一种基于相位敏感型光时域反射系统的OPGW覆冰监测系统及方法与流程

文档序号:19687043发布日期:2020-01-14 18:15阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种相位敏感型光时域反射系统,该系统包括窄线宽激光器(1),1×2光纤耦合器(2),声光调制器(3),掺铒光纤放大器(4),光纤环形器(5),传感光纤(6),任意波形发生器(7),2×2光纤耦合器(8),平衡光探测器(9),数据采集卡(10),计算机(11),其特征在于:

窄线宽激光器(1),用于产生激光输出给1×2光纤耦合器(2);

1×2光纤耦合器(2),用于将激光分成两路,一路作为传感探针光输入到声光调制器(3),另一路作为本地参考光输入到2×2光纤耦合器(8);

声光调制器(3),将传感探针光调制为光脉冲,并将光脉冲传输到掺铒光纤放大器(4);

掺铒光纤放大器(4),对声光调制器(3)输出的光脉冲信号进行功率放大,并将放大后的光脉冲信号输入到光纤环形器(5)的一号端口;

光纤环形器(5),由一号端口接收光脉冲信号并由二号端口输出到传感光纤(6),传感光纤(6)产生的瑞利背向散射光由二号端口输入并由三号端口输出到2×2光纤耦合器(8);

任意波形发生器(7),产生频率可调的脉冲序列,对声光调制器3进行控制实现光脉冲输出,该脉冲序列同时作为数据采集卡(10)的采集触发源;

2×2光纤耦合器(8),用于传感光纤背向散射光与本地参考光的合波;

平衡光探测器(9),用于将2×2光纤耦合器(8)输出的光信号转换成电信号,电信号输出到数据采集卡(10);

数据采集卡(10),采集平衡光探测器(9)输出电信号并转换将其为数字信号传递给计算机(11);

计算机(11),用于对数据采集卡(10)所采集的数字信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于上述相位敏感型光时域反射系统实现的架空地线复合光缆覆冰监测方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤:

步骤1:将相位敏感型光时域反射(φ-otdr)系统中的传感光纤使用跳线光纤与架空地线复合光缆(opgw)中的光纤进行连接,在光纤长度轴上设置多个采样点,使用φ-otdr系统中的计算机在预设时间段内对不同的采样点进行多次采集,得到两个杆塔之间架空地线复合光缆的光纤中瑞利背向散射(rbs)信号在测量时间轴和光纤长度轴上的分布;

步骤2:将步骤1中预设时间内多次采集得到的每个采样点的rbs信号进行相位解调,相位解调之后的相位信号在光纤长度轴上每个采样点对应的相位值沿时间轴以固定的时间窗口进行傅里叶变换,再通过低通滤波得到相位信号的频谱;

步骤3:步骤2最后得到的相位信号频谱为一个二维数组,二维数组的行表示某频率分量在光纤长度轴所有采样点上的强度分布信息,二维数组的列表示光纤长度轴某采样点在所有频率分量上的强度分布信息,将二维数组的每一列均进行数值上的处理,求取出光纤长度轴上每个采样点表示位置处的第一个谐振峰的峰值频率大小;

步骤4:将光纤长度轴上每个采样点表示位置处的第一个谐振峰的峰值频率拼接成一个一维数组,将这个一维数组以设定的窗口宽度进行中值滤波,得到平滑处理之后的频率信息一维数组,该一维数组中的每个元素即为预设时间段内光纤长度轴上每个采样点表示位置处第一个谐振峰的峰值频率,元素索引即为光纤长度轴上每个采样点表示的位置;

步骤5:将φ-otdr系统在连续时间内进行多次上述步骤1的预设时间段采集,并将采集得到的多个rbs信号均作上述步骤2到步骤4的处理,对处理之后得到的多个频率信息一维数组,统计它们在相同元素索引处各峰值频率出现的频次,将出现频次最高的峰值频率记为该采样点表示光纤位置的谐振频率,最后得到架空地线复合光缆中光纤长度轴上每个采样点表示位置在连续时间内的谐振频率;

步骤6:在架空地线复合光缆未覆冰的情况下,对φ-otdr系统进行上述步骤1到步骤5的处理,得到架空地线复合光缆未覆冰情况下的谐振频率,记为标定谐振频率f01,在架空地线复合光缆覆冰的情况下,对φ-otdr系统进行上述步骤1到步骤5的处理,得到架空地线复合光缆未覆冰情况下的谐振频率,记为实际谐振频率f02,根据所测得的f01和f02可以计算出实际覆冰厚度的大小。

3.根据权利要求2所述的架空地线复合光缆覆冰监测方法,其特征在于,所述步骤3中,将相位信号频谱二维数组的每一列均进行数值上的处理,具体如下:

相位信号频谱二维数组的每一列均可以看作是一个以频率分量f作为元素索引的一维数组,对于该数组中的每个元素均作如下式的处理,

其中,为一维数组元素在处理之后的数值,in(f)为一维数组元素,n为相位信号频谱二维数组每一列的序号,f为一维数组元素的索引且f∈n*,且f大于等于1;

将一维数组的每个元素均进行上式处理,得到新的一维数组并取其元素中首个峰值所对应的元素索引f,即为光纤长度轴上每个采样点表示位置处的第一个谐振峰的峰值频率大小。

4.根据权利要求2或3任一项所述的架空地线复合光缆覆冰监测方法,其特征在于,所述步骤6中,根据f01及f02来计算架空地线复合光缆实际覆冰厚度的具体步骤如下:

步骤1:根据标定谐振频率f01,架空地线复合光缆在未覆冰情况下的水平张力t01:t01=4m0l2f012,其中,l为两相邻杆塔架空地线复合光缆悬挂点间的水平距离,m0为未覆冰情况下架空地线复合光缆的单位长度质量,架空地线复合光缆在未覆冰情况下的水平应力σ01:其中,a为架空地线复合光缆的截面积;

步骤2:架空地线复合光缆在覆冰情况下单位长度质量m02与覆冰厚度b关系为:m02=m0+0.9πb(d+b)×10-3,其中,d为架空地线复合光缆直径,根据实际谐振频率f02,架空地线复合光缆在覆冰情况下的水平应力σ02:

步骤3:架空地线复合光缆状态方程的基本形式如下:

其中,e为架空地线复合光缆的杨氏模量,β为两相邻杆塔架空地线复合光缆悬挂点间的水平距离高差角,α为架空地线复合光缆的热膨胀系数,t1和t2分别为未覆冰和覆冰情况下架空地线复合光缆的温度,γ′和γ分别为覆冰和未覆冰情况下的综合比载,所述γ′和γ与单位长度质量关系为:其中,g为重力加速度,上述关系式在实际情况中忽略项αecosβ(t2-t1)进行计算;

将上述步骤1至步骤2得到的关系式代入架空地线复合光缆状态方程,得到的方程为:

经过计算可以获得架空地线复合光缆的实际等值覆冰厚度b。

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