本發(fā)明涉及電力光纜安全防護(hù)裝置及措施技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于室外小檔距oppc光纜的分布式光纖測振系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

輸電線路舞動(dòng)是不均勻覆冰導(dǎo)線在風(fēng)激勵(lì)下產(chǎn)生的一種低頻率（0.1～5hz）、大振幅（導(dǎo)線直徑的20～300倍）的自激振動(dòng)。高壓輸電線路舞動(dòng)能量大，持續(xù)時(shí)間長，易造成線路閃絡(luò)、跳閘、桿塔螺栓松動(dòng)、脫落，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生金具及絕緣子損壞，導(dǎo)線斷股、斷線，甚至倒塔，導(dǎo)致重大電網(wǎng)事故。為防止類似事故的發(fā)生，便需要進(jìn)行振動(dòng)量的測量試驗(yàn)。振動(dòng)量測量在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、電力、航空航天等領(lǐng)域具有非常高的應(yīng)用價(jià)值，傳統(tǒng)的振動(dòng)測量方法為電測量法，存在靈敏度低，體積大，安裝限制等問題，且傳統(tǒng)的振動(dòng)測量只能進(jìn)行點(diǎn)式測量。

分布式光纖傳感技術(shù)是指在光纖傳輸路徑上的外部信號(hào)通過一定的方法對光纖種的光波進(jìn)行調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)被測量對象的連續(xù)空間的實(shí)時(shí)測量。光纖同時(shí)具有導(dǎo)光介質(zhì)和傳感元件的功能。相比于傳統(tǒng)的振動(dòng)傳感器，光纖傳感器具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小、重量輕、不易受環(huán)境影響等特點(diǎn)，可進(jìn)行全分布的監(jiān)控。

基于相位敏感的光時(shí)域反射型（φ-otdr）傳感器與傳統(tǒng)型otdr最大的不同就是采用了具有窄線寬和低頻率漂移特性相干光源，相應(yīng)極大地提高了空間分辨率（可達(dá)1m）和振動(dòng)強(qiáng)度分辨率。利用這種散射光的相干性設(shè)計(jì)出的相位敏感型光時(shí)域反射系統(tǒng)，光纖本身既是傳輸媒質(zhì)又是感知元件，光纖上任意一點(diǎn)都是傳感單元，是一種真正意義上的全分布式光纖傳感器。

專利號(hào)為201410027722.6的發(fā)明公開了一種檢測振動(dòng)的光纖傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。該光纖傳感器包括傳導(dǎo)光纖、光纖光柵、簡支梁和帶有開口的非金屬保護(hù)外殼；光纖光柵和簡支梁置于非金屬保護(hù)外殼中，光纖光柵粘貼在簡支梁上，且光纖光柵的中心點(diǎn)與簡支梁的中心點(diǎn)對齊；非金屬保護(hù)外殼的一個(gè)側(cè)壁上開有開口，簡支梁的一端從開口中穿出，另一端固定在非金屬保護(hù)外殼的另一個(gè)側(cè)壁上。該發(fā)明所述的光纖傳感器不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響；避免了一般干涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點(diǎn)的需要；能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)布拉格光柵進(jìn)行分布式測量，形成一個(gè)分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)

專利號(hào)為201510917944.x的發(fā)明涉及光學(xué)工程、光纖光學(xué)和信息獲取與感知技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種u型傳感光纖部署結(jié)構(gòu)的光纖分布式傳感系統(tǒng)。本發(fā)明將光纖分布式傳感系統(tǒng)中用于檢測振動(dòng)信號(hào)的傳感光纖布置成多u型結(jié)構(gòu)，該多u型結(jié)構(gòu)由n條平行邊構(gòu)成n-1個(gè)u型，且相鄰u型方向相反，n>1。從傳感光纖起始端將其依次劃分為一系列連續(xù)且等長的通道，各通道的長度為入射脈沖激光線寬t的一半。傳感光纖各平行邊上的每個(gè)通道與相鄰平行邊對應(yīng)的通道在垂直于平行邊方向上不重疊。該發(fā)明在不減小光源脈沖寬度，不犧牲光源入射功率，不減小光電探測器最小積分時(shí)間的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)的空間分辨率

專利號(hào)為201210060041.0的發(fā)明公布了基于相位解調(diào)的超大動(dòng)態(tài)范圍分布式光纖傳感裝置及方法。其中包括光源，耦合器，聲光調(diào)制器，光放大器，環(huán)形器，探測器，自動(dòng)增益控制裝置，調(diào)制器驅(qū)動(dòng)裝置，鎖相放大器，傳感光纜，信號(hào)處理以及信號(hào)輸出裝置。本發(fā)明采用了自動(dòng)增益控制裝置，可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)檢測；采用了鎖相放大器的相位解調(diào)檢測裝置，降低了強(qiáng)度噪聲的影響，可以實(shí)現(xiàn)了高靈敏度，高帶寬振動(dòng)信號(hào)檢測，從而可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍分布式振動(dòng)傳感。該發(fā)明的有益效果為可實(shí)現(xiàn)具有如下優(yōu)勢的長距離分布式傳感：動(dòng)態(tài)范圍大，定位精度高，干涉?zhèn)鞲徐`敏度高，檢測振動(dòng)信號(hào)的帶寬大，可多點(diǎn)定位，檢測距離長等。

然而，上述方案的側(cè)重點(diǎn)均放在光纖傳感部件的實(shí)際應(yīng)用方面，對測振所需要的數(shù)據(jù)處理及分析輸出并未作出詳細(xì)描述，所以并為構(gòu)成完整的測振技術(shù)方案，存在應(yīng)用功能上的缺陷，而且還都存在對于輸電線路舞動(dòng)特征研究針對性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供基于室外小檔距oppc光纜的分布式光纖測振系統(tǒng)及方法，它能夠針對輸電線路舞動(dòng)特點(diǎn)，提出針對性的測振模擬試驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)舞動(dòng)特征識(shí)別等數(shù)據(jù)的采集與分析，為室外真型試驗(yàn)線路上的長距離監(jiān)測作出理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是：基于室外小檔距oppc光纜的分布式光纖測振系統(tǒng)，包括光路調(diào)制系統(tǒng)以及與所述光路調(diào)制系統(tǒng)相連接的電子解調(diào)系統(tǒng)，所述光路調(diào)制系統(tǒng)包括脈沖激光序列單元、光電轉(zhuǎn)換單元以及分別與兩者連接的環(huán)形器，所述環(huán)形器連接舞動(dòng)線路的測試光纖；所述電子解調(diào)系統(tǒng)包括順次連接的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)解調(diào)模塊、嵌入式處理器和上位機(jī)，所述嵌入式處理器與所述上位機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)端口連接；所述數(shù)據(jù)解調(diào)模塊包括fpga數(shù)據(jù)處理模塊及其連接的時(shí)鐘單元、觸發(fā)單元。

進(jìn)一步地，所述脈沖激光序列單元包括順次連接的激光器、調(diào)制器和放大器，所述激光器包括極窄線寬激光器模塊。

進(jìn)一步地，所述調(diào)制器為聲光調(diào)制器，可將連續(xù)光轉(zhuǎn)換為脈沖光。

進(jìn)一步地，所述放大器為摻鉺光纖放大器。

進(jìn)一步地，所述光電轉(zhuǎn)換單元包括與所述環(huán)形器連接的光纖干涉儀以及與所述光纖干涉儀連接的光電探測器。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括模擬信號(hào)采集模塊和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，所述模擬信號(hào)采集模塊包括交流耦合式模擬采樣通道，所述數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊可通過通用i/o方法及用戶自定義協(xié)議與外部設(shè)備互聯(lián)。

進(jìn)一步地，所述觸發(fā)單元包括軟件觸發(fā)模塊與外部觸發(fā)模塊，所述軟件觸發(fā)模塊包括上升沿、下降沿、高電平、低電平四種模式。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)解調(diào)模塊包括數(shù)據(jù)總線，所述fpga數(shù)據(jù)處理模塊通過pcie數(shù)據(jù)總線與所述嵌入式處理器連接。

進(jìn)一步地，所述網(wǎng)絡(luò)端口包括萬兆以太網(wǎng)口和高速usb通用接口。

基于室外小檔距oppc光纜的分布式光纖測振方法，包括如下步驟：

1)由脈沖激光序列單元的激光器發(fā)出激光，經(jīng)過聲光調(diào)制器的脈沖調(diào)制，調(diào)制成重復(fù)頻率為f，脈寬為w的脈沖序列，經(jīng)過光功率放大器的功率放大后，經(jīng)過環(huán)形器注入到傳感光纖；

2)在前向脈沖光遍歷傳感光纖時(shí)，后向瑞利散射光逆著光傳播方向經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入到光纖干涉儀中，經(jīng)過干涉儀的干涉調(diào)制，干涉信號(hào)經(jīng)過光電探測器的光電轉(zhuǎn)換，進(jìn)入到電子解調(diào)系統(tǒng)中；

3）數(shù)據(jù)采集模塊向光路調(diào)制系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)脈沖，通過采集光電探測器輸出的多路電壓信號(hào)，并將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

4）轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過自定義協(xié)議的方式傳送給fpga數(shù)據(jù)處理模塊，并通過在fpga上自定義的解調(diào)算法，得到光路調(diào)制系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)；

5）數(shù)據(jù)解調(diào)模塊運(yùn)用高速傳輸引擎將振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳送給高性能嵌入式處理器，并通過萬兆網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、配置操作；

6）依據(jù)上位機(jī)的最終數(shù)據(jù)篩選所需的信息量，實(shí)現(xiàn)傳感目的，進(jìn)而獲取室內(nèi)舞動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的舞動(dòng)線路振動(dòng)信息。

本發(fā)明的有益效果包括以下幾個(gè)方面：

1、本發(fā)明主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測室外小檔距oppc光纜線路的舞動(dòng)狀態(tài)，具備強(qiáng)大的多重監(jiān)測功能，既能對舞動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行定性監(jiān)測，也可對舞動(dòng)線路進(jìn)行舞動(dòng)幅度頻率的定量監(jiān)測，同時(shí)可以監(jiān)測室外小檔距oppc光纜常見的低頻舞動(dòng)狀態(tài)；

2、本發(fā)明測振系統(tǒng)安裝簡便，通過簡單的電路式連接即可，安裝后可直接放置在室內(nèi)，進(jìn)行簡易操作即可進(jìn)行設(shè)備的運(yùn)行和監(jiān)測；

3、本發(fā)明依靠嵌入式處理器以及通過時(shí)鐘脈沖觸發(fā)的fpga模塊及時(shí)獲取光纜試驗(yàn)線路在各個(gè)舞動(dòng)頻率下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)積累，為今后在室外真型試驗(yàn)線路上的長距離監(jiān)測做鋪墊。

附圖說明

圖1是本發(fā)明分布式光纖測振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2是本發(fā)明電子解調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖3是本發(fā)明的分布式光纖測振方法流程圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

如圖1所示，基于室外小檔距oppc光纜的分布式光纖測振系統(tǒng)，包括光路調(diào)制系統(tǒng)以及與光路調(diào)制系統(tǒng)相連接的電子解調(diào)系統(tǒng)，光路調(diào)制系統(tǒng)包括脈沖激光序列單元、光電轉(zhuǎn)換單元以及分別與兩者連接的環(huán)形器，環(huán)形器連接舞動(dòng)線路的測試光纖；電子解調(diào)系統(tǒng)包括順次連接的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)解調(diào)模塊、嵌入式處理器和上位機(jī)，嵌入式處理器與上位機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)端口連接；數(shù)據(jù)解調(diào)模塊包括fpga數(shù)據(jù)處理模塊及其連接的時(shí)鐘單元、觸發(fā)單元。其中光路調(diào)制系統(tǒng)的光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)入電子解調(diào)系統(tǒng)，電子解調(diào)系統(tǒng)的高速(>100ms/s)ad采集光路信息，經(jīng)過fpga，在fpga內(nèi)經(jīng)過解調(diào)算法的處理，將光纖中的振動(dòng)信息進(jìn)行提取，通過dma將數(shù)據(jù)傳入高性能armcortex-a9處理器，最后通過萬兆網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳pc及，在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

脈沖激光序列單元包括順次連接的激光器、調(diào)制器和放大器，激光器是分布式光纖測振裝置中非常關(guān)鍵的部件，采用rio公司的極窄線寬激光器模塊，具有極小的頻率飄逸，可以迅速響應(yīng)光相位的變化，干涉作用非常明顯。該激光器的光中心波長為1550.12nm，光功率10mw。聲光調(diào)制器（aom）在系統(tǒng)中，使用的是連續(xù)注入的脈沖光來進(jìn)行探測，因此必須使用調(diào)試器將連續(xù)光轉(zhuǎn)換為脈沖光。相比于電光調(diào)制器，聲光調(diào)試器工作更加穩(wěn)定，不受偏振影響，適合工程應(yīng)用。由于光線制備水平的快速發(fā)展，光線的損耗越來越低，瑞利散射光也越來越小，對于長距離的分布式傳感器，需要采用光放大技術(shù)，采用摻鉺光纖放大器（edfa），具有增益高、噪聲低、工作頻帶寬、輸出功率高、泵浦功率高等良好特性。

如圖2所示，電子解調(diào)系統(tǒng)通過dio向光路部分提供驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過一系列操作對光路進(jìn)行調(diào)制，通過光路部分的光電探測器發(fā)出3路表征光路信息的電壓信號(hào)，通過高速adc進(jìn)行模擬采集，采集控制單元將采集的電壓信號(hào)通過自定義協(xié)議的方式傳送給在fpga上的自定義的解調(diào)算法，得到光路部分的振動(dòng)信號(hào)后，高速傳輸引擎將數(shù)據(jù)通過pcie總線傳送給高性能armcortex-a9處理器，在arm9處理上集成萬兆以太網(wǎng)口，通過萬兆網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)給我上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，顯示，配置等操作。

數(shù)據(jù)采集模塊包括模擬信號(hào)采集模塊和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，模擬信號(hào)采集模塊的模擬通道采用交流耦合方式，兩個(gè)巴倫背對背連接，避免降低偶次諧波性能，可以提供88dbc的無雜散動(dòng)態(tài)范圍。每個(gè)通道的-3db輸入帶寬為0.5mhz~135mhz，滿量程輸入范圍為2vp-p。數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊采用dio資源，板載4通道3.3vlvttl數(shù)字量輸入和8通道3.3vlvttl數(shù)字量輸出資源，除了通用的i/o使用方法，用戶可自定義uart、spi和i2c等協(xié)議與外部設(shè)備互聯(lián)。

數(shù)據(jù)解調(diào)模塊包括fpga數(shù)據(jù)處理模塊及其連接的時(shí)鐘單元、觸發(fā)單元；fpga數(shù)據(jù)處理模塊采用kintex-7k410tfpga，可使用labviewfpga進(jìn)行編程。利用labviewfpga的高級(jí)信號(hào)處理庫或集成現(xiàn)有verilog/vhdl。fpga可訪問單個(gè)2gbddr3ram組，帶寬為10.6gb/s。fpga上的兩個(gè)千兆級(jí)收發(fā)儀(mgt)可通過sfp+端口連接，從而實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2.5gb/s的高速串行數(shù)據(jù)流。使用ni提供的代碼可允許將數(shù)據(jù)通過xilinxaurora、由10個(gè)千兆以太網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)或集成現(xiàn)有高速串行協(xié)議來將數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)xilinxfpga上。

時(shí)鐘單元在上電后默認(rèn)使用板載的10mhz高精度tcxo作為參考時(shí)鐘，通過時(shí)鐘分配器倍頻到實(shí)際的采樣時(shí)鐘頻率。用戶可選使用外部的clkin端口輸入10mhz時(shí)鐘作為參考時(shí)鐘，此時(shí)板載tcxo被旁路。無論使用板載參考時(shí)鐘還是外部參考時(shí)鐘，在clkout端口都能得到一個(gè)交流耦合輸出的100mhz時(shí)鐘。

觸發(fā)單元提供軟件觸發(fā)和外部觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，其中外部觸發(fā)可以設(shè)置成上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)、高電平觸發(fā)、低電平觸發(fā)4種模式。通過使用外部觸發(fā)資源，用戶可以同步多個(gè)板卡的同步采集。

在實(shí)際應(yīng)用中，嵌入式處理器可選用armcortexa9處理器，控制器搭載運(yùn)行l(wèi)inuxreal-time的667mhz雙核armcortex-a9處理器，可部署到現(xiàn)場長時(shí)間可靠地運(yùn)行。嵌入式處理器可使用labviewreal-time進(jìn)行編程，您還可利用linux社區(qū)龐大的軟件生態(tài)系統(tǒng)。上位機(jī)可采用plc式工控機(jī)，與中控pc機(jī)連接，并通過連接的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、處理和存儲(chǔ)。

圖3所示，體現(xiàn)了分布式光纖測振方法流程，即光路調(diào)制系統(tǒng)的窄線寬激光器發(fā)出窄線寬的激光，經(jīng)過聲光調(diào)制器(aom)的脈沖調(diào)制，調(diào)制成重復(fù)頻率為f，脈寬為w的脈沖序列，經(jīng)過光功率放大器的功率放大后，經(jīng)過環(huán)形器注入到傳感光纖，在前向脈沖光遍歷傳感光纖時(shí)，后向瑞利散射光逆著光傳播方向經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入到光纖干涉儀中，經(jīng)過干涉儀的干涉調(diào)制，干涉信號(hào)經(jīng)過光電探測器的光電轉(zhuǎn)換，進(jìn)入到電子解調(diào)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集模塊通過采集光電探測器輸出的電壓信號(hào)（3路），將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對該數(shù)字信號(hào)進(jìn)一步執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理算法，得到所需的信息量，解調(diào)出傳感光纖處的振動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)傳感目的，進(jìn)而獲取室內(nèi)舞動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的舞動(dòng)線路的振動(dòng)信息。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。