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1 引言 中国幅员辽阔, 电网建设和运行复杂、多样, 高压电线覆冰及舞动对电网造成了严重威胁, 特别是目前在电网大量应用于光纤复合架空地线(OPGW)的情况下, 当OPGW的覆冰掉落时, 可导致OPGW形成类驻波形式的上下跳跃舞动, 对杆塔产生极大的冲击力。动、静载荷超过铁塔的设计承载能力是导致倒塔的主要原因, 因此OPGW振动信号测量在电力领域具有重要的研究价值。光纤振动检测器分为点式和分布式传感器两种类型[1, 2, 3]。点式传感器存在复用容量不够大、大范围布阵困难以及传感器之间信号多串扰等问题, 使其在大面积下的实时检测应用受到很大限制。分布式传感器分为干涉式和反射式两类, 其中干涉式传感器的干涉仪主要分为迈克耳孙(Michelson)干涉式[4]、Mach-Zehnder干涉式[5]、Sagnac干涉式[6]、双Sagnac[7]、Sagnac-Machelson式[8]等多种复合结构。干涉式传感器对于相位变化具有很高的灵敏度, 但不能同时检测多个扰动点, 复合式干涉传感器扰动点定位复杂, 光路繁琐, 易受环境干扰; 反射式[9]传感器利用了光纤外部干扰引起的瑞利、拉曼和布里渊散射, 其中拉曼散射只用于温度测量, 而布里渊散射用于测试应变信号, 不适用于快速动态信号的检测。目前基于瑞利散射的光时域反射(OTDR)技术主要包含传统OTDR[10, 11]、相敏OTDR(φ-OTDR)[12, 13, 14]和相干OTDR(C-OTDR)[15, 16]等。传统OTDR是基于宽线宽光源的强度解调, 系统的灵敏度受到限制。φ-OTDR是采用窄线宽光脉冲作为OTDR的探测光源, 此系统通过将一个光脉冲内不同散射中心之间的相干叠加形成的相位信息转化为强度信息, 进行振动信息的检测, 其灵敏度虽然高于传统OTDR的灵敏度, 但受限于强度解调, 在微弱信号检测方面的应用受到限制。C-OTDR利用本地参考光与后向瑞利散射光干涉, 采用相位信息的解调方案, 提高了灵敏度, 但本地参考光与后向瑞利散射光干涉时的偏振干涉严重影响系统性能。 基于以上问题, 本文提出了一种基于后向瑞利散射空间差分干涉的光纤分布式振动检测技术。该技术将含有振动信号的后向瑞利散射信号注入到非平衡迈克耳孙干涉仪中, 利用干涉仪的臂长差实现相邻空间段内的后向瑞利散射光干涉, 采用3×3耦合器解调技术解调出相位信息, 实现振动信号的准确测量。在输电线路舞动实验室进行了OPGW的舞动测试, 实现了0.9 Hz舞动、2.3 Hz非舞动的检测。
2 系统工作原理2.1 后向瑞利散射光的空间差分干涉原理参考单个脉冲周期内光纤后向瑞利散射光在无扰动情况下振幅的一维脉冲响应模型[17, 18], 利用分布反馈光纤激光器(DFB-FL)作为光源, 通过声光调制器(AOM)后调制为频率为f的准单色矩形脉冲, 脉宽为w, 并假设该光源相干时间与脉宽w相比足够大。在t=0时将这样一个光脉冲发射进光纤, 在光纤输入端获取后向瑞利散射光, 接收到的散射光振幅可表示为 <span class="MathJax" id="MathJax-Element-1-Frame" tabindex="0" data-mathml="er(t)=∑i=1Naicos[2πf(t-τi)]rectt-τiw,(1)" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;">er(t)=∑=iaicos[2πf(t−τi)]rect(t−τiw),(1)er(t)=∑i=1Naicos[2πf(t-τi)]rectt-τiw,(1) 式中, ai和τi分别为第i个散射波的振幅和时间延迟, N为设定的散射中心个数, 当[(t-τi)]/w≤1时, 矩形函数rect[(t-τi)/w] 值为1, 否则为0。时间延迟τi 和从输入端到第i个散射的光纤长度li的关系为τi =2nli/c, c为真空中的光速, n为光纤折射率。 图1为后向瑞利散射光的空间差分干涉原理图, 图中s为含法拉第旋镜(FRM)的非平衡干涉仪的臂长差, 延时光为ers(t)/2, 其中 <span class="MathJax" id="MathJax-Element-2-Frame" tabindex="0" data-mathml="ers(t)=∑j=1Najcos[2πf(t-τj-τs)]rectt-τj-τsw,(2)" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;">ers(t)=∑=jajcos[2πf(t−τj−τs)]rect(t−τj−τsw),(2)ers(t)=∑j=1Najcos[2πf(t-τj-τs)]rectt-τj-τsw,(2) 式中τs为光在非平衡干涉仪中两臂间传输时间延时。干涉仪的干涉光强为 <span class="MathJax" id="MathJax-Element-3-Frame" tabindex="0" data-mathml="I(t)=[er(t)+ers(t)][er(t)+ers(t)]*=Irr+Irs+Irrs,(3)" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;">I(t)=[er(t)+ers(t)][er(t)+ers(t)]*=Irr+Irs+Irrs,(3)I(t)=[er(t)+ers(t)][er(t)+ers(t)]*=Irr+Irs+Irrs,(3) 式中 <span class="MathJax" id="MathJax-Element-4-Frame" tabindex="0" data-mathml="Irr=∑i=1N∑p=1Naiapcosφiprectt-τiw,(4)Irs=∑j=1N∑q=1Najaqcosφjqrectt-τj-τsw,(5)Irrs=∑i=1N∑j=1Naiajcosφijrectt-τi-τswrectt-τj-τsw,(6)φip=2πf(τi-τp),(7)" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;">Irr=∑i=1N∑p=1Naiapcosφiprect(t−τiw),(4)Irs=∑j=1N∑q=1Najaqcosφjqrect(t−τj−τsw),(5)Irrs=∑i=1N∑j=1Naiajcosφijrect(t−τi−τsw)rect(t−τj−τsw),(6)φip=2πf(τi−τp),(7)Irr=∑i=1N∑p=1Naiapcosφiprectt-τiw,(4)Irs=∑j=1N∑q=1Najaqcosφjqrectt-τj-τsw,(5)Irrs=∑i=1N∑j=1Naiajcosφijrectt-τi-τswrectt-τj-τsw,(6)φip=2πf(τi-τp),(7)
| | | 图1 后向瑞利散射光的空间差分干涉原理图Fig. 1 Schematic diagram of space difference of Rayleigh backscattering |
<span class="MathJax" id="MathJax-Element-5-Frame" tabindex="0" data-mathml="φjq=2πf(τj-τq),(8)φij=2πfτs=(4πfn/c)/s。(9)" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;">φjq=2πf(τj−τq),(8)φij=2πfτs=(4πfn/c)/s。(9)φjq=2πf(τj-τq),(8)φij=2πfτs=(4πfn/c)/s。(9) 如(3)~(9)式所示, 干涉信号包含由声信号引起的相位差φij, 只要解调相位差φij, 则新型φ-OTDR系统就可以定量地恢复出声源信号的幅度、相位和频率等相关信息。 2.2 3×3光纤耦合器解调原理 系统采用3×3耦合器对光纤干涉信号进行相位解调, 将干涉仪输出光I(t)输入1个1×3耦合器的一端, 并在另一端3路中各接1个光电探测器, 探测器探测到的光强可表示为[19]:Ik= <span class="MathJax" id="MathJax-Element-6-Frame" tabindex="0" data-mathml="I-" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;">I−I-+I0cos[φ(t)-(k-1)×(2π/3)], k为输出的光路序号, k=1, 2, 3; <span class="MathJax" id="MathJax-Element-7-Frame" tabindex="0" data-mathml="I-" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;">I−I-为各路输出的平均光强, I0为干涉条纹的峰值强度; φ(t)=ϕ(t)+ψ(t), ϕ(t)为两传感臂上信号相位差信号, 即待测信号, ψ(t)为在实际环境中由于环境变化产生的相位差。 3×3耦合器相位解调方法如图2所示, A1~A7分别为:加法器、加法器、加法器、微分器、乘法器、平方器、除法器; HP为高通滤波器。为便于推导, 先令A1~A7均等于1, 图2中将3路输出信号I1~I3求和乘以1/3, 得到第1个加法器的输出, 然后3路光强信号减去第1个加法器的输出, 消除直流因子的影响, 再经过微分交叉相乘、累加、积分运算后输出得 <span class="MathJax" id="MathJax-Element-8-Frame" tabindex="0" data-mathml="Vout=3φ(t)=3[φ(t)+ψ(t)]。(10)" role="presentation" style="display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;">Vout=3–√φ(t)=3–√[φ(t)+ψ(t)]。(10)Vout=3φ(t)=3[φ(t)+ψ(t)]。(10)
| | | 图2 3×3光纤耦合器解调框图Fig. 2 Block diagram of 3×3 coupler demodulation |
| | | 图3 OPGW舞动测试现场图Fig. 3 Test site of OPGW swing |
由于ψ(t)是缓变量, 故可经过高通滤波器来滤除这个缓变量, 从而解调出待测的信号ϕ(t)。
3 实验与结果由于OPGW舞动的本质是两杆塔间的OPGW受外界影响发生的驻波抖动, 而杆塔间距一般均为几十千米, 因此舞动振动信号绝大部分是小于2 Hz的低频成分。在此, 使用舞动模拟器模拟两杆塔之间发生的舞动的情况, 整体结构如图3所示。舞动台能够发出固定频率的振动信号, 带动OPGW线缆上下舞动, 使OPGW的舞动频率与舞动台输出频率一致, 当舞动频率满足驻波条件时, OPGW线缆振幅将被放大增强, 出现实际场景中舞动的情况。实验采用的标准OPGW线缆长度为15 m, OPGW内光纤为普通单模光纤, 将内光纤接入分布式光纤检测仪器, 进行振动信号的采集与分析。 将舞动台输出频率调至已测量好的模拟器舞动频率0.9 Hz, 人为地使OPGW线缆发生舞动, 从分布式光纤检测仪器读出OPGW线缆区域的时域、频域信息。图4为0.9 Hz舞动信号测试结果图, 频域分析可以得到非常明显的0.9 Hz的信号, 说明分布式光纤检测仪器可准确还原OPGW线缆上的振动信息; 舞动发生时的振幅测量结果可达560 rad。另外, 分布式光纤检测仪器还监测出幅值非常高的二次谐波, 分析认为可能是由于舞动台输出频谱不佳和仪器解调误差所造成的。 将舞动台输出频率调至非舞动频率2.3 Hz, 再从分布式光纤检测仪器读出OPGW线缆区域的时域、频域信息, 结果如图5所示。频域分析得到非常明显的2.3 Hz的信号, 但振幅测量结果仅有35 rad, 说明没有发生舞动。 从上述实验可见, 通过分布式光纤检测仪器监控OPGW线缆区域的时域、频域信息, 可准确确定舞动是否发生、舞动频率以及舞动振幅, 这为接下来的输电线路应急处理提供预警。
| | | 图4 0.9 Hz舞动信号测试结果Fig. 4 0.9 Hz swing signal test results |
| | | 图5 2.3 Hz非舞动信号测试结果Fig. 5 2.3 Hz non-swing signal test results |
4 结论建立了基于后向瑞利散射信号空间差分干涉技术的光纤分布式振动监测系统, 利用干涉仪的臂长差实现相邻空间段的后向瑞利散射光干涉, 采用3×3耦合器解调技术解调出相位信息, 实现振动信号的准确测量。在输电线路舞动实验室进行了OPGW的舞动测试, 实现了0.9 Hz舞动、2.3 Hz非舞动检测, 为实际情况中预防OPGW线缆舞动提供了一种直观准确的监测手段。
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