一种基于分布式放大和光学啁啾链的长距离分布式光纤性能快速检测装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于分布式放大和光学啁啾链的长距离分布式光纤性能快速检测装置和方法，涉及光纤性能检测技术领域。其中装置包括BOTDA数据采集模块和数据处理模块；BOTDA数据采集模块包括窄线宽激光器、光纤耦合器、微波源、第一电光调制器、第二电光调制器、可调谐滤波器、第一掺饵光纤放大器、环形器、波分复用器、拉曼放大器、任意波形发生器、第三电光调制器、光纤光栅滤波器、第二掺饵光纤放大器、保偏控制器、待测光纤、光电探测器、数据采集卡；数据处理模块中对BOTDA数据进行处理，实现对待测光纤的温度和应变的检测，其中利用主成分分析法提取对应的特征参量。本发明专利技术能够实现快速分布式光纤温度和应变检测，可应用于电力系统OPGW光缆的在线监测。统OPGW光缆的在线监测。统OPGW光缆的在线监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分布式放大和光学啁啾链的长距离分布式光纤性能快速检测装置和方法


[0001]本专利技术涉及光纤性能检测
，具体涉及一种基于分布式放大和光学啁啾链的长距离分布式光纤性能快速检测装置和方法。

技术介绍

[0002]电力通信网是电网的重要组成部分，是电网调度、运营、管理信息化的基础，是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段。电力通信网作为电网系统网络信息汇聚交换的载体，承载电网生产和公司经营的重要核心业务，历经多年发展，形成了清晰的网架结构和业务承载方式。当前，电力通信网承载的电网生产调度和经营管理等数据、多媒体业务不断增长，局部区域光缆和带宽资源趋于紧张，对通信通道的安全性和可靠性提出了更高要求，亟需通过补强一级骨干通信系统的薄弱环节，优化提升网络整体安全运行水平，实现安全可控、能控、在控。
[0003]OPGW光缆体量大，以国家电网有限公司电力骨干通信网为例，根据《2020年度国家电网公司电力通信系统统计年报》，截至2020年底，电力骨干通信网OPGW光缆总里程已达156.92万多公里，骨干网传输带宽的年均增长速度达到50％以上。架空电缆作为电力通信网的主要载体，由于其特有的架设方式，运行过程中将不可避免地受季节性覆冰、风沙等极端天气影响，同时由于高空悬挂会引发引力、张力等拉伸作用，易导致局部应力集中而损伤光纤，严重时造成光缆断裂，也可表现为衰减的增加，随着自身运行年限的增长，光缆自身的性能产生劣化，这些均将不同程度影响OPGW光缆的可靠运行。约25％的电力骨干网光缆运行超过15年，在近5年的OPGW故障中，以光缆中部分纤芯劣化为表象的故障占比超过60％，电力骨干通信网OPGW光缆面临着体量大、运行年限长及故障频发的多重考验。以2018年故障统计数据为例，一级骨干通信网OPGW光缆故障共计29次，同比增加11次，增长61.1％，呈明显上升趋势；平均故障时长为12.96小时，为各类光缆故障处置时长之最(主要原因为故障定位难、修复难)。
[0004]综上，一级骨干通信网OPGW光缆呈现体量大、年限久、故障频发、部分区段可用资源紧张的特点，OPGW光缆的可靠运行已成为能否确保安全生产可控、能控、在控的痛点和难点问题。因此，亟需在运维工作中加强对光缆性能的检测，并探索研究除传统的利用OTDR进行光缆衰耗检测外的新方法开展光缆性能深层次检测，确保提前发现并消除光缆运行中存在的隐患，是解决当前电网安全生产瓶颈的必要手段，是电力通信网有效支撑泛在电力物联网、建设“三型两网”的重要基础研究课题。
[0005]基于布里渊光时域分析技术(BOTDA，Brillouin optical time domain analysis)是一种新兴的、可用于电力系统网络中对OPGW光缆光纤进行应变检测的技术，具有分布式、长距离、实时性、精度高、抗电磁干扰、耐高温、耐高压、耐久性长、采用OPGW备用纤芯测量无需另置传感器、线路无需供电等诸多优势。分布式光纤传感技术非常适合于电力系统的传感，不仅可以克服高压输电线路上强电磁干扰以及高电压绝缘的困难，而且还
适用于环境恶劣、地形复杂的区域。基于分布式传感的监测技术已经在长距离油气管线的泄露监测、大型建筑物的结构健康监测、地质灾害监测、海缆监测中被广泛应用。将光纤传感技术应用于电力系统，对于保障电力系统安全稳定运行具有重要意义。
[0006]基于布里渊光纤传感技术的OPGW光缆故障预警系统，重点解决OPGW光缆故障后发现无法事前预警以及故障定位难的问题，有利于提升线路的安全运行水平。基于BOTDA技术的故障预警功能着力解决OPGW光缆故障带来的线路安全运行隐患，有利于更好地保护线路的运行状态，进一步提高对电力生产业务的支撑和保障水平。长距离、快速应力监测系统的开发，为布里渊应力传感技术在电网系统的大规模应用提供可能。提前安排风险隐患的检查与治理，从根本上提高网络的安全性和可靠性，进一步支撑和强化电力通信网的本质安全。
[0007]由于电网业务与带宽需求增长对长距离传输系统不断提出更高的要求，尤其对于特高压与超高压骨干通信网，传输距离不断提高，而对于其配套的应力监测系统也提出了更长距离要求，同时由于光缆的体量大，运行人员维护压力大，仪表的测量速度也是限制应力监测技术大范围应用于检修工作中制约因素之一，因此，研究兼顾测量长度的基础上优化数据解调方式，提升应力检测的效率是当务之急。

技术实现思路

[0008]为此，本专利技术提出一种基于分布式放大和光学啁啾链的长距离分布式光纤性能快速检测装置和方法，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。
[0009]根据本专利技术的一方面，提供一种基于分布式放大和光学啁啾链的长距离分布式光纤性能快速检测装置，所述装置包括BOTDA数据采集模块和数据处理模块；所述BOTDA数据采集模块包括：窄线宽激光器1、光纤耦合器2、微波源3、第一电光调制器4、第二电光调制器5、可调谐滤波器6、第一掺饵光纤放大器7、环形器8、波分复用器9、拉曼放大器10、任意波形发生器11、第三电光调制器12、光纤光栅滤波器13、第二掺饵光纤放大器14、保偏控制器15、待测光纤16、光电探测器17、数据采集卡18；其中，
[0010]所述窄线宽激光器1的光信号输出端与光纤耦合器2的光信号输入端连通，所述光纤耦合器2的一号光信号输出端和第一电光调制器4的输入端连通，微波源3的微波信号输出端与第一电光调制器4的微波信号加载端连通，第一电光调制器4的输出端与第二电光调制器5的输入端连通，任意波形发生器11的输出端与第二电光调制器5的微波加载端连通，第二电光调制器5的输出端与可调谐滤波器6输入端连通，可调谐滤波器6输出端与第一掺饵光纤放大器7的输入端连通，第一掺饵光纤放大器7的输出端与环形器8的一号光信号端口8
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1连通，环形器8的二号光信号端口8
‑
2与波分复用器9的1550波段输入端口连通，拉曼放大器10的输出端与波分复用器9的1480波段输入端口连通，经波分复用器9的输出端注入待测光纤16中；
[0011]光纤耦合器2的二号光信号输出端和第三电光调制器12的输入端连通，任意波形发生器11的输出端与第三电光调制器12的微波信号加载端连通，第三电光调制器12的输出端与光纤光栅滤波器13的输入端连通，光纤光栅滤波器13的输出端与第二掺饵光纤放大器14的输入端连通，第二掺饵光纤放大器14的输出端与保偏控制器15的输入端连通，保偏控制器15的输出端与待测光纤16的另一端连通；
[0012]环形器8的三号光信号端口8
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3与光电探测器17的光信号输入端连通，光电探测器17的电信号输出端与数据采集卡18的电信号输入端连通；数据采集卡18采集获得待测光纤16的BOTDA数据；
[0013]所述数据处理模块用于对采集的BOTDA数据进行处理，以实现对待测光纤16的温度和应变的检测。
[0014]进一步地，所述数据处理模块中对采集的BOTDA数据进行处理，以实现对待测光纤16的温度和应变的检测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分布式放大和光学啁啾链的长距离分布式光纤性能快速检测装置，其特征在于，所述装置包括BOTDA数据采集模块和数据处理模块；所述BOTDA数据采集模块包括：窄线宽激光器(1)、光纤耦合器(2)、微波源(3)、第一电光调制器(4)、第二电光调制器(5)、可调谐滤波器(6)、第一掺饵光纤放大器(7)、环形器(8)、波分复用器(9)、拉曼放大器(10)、任意波形发生器(11)、第三电光调制器(12)、光纤光栅滤波器(13)、第二掺饵光纤放大器(14)、保偏控制器(15)、待测光纤(16)、光电探测器(17)、数据采集卡(18)；其中，所述窄线宽激光器(1)的光信号输出端与光纤耦合器(2)的光信号输入端连通，所述光纤耦合器(2)的一号光信号输出端和第一电光调制器(4)的输入端连通，微波源(3)的微波信号输出端与第一电光调制器(4)的微波信号加载端连通，第一电光调制器(4)的输出端与第二电光调制器(5)的输入端连通，任意波形发生器(11)的输出端与第二电光调制器(5)的微波加载端连通，第二电光调制器(5)的输出端与可调谐滤波器(6)输入端连通，可调谐滤波器(6)输出端与第一掺饵光纤放大器(7)的输入端连通，第一掺饵光纤放大器(7)的输出端与环形器(8)的一号光信号端口(8
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1)连通，环形器(8)的二号光信号端口(8
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2)与波分复用器(9)的1550波段输入端口连通，拉曼放大器(10)的输出端与波分复用器(9)的1480波段输入端口连通，经波分复用器(9)的输出端注入待测光纤(16)中；光纤耦合器(2)的二号光信号输出端和第三电光调制器(12)的输入端连通，任意波形发生器(11)的输出端与第三电光调制器(12)的微波信号加载端连通，第三电光调制器(12)的输出端与光纤光栅滤波器(13)的输入端连通，光纤光栅滤波器(13)的输出端与第二掺饵光纤放大器(14)的输入端连通，第二掺饵光纤放大器(14)的输出端与保偏控制器(15)的输入端连通，保偏控制器(15)的输出端与待测光纤(16)的另一端连通；环形器(8)的三号光信号端口(8
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3)与光电探测器(17)的光信号输入端连通，光电探测器(17)的电信号输出端与数据采集卡(18)的电信号输入端连通；数据采集卡(18)采集获得待测光纤(16)的BOTDA数据；所述数据处理模块用于对采集的BOTDA数据进行处理，以实现对待测光纤(16)的温度和应变的检测。2.根据权利要求1所述的基于分布式放大和光学啁啾链的长距离分布式光纤性能快速检测装置，其特征在于，所述数据处理模块中对采集的BOTDA数据进行处理，以实现对待测光纤(16)的温度和应变的检测的具体步骤包括：仿真产生多个布里渊中心频移对应的多组布里渊衰减谱，其中，一个布里渊中心频移对应两组布里渊衰减谱，所述两组布里渊衰减谱是根据传感距离需求，分别采用70ns和40ns探测脉冲宽度对应产生的；提取每个布里渊中心频移所对应的特征参量r
l
；保存多个特征参量r
l
及其对应的布里渊中心频移形成数据库；任意波形发生器(11)分别采用70ns和40ns探测脉冲宽度，数据采集卡(18)对应采集两组BOTDA时域信号；提取待测光纤(16)的两组BOTDA时域信号所对应的特征参量s；计算特征参量s与数据库中每个特征参量r
l
的距离D(s,r
l
)；选择距离D(s,r
l
)最小值所对应的特征参量为匹配特征，所述匹配特征对应的布里渊中心频移即为待测光纤(16)对应的布里渊中心频移；根据布里渊中心频移计算获得待测光纤(16)的温度和应变。3.根据权利要求2所述的基于分布式放大和光学啁啾链的长距离分布式光纤性能快速
检测装置，其特征在于，所述数据处理模块中提取特征参量r
l
或特征参量s的具体过程包括：对于仿真产生的每组布里渊衰减谱，按照啁啾周期进行截取，获得各个位置的多个布里渊衰减谱；将一个布里渊中心频移对应的两组布里渊衰减谱作差，从而获取多组差分布里渊衰减谱；对于待测光纤(16)的每组BOTDA时域信号，将所述BOTDA时域信号按照啁啾周期进行截取，获得各个位置的多个布里渊衰减谱；将两组BOTDA时域信号对应的两组布里渊衰减谱作差，从而获取多组差分布里渊衰减谱；根据多组差分布里渊衰减谱利用主成分分析法提取对应的特征参量。4.根据权利要求3所述的基于分布式放大和光学啁啾链的长距离分布式光纤性能快速检测装置，其特征在于，所述数据处理模块中根据多组差分布里渊衰减谱利用主成分分析法提取对应的特征参量的具体过程包括：多组差分布里渊衰减谱表示为g
i
，每组差分布里渊衰减谱g
i
中包含N个元素，将多组差分布里渊衰减谱用矩阵表示为G＝[g1，g2，
…
，g
M
]，计算其平均值g：根据平均值计算归零矩阵：根据归零矩阵计算协方差矩阵：其中协方差矩阵C的N个特征值λ

【专利技术属性】
技术研发人员：吴广哲，王颖，李灿，陈灿，李黎，夏小萌，金炜，吴俊，张立岩，周红燕，水彪，王本章，
申请(专利权)人：长飞光纤光缆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：