基于室外小档距OPPC光缆的分布式光纤测振系统及方法与流程

本发明涉及电力光缆安全防护装置及措施技术领域，尤其涉及基于室外小档距oppc光缆的分布式光纤测振系统及方法。

背景技术：

输电线路舞动是不均匀覆冰导线在风激励下产生的一种低频率（0.1～5hz）、大振幅（导线直径的20～300倍）的自激振动。高压输电线路舞动能量大，持续时间长，易造成线路闪络、跳闸、杆塔螺栓松动、脱落，严重时会发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，甚至倒塔，导致重大电网事故。为防止类似事故的发生，便需要进行振动量的测量试验。振动量测量在结构健康监测、电力、航空航天等领域具有非常高的应用价值，传统的振动测量方法为电测量法，存在灵敏度低，体积大，安装限制等问题，且传统的振动测量只能进行点式测量。

分布式光纤传感技术是指在光纤传输路径上的外部信号通过一定的方法对光纤种的光波进行调试，以实现被测量对象的连续空间的实时测量。光纤同时具有导光介质和传感元件的功能。相比于传统的振动传感器，光纤传感器具有灵敏度高、动态范围大、体积小、重量轻、不易受环境影响等特点，可进行全分布的监控。

基于相位敏感的光时域反射型（φ-otdr）传感器与传统型otdr最大的不同就是采用了具有窄线宽和低频率漂移特性相干光源，相应极大地提高了空间分辨率（可达1m）和振动强度分辨率。利用这种散射光的相干性设计出的相位敏感型光时域反射系统，光纤本身既是传输媒质又是感知元件，光纤上任意一点都是传感单元，是一种真正意义上的全分布式光纤传感器。

专利号为201410027722.6的发明公开了一种检测振动的光纤传感器，属于光纤传感技术领域。该光纤传感器包括传导光纤、光纤光栅、简支梁和带有开口的非金属保护外壳；光纤光栅和简支梁置于非金属保护外壳中，光纤光栅粘贴在简支梁上，且光纤光栅的中心点与简支梁的中心点对齐；非金属保护外壳的一个侧壁上开有开口，简支梁的一端从开口中穿出，另一端固定在非金属保护外壳的另一个侧壁上。该发明所述的光纤传感器不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅进行分布式测量，形成一个分布式的传感网络

专利号为201510917944.x的发明涉及光学工程、光纤光学和信息获取与感知技术领域，具体涉及一种u型传感光纤部署结构的光纤分布式传感系统。本发明将光纤分布式传感系统中用于检测振动信号的传感光纤布置成多u型结构，该多u型结构由n条平行边构成n-1个u型，且相邻u型方向相反，n>1。从传感光纤起始端将其依次划分为一系列连续且等长的通道，各通道的长度为入射脉冲激光线宽t的一半。传感光纤各平行边上的每个通道与相邻平行边对应的通道在垂直于平行边方向上不重叠。该发明在不减小光源脉冲宽度，不牺牲光源入射功率，不减小光电探测器最小积分时间的基础上，提高了系统的空间分辨率

专利号为201210060041.0的发明公布了基于相位解调的超大动态范围分布式光纤传感装置及方法。其中包括光源，耦合器，声光调制器，光放大器，环形器，探测器，自动增益控制装置，调制器驱动装置，锁相放大器，传感光缆，信号处理以及信号输出装置。本发明采用了自动增益控制装置，可以实现大动态范围的信号检测；采用了锁相放大器的相位解调检测装置，降低了强度噪声的影响，可以实现了高灵敏度，高带宽振动信号检测，从而可以实现大动态范围分布式振动传感。该发明的有益效果为可实现具有如下优势的长距离分布式传感：动态范围大，定位精度高，干涉传感灵敏度高，检测振动信号的带宽大，可多点定位，检测距离长等。

然而，上述方案的侧重点均放在光纤传感部件的实际应用方面，对测振所需要的数据处理及分析输出并未作出详细描述，所以并为构成完整的测振技术方案，存在应用功能上的缺陷，而且还都存在对于输电线路舞动特征研究针对性不强的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供基于室外小档距oppc光缆的分布式光纤测振系统及方法，它能够针对输电线路舞动特点，提出针对性的测振模拟试验方案，实现舞动特征识别等数据的采集与分析，为室外真型试验线路上的长距离监测作出理论与实践基础。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：基于室外小档距oppc光缆的分布式光纤测振系统，包括光路调制系统以及与所述光路调制系统相连接的电子解调系统，所述光路调制系统包括脉冲激光序列单元、光电转换单元以及分别与两者连接的环形器，所述环形器连接舞动线路的测试光纤；所述电子解调系统包括顺次连接的数据采集模块、数据解调模块、嵌入式处理器和上位机，所述嵌入式处理器与所述上位机之间通过网络端口连接；所述数据解调模块包括fpga数据处理模块及其连接的时钟单元、触发单元。

进一步地，所述脉冲激光序列单元包括顺次连接的激光器、调制器和放大器，所述激光器包括极窄线宽激光器模块。

进一步地，所述调制器为声光调制器，可将连续光转换为脉冲光。

进一步地，所述放大器为掺铒光纤放大器。

进一步地，所述光电转换单元包括与所述环形器连接的光纤干涉仪以及与所述光纤干涉仪连接的光电探测器。

进一步地，所述数据采集模块包括模拟信号采集模块和数字信号转换模块，所述模拟信号采集模块包括交流耦合式模拟采样通道，所述数字信号转换模块可通过通用i/o方法及用户自定义协议与外部设备互联。

进一步地，所述触发单元包括软件触发模块与外部触发模块，所述软件触发模块包括上升沿、下降沿、高电平、低电平四种模式。

进一步地，所述数据解调模块包括数据总线，所述fpga数据处理模块通过pcie数据总线与所述嵌入式处理器连接。

进一步地，所述网络端口包括万兆以太网口和高速usb通用接口。

基于室外小档距oppc光缆的分布式光纤测振方法，包括如下步骤：

1)由脉冲激光序列单元的激光器发出激光，经过声光调制器的脉冲调制，调制成重复频率为f，脉宽为w的脉冲序列，经过光功率放大器的功率放大后，经过环形器注入到传感光纤；

2)在前向脉冲光遍历传感光纤时，后向瑞利散射光逆着光传播方向经环形器进入到光纤干涉仪中，经过干涉仪的干涉调制，干涉信号经过光电探测器的光电转换，进入到电子解调系统中；

3）数据采集模块向光路调制系统提供驱动脉冲，通过采集光电探测器输出的多路电压信号，并将模拟电压信号转换为数字信号；

4）转换后的数字信号通过自定义协议的方式传送给fpga数据处理模块，并通过在fpga上自定义的解调算法，得到光路调制系统的振动信号；

5）数据解调模块运用高速传输引擎将振动信号数据通过数据总线传送给高性能嵌入式处理器，并通过万兆网将数据发给上位机进行数据的存储、显示、配置操作；

6）依据上位机的最终数据筛选所需的信息量，实现传感目的，进而获取室内舞动试验机的舞动线路振动信息。

本发明的有益效果包括以下几个方面：

1、本发明主要应用于实时监测室外小档距oppc光缆线路的舞动状态，具备强大的多重监测功能，既能对舞动状态进行定性监测，也可对舞动线路进行舞动幅度频率的定量监测，同时可以监测室外小档距oppc光缆常见的低频舞动状态；

2、本发明测振系统安装简便，通过简单的电路式连接即可，安装后可直接放置在室内，进行简易操作即可进行设备的运行和监测；

3、本发明依靠嵌入式处理器以及通过时钟脉冲触发的fpga模块及时获取光缆试验线路在各个舞动频率下的实时数据并进行数据积累，为今后在室外真型试验线路上的长距离监测做铺垫。

附图说明

图1是本发明分布式光纤测振系统的结构原理图。

图2是本发明电子解调系统的结构原理图。

图3是本发明的分布式光纤测振方法流程图。

具体实施方式

实施例

如图1所示，基于室外小档距oppc光缆的分布式光纤测振系统，包括光路调制系统以及与光路调制系统相连接的电子解调系统，光路调制系统包括脉冲激光序列单元、光电转换单元以及分别与两者连接的环形器，环形器连接舞动线路的测试光纤；电子解调系统包括顺次连接的数据采集模块、数据解调模块、嵌入式处理器和上位机，嵌入式处理器与上位机之间通过网络端口连接；数据解调模块包括fpga数据处理模块及其连接的时钟单元、触发单元。其中光路调制系统的光信号经过光电转换模块将光信号转换为电信号，进入电子解调系统，电子解调系统的高速(>100ms/s)ad采集光路信息，经过fpga，在fpga内经过解调算法的处理，将光纤中的振动信息进行提取，通过dma将数据传入高性能armcortex-a9处理器，最后通过万兆网将数据上传pc及，在人机界面上进行显示和存储。

脉冲激光序列单元包括顺次连接的激光器、调制器和放大器，激光器是分布式光纤测振装置中非常关键的部件，采用rio公司的极窄线宽激光器模块，具有极小的频率飘逸，可以迅速响应光相位的变化，干涉作用非常明显。该激光器的光中心波长为1550.12nm，光功率10mw。声光调制器（aom）在系统中，使用的是连续注入的脉冲光来进行探测，因此必须使用调试器将连续光转换为脉冲光。相比于电光调制器，声光调试器工作更加稳定，不受偏振影响，适合工程应用。由于光线制备水平的快速发展，光线的损耗越来越低，瑞利散射光也越来越小，对于长距离的分布式传感器，需要采用光放大技术，采用掺铒光纤放大器（edfa），具有增益高、噪声低、工作频带宽、输出功率高、泵浦功率高等良好特性。

如图2所示，电子解调系统通过dio向光路部分提供驱动脉冲，经过一系列操作对光路进行调制，通过光路部分的光电探测器发出3路表征光路信息的电压信号，通过高速adc进行模拟采集，采集控制单元将采集的电压信号通过自定义协议的方式传送给在fpga上的自定义的解调算法，得到光路部分的振动信号后，高速传输引擎将数据通过pcie总线传送给高性能armcortex-a9处理器，在arm9处理上集成万兆以太网口，通过万兆网将数据发给我上位机进行数据的存储，显示，配置等操作。

数据采集模块包括模拟信号采集模块和数字信号转换模块，模拟信号采集模块的模拟通道采用交流耦合方式，两个巴伦背对背连接，避免降低偶次谐波性能，可以提供88dbc的无杂散动态范围。每个通道的-3db输入带宽为0.5mhz~135mhz，满量程输入范围为2vp-p。数字信号转换模块采用dio资源，板载4通道3.3vlvttl数字量输入和8通道3.3vlvttl数字量输出资源，除了通用的i/o使用方法，用户可自定义uart、spi和i2c等协议与外部设备互联。

数据解调模块包括fpga数据处理模块及其连接的时钟单元、触发单元；fpga数据处理模块采用kintex-7k410tfpga，可使用labviewfpga进行编程。利用labviewfpga的高级信号处理库或集成现有verilog/vhdl。fpga可访问单个2gbddr3ram组，带宽为10.6gb/s。fpga上的两个千兆级收发仪(mgt)可通过sfp+端口连接，从而实现了高达2.5gb/s的高速串行数据流。使用ni提供的代码可允许将数据通过xilinxaurora、由10个千兆以太网组成的网络或集成现有高速串行协议来将数据传输到另一个xilinxfpga上。

时钟单元在上电后默认使用板载的10mhz高精度tcxo作为参考时钟，通过时钟分配器倍频到实际的采样时钟频率。用户可选使用外部的clkin端口输入10mhz时钟作为参考时钟，此时板载tcxo被旁路。无论使用板载参考时钟还是外部参考时钟，在clkout端口都能得到一个交流耦合输出的100mhz时钟。

触发单元提供软件触发和外部触发两种触发方式，其中外部触发可以设置成上升沿触发、下降沿触发、高电平触发、低电平触发4种模式。通过使用外部触发资源，用户可以同步多个板卡的同步采集。

在实际应用中，嵌入式处理器可选用armcortexa9处理器，控制器搭载运行linuxreal-time的667mhz双核armcortex-a9处理器，可部署到现场长时间可靠地运行。嵌入式处理器可使用labviewreal-time进行编程，您还可利用linux社区庞大的软件生态系统。上位机可采用plc式工控机，与中控pc机连接，并通过连接的人机交互界面实现振动数据的实时显示、处理和存储。

图3所示，体现了分布式光纤测振方法流程，即光路调制系统的窄线宽激光器发出窄线宽的激光，经过声光调制器(aom)的脉冲调制，调制成重复频率为f，脉宽为w的脉冲序列，经过光功率放大器的功率放大后，经过环形器注入到传感光纤，在前向脉冲光遍历传感光纤时，后向瑞利散射光逆着光传播方向经环形器进入到光纤干涉仪中，经过干涉仪的干涉调制，干涉信号经过光电探测器的光电转换，进入到电子解调系统，数据采集模块通过采集光电探测器输出的电压信号（3路），将模拟电压信号转换为数字信号，对该数字信号进一步执行数字信号处理算法，得到所需的信息量，解调出传感光纤处的振动信息，实现传感目的，进而获取室内舞动试验机的舞动线路的振动信息。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。