基于分布式光纤振动传感技术的防外破监测预警系统的制作方法

1.本发明涉及电缆防外破监测预警技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤振动传感技术的防外破监测预警系统。


背景技术：

2.在电力系统中，电缆的运行质量对于电力系统的整体运行质量有十分重要的影响，在电力电缆的运行过程当中，对于外力破坏的防护是一项十分重要的管理工作内容，许多电力电缆铺设在地面下的电缆沟内，经常会出现工程施工过程中施工人员不小心破坏地下埋设的电力电缆的情况，既会影响电力系统的稳定运行，给电力企业造成损失，又会影响到供电稳定性，从而影响到周围居民的正常生活用电，因此建立电力线缆的防外破监测预警系统是十分有必要的。分布式光纤振动传感技术具有距离长、精度高、分布式测量的优点，能够提供整个光纤链路上的振动随时间变化的情况，现有的分布式光纤振动传感系统仅能对光纤周边的振动进行预警，而不能对外界振动的纵向距离进行定位，在应用过程中存在较大的误报情况。


技术实现要素：

3.鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于分布式光纤振动传感技术的防外破监测预警系统，以克服或至少部分解决现有技术所存在的上述问题。
4.本发明所采用的技术方案如下：
5.一种基于分布式光纤振动传感技术的防外破监测预警系统，包括信号发射器、隔离设备、探测光缆、信号接收器和上位机，所述信号发射器、探测光缆、信号接收器分别与隔离设备相连接，所述信号接收器与上位机信号相连，所述信号发射器用于将脉冲光信号通过隔离设备输入到探测光缆上，所述探测光缆设置在电缆通道内或者在埋地电缆旁伴行铺设，所述信号接收器用于通过隔离设备接收探测光缆输出的光强信号，将光强信号转化为电流信号，对电流信号进行处理得到振动信号，所述上位机用于对振动信号进行分析定位，确定振动源在探测光缆上的投影位置和纵向距离，向移动终端发送预警信息。
6.进一步的，所述信号发射器包括信号发生器、光脉冲发生器、调制器、放大器和滤波器，所述光脉冲发生器通过光纤向调制器发射连续光脉冲，所述信号发生器通过电线向调制器发送电信号，所述调制器用于对连续光脉冲和电信号进行调制，所述放大器的输入端通过光纤与调制器相连接，其输出端与滤波器相连接，用于对调制器输出的脉冲光信号进行放大，所述滤波器用于滤除放大后的脉冲光信号中的无用光信号，并将经过滤波的脉冲光信号通过光纤输入隔离设备。
7.进一步的，所述信号接收器包括光电探测器、运放电路和数据采集卡，所述光电探测器、运放电路和数据采集卡依次通过电路相连接，所述数据采集卡与上位机信号相连，所述光电探测器的输入端与隔离设备相连接，用于探测探测光缆中相干后向瑞利散射光的光强信号，并转换为电流信号，所述运放电路用于将光电探测器输出的电流信号进行放大并
发送至数据采集卡进行数据处理。
8.进一步的，所述上位机包括:
9.解调模块，用于将多段探测光缆虚拟为一长串独立分布的振动传感单元，根据每个振动传感单元所接收的振动信号解调出相应的接收时间与强度信号；
10.第一定位模块，用于基于解调得到的接收时间与强度信号确定振动源在探测光缆上的投影位置；
11.第二定位模块，用于基于多段探测光缆的振动幅度确定振动源与探测光缆之间的纵向距离；
12.预警模块，用于接收到振动信号的探测光缆所在位置、振动源在探测光缆上的投影位置、振动源与探测光缆之间的纵向距离，生成相应的预警信息，并分发到多个由用户指定的移动终端。
13.进一步的，所述第一定位模块具体用于在接收到振动信号时，根据解调出的接收时间确定同一时间点上所有接收到振动信号的振动传感单元，计算振动信号到达各个振动传感单元的时间差值，根据时间差值计算振动源达到各个振动传感单元的距离差值，以振动传感单元为焦点，距离差值为长轴作出双曲线，根据不同双曲线的交点确定振动源在探测光缆上的投影位置。
14.进一步的，所述第二定位模块具体用于在接收到振动信号时，从探测光缆上搜索振动幅度最高的点，将振动幅度最高的点定义为第一传感器点s1，定义由振动源引起的探测光缆振动的最远点为与s1相距距离为d的第二传感器点s2，对s1和s2的振动波形进行分析，获取振动信号到达s1和s2的时间差
△
t，振动信号在探测光缆所处土壤的传播速度为v，由传播时间与振动速度组成的振动传播直角三角形可以得到：
15.(vt1)2+d2＝(vt2)216.其中t1表示振动信号到达s1的时间，t2表示振动信号到达s2的时间，d为s1和s2之间的距离，t2＝t1+δt，由此可以得到探测光缆与振动源之间的侧向距离y为：
[0017][0018]
进一步的，所述系统还包括敲击测试装置，所述敲击测试装置包括壳体，所述壳体内设置有控制主板、通讯模块和定位模块，壳体底部上设置有自动敲击机构和行走机构，所述控制主板分别与通讯模块、定位模块信号相连，所述通讯模块用于实现控制主板与上位机之间的数据交互，所述自动敲击机构用于敲击探测光缆铺设区域的地面，所述行走机构用于驱动壳体移动。
[0019]
进一步的，所述自动敲击机构包括底部敲击组件，所述底部敲击组件包括设置于壳体底部的腔体，所述腔体中设有隔板，所述隔板上开设有条形孔，隔板上方设置有转筒，所述转筒一端通过扭簧与腔体侧壁相连接，转筒另一端设有限位孔，转筒旁设置有推板，所述推板一侧设有驱动电机，所述驱动电机的输出轴上设有形状适应限位孔的限位部，推板另一侧设置有第一推杆电机，所述第一推杆电机的推杆与推板相连接，隔板下方设置有第一敲击部，所述第一敲击部通过第一弹簧与隔板相连接，转筒上卷绕有牵引绳，所述牵引绳的端部穿过条形孔与第一敲击部相连接。
[0020]
进一步的，所述自动敲击机构包括侧面敲击组件，所述侧面敲击组件包括套设在
壳体侧面的环形电动导轨，所述环形电动导轨上滑动设置有滑块，所述滑块上设置有筒体，所述筒体内滑动设置有第二敲击部，所述第二敲击部通过第二弹簧与筒体端部相连接，第二敲击部的顶部和底部均排列设置有多个第一磁铁，筒体的上壁和下壁均开设有滑槽，所述滑槽内排列设置有第二磁铁，所述第一磁铁插入滑槽内，第一磁铁与第二磁铁的磁极排列方向相同，第二敲击部一端设有环状部，所述筒体一端设置有第二推杆电机，所述第二推杆电机的推杆端部设有电动夹持器。
[0021]
进一步的，所述行走机构包括驱动电机和行走轮，所述驱动电机的输出轴与行走轮相连接，驱动电机通过控制电路与控制主板相连接。
[0022]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0023]
本发明所提供的一种基于分布式光纤振动传感技术的防外破监测预警系统，通过信号发射器将脉冲光信号通过隔离设备输入到探测光缆上，信号接收器通过隔离设备接收探测光缆输出的光强信号，当探测光缆周围发生振动时，信号接收器可以将光强信号处理为相应的振动信号，由上位机对振动信号进行分析定位，确定振动源在探测光缆上的投影位置和纵向距离，从而有助于帮助工作人员确定振动源与探测光缆之间的相对位置，并及时进行排查，防止电缆遭受外力破坏，提高电力电缆运行稳定性。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1是本发明一实施例提供的一种基于分布式光纤振动传感技术的防外破监测预警系统整体结构示意图。
[0026]
图2是本发明一实施例提供的上位机功能模块示意图。
[0027]
图3是本发明一实施例提供的敲击测试装置截面结构示意图。
[0028]
图4是本发明一实施例提供的敲击测试装置电路原理示意图。
[0029]
图5是图3中a部分结构放大示意图。
[0030]
图中，1信号发射器，101信号发生器，102光脉冲发生器，103调制器，104放大器，105滤波器，2隔离设备，3探测光缆，4信号接收器，401光电探测器，402运放电路，403数据采集卡，5上位机，501解调模块，502第一定位模块，503第二定位模块，504预警模块，6壳体，7控制主板，8通讯模块，9定位模块，10底部敲击组件，1001腔体，1002隔板，1003条形孔，1004转筒，1005扭簧，1006推板，1007驱动电机，1008限位部，1009第一推杆电机，1010第一敲击部，1011第一弹簧，1012牵引绳，11侧面敲击组件，1101环形电动导轨，1102滑块，1103筒体，1104第二敲击部，1105第一磁铁，1106滑槽，1107第二磁铁，1108环状部，1109第二推杆电机，1110电动夹持器，1111第二弹簧，12行走轮，13驱动电机。
具体实施方式
[0031]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0032]
参照图1，本实施例提供一种基于分布式光纤振动传感技术的防外破监测预警系统，所述系统包括信号发射器1、隔离设备2、探测光缆3、信号接收器4和上位机5。所述信号发射器1、探测光缆3、信号接收器4分别与隔离设备2相连接。所述信号接收器3与上位机5信号相连。所述信号发射器1用于将脉冲光信号通过隔离设备2输入到探测光缆3上。所述探测光缆3设置在电缆通道内或者在埋地电缆旁伴行铺设。所述信号接收器4用于通过隔离设备2接收探测光缆3输出的光强信号，将光强信号转化为电流信号，对电流信号进行处理得到振动信号。所述上位机5用于对振动信号进行分析定位，确定振动源在探测光缆上的投影位置和纵向距离，向移动终端发送预警信息。
[0033]
作为一种优选的示例，所述信号发射器1包括信号发生器101、光脉冲发生器102、调制器103、放大器104和滤波器105。所述光脉冲发生器102通过光纤向调制器103发射连续光脉冲；所述信号发生器101通过电线向调制器103发送电信号；所述调制器103用于对连续光脉冲和电信号进行调制；所述放大器104的输入端通过光纤与调制器103相连接，其输出端与滤波器105相连接，用于对调制器103输出的脉冲光信号进行放大，使得探测距离增长；所述滤波器105用于滤除放大后的脉冲光信号中的无用光信号，并将经过滤波的脉冲光信号通过光纤输入隔离设备2。
[0034]
所述信号接收器4包括光电探测器401、运放电路402和数据采集卡403。所述光电探测器401、运放电路402和数据采集卡403依次通过电路相连接，所述数据采集卡403与上位机5信号相连。所述光电探测器401的输入端与隔离设备2相连接，用于探测探测光缆3中相干后向瑞利散射光的光强信号，并转换为电流信号。所述运放电路402用于将光电探测器401输出的电流信号进行放大并发送至数据采集卡403进行数据处理。
[0035]
参照图2，所述上位机5包括解调模块501、第一定位模块502、第二定位模块503和预警模块504。
[0036]
其中，所述解调模块501用于将多段探测光缆虚拟为一长串独立分布的振动传感单元，根据每个振动传感单元所接收的振动信号基于相干光时域反射技术解调出相应的接收时间与强度信号。
[0037]
所述第一定位模块502用于基于解调得到的接收时间与强度信号确定振动源在探测光缆上的投影位置。
[0038]
所述第二定位模块503用于基于多段探测光缆的振动幅度确定振动源与探测光缆之间的纵向距离。
[0039]
所述预警模块504用于接收到振动信号的探测光缆所在位置、振动源在探测光缆上的投影位置、振动源与探测光缆之间的纵向距离，生成相应的预警信息，并分发到多个由用户指定的移动终端。
[0040]
具体的，所述第一定位模块502具体用于在接收到振动信号时，根据由振动信号解调出的接收时间确定同一时间上所有接收到振动信号的振动传感单元，计算振动信号到达各个振动传感单元的时间差值，根据时间差值计算振动源达到各个振动传感单元的距离差值，以振动传感单元为焦点，距离差值为长轴作出双曲线，根据不同双曲线的交点确定振动源在探测光缆上的投影位置。在同一时间点上，当两个振动传感单元接收到同一振动源所产生的振动信号时，通过振动信号到达这两个振动传感单元的时间差值可以确定振动源到达这两个振动传感单元的距离差值，振动源处于这两个振动传感单元所确定的双曲线上，
如有三个振动传感单元则可以确定两条双曲线，振动源必然处于两条双曲线的交点上。
[0041]
所述第二定位模块503具体用于在接收到振动信号时，从探测光缆上搜索振动幅度最高的点，将振动幅度最高的点定义为第一传感器点s1，定义由振动源引起的探测光缆振动的最远点为与s1相距距离为d的第二传感器点s2，对s1和s2的振动波形进行分析，获取振动信号到达s1和s2的时间差
△
t，振动信号在探测光缆所处土壤的传播速度为v，由传播时间与振动速度组成的振动传播直角三角形可以得到：
[0042]
(vt1)2+d2＝(vt2)2[0043]
其中t1表示振动信号到达s1的时间，t2表示振动信号到达s2的时间，d为s1和s2之间的距离，t2＝t1+δt，由此可以得到探测光缆与振动源之间的侧向距离y为：
[0044][0045]
第二定位模块503能够通过上述方法准确地测量出振动源距离探测光缆3的侧向距离，并且无需对现有的分布式光纤传感振动系统进行改造。在试验现场搭建所述系统后，选取在探测光缆上方3m、8m、13m这3种测试距离下的地面进行敲击实验，其中系统报警显示以5m作为一个报警距离区间，即报警显示振动源距离探测光缆的纵向距离小于5m、5～10m，10～15m3种结果，每种测试距离进行10次试验，最终得到报警准确度为93.3％，可见所述系统的报警准确率完全可满足日常监测需求。
[0046]
作为一种优选的示例，参照图3和图4，所述系统还包括敲击测试装置，所述敲击测试装置用于自动对埋设探测光缆处的地面进行敲击，从而根据探测光缆的反馈结果判断探测光缆的探测工能是否正常，实现对所述系统的定期检修测试。具体的，敲击测试装置包括壳体6，所述壳体6内设置有控制主板7、通讯模块8和定位模块9。壳体6底部上设置有自动敲击机构和行走机构，所述控制主板7分别与通讯模块8、定位模块9信号相连，所述通讯模块8用于实现控制主板7与上位机5之间的数据交互，所述定位模块9用于定位敲击测试装置的实时位置。所述自动敲击机构用于敲击探测光缆铺设区域的地面，所述行走机构用于驱动壳体6移动。
[0047]
所述自动敲击机构包括底部敲击组件10，所述底部敲击组件10用于对敲击测试装置下方的地面进行敲击，包括设置于壳体6底部的腔体1001，所述腔体1001中设有隔板1002，所述隔板1002上开设有条形孔1003。隔板1002上方设置有转筒1004，所述转筒1004一端通过扭簧1005与腔体1001侧壁相连接，转筒1004另一端设有限位孔。转筒1004旁设置有推板1006，所述推板1006一侧设有驱动电机1007，所述驱动电机1007的输出轴上设有形状适应限位孔的限位部1008。推板1007另一侧设置有第一推杆电机1009，所述第一推杆电机1009的推杆与推板1006相连接。隔板1002下方设置有第一敲击部1010，所述第一敲击部1010通过第一弹簧1011与隔板1003相连接。转筒1004上卷绕有牵引绳1012，所述牵引绳1012的端部穿过条形孔1003与第一敲击部1010相连接。驱动电机1007和第一推杆电机1009分别通过控制电路与控制主板7相连接。
[0048]
初始状态下的底部敲击组件10中，驱动电机1007输出轴上的限位部1008插入转筒1004一端的限位孔内，牵引绳1012大部分都卷绕在转动1004上，扭簧1005被扭转压缩，牵引绳1012牵引第一敲击部1010向上移动，从而压缩第一弹簧1011。在对地面进行敲击时，第一推杆电机1009驱动推板1007往远离转筒1004的方向移动，使得限位部1008退出限位孔，不
再受到限位的转筒1004在扭簧1005的作用下转动，释放牵引绳1012，牵引绳1012上向上的力消失后，第一敲击部1010在第一弹簧1011的作用下向腔体1001底部弹出，腔体1001底部设有开口，第一敲击部1010从所述开口处弹出敲击在地面上。完成敲击后，第一推杆电机1009驱动推板1007往靠近转筒1004的方向移动，使得限位部1008重新插入限位孔内，驱动电机1007驱动限位部1008带动转筒1004克服扭簧1005的力转动，从而重新将牵引绳1012卷绕到转筒1004上。牵引绳1012牵引第一敲击部1010克服第一弹簧1011的弹力向上移动，从而重新收纳到腔体1001内。
[0049]
作为一种优选的示例，参照图5，所述自动敲击机构还包括侧面敲击组件11，所述侧面敲击组件用于对处于敲击测试装置侧面的介质进行敲击，以满足不同场景下的测试需求。侧面敲击组件11包括套设在壳体侧面的环形电动导轨1101，所述环形电动导轨1101上滑动设置有滑块1102。所述滑块1102上设置有筒体1103，所述筒体1103内滑动设置有第二敲击部1104，所述第二敲击部1104通过第二弹簧1111与筒体端部相连接，第二敲击部1104的顶部和底部均排列设置有多个第一磁铁1105。筒体1103的上壁和下壁均开设有滑槽1106，所述滑槽1106内排列设置有第二磁铁1107，所述第一磁铁1107插入滑槽1106内，第一磁铁1105与第二磁铁1107的磁极排列方向相同。第二敲击部1104一端设有环状部1108。所述筒体1103一端设置有第二推杆电机1109，所述第二推杆电机1109的推杆端部设有电动夹持器1110。
[0050]
所述环形电动导轨1101通过控制电路与控制主板7相连接，用于驱动滑块沿导轨往复移动，从而将筒体1103移动到不同方向上。初始状态下，电动夹持器1110夹持住第二敲击部1104后端的环状部1108，使得第二敲击部1104压缩第二弹簧1111。在进行敲击时，电动夹持器1110松开环状部1108，第二敲击部1104此时在第二弹簧1111的作用下向筒体1103外弹出，在弹出时，第一磁铁1105从滑槽1106中滑过，基于同性相斥、异性相吸的原理，第二磁铁1107对第一磁铁1105的磁力作用可以对第二敲击部1104进行加速，从而在第二弹簧1111的长度有限的情况下也能够时使第二敲击部1104获得足够的加速度，从而产生足够大的动量进行敲击，进而可以控制筒体1103的体积，以保持敲击测试装置重心的稳定。完成敲击后，第二推杆电机1109伸长推杆，使得电动夹持器1110可以重新夹持环形部1108，随后第二推杆电机1109缩短推杆，使得第二敲击部1104往筒体1103内移动，第二弹簧1111重新被压缩，侧面敲击组件11恢复到初始状态。
[0051]
所述行走机构包括驱动电机13和行走轮12，所述驱动电机13的输出轴与行走轮12相连接，驱动电机13通过控制电路与控制主板7相连接。
[0052]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。