1、引言

随着全球汽车产业升级发展，新能源汽车已经成为未来汽车绿色发展的主要方向。截至2023年年底，我国新能源汽车保有量已达2041万辆[1]。随着新能源汽车数量的激增，东部地区在用电高峰期电力缺口逐渐增大。得益于“西电东送”特高压工程的开展[2,3]，东部地区的用电紧张得到了极大缓解。考虑到我国幅员辽阔，“西电东送”事业横跨区域广，地形地貌复杂，且会经过自然灾害多发带等问题，这对输电杆塔电力传输能力的稳定性与可靠性提出了越来越高的挑战。因此，如何对广袤面积上的输电杆塔进行实时维护，并及时发现杆塔倾斜及形变等问题成了电力建设上的关键难题[4-6]。

在传统电力维护中，电力杆塔的故障与检修通过人力巡检实现。但随着电力事业的发展，传统检修方式已经不能满足广袤地区的杆塔运维的需要。在此背景下，许多自动化杆塔倾斜监测装置应运而生。如利用陀螺仪加速度传感器对杆塔倾斜角进行测量[7]，但是这种方法属于电子传感器，在实际使用中无法消除电磁干扰的影响。为了抑制电磁干扰的影响，研究者们提出了基于卫星定位的杆塔倾斜监测系统[8,9]。具体而言，在塔身不同部位安装北斗传感，系统使用GPS或其他卫星定位技术来获取输电杆塔的准确位置信息，从而实时监测杆塔的工作形态。但北斗定位精度仅为厘米量级，特别是在复杂地形或城市环境中，可能会出现信号遮挡或多径效应，导致GPS定位精度下降，从而影响监测结果的准确性。近年来，利用光电融合技术的杆塔倾斜角监测逐渐成为研究热点[10,11]。其中典型的是采用光纤光栅作为传感介质[12,13]，其具有精度高、抗电磁干扰能力强等优点。但是安装过程较为复杂，并且长时间工作时传感器稳定性较差，不便于大批量生产。综上所述，充分发挥光子技术大带宽、低损耗、抗电磁干扰能力强的优势，提出高精度的杆塔倾斜角实时监测系统是一个非常值得研究的领域。

本文提出了一种基于光电振荡器（Optoelectronic Oscillators,OEO）的高精度自校准杆塔倾斜角监测系统，利用机械结构将杆塔倾斜角分解为顺线方向和横向方向，并通过光电振荡器测量每个方向上传感光纤的长度变化，从而获得当前方向上的倾斜角，最终得到杆塔的实际倾斜角。该方案可以在使用过程中对测量装置进行自主校准，从而保证在长期测量时的精度与灵敏度。

2、监测系统基本原理

2.1机械结构设计与倾斜角获取

在本方案中，利用机械结构进行两个正交方向（X和Y）的传感光纤长度变化测量，进而求出杆塔沿X和Y方向上的倾斜角，机械结构原理图如图1(a）所示。

图1 机械结构设计原理图

在该结构中，有两根在同一平面上相互垂直且固定的悬杆Lx与Ly，固定在杆塔塔身，与杆塔的倾斜变化保持一致。设Lx与Ly分别指向平面XOY的X与Y方向。在Lx与Ly连接处悬挂重锤，且重锤始终保持竖直向下。在Lx与Ly方向上分别粘贴相等长度的传感光纤，初始时刻夹角为45°，具体效果如图1(b）所示。当杆塔发生倾斜时，平面XOY将发生倾斜，从而引起悬杆Lx、Ly与竖直方向之间的夹角发生变化。

建立本系统的实时监测数学模型，如图2所示。将杆塔的地基点定义为点O，杆塔倾斜前后塔顶位置分别为点P和P'，杆塔高度为h，设杆塔的倾斜角度为θ。根据三维坐标系的关系，顺线方向X和横向方向Y的倾斜角度分别为α和β，且PP'与EP'夹角为γ。

图2 杆塔倾斜时的三维示意图

图3 杆塔倾斜侧视图

因为|OP|=|OP'|=h，利用等腰三角形性质可得：

根据P'E⊥OP，利用三角形内角和公式可得θ=2γ，其中角γ为线段PP′与线段EP′的夹角，在三角形ΔOQP'中，有如下关系式：

根据式（2）得到：

同理，对XOZ平面与YOZ做投影，在直角三角形ΔPDE、ΔPEF、ΔPEP'中，利用三角关系可得：

根据勾股定理，在三角形ΔDEP'中，DE2+EF2=P'E2，带入式（4）可得：

将式（5）进一步化简，得到：

因此，根据式（6）可知，当顺线方向与横向的倾斜角度α和β为已知参量时，即可得到当前杆塔的倾斜角θ。接下来，将分析如何获得α和β。

以β为例，当杆塔发生倾斜时，Y方向上的传感光纤长度变化可以表示为

因此，杆塔倾斜前后与Y轴之间夹角为

利用三角形内角和公式可得到杆塔在横向方向的倾斜角β:

同理可得，杆塔在顺线方向的倾斜角α为

再将得到的倾斜角带入式（6）中，即可得杆塔的倾斜角θ。基于此，根据传感光纤在X、Y方向上的长度变化即可获得当前杆塔的倾斜角度。

2.2光纤长度变化的光学测量

OEO具有高谱纯度、低相位噪声的特性[14,15]，并且利用其累计放大效应可以将微弱的长度变化转化为高灵敏度的频率探测。OEO的基本测量原理是将待测变化长度作为OEO腔长的一部分，在高阶振荡条件下时，利用其振荡频率和腔长的对应关系，通过监测振荡频率变化来获得其腔长的变化信息。根据OEO的起振原理，基频fb与OEO腔长L的关系为[16]

其中，c为真空中的光速，n为有效折射率，fb表示OEO谐振腔的基频。本文利用OEO的累计放大效应。具体而言，测量OEO的高频振荡频率fm，且fm与fb满足如下关系式：

其中，N为OEO高阶振荡模式数，为整数。将式（12）代入式（11），得到：

根据式（13）可知，若N和fm为已知参量，即可获得OEO的腔长。在OEO谐振腔中，由于电带通滤波器的带宽有限，并不能完全实现单模振荡。尽管如此，其模式间隔（Free Spectral Range,FSR）的数值大小可以看成是OEO的基频fb。因此，通过采集OEO系统输出的频域信息，即可获得fm与fb，从而得到N，然后根据式（13）得到OEO的初始腔长。

接下来，将以OEO的腔长为已知参量，理论推导获取传感光纤的长度变化量。当OEO谐振腔的腔长变化ΔL，对应振荡频率的变化Δfm表示为

式中，f′m和f′b分别表示OEO谐振腔腔长变化后的振荡频率和基频。为获取腔长变化量ΔL，将式（13）除以式（14），得到：

根据式（15）可知，在OEO腔长L已知的条件下，若实验测得传感光纤长度变化前后的Δfm和f′m，那么将得到OEO腔长的变化量ΔL。

综上所述，本方案的测量原理可以总结为：首先基于重锤结构建立传感光纤长度变化量与杆塔倾斜角之间的数学模型。其次，利用OEO累计放大的特性，实时监测OEO输出的振荡频率。当腔长为已知参量时，结合式（15）可获得OEO的腔长变化量，即传感光纤的长度变化量。随后利用式（9）、式（10）获得顺线方向与横向的倾斜角度α和β。最后，利用式（6）得到待测杆塔倾斜角。在该方案中，无需对OEO腔长进行稳定控制，通过磁光开关的快速来消除环境的干扰，实现系统倾斜角监测的自校准。

3、监测系统方案设计

基于OEO的高精度杆塔倾斜监测系统如图4所示。该系统分为两个部分，感应光纤长度传感模块和数据处理模块。

图4 基于OEO的输电杆塔倾斜角监测系统原理图

在感应光纤长度传感模块中，激光输出波长为1 550 nm，作为系统的光载波。该光载波经强度调制器调制后进入磁光开关，完成光路的快速切换。此时强度调制器件工作在线性工作点，以满足OEO起振条件。磁光开关作为系统的关键器件，将光场快速切换至X/Y方向，在这两个方向上的光纤为单模光纤。且磁光开关的切换周期为20 ms，在这个过程中，关于环境的扰动，例如温度的影响，将在快速切换过程中被消除，完成系统的自校准。换而言之，除待测感应光纤长度变化外，环境的扰动不会对监测结果产生影响。随后X/Y方向的光场经过光耦合器合成一路。掺铒光纤放大器用于提高OEO环路的光功率增益。光电探测器将光信号转换为电信号。带通滤波器用于选择OEO谐振腔的起振频率。最后该电微波信号经过电放大器放大后反馈回强度调制器。当OEO光电环路的增益大于损耗时，系统将完成光电反馈环路的建立，输出稳定、低相位噪声以及高谱纯度的微波信号。

在信号处理模块中，OEO环路输出的微波信号经过功分器分为两路，其中一路进入电谱仪观察其频谱特征，另一路作为混频器的射频（Radio Frequency,RF）信号。与此同时，微波源输出的微波信号作为本振（Local Oscillator,LO）信号。混频器的作用是将高频信号转换为低频信号，提高频率的测量精度。混频后的信号包含和频信号和差频信号，低通滤波器用于滤除和频信号。随后该差频信号进入电放大器进行功率放大。分频器的作用是对信号做进一步降频处理，然后经比较器将模拟信号转换为数字信号。最后，利用FPGA实时采集系统输出的频率信息，从而完成对杆塔倾斜角的实时监测。在杆塔倾斜角监测系统中，OEO振荡频率为10 GHz，混频器本振信号输入为9.95 GHz，经过混频后选择50 MHz附近的差频信号经过分频比为32的分频器后进入FPGA完成对频率的实时采集。当前方案中使用的FPGA工作时钟为100 MHz，理论上可实现对分频后信号精度为24 k Hz的频率变化采集，代入式（15）可得，FPGA采集系统理论上可以实现对光纤长度变化微米级的测量。

4、实验及结果分析

4.1获取OEO腔长

在OEO模块实验中，强度调制器的带宽为20 GHz，电带通滤波器的中心频率为10 GHz,3d B带宽为10 MHz。当OEO环路稳定振荡时，电谱仪采集到的频域信息如图5所示。由图5可以看出，高频振荡的频率值为10.024 GHz。谱线细节图如图6所示，FSR为3.7 MHz。将这两个数值代入式（12）和（13），得到OEO的腔长为81.081 m。

图5 OEO振荡输出微波信号的电谱图

图6 OEO振荡输出微波信号细节图

4.2系统精度与分辨率

为了验证本系统的测量精度，保持重锤静止不动。因为X和Y方向上的精度理论上保持一致，在这里以X方向为例，首先将磁光开关设置到X方向感应光纤一端，验证系统对X方向感应光纤长度变化的测量精度。系统在10 min内采集到的振荡频率值如图7所示，其中心频率为10.024 GHz,3 d B带宽内频率飘逸范围为552Hz。随后代入式（15），得到本系统的长度测量精度为4.5μm。最后利用式（10），得到系统角度测量精度低至0.011′。

图7 长时间的频率漂移图

对于OEO系统，其分辨率是指系统能够响应的感应光纤的最小变化量。在本方案中，分辨率取决于OEO系统输出的振荡信号的线宽。利用相位噪声分析仪测量了OEO谐振腔输出微波信号的相位噪声曲线，如图8所示。在频偏1.481 Hz处的相位噪声值为-3 d Bc/Hz。根据式（15），得到系统对感应光纤长度变化的测量分辨率为12 nm，代入式（6），得到杆塔倾斜角监测的分辨率，经计算低至0.003 6″。

图8 OEO系统输出的10.124 GHz信号的单边带相位噪声图

4.3系统测量能力验证

在实验中，步进电机以1°为步进旋转杆塔模型，从1°逐渐增加到10°，并在此过程中连续采集系统振荡频率，进而获取角度测量值，并与实际旋转值做对比，实验结果如图9所示。在步进电机移动过程中，系统较好地测量出了步进电机移动距离，且与实际相吻合。此外，FPGA对每一组角度值的在线处理时间低至50 ms。

图9 重锤倾斜过程中系统测量结果图

4.4杆塔倾斜验证实验

在实验中，为实际检验当前倾斜监测装置对杆塔倾斜的测量效果，我们将倾斜监测机械结构放置于杆塔模型上，从而实现对杆塔倾斜监测的效果模拟，实物图如图10所示。

图1 0 重锤悬挂场景图

当前系统设计为检测在10°以内的倾斜角。为防止测量过程中光纤拉伸长度过长从而导致光纤拽断等意外情况的发生，将感应光纤粘贴在X/Y悬杆与垂直杆的1 cm处，由此可计算得到光纤最大拉伸长度为4 mm。在杆塔模型底部放置高精度俯仰调整台来控制杆塔模型的倾斜，此外，通过感应光纤接入光电振荡器系统进行倾斜角的实时监测，并与俯仰调整台调整结果进行对比，得出实验结果如图11所示。

图1 1 杆塔倾斜角度测量结果图

从图11可以看出，在转台调整过程中，本倾斜检测装置能较好地获取当前杆塔在顺线方向与横向的倾斜角度，且精度高，系统工作稳定。

5、结论

本文提出了一种基于光电振荡器的高精度杆塔倾斜检测方案，该方案利用光电振荡器累积放大的原理对倾斜传感装置上的感应光纤长度变化进行高精度测量，从而得到当前杆塔的倾斜角度值。实验结果表明，系统测量范围达到10°，倾斜角监测精度达到0.011′，分辨率低至0.003 6″，系统实时处理响应时间为50 ms。该方案具有结构简单，安装方便，且长时间使用可以灵活自校准的特性，未来有望于在特种装备研制领域获得广泛应用。

参考文献:

[1]王凯.一张“绿网”为新能源车“充电”[N].经济参考报,2024-07-01(007).

[2]苏南.统筹推进“西电东送”与“西电西用”[N].中国能源报,2024-06-24(003).

[3]莫非.积极服务国家区域协调发展战略[N].中国电力报,2024-06-26(001).

[4]王雪涛,陈东升.输电线路杆塔监测系统设计[J].科技与创新,2024,(9):89-94.

[5]张祺伟.智慧杆塔倾斜监控技术的应用[J].无线互联科技,2024,21(4):71-73.

[6]寇汉鹏,宁昭军,陈学峰,等.基于弱反射光纤光栅的OPGW杆塔倾斜监测阵列[J].光学与光电技术,2024,22(1):46-51.

[7]黄秀超,钟建伟,张建业,等.基于ZigBee技术的输电杆塔倾斜在线监测系统设计[J].现代电子技术,2019,42(5):95-99.

[8]金福铭,段意,刘智慧,等.北斗在电力杆塔沉降监测系统中的应用[J].全球定位系统,2024,49(1):54-59.

[9]彭峰,邹永刚,刘宇.基于北斗与多维监测的输电杆塔倾斜分析系统[J].中国宽带,2023,19(6):150-152.

[10]周彬,何林,陈冬云.三维激光扫描在输电铁塔变形观测中的应用[J].电视技术,2023,47(5):203-206.

[11]朱悦林,朱贵池,王宁,等.基于弱光纤光栅阵列的变电站超长GIS设备沉降监测研究[J/OL].激光与光电子学进展,2024,1-12[2024-07-02].

[12]陈剑,郭永兴,朱方东,等.用于输电铁塔的光纤布拉格光栅倾斜传感器[J].激光与光电子学进展,2019,56(8):85-90.

[13]解鹏,董继军,郭学让,等.基于光纤光栅的OPGW输电杆塔多参数监测[J].光学与光电技术,2023,21(4):107-111.

[14]黄梓骏,马蕊,蔡鑫伦.光电振荡器:从分立到薄膜铌酸锂光集成(特邀)[J].激光与光电子学进展,2024,61(11):18-33.

文章来源:蔡冰冰,汪翔,胡晨,等.基于光电振荡器的高精度输电杆塔倾斜角监测系统[J].光学与光电技术,2024,22(06):68-75.