CN114353928A - 一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法，包括以下步骤：第一激光发射器和第二激光发射器分别向第一耦合器发送相干光，第一耦合器内部混合相干光，形成混频光；第一耦合器将混频光转化为第一光信号，并将第一光信号分别发送给第二耦合器和第三耦合器。本发明通过第一光纤和第二光纤，第一光信号经过干涉后形成的第二光信号和第三光信号的变化波形形成归一化强度‑时间波形图，并通过波形图特征判断光缆上的振动类型；通过判断振动类型的方式，排除不会威胁电缆安全的背景噪音振动类型，降低光纤振动传感仪的误报率。
Description
技术领域
本发明属于预警技术领域，特别涉及一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法。
背景技术
随着城市建设迅速扩张，地埋电力电缆防外力破坏形势日趋严峻，据南方电网深圳市供电局的数据，仅2019年上半年，深圳共发生野蛮施工导致输电电缆受损99起，其中地铁施工11起。2015年至今，仅地铁施工在福田区，就导致电缆被破坏35次。而更严重的是电缆沟被挖，又无及时告警，工人直接把电缆挖断导致爆裂火灾而致死致伤事件的发生。
目前有部分地区已经采用光纤振动传感技术对光缆进行防外力破坏的保护。所谓光纤传感技术，即，当光在光纤中传输时，光的波长、相位、偏振态、速率等参数将被诸如光纤的振动等物理环境影响而发生特定的改变，这一过程称为光的调制，之后通过检测调制光的参数变化，就可以感知物理信息，实现检测，这就是光纤传感技术。光纤振动传感技术即是专门感知光纤振动。由于挖掘等外力破坏事件实际损伤电缆之前，其振动会先传导到电缆上。通过感知与电缆伴随布设的电力光缆的振动，可以在实际受损前提前发现威胁性事件。
光纤振动传感技术主要分为光时域反射型(OTDR:optical time-domainreflectometer)和干涉型两大类，OTDR型光纤振动传感技术和传统M-Z(马赫-曾德尔)干涉型光纤振动传感技术都无法区分对电缆无威胁的噪声振动和有威胁的外力破坏的振动。
因此，发明一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法来解决上述问题很有必要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法，包括以下步骤：
第一激光发射器和第二激光发射器分别向第一耦合器发送相干光，第一耦合器内部混合相干光，形成混频光；
第一耦合器将混频光转化为第一光信号，并将第一光信号分别发送给第二耦合器和第三耦合器；
第二耦合器将接收的第一光信号分别从第一光纤和第二光纤发送给第四耦合器，第四耦合器内部将第一光信号干涉为第二光信号，然后将第二光信号通过第三光纤传输到第三耦合器，第三耦合器将第二光信号发送给光信号处理器；
第三耦合器将接受的第一光信号从第三光纤发送给第四耦合器，第四耦合器将接收的第一光信号分别第一光纤和第二光纤发送给第二耦合器，第二耦合器内部将第一光信号干涉为第三光信号，然后第二耦合器将第三光信号发送给光信号处理器；
光信号处理器将得到的第二光信号和第三光信号统一转化为归一化强度-时间波形图。
进一步的，所述第一激光发射器发送的相干光频率和第二激光发射器发送的相干光频率不同；
所述混频光，由第一激光发射器发送的相干光和第二激光发射器发送的相干光混合而成的微小差频混合光。
进一步的，所述光信号处理器将得到的第二光信号和第三光信号统一转化为归一化强度-时间波形图包括：
当第一光纤和第二光纤受到振动影响时，第一光纤和第二光纤内部传输的光信号会产生变化波形，其中，变化波形包括没有明显周期性变化的波形、低频率周期性变化的波形和高频率周期性的波形。
进一步的，所述第一耦合器向第二耦合器发送的第一光信号形成第一光路；
所述第一光路的路径如下：
第一激光发射器和第二激光发射器-第一耦合器-第二耦合器-第一光纤和第二光纤-第四耦合器-第三耦合器-光信号处理器；
所述第一耦合器向第三耦合器发送的第一光信号形成第二光路；
所述第二光路的路径如下：
第一激光发射器和第二激光发射器-第一耦合器-第三耦合器-第三光纤-第四耦合器-第二耦合器-光信号处理器。
进一步的，所述第一光纤、第二光纤和第三光纤均处于光缆内部，且第一光纤、第二光纤和第三光纤类型相同。
进一步的，当所述第一光纤和第二光纤没有收到外在干扰，仅受到背景噪声振动影响时，第一光纤和第二光纤内部传输的第一光信号没有产生明显周期性变化的波形；
当所述第一光纤和第二光纤附近的地面存在挖掘施工事件时，第一光纤和第二光纤内部传输的第一光信号产生低频率周期性变化的波形；
当所述第一光纤和第二光纤受到直接触碰时，第一光纤和第二光纤内部传输的第一光信号产生高频率周期性变化的波形。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过设置第一激光发射器和第二激光发射器，第一激光发射器和第二激光发射器发出的相干光经过第一耦合器转化为第一光信号后，通过两条路径来确认振动源所处光缆的位置。
2、本发明通过第一光纤和第二光纤，第一光信号经过干涉后形成的第二光信号和第三光信号的变化波形形成归一化强度-时间波形图，并通过波形图特征判断光缆上的振动类型；通过判断振动类型的方式，排除不会威胁电缆安全的背景噪音振动类型，降低光纤振动传感仪的误报率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例的利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法流程示意图；
图2示出了本发明实施例的双光源的双M-Z干涉原理图；
图3示出了本发明实施例的受背景噪声影响时的归一化强度-时间波形图；
图4示出了本发明实施例的受挖掘施工事件影响时的归一化强度-时间波形图；
图5示出了本发明实施例的受直接触碰时的归一化强度-时间波形图；
图6示出了现有技术中光时域反射型光纤振动传感技术原理图；
图7示出了现有技术中传统M-Z干涉型光纤振动传感技术原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-5所示的一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法，包括以下步骤：
步骤一：第一激光发射器和第二激光发射器分别向第一耦合器发送相干光，第一耦合器内部混合相干光，形成混频光；
所述第一激光发射器发送的相干光频率和第二激光发射器发送的相干光频率不同。示例性的，第一激光发射器和第二激光发射器发送的相干光的频率存在微小差别，而第一激光发射器和第二激光发射器发送的相干光的位相、振动方向和传播方向均相同，避免第一激光发射器和第二激光发射器发送的相干光相互抵消，保证两者的相干光叠加，形成混频光。
所述混频光，由第一激光发射器发送的相干光和第二激光发射器发送的相干光混合而成的微小差频混合光。
由于第一激光发射器和第二激光发射器发送的相干光的频率存在微小差别，两者相干光叠加时，产生干涉现象，从而两者相干光混合成微小差频混合光。
步骤二：第一耦合器将混频光转化为第一光信号，并将第一光信号分别发送给第二耦合器和第三耦合器；
示例性的，第一耦合器内部设置有光电管，混频光照射在光电管上后，受光器将混频光的发光强度转化为第一光信号，第一耦合器将转化后的第一光信号分别发送给第二耦合器和第三耦合器，第二耦合器和第三耦合器内部均设置有光电管和光敏元器件，光敏元器件将接受的第一光信号转化为电信号，光电管再将转化后的电信号转化为第一光信号，保证耦合器中光-电信号的转化。本发明实施例中的光电管和光敏元器件作为举例进行示例性说明，并不仅限于这一种光-电转换器件，例如二极管、受光器。
步骤三：第二耦合器将接收的第一光信号分别从第一光纤和第二光纤发送给第四耦合器，第四耦合器内部将第一光信号干涉为第二光信号，然后将第二光信号通过第三光纤传输到第三耦合器，第三耦合器将第二光信号发送给光信号处理器；
第三耦合器将接受的第一光信号从第三光纤发送给第四耦合器，第四耦合器将接收的第一光信号分别第一光纤和第二光纤发送给第二耦合器，第二耦合器内部将第一光信号干涉为第三光信号，然后第二耦合器将第三光信号发送给光信号处理器。
本发明实施例基于传统M-Z干涉型光纤振动传感技术原理，提出了应用双光源的双M-Z干涉型光纤振动传感技术的仪器，即光纤振动传感仪。第一光信号在光纤振动传感仪内部移动的两条路径，其中，两条路径分别为第一光路和第二光路。
所述第一耦合器向第二耦合器发送的第一光信号形成第一光路，所述第一光路的路径如下：第一激光发射器和第二激光发射器-第一耦合器-第二耦合器-第一光纤和第二光纤-第四耦合器-第三耦合器-光信号处理器。
所述第一耦合器向第三耦合器发送的第一光信号形成第二光路，所述第二光路的路径如下：第一激光发射器和第二激光发射器-第一耦合器-第三耦合器-第三光纤-第四耦合器-第二耦合器-光信号处理器。
第一光路和第二光路方向相反，第一光路如同顺时针的顺序，即第二耦合器-第一光纤和第二光纤-第四耦合器-第三耦合器，第二光路如同逆时针的顺序，即第三耦合器-第三光纤-第四耦合器-第二耦合器，形成双M-Z干涉型。
所述第一光纤、第二光纤和第三光纤均处于光缆内部，且第一光纤、第二光纤和第三光纤类型相同。第一光信号在第一光纤、第二光纤和第三光纤内部移动时，由于第一光纤、第二光纤和第三光纤类型相同，第一光信号在第一光纤、第二光纤和第三光纤内部产生的变化相同，不会有额外的因素导致第一光信号传输受损，方便得到两条路径中第一光信号的变化过程。
步骤四：光信号处理器将得到的第二光信号和第三光信号统一转化为归一化强度-时间波形图。
所述光信号处理器将得到的第二光信号和第三光信号统一转化为归一化强度-时间波形图包括：
当第一光纤和第二光纤受到振动影响时，第一光纤和第二光纤内部传输的第一光信号会产生变化波形，其中，变化波形包括没有明显周期性变化的波形、低频率周期性变化的波形和高频率周期性的波形。
本发明实施例提出了“双M-Z干涉型”即“包含了两条相反路径的M-Z干涉型”，通过两条方向相反的路径，从而确认振动源所处的光缆的位置。示例性的，当振动源的振动部位在第一光纤中部，第一光路和第二光路均经过第一光纤时，在第一光纤的中部位置，第一光信号在归一化强度-时间波形图上产生高频率周期性的波形，从而确认振动源所处光缆位置。
作为本发明的一种具体实施方式，如图3所示，当所述第一光纤和第二光纤没有收到外在干扰，仅受到背景噪声振动影响时，第一光纤和第二光纤内部传输的第一光信号没有产生明显周期性变化的波形。归一化强度-时间波形图中，在归一化时间5000-30000时间段，波形图有小的毛刺，总体的波形平缓，没有明显的周期性变化规律。
如图4所示，当所述第一光纤和第二光纤附近的地面存在挖掘施工事件时，第一光纤和第二光纤内部传输的第一光信号产生低频率周期性变化的波形。归一化强度-时间波形图中，在归一化时间0-15000时间段和15000-30000时间段，波形图存在两段明显的周期性变化波形，总体波形具有低频率的周期性变化规律。
如图5所示，当所述第一光纤和第二光纤受到直接触碰时，第一光纤和第二光纤内部传输的第一光信号产生高频率周期性变化的波形。归一化强度-时间波形图中，在归一化时间0-3000时间段、3000-13000时间段和13000-30000时间段，波形图存在三段明显的周期性变化波形，波动频率速度过快，总体波形具有高频率的周期性变化规律。
光纤振动传感仪通过不同类型波形图的不同特征，区分作用在光缆上的三种不同振动源，同时以光纤振动传感仪为核心的预警***，仅对图4和图5中的振动源发出告警信号，避免光纤振动传感仪因图3中的背景噪声振动而产生误报。
本发明实施例将“双M-Z干涉型”后的第二光信号和第三光信号的变化波形形成归一化强度-时间波形图，并通过波形图特征判断光缆上的振动类型；通过判断振动类型的方式，排除不会威胁电缆安全的背景噪音振动类型，降低光纤振动传感仪的误报率。
本发明提出如图6所示的现有技术中的光时域反射型(OTDR)光纤振动传感技术，利用的是光信号在光纤中传输时的瑞利散射现象，光信号在光纤中传输时因为瑞利散射而后向传输的散射光，会因为散射点光纤振动造成的光纤应力变化而产生相位的变化。相位变化引起散射光功率的变化，接收端分析一段时间内的光功率变化，发现光纤的振动。
在图6中，脉冲激光发出的光信号在传感光纤内部传输，环形器套接在传感光纤表面，环形器与光电探测器电信连接，信号采集处理设备通过光电探测器连接的环形器探测传感光纤内部的光信号变化状况，通过光信号变化从而得知传感光纤的振动。
OTDR型光纤振动传感技术的无法区分对光缆无威胁的噪声振动和有威胁的外力破坏事件的振动，因此其误报率过高，实用价值比较低。同时其对持续型振动的敏感程度高，但是对冲激型振动的敏感程度低，容易漏报。
本发明还提出如图7所示的现有技术的M-Z干涉型光纤振动传感技术，光源发出的光信号通过隔离器传输到第一个3dB耦合器，光信号经第一个3dB耦合器后分为两束，进入两根长度基本相同的传感光纤，一根作为信号臂，另一根则为参考臂，两根传感光纤交接处的光信号经第二个3dB耦合器耦合后产生干涉。当信号臂的光纤受到外界应力或振动作用，光纤的折射率、几何尺寸等参数将产生变化，而参考臂中不受影响，因而光纤内部传输的光波相位将不受影响，因此信号臂与参考臂内的两个光信号之间将会产生相位差，输出的光强随着外界应力或振动作用的干涉也发生变化。信号处理设备通过光探测器来探测第二个3dB耦合器输出的光强来反映传感光纤受到的外界作用力。
M-Z干涉型光纤振动传感技术对持续型和冲激型振动的响应能力都比较高，但是它同样无法区分对光缆无威胁的噪声振动和有威胁的外力破坏事件的振动，因此误报率也比较高。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一激光发射器和第二激光发射器分别向第一耦合器发送相干光，第一耦合器内部混合相干光，形成混频光；
第一耦合器将混频光转化为第一光信号，并将第一光信号分别发送给第二耦合器和第三耦合器；
第二耦合器将接收的第一光信号分别从第一光纤和第二光纤发送给第四耦合器，第四耦合器内部将第一光信号干涉为第二光信号，然后将第二光信号通过第三光纤传输到第三耦合器，第三耦合器将第二光信号发送给光信号处理器；
第三耦合器将接受的第一光信号从第三光纤发送给第四耦合器，第四耦合器将接收的第一光信号分别第一光纤和第二光纤发送给第二耦合器，第二耦合器内部将第一光信号干涉为第三光信号，然后第二耦合器将第三光信号发送给光信号处理器；
光信号处理器将得到的第二光信号和第三光信号统一转化为归一化强度-时间波形图。
2.根据权利要求1所述的一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法，其特征在于：
所述第一激光发射器发送的相干光频率和第二激光发射器发送的相干光频率不同；
所述混频光，由第一激光发射器发送的相干光和第二激光发射器发送的相干光混合而成的微小差频混合光。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法，其特征在于：
所述光信号处理器将得到的第二光信号和第三光信号统一转化为归一化强度-时间波形图包括：
当第一光纤和第二光纤受到振动影响时，第一光纤和第二光纤内部传输的光信号会产生变化波形，其中，变化波形包括没有明显周期性变化的波形、低频率周期性变化的波形和高频率周期性的波形。
4.根据权利要求3所述的一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法，其特征在于：
所述第一耦合器向第二耦合器发送的第一光信号形成第一光路；
所述第一光路的路径如下：
第一激光发射器和第二激光发射器-第一耦合器-第二耦合器-第一光纤和第二光纤-第四耦合器-第三耦合器-光信号处理器；
所述第一耦合器向第三耦合器发送的第一光信号形成第二光路；
所述第二光路的路径如下：
第一激光发射器和第二激光发射器-第一耦合器-第三耦合器-第三光纤-第四耦合器-第二耦合器-光信号处理器。
5.根据权利要求3所述的一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法，其特征在于：
所述第一光纤、第二光纤和第三光纤均处于光缆内部，且第一光纤、第二光纤和第三光纤类型相同。
6.根据权利要求5所述的一种利用电力光缆判断电缆振动源类型的防外破预警方法，其特征在于：
当所述第一光纤和第二光纤没有收到外在干扰，仅受到背景噪声振动影响时，第一光纤和第二光纤内部传输的第一光信号没有产生明显周期性变化的波形；
当所述第一光纤和第二光纤附近的地面存在挖掘施工事件时，第一光纤和第二光纤内部传输的第一光信号产生低频率周期性变化的波形；
当所述第一光纤和第二光纤受到直接触碰时，第一光纤和第二光纤内部传输的第一光信号产生高频率周期性变化的波形。
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