面向智能电网的分布式光纤传感系统和检测方法技术方案

本发明专利技术属于分布式拉曼光纤传感系统，公开了一种兼顾长传感距离与高空间分辨率的面向智能电网的分布式光纤拉曼传感系统和检测方法，系统包括脉冲激光器、波分复用器、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集系统，脉冲激光器输出的脉冲激光经波分复用器后入射至传感光纤，传感器中反射的斯托克斯光和反斯托克光经波分复用器后，被第一光电探测器和第二光电探测器探测后发送至数据采集系统，传感光纤的一部分设置在恒温槽中，恒温槽用于对位于其中的传感光纤进行恒温控制；数据采集系统用于进行数据采集和解调，得到传感光纤沿线的分布式温度场信息。本发明专利技术提高了系统的分辨率和测量精度，可以应用于智能电网检测领域。测领域。测领域。

【技术实现步骤摘要】
面向智能电网的分布式光纤传感系统和检测方法


[0001]本专利技术属于分布式拉曼光纤传感系统，具体为一种兼顾长传感距离与高空间分辨率的面向智能电网的分布式光纤拉曼传感系统和检测方法。

技术介绍

[0002]遍布全国的高压输电网络已经成为现代工业和国民经济的命脉。随着供电网络的日趋复杂化、精密化，对电网的安全监测问题也越来越紧迫。由于供电系统中存在许多环节容易受到多种因素的扰动，如果不能及时发现供电系统中存在的隐患与故障，极易发生重大的安全事故。然而，目前的单点、多探头、单参数传感器无法适应供电网络的大范围长距离检测需求。
[0003]分布式光纤拉曼传感系统可以连续测量传感光纤沿线的分布式温度特征信息。该系统通过采集脉冲光在光纤中传输时产生携带温度信息的背向拉曼散射光解调光纤沿线的温度变化，再根据光时域反射技术进行定位，从而实现对传感光纤沿线温度的分布式连续测量。在分布式光纤拉曼测温系统中，空间分辨率是指测温系统中能够分辨光纤温度变化的最小长度。目前，分布式光纤拉曼温度传感系统使用光时域反射(OTDR)技术进行定位，其最优空间分辨率可以达到1m。但是由于光源脉宽的限制，该方法中存在着空间分辨率及传感距离无法兼顾的矛盾。
[0004]由于电网中故障导致的温度发生变化有范围小、幅度大的特点，因此，通过分布式温度测量可以对电网中故障位置进行定位，但是现有技术中的分布式拉曼传感系统的空间分辨率较大时，电网故障导致的极小范围的温度变化系统难以准确测量，具体表现为测量温度变化幅度远远低于故障点实际温度，这种情况下容易导致系统漏报。基于此，需要对现有技术中的分布式光纤传感器系统进行改进，以适应智能电网的分布式检测需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提出一种兼顾长传感距离与高空间分辨率的面向智能电网的分布式光纤拉曼传感系统和检测方法，以解决现有分布式光纤拉曼传感系统空间分辨率与传感距离无法兼顾的问题，使系统空间分辨率提高到1厘米。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，包括脉冲激光器、波分复用器、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集系统，所述脉冲激光器输出的脉冲激光经波分复用器后入射至传感光纤，所述传感器中反射的斯托克斯光和反斯托克光经波分复用器后，被第一光电探测器和第二光电探测器探测，所述传感光纤的一部分设置在恒温槽中，所述恒温槽用于对位于其中的传感光纤进行恒温控制；第一光电探测器和第二光电探测器探测的斯托克斯信号和反斯托克斯信号经数据采集系统进行采集和解调，得到传感光纤沿线的分布式温度场信息。
[0007]所述数据采集系统包括数据采集卡和计算单元。
[0008]所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，还包括第一放大器和第二放大器，第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号经放大器后被数据采集卡采集。
[0009]所述数据采集卡的采样率为10GS/s，带宽为10GHz。
[0010]所述脉冲激光器的波长为1550nm，脉宽为10ns，重复频率为6KHz；第一光电探测器和第二光电探测器的带宽为100MHz，光谱响应范围为900～1700nm；所述传感光纤为折射率渐变型多模光纤。
[0011]其温度解调公式为：
[0012][0013]其中，T表示解调得到恒温槽外的传感光纤第n个测量区间所在位置处的温度，k为玻尔兹曼常数，Δν为拉曼频移，h为普朗克常量，T
c
为测量阶段恒温槽的设定温度，T
c0
为定标阶段恒温槽的设定温度，T0为定标阶段传感光纤的环境温度，I
al0
表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
aln
表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
ac0
表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
acn
表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强；I
sl0
表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I
sln
表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I
sc0
表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I
scn
表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，n为大于零的正整数。
[0014]I
aln
、I
sln
、I
acn
、I
scn
的计算公式分别为：
[0015][0016][0017][0018][0019]其中，X等于脉冲宽度与采样区间长度的比值；I
an
’
和I
a(n
‑
1)
’
分别表示定标阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n
‑
1个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
al(n
‑
X)
表示定标阶段获得的恒温槽外的第n
‑
X个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
a0
’
表示定标阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的反斯托克斯光的光强；
[0020]I
sn
’
和I
s(n
‑
1)
’
分别表示定标阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n
‑
1个采样区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I
sl(n
‑
X)
表示定标阶段获得的恒温槽外的第n
‑
X个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强；I
s0
’
表示定标阶段获得的恒温槽中的一个采样区间的斯托克斯光的光强；
[0021]I
an
和I
a(n
‑
1)
分别表示测量阶段得到的恒温槽外光纤的第n
‑
1个和第n个采样区间的后向拉曼反斯托克斯光的光强，I
ac(n
‑
X)
表示测量阶段获得的恒温槽外的第n
‑
X个测量区间后向拉曼反斯托克斯光的光强，I
a0
表示测量阶段获得的恒温槽中的一个采样区间的反斯托克斯光的光强；
[0022]I
sn
和I
s(n
‑
1)
分别表示测量阶段得到的恒温槽外光纤的第n
‑
1个和第n个采样区间的后向拉曼斯托克斯光的光强，I
sc(n
‑
X)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，包括脉冲激光器（1）、波分复用器（2）、传感光纤（3）、第一光电探测器（4）、第二光电探测器（5）和数据采集系统，所述脉冲激光器（1）输出的脉冲激光经波分复用器（2）后入射至传感光纤（3），所述传感器（3）中反射的斯托克斯光和反斯托克光经波分复用器（2）后，被第一光电探测器（4）和第二光电探测器（5）探测，所述传感光纤（3）的一部分设置在恒温槽（10）中，所述恒温槽（10）用于对位于其中的传感光纤（3）进行恒温控制；第一光电探测器（4）和第二光电探测器探测的斯托克斯信号和反斯托克斯信号经数据采集系统进行采集和解调，得到传感光纤（3）沿线的分布式温度场信息。2.根据权利要求1所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述数据采集系统包括数据采集卡（8）和计算单元（9）。3.根据权利要求2所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，还包括第一放大器（6）和第二放大器（7），第一光电探测器（4）和第二光电探测器（5）的输出信号经放大器（5）后被数据采集卡（6）采集。4.根据权利要求2所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述数据采集卡（8）的采样率为10 GS/s，带宽为10 GHz。5.根据权利要求1所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述脉冲激光器（1）的波长为1550 nm，脉宽为10 ns，重复频率为6KHz；第一光电探测器（4）和第二光电探测器（5）的带宽为100 MHz，光谱响应范围为900~1700 nm；所述传感光纤（3）为折射率渐变型多模光纤。6.根据权利要求1所述的一种一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，其温度解调公式为：；其中，T表示解调得到恒温槽外的传感光纤第n个测量区间所在位置处的温度，k为玻尔兹曼常数，
△
ν为拉曼频移，h为普朗克常量，T
c
为测量阶段恒温槽的设定温度，T
c0
为定标阶段恒温槽的设定温度，T0为定标阶段传感光纤的环境温度，I
al0
表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
aln
表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
ac0
表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
acn
表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强；I
sl0
表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I
sln
表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I
sc0
表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I
scn
表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，n为大于零的正整数。
7.根据权利要求6所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，I
aln
、I
sln、
I
acn
、I
scn
的计算公式为：的计算公式为：其中，X等于脉冲宽度与采样区间长度的比值；I
an
’
和I
a（n
‑
1）
’
分别表示定标阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n
‑
1个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，许扬，周新新，张明江，王晨懿，尹子彤，冯凯，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：