的电磁频谱，协助判断电力无线专网是否存在干扰因素以及对高压设备、设施的放电进行监测等。
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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，其特征在于，包括激光器(1)、第一光纤耦合器(201)、第二光纤耦合器(202)、声光调制器(3)、光纤环形器(4)、光接口(5)、光电探测器(6)、低噪声放大器(7)、射频天线(8)、带通滤波器(9)、射频耦合器(10)、频率合成器(11)、混频器(12)、低通滤波器(13)、数据采集与处理模块(14)、计算机(15)；
所述激光器(1)的输出端连接所述第一光纤耦合器(201)的输入端，所述第一光纤耦合器(201)的第一输出端连接所述声光调制器(3)的输入端，所述第一光纤耦合器(201)的第二输出端连接所述第二光纤耦合器(202)的第一输入端；所述声光调制器(3)的输出端接入所述光纤环形器(4)的第一端口，所述光纤环形器(4)的第二端口通过所述光接口(5)连接被测光纤，所述光纤环形器(4)的第三端口连接所述第二光纤耦合器(202)的第二输入端；所述第二光纤耦合器(202)的输出端连接所述光电探测器(6)的输入端，所述平衡光电探测器(6)依次通过所述低噪声放大器(7)和带通滤波器(9)接入所述射频耦合器(10)的第一输入端，所述射频天线(8)接入所述射频耦合器(10)的第二输入端；所述射频耦合器(10)的输出端连接所述混频器(12)的信号输入端，所述频率合成器(11)的输出端连接所述混频器(12)的本地振荡输入端，所述混频器(12)的输出端通过所述低通滤波器(13)连接所述数据采集与处理模块(14)的输入端，所述数据采集与处理模块(14)的输出端连接所述计算机(15)。
2.根据权利要求1所述的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，其特征在于，所述激光器(1)发出的激光经所述第一光纤耦合器(201)分成两路，其中一路激光经所述声光调制器(3)调制成光脉冲，另一路激光接入所述第二光纤耦合器(202)。
3.根据权利要求2所述的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，其特征在于，所述光脉冲接入所述光纤环形器(4)的第一端口，所述光纤环形器(4)的第二端口输出光脉冲，所述光脉冲经所述光接口(5)注入被测光纤。
4.根据权利要求3所述的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，其特征在于，所述光脉冲在被测光纤中的背向散射光经所述光接口(5)进入所述光纤环形器(4)的第二端口，再经过所述光纤环形器(4)的第三端口接入所述第二光纤耦合器(202)。
5.根据权利要求4所述的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，其特征在于，所述第二光纤耦合器(202)使接入的激光和背向散射光相干产生中频信号，并将中频信号输出给所述平衡光电探测器(6)。
6.根据权利要求5所述的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，其特征在于，所述平衡光电探测器(6)将中频信号转换为第一射频信号，并将第一射频信号依次通过所述低噪声放大器(7)和带通滤波器(9)进行放大和滤波后接入所述射频耦合器(10)的第一输入端，所述射频天线(8)输出的第二射频信号接入所述射频耦合器(10)的第二输入端。
7.根据权利要求6所述的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，其特征在于，所述射频耦合器(10)对第一射频信号和第二射频信号进行耦合，得到第三射频信号，并将所述第三射频信号输出给所述混频器(12)的信号输入端。
8.根据权利要求7所述的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，其特征在于，所述频率合成器(11)输出的本地振荡信号接入所述混频器(12)的本地振荡输入端，所述混频器(12)将所述第三射频信号和本地振荡信号进行混频，得到基带信号，所述基带信号通过所述低通滤波器(13)滤波后，接入所述数据采集与处理模块(14)的输入端。
9.根据权利要求8所述的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，其特征在于，所述数据采集与处理模块(14)提取基带信号中布里渊信号的时域、频域和功率信息，同时拟合被测光纤各位置对应的布里渊频点得到布里渊频谱的中心频率后，根据所述布里渊频谱的中心频率得到被测光纤的温度信息和应变信息，并将被测光纤的温度信息和应变信息输出给所述计算机(15)。
10.根据权利要求9所述的具有电磁环境监测功能的光纤传感装置，其特征在于，所述计算机(15)对所述数据采集与处理模块(14)进行控制，并显示被测光纤的温度信息和应变信息。
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