CN113092082A - Opgw光缆寿命预测系统 - Google Patents

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胡金磊
何伟明
黎阳羊
潘斌
周达明
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Abstract

本发明公开了一种OPGW光缆寿命预测系统，包括上位机、拉曼散射器、布里渊散射器、瑞利散射器和波分复用单元。通过拉曼散射器、布里渊散射器和瑞利散射器分别提供探测光信号，并通过波分复用单元进行耦合成为统一的探测光信号向OPGW光缆内发射，在波分复用单元的作用下避免单独发射时的相互干扰；通过拉曼散射器、布里渊散射器和瑞利散射器将反向散射光信号转化为电信号，上位机基于散射光信号计算获得OPGW光缆的热应力和动弯应力的分布情况，实时获取的反向散射光信号可准确有效的获取OPGW光缆的热应力和动弯应力的分布情况，进而实现更精准的计算计算OPGW光缆的疲劳寿命。

Description

OPGW光缆寿命预测系统
技术领域
本发明实施例涉及光缆管理技术，尤其涉及一种OPGW光缆寿命预测系统。
背景技术
OPGW光缆(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，光纤复合架空地线)是一种集地线与通信功能为一体的复合架空地线，兼具地线与通信双重功能，现被广泛应用于电力系统中。
OPGW光缆在工作过程中长期暴露在户外环境中，受到环境中的风吹动影响，使得OPGW光缆在工作过程中常伴随着一定的振动。而其中微风振动发生最为频繁，微风振动使上下弯曲的振动波分布在OPGW光缆上，导致OPGW光缆产生动弯应力，造成OPGW光缆内股与股、层与层、导线与夹具之间存在微动磨损，当磨损累积到一定程度后会导致严重的线路疲劳断线事故。针对OPGW光缆的使用，常见的防护措施做法主要包括基于OPGW光缆能量平衡模型计算线路动弯应力，并结合Miner累计损伤理论评估线路寿命，并以此为依据调度巡检工人对OPGW光缆的磨损情况进行巡检。
但是在建立OPGW光缆能量平衡模型的过程中需要设定许多理想条件，导致线路微风振动频率与振幅计算存在偏差，动弯应力计算值不准，影响寿命评估精度。此外，在不同的地区的有风气象条件并不相同，并且线路的环境温度场的变化也同样会影响OPGW光缆的疲劳寿命，按照现有的评估方式预估疲劳寿命的误差较大。
发明内容
本发明提供一种OPGW光缆寿命预测系统，以实现OPGW光缆更准确的疲劳寿命预测。
第一方面，本发明实施例提供了一种OPGW光缆寿命预测系统，包括上位机、拉曼散射器、布里渊散射器、瑞利散射器和波分复用单元；
所述拉曼散射器、所述布里渊散射器和所述瑞利散射器与所述上位机连接，所述拉曼散射器、所述布里渊散射器和所述瑞利散射器与所述波分复用单元连接，所述波分复用单元与位于相邻变电站之间设置的OPGW光缆连接；
所述拉曼散射器、所述布里渊散射器和所述瑞利散射器分别向所述波分复用单元发送探测光信号，所述波分复用单元将所述探测光信号进行耦合后发送至所述OPGW光缆，同时所述波分复用单元采集所述OPGW光缆反射的散射光信号并输送至所述拉曼散射器、所述布里渊散射器和所述瑞利散射器；
所述拉曼散射器、所述布里渊散射器和所述瑞利散射器用于将所述散射光信号转换为电信号；
所述上位机基于所述电信号计算所述OPGW光缆的热应力和动弯应力确定所述OPGW光缆的疲劳寿命。
可选的，所述拉曼散射器包括第一激光源、多脉冲光编码调制器、第一掺铒光纤放大器、第一环形器、第一滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器和第一高速采集卡；
所述第一激光源与所述多脉冲光编码调制器连接，所述多脉冲光编码调制器与所述第一掺铒光纤放大器连接，所述第一掺铒光纤放大器与所述第一环形器的第一端口连接，所述第一环形器的第二端口与所述波分复用单元连接，所述第一环形器的第三端口与所述第一滤波器连接，所述第一滤波器分别与所述第一光电探测器和所述第二光电探测器连接，所述第一高速采集卡的输入端与所述第一光电探测器和所述第二光电探测器连接，所述第一高速采集卡的输出端与所述上位机连接。
可选的，所述第一激光源向所述多脉冲光编码调制器提供连续光源，所述多脉冲光编码调制器输出脉冲探测光信号，所述第一掺铒光纤放大器将所述脉冲探测光信号放大输出至所述第一环形器。
可选的，所述第一滤波器保留所述散射光信号中的拉曼散射光信号，并将所述拉曼散射光信号中的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号分别输给所述第一光电探测器和所述第二光电探测器。
可选的，所述布里渊散射器包括第二激光源、第一耦合器、第二耦合器、第二电光调制器、第二掺铒光纤放大器、第三掺铒光纤放大器、扰偏器、第二环形器、第三环形器、光纤布拉格光栅滤波器、第三光电探测器、光纤布拉格光栅滤波器、第二高速采集卡；
所述第二激光源与所述第一耦合器连接，所述第一耦合器与所述第二电光调制器和所述第二掺铒光纤放大器连接，所述第二电光调制器与所述第三掺铒光纤放大器连接，所述第三掺铒光纤放大器与所述扰偏器连接，所述扰偏器与所述第二环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述波分复用单元连接，所述环形器的第三端口与所述第三环形器的第一端口连接，所述第三环形器的第二端口与所述光纤布拉格光栅滤波器连接，所述第三环形器的第三端口与所述第二耦合器连接，所述第二掺铒光纤放大器与所述第二耦合器连接，所述第二耦合器的输出端与所述第二电光调制器连接，所述第二电光调制器与所述第二高速采集卡连接，所述第二高速采集卡与上位机连接。
可选的，所述第二激光源向所述第一耦合器提供连续光源，所述第一耦合器将连续光源切分为90％光信号和10％光信号，所述第一耦合器将所述90％光信号输出至所述第二电光调制器，所述第一耦合器将所述10％光信号输出至所述第二掺铒光纤放大器。
可选的，所述第二环形器将所述OPGW光缆的所述散射光信号输送至所述第三环形器，所述第三环形器将所述散射光信号输送至所述光纤布拉格光栅滤波器，所述光纤布拉格光栅滤波器保留所述散射光信号中的布里渊散射光信号，并将所述布里渊散射光信号输出至所述第二耦合器，所述第二耦合器将所述布里渊散射光信号与所述10％光信号耦合后输出至所述第三光电探测器。
可选的，所述瑞利散射器包括第三激光源、第三电光调制器、第四掺铒光纤放大器、第四环形器、第二滤波器、第四光电探测器、第三高速采集卡；
所述第三激光源与所述第三电光调制器连接，所述第三电光调制器与所述第四掺铒光纤放大器连接，所述第四掺铒光纤放大器与所述第四环形器的第一端连接，所述第四环形器的第二端与所述波分复用单元连接，所述第四环形器的第三端与所述第二滤波器连接，所述第二滤波器与所述第四光电探测器连接，所述第四光电探测器与所述第三高速采集卡连接，所述第三高速采集卡与所述上位机连接。
可选的，所述第三激光源向所述第三电光调制器提供连续光源，所述第三电光调制器输出脉冲探测光信号，所述第四掺铒光纤放大器将所述脉冲探测光信号放大输出至所述第四环形器，所述第四环形器将所述探测光信号输出至所述波分复用单元，所述第四环形器将所述波分复用单元返回的所述散射光信号输出至所述第二滤波器，所述第二滤波器保留所述散射光信号中的瑞利散射光信号，并将所述瑞利散射光信号输出至所述第四光电探测器。
可选的，还包括光学从机，所述光学从机设置于所述OPGW光缆远离所述波分复用单元的一端，用于检验经所述OPGW光缆传输后的所述探测光信号的传输质量。
本发明通过拉曼散射器、布里渊散射器和瑞利散射器提供探测光信号，并通过波分复用单元进行耦合成为统一的探测光信号向OPGW光缆内发射，可有效的保证拉曼散射器、布里渊散射器和瑞利散射器的探测工作所需的不同频率、波长的探测光源的供给，并且在波分复用单元的作用下避免相互干扰；波分复用单元还可将由OPGW光缆反射回来的反向散射光信号分别发送给拉曼散射器、布里渊散射器和瑞利散射器，以分别过滤获得对应的反向散射光信号(拉曼散射光信号、布里渊散射光信号和瑞利散射光信号)，并通过拉曼散射器、布里渊散射器和瑞利散射器将反向散射光信号转化为电信号，上位机可基于散射光信号计算获得OPGW光缆的热应力和动弯应力的分布情况，进而结合热应力和动弯应力计算获得OPGW光缆的疲劳寿命。基于实时获取的反向散射光信号可准确有效的获取OPGW光缆的热应力和动弯应力的分布情况，进而实现更精准的计算计算OPGW光缆的疲劳寿命，保证OPGW光缆的疲劳寿命的预测精准性，保证OPGW光缆的工作可靠性。
附图说明
图1为本发明一实施例所述的OPGW光缆寿命预测系统的结构图；
图2是本发明另一实施例所述的OPGW光缆寿命预测系统的结构图。
图中：
1、OPGW光缆；
2、上位机；201、热应力计算模块；202、动弯应力计算模块；203、寿命计算模块；
3、拉曼散射器；301、第一激光源；302、多脉冲光编码调制器；303、第一掺铒光纤放大器；304、第一环形器；305、第一滤波器；306、第一光电探测器；307、第二光电探测器；308、第一高速采集卡；
4、布里渊散射器；401、第二激光源；402、第一耦合器；403、第二耦合器；404、第二电光调制器；405、第二掺铒光纤放大器；406、第三掺铒光纤放大器；407、扰偏器；408、第二环形器；409、第三环形器；410、第三光电探测器；411、光纤布拉格光栅滤波器；412、第二高速采集卡；
5、瑞利散射器；501第三激光源；502、第三电光调制器；503、第四掺铒光纤放大器；504、第四环形器；505、第二滤波器；506、第四光电探测器；507、第三高速采集卡；
6、波分复用单元；
7、光学从机；701、第五掺铒光纤放大器；702、第五光电探测器；703、第四高速采集卡。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至2所示，于本实施例中，本发明提供一种OPGW光缆寿命预测系统，包括上位机2、拉曼散射器3、布里渊散射器4、瑞利散射器5和波分复用单元6。
其中，拉曼散射器3、布里渊散射器4和瑞利散射器5与上位机2连接，拉曼散射器3、布里渊散射器4和瑞利散射器5与波分复用单元6连接，波分复用单元6与位于相邻变电站之间设置的OPGW光缆1连接。在工作过程中，拉曼散射器3、布里渊散射器4和瑞利散射器5分别向波分复用单元6发送探测光信号，波分复用单元6将探测光信号进行耦合后发送至OPGW光缆1，同时波分复用单元6采集OPGW光缆1反射的散射光信号并输送至拉曼散射器3、布里渊散射器4和瑞利散射器5；拉曼散射器3、布里渊散射器4和瑞利散射器5用于将散射光信号转换为电信号；上位机2基于电信号计算OPGW光缆1的热应力和动弯应力确定OPGW光缆1的疲劳寿命。
在本发明实施例中，当激光脉冲在光纤中传输的过程中与光纤分子相互作用，发生多种形式的散射，有瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。
拉曼散射器3主要基于拉曼散射原理向OPGW光缆1发射检测光信号，并检测OPGW光缆1返回的拉曼散射光信号，后续上位机2可依据拉曼散射光信号计算获得OPGW光缆1的温度信息。基于拉曼散射可以用入射光与散射介质的相互作用、能量转移加以解释，入射光与散射介质发生非弹性碰撞，在相互作用时，入射光可以放出或吸收一个与散射介质分子振动相关的高频声子，称作为斯托克斯光(Stokes)或反斯托克斯光(Anti—Stokes)。长波一侧波长为λs(λs＝λo++Δλ)的谱线称为斯托克斯线(stokes)，短波一侧波长为λa(λa＝λo++Δλ)的谱线称为反斯托克斯线，其中斯托克斯光与温度无关，而反斯托克斯光的强度则随温度变化。通过测量入射光和反射光之间的时间差，可得到发射散射光的位置距入射端的距离，从而实现分布式的测量OPGW光缆1的温度信息。
布里渊散射器4主要基于布里渊散射原理向OPGW光缆1发射检测光信号，并检测OPGW光缆1返回的布里渊散射光信号，后续上位机2可依据布里渊散射光信号计算获得OPGW光缆1的应变信息。布里渊散射是指入射到介质的光波与介质内的弹性声波发生相互作用而产生的光散射。布里渊散射传感机理是指光纤中的布里渊散射相对于泵浦光有一个频移，通常称为布里渊频移。其中背向布里渊散射的频移最大，分布式光纤布里渊散射的散射光的频移与光纤的有效折射率和超声声速有关。而温度和应变都能改变光纤的折射率和超声声速，只要检测光纤中布里渊频移的变化，就可以得到温度或应变在光纤上的分布。
瑞利散射器5主要基于瑞利散射原理向OPGW光缆1发射检测光信号，并检测OPGW光缆1返回的瑞利散射光信号，后续上位机2可依据瑞利散射光信号计算获得OPGW光缆1的振幅和频率。当光脉冲在光纤内传输时，由于OPGW光缆1的振动以及本身的性质、连接器、接合点、弯曲或其它类似情况而产生散射及反射。通过检查后向散射信号的时间响应就可以测得光纤中的这些不规则、缺陷或其它特征的位置，只要检测光纤中瑞利散射光信号的变化，就可以得到OPGW光缆1的振动情况。
在本发明实施例中，通过拉曼散射器3、布里渊散射器4和瑞利散射器5分别提供探测光信号，并通过波分复用单元6进行耦合成为统一的探测光信号向OPGW光缆1内发射，可有效的保证拉曼散射器3、布里渊散射器4和瑞利散射器5的探测工作所需的不同频率、波长的探测光源的供给，并且在波分复用单元6的作用下避免单独发射时的相互干扰；波分复用单元6还可将由OPGW光缆1反射回来的反向散射光信号分别发送给拉曼散射器3、布里渊散射器4和瑞利散射器5，以分别过滤获得对应的反向散射光信号(拉曼散射光信号、布里渊散射光信号和瑞利散射光信号)，并通过拉曼散射器3、布里渊散射器4和瑞利散射器5将反向散射光信号转化为电信号，上位机2可基于散射光信号计算获得OPGW光缆1的热应力和动弯应力的分布情况，进而结合热应力和动弯应力计算获得OPGW光缆1的疲劳寿命。基于实时获取的反向散射光信号可准确有效的获取OPGW光缆1的热应力和动弯应力的分布情况，进而实现更精准的计算计算OPGW光缆1的疲劳寿命，保证OPGW光缆1的疲劳寿命的预测精准性，保证OPGW光缆1的工作可靠性。
在本发明实施例中，拉曼散射器3包括第一激光源301、多脉冲光编码调制器302、第一掺铒光纤放大器303、第一环形器304、第一滤波器305、第一光电探测器306、第二光电探测器307和第一高速采集卡308；第一激光源301与多脉冲光编码调制器302连接，多脉冲光编码调制器302与第一掺铒光纤放大器303连接，第一掺铒光纤放大器303与第一环形器304的第一端口连接，第一环形器304的第二端口与波分复用单元6连接，第一环形器304的第三端口与第一滤波器305连接，第一滤波器305分别与第一光电探测器306和第二光电探测器307连接，第一高速采集卡308的输入端与第一光电探测器306和第二光电探测器307连接，第一高速采集卡308的输出端与上位机2连接。
通过第一激光源301向多脉冲光编码调制器302提供连续光信号，多脉冲光编码调制器302通过调制后输出信噪比高的脉冲探测光信号，经第一掺铒光纤放大器303(EDFA)放大后输入第一环形器304的第一端口。脉冲探测光经过第一环形器304的静偏磁场确定的方向顺序传入第二端口进入到波分复用单元6内，经过波分复用单元6与布里渊散射器4和瑞利散射器5发出的探测光信号耦合后进入到OPGW光缆1内部，再经过OPGW光缆1内部的折射和散射作用返回的散射光信号到波分复用单元6内，波分复用单元6将接收到的散射光信号输送至拉曼散射器3的第一滤波器305进行滤波处理，经过第一滤波器305过滤后的散射光信号仅剩下与拉曼散射器3对应的拉曼散射光信号。拉曼散射光信号中的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号再分别被输给第一光电探测器306和第二光电探测器307进行光电信号转变转化为电信号，以使上位机2可对检测到的拉曼散射光进行读取和使用。第一光电探测器306和第二光电探测器307的电平值，即电压之比的对数，正比于各自光强值，最终经高速采集卡进行电信号采集并输入上位机2，通过计算斯托克斯光和反斯托克斯光电信号电平值之比即可确定OPGW光缆1的温度分布情况。
在本发明实施例中，布里渊散射器4包括第二激光源401、第一耦合器402、第二耦合器403、第二电光调制器、第二掺铒光纤放大器405、第三掺铒光纤放大器406、扰偏器407、第二环形器408、第三环形器409、第三光电探测器410、光纤布拉格光栅滤波器411、第二高速采集卡412；第二激光源401与第一耦合器402连接，第一耦合器402与第二电光调制器和第二掺铒光纤放大器405连接，第二电光调制器与第三掺铒光纤放大器406连接，第三掺铒光纤放大器406与扰偏器407连接，扰偏器407与第二环形器408的第一端口连接，环形器的第二端口与波分复用单元6连接，环形器的第三端口与第三环形器409的第一端口连接，第三环形器409的第二端口与光纤布拉格光栅滤波器411连接，第三环形器409的第三端口与第二耦合器403连接，第二掺铒光纤放大器405与第二耦合器403连接，第二耦合器403的输出端与第二电光调制器连接，第二电光调制器与第二高速采集卡412连接，第二高速采集卡412与上位机2连接。
通过第二激光源401提供高相干性的连续光信号输入至90/10(切分比例为90％、10％)的第一耦合器402内，被切分为90％光信号和10％光信号，然后第一耦合器402将90％光信号输出至第二电光调制器获得脉宽与重复频率可调的脉冲探测光信号，将10％光信号输出至第二掺铒光纤放大器405进行放大处理，作为参考光以获取拍频信号。第二电光调制器输出的脉冲探测光信号经第三掺铒光纤放大器406放大后输入至扰偏器407内，扰偏器407减小放大探测光信号后的偏振态，降低耗损，并将探测光信号输入第二环形器408的第一端口。然后第二环形器408将探测光信号输送进入到波分复用单元6内与其余探测光信号进行耦合进入到OPGW光缆1内部。波分复用单元6将接收到的散射光信号返回第二环形器408的第二端口，第二环形器408再输出至第三环形器409的第一端口，第三环形器409将散射光信号输送至布里渊散射器4的光纤布拉格光栅滤波器411进行滤波处理，经过光纤布拉格光栅滤波器411过滤后的散射光信号仅剩下布里渊散射光信号，再被输入到第二耦合器403内与第一耦合器402输出后放大的拍频信号(10％光信号)进行耦合，然后再被第三光电探测器410转化为电信号经第二高速采集卡412采集输入到上位机2中。
在本发明实施例中，瑞利散射器5包括第三激光源501、第三电光调制器502、第四掺铒光纤放大器503、第四环形器504、第二滤波器505、第四光电探测器506、第三高速采集卡507；第三激光源501与第三电光调制器502连接，第三电光调制器502与第四掺铒光纤放大器503连接，第四掺铒光纤放大器503与第四环形器504的第一端连接，第四环形器504的第二端与波分复用单元6连接，第四环形器504的第三端与第二滤波器505连接，第二滤波器505与第四光电探测器506连接，第四光电探测器506与第三高速采集卡507连接，第三高速采集卡507与上位机2连接。
第三激光源501向第三电光调制器502提供连续光源，第三电光调制器502输出脉冲探测光信号，然后输入至第四掺铒光纤放大器503进行放大，并放大后的脉冲探测光信号输出至第四环形器504的第一端口，第四环形器504将探测光信号通过第二端口输出至波分复用单元6，并且第四环形器504将波分复用单元6返回的散射光信号输出至第二滤波器505，第二滤波器505保留散射光信号中的瑞利散射光信号，并将瑞利散射光信号输出至第四光电探测器506，上位机2利用交叉相乘相位解调技术，可量化解调风振的振幅与频率，进一步计算OPGW光缆1的悬挂点动弯应力。
在本发明实施例中，OPGW光缆1寿命预测系统还包括光学从机7，光学从机7设置于OPGW光缆1远离波分复用单元6的一端，用于检验经OPGW光缆1传输后的探测光信号的传输质量。
具体的，光学从机7可包括第五掺铒光纤放大器701、第五光电探测器702和第四高速采集卡703，第五掺铒光纤放大器701与OPGW光缆1连接，接收由波分复用单元6耦合后的探测光信号，并对接收到的探测光信号进行放大处理，以使第五光电探测器702能够顺利识别到接收到的探测光信号并量化为电信号，再经由第四高速采集卡703对量化后的电信号进行采集，以供上位机2读取，并以此确认拉曼散射器3、布里渊散射器4、瑞利散射器5和波分复用单元6的工作状态，以及OPGW光缆1对探测光信号的传输状态。
在本发明实施例中，拉曼散射器3的第一光电探测器306和第二光电探测器307选用波长响应范围为1000nm～1700nm的铟镓砷光电探测器，测量波长在1450nm附近的斯托克斯光和波长在1660nm附近的反斯托克斯光。
布里渊散射器4的第三光电探测器410选用波长响应范围为1480nm～1620nm的高速光电探测器，测量布里渊散射信号和原始探测信号进行拍频获得的散射频移量。
布里渊散射器4的第二激光源401为波长1550nm的激光器，拉曼散射器3的第一激光源301为HMS高速脉冲光源波长为1549.5nm，瑞利散射器5的第三激光源501为波长1549nm的激光器。
瑞利散射器5的光电探测器选用波长响应范围为1539nm～1559nm的铟镓砷光电探测器，测量波长在1549nm附近的瑞利散射光相位信息。
掺铒光纤放大器EDFA采用双向泵浦结构，掺铒光纤长度10m，泵浦源波长为980nm，最大输出功率300mW。
环形器是三端口光无源器件，光信号只能在环形器内按固定的方向环行，即从1端口向2端口传输，和从2端口向3端口传输，具体实施例使用的环形器，其工作波长为1520nm～1560nm，最大插入损耗为0.6dB，隔离度大于50dB，回波损耗大于50dB，偏振相关损耗小于0.05dB，偏振模色散0.05ps。
在一个具体的实施例中，上位机2包括热应力计算模块201、动弯应力计算模块202和寿命计算模块203。热应力计算模块201与拉曼散射器3和布里渊散射器4连接，动弯应力计算模块202与瑞利散射器5连接，寿命计算模块203分别与热应力计算模块201和动弯应力计算模块202连接。
热应力计算模块201接收来自拉曼散射器3的斯托克斯与反斯托克斯光强转换的电平值ΦS(T)与ΦAS(T)，同时导入参考温度下的斯托克斯与反斯托克斯光强转换电平值ΦS(T0)与ΦS(T0)，在本实施例中参考温度设为20℃。
通过以下等式(1)可解耦获得温度值(℃)：
Figure BDA0003002006630000141
其中h、k分别是普朗克常量和波尔兹曼常量；Δv是拉曼频移。
基于步骤上述公式(1)可计算OPGW光缆1最大弧垂处温度，随后热应力计算模块201可基于以下公式(2)计算接收布里渊散射器4获得的OPGW光缆1最大弧垂处的布里渊散射频移fB：
fB＝f0+CT(T-T0)+Cε(ε-ε0) (2)
其中f0为散射光信号初始频移，CT为布里渊频移的温度系数，约为1.1～1.2MHz/℃；T为OPGW光缆1最大弧垂处温度，T0为参考温度；Cε为布里渊频移的应变参数，约为0.0491MHz/με；ε0与ε为OPGW光缆1初始与待测应变值。将公式(1)所算温度值代入公式(2)可得到OPGW光缆1最大弧垂处应变，据此计算初始最大弧垂处应力值，该值呈水平方向，与悬挂点水平应力值相同。结合OPGW光缆1自重与初始张力和以下公式(3)可得到初始应力值
Figure BDA0003002006630000142
其中F为导线的初始张力；A为导线的面积。
利用拉曼散射器3的采集结果可计算微风振动时OPGW光缆1的温度T1，依据以下公式(4)可计算悬挂点处热应力值σ热：
Figure BDA0003002006630000151
其中σ0为OPGW光缆1的初始应力值，基于拉曼散射器3与布里渊散射器4获取；l，γ分别为OPGW光缆1的档距与自重比载；E，α分别为OPGW光缆1的综合弹性模量和综合线胀系数，
Figure BDA0003002006630000152
Figure BDA0003002006630000153
其中，NUM为OPGW光缆1的绞线总数；En为OPGW光缆1第n层绞线的弹性模量；βn为OPGW光缆1第n层绞线的捻角；An为OPGW光缆1第n层绞线的总面积；an为OPGW光缆1第n层的绞线的线胀系数。
动弯应力计算模块202接收瑞利散射器5的电信号，利用交叉相乘相位解调技术，量化解调风振的最大单振幅A0与频率f，悬挂点动弯应力
Figure BDA0003002006630000154
Figure BDA0003002006630000155
其中d为外层铝绞线的直径，m为线路自重；EJ为绞线抗弯刚度，
Figure BDA0003002006630000156
其中Eg、Ec分别是外层铝绞线和内层钢芯的弹性模量；ng、nc分别是外层铝绞线股数和内层钢芯的股数；dg、dc别为外层铝绞线的单股径和内层钢芯的单股股径。则σ总＝σ动弯+σ热，将σ热输入寿命计算模块203。
寿命计算模块203预先导入待测OPGW光缆1所在地风向玫瑰图，计算风向频率Pwd；随后将风振频率f分解为N个频率，每个频率设为fi，(fi low<fi<fi high)，则OPGW光缆1在一年中各个频率段发生微风振动的时间ti满足
Figure BDA0003002006630000157
Figure BDA0003002006630000158
其中c为光速，S为斯托罗哈数，D为OPGW光缆1直径，t为ti之和；计算各频率下振动发生次数ni满足ni＝fi×ti。
寿命计算模块203将各频率段下应力变化值Δσi＝σ总(f＝fi)-σ0输入Wholer安全曲线，查询应力变化Δσi时OPGW光缆1断裂次数N(Δσi)，基于Miner损伤理论计算总损伤率D满足
Figure BDA0003002006630000161
则疲劳寿命Year(年)满足
Figure BDA0003002006630000162
Figure BDA0003002006630000163
由此可计算获得OPGW光缆1的疲劳寿命。
于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种OPGW光缆寿命预测系统，其特征在于，包括上位机、拉曼散射器、布里渊散射器、瑞利散射器和波分复用单元；
所述拉曼散射器、所述布里渊散射器和所述瑞利散射器与所述上位机连接，所述拉曼散射器、所述布里渊散射器和所述瑞利散射器与所述波分复用单元连接，所述波分复用单元与位于相邻变电站之间设置的OPGW光缆连接；
所述拉曼散射器、所述布里渊散射器和所述瑞利散射器分别向所述波分复用单元发送探测光信号，所述波分复用单元将所述探测光信号进行耦合后发送至所述OPGW光缆，同时所述波分复用单元采集所述OPGW光缆反射的散射光信号并输送至所述拉曼散射器、所述布里渊散射器和所述瑞利散射器；
所述拉曼散射器、所述布里渊散射器和所述瑞利散射器用于将所述散射光信号转换为电信号；
所述上位机基于所述电信号计算所述OPGW光缆的热应力和动弯应力确定所述OPGW光缆的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的OPGW光缆寿命预测系统，其特征在于，所述拉曼散射器包括第一激光源、多脉冲光编码调制器、第一掺铒光纤放大器、第一环形器、第一滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器和第一高速采集卡；
所述第一激光源与所述多脉冲光编码调制器连接，所述多脉冲光编码调制器与所述第一掺铒光纤放大器连接，所述第一掺铒光纤放大器与所述第一环形器的第一端口连接，所述第一环形器的第二端口与所述波分复用单元连接，所述第一环形器的第三端口与所述第一滤波器连接，所述第一滤波器分别与所述第一光电探测器和所述第二光电探测器连接，所述第一高速采集卡的输入端与所述第一光电探测器和所述第二光电探测器连接，所述第一高速采集卡的输出端与所述上位机连接。
3.根据权利要求2所述的OPGW光缆寿命预测系统，其特征在于，所述第一激光源向所述多脉冲光编码调制器提供连续光源，所述多脉冲光编码调制器输出脉冲探测光信号，所述第一掺铒光纤放大器将所述脉冲探测光信号放大输出至所述第一环形器。
4.根据权利要求2所述的OPGW光缆寿命预测系统，其特征在于，所述第一滤波器保留所述散射光信号中的拉曼散射光信号，并将所述拉曼散射光信号中的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号分别输给所述第一光电探测器和所述第二光电探测器。
5.根据权利要求1所述的OPGW光缆寿命预测系统，其特征在于，所述布里渊散射器包括第二激光源、第一耦合器、第二耦合器、第二电光调制器、第二掺铒光纤放大器、第三掺铒光纤放大器、扰偏器、第二环形器、第三环形器、第三光电探测器、光纤布拉格光栅滤波器、第二高速采集卡；
所述第二激光源与所述第一耦合器连接，所述第一耦合器与所述第二电光调制器和所述第二掺铒光纤放大器连接，所述第二电光调制器与所述第三掺铒光纤放大器连接，所述第三掺铒光纤放大器与所述扰偏器连接，所述扰偏器与所述第二环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述波分复用单元连接，所述环形器的第三端口与所述第三环形器的第一端口连接，所述第三环形器的第二端口与所述光纤布拉格光栅滤波器连接，所述第三环形器的第三端口与所述第二耦合器连接，所述第二掺铒光纤放大器与所述第二耦合器连接，所述第二耦合器的输出端与所述第二电光调制器连接，所述第二电光调制器与所述第二高速采集卡连接，所述第二高速采集卡与上位机连接。
6.根据权利要求5所述的OPGW光缆寿命预测系统，其特征在于，所述第二激光源向所述第一耦合器提供连续光源，所述第一耦合器将连续光源切分为90％光信号和10％光信号，所述第一耦合器将所述90％光信号输出至所述第二电光调制器，所述第一耦合器将所述10％光信号输出至所述第二掺铒光纤放大器。
7.根据权利要求6所述的OPGW光缆寿命预测系统，其特征在于，所述第二环形器将所述OPGW光缆的所述散射光信号输送至所述第三环形器，所述第三环形器将所述散射光信号输送至所述光纤布拉格光栅滤波器，所述光纤布拉格光栅滤波器保留所述散射光信号中的布里渊散射光信号，并将所述布里渊散射光信号输出至所述第二耦合器，所述第二耦合器将所述布里渊散射光信号与所述10％光信号耦合后输出至所述第三光电探测器。
8.根据权利要求1所述的OPGW光缆寿命预测系统，其特征在于，所述瑞利散射器包括第三激光源、第三电光调制器、第四掺铒光纤放大器、第四环形器、第二滤波器、第四光电探测器、第三高速采集卡；
所述第三激光源与所述第三电光调制器连接，所述第三电光调制器与所述第四掺铒光纤放大器连接，所述第四掺铒光纤放大器与所述第四环形器的第一端连接，所述第四环形器的第二端与所述波分复用单元连接，所述第四环形器的第三端与所述第二滤波器连接，所述第二滤波器与所述第四光电探测器连接，所述第四光电探测器与所述第三高速采集卡连接，所述第三高速采集卡与所述上位机连接。
9.根据权利要求8所述的OPGW光缆寿命预测系统，其特征在于，所述第三激光源向所述第三电光调制器提供连续光源，所述第三电光调制器输出脉冲探测光信号，所述第四掺铒光纤放大器将所述脉冲探测光信号放大输出至所述第四环形器，所述第四环形器将所述探测光信号输出至所述波分复用单元，所述第四环形器将所述波分复用单元返回的所述散射光信号输出至所述第二滤波器，所述第二滤波器保留所述散射光信号中的瑞利散射光信号，并将所述瑞利散射光信号输出至所述第四光电探测器。
10.根据权利要求1所述的OPGW光缆寿命预测系统，其特征在于，还包括光学从机，所述光学从机设置于所述OPGW光缆远离所述波分复用单元的一端，用于检验经所述OPGW光缆传输后的所述探测光信号的传输质量。
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