一种海底电缆实时监测系统及监测方法
【专利摘要】本发明公开了测量【技术领域】的一种海底电缆实时监测系统及监测方法。其技术方案是，设计海底电缆实时监测系统，通过检测背向瑞利散射光的偏振态和相位来实现海底电缆运行过程中的温度和应变，从而实现外界破坏、绝缘劣化、漏电、接地故障等状态信息的实时监测。不仅提高了设备的利用率，降低了监测成本，还大幅减小了漏报率和误判率，可实现对海缆的立体化、大范围、全线路、网络化实时监测，对海底电缆的安全稳定运行有重要意义。
【专利说明】一种海底电缆实时监测系统及监测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于测量【技术领域】，尤其涉及一种海底电缆实时监测系统及监测方法。
【背景技术】
[0002]我国海岸线长达3.2万公里，大小岛屿有6500多个，领海面积约473万平方公里，海上工作平台众多，海底电缆在远程供电、高压输电、电力通信、信号传输、保证海岛居民的生产生活和海上工作平台正常运行中起关键作用。
[0003]由于受到海水的冲刷、侵蚀等因素，容易造成海底电缆的绝缘老化、阻水性能变差，使得海底电缆产生漏电流，从而造成海底电缆在故障点处的温度升高，进而引起更大的故障，譬如:接地短路故障等。海底电缆负载电流的变化，也会使海底电缆的温度产生变化，即海底电缆温度的变化可以反映海底电缆的运行状况，为使海底电缆在安全的温度范围内运行，延长海底电缆使用寿命，有必要对海底电缆健康状况进行日常监控维护。
[0004]随着海洋开发利用活动的日益增加，海域内的养殖、渔网、船锚等对海缆运行的影响不容忽视，并且传统方式下，受落锚、抛锚、渔业捕捞、船只拖拽、岸基作业等破坏时无法预警，对事故点的准确定位及肇事船只的确认以及断缆线头打捞困难，影响了事故抢修和损失理赔。因此研究海底电缆健康状况监测的新方法、新手段，对于确保电网安全稳定运行、构建坚强智能电网具有非常重要的意义。
[0005]在海底电缆监测系统中，传统的光时域反射器(OTDR)利用光在光纤中传输产生的背向瑞利散射信号进行海缆故障点定位，但这种技术只能在海缆已经被侵害事件破坏产生断裂后进行检测，无法实现侵害事件的实时在线监测。光时域背向拉曼散射分布式光纤传感器(ROTDR)利用多模光纤中的背向拉曼散射信号测量光纤沿线的温度分布，无法实现应变测量，因此该技术只能实现海缆温度信息的在线监测，无法对落锚、船只拖曳等应变事件进行在线监测。因此，海底电缆迫切需要一种有效的实时在线监测方法。
【发明内容】
[0006]针对【背景技术】中提到的传统的海底电缆监测系统中无法实现海缆运行过程中的温度和应变的在线监测问题，本发明提出了一种海底电缆实时监测系统及监测方法。
[0007]—种海底电缆实时监测系统，其特征在于，所述系统包括窄谱光源、第一耦合器、偏振控制器PC、电光调制器Ε0Μ、脉冲发生器、第一隔离器、第一掺铒光纤放大器EDFA、第二隔离器、第一光滤波器、环形器、起偏器、传感光纤、第二耦合器、第二掺铒光纤放大器EDFA、检偏器、第三隔离器、第二光滤波器、第一光电检测器、第二光电检测器、数据采集与显示单元和时钟控制单元；
[0008]其中，所述窄谱光源、第一耦合器、偏振控制器PC、电光调制器Ε0Μ、第一隔离器、第一掺铒光纤放大器EDFA、第二隔离器、第一光滤波器、环形器、起偏器和传感光纤顺次连接；所述窄谱光源用于产生窄谱光；所述第一耦合器的作用是将激光器发射的激光脉冲耦合进偏振控制器PC ;所述电光调制器EOM用于调制脉冲光；所述第一隔离器用于防止脉冲光反向传输对窄谱光源造成损害，保证脉冲光单向传输；所述第一掺铒光纤放大器EDFA用于对脉冲光进行放大；所述第二隔离器用于防止脉冲光反向传输对窄谱光源造成损害，保证脉冲光单向传输；所述第一光滤波器用于滤除第一掺铒光纤放大器EDFA给系统引入的自发辐射噪声；所述起偏器的作用是将普通光信号转换成线偏振光；
[0009]所述脉冲发生器分别与所述时钟控制单元和电光调制器EOM连接；所述脉冲发生器用于产生脉冲信号，通过电光调制器EOM调制窄谱光，使其变成脉冲光；
[0010]所述时钟控制单元分别与所述窄谱光源和数据采集与显示单元连接；所述数据采集与显示单元用于提取瑞利散射光信号的偏振态和相位信息，并进行计算和显示；
[0011]所述第二耦合器分别与所述环形器、第二掺铒光纤放大器EDFA和检偏器连接；所述第二耦合器是将背向瑞利散射信号分成两路；所述第二掺铒光纤放大器EDFA用于接收到的光进行放大；所述检偏器用于检测偏振态；
[0012]所述第二掺铒光纤放大器EDFA、第三隔离器、第二光滤波器、第一光电检测器和数据采集与显示单元顺次连接；所述第三隔离器用于防止脉冲光反向传输对窄谱光源造成损害，保证脉冲光单向传输；所述第一光电检测器用于将接收到的光信号变为电信号；
[0013]所述检偏器、第二光电检测器和数据采集与显示单元顺次连接；所述第二光电检测器用于将接收到的光信号变为电信号。
[0014]所述窄谱光源谱宽为3kHz?12.5GHz。
[0015]所述系统采用间接调制的方式将窄谱光源产生的激光调制成脉冲光。
[0016]所述第一光滤波器包括光环形器和光纤布拉格光栅；所述第一光滤波器带宽等于光源谱宽。
[0017]所述第二光滤波器包括光环形器和光纤布拉格光栅；所述第二光滤波器带宽等于光源谱宽。
[0018]一种海底电缆实时监测方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤:
[0019]步骤1:将所述光电复合海缆中的单模光纤作为传感光纤接入海底电缆实时监测系统，或将通信光缆缠绕在普通海底电缆上进行测量，将通信光缆中的单模光纤作为传感光纤接入海底电缆实时监测系统；
[0020]步骤2:海底电缆实时监测系统向单模光纤中注入脉冲光，在单模光纤中产生瑞利散射；
[0021]步骤3:海底电缆实时监测系统根据单模光纤中不同部分返回的瑞利散射光带有反射点处前向传输光的相位信息，实现偏振态及相位的监测；
[0022]步骤4:通过海底电缆实时监测系统数据采集与显示单元提取瑞利散射光信号的偏振态和相位信息，实现单模光纤沿线的温度和应变信息监测；
[0023]步骤5:通过温度和应变的变化来分析海底电缆的运行状态，实现海底电缆的实时在线监测。
[0024]本发明的有益效果是，通过检测背向瑞利散射光的偏振态和相位来实现海底电缆运行过程中的温度和应变，从而实现外界破坏、绝缘劣化、漏电、接地故障等状态信息的实时监测。不仅提高了设备的利用率，降低了监测成本，还大幅减小了漏报率和误判率，可实现对海缆的立体化、大范围、全线路、网络化实时监测，对海底电缆的安全稳定运行有重要意义。【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明提供的采用海底电缆实时监测系统在线监测海底电缆状态信息的连接图；其中，a为光电复合海缆的测量连接图；b为将通信光缆缠绕在普通海底电缆上进行测量的连接图；
[0026]图2为本发明提供的海底电缆实时监测系统的结构图；
[0027]其中，1-海底电缆实时监测系统；2_光电复合海缆；3_光电复合海缆中复合的单模光纤；4_普通海底电缆；5_通信光缆中的单模光纤；6_第一耦合器；7_第一隔离器；8-第二隔离器；9_环形器；10-起偏器；11-光纤布拉格光栅；12-第三隔离器；13-传感光纤；14第二稱合器。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0029]图1是本发明提供的采用海底电缆实时监测系统在线监测海底电缆状态信息的连接图；其中，a为光电复合海缆的测量连接图，海底电缆实时监测系统I直接与光电复合海缆2中复合的单模光纤3进行连接；b为将通信光缆缠绕在普通海底电缆上进行测量的连接图，海底电缆实时监测系统I与通信光缆中的单模光纤5进行连接。
[0030]图2为本发明提供的海底电缆实时监测系统的结构图。图2中，瑞利散射光相位检测一般要求谱宽非常窄，采用超窄线宽激光器。因为如果激光器频谱宽度较大，产生的激光脉冲就含有各种频谱成分，这些信号的瑞利后向散射同时到达探测器时会发射叠加，而不是超窄线宽激光器的干涉。选择适合的半导体激光器作为光源，为了同时实现瑞利散射光相位和偏振态的同时检测，需要仔细选择光源谱宽，谱宽必须在3kHz?12.5GHz之间选择，既可以确保干涉效应发生，同时干涉效应也不能太强而完全淹没偏振态调制的效果。
[0031]为了实现分布型测量，需要向传感光纤注入脉冲光，该系统通过间接调制的方式将激光调制成脉冲光。时钟控制单元触发窄谱光源，使其产生适合系统检测的窄谱光。同时，时钟控制单元触发脉冲发生器，脉冲发生器开始工作，产生符合系统要求的脉冲信号，此脉冲信号通过电光调制器去调制窄谱光，使其变成脉冲光。为了防止该脉冲光反向传输对窄谱光源造成损害，加入第一隔离器，保证脉冲光在光纤中单向传输。将连续光调制成脉冲光信号后，光功率较低，需要经过第一掺铒光纤放大器EDFA进行放大，第一掺铒光纤放大器EDFA会给系统引入自发辐射噪声，需要经过带宽等于光源谱宽的第一光滤波器滤除该噪声信号，该光滤波器由光环形器和光纤布拉格光栅组成。去噪后的脉冲光通过环形器的c 口注入到传感光纤中。光在光纤中传输，会产生瑞利散射，发生在背向的瑞利散射信号沿着光纤反向传输，到达环形器的d 口，散射光在环形器里单向传输通过e 口输出，输出的背向散射光经耦合器的f 口等比例分成两路。第二耦合器g 口光信号经过第二掺铒光纤放大器EDFA放大滤波后直接送入第一光电检测器进行光电转换，耦合器h 口光信号经过一个检偏器检测偏振态后再通过第二光电检测器转化为电信号。由于在反射点处散射光与前向传输光的偏振态完全相同，因此背向瑞利散射光就携带有散射点处前向传输光的偏振信息，因此通过检测偏振信息就可以获知该散射点处的状态信息。同时，从光纤中不同部分返回的瑞利散射光同样带有反射点处前向传输光的相位信息，经过干涉作用后，这束背向瑞利散射光的功率大小也会受到相位的调制,变为有一定规律的波动，因此通过检测相位信息就可以获知该散射点处的状态信息。时钟控制单元控制数据采集和显示单元采集两路光信号并进行去噪等处理，提取瑞利散射光信号的偏振态和相位信息，从而实现光纤沿线的温度和应变信息监测。最后通过温度和应变的变化来分析海缆的运行状态，从而实现海底电缆的实时在线监测。
[0032]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种海底电缆实时监测系统，其特征在于，所述系统包括窄谱光源、第一稱合器、偏振控制器PC、电光调制器EOM、脉冲发生器、第一隔离器、第一掺铒光纤放大器EDFA、第二隔离器、第一光滤波器、环形器、起偏器、传感光纤、第二耦合器、第二掺铒光纤放大器EDFA、检偏器、第三隔离器、第二光滤波器、第一光电检测器、第二光电检测器、数据采集与显示单元和时钟控制单兀； 其中，所述窄谱光源、第一耦合器、偏振控制器PC、电光调制器EOM、第一隔离器、第一掺铒光纤放大器EDFA、第二隔离器、第一光滤波器、环形器、起偏器和传感光纤顺次连接；所述窄谱光源用于产生窄谱光；所述第一耦合器的作用是将激光器发射的激光脉冲耦合进偏振控制器PC ;所述电光调制器EOM用于调制脉冲光；所述第一隔离器用于防止脉冲光反向传输对窄谱光源造成损害，保证脉冲光单向传输；所述第一掺铒光纤放大器EDFA用于对脉冲光进行放大；所述第二隔离器用于防止脉冲光反向传输对窄谱光源造成损害，保证脉冲光单向传输；所述第一光滤波器用于滤除第一掺铒光纤放大器EDFA给系统引入的自发辐射噪声；所述起偏器的作用是将普通光信号转换成线偏振光； 所述脉冲发生器分别与所述时钟控制单元和电光调制器EOM连接；所述脉冲发生器用于产生脉冲信号，通过电光调制器EOM调制窄谱光，使其变成脉冲光； 所述时钟控制单元分别与所述窄谱光源和数据采集与显示单元连接；所述数据采集与显示单元用于提取瑞利散射光信号的偏振态和相位信息，并进行计算和显示； 所述第二耦合器分别与所述环形器、第二掺铒光纤放大器EDFA和检偏器连接；所述第二耦合器是将背向瑞利散射信号分成两路；所述第二掺铒光纤放大器EDFA用于接收到的光进行放大；所述检偏器用于检测偏振态； 所述第二掺铒光纤放大器EDFA、第三隔离器、第二光滤波器、第一光电检测器和数据采集与显示单元顺次连接；所述第三隔离器用于防止脉冲光反向传输对窄谱光源造成损害，保证脉冲光单向传输；所述第一光电检测器用于将接收到的光信号变为电信号； 所述检偏器、第二光电检测器和数据采集与显示单元顺次连接；所述第二光电检测器用于将接收到的光信号变为电信号。
2.根据权利要求1所述的一种海底电缆实时监测系统，其特征在于，所述窄谱光源谱宽为 3kHz ~12.5GHz。
3.根据权利要求1所述的一种海底电缆实时监测系统，其特征在于，所述系统采用间接调制的方式将窄谱光源产生的激光调制成脉冲光。
4.根据权利要求1所述的一种海底电缆实时监测系统，其特征在于，所述第一光滤波器包括光环形器和光纤布拉格光栅；所述第一光滤波器带宽等于光源谱宽。
5.根据权利要求1所述的一种海底电缆实时监测系统，其特征在于，所述第二光滤波器包括光环形器和光纤布拉格光栅；所述第二光滤波器带宽等于光源谱宽。
6.一种海底电缆实时监测方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤: 步骤1:将所述光电复合海缆中的单模光纤作为传感光纤接入海底电缆实时监测系统，或将通信光缆缠绕在普通海底电缆上进行测量，将通信光缆中的单模光纤作为传感光纤接入海底电缆实时监测系统； 步骤2:海底电缆实时监测系统向单模光纤中注入脉冲光，在单模光纤中产生瑞利散射；步骤3:海底电缆实时监测系统根据单模光纤中不同部分返回的瑞利散射光带有反射点处前向传输光的相位信息，实现偏振态及相位的监测； 步骤4:通过海底电缆实时监测系统数据采集与显示单元提取瑞利散射光信号的偏振态和相位信息，实现单模光纤沿线的温度和应变信息监测； 步骤5:通过温度和应变的变化来分析海底电缆的运行状态，实现海底电缆的实时在线监测。
【文档编号】G01B11/16GK103513147SQ201310408092
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】赵丽娟, 李永倩, 徐志钮, 翟丽娜 申请人:华北电力大学（保定）