一種海底電纜實時監測系統及監測方法
【專利摘要】本發明公開了測量【技術領域】的一種海底電纜實時監測系統及監測方法。其技術方案是，設計海底電纜實時監測系統，通過檢測背向瑞利散射光的偏振態和相位來實現海底電纜運行過程中的溫度和應變，從而實現外界破壞、絕緣劣化、漏電、接地故障等狀態信息的實時監測。不僅提高了設備的利用率，降低了監測成本，還大幅減小了漏報率和誤判率，可實現對海纜的立體化、大范圍、全線路、網絡化實時監測，對海底電纜的安全穩定運行有重要意義。
【專利說明】一種海底電纜實時監測系統及監測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于測量【技術領域】，尤其涉及一種海底電纜實時監測系統及監測方法。
【背景技術】
[0002]我國海岸線長達3.2萬公里，大小島嶼有6500多個，領海面積約473萬平方公里，海上工作平臺眾多，海底電纜在遠程供電、高壓輸電、電力通信、信號傳輸、保證海島居民的生產生活和海上工作平臺正常運行中起關鍵作用。
[0003]由于受到海水的沖刷、侵蝕等因素，容易造成海底電纜的絕緣老化、阻水性能變差，使得海底電纜產生漏電流，從而造成海底電纜在故障點處的溫度升高，進而引起更大的故障，譬如:接地短路故障等。海底電纜負載電流的變化，也會使海底電纜的溫度產生變化，即海底電纜溫度的變化可以反映海底電纜的運行狀況，為使海底電纜在安全的溫度范圍內運行，延長海底電纜使用壽命，有必要對海底電纜健康狀況進行日常監控維護。
[0004]隨著海洋開發利用活動的日益增加，海域內的養殖、漁網、船錨等對海纜運行的影響不容忽視，并且傳統方式下，受落錨、拋錨、漁業捕撈、船只拖拽、岸基作業等破壞時無法預警，對事故點的準確定位及肇事船只的確認以及斷纜線頭打撈困難，影響了事故搶修和損失理賠。因此研究海底電纜健康狀況監測的新方法、新手段，對于確保電網安全穩定運行、構建堅強智能電網具有非常重要的意義。
[0005]在海底電纜監測系統中，傳統的光時域反射器(OTDR)利用光在光纖中傳輸產生的背向瑞利散射信號進行海纜故障點定位，但這種技術只能在海纜已經被侵害事件破壞產生斷裂后進行檢測，無法實現侵害事件的實時在線監測。光時域背向拉曼散射分布式光纖傳感器(ROTDR)利用多模光纖中的背向拉曼散射信號測量光纖沿線的溫度分布，無法實現應變測量，因此該技術只能實現海纜溫度信息的在線監測，無法對落錨、船只拖曳等應變事件進行在線監測。因此，海底電纜迫切需要一種有效的實時在線監測方法。
【發明內容】
[0006]針對【背景技術】中提到的傳統的海底電纜監測系統中無法實現海纜運行過程中的溫度和應變的在線監測問題，本發明提出了一種海底電纜實時監測系統及監測方法。
[0007]—種海底電纜實時監測系統，其特征在于，所述系統包括窄譜光源、第一耦合器、偏振控制器PC、電光調制器Ε0Μ、脈沖發生器、第一隔離器、第一摻鉺光纖放大器EDFA、第二隔離器、第一光濾波器、環形器、起偏器、傳感光纖、第二耦合器、第二摻鉺光纖放大器EDFA、檢偏器、第三隔離器、第二光濾波器、第一光電檢測器、第二光電檢測器、數據采集與顯示單元和時鐘控制單元；
[0008]其中，所述窄譜光源、第一耦合器、偏振控制器PC、電光調制器Ε0Μ、第一隔離器、第一摻鉺光纖放大器EDFA、第二隔離器、第一光濾波器、環形器、起偏器和傳感光纖順次連接；所述窄譜光源用于產生窄譜光；所述第一耦合器的作用是將激光器發射的激光脈沖耦合進偏振控制器PC ;所述電光調制器EOM用于調制脈沖光；所述第一隔離器用于防止脈沖光反向傳輸對窄譜光源造成損害，保證脈沖光單向傳輸；所述第一摻鉺光纖放大器EDFA用于對脈沖光進行放大；所述第二隔離器用于防止脈沖光反向傳輸對窄譜光源造成損害，保證脈沖光單向傳輸；所述第一光濾波器用于濾除第一摻鉺光纖放大器EDFA給系統引入的自發輻射噪聲；所述起偏器的作用是將普通光信號轉換成線偏振光；
[0009]所述脈沖發生器分別與所述時鐘控制單元和電光調制器EOM連接；所述脈沖發生器用于產生脈沖信號，通過電光調制器EOM調制窄譜光，使其變成脈沖光；
[0010]所述時鐘控制單元分別與所述窄譜光源和數據采集與顯示單元連接；所述數據采集與顯示單元用于提取瑞利散射光信號的偏振態和相位信息，并進行計算和顯示；
[0011]所述第二耦合器分別與所述環形器、第二摻鉺光纖放大器EDFA和檢偏器連接；所述第二耦合器是將背向瑞利散射信號分成兩路；所述第二摻鉺光纖放大器EDFA用于接收到的光進行放大；所述檢偏器用于檢測偏振態；
[0012]所述第二摻鉺光纖放大器EDFA、第三隔離器、第二光濾波器、第一光電檢測器和數據采集與顯示單元順次連接；所述第三隔離器用于防止脈沖光反向傳輸對窄譜光源造成損害，保證脈沖光單向傳輸；所述第一光電檢測器用于將接收到的光信號變為電信號；
[0013]所述檢偏器、第二光電檢測器和數據采集與顯示單元順次連接；所述第二光電檢測器用于將接收到的光信號變為電信號。
[0014]所述窄譜光源譜寬為3kHz?12.5GHz。
[0015]所述系統采用間接調制的方式將窄譜光源產生的激光調制成脈沖光。
[0016]所述第一光濾波器包括光環形器和光纖布拉格光柵；所述第一光濾波器帶寬等于光源譜寬。
[0017]所述第二光濾波器包括光環形器和光纖布拉格光柵；所述第二光濾波器帶寬等于光源譜寬。
[0018]一種海底電纜實時監測方法，其特征在于，所述方法具體包括以下步驟:
[0019]步驟1:將所述光電復合海纜中的單模光纖作為傳感光纖接入海底電纜實時監測系統，或將通信光纜纏繞在普通海底電纜上進行測量，將通信光纜中的單模光纖作為傳感光纖接入海底電纜實時監測系統；
[0020]步驟2:海底電纜實時監測系統向單模光纖中注入脈沖光，在單模光纖中產生瑞利散射；
[0021]步驟3:海底電纜實時監測系統根據單模光纖中不同部分返回的瑞利散射光帶有反射點處前向傳輸光的相位信息，實現偏振態及相位的監測；
[0022]步驟4:通過海底電纜實時監測系統數據采集與顯示單元提取瑞利散射光信號的偏振態和相位信息，實現單模光纖沿線的溫度和應變信息監測；
[0023]步驟5:通過溫度和應變的變化來分析海底電纜的運行狀態，實現海底電纜的實時在線監測。
[0024]本發明的有益效果是，通過檢測背向瑞利散射光的偏振態和相位來實現海底電纜運行過程中的溫度和應變，從而實現外界破壞、絕緣劣化、漏電、接地故障等狀態信息的實時監測。不僅提高了設備的利用率，降低了監測成本，還大幅減小了漏報率和誤判率，可實現對海纜的立體化、大范圍、全線路、網絡化實時監測，對海底電纜的安全穩定運行有重要意義。【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明提供的采用海底電纜實時監測系統在線監測海底電纜狀態信息的連接圖；其中，a為光電復合海纜的測量連接圖；b為將通信光纜纏繞在普通海底電纜上進行測量的連接圖；
[0026]圖2為本發明提供的海底電纜實時監測系統的結構圖；
[0027]其中，1-海底電纜實時監測系統；2_光電復合海纜；3_光電復合海纜中復合的單模光纖；4_普通海底電纜；5_通信光纜中的單模光纖；6_第一耦合器；7_第一隔離器；8-第二隔離器；9_環形器；10-起偏器；11-光纖布拉格光柵；12-第三隔離器；13-傳感光纖；14第二稱合器。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0029]圖1是本發明提供的采用海底電纜實時監測系統在線監測海底電纜狀態信息的連接圖；其中，a為光電復合海纜的測量連接圖，海底電纜實時監測系統I直接與光電復合海纜2中復合的單模光纖3進行連接；b為將通信光纜纏繞在普通海底電纜上進行測量的連接圖，海底電纜實時監測系統I與通信光纜中的單模光纖5進行連接。
[0030]圖2為本發明提供的海底電纜實時監測系統的結構圖。圖2中，瑞利散射光相位檢測一般要求譜寬非常窄，采用超窄線寬激光器。因為如果激光器頻譜寬度較大，產生的激光脈沖就含有各種頻譜成分，這些信號的瑞利后向散射同時到達探測器時會發射疊加，而不是超窄線寬激光器的干涉。選擇適合的半導體激光器作為光源，為了同時實現瑞利散射光相位和偏振態的同時檢測，需要仔細選擇光源譜寬，譜寬必須在3kHz?12.5GHz之間選擇，既可以確保干涉效應發生，同時干涉效應也不能太強而完全淹沒偏振態調制的效果。
[0031]為了實現分布型測量，需要向傳感光纖注入脈沖光，該系統通過間接調制的方式將激光調制成脈沖光。時鐘控制單元觸發窄譜光源，使其產生適合系統檢測的窄譜光。同時，時鐘控制單元觸發脈沖發生器，脈沖發生器開始工作，產生符合系統要求的脈沖信號，此脈沖信號通過電光調制器去調制窄譜光，使其變成脈沖光。為了防止該脈沖光反向傳輸對窄譜光源造成損害，加入第一隔離器，保證脈沖光在光纖中單向傳輸。將連續光調制成脈沖光信號后，光功率較低，需要經過第一摻鉺光纖放大器EDFA進行放大，第一摻鉺光纖放大器EDFA會給系統引入自發輻射噪聲，需要經過帶寬等于光源譜寬的第一光濾波器濾除該噪聲信號，該光濾波器由光環形器和光纖布拉格光柵組成。去噪后的脈沖光通過環形器的c 口注入到傳感光纖中。光在光纖中傳輸，會產生瑞利散射，發生在背向的瑞利散射信號沿著光纖反向傳輸，到達環形器的d 口，散射光在環形器里單向傳輸通過e 口輸出，輸出的背向散射光經耦合器的f 口等比例分成兩路。第二耦合器g 口光信號經過第二摻鉺光纖放大器EDFA放大濾波后直接送入第一光電檢測器進行光電轉換，耦合器h 口光信號經過一個檢偏器檢測偏振態后再通過第二光電檢測器轉化為電信號。由于在反射點處散射光與前向傳輸光的偏振態完全相同，因此背向瑞利散射光就攜帶有散射點處前向傳輸光的偏振信息，因此通過檢測偏振信息就可以獲知該散射點處的狀態信息。同時，從光纖中不同部分返回的瑞利散射光同樣帶有反射點處前向傳輸光的相位信息，經過干涉作用后，這束背向瑞利散射光的功率大小也會受到相位的調制,變為有一定規律的波動，因此通過檢測相位信息就可以獲知該散射點處的狀態信息。時鐘控制單元控制數據采集和顯示單元采集兩路光信號并進行去噪等處理，提取瑞利散射光信號的偏振態和相位信息，從而實現光纖沿線的溫度和應變信息監測。最后通過溫度和應變的變化來分析海纜的運行狀態，從而實現海底電纜的實時在線監測。
[0032]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種海底電纜實時監測系統，其特征在于，所述系統包括窄譜光源、第一稱合器、偏振控制器PC、電光調制器EOM、脈沖發生器、第一隔離器、第一摻鉺光纖放大器EDFA、第二隔離器、第一光濾波器、環形器、起偏器、傳感光纖、第二耦合器、第二摻鉺光纖放大器EDFA、檢偏器、第三隔離器、第二光濾波器、第一光電檢測器、第二光電檢測器、數據采集與顯示單元和時鐘控制單兀； 其中，所述窄譜光源、第一耦合器、偏振控制器PC、電光調制器EOM、第一隔離器、第一摻鉺光纖放大器EDFA、第二隔離器、第一光濾波器、環形器、起偏器和傳感光纖順次連接；所述窄譜光源用于產生窄譜光；所述第一耦合器的作用是將激光器發射的激光脈沖耦合進偏振控制器PC ;所述電光調制器EOM用于調制脈沖光；所述第一隔離器用于防止脈沖光反向傳輸對窄譜光源造成損害，保證脈沖光單向傳輸；所述第一摻鉺光纖放大器EDFA用于對脈沖光進行放大；所述第二隔離器用于防止脈沖光反向傳輸對窄譜光源造成損害，保證脈沖光單向傳輸；所述第一光濾波器用于濾除第一摻鉺光纖放大器EDFA給系統引入的自發輻射噪聲；所述起偏器的作用是將普通光信號轉換成線偏振光； 所述脈沖發生器分別與所述時鐘控制單元和電光調制器EOM連接；所述脈沖發生器用于產生脈沖信號，通過電光調制器EOM調制窄譜光，使其變成脈沖光； 所述時鐘控制單元分別與所述窄譜光源和數據采集與顯示單元連接；所述數據采集與顯示單元用于提取瑞利散射光信號的偏振態和相位信息，并進行計算和顯示； 所述第二耦合器分別與所述環形器、第二摻鉺光纖放大器EDFA和檢偏器連接；所述第二耦合器是將背向瑞利散射信號分成兩路；所述第二摻鉺光纖放大器EDFA用于接收到的光進行放大；所述檢偏器用于檢測偏振態； 所述第二摻鉺光纖放大器EDFA、第三隔離器、第二光濾波器、第一光電檢測器和數據采集與顯示單元順次連接；所述第三隔離器用于防止脈沖光反向傳輸對窄譜光源造成損害，保證脈沖光單向傳輸；所述第一光電檢測器用于將接收到的光信號變為電信號； 所述檢偏器、第二光電檢測器和數據采集與顯示單元順次連接；所述第二光電檢測器用于將接收到的光信號變為電信號。
2.根據權利要求1所述的一種海底電纜實時監測系統，其特征在于，所述窄譜光源譜寬為 3kHz ~12.5GHz。
3.根據權利要求1所述的一種海底電纜實時監測系統，其特征在于，所述系統采用間接調制的方式將窄譜光源產生的激光調制成脈沖光。
4.根據權利要求1所述的一種海底電纜實時監測系統，其特征在于，所述第一光濾波器包括光環形器和光纖布拉格光柵；所述第一光濾波器帶寬等于光源譜寬。
5.根據權利要求1所述的一種海底電纜實時監測系統，其特征在于，所述第二光濾波器包括光環形器和光纖布拉格光柵；所述第二光濾波器帶寬等于光源譜寬。
6.一種海底電纜實時監測方法，其特征在于，所述方法具體包括以下步驟: 步驟1:將所述光電復合海纜中的單模光纖作為傳感光纖接入海底電纜實時監測系統，或將通信光纜纏繞在普通海底電纜上進行測量，將通信光纜中的單模光纖作為傳感光纖接入海底電纜實時監測系統； 步驟2:海底電纜實時監測系統向單模光纖中注入脈沖光，在單模光纖中產生瑞利散射；步驟3:海底電纜實時監測系統根據單模光纖中不同部分返回的瑞利散射光帶有反射點處前向傳輸光的相位信息，實現偏振態及相位的監測； 步驟4:通過海底電纜實時監測系統數據采集與顯示單元提取瑞利散射光信號的偏振態和相位信息，實現單模光纖沿線的溫度和應變信息監測； 步驟5:通過溫度和應變的變化來分析海底電纜的運行狀態，實現海底電纜的實時在線監測。
【文檔編號】G01B11/16GK103513147SQ201310408092
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2013年9月9日
【發明者】趙麗娟, 李永倩, 徐志鈕, 翟麗娜 申請人:華北電力大學（保定）