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技术方案

本发明专利技术公开了一种基于相位敏感型光时域反射系统的OPGW覆冰监测方法。通过相位敏感型光时域反射系统，得到架空地线复合光缆中瑞利背向散射信号在时间和空间上的分布；将瑞利背向散射信号相位解调的结果作傅里叶变换，经过低通滤波剔除无用的高频信息；根据频谱信息得到各距离列上第一个谐振峰的峰值频率大小；将各距离列谐振峰的峰值频率拼接成一维数组并进行中值滤波；长时间测量后进行概率统计，统计结果最高峰的频率记为对应位置的谐振频率，根据谐振频率方差大小得到置信区间和非置信区间；通过多次测量得到标定谐振频率和实际谐振频率，根据标定谐振频率和实际谐振频率计算出实际覆冰厚度的大小，实现一种分布式及智能化的覆冰厚度监测方法。

An OPGW icing monitoring system and method based on phase sensitive OTDR system

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于光纤传感
，特别涉及一种基于相位敏感型光时域反射系统的OPGW覆冰监测系及方法。
技术介绍
在输电的过程中，由于地形地况十分复杂，输电线路遭遇线路覆冰的概率非常高，特别是在湿度大或者易降雪的地区，容易出现线路覆冰的现象。输电线路覆冰严重威胁电网的安全运行，会引起线路跳闸停电、舞动损坏、断线、倒塔等重大事故。因此，采用有效的监测技术对于长距离输电线路设备的状态进行监测从而能及时准确的掌握设备的运行状态，是保证设备安全、可靠和经济的运行，应对突发自然灾害时减小灾害损失，保障输电线路和电力系统安全稳定运行的重要措施。在早期的覆冰监测中，国内外普遍采用建立观冰站的方法来研究和观测输电线路的覆冰情况，这种方法投资大、建设周期长、运行成本高、数量有限，无法实现整个电网覆冰状况的实时监测。近年来，输电线路覆冰和微气象在线监测技术得到了迅速的发展，并逐渐成为感知电网覆冰状态和预防大面积覆冰、雪灾害事故的主要手段。目前发展起来覆冰监测方法主要有：称重法、导线倾角法、图像监测法、覆冰速率计法、模拟导线法以及准分布式光纤传感法等。其中，称重法、导线倾角法在国内的应用较为广泛。然而这些监测方法均是点式监测方法，只针对输电线路上的某些特定线路进行覆冰状态监测，并不能实现真正意义上的线路分布式实时监测。目前，光纤传感以其绝缘、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、耐水、易植入、组网方便等优势逐渐得到电力行业的青睐，并在智能电网建设中的许多应用领域成为最佳选择。分布式光纤传感充分利用电力光纤通信网中已有闲置光纤资源，在输电线路的温度、应变、振动、覆冰、局部放电等方面应用效果显著、发展前景广阔。在众多分布式光纤传感的技术当中，相位敏感型光时域反射(Φ-OTDR)系统灵敏度极高、测量相应速度快、抗电磁干扰，且能实现长距离全分布式传感。在电力系统中使用Φ-OTDR系统，可以从振动的角度对被测架空地线复合光缆(OPGW)运行状态进行评估，实现对被测线路运行状态的在线安全监测，从而做到事故隐患及时排除，避免重大经济损失。然而Φ-OTDR系统在电力行业还未进行十分广泛的应用，目前也较为缺少关于输电线路覆冰情况的监测方法。
技术实现思路
专利技术目的：为解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种基于相位敏感型光时域反射系统的OPGW覆冰监测方法，具有监测方法智能化程度高、便于计算机进行自动分析判断覆冰程度、有着重要的经济价值和社会价值的特点。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：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。系统各部分器件说明如下：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，传感探针光瞬时光功率大于本地参考光，耦合分光比可以选择为90:10。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，此处的声光调制器3用于将激光调制为脉冲光，同时让激光脉冲获得固定频率的移频，频移量可以为200MHz。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。用于放大激光脉冲功率，提升传感光纤6中所激发的瑞利散射光强以提升本系统传感范围，其最大增益可以为20dBm。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。此处的光纤环形器5为一个三端口光纤环形器，其光学特征是从一号端口输入的光只能从二号端口输出，从二号端口输入的光只能从三号端口出，并且传感光纤6为标准通信用单模光纤。任意波形发生器7，产生频率可调的脉冲序列，输出重复频率为1kHz，光脉宽即光脉冲的持续时间为100ns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，耦合分光比为50：50。平衡光探测器9，用于将2×2光纤耦合器8输入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，用于实现信号模数转换，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。其中，所述窄线宽激光器1产生的激光经过1×2光纤耦合器2分成两路光信号，一路为传感探针光信号经过声光调制器3调制为光脉冲，光脉冲经过掺铒光纤放大器4进行光功率放大，放大之后的光脉冲输入光纤环形器5的一号端口并由二号端口输出到传感光纤6，传感光纤6中背向散射的传感光信号传回光纤环形器5二号端口并由三号端口输出；1×2光纤耦合器2输出的另一路为本地参考光信号，本地参考光信号与光纤环形器5的三号端口输出的传感光信号进入2×2光纤耦合器8中合波，2×2光纤耦合器8两个输出端口与平衡光探测器9连接。任意波形发生器7产生频率可调的脉冲序列，调制声光调制器3使声光调制器3输出光脉冲，任意波形发生器7产生的脉冲序列同时触发数据采集卡10使数据采集卡10采集平衡光探测器9输出的电信号。平衡光探测器9将2×2光纤耦合器8输入的光信号转换成电信号，电信号由数据采集卡10进行模数转换传递至计算机11进行信号处理。本专利技术还提出一种基于上述相位敏感型光时域反射系统的OPGW覆冰监测方法，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n窄线宽激光器(1)，用于产生激光输出给1×2光纤耦合器(2)；/n1×2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)；/n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)；/n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；/n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)；/n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；/n2×2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；/n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)；/n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)；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张益昕，陈可楠，张旭苹，张道，王顺，方行，陈晓红，王峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32