基于布里渊光时域峰值边沿分析的变压器绕组局部热点检测

变压器绕组的温度分布一直是电网运行人员重点关注的对象。与传统传感器相比,分布式光纤传感具有抗电磁干扰能力强、可实现分布式测量等优势,其中布里渊光时域分析技术(BOTDA)的性能稳定,适用于大多数场景,但BOTDA的空间分辨率为m级,难以分辨绕组运行中的局部热点。该文从布里渊散射增益谱的机理入手,利用双峰拟合算法,并结合对异常峰值曲线的边沿分析,提出了一种在不增加系统硬件复杂度的基础上提升BOTDA空间分辨率的方法,以满足局部热点检测要求。通过对光纤沿线不同位置、不同热点长度及不同热点温度下的模拟试验验证了该方法的有效性,在实验室条件下可将准确传感的热点长度提升至原空间分辨率的一半以内。基于变压器实际绕组的局部升温试验,实现了绕组异常热点的精确定位和长度感知,并准确解调了绕组局部热点的温度,进一步验证了该方法的实际可行性和检测优越性,温度相对误差控制在5%以内,为提高变压器绕组温度在线监测的经济性和可行性提供新的思考,同时也为变压器绕组局部故障的提前感知和预警提供了新的思路。

利用局部受激散射提升布里渊光时域反射系统性能

分布式光纤传感技术在工程领域中逐渐得到大规模应用,为了简化传感解调模式以提高光纤监测方案的工程便捷性和可行性,在降低光纤监测成本的同时提高监测的精度和准确性,提出了一种基于局部受激散射的布里渊光时域反射系统。在采取光纤单端探测以满足工程便捷使用要求的基础上,利用连续泵浦光的自发布里渊散射与系统中的探测脉冲光作用,通过自发布里渊散射系统中产生的局部受激布里渊散射模式,来提升布里渊光时域反射仪的传感距离和测温精度。通过此方法,可使原低成本布里渊光纤传感系统在使用宽度为100 ns的常用探测光脉冲基础上,将2.7 km测温光缆的末端测温精度提升至±1.27℃,提升了283%,改善了系统的测温精度和传感距离,且该结构不额外增加运算时间及其他冗余光电器件。与传统相干探测结构相比,该系统为改善低成本建筑工地专用布里渊光时域反射仪的性能提供了一种途径,尽量满足当前阶段建筑工程领域对超低成本分布式光纤解调仪的应用需求。

基于布里渊光时域反射计的紧套型OPGW覆冰厚度监测

为了获取一个档距内更精细的覆冰厚度分布,针对紧套型光纤复合架空地线(OPGW),提出了一种基于布里渊光时域反射计分布式应变传感能力的覆冰监测技术,并通过实验进行了验证。测量得到OPGW的应变分布,通过力学分析将应变分布转换为重量分布,进而换算得到具体的覆冰厚度分布。在悬空光缆的模拟实验中,针对均匀负重5 kg和2.5 kg的实验结果误差分别为2.27%和15.77%,验证了此方法的有效性。误差分析表明在实际中OPGW具有更长跨距的情况下,采用较大的空间分辨率可以提高应变测量精度,改善本方法对覆冰分布的测量效果。

一种利用布里渊增益谱边带解调提高布里渊光时域反射系统测温精度的方法

测温精度是衡量分布式光纤温度传感系统的一项重要性能指标.本文提出一种通过解调布里渊增益谱边带,以提高布里渊光时域反射仪测温精度的方法.在此基础上,进一步分析并验证了探测光脉冲峰值功率对测温精度的影响.理论分析表明,利用声光调制器的频移特性可产生布里渊增益谱边带,相比于中心峰解调方法,采用布里渊增益谱边带解调法可获得更高的系统信噪比,进而提高系统测温精度.实验结果表明,在相同测量条件下,布里渊增益谱左边带峰值功率较其中心峰峰值功率高3.27 dB,且其-1 dB谱宽比中心峰窄14.5 MHz.对布里渊增益谱左边带进行频率扫描,由于相干探测时参考光的作用以及消除了相干瑞利噪声的影响,系统信噪比提高了4.35 dB,并在10.2 km的传感距离上实现了±0.5?C的测温精度.

布里渊光时域分析动态应变传感技术研究进展

布里渊光时域分析(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)可以实现长距离、分布式、高空间分辨率、高精度的应变传感,在大型基础设施健康监测、飞行器状态监测领域具有广阔的应用前景.然而传统的BOTDA需要扫频,传感速度较慢,难以实现动态应变的测量.针对这一问题,根据工作原理的不同分别综述了斜坡辅助BOTDA(slope-assisted BOTDA,SA-BOTDA)、快速BOTDA(fast BOTDA,F-BOTDA)、免扫频BOTDA(sweep free BOTDA,SF-BOTDA)和基于啁啾泵浦/探测光的动态BOTDA近年来的进展情况,对比了各种技术的优缺点,并对布里渊光时域动态应变传感技术的发展前景进行了展望.

布里渊光时域分析传感器中光偏振控制技术的研究

普通单模光纤的布里渊光频移是光纤温度和应变的函数,可利用布里渊光时域分析(BOTDA)技术来测量光纤各点的温度、应变分布情况。但受激布里渊散射信号在光纤中存在偏振相关性问题,这会影响信号的精度和准确性。本文实验研究正交偏振控制和随机偏振控制技术抑制布里渊光时域分析系统的偏振相关性,优化BOTDA系统的检测性能。

布里渊光时域分析传感器扰偏性能研究

普通单模光纤中存在的偏振效应会对布里渊光时域分析传感器性能产生较大影响。理论分析并实验研究了扰偏器对布里渊光时域分析传感器性能的影响。结果表明,采用扰偏器时光纤末端处的检测信号增益的均方根误差相对于不采用扰偏器时降低约4.26dB,有效地抑制了检测信号的偏振起伏,降低了系统偏振噪声;信号增益提高约1.14dB,降低了信号的偏振相关衰落;布里渊频移的均方根误差降至1.6MHz,提高了布里渊频移的测量准确度。

布里渊光时域反射传感系统自适应扰偏模块的研制

布里渊光时域反射传感系统通过对布里渊背向散射信号的测量,可以得到温度和应变沿光纤的分布特性。布里渊背向散射信号的偏振态会影响布里渊光时域反射传感系统(BOTDR)的性能。扰偏器可以消除这种影响。本文分析了扰偏器的工作原理。设计了一个自适应的扰偏模块并制作了相应的驱动电路。该扰偏模块可以工作在不同的温度和频率点。实验显示该模块可以消除布里渊背向散射信号偏振态的影响,满足BOTDR测量的要求。

拉曼放大布里渊光时域分析系统非局域效应

应用包含探测光、布里渊泵浦光及拉曼泵浦光相互作用理论模型,数值分析了基于拉曼放大的长距离布里渊光时域分析仪非局域化特性。结果表明:非局域化随探测光及拉曼泵浦功率增加而恶化;通过频分复用(将具有不同布里渊频移的光纤拼接)及时分复用技术(同时对布里渊泵浦及探测光进行脉冲调制),可有效缩短布里渊泵浦与探测光的作用距离,达到较理想的抑制非局域效应结果。

神经网络在布里渊光时域分析仪温度提取中的应用(特邀)

文章回顾了本研究小组将人工神经网络(ANN)和深度神经网络(DNN)用于提取布里渊光时域分析仪(BOTDA)传感系统中的温度分布信息的研究工作。在对ANN或者DNN模型进行适当的训练之后,沿被测光纤的温度分布信息能够被训练完成的ANN或DNN从实验获得的布里渊增益谱(BGS)中直接提取出来,而不需要像传统的洛伦兹线型拟合(LCF)方法一样先对BGS拟合得到布里渊频移(BFS),再将其转换成温度信息。实验结果展示出了用ANN和DNN进行温度提取的方法相比于用传统LCF方法的优势。

基于布里渊光时域反射仪的边坡监测光纤传感器结构

分布式布里渊光纤传感技术在边坡监测领域中有极大的应用潜力。坡体局部产生的大应变往往会超过光纤的承受能力导致光纤断裂,并且由于系统空间分辨率的限制,难以获得一个准确的测量结果。为适应边坡监测,开发了用于分布式布里渊光纤传感的光纤传感结构,通过管子和滑轮构成具有保护作用的往返式结构,在短距离上增加了传感光纤的长度,不仅扩展了光缆对局部变形的耐受度,同时也提高了应变监测准确度。设计对比校准实验,验证了其在空间分辨率为1 m时的性能,并在人工浅层边坡上进行现场监测实验,验证了其对滑坡监测的有效性。此外,由于光缆在改良装置的保护下不与外界接触,光缆的存活率显著提高。

海缆布里渊光时域反射信号的去噪方法研究

为了从噪声背景中有效地提取光电复合海缆的布里渊光时域反射信号,根据信号的特点,提出了采用小波阈值法对实时信号进行去噪处理。针对小波阈值去噪参量设置的基础性问题,通过理论分析和实验对比确定了适于海缆布里渊光时域反射信号去噪处理的最优参量,并与中值滤波、均值滤波的去噪效果进行了对比。结果表明,相对于两种传统的滤波方法,最优参量下的小波阈值法能有效去除噪声,不仅信噪比提高了14.1dB,而且能检测出100με的应变变化。该研究对于探索海缆布里渊光时域反射信号的高效处理方法具有重要参考价值。

布里渊光时域反射传感系统数据采集模块的研制

分析了布里渊光时域反射传感系统的工作原理。讨论了传感系统性能与数据采集模块硬件性能的关系。设计了一个高速高精度的数据采集模块,其可以满足空间分辨率1 m、温度分辨率1 K以及应变分辨率20με的布里渊光时域反射传感系统的要求。

基于布里渊光时域反射技术的多参数输电线路覆冰预警

因恶劣天气影响造成的输电线路覆冰将严重威胁到电网的安全稳定运行,并造成巨大的经济损失,实现准确的覆冰预警是电力系统亟待解决的问题。针对这一实际问题,为实现实时监测输电线路运行状态、及时发现并处理线路覆冰,采用布里渊光时域反射仪对武川变-察右中旗变500kV输电线路光纤复合架空地线进行在线运行状态监测,并探究利用布里渊光时域反射技术对光纤进行应力和温度监测以实现输电线路覆冰预警的可行性。数据分析表明,布里渊光时域反射仪可以在一定误差范围内准确测量光纤复合架空地线各点的温度和应力相对大小。结合输电线路覆冰时的温度、积温时间和温度日较差等温度相关参数的特性,提出综合各温度相关参数判断输电线路覆冰的条件;将本装置应用于实际输电线路在线监测,找出了被测光纤复合架空地线在2016年11月间满足该条件的具体位置和对应时间。测量结果与天气预报温度数值和变化趋势相近,表明了试验方法的准确性。

基于窗函数优化的布里渊光时域反射仪测温精度提升研究

基于短时傅里叶变换(short time Fourier transform,STFT)算法的布里渊光时域反射仪(Brillouin optical time domain reflectometer,BOTDR)可实现快速温度检测,但存在频率泄漏和栅栏效应,导致测温精度较差。针对上述问题,在搭建STFT-BOTDR测温系统的基础上,通过窗函数和运算点数优化,抑制了STFT算法所引发的频率泄漏,实现了STFT-BOTDR测温精度提升。实验中设置时域窗口长度为1.6 m,窗口滑动步进为0.5 m,对比了不同窗函数与运算点数下的测量精度。结果表明,当采用汉宁窗且运算点数为1024时,可实现9.6 km光纤末端温度变化的准确检测与定位,误差为1.012℃;测量精度为±2.5 MHz。而未采用窗函数时测量精度为±12.5 MHz,无法实现温度变化准确测量。研究结果为STFT-BOTDR温度检测系统精度优化提供了借鉴。

布里渊光时域分析技术在桥梁静载试验中的应用

为了研究桥梁整体的应变分布情况,首次将布里渊光时域分析技术(BOTDA)应用于桥梁的静载试验。文中以某大桥为背景,介绍了桥梁荷载试验中应变光缆和振弦应变计的测点布置,测出在静载工况下桥梁的应变分布情况和0.4L截面的应变值,运用有限元软件MIDAS对检测桥梁进行建模分析计算,通过对比实测值与理论值,对梁体的受力状态进行分析,了解桥梁的应力应变状况。研究表明,BOTDA能够得到桥梁的整体应变分布,其测试数据与振弦应变计、理论计算数据吻合,并能对应变异常点进行精确定位(如本项目中的底板变厚),该技术在桥梁静载试验中具有广阔的应用前景。

布里渊光时域反射技术应用于模型实验测试的研究

布里渊光时域反射技术凭借其体积小、结构效应低、数据采集效率高等优点在模型试验中应用具有较大的优势。针对布里渊光时域反射技术(Brillouin optical time-domain reflectometer,BOTDR)应用于模型试验中存在距离分辨率相对较大的问题设计了试验,考虑光纤位置约束影响因素定义光纤空间密度,研究光纤布设长度、类型、植入密度对测试结果的影响。研究结果表明:当试块内部传感光纤长度小于其应变采集仪的距离分辨率时,监测到的结果很难反映应试块实际应变情况;当试块内部光纤长度大于光纤应变采集仪分辨率时,随着试块内部光纤长度的增加,相对应变离散度逐渐降低,但同时也受到光纤布设方式的影响;随着光纤植入长度的增大和光纤空间密度的增大,试块开裂荷载呈现出先增大后减小的趋势。

基于SVM的布里渊光时域分析系统的温度精确提取

布里渊光时域分析系统因其防雷防爆和分布式传感的优势近年来被广泛研究。采用支持向量机实现了布里渊光时域分析系统中温度信息的提取。在训练阶段利用理想的Voigt曲线作为布里渊增益谱对每个类别的温度值同时进行训练,获得支持向量机模型,并研究不同条件下的布里渊增益谱。结果表明,相比于传统算法,在更大的信噪比、泵浦脉冲宽度、扫频步长范围内,采用支持向量机模型可提高温度提取的精度,同时有效缩减了算法运行时间。

一种新的布里渊光时域定位技术

布里渊光时域分析(BOTDA)系统中,不同的脉冲宽度对应不同的空间分辨率,但不同脉冲宽度下的布里渊信号会重叠在同一位置。首次对该现象进行了理论分析,并基于该现象提出了一种新的布里渊光时域定位技术。通过正反两次测量对应变或温度段的端点进行定位,无需降低脉冲宽度就能提高空间分辨率,克服了泵浦脉冲宽度对空间分辨率的限制。实验在24711 m的光纤上分布使用20~100 ns的脉冲均实现了1 m应变段的定位,并通过双峰洛伦茨拟合测得其应变为1880ε,其应变测量不确定度为36ε。该技术相比于其它BOTDA定位技术,无需通过降低脉冲宽度来提高空间分辨率,操作简单有效,将在分布式传感领域具有广泛的应用前景。

提高布里渊光时域反射仪频移定位精度的二次寻峰算法

工程应用对布里渊光时域反射仪的使用不断提出实际需求:如何精准确定应变/温变的起始位置,便于快速修复节约人力物力成本,尤其是在地下工程、海下工程等无法直接观察的复杂情况下,对于光纤沿线频移起始位置的精准确定显得尤为重要。对基于寻峰算法和短时傅里叶变换的布里渊光时域反射仪中获取频谱的算法进行改进,提出一种新的二次寻峰算法,通过判断布里渊增益谱中的峰值情况来计算温变/应变起始点与终止点。在脉冲宽度为100 ns、监测距离为1800 m的情况下,50 m温变段的起始点与终止点定位误差为0.4 m,在2000 m的探测距离上实现了1 m的空间分辨率。该算法在不增加运算时间和光电器件的基础上,提高了布里渊光时域反射仪对温度起始点和长度定位的准确性。与使用寻峰算法的布里渊光时域反射仪相比,使用二次寻峰算法的布里渊光时域反射仪具有更强的实用性与更高的性价比。