一种远程激光融冰系统及方法与流程

本发明实施例涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感技术的架空地线远程激光融冰系统及方法。

背景技术：

随着电网市场化进程的不断深入以及用户对电能可靠性和质量要求的不断提升，电力行业正面临前所未有的挑战和机遇，建设可控、安全、可靠、环保、经济的智能型电网系统正成为全球电力行业的共同目标。

近年来，国内外清除覆冰大致可分为机械除冰法、热力除冰法和人工除冰法三类，机械除冰法主要利用输电线路导线的力学效应破坏覆冰的力学平衡使其脱落；热力除冰法主要是人为将融冰线路的一端两相或三相短路，而在另一端提供融冰交流电源，以较大短路电流(控制在导线最大允许电流范围之内)来加热导线，将覆着的冰融化；人工除冰法主要是依靠人力对覆冰进行去除。人工除冰法和机械除冰法效率过低，且费时费力，热力除冰法虽然可以有效的实现对输电线路进行除冰，但是无法实现架空地线的除冰。

在实现本发明的过程中，发明人发现，对于架空线缆的覆冰厚度，难以得到准确的估计，除冰人只能够根据经验估计来对某个区域的覆冰集中处理，存在资源的浪费，也会让真正需要除冰的线缆得不到及时处理。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种覆冰监测装置，能够在无源的情况下，对架空线缆上的覆冰情况进行实时监测，解决了无法判断远程线缆的覆冰厚度的问题；同时，本发明实施例还提供了一种激光融冰系统，在上述覆冰监测装置的监测数据的基础之上，远程对架空线缆上的覆冰进行除冰操作，进一步地提高了除冰效率，降低了除冰成本，具有非常大的实用价值和市场价值。

第一方面，本发明实施例提供了一种覆冰监测装置，用于对架空线缆上的覆冰进行远程监测，其特征在于，所述装置包括：

光源模块，用于产生可调谐激光，经过第一耦合器输出至第一光路模块和第二光路模块；

第一光路模块，通过环形器连接至所述架空线缆，其中，所述第一光路模块用于接收所述光源模块产生的光信号，并输出测试光信号；

第二光路模块，用于接收所述光源模块产生的光信号，并输出触发光信号；

数据采集模块，用于根据所述触发光信号对所述测试光信号进行数据采集；

数据处理模块，用于接收所述数据采集模块所采集到的数据，并对所采集到的数据进行处理，以得到所述架空线缆的覆冰厚度。

可选的，所述架空线缆可以是架空地线，线缆中包含光纤。

可选的，所述光源模块，还用于输出ttl信号至所述数据采集模块，以控制所述数据采集模块的启动。

可选的，所述光源模块可以是单纵模窄线宽可调谐激光器。

可选的，所述所采集到的数据包括拍频信号；所述对所采集到的数据进行的处理包括互相关处理。

可选的，所述根据所述触发光信号对所述测试光信号进行数据采集包括：根据所述触发光信号形成的时钟对所述测试光信号进行等光频间隔采样，以消除光源的扫频非线性。

可选的，所述第一光路模块包括主干涉仪接收部分，所述主干涉仪接收机部分采用混频式偏振分级接收的方式来对光信号进行接收；

所述第二光路模块包括辅干涉仪，所述辅干涉仪用于生成触发光信号，对所述数据采集模块进行触发，以消除光源的扫频非线性。

可选的，所述第一光路模块包括环形器、第二耦合器、第三耦合器、偏振分光棱镜(pbs)、第一光电二极管、第二光电二极管，其中，来自所述第一耦合器的输入光信号经过所述第二耦合器之后，分别输出至所述环形器和所述第三耦合器，所述环形器的第二端连接至架空线缆，所述环形器的第三端连接所述第三耦合器，所述第三耦合器的一端连接pbs，所述pbs的另一端同时连接第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管的另一端同时连接至所述数据采集模块；

所述第二光路模块，包括第四耦合器、第五耦合器、第三光电二极管，其中，来自所述第一耦合器的输入光信号经过所述第四耦合器之后分为两路，分别通过不同的光纤传入所述第五耦合器，所述第五耦合器的另一端连接至所述第三光电二极管，所述第三光电二极管的另一端连接至所述数据采集模块。

可选的，所述数据处理模块的处理步骤包括：

映射步骤，通过快速傅里叶变换fft将所采集到的数据从光频域映射到距离域；

反映射步骤，在距离域中，使用滑动窗口将架空线缆光纤分成n段，针对每一段光纤对应的距离域信息，通过快速反傅里叶变换ifft将其从距离域映射到光频域；

解调步骤，在光频域，使用互相关算法解调出每一段光纤对应的架空线缆受力变化前后的瑞利散射谱波峰偏移量，根据所述偏移量，计算出所述每一段光纤对应的架空线缆受力的变化量，以得到所述架空线缆的覆冰数据。

第二方面，本发明实施例还提供了一种激光融冰系统，包括前述覆冰监测装置，还包括反馈装置、激光器自瞄准装置、激光器控制装置、激光器；其中，

所述反馈装置，用于将所述覆冰监测装置获得的监测数据解调为覆冰厚度数据，并反馈给所述激光器控制装置；

所述激光器控制装置，用于根据所述覆冰厚度数据，控制激光器对所述架空线缆进行融冰操作；

所述激光器自瞄准装置，用于对架空线缆上的融冰位置进行定位和瞄准；

所述激光器，用于输出激光，对所述架空线缆进行融冰。

可选的，所述控制激光器对所述架空线缆进行融冰操作包括，控制所述激光器的启动、关闭、激光器光束大小、激光器的光束移动速度、激光器的输出功率中的至少一项。

第三方面，本发明实施例还提供了覆冰监测方法，用于前述覆冰监测装置，其特征在于，所述方法包括：

数据采集步骤，在相同测试条件下，根据所述第二光路模块产生的触发光信号的拍频信号触发采集所述第一光路模块的测试光信号，以得到参考数据和测试数据，所述参考数据和所述测试数据是光频域信号；

映射步骤，通过快速傅里叶变换fft将所述参考数据和所述测试数据从光频域映射到距离域；

反映射步骤，在距离域中，使用滑动窗口将架空线缆光纤分成n段，针对每一段光纤对应的距离域信息，通过快速反傅里叶变换ifft将其从距离域映射到光频域；

解调步骤，在光频域，使用互相关算法解调出每一段光纤对应的架空线缆受力变化前后的瑞利散射谱波峰偏移量，根据所述偏移量，计算出所述每一段光纤对应的架空线缆受力的变化量，以得到所述架空线缆的覆冰数据。

基于本发明提供的实施例，能够利用架空线缆内的光纤特征，远程地对架空线缆上的覆冰情况进行实时监测，当需要进行融冰操作时，利用激光器远程融冰，大大节省了人力成本，提高了除冰效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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一些实施例，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。

图1为本发明一实施例提供的覆冰监测装置的架构图；

图2为本发明另一实施例提供的覆冰监测方法的流程示意图；

图3为本发明一实施例提供的激光融冰系统的示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

光频域反射仪ofdr是1990年代逐步发展起来的一种高分辨率的光纤测量技术。不同于光时域反射仪otdr向系统内发射的是时域的脉冲信号，ofdr发射入系统的是利用窄带激光器和声光调制器产生的扫频光信号，再通过光外差检测技术，通过专门的算法来分析检测到的信号。ofdr系统的关键技术主要包括由窄线宽单纵模激光器和电光调制器(通常是声光调制器)构成的线性扫频光源，mz干涉仪(包括耦合器，偏振控制器等构成的光路，要求光路尽可能短)，光路接收(平衡光电探测器)，数据采集及算法等。

图1示出了一种基于ofdr的覆冰监测装置的架构图，如图1所示，该装置包括以下模块：

光源模块，用于产生可调谐激光，经过第一耦合器输出至第一光路模块和第二光路模块；

其中，所述光源模块可以是可调谐激光器tls，可以是单纵模窄线宽可调谐激光器，可调谐激光器与其他传统的固态激光器相比，具有从近紫外到近红外的宽波段调谐范围，并且其本身尺寸小、线宽窄和光学效率高，在此处可以大大缩小装置本身的尺寸。当然，也可根据需要，选择合适类型的激光器，例如基于电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术的激光器，包括有sg-dbr(采样光栅dbr)和gcsr(辅助光栅定向耦合背向取样反射)激光器、dfb(分布反馈)和dbr(分布布喇格反射)激光器、dfb(分布反馈)、ecl(外腔激光器)和vcsel(垂直腔表面发射激光器)等。

第一光路模块，通过环形器连接至所述架空线缆，其中，所述第一光路模块用于接收所述光源模块产生的光信号，并输出测试光信号；

其中，架空线缆优选为架空地线，线缆内部包含有光纤；所述第一光路模块可以包含主干涉仪，当输入光信号经过主干涉仪之后，在探测器上混频形成测试信号；在主干涉仪接收机部分，采用混频式偏振分级接收方式来消除偏振衰落现象。

第二光路模块，用于接收所述光源模块产生的光信号，并输出触发光信号；

其中，所述第二光路模块可以包含附加干涉仪(或称为辅干涉仪)，在光电探测器上混频形成触发信号，辅干涉仪用来触发采集方式，以消除光源的扫频非线性。

可选的，例如，系统根据辅干涉仪输出的正弦信号触发采集主干涉仪的输出信号，满足主干涉仪拍频信号等光频间隔采样的要求，同时，为了满足奈奎斯特采样定理，辅干涉仪的光程差至少是测试长度光纤的四倍，

数据采集模块，用于根据所述触发光信号对所述测试光信号进行数据采集；

其中，数据采集模块可以是数据采集卡，根据第二光路模块产生的触发信号形成的时钟，对第一光路模块产生的测试信号进行等光频间隔采样，消除光源的扫频非线性；其中，数据采集卡可以根据可调谐激光器的ttl信号和辅干涉仪的触发信号采集主干涉仪的拍频信号。

数据处理模块，用于接收所述数据采集模块所采集到的数据，并对所采集到的数据进行处理，以得到所述架空线缆的覆冰厚度；

其中，数据处理模块可以是pc机、笔记本、平板电脑等，对采集到的数据进行互相关等处理，绘制出架空地线覆冰厚度变化图，展示在用户的屏幕上，以让用户能够直观地看到覆冰情况，作出决策。

其中，光源模块，还用于输出ttl信号至所述数据采集模块，以控制所述数据采集模块的启动和关闭，也可以采用其他方式控制数据采集模块的启动和关闭，例如，可以在pc侧由用户手动控制，或者可以通过软件方式实现数据采集模块的开启和停止。

所述所采集到的数据包括拍频信号；所述对所采集到的数据进行的处理包括互相关处理。

根据所述触发光信号对所述测试光信号进行数据采集包括：根据所述触发光信号形成的时钟对所述测试光信号进行等光频间隔采样，以消除光源的扫频非线性。

其中，所述第一光路模块包括主干涉仪接收部分，所述主干涉仪接收机部分采用混频式偏振分级接收的方式来对光信号进行接收；

所述第二光路模块包括辅干涉仪，所述辅干涉仪用于生成触发光信号，对所述数据采集模块进行触发，以消除光源的扫频非线性。

具体而言，如图1所示，所述第一光路模块包括环形器、第二耦合器、第三耦合器、偏振分光棱镜(pbs)、第一光电二极管、第二光电二极管，其中，来自所述第一耦合器的输入光信号经过所述第二耦合器之后，分别输出至所述环形器和所述第三耦合器，所述环形器的第二端连接至架空线缆，所述环形器的第三端连接所述第三耦合器，所述第三耦合器的一端连接pbs，所述pbs的另一端同时连接第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管的另一端同时连接至所述数据采集模块；

所述第二光路模块，包括第四耦合器、第五耦合器、第三光电二极管，其中，来自所述第一耦合器的输入光信号经过所述第四耦合器之后分为两路，分别通过不同的光纤传入所述第五耦合器，所述第五耦合器的另一端连接至所述第三光电二极管，所述第三光电二极管的另一端连接至所述数据采集模块。

所述数据处理模块的处理步骤包括：

映射步骤，通过快速傅里叶变换fft将所采集到的数据从光频域映射到距离域；

反映射步骤，在距离域中，使用滑动窗口将架空线缆光纤分成n段，针对每一段光纤对应的距离域信息，通过快速反傅里叶变换ifft将其从距离域映射到光频域；

解调步骤，在光频域，使用互相关算法解调出每一段光纤对应的架空线缆受力变化前后的瑞利散射谱波峰偏移量，根据所述偏移量，计算出所述每一段光纤对应的架空线缆受力的变化量，以得到所述架空线缆的覆冰数据，以得到所述架空线缆的覆冰厚度。

当光纤(架空线路上有光纤)发生弯曲或者受力的情况下，自身的反射(瑞利散射)波长会发生变化，本方案就是利用这种特性，对光纤本身承受的受力情况进行监测，从而确定其覆冰厚度数据。

图1中，椭圆形的装置为耦合器，圆形的装置为环形器，架空地线连接至环形器，上部分光路为第一光路模块，输出测试信号到数据采集卡；下部分光路为第二光路模块，输出触发信号至数据采集卡。

在图1所示的覆冰监测装置的基础上，用户能够在无源的基础上，远程对覆冰数据进行监测，当需要进行除冰操作时，对其进行除冰，大大提升了除冰效率，降低了除冰成本，具有非常好的实际效果。

图2示出了本发明另一实施例提供的基于ofdr的覆冰监测方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括以下步骤：

数据采集步骤，在相同测试条件下，根据所述第二光路模块产生的触发光信号的拍频信号触发采集所述第一光路模块的测试光信号，以得到参考数据和测试数据，所述参考数据和所述测试数据是光频域信号；

其中，可调谐激光器需要经过前后两侧扫描确定架空地线的受力变化情况，系统每次扫描后的数据采集过程完全相同，均是数据采集卡根据辅助干涉的拍频信号触发采集主干涉仪的测试信号；

映射步骤，通过快速傅里叶变换fft将所述参考数据和所述测试数据从光频域映射到距离域；

其中，采集到参考数据和测试数据之后，数据处理软件通过fft算法将数据从光频域(或时域)映射到距离域(或频域)。

反映射步骤，在距离域中，使用滑动窗口将架空线缆光纤分成n段，针对每一段光纤对应的距离域信息，通过快速反傅里叶变换ifft将其从距离域映射到光频域；

其中，在距离域使用滑动窗口选择一小段架空地线光纤的距离域信息，通过ifft算法将距离域的信息映射到光频域。

解调步骤，在光频域，使用互相关算法解调出每一段光纤对应的架空线缆受力变化前后的瑞利散射谱波峰偏移量，根据所述偏移量，计算出所述每一段光纤对应的架空线缆受力的变化量，以得到所述架空线缆的覆冰数据；

其中，在光频域使用互相关算法解调出这一小段架空地线受力变化前后的瑞利散射谱波峰偏移量，最后根据波峰的偏移量计算出这一小段架空地线受力的变化量。

重复上述过程便可以测出光纤上每一段的架空地线受力变化，实现分布式光纤传感。

从图2中可以看出，激光器输出信号之后，经过两次扫描得到时域或波长域(光频域)的参考数据和测试数据；经过快速傅里叶变换之后得到频域或距离域的参考数据和测试数据，使用滑动窗将架空地线光纤分成多段(例如，n段)，对每一小段光纤产生的数据进行分别处理，经过快速傅里叶反变换之后，将得到的两个结果平方求和，再通过互相关操作，得到测试架空地线光纤上的受力变化。经过反复处理之后，得到整段光缆上的覆冰情况数据。

图3示出了根据本发明另一实施例的激光融冰系统的示意图。该激光融冰系统包括前述的覆冰监测装置，还包括反馈装置、激光器自瞄准装置、激光器控制装置、激光器；其中，

所述反馈装置，用于将所述覆冰监测装置获得的监测数据解调为覆冰厚度数据，并反馈给所述激光器控制装置；

所述激光器控制装置，用于根据所述覆冰厚度数据，控制激光器对所述架空线缆进行融冰操作；

所述激光器自瞄准装置，用于对架空线缆上的融冰位置进行定位和瞄准；

所述激光器，用于输出激光，对所述架空线缆进行融冰。

其中，所述控制激光器对所述架空线缆进行融冰操作包括，控制所述激光器的启动、关闭、激光器光束大小、激光器的光束移动速度、激光器的输出功率中的至少一项。

图3中，ofdr系统为本案的覆冰监测装置，首先通过覆冰监测装置对覆冰情况进行检测，当覆冰厚度到达一定阈值时，启动激光器自瞄系统，对架空线缆上的融冰位置进行定位和瞄准，启动激光器进行融冰，融冰过程中，激光器将根据基于ofdr的无源覆冰在线监测系统的实时覆冰反馈，调节激光器融冰速度，保障融冰过程中架空地线不会由于长时间激光器照射而出现的熔断等现象，根据实时覆冰情况，调整激光器光束的移动速度、光斑大小、输出功率等，以提高融冰效率。一般而言，可以让覆冰监测装置位于变电站内，操作人员通过显示屏实时观察覆冰数据，从而控制激光器进行融冰操作。

本发明上述实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理器中，也可以是单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

本发明实施例的电子设备以多种形式存在，包括但不限于：

(1)移动通信设备：这类设备的特点是具备移动通信功能，并且以提供话音、数据通信为主要目标。这类终端包括：智能手机(例如iphone)、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。

(2)超移动个人计算机设备：这类设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网特性。这类终端包括：pda、mid和umpc设备等，例如ipad。

(3)便携式娱乐设备：这类设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括：音频、视频播放器(例如ipod)，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。

(4)服务器：提供计算服务的设备，服务器的构成包括处理器1010、硬盘、内存、系统总线等，服务器和通用的计算机架构类似，但是由于需要提供高可靠的服务，因此在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面要求较高。

(5)其他具有数据交互功能的电子装置。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明实施例提供一种非易失性计算机可读存储介质，非易失性计算机可读存储介质存储有程序指令，当电子设备执行程序指令时，用于执行上述方法实施例中的全景视频交互方法和步骤。

本发明实施例提供了一种计算机程序产品，其中，计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，其中，当程序指令被电子设备执行时，使电子设备执行上述任意方法实施例中的全景视频交互方法。

在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)或智能终端设备或处理器(processor)执行本发明各个实施例方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明所提供的上述实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

以上仅为本发明的实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。