本技术涉及光纤传感，特别地，涉及一种分布式光纤传感阵列、测量系统及方法。
背景技术：
1、分布式电流测量是一种利用分布式传感器网络来监测电流分布和变化的技术，广泛应用于电力系统、电解工业和能源管理领域。在电力系统领域，分布式电流测量可以用于实时监测电网中的电流分布；通过实时监测电流数据，帮助电力公司优化电网运行，及时发现电网中的电流异常，提前预警和处理潜在的故障和问题，提高供电可靠性和安全性。在冶金工业领域，分布式电流测量可以帮助冶金生产厂家实时监测电解过程动态变化；通过对电解槽阴极电流、阳极电流以及系列电流等数据的精准监测和分析，发现、定位电解过程中的故障和问题，及时调整生产参数，提高生产质量和生产效率，并优化能源利用，节能减排。在能源管理领域，分布式电流测量可用于监测和管理分布式能源发电系统，如太阳能和风能发电系统；通过准确测量电流分布，了解新能源系统的稳定性和性能，优化发电效率，适应大规模新能源组网。
2、对于分布电流的测量，传统的电流测量装置，如罗氏线圈电流测量装置、霍尔电流传感器、分流器等，难以克服电磁干扰、绝缘等技术缺陷，即使采取相应的保护措施，不仅严重增加了装置的重量和体积，而且在测量分布电流时，随着测点的增加造成系统成本骤增。
技术实现思路
1、本技术要解决的技术问题是现有技术中分布电流测量方案或者难以克服电磁干扰、绝缘等技术缺陷，或者装置过重或过大，且成本高的问题。
2、为解决上述问题，第一方面，本技术技术方案提供一种分布式光纤传感阵列，包括多个光纤电流传感单元且多个所述光纤电流传感单元在同一条光路上级联，每一所述光纤电流传感单元接收来自光电采集单元发出的光信号并将携带待测电流信息的干涉光信号发送至所述光电采集单元；
3、所述光纤电流传感单元包括保偏延时光纤、保偏光纤耦合器和光纤传感环，所述光纤传感环包括1/4光纤波片、传感光纤和反射镜，所述光纤传感环设置于测点的周围，感应所述测点中传输的待测电流；光纤电流传感单元接收所述光电采集单元发出的光信号后，经过所述保偏延时光纤，由所述保偏光纤耦合器将一部分光信号送至同一单元内的所述光纤传感环，将另一部分光信号送至下一光纤电流传感单元后依次经过多个光纤电流传感单元；
4、每一所述光纤电流传感单元中，所述待测电流作用于所述光纤传感环传输的光信号形成法拉第相位差后，所述光纤传感环内的光信号携带待测电流信息，经反射镜反射后沿原路返回，产生的法拉第相位差加倍；再次经过所述光电采集单元对携带有待测电流信息的光信号调制并检偏形成干涉光信号；所述干涉光信号在所述光电采集单元中转化为电信号后传输至信号处理单元，供所述信号处理单元进行信号采样和数值解调计算得到所述待测电流。
5、一些方案中所述的分布式光纤传感阵列，在所述光纤电流传感单元中：
6、所述保偏延时光纤为保线偏振光纤或保线偏振光缆，所述保偏延时光纤和所述保偏光纤耦合器采用0°对轴熔接；
7、所述1/4光纤波片为保线偏振光纤，其长度为保线偏振光纤拍长的1/4或3/4，所述1/4光纤波片和所述保偏光纤耦合器的输出尾纤采用45°对轴熔接；
8、所述传感光纤为保圆偏振光纤、光子晶体光纤、低双折射光纤或单模光纤。
9、一些方案中所述的分布式光纤传感阵列，在所述光纤电流传感单元中：
10、若所述光纤电流传感单元为最后一个光纤电流传感单元，所述保偏延时光纤和所述1/4光纤波片采用45°对轴熔接。
11、一些方案中所述的分布式光纤传感阵列，在每一所述光纤电流传感单元中：
12、根据所述测点之间的距离确定：所述保偏延时光纤为保线偏振光纤并与所述保偏光纤耦合器封装，或者所述保偏延时光纤为保线偏振光缆铺设。
13、一些方案中所述的分布式光纤传感阵列，在每一所述光纤电流传感单元中：
14、光纤电流传感单元形成的光纤回路长度是前一光纤电流传感单元形成的光纤回路长度的二倍。
15、一些方案中所述的分布式光纤传感阵列，在每一所述光纤电流传感单元中：
16、每一所述保偏光纤耦合器的分光比不完全相同。
17、一些方案中所述的分布式光纤传感阵列，在每一所述光纤电流传感单元中：所述光纤传感环的绕制匝数根据所述待测电流的大小调整设置。
18、第二方面，本技术技术方案提供一种测量系统，包括第一方面任一项所述的分布式光纤传感阵列，还包括光电采集单元、信号处理单元、分布式传感阵列和数据显示单元，其中：
19、所述光电采集单元包括光收发组件、起偏器和相位调制器，所述光收发组件包括光源、探测器和耦合器；
20、所述信号处理单元包括驱动电路、调制电路和采样解调电路；所述光收发组件在所述驱动电路的作用下由所述光源产生和所述探测器接收光信号，并经由所述耦合器传输，经所述起偏器对光信号进行起偏后输出至所述相位调制器，所述相位调制器在所述调制电路的作用下对输入的光信号进行相位调制后输出至所述分布式光纤传感阵列；
21、所述数据显示单元接收所述采样解调电路输出的待测电流并显示。
22、第三方面，本技术技术方案提供一种利用第二方面所述测量系统的测量方法，包括：
23、s110：获取所述分布式光纤电流测量系统中探测器接收到的第i个光纤电流传感单元返回的干涉光信号的光率pouti，所述分布式光纤电流测量系统中的光纤电流传感单元个数为m个，i＝1，2，3，…m；
24、
25、αi＝a/100；
26、
27、其中，п运算符号表示连续多个数据相乘，pin表示光源输出的光信号功率，αi和αj分别表示第i个和第j个光纤电流传感单元中保偏光纤耦合器的分光比引入的传输至同一单元内的光纤传感环的损耗系数；a表示保偏光纤耦合器的分光比；表示调制信号中由方波偏置调制信号产生的偏置调制相位，表示由阶梯波反馈调制信号产生的反馈调制相位；表示第i个光纤传感环中形成的法拉第相位差；ni为第i个传感光纤环的绕制匝数，ii为第i个传感光纤环对应测点的待测电流值，v为传感光纤的verdet常数；
28、s120：根据时分复用工作机制，设阶梯波的反馈调制周期为ti，在反馈调制周期的前一周期ti+内，由前1～i个光纤电流传感单元返回的干涉光信号具有完整周期，采样叠加前1～i个光纤电流传感单元返回的干涉光信号，得到pouti+为：
29、
30、在反馈调制周期的后一周期ti-内，由前1～i个光纤电流传感单元返回的干涉光信号同样具有完整周期，采样叠加前1～i个光纤电流传感单元返回的干涉光信号，得到pouti-为：
31、
32、其中，调制信号中阶梯波反馈调制周期ti通过如下方式确定：ti＝2nli/c，其中c为真空中的光速，n为光纤的有效折射率；li为第i个光纤电流传感单元形成的光纤回路的长度；第一个光纤电流传感单元形成的光纤回路的长度：l1＝ld1+ls1，调制信号中方波偏置调制周期为2t1，即4nl1/c；
33、s130：在任意时刻t，对所述探测器接收到的干涉光信号进行分时段ti+和ti-解调，分别得到每一光纤电流传感单元的pouti+和pouti-，根据δpi＝(pouti+-pouti-)解调计算得到待测电流ii(t)。
34、第四方面，本技术技术方案提供一种测量系统，包括多波段光电采集单元、多通道信号处理单元、第一方面任一项所述的分布式光纤传感阵列组成的传感矩阵和数据显示单元；其中：
35、所述多波段光电采集单元包括多个不同波段的光收发组件、第一波分复用器、起偏器、相位调制器和第二波分复用器，第一波分复用器、第二波分复用器、起偏器和相位调制器的光信号工作波段覆盖所有光收发组件输出的不同波段光信号；
36、所述多通道信号处理单元包括多通道驱动电路、多通道采样解调电路和调制电路；
37、所述传感矩阵包括多个分布式光纤传感阵列，每一分布式光纤传感阵列的光信号工作波段应至少覆盖对应不同光收发组件的光信号波段；
38、多个所述光收发组件在所述多通道驱动电路的作用下产生和接收不同波段的光信号，不同波段的光信号经所述第一波分复用器输出至所述起偏器进行起偏，然后进入所述相位调制器在所述调制电路的作用下进行相位调制，再经所述第二波分复用器输出至所述传感矩阵中对应波段的每一分布式光纤传感阵列，由每一光纤电流传感单元感应各测点的待测电流信息；基于光路可逆原则，返回的干涉光信号由对应波段的光收发组件转化为电信号，并经多通道采样解调电路进行信号采样和数值解调，计算得到特定波段的传感矩阵中各测点的待测电流；将待测电流输出至所述数据显示单元进行显示。
39、第五方面，本技术技术方案提供一种利用第四方面所述测量系统的测量方法，包括：
40、s210：对于p个光信号波段的光收发组件和分布式光纤传感阵列，每一光收发组件以及对应分布式光纤传感阵列中传输光信号波段的平均波长为k＝1，2，3，…，p；以工作波段光信号形成闭环系统，其中mid∈[1，2，3，…，p]；
41、s220：对于光信号波段的电流测量，利用时分复用的工作机制，解调计算得到此波段分布式光纤传感阵列各测点的待测电流值对于其它光信号波段的电流测量，其中k≠mid，对应光收发组件中探测器接收到的每一光纤电流传感单元返回的干涉光信号的功率为：
42、
43、s230：根据特定光信号波段的阶梯波反馈周期对应其它光信号波段分别在前一周期和后一周期内采样后叠加得到和
44、s240：根据解调计算得到其它光信号波段对应分布式光纤传感阵列的待测电流
45、第六方面，本技术提供一种测量系统，包括多通道光电采集单元、信号处理控制单元、第一方面任一项所述的分布式光纤传感阵列组成的光纤传感矩阵和数据显示单元，所述传感矩阵中的每一分布式光纤传感阵列的光信号工作波段和光收发组件的光信号波段一致；其中：
46、所述多通道光电采集单元包括光收发组件、起偏器、相位调制器和多通道光开关，所述光收发组件包括光源、探测器和耦合器；
47、所述信号处理控制单元包括控制电路、驱动电路、采样解调电路和调制电路；所述控制电路用于控制所述多通道光开关的通道切换，实现与每一所述分布式光纤传感阵列的光路通断和定位，并将定位信号上传至所述采样解调电路，通过调制解调计算得到分布式光纤传感阵列中各测点的待测电流。
48、第七方面，本技术技术方案提供一种利用第六方面所述测量系统的测量方法，包括：
49、s310：对于q个通道的多通道光开关和分布式光纤传感阵列，每一通道中阶梯波反馈调制周期为tgi＝2nlgi/c，g＝1，2，3，…，q；
50、s320：控制电路控制多通道光开关与第g通道分布式光纤传感阵列接通，分别在反馈调制周期的前一周期tgi+和后一周期tgi-内采样叠加后得到poutgi+和poutgi-；
51、s330：对探测器接收到的干涉光信号进行分时段tgi+和tgi-解调，根据δpgi＝(poutgi+-poutgi-)解调计算得到待测电流igi(t)。
52、采用上述技术方案，具有以下有益效果：
53、本技术提供的方案中，在同一条光路上级联多个光纤电流传感单元形成分布式光纤传感阵列，针对每一个光纤电流传感单元利用时分复用工作机制，通过采用全数字闭环调制解调方法计算得到各测点的分布电流，解决了分布电流的测量问题，特别是复杂电磁环境中的大电流测量难题。而以分布式光纤传感阵列为基础的基于波分复用和基于空分复用的矩阵式光纤电流测量系统及方法，进一步提升了光纤电流传感网络的容量，大幅度降低了分布电流的系统测量成本。
1.一种分布式光纤传感阵列，其特征在于，包括多个光纤电流传感单元且多个所述光纤电流传感单元在同一条光路上级联，每一所述光纤电流传感单元接收来自光电采集单元发出的光信号并将携带待测电流信息的干涉光信号发送至所述光电采集单元；
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感阵列，其特征在于，在所述光纤电流传感单元中：
3.根据权利要求1所述的分布式光纤传感阵列，其特征在于，在所述光纤电流传感单元中：
4.根据权利要求1所述的分布式光纤传感阵列，其特征在于，在每一所述光纤电流传感单元中：
5.根据权利要求4所述的分布式光纤传感阵列，其特征在于，在每一所述光纤电流传感单元中：
6.根据权利要求4所述的分布式光纤传感阵列，其特征在于，在每一所述光纤电流传感单元中：
7.根据权利要求4所述的分布式光纤传感阵列，其特征在于，在每一所述光纤电流传感单元中：
8.一种测量系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的分布式光纤传感阵列，还包括光电采集单元、信号处理单元、分布式传感阵列和数据显示单元，其中：
9.一种利用权利要求8所述测量系统的测量方法，其特征在于，包括：
10.一种测量系统，其特征在于，包括多波段光电采集单元、多通道信号处理单元、权利要求1-7任一项所述的分布式光纤传感阵列组成的传感矩阵和数据显示单元；其中：
11.一种利用权利要求10所述测量系统的测量方法，其特征在于，包括：
12.一种测量系统，其特征在于，包括多通道光电采集单元、信号处理控制单元、权利要求1-7任一项所述的分布式光纤传感阵列组成的光纤传感矩阵和数据显示单元，所述传感矩阵中的每一分布式光纤传感阵列的光信号工作波段和光收发组件的光信号波段一致；其中：
13.一种利用权利要求12所述测量系统的测量方法，其特征在于，包括：
