一种高铁接触网故障光纤检测装置的制作方法

1.本发明一种高铁接触网故障光纤检测装置，属于分布式光纤传感技术领域。


背景技术：

2.随着我国高速铁路的全面普及，高速列车的运行安全对高铁接触网提出了更高要求。高铁接触网主要用于高速列车的基础供电，其常见的故障主要包括基础构件损坏、安装结构件损坏、接触网导线损坏、吊弦等辅助构件损坏，以及绝缘器件烧坏而引起的局部放电等，均在一定程度上会产生明显的振动信号。因此，振动信号检测是高铁接触网故障检测的重要手段，而高铁接触网所具有的长距离、强电磁干扰等特点对振动检测技术提出了更高的要求。分布式光纤振动传感技术利用通信光纤作为传感元件，具有长距离、分布式、抗电磁干扰等优点，因此在高铁接触网故障检测领域具有重要的应用前景。
3.分布式光纤振动传感技术主要包括前向干涉光传感与后向散射光传感两大类。其中，萨格奈克（sagnac）干涉型光纤振动传感系统作为典型的前向光传感系统，通过使用宽带激光，并利用3
×
3光纤耦合器实现相等光程激光的干涉，从而实现振动信号波形的快速还原，但其定位性能不足。而相位敏感光时域反射技术（φ
‑
otdr）光纤振动传感系统作为典型的后向散射光传感系统，通过使用窄线宽激光，并利用3
×
3光纤耦合器解调算法实现振动信号的准确定位，但其波形还原频率存在限制。
4.因此，本发明分别通过利用sagnac干涉型光纤振动传感系统还原波形的能力与φ
‑
otdr光纤振动传感系统对振动信号的准确定位能力，准确获取高铁接触网故障所产生的振动信号位置信息与波形信息，从而实现对高铁接触网的故障检测，为高铁的可靠供电安全提供保障。


技术实现要素：

5.本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种高铁接触网故障光纤检测装置硬件结构的改进。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高铁接触网故障光纤检测装置，包括超宽带光源、用于对高铁接触网故障所产生的振动信号进行定位的
փ
‑
otdr光纤振动传感系统、用于对高铁接触网故障所产生的振动波形信息进行还原的sagnac光纤振动传感系统、用于对光纤信号进行解调的数据采集处理系统，所述超宽带光源生成超宽波段的激光，进入第一光纤耦合器的a端口，由第一光纤耦合器的c端口输出的激光经过第一相移光纤光栅后输出窄线宽激光作为
փ
‑
otdr光纤振动传感系统的输入光源，由第一光纤耦合器的b端口输出的激光经过宽带滤波器后输出宽带激光作为sagnac光纤振动传感系统的输入光源；所述
փ
‑
otdr光纤振动传感系统、sagnac光纤振动传感系统通过使用同一个3
×
3光纤耦合器，同时实现了sagnac光纤振动传感系统的等光程激光干涉和
փ
‑
otdr光纤振动传感系统的3
×
3光纤耦合器相位信号解调；
所述
փ
‑
otdr光纤振动传感系统、sagnac光纤振动传感系统分别将输入的激光通过光路传输后转换为电信号输入至数据采集处理系统进行信号解调，对检测到的高铁接触网故障所引起的不同振动信号的波形进行还原与定位。
7.所述数据采集处理系统包括采集卡和计算机。
8.所述
փ
‑
otdr光纤振动传感系统包括第一相移光纤光栅、声光调制器、信号发生器、光纤放大器、环形器、波分复用器、传感光纤、第二相移光纤光栅、2
×
2光纤耦合器、参考光纤、3
×
3光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三相移光纤光栅、第一光电探测器、第三光纤耦合器、第四相移光纤光栅、第二光电探测器，具体光路结构为：所述
փ
‑
otdr光纤振动传感系统是由通过第一光纤耦合器的c端口的宽带激光进入第一相移光纤光栅，然后进入声光调制器，由声光调制器调制的脉冲激光经过光纤放大器放大后进入环形器的a端口；随后从环形器的c端口输出进入波分复用器；最后从波分复用器的c端口输出的激光经过传感光纤后进入第二相移光纤光栅；同时从环形器的b端口输出的后向瑞利散射光进入2
×
2光纤耦合器的d端口；随后从2
×
2光纤耦合器的c端口和a端口同时发出；2
×
2光纤耦合器的c端口输出的后向瑞利散射光进入参考光纤；通过参考光纤的后向瑞利散射光与2
×
2光纤耦合器的a端口的后向瑞利散射光分别进入3
×
3光纤耦合器的e端口和d端口；然后经过3
×
3光纤耦合器的后向瑞利散射光分成两路，一路后向瑞利散射信号由3
×
3光纤耦合器的a端口进入第二光纤耦合器；通过第二光纤耦合器的后向瑞利散射光从c端口射出进入第三相移光纤光栅；最后通过第一光电探测器将光信号转换为电信号后进入采集卡的c通道；同时另一路后向瑞利散射信号从3
×
3光纤耦合器的b端口进入第三光纤耦合器的a端口；通过第三光纤耦合器的b端口输入第四相移光纤光栅；最后由第二光电探测器将光信号转换为电信号进入采集卡的a端口；采集卡采集到上述两路的光纤传感信号通过计算机进行在线算法解调。
9.所述sagnac光纤振动传感系统包括宽带滤波器、光纤隔离器、3
×
3光纤耦合器、参考光纤、2
×
2光纤耦合器、波分复用器、传感光纤、第二相移光纤光栅、第二光纤耦合器、第四光电探测器、第三光纤耦合器、第三光电探测器，具体光路结构为：所述sagnac光纤振动传感系统是从第一光纤耦合器的b端口输出的宽带激光经过宽带滤波器后经过光纤隔离器进入3
×
3光纤耦合器的c端口；然后分两路输出，由3
×
3光纤耦合器的e端口输出的一路宽带激光进入参考光纤；然后经参考光纤进入2
×
2光纤耦合器的c端口；由3
×
3光纤耦合器d端口输出的另一路宽带激光进入2
×
2光纤耦合器的a端口；然后由2
×
2光纤耦合器（b）端口输出的宽带激光进入波分复用器的b端口与a端口的激光进行融合；然后波分复用器将激光由其c端口输出经传感光纤进入第二相移光纤光栅；经第二相移光纤光栅反射回来的宽带激光通过传感光纤后进入波分复用器的c端口；随后宽带激光由波分复用器的b端口输出进入2
×
2光纤耦合器的b端口；然后由3
×
3光纤耦合器的c端口输出的宽带激光进入参考光纤；然后通过参考光纤的宽带激光进入3
×
3光纤耦合器的e端口；同时由2
×
2耦合器a端口输出的宽带激光进入3
×
3光纤耦合器的d端口；然后由3
×
3光纤耦合器的a端口输出的宽带激光信号进入第二光纤耦合器的a端口；然后通过第二光纤耦合器的b端口输出的宽带激光信号由第四光电探测器转换为电信号进入差分运算电路的b端口；同时由3
×
3光纤耦合器的b端口输出的宽带激光信号进入第三光纤耦合器的a端口；然后通过第三光纤耦合器的c端口输出的宽带激光信号由第三光电探测器转换为电信号进入差分运算电路的a端口；经过差分运算电路的电信号进入采集卡的b通道；最后采集卡采集到的信号由计算机进行sagnac光纤振动传感系统对传感光纤的振动相位的解调。
10.所述超宽带光源产生的激光的带宽为1250
‑
1650nm。
11.所述
փ
‑
otdr光纤振动传感系统的输入激光的带宽为1550nm的窄线宽激光。
12.所述sagnac光纤振动传感系统的输入激光的带宽为1290
‑
1330nm。
13.本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明采用分布式光纤振动传感系统，实现了高铁接触网故障所引起的振动信号的波形还原与定位，从而可解决高铁接触网故障准确检测的难题。
14.本发明采用单一的3
×
3光纤耦合器，同时实现了sagnac干涉型光纤振动传感系统的相等光程激光干涉，以及φ
‑
otdr光纤振动传感系统的3
×
3光纤耦合器相位信号解调，从而通过减少无源器件的使用来降低信号传输中的功率损耗。
15.本发明采用单一的超宽带光源，结合相移光栅的滤波特性实现了不同波段激光的输出，既产生了φ
‑
otdr光纤振动传感系统所需的窄线宽激光，又产生了sagnac干涉型光纤振动传感系统所需的宽带激光，从而简化了系统结构并提升了激光光源的稳定性。
附图说明
16.下面结合附图对本发明做进一步说明：图1为本发明的系统结构示意图；图2为本发明应用在高铁接触网中传感光纤的具体铺设结构示意图；图中：1、超宽带光源；2、第一光纤耦合器；3、第一相移光纤光栅；4、声光调制器； 5、信号发生器；6、光纤放大器；7、环形器；8、波分复用器；9、传感光纤；10、承力索座环；11、承力索；12、第二相移光纤光栅；13、2
×
2光纤耦合器；14、参考光纤；15、3
×
3光纤耦合器；16、第二光纤耦合器；17、第三相移光纤光栅；18、第一光电探测器； 19、第三光纤耦合器；20、第四相移光纤光栅；21、第二光电探测器；22、宽带滤波器； 23、光纤隔离器；24、第三光电探测器；25、第四光电探测器；26、差分运算电路；27、采集卡；28、计算机；29、吊弦；30、导线；31、接触网结构；32、塔杆支柱；33、拉杆。
具体实施方式
17.如图1和图2所示，本发明高铁接触网故障光纤检测装置，其目的在于克服传统的分布式光纤传感系统长距离与宽频率范围信号不可以同时实现检测的问题，利用φ
‑
otdr光纤振动传感系统和sagnac干涉型光纤振动传感系统的融合，以及相移光纤光栅特性实现了多波长的光路设计，同时实现了长距离传感光纤振动定位与相位信息的解调，从而实现对高铁接触网系统的故障信号检测。
18.本发明提供的高铁接触网故障光纤检测装置，包括超宽带光源1、第一光纤耦合器2、第一相移光纤光栅3、声光调制器4、信号发生器5、光纤放大器6、环形器7、波分复用器8、传感光纤9、第二相移光纤光栅12、2
×
2光纤耦合器13、参考光纤14、3
×
3光纤耦合器15、第二光纤耦合器16、第三相移光纤光栅17、第一光电探测器18、第三光纤耦合器19、第四相移光纤光栅20、第二光电探测器21、宽带滤波器22、光纤隔离器23、第三光电探测器24、第四光电探测器25、差分运算电路26、采集卡27、计算机28。
19.其中由第一相移光纤光栅3、声光调制器4、信号发生器5、光纤放大器6、环形器7、波分复用器8、传感光纤9、第二相移光纤光栅12、2
×
2光纤耦合器13、参考光纤14、3
×
3光纤耦合器15、第二光纤耦合器16、第三相移光纤光栅17、第一光电探测器18、第三光纤耦合器19、第四相移光纤光栅20、第二光电探测器21构成φ
‑
otdr光纤振动传感系统。
20.同时由宽带滤波器22、光纤隔离器23、3
×
3光纤耦合器15、参考光纤14、2
×
2光纤耦合器13、波分复用器8、传感光纤9、第二相移光纤光栅12、第二光纤耦合器16、第四光电探测器25、第三光纤耦合器19、第三光电探测器24构成直线型sagnac光纤振动传感系统。图1为高铁接触网故障光纤检测装置的结构示意图，下面结合图1说明本发明的具体实施方式。
21.超宽带光源1输出带宽为1250
‑
1650nm的激光进入第一光纤耦合器2的a端口；然后通过第一光纤耦合器2的c端口的宽带激光进入第一相移光纤光栅3进行线宽筛选，滤出1550nm的窄线宽激光进入声光调制器4，声光调制器4由信号发生器5驱动将1550nm的窄线宽激光调制为脉冲激光；脉冲激光经过光纤放大器6放大后进入环形器7的a端口；随后从环形器7的c端口输出进入波分复用器8的a端口并与进入波分复用器8的b端口的激光进行融合；最后从波分复用器8的c端口输出的激光经过传感光纤9后进入第二相移光纤光栅12滤除1550nm的窄线宽激光，并防止光纤末端产生菲涅尔反射。
22.同时从环形器7的b端口输出的后向瑞利散射光进入2
×
2光纤耦合器13的d端口；随后从2
×
2光纤耦合器13的c端口和a端口同时发出；2
×
2光纤耦合器13的c端口输出的后向瑞利散射光经参考光纤14进入3
×
3光纤耦合器15的e端口； 2
×
2光纤耦合器13的a端口发出的后向瑞利散射光进入3
×
3光纤耦合器15的d端口；两路后向瑞利散射光在3
×
3光纤耦合器15汇合后分两路输出，一路后向瑞利散射光由3
×
3光纤耦合器15的a端口输出进入第二光纤耦合器16的a端口；通过第二光纤耦合器16的后向瑞利散射光从c端口射出经第三相移光纤光栅17滤出1550nm的后向瑞利散射光；最后通过第一光电探测器18将光信号转换为电信号后进入采集卡27的c通道进行信号采集；同时另一路后向瑞利散射光从3
×
3光纤耦合器15的b端口输出进入第三光纤耦合器19的a端口，由第三光纤耦合器19的b端口输出经第四相移光纤光栅20滤出1550nm的后向瑞利散射光；最后由第二光电探测器21将光信号转换为电信号进入采集卡27的a通道。采集卡27将通过其a、c两通道采集到的两路光纤传感信号输入计算机28，通过计算机28进行在线算法解调，实现φ
‑
otdr光纤振动传感系统对振动位置的监测，以及对振动信号的相位还原。
23.同时，从第一光纤耦合器2的b端口输出的宽带激光经过1290
‑
1330nm宽带滤波器22将1290
‑
1330nm的宽带激光滤出用来实现sagnac干涉型光纤振动系统的探测；由宽带滤波器22滤出的宽带激光经过光纤隔离器23进入3
×
3光纤耦合器15的c端口，这里经过光纤隔离器23是为了防止3
×
3光纤耦合器15的c端口反射回来的激光损坏带宽为1250
‑
1650nm的超宽带光源1；然后1290
‑
1330nm宽带激光分两路输出，由3
×
3光纤耦合器15的e端口输出
的一路宽带激光经参考光纤14进入2
×
2光纤耦合器13的c端口；由3
×
3光纤耦合器15的d端口输出的另一路宽带激光进入2
×
2光纤耦合器13的a端口，再由2
×
2光纤耦合器13的b端口输出进入波分复用器8的b端口与进入波分复用器8的a端口的激光进行融合；然后波分复用器8将激光由其c端口输出进入传感光纤9；最后由传感光纤9输出的宽带激光经过第二相移光纤光栅12反射；反射回来的宽带激光通过传感光纤9后进入波分复用器8的c端口；随后宽带激光由波分复用器8的b端口输出进入2
×
2光纤耦合器13的b端口，再由2
×
2光纤耦合器13的c端口输出经参考光纤14进入3
×
3光纤耦合器15的e端口；同时由2
×
2耦合器13的a端口输出的宽带激光进入3
×
3光纤耦合器15的d端口；然后由3
×
3光纤耦合器15的a端口输出的宽带激光信号进入第二光纤耦合器16的a端口；然后通过第二光纤耦合器16的b端口输出的宽带激光信号由第四光电探测器25转换为电信号进入差分运算电路26的b端口；同时由3
×
3光纤耦合器15的b端口输出的宽带激光信号进入第三光纤耦合器19的a端口；然后通过第三光纤耦合器19的c端口输出的宽带激光信号由第三光电探测器24转换为电信号进入差分运算电路26的a端口；两路信号经差分运算电路26去除共模信号并放大差模信号后从差分电路26的c端口输出进入采集卡27的b通道，最后采集卡27将b通道采集到的信号输送至计算机28，由计算机28通过sagnac干涉型光纤振动系统对传感光纤9的振动相位进行解调。
24.高铁接触网是沿铁路线上空架设的电网，是一种特殊形式的输电线路，图2所示为高铁接触网的结构示意图，其中包括承力索座环10、承力索11、导线30、塔杆支柱32、拉杆33和吊弦29。高铁接触网故障主要表现为导线30、承力索11、吊弦29的断裂故障以及导线30因绝缘损坏短路引起的局部放电故障，这些故障发生时会产生明显的振动信号，可通过合理布设传感光纤进行振动检测。由于导线30的功能是为高速列车供电，因此不允许将传感光纤9直接布设在导线30上，所以通过承力索座环10将传感光纤9布设在承力索11上。当导线30、承力索11、吊弦29发生断裂故障或导线30由于短路引起局部放电故障时，承力索11上布设的传感光纤9可以检测到不同的振动信号，通过本发明高铁接触网故障光纤检测装置对检测到的高铁接触网故障所引起的不同振动信号的波形进行还原与定位，从而实现高铁接触网故障的实时检测。
25.本发明是高铁接触网故障光纤检测装置，其目的为了实现对高铁接触网的故障检测，从而保证高速列车的基础供电安全。高铁接触网的故障包括基础构建损坏、安装结构件损坏、接触网导线损坏以及吊弦等辅助构件损坏，以及绝缘器件烧坏而引起的局部放电等，均在一定程度上会产生明显的振动信号。而高铁接触网具有的长距离、强电磁干扰等特点对振动检测技术提出了更高的要求。所以本发明分别通过利用sagnac干涉型光纤振动传感系统还原波形的能力与
փ
‑
otdr光纤振动传感系统对振动信号的准确定位能力，准确获取高铁接触网故障所产生的振动信号位置信息与波形信息。并且通过使用同一个3
×
3光纤耦合器既实现了sagnac干涉型光纤振动传感系统的等光程激光干涉，又实现了
փ
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otdr光纤振动传感系统的3
×
3光纤耦合器相位信号解调，从而通过减少无源器件的使用来降低信号传输中的功率损耗。同时利用相移光栅的特性，将单一超宽带光源生成不同波段的激光，既产生了
փ
‑
otdr光纤振动传感系统所需的窄线宽激光，又产生了sagnac干涉型光纤振动传感系统所需的宽带激光，从而简化了系统结构并提升了激光光源的稳定性。并且本发明提供了基于高铁接触网的传感光纤的布设方案，在不影响高速列车供电行驶的前提下，准确实时地检测高铁接触网的状态。
26.关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
27.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。