基于啁啾脉冲的φ-OTDR超声检测方法研究

作     者：郭陟峰 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：李成榕

授予年度：2022年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：分布式 光时域反射 啁啾脉冲 超声 海底电缆 

摘      要：海底电缆作为连接海陆电能的重要电力装备,对海上风电的稳定运行至关重要,然而海底电缆敷设条件的特殊性导致对其故障的测量定位很困难。而分布式光纤检测系统作为可以借助海底电缆内部复合的通信光纤进行检测,具有独特的优势。为了能够在不影响电缆运行的同时实现通过分布式光纤传感实现对电缆局放缺陷的测量定位,需要在分布式光纤传感中实现更低的检测下限,本文提出了基于啁啾脉冲的相位敏感型光时域反射技术（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry,φ-OTDR）的超声检测方法。首先,研究了φ-OTDR技术的基本原理,对比了不同解调方式的φ-OTDR技术的优势与劣势,分析了测量超声信号的限制因素,进一步研究了基于啁啾脉冲的φ-OTDR的测量原理与解调方法,掌握了基于啁啾脉冲的φ-OTDR技术（CP-ΦOTDR）。然后,本文研究了现有的电力装备声场仿真,针对海底电缆中的局放超声信号径向传播初期过程,进行了详细的仿真研究。通过建立海底电缆全尺寸切片模型,利用时域仿真获得了局放超声信号在各层材料间折反射并逐渐向外释放的传播特性,并建立了局部放电能量与外层光纤单元中接收到的纤芯应变之间的衰减关系。对比三种放电缺陷的局放超声信号在海底电缆的径向传播特性,为利用海底电缆中分布式光纤传感检测局放超声信号提供了理论指导。最后,本文搭建了基于CP-ΦOTDR原理的分布式超声检测光路拓扑,研究了线性啁啾脉冲的测量与标定,获得了适用于超声检测的啁啾速率、脉冲宽度等相关参数。然后进行了 PZT振动下的短距离实验和超声检测试验,分析CP-ΦOTDR系统的信号特征并证明了其分布式超声检测的能力。通过研究CP-ΦOTDR系统的解调算法和局放超声信号的特点,提出了对灵敏度、检测范围等多种指标以及定位原理的改进方案,证明了该系统具有直接利用海底电缆复合光纤进行分布式故障定位的潜力。