文章来源：恩艾NI知道 微信公众号
项目背景
输电塔线体系是高负荷电能输送的载体，是重要的生命线工程。除地震荷载外，这种体系对风、雨、覆冰等环境荷载的作用响应敏感，容易发生振动疲劳损伤和极端条件下的动态倒塌破坏，尤其高压线路的舞动会导致电弧烧伤、金具损坏、倒塔等危害，传统的舞动监测方案是侵入式监测，即在输电线路上布置振动传感器，通过有线的方式连接采集器采集振动，但这种方式成本高、同时也会由于传感器线缆的脱落带来次生风险，分布式光纤测振系统通过监测高线输电线缆OPGW内的一根光纤的舞动，可实时测量整条高压输电线路几十公里的舞动状态。
系统原理
光纤在拉制的过程中，由于热扰动，使原子得到压缩性的不均匀或压缩性的起伏，造成密度的不均匀，从而使得传输介质的折射率不均匀。这种不均匀性或起伏在冷却过程中被固定下来，并且这种不均匀结构的尺寸远小于入射光波长。传输介质折射率的不均匀会导致光在光纤中传输时发生瑞利散射。此外，光纤中含有多种氧化物，氧化物浓度的不均匀或起伏也会造成传输介质折射率的不均匀，这也会产生瑞利散射。瑞利散射在整个介质空间都有功率分布，存在沿光纤轴向向前或向后的散射，沿轴向向后的散射光称为瑞利后向散射（或背向散射）。光纤背向瑞利散射光的能量非常微弱，大约只有入射光能量的十万分之一，同时背向瑞利散射光只改变光在光纤中的传输方向，不改变光在光纤中的传输频率以及偏振特性等，因而背向瑞利散射光的偏振方向与频率和入射光在这一散射点的偏振方向与频率是完全相同的。
基于相位敏感的光时域反射型（Φ-OTDR）传感器与传统型OTDR最大的不同就是采用了具有窄线宽和低频率漂移特性相干光源，相应极大地提高了空间分辨率（可达1m）和振动强度分辨率。利用这种散射光的相干性设计出的相位敏感型光时域反射系统，光纤本身既是传输媒质又是感知元件，光纤上任意一点都是传感单元，是一种真正意义上的全分布式光纤传感器，当光缆某位置发生振动时，该位置的光纤会发生应力形变，从而导致该处折射率发生改变，最终导致该处光的相位发生改变。
因此，返回的发生干涉的瑞利后向散射光光强因为相位的改变而发生改变，通过与未发生振动检测到的信号进行比较，最终找出光强变化的时间对应振动的确切位置，同时，结合先进的解调算法光纤输电线路的振动、温度、应变等多种参量的同时监测，从而减轻输电线路不必要的重量，减少输电系统不必要的设备，实现输电线路减负及运维管理简便的目的，大幅增强电网感知的深度和广度，提升电网交互性、自动化和信息化。
图 1 系统原理框图
本系统就是基于瑞利背向散射的Φ-OTDR，将频率为f，脉宽为W的激光脉冲注入测试光纤(其中脉冲频率f由测试光纤长度决定，脉宽W由系统的空间分辨率决定)，瑞利背向散射光携带有当前位置处的传感信息返回到环形器处，进入到光电探测系统进行解析，解析后的电信号送入到解调分析系统做出最终的事件裁决，如图所示，具体原理如下：在不同时刻，光纤反射回的散射光是由不同位置的光纤散射的，它们相距一定的距离，散射光就有一定的相位差。当光纤收到振动后，其折射率和应变随之变化，相位差也随时间变化。因此可以采用光光电转换系统检测光纤上不同时刻散射光的相位差，就能检测光纤上的振动特性，如幅值、频率及相位变化。
系统构架
图2 光纤测振系统部署
图3 硬件实物图
图4 利用NI FlexRIO FPGA实现复杂的光纤解调算法得到振动信息
图5 软件展示及系统指标
系统优势
1.非侵入监测方式，对线路无任何影响；
2.分布式测量，一条光纤可以监控整条线路；
3.仪器可靠性高，维护简单；
4.监测类型丰富，可取代绝大多数常规在线监测装置；
5.与市面类似设备对比，高灵敏度（微弱信号）、高分辨率（0.85m），宽频带（0.3Hz~300Hz）
京公网安备 11011202001138号
