本發(fā)明涉及電力光纜安全防護裝置及措施技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于真型試驗線路opgw光纜的光纖測振系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

高壓輸電線路一般工作環(huán)境較為惡劣，受到常年氣候因素的影響，舞動的產(chǎn)生就頗為常見。一旦高壓輸電線路產(chǎn)生舞動，將會影響超高壓輸電線路的安全使用及運行，輸電線路舞動是不均勻覆冰導線在風激勵下產(chǎn)生的一種低頻率（0.1～5hz）、大振幅（導線直徑的20～300倍）的自激振動。高壓輸電線路舞動能量大，持續(xù)時間長，易造成線路閃絡(luò)、跳閘、桿塔螺栓松動、脫落，嚴重時會發(fā)生金具及絕緣子損壞，導線斷股、斷線，甚至倒塔，導致重大電網(wǎng)事故。所以做好高壓輸電線路舞動狀態(tài)的監(jiān)測就至關(guān)重要。

光纖傳感技術(shù)是指在光纖傳輸路徑上的外部信號通過一定的方法對光纖種的光波進行調(diào)試，以實現(xiàn)被測量對象的連續(xù)空間的實時測量。光纖同時具有導光介質(zhì)和傳感元件的功能。相比于傳統(tǒng)的振動傳感器，光纖傳感器具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、體積小、重量輕、不易受環(huán)境影響等特點，可進行全分布的監(jiān)控?；谙辔幻舾械墓鈺r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1m）和振動強度分辨率。利用這種散射光的相干性設(shè)計出的相位敏感型光時域反射系統(tǒng)，光纖本身既是傳輸媒質(zhì)又是感知元件，光纖上任意一點都是傳感單元，是一種真正意義上的全光纖傳感器。

專利號為201410027722.6的發(fā)明公開了一種檢測振動的光纖傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。該光纖傳感器包括傳導光纖、光纖光柵、簡支梁和帶有開口的非金屬保護外殼；光纖光柵和簡支梁置于非金屬保護外殼中，光纖光柵粘貼在簡支梁上，且光纖光柵的中心點與簡支梁的中心點對齊；非金屬保護外殼的一個側(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外殼的另一個側(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布拉格光柵進行測量，形成一個的傳感網(wǎng)絡(luò)

專利號為201510917944.x的發(fā)明涉及光學工程、光纖光學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)的光纖傳感系統(tǒng)。本發(fā)明將光纖傳感系統(tǒng)中用于檢測振動信號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間的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)的空間分辨率

專利號為201210060041.0的發(fā)明公布了基于相位解調(diào)的超大動態(tài)范圍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，自動增益控制裝置，調(diào)制器驅(qū)動裝置，鎖相放大器，傳感光纜，信號處理以及信號輸出裝置。本發(fā)明采用了自動增益控制裝置，可以實現(xiàn)大動態(tài)范圍的信號檢測；采用了鎖相放大器的相位解調(diào)檢測裝置，降低了強度噪聲的影響，可以實現(xiàn)了高靈敏度，高帶寬振動信號檢測，從而可以實現(xiàn)大動態(tài)范圍振動傳感。該發(fā)明的有益效果為可實現(xiàn)具有如下優(yōu)勢的長距離傳感：動態(tài)范圍大，定位精度高，干涉?zhèn)鞲徐`敏度高，檢測振動信號的帶寬大，可多點定位，檢測距離長等。

然而，上述方案的側(cè)重點均放在光纖傳感部件的實際應(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特征研究針對性不強的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供基于真型試驗線路opgw光纜的光纖測振系統(tǒng)及方法，它能夠提出針對性的測振模擬試驗方案，在特定的真型試驗線路上針對舞動、振動特性的監(jiān)測，實現(xiàn)opgw光纜振動特征數(shù)據(jù)的采集與分析。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是：基于真型試驗線路opgw光纜的光纖測振系統(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)形器連接舞動線路的測試光纖；所述電子解調(diào)系統(tǒng)包括順次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字信號處理單元、cpu單元和人機交互終端，所述cpu單元與所述人機交互終端之間通過視頻線連接；所述數(shù)字信號處理單元包括可編程邏輯控制器及其連接的適配器模塊接口、高速傳輸引擎單元。

進一步地，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元包括脈沖輸出模塊、數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊和濾波模塊，所述數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊包括多路輸入/輸出信道和交/直流耦合單元，所述濾波模塊包括橢圓濾波器。

進一步地，所述適配器模塊接口包括與所述可編程邏輯控制器連接的高速通用數(shù)字i/o端口和時序控制芯片。

進一步地，所述高速傳輸引擎單元包括雙口緩沖存儲器和高速數(shù)據(jù)總線，所述雙口緩沖存儲器采用dma數(shù)據(jù)交換協(xié)議。

進一步地，所述人機交互終端包括led數(shù)字顯示模塊和觸屏式數(shù)據(jù)輸入終端，所述觸屏式數(shù)據(jù)輸入終端連接打印機接口和點陣式鍵盤接口。

進一步地，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。

進一步地，所述放大器為摻鉺光纖放大器。

進一步地，所述光電轉(zhuǎn)化單元包括與所述環(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。

基于真型試驗線路opgw光纜的光纖測振方法，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，后向瑞利散射光逆著光傳播方向經(jīng)環(huán)形器進入到光纖干涉儀中，經(jīng)過干涉儀的干涉調(diào)制，干涉信號經(jīng)過光電探測器的光電轉(zhuǎn)換，進入到電子解調(diào)系統(tǒng)中；

3）模數(shù)轉(zhuǎn)換單元向光路調(diào)制系統(tǒng)提供驅(qū)動脈沖，將接收到的交/直流耦合信號輸入數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換，并通過濾波模塊進行信號加工；

4）轉(zhuǎn)換加工后的信號通過傳送給可編程邏輯控制器，并通過基于3*3耦合器的解調(diào)算法，得到光路調(diào)制系統(tǒng)的振動信號；

5）高速傳輸引擎將振動信號數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳送給高性能cpu單元進行數(shù)據(jù)存儲和配置，并通過視頻線將數(shù)據(jù)發(fā)給人機交互終端進行數(shù)據(jù)的顯示和輸出操作；

6）依據(jù)人機交互終端的最終數(shù)據(jù)篩選所需的信息量，實現(xiàn)傳感目的，進而獲取真型試驗線路opgw光纜的舞動線路振動信息。

本發(fā)明的有益效果包括以下幾個方面：

1、本發(fā)明主要應(yīng)用于實時監(jiān)測真型試驗線路opgw光纜的舞動狀態(tài)，具備強大的多重監(jiān)測功能，既能對舞動狀態(tài)進行定性監(jiān)測，也可對舞動線路進行舞動幅度頻率的定量監(jiān)測，同時可以監(jiān)測真型試驗線路opgw光纜常見的低頻舞動狀態(tài)；

2、本發(fā)明測振系統(tǒng)具備很好的集成性，不同于一般的模塊式電路連接方式，而是采用多種芯片復(fù)合集成的模式，將所有電子功能集中在一個芯片面板上，并通過面板內(nèi)置解調(diào)算法實現(xiàn)運行監(jiān)測功能，體現(xiàn)了良好的集成化。自動化特性；

3、本發(fā)明依靠fifo雙口緩沖器及dma數(shù)據(jù)交換協(xié)議實現(xiàn)與cpu單元的信號傳輸，可極大加快傳輸速率和效率，節(jié)省cpu芯片內(nèi)存占用量，還可以通過cpu對信息進行存儲于數(shù)據(jù)集中積累配置，為今后在實際高壓輸電線路線路上的長距離監(jiān)測做鋪墊。

附圖說明

圖1是本發(fā)明光纖測振系統(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)明模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的芯片連接圖。

圖4是本發(fā)明數(shù)字信號處理單元的解調(diào)算法原理框圖。

圖5是本發(fā)明的光纖測振方法流程圖。

具體實施方式

實施例

如圖1至圖5所示，基于真型試驗線路opgw光纜的光纖測振系統(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)形器連接舞動線路的測試光纖；電子解調(diào)系統(tǒng)包括順次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字信號處理單元、cpu單元和人機交互終端，cpu單元與人機交互終端之間通過視頻線連接；數(shù)字信號處理單元包括可編程邏輯控制器及其連接的適配器模塊接口、高速傳輸引擎單元。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元包括脈沖輸出模塊、數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊和濾波模塊，數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊包括多路輸入/輸出信道和交/直流耦合單元，濾波模塊包括橢圓濾波器。適配器模塊接口包括與可編程邏輯控制器連接的高速通用數(shù)字i/o端口和時序控制芯片。高速傳輸引擎單元包括雙口緩沖存儲器和高速數(shù)據(jù)總線，雙口緩沖存儲器采用dma數(shù)據(jù)交換協(xié)議。人機交互終端包括led數(shù)字顯示模塊和觸屏式數(shù)據(jù)輸入終端，觸屏式數(shù)據(jù)輸入終端連接打印機接口和點陣式鍵盤接口。

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)通過脈沖輸出模塊向光路部分提供驅(qū)動脈沖，經(jīng)過一系列操作對光路進行調(diào)制，通過光路部分的光電探測器發(fā)出多路表征光路信息的電壓信號，通過數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊的高速adc進行數(shù)據(jù)采集，采集控制單元將采集的電壓信號傳送給在可編程邏輯控制器上的自定義解調(diào)算法，得到光路部分的振動信號后，高速傳輸引擎通過dma數(shù)據(jù)交換協(xié)議的fifo雙口緩沖器將數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)總線傳送給cpu單元端進行儲存和配置，并在人機交互終端進行數(shù)據(jù)的顯示、導出等操作。人機交互終端可以加載基于真型試驗線路opgw光纜的光纖監(jiān)測軟件界面，用戶可以通過觸屏式數(shù)據(jù)輸入端，查詢監(jiān)控現(xiàn)狀，監(jiān)控界面包括參數(shù)配置界面、實時采集界面、歷史回放界面等。

本發(fā)明的電子解調(diào)系統(tǒng)不同于一般的模塊式電路連接方式，而是采用多種芯片復(fù)合集成的模式，將所有電子功能集中在一個芯片面板上，在實際應(yīng)用時，光路調(diào)制系統(tǒng)的光電探測器所輸出電壓信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進入數(shù)字信號處理單元，對該數(shù)字信號進一步執(zhí)行數(shù)字信號處理算法，解析后相位信息通過dma數(shù)據(jù)交換協(xié)議的fifo雙口緩沖器上傳至cpu單元，實現(xiàn)傳感目的，進而獲取真型試驗線路opgw光纜的舞動線路的振動信息。

模擬轉(zhuǎn)換單元在通過面板集成的可編程邏輯控制器提供硬件定制優(yōu)勢的同時，還提供了靈活的測量功能。基于16位的分辨率，該單元在高帶寬上提供極高的動態(tài)范圍，以滿足各類應(yīng)用需求。在該級別的性能狀態(tài)下，4路輸入通道實現(xiàn)了每個pxi插槽前所未有的高通道密度。數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊的交/直流耦合單元可允許模塊連接各類信號源，并配有50ω輸入阻抗和0db、6db或12db可編程增益的2vpp輸入范圍，提供適用于低幅度信號的最高動態(tài)范圍；同時，外部衰減可確保模塊安全地采集更大的電壓。

模擬轉(zhuǎn)換單元還包括濾波模塊，利用可選式bessel濾波器最大程度降低了輸入帶寬上的群時延，并利用橢圓濾波器最大程度增加了平滑帶寬。在具體應(yīng)用時，為了實現(xiàn)最佳靈活性，濾波器旁通路徑還可連接外部可自定義的輸入式濾波器。多路輸入/輸出信道可采用12條雙向數(shù)字i/o信道，能夠接受測試控制中的數(shù)字設(shè)備和簡單的數(shù)字協(xié)議，如圖3所示。

電子解調(diào)系統(tǒng)的核心是數(shù)字信號處理單元，它包括了采用xilinxvirtex-5可編程邏輯控制器的pxi芯片和pxiexpress模塊，板載dram，形成高性能的面向應(yīng)用的集成電路（asics），還為可編程邏輯控制器提供i/o的niflexrio適配器模塊接口。適配器模塊接口包括直接連接到可編程邏輯控制器管腳的132線通用數(shù)字i/o，以及定義接口所必需的時序控制芯片，這樣就可以將這132線配置為高達400mbits/s速率的單端操作和高達1gbit/s速率的差分操作，并提供66gbits/s(8.25gb/s)的最大i/o帶寬。數(shù)字信號處理單元芯片面板上的所有連接都加載可控阻抗，形成匹配長度的差分方式排布。

可編程邏輯控制器采用xilinx公司的virtex-5系列芯片，具有48個dsp48e乘法器和2640kbram資源，適用于數(shù)字下變頻（ddc）、多點fft等復(fù)雜信號處理算法的實現(xiàn)。這種集成化的芯片板，與數(shù)字信號處理在上位工控機或pc機上實現(xiàn)的方法相比，基于可編程邏輯控制器的數(shù)字信號處理能夠進行并行運算，降低算法執(zhí)行時間，加快分析速度，同時降低了對數(shù)據(jù)傳輸總線帶寬的要求。

可編程邏輯控制器上集成3*3式耦合器解調(diào)算法，如圖4所示，耦合器3個輸出量在相位上相差120°，即干涉儀的輸出光強ik=d+i0cos[φ(t)-(k-1)(2π/3)]。式中：φ(t)=φ(t)+ψ(t)；d為輸出光強的平均值；i0為干涉條紋的峰值強度；k為輸出光路的序列號，k=1,2,3；φ(t)位傳感器的相位差信號，即待測信號，ψ(t)為環(huán)境變換產(chǎn)生的相位差，在圖中，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7分別代表相應(yīng)三個加法器、微分器、乘法器、平方器與除法器的增益，φ(t)是解調(diào)過程中最后的輸出量。經(jīng)過運算后得到vout=1.732[φ(t)+ψ(t)]。通常將ψ(t)當做滿變化量，經(jīng)過高通濾波器即可濾除，從而得到待測信號φ(t)。

本發(fā)明的數(shù)據(jù)傳輸與配置處理主要依靠高速傳輸引擎，即通過fifo雙口緩沖器及dma數(shù)據(jù)交換協(xié)議實現(xiàn)與cpu單元的信號傳輸，fifo存儲器是一個先入先出的雙口緩沖器，即第一個進入其內(nèi)的數(shù)據(jù)第一個被移出，其中一個存儲器的輸入口，另一個口是存儲器的輸出口。主要有三個方面的作用：1）對連續(xù)的數(shù)據(jù)流進行緩存，防止在進機和存儲操作時丟失數(shù)據(jù)；2）數(shù)據(jù)集中起來進行進機和存儲，可避免頻繁的總線操作，減輕cpu的負擔；3）允許系統(tǒng)進行dma操作，提高數(shù)據(jù)的傳輸速度。這是至關(guān)重要的一點，如果不采用dma操作協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸將達不到傳輸要求，而且大大增加cpu的負擔，無法同時完成數(shù)據(jù)的存儲工作。dma即“directmemoryaccess”，意為直接內(nèi)存訪問，是一種不經(jīng)過cpu而直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換協(xié)議。pio模式下硬盤和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸是由cpu來控制的；而在dma模式下，cpu只須向dma控制器下達指令，讓dma控制器來處理數(shù)的傳送，數(shù)據(jù)傳送完畢再把信息反饋給cpu，這樣就很大程度上減輕了cpu資源占有率。dma傳送協(xié)議的優(yōu)先級高于程序中斷，兩者的區(qū)別主要表現(xiàn)在對cpu的干擾程度不同。中斷請求不但使cpu停下來，而且要cpu執(zhí)行中斷服務(wù)程序為中斷請求服務(wù)，這個請求包括了對斷點和現(xiàn)場的處理以及cpu與外設(shè)的傳送，所以cpu付出了很多的代價；dma請求僅僅使cpu暫停一下，不需要對斷點和現(xiàn)場的處理，并且是由dma控制外設(shè)與主存之間的數(shù)據(jù)傳送，無需cpu的干預(yù)，dma只是借用了一點cpu的時間而已。還有一個區(qū)別就是，cpu對這兩個請求的響應(yīng)時間不同，對中斷請求一般都在執(zhí)行完一條指令的時鐘周期末尾響應(yīng)，而對dma的請求，由于考慮它的高效性，cpu在每條指令執(zhí)行的各個階段之中都可以讓給dma使用，是立即響應(yīng)。

圖5所示體現(xiàn)了光纖測振方法流程，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，后向瑞利散射光逆著光傳播方向經(jīng)環(huán)形器進入到光纖干涉儀中，經(jīng)過干涉儀的干涉調(diào)制，干涉信號經(jīng)過光電探測器的光電轉(zhuǎn)換，進入到電子解調(diào)系統(tǒng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元通過采集光電探測器輸出的信號，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過濾波處理后，數(shù)字信號處理單元對該數(shù)字信號進一步執(zhí)行數(shù)字信號處理算法，得到所需的信息量，解調(diào)出傳感光纖處的振動信息，實現(xiàn)傳感目的，進而獲取舞動線路的振動信息。

最后說明的是，以上實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)利要求范圍當中。