專利名稱：分布式光纖系統(tǒng)的應力監(jiān)測方法
分布式光纖系統(tǒng)的應力監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)的應力測量技術領域，尤其涉及利用分布式光纖系統(tǒng)進行應力監(jiān)測的方法。
背景技術：
在電力系統(tǒng)中，電纜，風電設備等長期暴露在大氣中，受到外力及外界環(huán)境變化的影響如風振冰災舞動等會發(fā)生形變產(chǎn)生弧垂導致設備產(chǎn)生應力應變，設備強度下降造成線路中斷故障。而應力對設備影響并不能直觀表現(xiàn)出來，一旦應力積累到一定程度造成設備工作中斷，將會嚴重影響電力系統(tǒng)輸供電的安全，如何在沒有發(fā)生故障時及時了解設備應力應變情況發(fā)現(xiàn)故障隱患采取有效的預防措施對于提高電力系統(tǒng)可靠性非常重要。目前對應力測量的方法非常多，有應變片測量、磁測量等等多種手段，最新研究的精度比較高的測量手段主要為分布式光纖應力測量技術。分布式光纖應力測量技術主要有基于瑞利散射的分布式光纖應力傳感技術、基于BOTDR(Brillouin Optical Time-DomainReflectometry)(布里淵光時域反射)技術并采用光學濾波法檢測布里淵頻移的分布式光纖傳感技術、基于BOTDA技術并采用直接檢測方法獲取布里淵頻移的分布式光纖傳感技術和基于微波外調(diào)制的損耗型BOTDA分布式光纖傳感系統(tǒng)。

圖1是基于瑞利散射的分布式光纖應力傳感技術的原理意框圖。由于光纖中存在成分和密度的不均勻，使得折射`率的微觀呈現(xiàn)不均勻性，當激光脈沖在光纖中傳輸時會產(chǎn)生瑞利散射。在利用瑞利散射的光纖傳感技術中，一般米用光時域反射(OTDR)結構來實現(xiàn)被測量的空間定位。該技術的發(fā)展初期，主要是通過記錄沿傳感光纖后向瑞利散射光的強度來檢查光纖的衰減和連續(xù)性，確定光纖各處的損耗、光纖故障點和斷點的位置。后來根據(jù)瑞利散射系數(shù)隨應力的變化，利用瑞利散射光強度與應變應力的調(diào)制關系，將該技術用于測量光纖沿線的應變應力場分布。依據(jù)瑞利散射光在光纖中受到的調(diào)制作用該傳感技術可分為強度調(diào)制型和偏振態(tài)調(diào)制型，它們分別利用光纖的吸收、損耗特性或瑞利散射系數(shù)和在光纖中傳播光波的偏振態(tài)受外界物理量的調(diào)制來實現(xiàn)外部物理量的傳感測量的?；谌鹄⑸涞姆植际焦饫w應力傳感技術存在以下問題精度低、傳感距離短和檢測響應時間較長。如圖2 所不，基于 BOTDR(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry)(布里淵光時域反射)技術并采用光學濾波法檢測布里淵頻移的分布式光纖傳感技術是將自發(fā)布里淵散射檢測和光時域反射儀相結合，當光纖的應變發(fā)生變化時，光纖纖芯的折射率和聲速會發(fā)生相應的變化，從而導致布里淵頻移的改變。在應用過程中使脈沖光從光纖的一端輸入，并在同一端測量后向返回的自發(fā)布里淵散射光，通過將后向自發(fā)布里淵散射光與一個頻率較為接近的參考光進行差頻相干，測量頻率較低的拍頻信號來得到布里淵頻移。有了布里淵頻移的變化量就可以測算出應變的變化量；同時，通過測定脈沖光入射到散射光的回波時間就可以確定傳感的位置。圖2是基于BOTDR技術并采用光學濾波法檢測布里淵頻移的分布式光纖傳感技術的原理示意框圖。在該基于BOTDR技術并采用光學濾波法檢測布里淵頻移的分布式光纖傳感技術中，主要存在以下問題(1)系統(tǒng)中產(chǎn)生的自發(fā)布里淵散射光比較微弱；(2)系統(tǒng)中布里淵頻移很小，測量難度很大；(3)由于布里淵頻移很小，對濾波器要求極高，測量準確度不高，影響測量精度；(4)檢測響應時間較長。如圖3所示，在基于BOTDA技術并采用直接檢測方法獲取布里淵頻移的分布式光纖傳感技術中，從光纖的兩端分別注入一脈沖光(泵浦光)與一連續(xù)光(探測光)在光纖的鋪設路徑上，由于應力不同，相同波長的泵浦光激發(fā)的布里淵散射頻移也不同。當泵浦光與探測光的頻率差與布里淵頻移相等時，兩束光之間發(fā)生能量轉移，布里淵波長上的光就會被放大，即在該位置產(chǎn)生了布里淵放大效應。當對一個激光波長進行掃描時，通過檢測從光纖一端耦合出來的連續(xù)光功率，就可以確定光纖各小段區(qū)域上能量轉移達到最大時所對應的頻率差。由于布里淵頻移與應力呈線性關系，因此，對激光器的頻率進行連續(xù)調(diào)節(jié)的時候，就可以得到應力信息，實現(xiàn)分布式測量。實際運用中可以采用電光調(diào)制器對探測光或者泵浦光的頻率在布里淵頻移波段(約為10. SGHfll.1GHz)進行掃描，以繪制布里淵增益/損耗譜。然而這樣的掃頻技術需要耗費很長的時間，不能做到實時的檢測，同時也降低了精度和動態(tài)范圍。。可是該技術存在以下問題(I)光源穩(wěn)頻要求高；(2)由于需要分析點數(shù)非常多，為提高測試靈敏度，需要多次平均，因此測試時間非常長；(3)增益型傳感方式會引起泵浦光能量急劇降低，難以實現(xiàn)長距離檢測。如圖4所不,基于微波外調(diào)制的損耗型BOTDA分布式光纖傳感系統(tǒng)米用1.55μηι工作波長的窄線寬激光器，通過耦合器I將光源分為兩路。其中一路光信號由聲光調(diào)制器(AOM)調(diào)制成脈沖光，經(jīng)過摻鉺光纖放大器(EDFA)放大信號和光柵濾除EDFA產(chǎn)生的自發(fā)福射噪聲后進入傳感光纖。I禹合器的另一路光信號由電光調(diào)制器(EOM)調(diào)制產(chǎn)生約IlGHz頻移的光信號。為了獲得最大的輸出信號和平坦的傳輸特性，EOM前需加偏振控制器(PC)進行偏振態(tài)的控制。本系統(tǒng)采用損耗型BOTDA技術，連續(xù)光頻率高于脈沖光頻率。因此選取調(diào)制信號的上邊帶。經(jīng)過調(diào)制后的光信號作為探測光進入傳感光纖。當光纖中相向傳輸?shù)膬陕饭獾念l率差與光纖的布里淵頻移一致時，受激布里淵散射作用最強。探測光通過耦合器2進入光電檢測器檢測，再由高速數(shù)據(jù)采集設備迭加平均并進行頻譜擬合，就可確定光纖各段布里淵增益達到最大時所對應的頻率差，該頻率差與光纖各段上的布里淵頻移相等，因此能夠確定與布里淵頻移成線性關系的應力值，從而實現(xiàn)應力的分布式測量。該基于微波外調(diào)制的損耗型BOTDA分布式光纖傳感系統(tǒng)只需要一個激光器作為光源，將激光器輸出光分成兩路，通過調(diào)節(jié)探測光調(diào)制信號的頻率實現(xiàn)對被測光纖區(qū)域的掃描，以此確定布里淵頻移的改變量并獲得應力的傳感信息。損耗型是指連續(xù)探測光頻率高于脈沖光頻率，探測光的能量向脈沖光轉移，這種傳感方式使脈沖光能量升高，不存在泵浦耗盡現(xiàn)象，從而能實現(xiàn)長距離的檢測。系統(tǒng)基本原理在傳感光纖兩端分別入射短脈沖光與連續(xù)探測光，當兩者的頻率差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移υ Β相等時，則在該區(qū)域就會產(chǎn)生受激布里淵散射(SBS)放大效應，兩光束之間發(fā)生能量轉移。由于布里淵頻移與應力存在線性關系，因此，在對激光器的頻率進行連續(xù)調(diào)節(jié)的同時，通過檢測從光纖一端耦合出來的探測光，就可以確定光纖各小段區(qū)域上能量轉移達到最大時所對應的頻率差。從而得到傳感光纖上應力的信息，實現(xiàn)分布式測量。布里淵頻移υΒ是應力和應變的函數(shù)，在應力單獨作用下有如下關系
權利要求
1.一種分布式光纖系統(tǒng)的應力監(jiān)測方法，其特征在于，包括步驟將激光分成兩束激光，將其中一束激光與脈沖調(diào)制或隨機序列信號調(diào)制為脈沖光，并將所述脈沖光進行放大；將另一束激光與OFDM信號調(diào)制為帶有光載波的光OFDM信號，并對所述光OFDM信號進行放大；其中，所述光OFDM信號的頻率分辨率為子載波間隔；將放大后的所述脈沖光作為泵浦光，放大后的所述光OFDM信號作為探測光；所述泵浦光和所述探測光在單模光纖內(nèi)經(jīng)歷布里淵增益；將布里淵增益后的所述泵浦光和所述探測光進行光電轉換后獲得OFDM電信號；對所述OFDM電信號進行信道估計獲得各子載波的布里淵頻移；根據(jù)各所述子載波的布里淵頻移獲得沿光纖軸向分布的各個點的應力值。
2.根據(jù)權利要求1所述的分布式光纖系統(tǒng)的應力監(jiān)測方法，其特征在于，獲得布里淵頻移以及根據(jù)所述布里淵頻移獲得應力值的步驟包括根據(jù)公式(I)獲得所述OFDM電信號的第k個子載波的信號相對強度
3.根據(jù)權利要求1所述的分布式光纖系統(tǒng)的應力監(jiān)測方法，其特征在于，將另一束激光與OFDM信號調(diào)制為帶有光載波的光OFDM信號的步驟之前還包括產(chǎn)生所述OFDM信號的步驟偽隨機序列PRBS碼經(jīng)過串并變換后映射到相應的調(diào)制方式，經(jīng)過逆傅里葉IFFT變換到時域信號后加循環(huán)前綴，然后再并串變換后經(jīng)過數(shù)模轉換轉換為所述OFDM信號；將布里淵增益后的所述泵浦光和所述探測光進行光電轉換后獲得OFDM電信號的步驟包括將布里淵增益后的所述泵浦光和所述探測光進行同步，然后進行串并變換并去除所述循環(huán)前綴，再傅里葉FFT變換到頻域信號，獲得OFDM電信號。
4.根據(jù)權利要求1所述的分布式光纖系統(tǒng)的應力監(jiān)測方法，其特征在于，將另一束激光與OFDM信號調(diào)制為帶有光載波的光OFDM信號的步驟之前還包括產(chǎn)生所述OFDM信號的步驟循環(huán)發(fā)射同一幀的偽隨機序列PRBS碼，經(jīng)過串并變換后映射到相應的調(diào)制方式，經(jīng)過逆傅里葉IFFT變換到時域信號后進行并串變換；然后再并串變換后經(jīng)過數(shù)模轉換轉換為所述OFDM信號；將布里淵增益后的所述泵浦光和所述探測光進行光電轉換后獲得OFDM電信號的步驟包括 將布里淵增益后的所述泵浦光和所述探測光進行同步，然后進行串并變換，再傅里葉 FFT變換到頻域信號，獲得OFDM電信號。
全文摘要
本發(fā)明的分布式光纖系統(tǒng)的應力監(jiān)測方法，將激光分成兩束激光，一束激光與脈沖調(diào)制或隨機序列信號調(diào)制為脈沖光，并將脈沖光放大；另一束激光與OFDM信號調(diào)制為光OFDM信號，并對光OFDM信號進行放大；將放大后的脈沖光作為泵浦光，放大后的光OFDM信號作為探測光；兩種光在單模光纖內(nèi)經(jīng)歷布里淵增益；將布里淵增益后的泵浦光和探測光進行光電轉換后獲得OFDM電信號；對OFDM電信號進行信道估計獲得各子載波的布里淵頻移；根據(jù)各子載波的布里淵頻移獲得沿光纖軸向分布的各個點的應力值。本發(fā)明能夠提高測量時間和精度，使得動態(tài)范圍得到很大提高，實時對電網(wǎng)系統(tǒng)設備進行應力監(jiān)測，提升分布式傳感系統(tǒng)的可靠性和實時性。
文檔編號G01L1/24GK103048070SQ20131001803
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月17日 優(yōu)先權日2013年1月17日
發(fā)明者蔣康明, 吳贊紅, 黃明輝, 劉瑋, 劉新展, 張飛, 黃達林, 朱文紅, 潘偉文, 汪瑩 申請人:廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心