[发明专利]分布式光纤系统的应力监测方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及电力系统的应力测量技术领域，尤其涉及利用分布式光纤系统进行应力监测的方法。

【背景技术】

在电力系统中，电缆，风电设备等长期暴露在大气中，受到外力及外界环境变化的影响如风振冰灾舞动等会发生形变产生弧垂导致设备产生应力应变，设备强度下降造成线路中断故障。而应力对设备影响并不能直观表现出来，一旦应力积累到一定程度造成设备工作中断，将会严重影响电力系统输供电的安全，如何在没有发生故障时及时了解设备应力应变情况发现故障隐患采取有效的预防措施对于提高电力系统可靠性非常重要。

目前对应力测量的方法非常多，有应变片测量、磁测量等等多种手段，最新研究的精度比较高的测量手段主要为分布式光纤应力测量技术。分布式光纤应力测量技术主要有基于瑞利散射的分布式光纤应力传感技术、基于BOTDR(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry)（布里渊光时域反射）技术并采用光学滤波法检测布里渊频移的分布式光纤传感技术、基于BOTDA技术并采用直接检测方法获取布里渊频移的分布式光纤传感技术和基于微波外调制的损耗型BOTDA分布式光纤传感系统。

图1是基于瑞利散射的分布式光纤应力传感技术的原理示意框图。由于光纤中存在成分和密度的不均匀，使得折射率的微观呈现不均匀性，当激光脉冲在光纤中传输时会产生瑞利散射。在利用瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位。该技术的发展初期，主要是通过记录沿传感光纤后向瑞利散射光的强度来检查光纤的衰减和连续性，确定光纤各处的损耗、光纤故障点和断点的位置。后来根据瑞利散射系数随应力的变化，利用瑞利散射光强度与应变应力的调制关系，将该技术用于测量光纤沿线的应变应力场分布。依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型，它们分别利用光纤的吸收、损耗特性或瑞利散射系数和在光纤中传播光波的偏振态受外界物理量的调制来实现外部物理量的传感测量的。基于瑞利散射的分布式光纤应力传感技术存在以下问题：精度低、传感距离短和检测响应时间较长。

如图2所示，基于BOTDR(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry)（布里渊光时域反射）技术并采用光学滤波法检测布里渊频移的分布式光纤传感技术是将自发布里渊散射检测和光时域反射仪相结合，当光纤的应变发生变化时，光纤纤芯的折射率和声速会发生相应的变化，从而导致布里渊频移的改变。在应用过程中使脉冲光从光纤的一端输入，并在同一端测量后向返回的自发布里渊散射光，通过将后向自发布里渊散射光与一个频率较为接近的参考光进行差频相干，测量频率较低的拍频信号来得到布里渊频移。有了布里渊频移的变化量就可以测算出应变的变化量；同时，通过测定脉冲光入射到散射光的回波时间就可以确定传感的位置。图2是基于BOTDR技术并采用光学滤波法检测布里渊频移的分布式光纤传感技术的原理示意框图。在该基于BOTDR技术并采用光学滤波法检测布里渊频移的分布式光纤传感技术中，主要存在以下问题：（1）系统中产生的自发布里渊散射光比较微弱；（2）系统中布里渊频移很小，测量难度很大；（3）由于布里渊频移很小，对滤波器要求极高，测量准确度不高，影响测量精度；（4）检测响应时间较长。

如图3所示，在基于BOTDA技术并采用直接检测方法获取布里渊频移的分布式光纤传感技术中，从光纤的两端分别注入一脉冲光(泵浦光)与一连续光(探测光)在光纤的铺设路径上，由于应力不同，相同波长的泵浦光激发的布里渊散射频移也不同。当泵浦光与探测光的频率差与布里渊频移相等时，两束光之间发生能量转移，布里渊波长上的光就会被放大，即在该位置产生了布里渊放大效应。当对一个激光波长进行扫描时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光功率，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差。由于布里渊频移与应力呈线性关系，因此，对激光器的频率进行连续调节的时候，就可以得到应力信息，实现分布式测量。实际运用中可以采用电光调制器对探测光或者泵浦光的频率在布里渊频移波段（约为10.8GHz~11.1GHz）进行扫描，以绘制布里渊增益/损耗谱。然而这样的扫频技术需要耗费很长的时间，不能做到实时的检测，同时也降低了精度和动态范围。。可是该技术存在以下问题：(1)光源稳频要求高；(2)由于需要分析点数非常多，为提高测试灵敏度，需要多次平均，因此测试时间非常长；(3)增益型传感方式会引起泵浦光能量急剧降低，难以实现长距离检测。