CN112033567A - 一种opgw架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，属于分布式光纤传感技术领域。一直以来，因气候、地理位置等原因导致高压架空输电线路发生舞动和覆冰现象，严重威胁着高压输电架空线缆的结构健康，且难以通过传统电气手段进行检测和定位，目前常用的力学检测方式，需要额外加装传感器，施工难度较大。本专利将布里渊光时域反射系统与相干光时域反射系统相结合，设计了全新的温度、振动双参量分离解调系统，利用随高压输电线并行架设的光纤复合架空地线（OPGW光缆）中的单模光纤作为传感器，实现了对线路温度信息与振动信息的实时检测与精准定位。具有施工便捷，定位准确，抗电磁干扰，测量精度高，实时性好，双参量分离多点定位等优点。

Description

一种OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统。

背景技术

随着我国工业化水平的大幅度提升，电力需求增长，跨区域、长距离的高压输电线路覆盖全国各地。高压输电技术运载能力强，稳定性高，长距离输电经济性好，现已成为我国主要的电力输送方式，因此高压输电线路的安全与稳定至关重要。因气候、地理位置等原因导致高压架空输电线路发生舞动和覆冰现象，严重威胁着高压输电架空线缆的结构健康，一旦造成输电线路结构损坏，将会造成非常严重的经济损失以及社会影响。近年来，具有高精度、抗电磁干扰能力强、测量距离长等优势的分布式光纤传感技术得到了迅猛发展，被广泛应用于大型结构的健康检测中，例如公路、大坝、桥梁、地下管网、油气管道等大范围、长距离下的结构健康与安全监测。同时，分布式传感技术可以直接利用随高压输电线并行架设的光纤复合架空地线（OPGW光缆）中的单模光纤作为传感器，无需加装额外传感器便可直接获得沿线的温度、应变和振动等有关参量。

传统的分布式传感技术通常无法进行多参量检测，如相干光时域反射技术只能检测振动参量；拉曼光时域反射技术只能检测温度参量；布里渊光时域反射技术虽然可以同时检测温度和应变，但是存在交叉敏感问题。

发明内容

本发明提供了一种OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，其目的在于融合相干光时域检测系统与布里渊后向散射检测系统的优势，通过双解调系统的融合，实现了温度和振动双参量分离解调。当架空输电线发生舞动和覆冰现象时，可以同时进行检测与精确定位，实现实时监测预警。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，包括：

相干光时域解调结构、布里渊光时域解调结构及二者的共用光路结构；

其中，共用光路结构包括窄线宽激光器、第一光纤耦合器、电光调制模块、第一信号发生器、脉冲光放大模块、环形器、光开关、第一传感光纤、第二传感光纤、扰偏模块、光衰减模块、第二光纤耦合器及第三光纤耦合器；窄线宽激光器的输出端与第一光纤耦合器的输入端A端口相连，第一光纤耦合器的输出端C端口与电光调制模块的输入端E端口相连，第一信号发生器的输出端H与电光调制模块的端口F相连，第一信号发生器的输出端I与数据采集模块的端口Y相连，电光调制模块的输出端G与脉冲光放大模块的输入端相连，脉冲光放大模块的输出端与环形器的端口L相连，环形器的端口K与光开关的输入端相连，光开关的输出端O₁与第一传感光纤相连，光开关的输出端O₂与第二传感光纤相连，环形器的端口J与第二光纤耦合器的输入端N端口连接；第一光纤耦合器的输出端B端口依序通过扰偏模块和光衰减模块，连接至第二光纤耦合器的输入端O端口；第二光纤耦合器的输出端与第三光纤耦合器的输入端P端口相连；

相干光时域解调结构包括光电平衡探测模块、第一混频模块、第二信号发生器、数据采集模块和上位机；其中，光电平衡探测模块的输入端连接第三光纤耦合器 的输出端R端口，光电平衡探测模块的输出端连接第一混频模块端口S，第二信号发生器输出端S₁连接第一混频模块的端口U，数据采集模块的输出端与上位机的输入端相连，上位机的输出端与第二信号发生器输入端S₂相连，第一混频模块的端口T与数据采集模块输入端口Z₂相连；

布里渊光时域解调结构包括光电探测模块、第二混频模块和低噪放大模块；光电探测模块的输入端连接至第三光纤耦合器的输出端Q端口，光电探测模块的输出端连接第二混频模块的端口V，第二信号发生器输出端S₃的与第二混频模块的端口X相连，第二混频模块的端口W与低噪放大模块的输入端相连，低噪放大模块的输出端与数据采集模块的输入端口Z₁相连。

其中，第一光纤耦合器的输出端C端口和电光调制模块的端口E之间设置偏振控制模块。

其中，电光调制模块的端口D连接一偏压控制模块。

其中，环形器的端口J和第二光纤耦合器的输入端N端口之间设置第一连续光放大模块，第二光纤耦合器的输出端和第三光纤耦合器之间设置第二连续光放大模块。

其中，脉冲光放大模块的输出端与环形器的端口L之间设置第一光滤波器，第一连续光放大模块的输出端和第二光纤耦合器的输入端N端口之间设置第二光滤波器；第三光纤耦合器的输出端Q端口和光电探测模块的输入端之间设置第三光滤波器；第三光纤耦合器的输出端R端口和光电平衡探测模块的输入端之间设置第四光滤波器。

其中，第一混频模块的端口T与数据采集模块的输入端口Z₂之间设置第一带通滤波器，低噪放大模块的输出端和数据采集模块的输入端口Z₁之间设置第二带通滤波器。

区别于现有技术，本发明的OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，利用随高压输电线并行架设的光纤复合架空地线OPGW光缆中的单模光纤作为传感器，只需在变电站设立解调设备，便可直接对线路进行实时检测与精准定位，并可通过振动、温度双参量分离解调系统，分别对线缆舞动幅度和覆冰厚度实时监测与多点定位；本发明利用相干光时域反射系统与布里渊光时域反射系统光路结构高度一致的特点，合理的将光路部分融合，并通过分光、放大和滤波等方法，设计了振动、温度双参量分离解调系统，有效降低了成本；同时，本发明利用光开关进行切换，可以在两条线路中切换测量，扩大检测范围，实现超长距离分布式舞动、覆冰检测与定位。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统的结构示意图。

图中，1、窄线宽激光器；2、第一光纤耦合器；3、偏振控制模块；4、电光调制模块；5、偏压控制模块；6、第一信号发生器；7、脉冲光放大模块；8、第一光滤波器；9、环形器；10、光开关；11、第一传感光纤；12、第二传感光纤；13、第一连续光放大模块；14、第二光滤波器；15、扰偏模块；16、光衰减模块；17、第二光纤耦合器；18、第二连续光放大模块；19、第三光纤耦合器；20、第三光滤波器；21、第四光滤波器；22、光电平衡探测模块；23、第一混频模块；24、第一带通滤波器；25、光电探测模块；26、第二混频模块；27、低噪放大模块；28、第二带通滤波器；29、第二信号发生器；30、数据采集模块；31、上位机。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参阅图1，本发明提供了一种OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，包括：相干光时域解调结构、布里渊光时域解调结构及二者的共用光路结构；

其中，共用光路结构包括窄线宽激光器1、第一光纤耦合器2、电光调制模块4、第一信号发生器6、脉冲光放大模块7、环形器9、光开关10、第一传感光纤11、第二传感光纤12、扰偏模块15、光衰减模块16、第二光纤耦合器17及第三光纤耦合器19；窄线宽激光器1的输出端与第一光纤耦合器2的输入端A端口相连，第一光纤耦合器2的输出端C端口与电光调制模块4的输入端E端口相连，第一信号发生器6的输出端H与电光调制模块4的端口F相连，第一信号发生器6的输出端I与数据采集模块30的端口Y相连，电光调制模块4的输出端G与脉冲光放大模块7的输入端相连，脉冲光放大模块7的输出端与环形器9的端口L相连，环形器9的端口K与光开关10的输入端相连，光开关10的输出端O₁与第一传感光纤11相连，光开关10的输出端O₂与第二传感光纤12相连，环形器9的端口J与第二光纤耦合器17的输入端N端口连接；第一光纤耦合器2的输出端B端口依序通过扰偏模块15和光衰减模块16，连接至第二光纤耦合器17的输入端O端口；第二光纤耦合器17的输出端与第三光纤耦合器19的输入端P端口相连；

相干光时域解调结构包括光电平衡探测模块22、第一混频模块23第二信号发生器29、数据采集模块30和上位机31；其中，光电平衡探测模块22的输入端连接第三光纤耦合器19的输出端R端口，光电平衡探测模块22的输出端连接第一混频模块23端口S，第二信号发生器29输出端S₁连接第一混频模块23的端口U，数据采集模块30的输出端与上位机31的输入端相连，上位机31的输出端与第二信号发生器29输入端S₂相连，第一混频模块23的端口T与数据采集模块30的输入端口Z₂相连；

布里渊光时域解调结构包括光电探测模块25、第二混频模块26和低噪放大模块27；光电探测模块25的输入端连接至第三光纤耦合器19 的输出端Q端口，光电探测模块25的输出端连接第二混频模块26的端口V，第二信号发生器29输出端S₃的与第二混频模块26的端口X相连，第二混频模块26的端口W与低噪放大模块27的输入端相连，低噪放大模块27的输出端与数据采集模块30的输入端口Z₁相连。

其中，第一光纤耦合器2的输出端C端口和电光调制模块4的端口E之间设置偏振控制模块3。

其中，电光调制模块4的端口D连接一偏压控制模块5。

其中，环形器9的端口J和第二光纤耦合器17的输入端N端口之间设置第一连续光放大模块13，第二光纤耦合器17的输出端和第三光纤耦合器19之间设置第二连续光放大模块18。

其中，脉冲光放大模块7的输出端与环形器9的端口L之间设置第一光滤波器8，第一连续光放大模块13的输出端和第二光纤耦合器17的输入端N端口之间设置第二光滤波器14；第三光纤耦合器19的输出端Q端口和光电探测模块25的输入端之间设置第三光滤波器20；第三光纤耦合器19的输出端R端口和光电平衡探测模块22的输入端之间设置第四光滤波器21。

其中，第一混频模块23的端口T与数据采集模块30的输入端口Z₂之间设置第一带通滤波器24，低噪放大模块27的输出端和数据采集模块30的输入端口Z₁之间设置第二带通滤波器28。

具体的，波长为1550nm的窄线宽激光器1发出的光进入第一光纤耦合器2，第一光纤耦合器2将连续光分为90%的探测光与10%的参考光。探测光由第一光纤耦合器2的C端口输出，经过偏振控制模块3调整偏振态后，进入电光调制模块4进行脉冲光调制。但由于电光调制模块4内部有铌酸锂晶体，导致电光调制模块4无法长时间稳定输出脉冲光，将偏压控制模块5与电光调制模块4的D端口相连，可以维持偏压，提高脉冲光调制稳定性。所述第一信号发生器6的H端口与电光调制模块4的F端口相连，用于提供脉冲调制信号，第一信号发生器6的I端口将同步触发信号输入数据采集模块30的触发通道Y，实现同步采集。脉冲光从电光调制模块4的G端口输出，分别通过脉冲光放大模块7进行放大、通过第一光滤波器8进行滤波后，进入环形器9的L端口，环形器9的K端口接光开关10的输入，通过光开关10的切换，可以分别对第一传感光纤11和第二传感光纤12进行测量，提升系统测量距离。由于光强较弱，后向散射光从环形器9环的K端口输入后由J端口输出到第一连续光放大模块13进行放大，并通过第二光滤波器14进行滤波，由此得到的光信号中同时包含了布里渊后向散射光与瑞利后向散射光。第一光纤耦合器2的B端口发出的参考光通过扰偏模块15的作用后，偏振态的随机性更高，可以有效的提升拍频效果，再通过光衰减模块16进行功率调整后，与第二光滤波器14输出的同时含有布里渊后向散射光与瑞利后向散射光的光信号在50：50的第二光纤耦合器17中融合，混合光通过第二连续光放大模块18进行放大后，再由50：50的第三光纤耦合器19分别送入相干光时域解调系统与布里渊光时域解调系统。

在相干光时域解调系统中，融合光从第三光纤耦合器19的R端口输出后进入第四光滤波器21，得到只包含瑞利后向散射光与参考光的融合光信号，融合光在光电平衡探测模块22中进行相干，得到相干瑞利信号。相干光信号从光电平衡探测模块22输出后进入第一混频模块23的S端口进行降频处理，第二信号发生器29的输出端S1输出固定频率的本振信号通过混频模块23的U端口输入后与相干光信号进行混频处理，将相干光信号降到200MHz后，从混频模块23的T端口输出，通过第一带通滤波器24进行滤波处理后，输入数据采集模块30的信号输入通道Z2¬。输入数据采集模块30完成数据采集后，将数据传输给上位机31进行IQ解调得到幅值信息，然后通过移动差分算法和累加平均去噪运算得到振动信号。

在布里渊光时域解调系统中，融合光从第三光纤耦合器19的Q端口输出进入第三光滤波器20进行滤波处理后，在光电探测模块25中进行相干，得到只含布里渊频移信息的差频信号。所述光电探测模块25输出的差频信号由第二混频模块26的V端口输入，与由第二信号发生器29的S3端口输入第二混频模块26的X端口的本振信号进行拍频，从而降低信号频率，通过扫频的方法得到布里渊频移信号。所述第二混频模块26的W端口输出的布里渊频移信号通过低噪放大模块27进行功率放大处理，再通过第二带通滤波器28滤波后，进入数据采集模块30的信号输入通道Z1。输入数据采集模块30完成数据采集后，将数据传输给上位机31进行累加平均和洛伦兹拟合处理，得到布里渊增益谱，结合距离信息，得到布里渊频移-距离曲线。上位机31通过第二信号发生器29的S2串口控制S1端口和S3端口发出的本振信号。

本发明提出的OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，将相干光时域反射系统与布里渊光时域反射系统相融合，设计了全新的双参量分离解调系统，可以同时测量输电线路的温度信息与振动信息，从而实现对输电线路覆冰与舞动情况同时进行实时检测与精准定位。具有施工便捷，定位准确，抗电磁干扰，测量精度高，实时性好，双参量分离多点定位等优点。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，其特征在于，包括：相干光时域解调结构、布里渊光时域解调结构及二者的共用光路结构；

其中，共用光路结构包括窄线宽激光器（1）、第一光纤耦合器（2）、电光调制模块（4）、第一信号发生器（6）、脉冲光放大模块（7）、环形器（9）、光开关（10）、第一传感光纤（11）、第二传感光纤（12）、扰偏模块（15）、光衰减模块（16）、第二光纤耦合器（17）及第三光纤耦合器（19）；窄线宽激光器（1）的输出端与第一光纤耦合器（2）的输入端A端口相连，第一光纤耦合器（2）的输出端C端口与电光调制模块（4）的输入端E端口相连，第一信号发生器（6）的输出端H与电光调制模块（4）的端口F相连，第一信号发生器（6）的输出端I与数据采集模块（30）的端口Y相连，电光调制模块（4）的输出端G与脉冲光放大模块（7）的输入端相连，脉冲光放大模块（7）的输出端与环形器（9）的端口L相连，环形器（9）的端口K与光开关（10）的输入端相连，光开关（10）的输出端O₁与第一传感光纤（11）相连，光开关（10）的输出端O₂与第二传感光纤（12）相连，环形器（9）的端口J与第二光纤耦合器（17）的输入端N端口连接；第一光纤耦合器（2）的输出端B端口依序通过扰偏模块（15）和光衰减模块（16），连接至第二光纤耦合器（17）的输入端O端口；第二光纤耦合器（17）的输出端与第三光纤耦合器（19）的输入端P端口相连；

相干光时域解调结构包括光电平衡探测模块（22）、第一混频模块（23）第二信号发生器（29）、数据采集模块（30）和上位机（31）；其中，光电平衡探测模块（22）的输入端连接第三光纤耦合器（19） 的输出端R端口，光电平衡探测模块（22）的输出端连接第一混频模块（23）端口S，第二信号发生器（29）输出端S₁连接第一混频模块（23）的端口U，数据采集模块（30）的输出端与上位机（31）的输入端相连，上位机（31）的输出端与第二信号发生器（29）输入端S₂相连，第一混频模块（23）的端口T与数据采集模块（30）的输入端口Z₂相连；

布里渊光时域解调结构包括光电探测模块（25）、第二混频模块（26）和低噪放大模块（27）；光电探测模块（25）的输入端连接至第三光纤耦合器（19） 的输出端Q端口，光电探测模块（25）的输出端连接第二混频模块（26）的端口V，第二信号发生器（29）输出端S₃的与第二混频模块（26）的端口X相连，第二混频模块（26）的端口W与低噪放大模块（27）的输入端相连，低噪放大模块（27）的输出端与数据采集模块（30）的输入端口Z₁相连。

2.根据权利要求1所述的OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，其特征在于，第一光纤耦合器（2）的输出端C端口和电光调制模块（4）的端口E之间设置偏振控制模块（3）。

3.根据权利要求1所述的OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，其特征在于，电光调制模块（4）的端口D连接一偏压控制模块（5）。

4.根据权利要求1所述的OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，其特征在于，环形器（9）的端口J和第二光纤耦合器（17）的输入端N端口之间设置第一连续光放大模块（13），第二光纤耦合器（17）的输出端和第三光纤耦合器（19）之间设置第二连续光放大模块（18）。

5.根据权利要求4所述的OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，其特征在于，脉冲光放大模块（7）的输出端与环形器（9）的端口L之间设置第一光滤波器（8），第一连续光放大模块（13）的输出端和第二光纤耦合器（17）的输入端N端口之间设置第二光滤波器（14）；第三光纤耦合器（19）的输出端Q端口和光电探测模块（25）的输入端之间设置第三光滤波器（20）；第三光纤耦合器（19）的输出端R端口和光电平衡探测模块（22）的输入端之间设置第四光滤波器（21）。

6.根据权利要求1所述的OPGW架空地线温度、振动分离测量光纤传感系统，其特征在于，第一混频模块（23）的端口T与数据采集模块（30）的输入端口Z₂之间设置第一带通滤波器（24），低噪放大模块（27）的输出端和数据采集模块（30）的输入端口Z₁之间设置第二带通滤波器（28）。

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