CN113758508A - 一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于输电线路环境火灾及外力破坏事件监测的装置，它基于分布式光纤传感架构，通过集约化的硬件模块设计，同时提取和分析光纤拉曼散射信号和瑞利散射信号，测量输电线路沿线的温度和振动频率信息，利用拉曼谱温度解调算法和瑞利振动谱模式识别算法分别研判输电线路沿线温度和外力破坏事件。装置中还包含通信模块，装置量测与诊断结果将发送给输电线路运维人员或巡线机器人，以便迅速开展线路运行和维护操作，辅助实现对输电线路的人、机、物协同运维。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置。
背景技术
光纤由于具有无源、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、柔性和延伸性好等特点，已经在传感技术领域得到广泛应用。在电力系统中，输电线路也有一部分融合了光纤，比如光纤复合架空地线、光纤复合相线、全介质自承式光纤复合电缆、光纤复合低压电缆等。于是，利用电力领域丰富的光纤资源开展输电线路状态监测已成为当前研究的主流。随着城市建设的发展，地埋电缆铺设、地下综合管廊建设等，对输电线路沿线状况需要及时掌控，而利用光纤传感的方式相对于无线传感或电子式传感具有许多优势。输电线路本体及环境的异常温升(火灾)、外力破坏是当前输电线路运维和管理中存在的典型危害性因素，亟待通过合理且高效的方式予以解决。
发明专利“输电线路火灾应急处置智能指挥系统”(中国，公开号：CN103955196A，公开日期：2014.7.30)基于由车载式应急电源、并联音频传感器、视频传感器和通讯模块等感知输电线路火灾并进行预警，由于音频传感器和视频传感器监测覆盖范围有限，巡检整条输电线路还得车载移动来实现。这样，对输电线路巡检的效率低，难以及时发现外部火灾或输电线路内在的由于缺陷导致的温升情况。发明专利“一种多功能分布式光纤传感装置”(中国，公开号：107421570A，公开日期：2017.12.1),基于分布式光纤传感技术架构，采用传感光信号的直接切换控制和双通道数据采集与处理模块对瑞利散射信号和布里渊散射信号进行处理，实现对被测光纤的衰减、振动、温度和应变信息的多功能监测和显示，但是该装置中布里渊信号提取和分析硬件结构复杂，测温相对耗时较多，而且并未输电线路火灾及外力破坏预警提供相应的算法支持，以及提供面向人、机、物协同运维通信功能。目前，用于输电线路运维的光纤传感装置中，测温装置如拉曼光时域反射仪、布里渊光时域反射仪、外力破坏监测装置如相敏型光时域反射仪、偏振光时域反射仪、光纤赛格奈克干涉仪各自独立，造成输电线路状态监测设备的投入极高，而且，监测设备缺少通信模块，与运维人员以及巡线机器人或无人机还没有形成互联互通，因此，预警的实时性较差，难以形成人、机、物协同的输电线路运维需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，基于光纤光时域反射传感架构，同时提取所述传感光纤中的背向拉曼散射光信号和瑞利散射光信号，采用改进的温度解调算法和振动谱提取算法，同时测量和诊断输电线路沿线的温度(火灾)事件、外力破坏事件，结合数据通信功能，辅助输电线路的人、机、物协同运维。
本发明提供的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，其改进之处在于，所述检测装置包括：激光发射模块、三端口光纤环形器、光学起偏器、波分复用器、光纤温度标定模块、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集与诊断模块、通信模块；
所述激光发射模块发出的激光脉冲接入所述三端口光纤环形器的1端口，然后从所述三端口光纤环形器的2端口输出，再接入所述光学起偏器；
所述光学起偏器将激光脉冲转换线偏振光，所述光学起偏器输出的线偏振光接入所述波分复用器的0端口，然后从所述波分复用器的1端口输出，再接入光纤温度标定模块；
所述光纤温度标定模块包括一段温度标定光纤和一个电子式温度传感器，所述温度标定光纤的一端连接波分复用器的1端口，另一端连接所述传感光纤的一端；所述电子式温度传感器将温度数据传送给所述数据采集与诊断模块；
激光脉冲在所述温度标定光纤和所述传感光纤中传输时，产生的背向瑞利散射光和拉曼散射光经所述波分复用器的1端口进入后，拉曼散射光中的斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别由所述波分复用器的2端口和3端口输出，再接入所述第一光电探测器；所述第一光电探测器将拉曼散射光中的斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别转换成电信号，再由所述数据采集与诊断模块采集得到斯托克斯分量的时域电压数据和反斯托克斯分量的时域电压数据；而背向瑞利散射光经所述光学起偏器接入所述三端口光纤环形器的2端口，并由所述三端口光纤环形器的3端口输出；所述第二光电探测器连接所述三端口光纤环形器的3端口，将背向瑞利散射光转换成电信号，再由所述数据采集与诊断模块采集得到背向瑞利散射光的时域电压数据；
所述数据采集与诊断模块中包含数据处理单元，利用拉曼散射信号温度解调算法得到所述传感光纤沿线的温度数据以预警输电线路沿线的火灾事件，利用振动频谱提取算法处理背向瑞利散射光的时域电压数据获得所述传感光纤沿线的振动频谱信息，并通过振动频谱模式识别算法预警输电线路沿线的外力破坏事件；
所述数据采集与诊断模块将数据处理和诊断结果传输给所述通信模块；所述通信模块接入通信网络，将预警信息传送到输电线路运维人员的通信终端或输电线路运维机器人通信终端，辅助开展输电线路人、机、物协同运维。
其中，背向拉曼散射光中的斯托克斯分量的时域电压数据，包含位置信息L，温度信息T，记为St(L,T)；背向拉曼散射光中的反斯托克斯分量的时域电压数据，包含位置信息L，温度信息T，记为ASt(L,T)，背向瑞利散射光的时域电压数据包含位置信息L，记为R(L)；所述位置信息L代表光纤沿线的位置，由光纤中的光速乘以采集卡的计时再除以2得到，所述温度信息T表示光纤沿线任意位置点L处待测的温度值。
其中，所述拉曼散射信号温度解调算法包括以下步骤：
1)在所述温度标定光纤区域选取某一确定位置L0，结合所述电子式温度传感器测得的温度值T0，以及所述数据采集与诊断模块采集到的在所述位置L0处的背向拉曼散射光中的斯托克斯分量电压值和反斯托克斯分量电压值，从而得到所述温度标定光纤上L0处背向拉曼散射光中的托克斯分量电压St(L0,T0)和反斯托克斯分量电压ASt(L0,T0)；
2)由背向拉曼散射光中的斯托克斯分量和反斯托克斯分量的时域电压数据计算出所述传感光纤对应的背向拉曼散射光中的斯托克斯分量衰减系数a1和反斯托克斯分量衰减系数a2；结合所述传感光纤(104)沿线位置信息L和所述温度标定光纤上L0处背向拉曼散射光中的斯托克斯分量电压St(L0,T0)和反斯托克斯分量电压ASt(L0,T0)，计算出温度为T0时所述传感光纤(104)沿线的背向拉曼散射光中的斯托克斯分量电压St(L,T0)和反斯托克斯分量电压ASt(L,T0)；
3)利用公式
解调出所述传感光纤沿线各位置L对应的温度信息T，其中T为所述传感光纤沿线待测的温度，T0为电子式温度传感器反馈的温度值，kB为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，ν为传感光纤对应的拉曼散射谱带宽。
其中，所述振动频谱提取算法包括以下步骤：
1)将采集得到的200个连续测量周期的背向瑞利散射光的时域电压数据记为R(L)，按位置信息L对齐，形成一个以测量周期次序时间为行，位置信息L对应的电压值为列的数组D；
2)对所述数组D中各列进行傅里叶变换，得到所述传感光纤沿线的振动频谱信息。
其中，所述的预警输电线路沿线的火灾事件是指测得温度超过预先设定的阈值时发送火灾预警信息；所述的预警输电线路沿线的外力破坏事件是指振动频谱的持续时间超过预先设定的时间的条件下发送外力破坏预警信息。
优选地，所述激光发射模块采用脉冲激光器。
优选地，所述激光发射模块包括连续光激光器和光脉冲调制器，所述连续激光器产生的连续光经所述光脉冲调制器调制产生光脉冲。
优选地，所述第一光电探测器采用双光路功率探测型雪崩光电探测器。
优选地，所述数据采集与诊断模块采样率大于100Msps，所述通信模块通过网口接入通信网。
优选地，所述光纤温度标定模块中温度标定光纤绕在一个直径小于10厘米的光纤盘上，所述电子式温度传感器置于光纤盘的中心区域。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
与现有技术相比，本发明在光时域反射系统架构基础上，优化传感系统光路结构和电路结构，改进信号采集、处理和诊断算法，融入了通信和控制功能，系统设计更加紧凑、高效，可极大地节省监测装置成本，特别是，本发明具备对输电线路环境火灾与外力破坏同时监测与诊断的能力，还可用于辅助输电线路人、机、物协同运维和管理。
附图说明
图1为本发明实施例的一种输电线路环境火灾及外力破坏检测装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的一种激光发射模块的结构示意图。
图3为本发明实施例的光纤温度标定模块的结构示意图。
图4为本发明实施例涉及的双光路功率探测型雪崩光电探测器结构示意图。
图5为本发明实施例的斯托克斯分量的时域电压数据和反斯托克斯分量的时域电压数据特征示意图。
图6为本发明实施例涉及的振动频谱模式识别算法示意图。
图7为本发明实施例关于温度T0时传感光纤沿线的背向拉曼散射光中的斯托克斯分量电压和反斯托克斯分量电压获取示意图。
图8为本发明实施例涉及的温度解调结果示意图。
图9为本发明实施例涉及的振动频谱提取过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实施例提供的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，如图1所示，所述监测装置包括：激光发射模块101、三端口光纤环形器102、光学起偏器201、波分复用器103、光纤温度标定模块301、传感光纤104、第一光电探测器105、第二光电探测器106、数据采集与诊断模块107、通信模块108。
所述激光发射模块101发出的激光脉冲接入所述三端口光纤环形器102的1端口，然后从所述三端口光纤环形器102的2端口输出，再接入所述光学起偏器201。
优选地，所述激光发射模块101采用脉冲激光器。
优选地，所述激光发射模块101包括连续光激光器和光脉冲调制器，连续激光器产生的连续光经光脉冲调制器调制产生光脉冲，如图2所示。
所述光学起偏器201将激光脉冲转换线偏振光，所述光学起偏器201输出的线偏振光接入波分复用器103的0端口，然后从所述波分复用器103的1端口输出，再接入所述光纤温度标定模块301；所述光纤温度标定模块301包括一段温度标定光纤和一个电子式温度传感器，优选地，所述光纤温度标定模块301中温度标定光纤绕在一个直径小于10厘米的光纤盘上，所述电子式温度传感器置于光纤盘的中心区域，光纤温度标定模块301的结构如图3所示；所述温度标定光纤的一端连接波分复用器103的1端口，另一端连接所述传感光纤104的一端；所述电子式温度传感器将温度数据传送给所述数据采集与诊断模块107。
激光脉冲在所述温度标定光纤和所述传感光纤104中传输时，产生的背向瑞利散射光和拉曼散射光经所述波分复用器103的1端口进入后，拉曼散射光中的斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别由所述波分复用器103的2端口和3端口输出，再接入所述第一光电探测器105；优选地，所述第一光电探测器105采用双光路功率探测型雪崩光电探测器，如图4所示。
所述第一光电探测器105将拉曼散射光中的斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别转换成电信号，再由所述数据采集与诊断模块107采集得到斯托克斯分量的时域电压数据和反斯托克斯分量的时域电压数据，如图5中所示；而背向瑞利散射光经所述光学起偏器201接入所述三端口光纤环形器102的2端口，并由所述三端口光纤环形器102的3端口输出；所述第二光电探测器106连接所述三端口光纤环形器102的3端口，将背向瑞利散射光转换成电信号，再由所述数据采集与诊断模块107采集得到背向瑞利散射光的时域电压数据。
所述数据采集与诊断模块107采样率大于100Msps，所述数据采集与诊断模块107中包含数据处理单元，利用拉曼散射信号温度解调算法得到所述传感光纤104沿线的温度数据以预警输电线路沿线的火灾事件；利用振动频谱提取算法处理背向瑞利散射光的时域电压数据获得所述传感光纤104沿线的振动频谱信息，并通过振动频谱模式识别算法预警输电线路沿线的外力破坏事件，如图6所示，将测得的某位置处的振动谱与数据库中的振动谱对比，识别相应事件如挖掘机、推土机、冲击锤施工等；
所述数据采集与诊断模块107将数据处理和诊断结果传输给所述通信模块108；通信模块108接入通信网络，将预警信息传送到输电线路运维人员的通信终端或输电线路运维机器人通信终端，辅助开展输电线路人、机、物协同运维。
其中，背向拉曼散射光中的斯托克斯分量的时域电压数据，包含位置信息L，温度信息T，记为St(L,T)；背向拉曼散射光中的反斯托克斯分量的时域电压数据，包含位置信息L，温度信息T，记为ASt(L,T)，背向瑞利散射光的时域电压数据包含位置信息L，记为R(L)；所述位置信息L代表光纤沿线的位置，由光纤中的光速乘以采集卡的计时再除以2得到，所述温度信息T表示光纤沿线任意位置点L处待测的温度值。
其中，所述拉曼散射信号温度解调算法包括以下步骤：
1)在所述温度标定光纤区域选取某一确定位置L0，结合所述电子式温度传感器测得的温度值T0，以及所述数据采集与诊断模块107采集到的在所述位置L0处的背向拉曼散射光中的斯托克斯分量电压值和反斯托克斯分量电压值，从而得到所述温度标定光纤上L0处背向拉曼散射光中的托克斯分量电压St(L0,T0)和反斯托克斯分量电压ASt(L0,T0)，如图7中所示；
2)由背向拉曼散射光中的斯托克斯分量和反斯托克斯分量的时域电压数据计算出所述传感光纤104对应的背向拉曼散射光中的斯托克斯分量衰减系数a1和反斯托克斯分量衰减系数a2，并结合所述传感光纤104沿线位置信息L和所述温度标定光纤上L0处背向拉曼散射光中的斯托克斯分量电压St(L0,T0)和反斯托克斯分量电压ASt(L0,T0)，计算出温度为T0时所述传感光纤104沿线的背向拉曼散射光中的斯托克斯分量电压St(L,T0)和反斯托克斯分量电压ASt(L,T0)，如图7所示；
3)利用公式
解调出传感光纤104沿线各位置L对应的温度信息T，其中T为传感光纤104沿线待测的温度，T0为电子式温度传感器反馈的温度值，kB为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，ν为传感光纤104对应的拉曼散射谱带宽，温度解调结果如图8所示。
其中，所述振动频谱提取算法包括以下步骤：
1)将采集得到的200个连续测量周期的背向瑞利散射光的时域电压数据记为R(L)，按位置信息L对齐，形成一个以测量周期次序时间为行，位置信息L对应的电压值为列的数组D；
2)对所述数组D中各列进行傅里叶变换，得到所述传感光纤104沿线的振动频谱信息，如图9所示。
其中，所述的预警输电线路沿线的火灾事件是指测得温度超过预先设定的阈值时发送火灾预警信息；所述的预警输电线路沿线的外力破坏事件是指振动频谱的持续时间超过预先设定的时间的条件下发送外力破坏预警信息。
所述通信模块108通过网口接入通信网，将预警信息传送到输电线路运维人员的通信终端或输电线路运维机器人通信终端，辅助开展输电线路人、机、物协同运维。
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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，其特征在于，所述监控装置包括：激光发射模块(101)、三端口光纤环形器(102)、光学起偏器(201)、波分复用器(103)、光纤温度标定模块(301)、传感光纤(104)、第一光电探测器(105)、第二光电探测器(106)、数据采集与诊断模块(107)、通信模块(108)；
所述激光发射模块(101)发出的激光脉冲接入所述三端口光纤环形器(102)的1端口，然后从所述三端口光纤环形器(102)的2端口输出，再接入所述光学起偏器(201)；
所述光学起偏器(201)将激光脉冲转换线偏振光，所述光学起偏器(201)输出的线偏振光接入波分复用器(103)的0端口，然后从所述波分复用器(103)的1端口输出，再接入光纤温度标定模块(301)；
所述光纤温度标定模块(301)包括一段温度标定光纤和一个电子式温度传感器，所述温度标定光纤的一端连接所述波分复用器(103)的1端口，另一端连接所述传感光纤(104)的一端；所述电子式温度传感器将温度数据传送给所述数据采集与诊断模块(107)；
激光脉冲在所述温度标定光纤和所述传感光纤(104)中传输时，产生的背向瑞利散射光和拉曼散射光经所述波分复用器(103)的1端口进入后，拉曼散射光中的斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别由所述波分复用器(103)的2端口和3端口输出，再接入所述第一光电探测器(105)；所述第一光电探测器(105)将拉曼散射光中的斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别转换成电信号，再由所述数据采集与诊断模块(107)采集得到斯托克斯分量的时域电压数据和反斯托克斯分量的时域电压数据；而背向瑞利散射光经所述光学起偏器(201)接入所述三端口光纤环形器(102)的2端口，并由所述三端口光纤环形器(102)的3端口输出；所述第二光电探测器(106)连接所述三端口光纤环形器(102)的3端口，将背向瑞利散射光转换成电信号，再由所述数据采集与诊断模块(107)采集得到背向瑞利散射光的时域电压数据；
所述数据采集与诊断模块(107)中包含数据处理单元，利用拉曼散射信号温度解调算法得到所述传感光纤(104)沿线的温度数据以预警输电线路沿线的火灾事件，利用振动频谱提取算法处理背向瑞利散射光的时域电压数据获得所述传感光纤(104)沿线的振动频谱信息，并通过振动频谱模式识别算法预警输电线路沿线的外力破坏事件；
所述数据采集与诊断模块(107)将数据处理和诊断结果传输给所述通信模块(108)；所述通信模块(108)接入通信网络，将预警信息传送到输电线路运维人员的通信终端或输电线路运维机器人通信终端，辅助开展输电线路人、机、物协同运维。
2.根据权利要求1所述的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，其特征在于，背向拉曼散射光中的斯托克斯分量的时域电压数据，包含位置信息L，温度信息T，记为St(L,T)；
背向拉曼散射光中的反斯托克斯分量的时域电压数据，包含位置信息L，温度信息T，记为ASt(L,T)，背向瑞利散射光的时域电压数据包含位置信息L，记为R(L)；
所述位置信息L代表光纤沿线的位置，由光纤中的光速乘以采集卡的计时再除以2得到，所述温度信息T表示光纤沿线任意位置点L处待测的温度值。
3.根据权利要求1所述的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，其特征在于，所述拉曼散射信号温度解调算法包括以下步骤：
1)在所述温度标定光纤区域选取某一确定位置L0，结合所述电子式温度传感器测得的温度值T0，以及所述数据采集与诊断模块(107)采集到的在所述位置L0处的背向拉曼散射光中的斯托克斯分量电压值和反斯托克斯分量电压值，从而得到所述温度标定光纤上L0处背向拉曼散射光中的托克斯分量电压St(L0,T0)和反斯托克斯分量电压ASt(L0,T0)；
2)由背向拉曼散射光中的斯托克斯分量和反斯托克斯分量的时域电压数据计算出所述传感光纤(104)对应的背向拉曼散射光中的斯托克斯分量衰减系数a1和反斯托克斯分量衰减系数a2；结合所述传感光纤(104)沿线位置信息L和所述温度标定光纤上L0处背向拉曼散射光中的斯托克斯分量电压St(L0,T0)和反斯托克斯分量电压ASt(L0,T0)，计算出温度为T0时所述传感光纤(104)沿线的背向拉曼散射光中的斯托克斯分量电压St(L,T0)和反斯托克斯分量电压ASt(L,T0)；
3)利用公式
解调出所述传感光纤(104)沿线各位置L对应的温度信息T，其中T为所述传感光纤(104)沿线待测的温度，T0为电子式温度传感器反馈的温度值，kB为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，ν为所述传感光纤(104)对应的拉曼散射谱带宽。
4.根据权利要求1所述的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，其特征在于，所述振动频谱提取算法包括以下步骤：
1)将采集得到的200个连续测量周期的背向瑞利散射光的时域电压数据记为R(L)，按位置信息L对齐，形成一个以测量周期次序时间为行，位置信息L对应的电压值为列的数组D；
2)对所述数组D中各列进行傅里叶变换，得到所述传感光纤(104)沿线的振动频谱信息。
5.根据权利要求1所述的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，其特征在于，所述的预警输电线路沿线的火灾事件是指测得温度超过预先设定的阈值时发送火灾预警信息，所述的预警输电线路沿线的外力破坏事件是指振动频谱的持续时间超过预先设定的时间的条件下发送外力破坏预警信息。
6.根据权利要求1所述的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，其特征在于，所述激光发射模块(101)采用脉冲激光器。
7.根据权利要求1所述的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，其特征在于，所述激光发射模块(101)包括连续光激光器和光脉冲调制器，所述连续激光器产生的连续光经所述光脉冲调制器调制产生光脉冲。
8.根据权利要求1所述的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，其特征在于，所述第一光电探测器(105)采用双光路功率探测型雪崩光电探测器。
9.根据权利要求1所述的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，其特征在于，所述数据采集与诊断模块(107)采样率大于100Msps，所述通信模块(108)通过网口接入通信网。
10.根据权利要求1所述的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，其特征在于，所述光纤温度标定模块(301)中温度标定光纤绕在一个直径小于10厘米的光纤盘上，所述电子式温度传感器置于光纤盘的中心区域。
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| CN202111086899.XA CN113758508A (zh) | 2021-09-16 | 2021-09-16 | 一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010068575A (ko) * | 2000-01-07 | 2001-07-23 | 윤문수 | 정전력 검출 센서 및 그를 이용한 광학적 전압 측정 장치 |
| CN103364107A (zh) * | 2013-07-31 | 2013-10-23 | 北京航空航天大学 | 一种衰减自补偿的光纤拉曼电缆温度监测与报警系统 |
| CN107421625A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-12-01 | 中光华研电子科技有限公司 | 一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统 |
| CN111121873A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-05-08 | 武汉奥旭正源电力科技有限公司 | 一种分布式光纤传感装置 |
-
2021
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010068575A (ko) * | 2000-01-07 | 2001-07-23 | 윤문수 | 정전력 검출 센서 및 그를 이용한 광학적 전압 측정 장치 |
| CN103364107A (zh) * | 2013-07-31 | 2013-10-23 | 北京航空航天大学 | 一种衰减自补偿的光纤拉曼电缆温度监测与报警系统 |
| CN107421625A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-12-01 | 中光华研电子科技有限公司 | 一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统 |
| CN111121873A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-05-08 | 武汉奥旭正源电力科技有限公司 | 一种分布式光纤传感装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 周进: "多参数分布式光纤传感系统关键技术研究", 《硕士电子期刊》, no. 2016, 16 May 2016 (2016-05-16), pages 2 * |
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