CN113552505B - 一种opgw断股程度的监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种OPGW断股程度的监测装置，该监测装置包括：光输出模块、波分复用器、光环形器、波分解复用器、时间测量模块、光信息处理模块、数据处理模块和神经网络模块；光输出模块与波分复用器连接，光输出模块用于产生第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光，并将第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光输入到波分复用器中；波分复用器与光环形器的第一端连接，波分复用器用于将第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光进行耦合后输入至光环形器的第一端，将耦合后的光称为耦合光。本发明实施例提供的监测装置可以直接与OPGW连接，可以实现OPGW的断股程度的在线监测，具有监测方便、工作量小、测量单位大、测量数据准确以及节省人力等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电力领域，特别是涉及一种OPGW断股程度的监测装置监测。
背景技术
复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW)是电力传输的重要通道中不可获取的一部分，也是国家能源网络的重要基础设施。然而由于OPGW长期处于自然环境中，受到恶劣天气、施工的外力破坏以及线路老化、腐蚀、雷击和风振等问题，容易造成输电线断股或散股的现象。输电线断股会影响线路的机械强度，从而引发线路的通讯故障，对线路的继电保护和安全稳定运行等造成严重威胁，从而引发安全事故。因此要对OPGW的断股情况定期进行巡视、检查以及在线监测。
现阶段的断股监测主要依靠人工巡线、无人机监测以及摄像监测等技术，然而，由于OPGW跨距长、所处地形复杂，现阶段的监测手段很难满足要求，例如人工巡线周期长、巡线困难且主要依赖于巡视员的主观判断；无人机巡视范围有限、受天气与拍摄条件限制较大；摄像监测技术受自然条件影响大、检修维护困难且信号传输不稳定；这使得OPGW的断股程度监测十分困难，不利于电力系统的安全稳定运行。
分布式光纤传感器是近年来在电力系统领域新发展的一种传感技术，它具有传感距离远、空间连续传感、传感器与传输介质统一以及维护检修方便等优点，已在多地电力系统进行试点，然而由于该技术对外界环境变化十分敏感，利用单一参量进行监测容易对断股情况出现误判。由于光纤内部一般留有余长，利用单一参量监测无法判断OPGW断股程度较低时的情况。
发明内容
本发明实施例提供的OPGW断股程度的监测装置可以直接与OPGW连接，可以实现OPGW的断股程度的在线监测，具有监测方便、工作量小、测量单位大、测量数据准确以及节省人力等优点。
本发明实施例提供一种OPGW断股程度的监测装置，该监测装置包括：光输出模块、波分复用器、光环形器、波分解复用器、时间测量模块、光信息处理模块、数据处理模块和神经网络模块；
所述光输出模块与所述波分复用器连接，所述光输出模块用于产生第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光，并将所述第一脉冲光、所述第二脉冲光和所述第三脉冲光输入到所述波分复用器中；
所述波分复用器与所述光环形器的第一端连接，所述波分复用器用于将所述第一脉冲光、所述第二脉冲光和所述第三脉冲光进行耦合后输入至所述光环形器的第一端，其中，将耦合后的光称为耦合光；
所述光环形器的第二端与所述OPGW连接，所述光环形器用于将第一端输入的耦合光从第二端输出至所述OPGW中；
所述光环形器的第三端与所述波分解复用器连接，所述光环形器还用于将第二端输入的后向散射耦合光从所述光环形器的第三端输出至波分解复用器中，其中，所述后向散射耦合光表示所述耦合光在所述OPGW中产生的后向散射光；
所述时间测量模块与所述光环形器的第二端连接，所述时间测量模块用于检测所述光环形器第二端输出的所述耦合光与第二端输入的所述后向散射耦合光之间的时间差；
所述波分解复用器与所述光信息处理模块连接，所述波分解复用器用于将所述后向散射耦合光分解成第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光，并将所述第四脉冲光、所述第五脉冲光和所述第六脉冲光输入至所述光信息处理模块；
所述光信息处理模块与所述数据处理模块连接，所述光信息处理模块用于根据所述第四脉冲光、所述第五脉冲光和所述第六脉冲光得到所述OPGW的应变值和固有频率，并将所述应变值和所述固有频率输入至所述数据处理模块；
所述数据处理模块与所述时间测量模块和所述神经网络模块连接，所述数据处理模块用于获取所述时间测量模块检测的时间差，并对所述应变值、所述固有频率、所述时间差和所述OPGW的固有属性进行归一化处理，并将归一化处理后的归一化值输入至所述神经网络模块；
所述神经网络模块根据归一化值得到所述OPGW的断股程度。
可选的，所述光输出模块包括第一光输出子模块、第二光输出子模块和第三光输出子模块；
所述第一光输出子模块包括第一激光器和第一脉冲调制器，所述第一激光器和所述第一脉冲调制器连接，所述第一脉冲调制器与所述波分复用器连接；
所述第二光输出子模块包括依次连接的第二激光器、第二脉冲调制器、第一放大器和第一带通滤波器，所述第一带通滤波器与所述波分复用器连接；
所述第三光输出子模块包括依次连接的第三激光器、第三脉冲调制器、第二放大器和第二带通滤波器，所述第二带通滤波器与所述波分复用器连接。
可选的，所述光信息处理模块包括拉曼散射子模块、布里渊散射子模块和瑞利散射子模块；
所述拉曼散射子模块与所述波分解复用器连接，所述拉曼散射子模块用于获取所述第四脉冲光并根据所述第四脉冲光获取所述OPGW中的温度；
所述布里渊散射子模块与所述波分解复用器连接，所述布里渊散射子模块用于获取所述第五脉冲光并根据所述第五脉冲光获取所述OPGW的布里渊峰值频移；
所述瑞利散射子模块与所述波分解复用器连接，所述瑞利散射子模块用于获取所述第六脉冲光及第六脉冲光中的振幅。
可选的，所述拉曼散射子模块包括第三滤波器、第一光电转换器、第二光电转换器和信号处理器，所述第三滤波器与所述波分解复用器连接，所述第三滤波器用于获取所述第四脉冲光并对所述第四脉冲光进行滤光得到的斯托克斯光和反斯托克斯光，所述第一光电转换器和所述第二光电转换器分别与所述第三滤波器连接，所述第一光电转换器用于将所述斯托克斯光转换为第一电信号，所述第二光电转换器用于将所述反斯托克斯光转为第二电信号，所述信号处理器与所述第一光电装换器和所述第二光电装换器连接，所述信号处理器用于根据所述第一电信号和所述第二电信号获取所述OPGW中的温度；
所述布里渊散射子模块包括布拉格光栅、第三光电转换器和第一数据采集器，所述布拉格光栅与所述波分解复用器连接，所述布拉格光栅用于获取所述第五脉冲光，并滤除所述第五脉冲光中的拉曼散射光和瑞利散射光得到布里渊散射光，所述第三光电转换器与所述布拉格光栅连接，所述第三光电转换器用于将所述布里渊散射光转换为第三电信号，所述第一数据采集器连接与所述第三光电转换器连接，所述第一数据采集器用于根据所述第三电信号获取所述OPGW中的布里渊峰值频移；
所述瑞利散射子模块包括第四光电转换器和第二数据采集器，所述第四光电转换模块与所述波分解复用器连接，所述第四光电转换器用于获取第六脉冲光并将所述第六脉冲光转换为第四电信号后发送至所述第二数据采集器，所述第二数据采集器与所述第四光电转换器连接，所述第二数据采集器用于根据所述第四电信号获取所述第六脉冲光中的振幅。
可选的，所述光信息处理模块还包括信号处理子模块；
所述信号处理子模块分别与所述信号处理器、第一数据采集器和第二数据采集器连接，所述信号处理子模块用于根据所述温度、所述布里渊峰值频移和所述振幅得到所述OPGW的固有频率和应变值。
可选的，所述OPGW的固有属性包括缆径、档距和弧垂。
可选的，所述OPGW包括信号传输光纤和闲置光纤；
所述光环形器将第一端输入的耦合光从第二端输出至所述OPGW的所述闲置光纤中。
可选的，所述数据处理模块包括平均值计算单元和归一化单元；
所述平均值计算单元与所述信号处理子模块连接，所述平均值计算单元用于计算多个所述应变值的平均值、多个所述固有频率的平均值和多个所述时间差的平均值；
所述归一化单元与所述平均值计算单元连接，所述归一化单元用于计算所述应变值的归一化值、所述固有频率的归一化值、所述时间差的归一化值、所述缆径的归一化值、所述档距的归一化值和所述弧垂的归一化值，并将所述应变值的归一化值、所述固有频率的归一化值、所述时间差的归一化值、所述缆径的归一化值、所述档距的归一化值和所述弧垂的归一化值输入至所述神经网络模块。
可选的，所述第一激光器、所述第二激光器和所述第三激光器均为半导体激光器。
可选的，还包括用户终端模块；所述用户终端模块与所述神经网络模块连接，所述用户终端模块用于显示所述OPGW的断股程度。
本发明实施例提供了一种OPGW断股程度的监测装置，通过光输出模块输出第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光，通过波分复用器将第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光进行耦合形成耦合光，通过光环形器将环形器第一端输入的耦合光从第二端输出至OPGW，耦合光在OPGW中产生的后向散射耦合光从光环形器的第二端输入并从第三端输出至波分解复用器中，波分解复用器将后向散射耦合光分解为第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光并将第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光输入至光信息处理模块，光信息处理模块根据第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光得到OPGW的应变值和固有频率，并将应变值和固有频率输入至数据处理模块，时间测量模块与光环形器的第二端连接，时间测量模块测量光环形器第二端输出的耦合光与第二端输入的后向散射耦合光之间的时间差，并将该时间差发送至数据处理模块，数据处理模块对应变值、固有频率、时间差以及OPGW的固有属性分别进行归一化处理，并将归一化值输入神经网络模块，归一化处理后的数据能够简化神经网络模块的计算工作量及提高神经网络模块计算精度，神经网络模块根据输入的归一化值得到OPGW的断股程度。本发明实施例提供的OPGW断股程度的监测装置可以直接与OPGW连接，可以实现OPGW的断股程度的在线监测，具有监测方便、工作量小、测量单位大、测量数据准确以及节省人力等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的神经网络模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的信号处理子模块的工作原理示意图；
图8为本发明实施例提供的又一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明实施例作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明实施例，而非对本发明实施例的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明实施例相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图，参考图1，该监测装置包括光输出模块110、波分复用器120、光环形器130、波分解复用器140、时间测量模块150、光信息处理模块160、数据处理模块170和神经网络模块180；光输出模块110与波分复用器120连接，光输出模块110用于产生第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光，并将第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光输入到波分复用器120中；波分复用器120与光环形器130的第一端连接，波分复用器120用于将第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光进行耦合后输入至光环形器130的第一端，其中，将耦合后的光称为耦合光；光环形器130的第二端与OPGW连接，光环形器130用于将第一端输入的耦合光从第二端输出至OPGW中；光环形器130的第三端与波分解复用器140连接，光环形器130还用于将第二端输入的后向散射耦合光从光环形器130的第三端输出至波分解复用器140中，其中，后向散射耦合光表示耦合光在OPGW中产生的后向散射光；时间测量模块150与光环形器130的第二端连接，时间测量模块150用于检测光环形器130第二端输出的耦合光与第二端输入的后向散射耦合光之间的时间差差；波分解复用器140与光信息处理模块160连接，波分解复用器140用于将后向散射耦合光分解成第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光，并将第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光输入至光信息处理模块160；光信息处理模块160与数据处理模块170连接，光信息处理模块160用于根据第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光得到OPGW的应变值和固有频率，并将应变值和固有频率输入至数据处理模块170；数据处理模块170与时间测量模块150和神经网络模块180连接，数据处理模块170用于获取时间测量模块150检测的时间差，并对应变值、固有频率、时间差和OPGW的固有属性进行归一化处理，并将归一化处理后的归一化值输入至神经网络模块180；神经网络模块180根据归一化值得到OPGW的断股程度。
具体的，本实施例提供的OPGW的断股程度的监测装置可以适用于110kV以上的OPGW的断股情况监测。OPGW包括光纤，光纤传感技术的原理是：假设从光纤的一端输入一束脉冲光，脉冲光在光纤中传播时，会在其经过的光纤中的各点产生反方向的散射光并依次返回到信号发射端，散射光包括了瑞利散射光、布里渊散射光和拉曼散射光，通过不断的输入脉冲光并连续监测后向散射光的信号，可以感知光纤中每个位置的后向散射光的状态，实现光纤的温度、应力应变和固有频率的分布式监测。波分复用器120可以将两种或多种不同波长的光汇合在一起形成耦合光，使耦合光能够在同一根光纤中进行传输。波分解复用器140可以将耦合光中不同波长的光进行分离。第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光分别是不同波长的光，第四脉冲光可以为第一脉冲光在OPGW中产生的后向散射光，第五脉冲光可以为第二脉冲光在OPGW中产生的后向散射光，第六脉冲光可以为第三脉冲光在OPGW中产生的后向散射光。光环形器130的作用是使光在光环形器130中只能单向传播且只能从预设口进出。第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光中都包括瑞利散射光、布里渊散射光和拉曼散射光。光信息处理模块160用于获取一种脉冲光中的其中一种散射光，且获取第四脉冲光中的散射光的类型、第五脉冲光中的散射光的类型和第六脉冲光中的散射光的类型不同。示例性的，光信息处理模块160从第四脉冲光中只获取拉曼散射光、从第五脉冲光中只获取布里渊散射光以及从第六脉冲光中只获取瑞利散射光。拉曼散射光对温度比较敏感，因此，光信息处理模块160可以根据拉曼散射光获取OPGW的温度，光信息处理模块160可以根据布里渊散射光得到OPGW的布里渊峰频移，光信息处理模块160也可以根据瑞利散射光得到OPGW的固有频率，光信息处理模块160还用于根据温度和布里渊峰频移得到OPGW的应变值。
固有频率作为估算OPGW的断股程度的其中一个参数，其中固有频率的计算公式如下：
其中，f表示固有频率，L表示耦合光进入OPGW的初始点与OPGW断股点的距离，T表示OPGW的张力，μ表示OPGW的线密度，OPGW的线密度为已知量。其中T＝E·Δε·S，其中E为OPGW的杨氏模量，为已知量，S为OPGW的等效横截面面积，Δε表示OPGW的应变值，应变值可以根据温度与布里渊峰频移计算得到，可以看到固有频率与等效横截面面积的平方根成反比，当OPGW断股时，等效截面面积会减少，所以固有频率会上升，所以可以通过监测OPGW的固有频率来识别断股情况。
其中，耦合光进入OPGW的初始点与OPGW断股点的距离的计算公式为：
其中，c为空气中的光速，t为从光环形器130的第二端输出的耦合光到第二端输入的后向散射耦合光的时间差，通过时间测量模块150可测出，n为OPGW的折射率，为已知量。由此可知，根据固有频率f、从光环形器130的第二端输出的耦合光到第二端输入的后向散射耦合光的时间差t、OPGW的折射率n、空气中的光速c、OPGW的杨氏模量E，OPGW的应变值Δε以及OPGW的线密度μ，可以求出OPGW的等效横截面面积，可以根据等效横截面面积和OPGW的固有属性得到OPGW的断股程度。
将实验室测得的拉力情况与不同类型的OPGW可测最小断股面积作为神经网络模块180输入的初始值，进行训练。具体表格如下所示：
表1不同拉力情况下3种OPGW对应可测最小断股面积
从表1可以看到，随着拉力值的增大，本实施例提供的OPGW断股程度的监测装置可测范围增大，即可测最小的等效横截面面积在减小，其原因在于：在拉力比较小的情况下，需要断股多根才能测到OPGW的应变，在拉力较大情况下，断股情况较小时也能够监测到OPGW的应变。从表1中也可以看出OPGW的横截面的直径越大，可测范围越小，即可测最小的等效横截面面积在增大。其中，RTS(rated tensile strength，计算拉断力)为OPGW的最大拉断力，OPGW100，OPGW120，OPGW140为OPGW的具体型号，且OPGW100，OPGW120，OPGW140的直径依次增大。
图2为本发明实施例提供的神经网络模块的结构示意图，参考图2，xi为神经网络模块180的输入，即xi表示由应变值的归一化值、固有频率的归一化值、时间差的归一化值和OPGW的固有属性的归一化值构成的矩阵，神经网络模块180中的激励函数采用tanh函数的，这是因为tanh函数在特征相差明显时效果较好。建模过程中，初始学习率设置为0.01，经过实验此参数可以较快的使得损失函数收敛且振荡较小，神经网络的丢弃率调整为0.5，即为随机丢弃的50％的神经元防止训练过拟合。yi为神经网络的输出，这里为OPGW断股的程度。神经网络模块180的层数设为4层，每层神经元个数为16个。
最后，可以根据断股程度进行状态评价和制定巡检策略，如表2所示：
表2:不同断股程度对应的处理方法：
| 断股程度 | 处理方法 |
| 7％以下 | 缠绕处理 |
| 7％～25％ | 修补管或修补条处理 |
| 25％以上 | 切断重连 |
需要说明的是，数据处理模块170在进行归一化处理时是对同一断股处的应变值、固有频率和时间差进行归一化处理。
本发明实施例提供了一种OPGW断股程度的监测装置，通过光输出模块输出第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光，通过波分复用器将第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光进行耦合形成耦合光，通过光环形器将环形器第一端输入的耦合光从第二端输出至OPGW，耦合光在OPGW中产生的后向散射耦合光从光环形器的第二端输入并从第三端输出至波分解复用器中，波分解复用器将后向散射耦合光分解为第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光并将第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光输入至光信息处理模块，光信息处理模块根据第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光得到OPGW的应变值和固有频率，并将应变值和固有频率输入至数据处理模块，时间测量模块与光环形器的第二端连接，时间测量模块测量光环形器第二端输出的耦合光与第二端输入的后向散射耦合光之间的时间差，并将该时间差发送至数据处理模块，数据处理模块对应变值、固有频率、时间差以及OPGW的固有属性分别进行归一化处理，并将归一化值输入神经网络模块，归一化处理后的数据能够简化神经网络模块的计算工作量及提高神经网络模块计算精度，神经网络模块根据输入的归一化值得到OPGW的断股程度。本发明实施例提供的OPGW断股程度的监测装置可以直接与OPGW连接，可以实现OPGW的断股程度的在线监测，具有监测方便、工作量小、测量单位大、测量数据准确以及节省人力等优点。
可选的，图3为本发明实施例提供的又一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图，参考图3，光输出模块110包括第一光输出子模块111、第二光输出子模块112和第三光输出子模块113；第一光输出子模块111包括第一激光器11和第一脉冲调制器12，第一激光器11和第一脉冲调制器12连接，第一脉冲调制器12与波分复用器120连接；第二光输出子模块112包括依次连接的第二激光器21、第二脉冲调制器22、第一放大器23和第一带通滤波器24，第一带通滤波器24与波分复用器120连接；第三光输出子模块113包括依次连接的第三激光器31、第三脉冲调制器32、第二放大器33和第二带通滤波器34，第二带通滤波器34与波分复用器120连接。
具体的，第一脉冲调制器12用于将第一激光器11输出的第一激光进行调制形成第一脉冲光并将第一脉冲光输入至波分复用器120中。第二脉冲调制器22用于将第二激光器21产生的第二激光进行调制形成一脉冲光并将该脉冲光输入至第一放大器23中，第一放大器23对该脉冲光进行放大并输入至第一带通滤波器24，第一带通滤波器24用于滤掉该脉冲光的自发辐射噪声，将经过第一带通滤波器24的光称为第二脉冲光。第三脉冲调制器32用于将第三激光器31产生的第三激光进行调制形成一脉冲光并将该脉冲光输入至第二放大器33中，第二放大器33对该脉冲光进行放大并输入至第二带通滤波器34，第二带通滤波器34用于滤掉该脉冲光中的自发辐射噪声，将经过第二带通滤波器34的光称为第三脉冲光。
可选的，图4为本发明实施例提供的又一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图，参考图4，光信息处理模块160包括拉曼散射子模块161、布里渊散射子模块162和瑞利散射子模块163；拉曼散射子模块161与波分解复用器140连接，拉曼散射子模块161用于获取第四脉冲光并根据第四脉冲光获取OPGW中的温度；布里渊散射子模块162与波分解复用器140连接，布里渊散射子模块162用于获取第五脉冲光并根据第五脉冲光获取OPGW的布里渊峰值频移；瑞利散射子模块163与波分解复用器140连接，瑞利散射子模块163用于获取第六脉冲光及第六脉冲光中的振幅。
具体的，拉曼散射子模块161与数据处理模块170连接，拉曼散射子模块161用于对第四脉冲光中的拉曼散射光进行处理从而获取OPGW的温度并将温度发送至数据处理模块170。布里渊散射子模块162与数据处理模块170连接，布里渊散射子模块162用于对第五脉冲光中的布里渊散射光进行信号处理从而获取OPGW的布里渊峰值频移并将布里渊峰值频移发送至数据处理模块170，瑞利散射子模块163与数据处理模块170连接，瑞利散射子模块163用于对第六脉冲光中的瑞利散射光进行处理从而获取瑞利散射光中的振幅并将振幅发送至数据处理模块170。数据处理模块170也能根据温度、布里渊峰值频移以及振幅算出OPGW的固有频率和应变值。
可选的，图5为本发明实施例提供的又一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图，参考图5，拉曼散射子模块161包括第三滤波器41、第一光电转换器42、第二光电转换器43和信号处理器44，第三滤波器41与波分解复用器140连接，第三滤波器41用于获取第四脉冲光并对第四脉冲光进行滤光得到的斯托克斯光和反斯托克斯光，第一光电转换器42和第二光电转换器43分别与第三滤波器41连接，第一光电转换器42用于将斯托克斯光转换为第一电信号，第二光电转换器43用于将反斯托克斯光转为第二电信号，信号处理器44与第一光电转换器42和第二光电转换器43连接，信号处理器44用于根据第一电信号和第二电信号获取OPGW中的温度；布里渊散射子模块162包括布拉格光栅51、第三光电转换器52和第一数据采集器53，布拉格光栅51与波分解复用器140连接，布拉格光栅51用于获取第五脉冲光，并滤除第五脉冲光中的拉曼散射光和瑞利散射光得到布里渊散射光，第三光电转换器52与布拉格光栅51连接，第三光电转换器52用于将布里渊散射光转换为第三电信号，第一数据采集器53连接与第三光电转换器52连接，第一数据采集器53用于根据第三电信号获取OPGW中的布里渊峰值频移；瑞利散射子模块163包括第四光电转换器61和第二数据采集器62，第四光电转换器61与波分解复用器140连接，第四光电转换器61用于获取第六脉冲光并将第六脉冲光转换为第四电信号后发送至第二数据采集器62，第二数据采集器62与第四光电转换模块连接，第二数据采集器62用于根据第四电信号获取第六脉冲光中的振幅。
具体的，信号处理器44根据第一电信号和第二电信号得到OPGW的温度原理如下：
反斯托克斯光的光强随温度变化显著，斯托克斯光对温度不敏感。温度的测量是信号处理器检测和计算斯托克斯光与反斯托克斯光的光强度之比来确定的，由下式给出：
其中Is和Ias分别为斯托克斯和反斯托克斯光强，它们由信号处理器测得，h、k分别是普朗克常量和波尔兹曼常量，Δν是拉曼频移，T为绝对温度，是需要测得的量。由于拉曼散射光对应力不敏感，所以拉曼光时域反射仪可以有效地避免应力所带来的交叉敏感，实现温度单参量的分布式测量。
布里渊峰值频移可以通过第一数据采集器53对第三电信号进行采集得到。第二数据采集器62可以采集第四电信号中的电压，并对电压做处理得到第六脉冲光的振幅。
可选的，图6为本发明实施例提供的又一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图，参考图6，光信息处理模块160还包括信号处理子模块164；信号处理子模块164分别与信号处理器44、第一数据采集器53和第二数据采集器62连接，信号处理子模块164用于根据温度、布里渊峰值频移和振幅得到OPGW的固有频率和应变值。
具体的，信号处理子模块164与数据处理模块170连接，信号处理子模块164用于将固有频率和应变值发送至数据处理模块170。
布里渊峰值频移的计算原理如下：
通过上述矩阵可以得到：
其中，ΔνB表示为测得的布里渊峰值频移，可以通过第一数据采集器53采集得到，和/>分别为布里渊频频移应力和温度系数，为已知量，Δε为应变值，ΔT＝T-T0，T0为已知量，T可以通过信号处理器得到，因此，信号处理子模块根据温度和布里渊峰值频移得到OPGW的应变值。
图7为本发明实施例提供的信号处理子模块的工作原理示意图，参考图7，图7中部分曲线图的纵坐标表示电压，电压与振幅成正比例关系，且可以通过电压得到振幅，得到固有频率的原理为：得到一系列的时域振动曲线及OPGW内各点的振幅曲线，将各点的振幅曲线做差可以得到扰动的位置，再提取扰动位置的时域曲线进行快速傅里叶分解就可以得到OPGW的固有频率。
可选的，OPGW的固有属性包括缆径、档距和弧垂。
具体的，缆径表示OPGW未断股时的横截面的直径，档距表示相邻两个杆塔间的距离，弧垂是悬挂在相邻两个杆塔间的OPGW中最低点与最高点的高度差。结合OPGW的缆径、档距和弧垂可以更好的监测OPGW的断股程度，对断股程度的测量更为精确。
可选的，OPGW包括信号传输光纤和闲置光纤；光环形器将第一端输入的耦合光从第二端输出至OPGW的闲置光纤中。
具体的，信号传输光纤用于传输光信号，闲置光纤又称冗余光纤，闲置光纤在OPGW中处于闲置状态，一般不传输任何光信号，本实施例通过将耦合光传输至闲置光纤中，一方面，不会影响信号传输光纤传输光信号的性能，另一方面，无需另架设新的光纤去监测OPGW的断股程度，进而降低了监测成本。此外，闲置光纤既当做传感器也当做传输通道，闲置光纤当做传感器的原理在于：闲置光纤受到应变、温度等外界环境影响时会引起闲置光纤折射率的变化，从而引起后向散射光的变化，因此，无需设置及安装温度传感器和应变传感器测量闲置光纤内的温度和应变，从而降低监测成本。
可选的，数据处理模块包括平均值计算单元和归一化单元；平均值计算单元与信号处理子模块连接，平均值计算单元用于计算多个应变值的平均值、多个固有频率的平均值和多个时间差的平均值；归一化单元与平均值计算单元连接，归一化单元用于计算应变值的归一化值、固有频率的归一化值、时间差的归一化值、缆径的归一化值、档距的归一化值和弧垂的归一化值，并将应变值的归一化值、固有频率的归一化值、时间差的归一化值、缆径的归一化值、档距的归一化值和弧垂的归一化值输入至神经网络模块。
具体的，固有频率的平均值可以减少断股处OPGW的固有频率的误差，应变值的平均值可以减少断股处OPGW的应变值的误差，时间差的平均值可以减少初始点与断股处距离的误差。对归一化处理后能够减少神经网络模块的计算量，提高神经网络模块的计算精度及计算速度，能够快速准确的计算出OPGW的断股程度。
可选的，第一激光器、第二激光器和第三激光器均为半导体激光器。
具体的，第一激光器输出的第一激光的工作波长为1549.5nm，第二激光器输出的第二激光的工作波长为1549.4nm，其中第二激光器为环形光纤激光器，该环形光纤激光器利用110m的微拉锥光纤能够有效地抑制光纤中的横向声模，大幅度提高受激布里渊的阈值，同时通过可变光衰减器来调节激光腔损耗，得到超窄线宽的激光输出。第三激光器输出的第二激光的工作波长为1550nm。
可选的，图8为本发明实施例提供的又一种OPGW断股程度的监测装置的结构示意图，参考图8，该装置还包括用户终端模块190；用户终端模块190与神经网络模块180连接，用户终端模块190用于显示OPGW的断股程度。
具体的，用户终端模块190可以是手机、移动电脑和ipad等，用户终端模块190能够显示OPGW的断股程度，工作人员可以通过用户终端模块190随时随地查看OPGW的断股程度。
注意，上述仅为本发明实施例的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明实施例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实施例的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明实施例进行了较为详细的说明，但是本发明实施例不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明实施例构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明实施例的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种OPGW断股程度的监测装置，其特征在于，包括：光输出模块、波分复用器、光环形器、波分解复用器、时间测量模块、光信息处理模块、数据处理模块和神经网络模块；
所述光输出模块与所述波分复用器连接，所述光输出模块用于产生第一脉冲光、第二脉冲光和第三脉冲光，并将所述第一脉冲光、所述第二脉冲光和所述第三脉冲光输入到所述波分复用器中；
所述波分复用器与所述光环形器的第一端连接，所述波分复用器用于将所述第一脉冲光、所述第二脉冲光和所述第三脉冲光进行耦合后输入至所述光环形器的第一端，其中，将耦合后的光称为耦合光；
所述光环形器的第二端与所述OPGW连接，所述光环形器用于将第一端输入的耦合光从第二端输出至所述OPGW中；
所述光环形器的第三端与所述波分解复用器连接，所述光环形器还用于将第二端输入的后向散射耦合光从所述光环形器的第三端输出至波分解复用器中，其中，所述后向散射耦合光表示所述耦合光在所述OPGW中产生的后向散射光；
所述时间测量模块与所述光环形器的第二端连接，所述时间测量模块用于检测所述光环形器第二端输出的所述耦合光与第二端输入的所述后向散射耦合光之间的时间差；
所述波分解复用器与所述光信息处理模块连接，所述波分解复用器用于将所述后向散射耦合光分解成第四脉冲光、第五脉冲光和第六脉冲光，并将所述第四脉冲光、所述第五脉冲光和所述第六脉冲光输入至所述光信息处理模块；
所述光信息处理模块与所述数据处理模块连接，所述光信息处理模块用于根据所述第四脉冲光、所述第五脉冲光和所述第六脉冲光得到所述OPGW的应变值和固有频率，并将所述应变值和所述固有频率输入至所述数据处理模块；
所述数据处理模块与所述时间测量模块和所述神经网络模块连接，所述数据处理模块用于获取所述时间测量模块检测的时间差，并对所述应变值、所述固有频率、所述时间差和所述OPGW的固有属性进行归一化处理，并将归一化处理后的归一化值输入至所述神经网络模块；
所述神经网络模块根据归一化值得到所述OPGW的断股程度。
2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述光输出模块包括第一光输出子模块、第二光输出子模块和第三光输出子模块；
所述第一光输出子模块包括第一激光器和第一脉冲调制器，所述第一激光器和所述第一脉冲调制器连接，所述第一脉冲调制器与所述波分复用器连接；
所述第二光输出子模块包括依次连接的第二激光器、第二脉冲调制器、第一放大器和第一带通滤波器，所述第一带通滤波器与所述波分复用器连接；
所述第三光输出子模块包括依次连接的第三激光器、第三脉冲调制器、第二放大器和第二带通滤波器，所述第二带通滤波器与所述波分复用器连接。
3.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述光信息处理模块包括拉曼散射子模块、布里渊散射子模块和瑞利散射子模块；
所述拉曼散射子模块与所述波分解复用器连接，所述拉曼散射子模块用于获取所述第四脉冲光并根据所述第四脉冲光获取所述OPGW中的温度；
所述布里渊散射子模块与所述波分解复用器连接，所述布里渊散射子模块用于获取所述第五脉冲光并根据所述第五脉冲光获取所述OPGW的布里渊峰值频移；
所述瑞利散射子模块与所述波分解复用器连接，所述瑞利散射子模块用于获取所述第六脉冲光及第六脉冲光中的振幅。
4.根据权利要求3所述的监测装置，其特征在于：
所述拉曼散射子模块包括第三滤波器、第一光电转换器、第二光电转换器和信号处理器，所述第三滤波器与所述波分解复用器连接，所述第三滤波器用于获取所述第四脉冲光并对所述第四脉冲光进行滤光得到的斯托克斯光和反斯托克斯光，所述第一光电转换器和所述第二光电转换器分别与所述第三滤波器连接，所述第一光电转换器用于将所述斯托克斯光转换为第一电信号，所述第二光电转换器用于将所述反斯托克斯光转为第二电信号，所述信号处理器与所述第一光电转换器和所述第二光电转换器连接，所述信号处理器用于根据所述第一电信号和所述第二电信号获取所述OPGW中的温度；
所述布里渊散射子模块包括布拉格光栅、第三光电转换器和第一数据采集器，所述布拉格光栅与所述波分解复用器连接，所述布拉格光栅用于获取所述第五脉冲光，并滤除所述第五脉冲光中的拉曼散射光和瑞利散射光得到布里渊散射光，所述第三光电转换器与所述布拉格光栅连接，所述第三光电转换器用于将所述布里渊散射光转换为第三电信号，所述第一数据采集器连接与所述第三光电转换器连接，所述第一数据采集器用于根据所述第三电信号获取所述OPGW中的布里渊峰值频移；
所述瑞利散射子模块包括第四光电转换器和第二数据采集器，所述第四光电转换器与所述波分解复用器连接，所述第四光电转换器用于获取第六脉冲光并将所述第六脉冲光转换为第四电信号后发送至所述第二数据采集器，所述第二数据采集器与所述第四光电转换器连接，所述第二数据采集器用于根据所述第四电信号获取所述第六脉冲光中的振幅。
5.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于，所述光信息处理模块还包括信号处理子模块；
所述信号处理子模块分别与所述信号处理器、第一数据采集器和第二数据采集器连接，所述信号处理子模块用于根据所述温度、所述布里渊峰值频移和所述振幅得到所述OPGW的固有频率和应变值。
6.根据权利要求5所述的监测装置，其特征在于，所述OPGW的固有属性包括缆径、档距和弧垂。
7.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述OPGW包括信号传输光纤和闲置光纤；
所述光环形器将第一端输入的耦合光从第二端输出至所述OPGW的所述闲置光纤中。
8.根据权利要求6所述的监测装置，其特征在于，所述数据处理模块包括平均值计算单元和归一化单元；
所述平均值计算单元与所述信号处理子模块连接，所述平均值计算单元用于计算多个所述应变值的平均值、多个所述固有频率的平均值和多个所述时间差的平均值；
所述归一化单元与所述平均值计算单元连接，所述归一化单元用于计算所述应变值的归一化值、所述固有频率的归一化值、所述时间差的归一化值、所述缆径的归一化值、所述档距的归一化值和所述弧垂的归一化值，并将所述应变值的归一化值、所述固有频率的归一化值、所述时间差的归一化值、所述缆径的归一化值、所述档距的归一化值和所述弧垂的归一化值输入至所述神经网络模块。
9.根据权利要求2所述的监测装置，其特征在于，所述第一激光器、所述第二激光器和所述第三激光器均为半导体激光器。
10.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，还包括用户终端模块；
所述用户终端模块与所述神经网络模块连接，所述用户终端模块用于显示所述OPGW的断股程度。
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