RU2516346C1 - Apparatus for monitoring vibroacoustic characteristics of extended object - Google Patents

Apparatus for monitoring vibroacoustic characteristics of extended object Download PDF

Info

Publication number
RU2516346C1
RU2516346C1 RU2012153403/28A RU2012153403A RU2516346C1 RU 2516346 C1 RU2516346 C1 RU 2516346C1 RU 2012153403/28 A RU2012153403/28 A RU 2012153403/28A RU 2012153403 A RU2012153403 A RU 2012153403A RU 2516346 C1 RU2516346 C1 RU 2516346C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
radiation
laser
band
scattered
Prior art date
Application number
RU2012153403/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Николаевич Трещиков
Евгений Тарасович Нестеров
Олег Евгеньевич Наний
Владимир Николаевич Листвин
Денис Игоревич Грознов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Т8" (ООО "Т8")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Т8" (ООО "Т8") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Т8" (ООО "Т8")
Priority to RU2012153403/28A priority Critical patent/RU2516346C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2516346C1 publication Critical patent/RU2516346C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: apparatus for monitoring vibroacoustic characteristics of an extended object comprises a continuous semiconductor laser, an optical modulator designed to generate a periodic sequence of rectangular pulses with duration in the range of 50-500 ns and repetition frequency of 0.2-50 kHz, a sensitive element in form of a fibre-optic cable, a unit for inputting optical radiation into the sensitive element and outputting scattered radiation, a photodetector designed to convert scattered optical radiation into an electrical signal, and a signal processing unit with a processor, wherein the continuous semiconductor laser is equipped with a Bragg selective reflector capable of reducing the bandwidth of the continuous radiation of the laser to less than 100 kHz, and the optical modulator is in form of an acoustooptical modulator on a travelling acoustic wave, configured to generate a periodic sequence of rectangular pulses with extinction coefficient K≥10CHlg(TCHf), where T is pulse duration and f is repetition frequency.
EFFECT: longer range, higher sensitivity and resolution of the apparatus.
9 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к устройствам для мониторинга виброакустических характеристик протяженных объектов, предназначенных для обнаружения механических работ или движения людей и механизмов вблизи чувствительного элемента устройства. Заявленное устройство может быть использовано для мониторинга и охраны протяженных объектов, например периметров и коммуникаций, в частности для мониторинга состояния транспортных трубопроводов, магистральных волоконных кабелей от повреждений при проведении работ вблизи кабеля, защиты периметров специальных объектов.The invention relates to the field of distributed measurements, namely, devices for monitoring the vibro-acoustic characteristics of extended objects, designed to detect mechanical work or movement of people and mechanisms near the sensitive element of the device. The claimed device can be used to monitor and protect extended objects, such as perimeters and communications, in particular to monitor the condition of transport pipelines, trunk fiber cables from damage during work near the cable, to protect the perimeters of special objects.

Известна диагностическая система, предназначенная для отслеживания изменения статических деформаций и измерения динамических деформаций. Система включает перестраиваемый узкополосный источник светового излучения, светопроводящее волокно, отражательные датчики, например, типа решеток Брегга, расположенные по длине волокна, и контур обработки сигнала. Система может применяться также по схеме Фабри-Перо (патент РФ №2141102). Система обеспечивает высокую чувствительность к деформациям, но является очень сложной и обладает малой пространственной разрешающей способностью.A known diagnostic system designed to track changes in static strains and measure dynamic strains. The system includes a tunable narrow-band light source, a light guide fiber, reflective sensors, such as Bragg gratings located along the length of the fiber, and a signal processing loop. The system can also be used according to the Fabry-Perot scheme (RF patent No. 2141102). The system provides high sensitivity to deformations, but it is very complex and has a low spatial resolution.

Известно устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее узкополосный импульсный источник оптического излучения в виде волоконного лазера с модуляцией добротности, чувствительный элемент в виде оптического волокна, расположенного продольно внутри или снаружи протяженного объекта, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник и узел обработки сигнала с процессором (патент РФ №2271446). Недостатком известного устройства является наличие случайных вариаций несущей частоты тестирующих оптических импульсов, вводимых в волокно, связанных с импульсным режимом работы лазера и чувствительностью волоконного лазера к техническим шумам. Это ограничивает дальность действия, чувствительность и разрешающую способность устройства, а также затрудняет его использование в полевых условиях.A device is known for monitoring the vibro-acoustic characteristics of an extended object, comprising a narrow-band pulsed optical radiation source in the form of a Q-switched fiber laser, a sensitive element in the form of an optical fiber located longitudinally inside or outside an extended object, an optical radiation input unit into the sensitive element, a photodetector, and a processing unit signal with a processor (RF patent No. 2271446). A disadvantage of the known device is the presence of random variations in the carrier frequency of the testing optical pulses injected into the fiber, associated with the pulsed laser mode and the sensitivity of the fiber laser to technical noise. This limits the range, sensitivity and resolution of the device, and also complicates its use in the field.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее узкополосный импульсный источник оптического излучения в виде полупроводникового лазера и оптического модулятора, чувствительный элемент в виде оптического волокна, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник и узел обработки сигнала с процессором (патент США №5194847).As the closest analogue (prototype), a device was selected for monitoring the vibro-acoustic characteristics of an extended object, containing a narrow-band pulsed optical radiation source in the form of a semiconductor laser and an optical modulator, a sensitive element in the form of an optical fiber, an optical radiation input unit into the sensitive element, a photodetector, and a signal processing unit with a processor (US patent No. 5194847).

Недостатком известного устройства (прототипа) является наличие случайных вариаций несущей частоты тестирующих оптических импульсов, вводимых в волокно, обусловленных конечной шириной полосы излучения полупроводниковых лазеров, типичное значение которой превышает несколько МГц, а также наличие паразитного слабого излучения, проходящего через модулятор в выключенном состоянии. Это ограничивает дальность действия, чувствительность и разрешающую способность устройства.A disadvantage of the known device (prototype) is the presence of random variations in the carrier frequency of the testing optical pulses introduced into the fiber due to the finite emission bandwidth of semiconductor lasers, the typical value of which exceeds several MHz, as well as the presence of spurious weak radiation passing through the modulator in the off state. This limits the range, sensitivity and resolution of the device.

Техническим результатом изобретения является повышение дальности действия, чувствительности и разрешающей способности устройства.The technical result of the invention is to increase the range, sensitivity and resolution of the device.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройстве для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащем непрерывный полупроводниковый лазер, оптический модулятор, предназначенный для формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс и частотой следования от 200 Гц до 50 кГц, чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения, фотоприемник, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, и узел обработки сигнала с процессором, непрерывный полупроводниковый лазер снабжен брэгговским селективным отражателем с возможностью сужения полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц, оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора на бегущей акустической волне с возможностью формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования, кроме того, перед узлом ввода оптического излучения в чувствительный элемент введен оптический усилитель мощности излучения, кроме того, перед фотоприемником рассеянного излучения введен оптический предварительный усилитель, кроме того, перед фотоприемником рассеянного излучения введен узкополосный оптический фильтр с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера, и шириной полосы пропускания в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц, кроме того, узкополосный оптический фильтр выполнен в виде термостатированной отражающей брэгговской решетки с уменьшенной до 10 ГГц максимальной полосой пропускания, при этом непрерывный полупроводниковый лазер с брэгговским селективным отражателем и узкополосный оптический фильтр помещены в один термостатированный блок, кроме того, узкополосный оптический фильтр и брэгговский селективный отражатель непрерывного полупроводникового лазера выполнены на одной подложке, кроме того, оптический предварительный усилитель выполнен на основе активного эрбиевого волокна, кроме того, между фотоприемником рассеянного излучения и оптическим предварительным усилителем введен оптический усилитель на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера. The technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the device for monitoring the vibro-acoustic characteristics of an extended object containing a continuous semiconductor laser, an optical modulator is designed to generate a periodic sequence of rectangular pulses with a duration in the range from 50 ns to 500 ns and a repetition rate from 200 Hz to 50 kHz, a sensitive element in the form of a fiber optic cable, a node for the input of optical radiation into the sensitive element and the output is scattered radiation, a photodetector designed to convert scattered optical radiation into an electrical signal, and a signal processing unit with a processor, a continuous semiconductor laser equipped with a Bragg selective reflector with the possibility of narrowing the band of continuous laser radiation to a level of less than 100 kHz, the optical modulator is made in the form of an acousto-optical modulator on traveling acoustic wave with the possibility of forming a periodic sequence of rectangular pulses with a damping coefficient ≥10 × log (T × f), where T is the pulse duration, f is the repetition rate, in addition, an optical power amplifier is introduced in front of the optical radiation input unit, in addition, an optical preamplifier is introduced in front of the scattered radiation photodetector, in addition, a narrow-band optical filter with a central frequency coinciding with the laser radiation frequency and a bandwidth in the range from 10 MHz to 100 GHz is introduced in front of the scattered-radiation photodetector; in addition, a narrow-band optical The filter is made in the form of a thermostatic reflecting Bragg grating with a maximum passband reduced to 10 GHz, while a continuous semiconductor laser with a Bragg selective reflector and a narrow-band optical filter are placed in one thermostatic unit, in addition, a narrow-band optical filter and a Bragg selective reflector of a continuous semiconductor made on one substrate, in addition, the optical preamplifier is made on the basis of active erbium fiber In addition, an optical amplifier based on stimulated Mandelstamm Brillouin scattering with a central frequency coinciding with the laser radiation frequency was introduced between the scattered-radiation photodetector and the optical pre-amplifier.

Изобретение иллюстрируется изображениями, где:The invention is illustrated by images, where:

на фиг.1 схематически изображено предлагаемое устройство;figure 1 schematically shows the proposed device;

на фиг.2 показана схема размещения брэгговского отражателя лазера и оптического фильтра в виде отражательной брэгговской решетки на одной подложке;figure 2 shows the layout of the Bragg reflector of the laser and the optical filter in the form of a reflective Bragg grating on one substrate;

на фиг.3 показана типичная рефлектограмма от одного импульса;figure 3 shows a typical trace from a single pulse;

на фиг.4 показан результат наложения многих рефлектограмм, на котором хорошо видна область воздействия;figure 4 shows the result of the imposition of many reflectograms, which clearly shows the impact area;

на фиг.5 показаны зависимости разностей сигналов последовательных рефлектограмм от расстояния до места воздействия.figure 5 shows the dependence of the differences of the signals of successive reflectograms from the distance to the place of exposure.

Устройство включает в себя непрерывный лазер 1, акустооптический модулятор 2, усилитель мощности 3, узел 4 ввода оптического излучения в чувствительный элемент 5 и вывода рассеянного излучения, оптический предварительный усилитель 6, оптический фильтр 7, фотоприемник 8, узел 9 обработки сигнала с процессором, оптический усилитель 10 на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена, брэгговский селективный отражатель 11 лазера 1 (фиг.2, лазер 1 обозначен пунктирным контуром), термостатированный блок 12 (фиг.2, обозначен пунктирным контуром), подложка 13 (фиг.2, обозначена сплошным контуром), активный элемент 14 лазера 1, циркулятор 15 оптического фильтра 7 (для случая, когда оптический фильтр 7 - на фиг.2 показан пунктирным контуром - выполнен в виде термостатированной отражающей брэгговской решетки).The device includes a continuous laser 1, an acousto-optical modulator 2, a power amplifier 3, a node 4 for inputting optical radiation into the sensing element 5 and outputting the scattered radiation, an optical preamplifier 6, an optical filter 7, a photodetector 8, a signal processing unit 9 with a processor, an optical Mandelstamm Brillouin stimulated scattering amplifier 10, Bragg selective reflector 11 of laser 1 (FIG. 2, laser 1 is indicated by a dashed contour), thermostated unit 12 (FIG. 2, is indicated by a dashed contour ), the substrate 13 (figure 2, indicated by a solid contour), the active element 14 of the laser 1, the circulator 15 of the optical filter 7 (for the case when the optical filter 7 - shown in FIG. 2 with a dashed contour - is made in the form of a thermostatic reflective Bragg grating) .

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

От лазера 1 непрерывное узкополосное излучение поступает на акустооптический модулятор 2, вырезающий из него короткие импульсы прямоугольной формы. Длина волны излучения, в частности, может составлять 1550 нм. Импульсы прямоугольной формы усиливаются в усилителе мощности 3 и через узел 4 поступают в чувствительный элемент 5 - оптический кабель, расположенный внутри или рядом с контролируемым объектом (не показан).From the laser 1, the continuous narrow-band radiation is supplied to an acousto-optic modulator 2, cutting short rectangular pulses from it. The radiation wavelength, in particular, can be 1550 nm. Rectangular pulses are amplified in the power amplifier 3 and through the node 4 enter the sensing element 5 - an optical cable located inside or next to the controlled object (not shown).

В оптическом волокне излучение рассеивается на неподвижных неоднородностях волокна без изменения частоты (релеевское рассеяние).In an optical fiber, the radiation is scattered by the stationary inhomogeneities of the fiber without changing the frequency (Rayleigh scattering).

Рассеянное излучение через узел 4 поступает на оптический предварительный усилитель 6 и после усиления в нем поступает на узкополосный оптический фильтр 7, после фильтрации узкополосным оптическим фильтром 7 излучение поступает на фотоприемник 8, преобразуется в электрический сигнал и поступает на узел 9 для анализа и обработки.The scattered radiation through node 4 enters the optical preamplifier 6 and, after amplification, it enters the narrow-band optical filter 7, after filtering by the narrow-band optical filter 7, the radiation enters the photodetector 8, is converted into an electrical signal, and arrives at node 9 for analysis and processing.

Кроме того, рассеянное излучение после усиления в оптическом предварительном усилителе 6 на основе активного эрбиевого волокна может дополнительно усиливаться введенным в устройство оптическим усилителем 10 на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера 1.In addition, the scattered radiation after amplification in an optical preamplifier 6 based on active erbium fiber can be additionally amplified by an optical amplifier 10 based on stimulated Mandelstamm Brillouin scattering with a central frequency coinciding with the radiation frequency of laser 1.

При импульсном возбуждении временная зависимость средней мощности сигнала обратного рассеяния и, соответственно, фототока фотоприемника 8 (рефлектограмма) имеет вид, близкий к экспоненте. Однако благодаря высокой когерентности исходного излучения эта рефлектограмма оказывается изрезанной случайным образом благодаря случайной фазе интерферирующего рассеянного излучения. В отсутствие виброакустических воздействий и изменений несущей частоты прямоугольного тестирующего импульса рефлектограммы от разных импульсов, полученные в разные моменты времени, совпадают. При наличии виброакустического воздействия на чувствительный элемент 5 рефлектограммы от разных импульсов в области воздействия оказываются разными. Величина изменений определяет интенсивность воздействия, а временная задержка относительно тестирующего прямоугольного импульса однозначно определяет координату воздействия.With pulsed excitation, the time dependence of the average power of the backscattering signal and, accordingly, the photocurrent of the photodetector 8 (trace) has the form close to the exponent. However, due to the high coherence of the initial radiation, this trace is randomly cut due to the random phase of the interfering scattered radiation. In the absence of vibroacoustic effects and changes in the carrier frequency of the rectangular test pulse, the reflectograms from different pulses obtained at different points in time coincide. In the presence of a vibro-acoustic effect on the sensitive element 5, the reflectograms from different pulses in the impact area turn out to be different. The magnitude of the changes determines the intensity of the impact, and the time delay relative to the testing rectangular pulse uniquely determines the coordinate of the impact.

Характер и координату воздействия определяет блок 9 из сравнения множества рефлектограмм путем определения мест их существенных изменений.The nature and coordinate of the impact is determined by block 9 from a comparison of the set of reflectograms by determining the places of their significant changes.

Далее приведем ряд сравнений с прототипом для пояснения физического смысла заявленного технического результата.Next, we give a series of comparisons with the prototype to explain the physical meaning of the claimed technical result.

Предложенное устройство отличается от прототипа тем, что непрерывный полупроводниковый лазер 1 содержит брэгговский селективный отражатель 11, обеспечивающий сужение полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц. Данный признак обеспечивает уменьшение паразитного шума, возникающего при обнаружении виброакустических воздействий и их локализации. Принцип обнаружения виброакустических воздействий в заявляемом устройстве и в прототипе основан на сравнении двух или более рефлектограмм, полученных от разных тестирующих импульсов, и обнаружении участков, на которых полученные от разных импульсов рефлектограммы отличаются. Отличие в рефлектограммах и есть результат виброакустического воздействия на чувствительный элемент. Однако в прототипе из-за случайных изменений во времени частоты несущей тестирующего оптического импульса (до нескольких МГц) форма рефлектограммы изменяется даже в отсутствие воздействия на чувствительный элемент. Это приводит к формированию паразитного шумового сигнала, маскирующего полезный сигнал и, следовательно, снижающего чувствительность, разрешающую способность и дальность действия устройства. В заявляемом устройстве уменьшение полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц снижает уровень паразитных шумов более чем на порядок и обеспечивает увеличение чувствительности, разрешающей способности и дальности действия устройства.The proposed device differs from the prototype in that the continuous semiconductor laser 1 contains a Bragg selective reflector 11, which provides a narrowing of the band of continuous laser radiation to a level of less than 100 kHz. This feature provides a reduction in spurious noise arising from the detection of vibroacoustic effects and their localization. The principle of detecting vibroacoustic effects in the claimed device and in the prototype is based on a comparison of two or more reflectograms obtained from different test pulses and the detection of areas in which the reflectograms obtained from different pulses are different. The difference in reflectograms is the result of vibroacoustic effects on the sensitive element. However, in the prototype, due to random changes in the frequency of the carrier of the testing optical pulse (up to several MHz) over time, the shape of the reflectogram changes even if there is no effect on the sensitive element. This leads to the formation of a spurious noise signal, masking the useful signal and, therefore, reducing the sensitivity, resolution and range of the device. In the inventive device, reducing the band of continuous laser radiation to a level of less than 100 kHz reduces the level of spurious noise by more than an order of magnitude and provides an increase in sensitivity, resolution and range of the device.

Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора 2 на бегущей акустической волне, формирующего периодическую последовательность прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс с длительностью фронта и спада менее 20 нс, следующих с частотой от 200 Гц до 50 кГц, с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования, что в соотношении с прототипом означает не менее 30 дБ. В прототипе для формирования из непрерывного излучения импульсного сигнала используются обычные электрооптические модуляторы с коэффициентом гашения 20-25 дБ, это означает, что примерно одна сотая мощности непрерывного излучения проходит в чувствительный элемент, рассеивается и попадает на фотоприемник. Это излучение не несет полезной информации, является паразитным шумовым излучением и приводит к уменьшению отношения сигнал-шум, т.е. в конечном счете к уменьшению чувствительности и дальности действия устройства. Использование в заявляемом устройстве акустооптического модулятора 2 на бегущей акустической волне позволяет снизить уровень засветки на порядок.The proposed device differs from the prototype also in that the optical modulator is made in the form of an acousto-optical modulator 2 on a traveling acoustic wave, forming a periodic sequence of rectangular pulses with a duration in the range from 50 ns to 500 ns with a rise and fall duration of less than 20 ns, following with a frequency of 200 Hz to 50 kHz, with a blanking coefficient K≥10 × log (T × f), where T is the pulse duration, f is the repetition rate, which in relation to the prototype means at least 30 dB. In the prototype, conventional electro-optical modulators with a damping factor of 20-25 dB are used to form a pulsed signal from continuous radiation, which means that approximately one-hundredth of the continuous radiation power passes into the sensitive element, is scattered and gets to the photodetector. This radiation does not carry useful information, is spurious noise radiation and leads to a decrease in the signal-to-noise ratio, i.e. ultimately to a decrease in the sensitivity and range of the device. The use of the inventive device acousto-optical modulator 2 on a traveling acoustic wave can reduce the level of illumination by an order of magnitude.

Другие отличия в свете заявленного технического результата:Other differences in the light of the claimed technical result:

- перед узлом 4 ввода оптического излучения в чувствительный элемент 5 расположен оптический усилитель мощности 3 излучения: увеличение мощности сигнала приводит к увеличению полезного сигнала и тем самым увеличивает чувствительность;- in front of the node 4 for inputting optical radiation into the sensing element 5, an optical radiation power amplifier 3 is located: an increase in the signal power leads to an increase in the useful signal and thereby increases the sensitivity;

- перед фотоприемником 8 рассеянного излучения расположен оптический предварительный усилитель 6: увеличивается мощность рассеянного излучения - увеличивается чувствительность;- an optical preamplifier 6 is located in front of the photodetector 8 of the scattered radiation: the power of the scattered radiation is increased - the sensitivity is increased;

- перед фотоприемником 8 рассеянного излучения расположен узкополосный оптический фильтр 7 с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера, и шириной полосы пропускания в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц: уменьшается мощность шума, а мощность сигнала не изменяется, т.к. ширина спектра сигнала меньше полосы фильтра, а ширина полосы шума больше полосы фильтра;- in front of the scattered radiation detector 8 there is a narrow-band optical filter 7 with a central frequency coinciding with the laser radiation frequency and a bandwidth in the range from 10 MHz to 100 GHz: the noise power decreases, and the signal power does not change, because the signal spectrum width is less than the filter bandwidth, and the noise bandwidth is greater than the filter bandwidth;

- узкополосный оптический фильтр 7 выполнен в виде термостатированной отражающей брэгговской решетки и его максимальная полоса пропускания уменьшена до менее 10 ГГц, при этом непрерывный полупроводниковый лазер 1 с брэгговским селективным отражателем 11 и узкополосный оптический фильтр 7 помещены в один термостатированный блок 12: положительный эффект от узкополосного фильтра - уменьшение мощности шума. Однако при ширине оптического фильтра менее 10 ГГц необходима термостабилизация и взаимная привязка полосы фильтра и спектра излучения лазера. В отсутствие термостабилизации тепловые уходы полосы могут приводить к случайным уходам полосы фильтра и/или лазера такой величины, при которой уменьшается амплитуда и искажается форма сигнала. Расположение брэгговского селективного отражателя 11 лазера 1 и узкополосного оптического фильтра 7 в одном термостабилизирующем блоке 12 обеспечивает поддержание в них одинаковой температуры, что снижает тепловое рассогласование частоты лазера и полосы фильтра. При этом, если узкополосный оптический фильтр 7 и брэгговский селективный отражатель 11 непрерывного полупроводникового лазера 1 изготовлены на одной подложке 13, то тепловое рассогласование еще больше уменьшается, т.к. температурные вариации будут в лазере и фильтре одинаковыми: частота излучения лазера и полоса фильтра могут термически перестраиваться, но взаимного рассогласования происходить не будет;- the narrow-band optical filter 7 is made in the form of a thermostatically controlled reflective Bragg grating and its maximum passband is reduced to less than 10 GHz, while a continuous semiconductor laser 1 with a Bragg selective reflector 11 and a narrow-band optical filter 7 are placed in one thermostatic unit 12: the positive effect of the narrow-band filter - reduction of noise power. However, with an optical filter width of less than 10 GHz, thermal stabilization and mutual reference of the filter band and the laser radiation spectrum are necessary. In the absence of thermal stabilization, thermal drift of the band can lead to random drift of the filter band and / or laser of such a magnitude that the amplitude decreases and the waveform is distorted. The location of the Bragg selective reflector 11 of the laser 1 and the narrow-band optical filter 7 in one thermostabilizing unit 12 ensures that they maintain the same temperature, which reduces the thermal mismatch of the laser frequency and the filter band. Moreover, if the narrow-band optical filter 7 and the Bragg selective reflector 11 of the continuous semiconductor laser 1 are made on the same substrate 13, then the thermal mismatch is further reduced, because the temperature variations in the laser and the filter will be the same: the laser radiation frequency and the filter band can be thermally tuned, but there will be no mutual mismatch;

- оптический предварительный усилитель 6 выполнен на основе активного эрбиевого волокна: увеличение мощности рассеянного излучения достигается при минимальном увеличении оптического отношения сигнал/шум благодаря малому значению шум-фактора такого усилителя - увеличивается чувствительность;- the optical preamplifier 6 is made on the basis of active erbium fiber: an increase in the power of scattered radiation is achieved with a minimum increase in the optical signal-to-noise ratio due to the small value of the noise factor of such an amplifier — the sensitivity increases;

- между фотоприемником 8 рассеянного излучения и оптическим предварительным усилителем 6 расположен оптический усилитель 10 на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюена: поскольку ширина полосы усиления такого усилителя находится в диапазоне от 10 МГц до 100 МГц, то мощность сигнала значительно возрастает, а мощность широкополосного шума практически не изменяется, т.к. ширина спектра шума значительно больше полосы усиления, а ширина полосы сигнала совпадает с полосой усиления усилителя - увеличивается чувствительность.- between the photodetector 8 of the scattered radiation and the optical pre-amplifier 6 is an optical amplifier 10 based on stimulated Mandelstamm-Brillouin scattering: since the gain bandwidth of such an amplifier is in the range from 10 MHz to 100 MHz, the signal power increases significantly, and the power of broadband noise is practically does not change since the width of the noise spectrum is much larger than the gain band, and the signal bandwidth coincides with the gain band of the amplifier - sensitivity increases.

Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом наглядно показано в табл.1.The presence of a causal relationship between the totality of the essential features of the claimed device and the achieved technical result is clearly shown in table 1.

Таблица 1Table 1 Виды технического результата и их размерностьTypes of technical result and their dimension Показатели фактические или расчетныеActual or Estimated Indicators Объяснение, за счет чего (отличительный признак и/или их совокупность) стало возможным улучшение показателей предложенного объекта по сравнению с прототипомExplanation, due to which (distinguishing feature and / or their combination), it became possible to improve the performance of the proposed object in comparison with the prototype   прототипаprototype заявляемого объектаthe claimed object Дальность действия, кмRange, km 50fifty 100one hundred сужение полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц; увеличение коэффициента гашения более 30 дБ; усилитель мощности и предусилитель; узкополосный оптический фильтр; оптический усилитель на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюенаnarrowing of the continuous laser emission band to less than 100 kHz; an increase in blanking ratio of more than 30 dB; power amplifier and preamplifier; narrowband optical filter; Mandelstamm Brillouin optical stimulated scattering optical amplifier Чувствительность, радSensitivity, glad 0,10.1 0,020.02 То же, что и дальностьSame as range Диапазон рабочих температур, градRange of working temperatures, degrees От +10 до +40From +10 to +40 От -20 до +60From -20 to +60 Термостатирование узкополосного фильтра и расположение его на одной подложке с лазеромThermostating of a narrow-band filter and its location on the same substrate with a laser

Использование изобретения позволяет оперативно выявлять нарушения целостности периметра протяженного объекта либо фиксировать какие-либо воздействия изнутри или извне на протяженный объект. При этом устройство позволяет определить координаты места дефекта или точки воздействия на объект.The use of the invention allows you to quickly detect violations of the integrity of the perimeter of an extended object or to fix any effects from inside or outside on an extended object. Moreover, the device allows you to determine the coordinates of the location of the defect or the point of impact on the object.

С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что заявленный технический результат - повышение дальности действия, чувствительности и разрешающей способности устройства - достигнут.Based on the foregoing, we can conclude that the claimed technical result - increasing the range, sensitivity and resolution of the device - is achieved.

Claims (9)

1. Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее непрерывный полупроводниковый лазер, оптический модулятор, предназначенный для формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс и частотой следования от 200 Гц до 50 кГц, чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения, фотоприемник, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, и узел обработки сигнала с процессором, отличающийся тем, что непрерывный полупроводниковый лазер снабжен брэгговским селективным отражателем с возможностью сужения полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц, а оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора на бегущей акустической волне с возможностью формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования.1. A device for monitoring the vibro-acoustic characteristics of an extended object, containing a continuous semiconductor laser, an optical modulator, designed to generate a periodic sequence of rectangular pulses with a duration in the range from 50 ns to 500 ns and a repetition rate from 200 Hz to 50 kHz, a sensing element in the form of fiber optical cable, node for inputting optical radiation into a sensitive element and outputting scattered radiation, a photodetector designed to convert scattered optical radiation into an electrical signal, and a signal processing unit with a processor, characterized in that the continuous semiconductor laser is equipped with a Bragg selective reflector with the possibility of narrowing the band of continuous laser radiation to a level of less than 100 kHz, and the optical modulator is made in the form of an acousto-optical modulator on a traveling acoustic wave with the possibility of forming a periodic sequence of rectangular pulses with a blanking coefficient K≥10 × log (T × f), where T is the pulse duration, f is the frequency with research. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед узлом ввода оптического излучения в чувствительный элемент введен оптический усилитель мощности излучения.2. The device according to claim 1, characterized in that an optical radiation power amplifier is introduced in front of the optical radiation input unit into the sensing element. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед фотоприемником рассеянного излучения введен оптический предварительный усилитель.3. The device according to claim 1, characterized in that an optical preamplifier is introduced in front of the scattered radiation photodetector. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед фотоприемником рассеянного излучения введен узкополосный оптический фильтр с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера, и шириной полосы пропускания в диапазоне от 10 МГц до 100 ГГц.4. The device according to claim 1, characterized in that a narrow-band optical filter with a central frequency coinciding with the laser radiation frequency and a bandwidth in the range from 10 MHz to 100 GHz is introduced in front of the scattered-radiation photodetector. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оптический предварительный усилитель выполнен на основе активного эрбиевого волокна.5. The device according to claim 3, characterized in that the optical preamplifier is made on the basis of active erbium fiber. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что узкополосный оптический фильтр выполнен в виде термостатированной отражающей брэгговской решетки с уменьшенной до 10 ГГц максимальной полосой пропускания.6. The device according to claim 4, characterized in that the narrow-band optical filter is made in the form of a thermostatically controlled reflective Bragg grating with a maximum passband reduced to 10 GHz. 7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что непрерывный полупроводниковый лазер с брэгговским селективным отражателем и узкополосный оптический фильтр объединены в один термостатированный блок.7. The device according to claim 4, characterized in that the continuous semiconductor laser with a Bragg selective reflector and a narrow-band optical filter are combined into one thermostatically controlled unit. 8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что узкополосный оптический фильтр и брэгговский селективный отражатель непрерывного полупроводникового лазера выполнены на одной подложке.8. The device according to claim 4, characterized in that the narrow-band optical filter and the Bragg selective reflector of a continuous semiconductor laser are made on the same substrate. 9. Устройство по п.5, отличающееся тем, между фотоприемником рассеянного излучения и оптическим предварительным усилителем введен оптический усилитель на основе вынужденного рассеяния Мандельштамма Бриллюена с центральной частотой, совпадающей с частотой излучения лазера. 9. The device according to claim 5, characterized in that between the photodetector of scattered radiation and the optical pre-amplifier, an optical amplifier is introduced based on stimulated Mandelstamm Brillouin scattering with a central frequency coinciding with the laser radiation frequency.
RU2012153403/28A 2012-12-11 2012-12-11 Apparatus for monitoring vibroacoustic characteristics of extended object RU2516346C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012153403/28A RU2516346C1 (en) 2012-12-11 2012-12-11 Apparatus for monitoring vibroacoustic characteristics of extended object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012153403/28A RU2516346C1 (en) 2012-12-11 2012-12-11 Apparatus for monitoring vibroacoustic characteristics of extended object

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2516346C1 true RU2516346C1 (en) 2014-05-20

Family

ID=50778936

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012153403/28A RU2516346C1 (en) 2012-12-11 2012-12-11 Apparatus for monitoring vibroacoustic characteristics of extended object

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2516346C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2566603C1 (en) * 2014-06-17 2015-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр Т8" (ООО "Т8 НТЦ") Distributed sensor of acoustic and vibration impacts
CN107402029A (en) * 2017-08-08 2017-11-28 电子科技大学 The method and system of distributing optical fiber sensing measuring speed are improved using orthogonal signalling
RU2685439C1 (en) * 2018-05-31 2019-04-18 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") Onboard distributed control and leaks diagnostics system based on technologies of photonics
RU2695058C1 (en) * 2018-12-19 2019-07-19 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5194847A (en) * 1991-07-29 1993-03-16 Texas A & M University System Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing
RU2141102C1 (en) * 1993-09-29 1999-11-10 Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн Diagnostic system with optical sensors (design versions)
RU2271446C1 (en) * 2004-07-27 2006-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроЛайт" Vibroacoustic elongated object characteristics monitoring device
RU2437063C1 (en) * 2010-06-08 2011-12-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) Fibre-optic sensor system
US20120162639A1 (en) * 2009-05-27 2012-06-28 Silixa House Optical sensor and method of use
EP2021741B1 (en) * 2006-05-26 2012-08-22 Consiglio Nazionale delle Ricerche Method of interrogation of a static and/or dynamic strain sensor making use of a laser-frequency locking method, and relevant apparatus

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5194847A (en) * 1991-07-29 1993-03-16 Texas A & M University System Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing
RU2141102C1 (en) * 1993-09-29 1999-11-10 Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн Diagnostic system with optical sensors (design versions)
RU2271446C1 (en) * 2004-07-27 2006-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "ПетроЛайт" Vibroacoustic elongated object characteristics monitoring device
EP2021741B1 (en) * 2006-05-26 2012-08-22 Consiglio Nazionale delle Ricerche Method of interrogation of a static and/or dynamic strain sensor making use of a laser-frequency locking method, and relevant apparatus
US20120162639A1 (en) * 2009-05-27 2012-06-28 Silixa House Optical sensor and method of use
RU2437063C1 (en) * 2010-06-08 2011-12-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) Fibre-optic sensor system

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2566603C1 (en) * 2014-06-17 2015-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр Т8" (ООО "Т8 НТЦ") Distributed sensor of acoustic and vibration impacts
CN107402029A (en) * 2017-08-08 2017-11-28 电子科技大学 The method and system of distributing optical fiber sensing measuring speed are improved using orthogonal signalling
CN107402029B (en) * 2017-08-08 2019-08-20 电子科技大学 The method and system of distributing optical fiber sensing measuring speed are improved using orthogonal signalling
RU2685439C1 (en) * 2018-05-31 2019-04-18 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") Onboard distributed control and leaks diagnostics system based on technologies of photonics
RU2695058C1 (en) * 2018-12-19 2019-07-19 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Muanenda Recent advances in distributed acoustic sensing based on phase-sensitive optical time domain reflectometry
US10539476B2 (en) Temperature or strain distribution sensor comprising a coherent receiver to determine a temperature or a strain associated with a device under test
JP6612284B2 (en) Brillouin and Rayleigh distribution sensors
US20190195665A1 (en) Distributed dynamic strain fiber optics measurement by brillouin optical time-domain reflectometry
US9983069B2 (en) Measuring apparatus and measuring method
CN108663138B (en) Distributed optical fiber temperature and vibration sensing system and method
Zhang et al. Analysis and reduction of large errors in Rayleigh-based distributed sensor
US11320302B2 (en) High-rate distributed acoustic sensing using high-power light pulses
KR20110075680A (en) Apparatus and method of distributed fiber sensor using brillouin optical time domain analysis based on brillouin dynamic grating
RU2516346C1 (en) Apparatus for monitoring vibroacoustic characteristics of extended object
US20190277707A1 (en) Single-band distributed temperature sensing
Zhou et al. Distributed vibration and temperature simultaneous sensing using one optical fiber
RU2532562C1 (en) Distributed sensor of acoustic and vibration actions
KR101889351B1 (en) Spatially-selective brillouin distributed optical fiber sensor with increased effective sensing points and sensing method using brillouin scattering
RU2444001C1 (en) Brillouin reflectometer
Zhan et al. A high performance distributed sensor system with multi-intrusions simultaneous detection capability based on phase sensitive OTDR
He et al. Distributed temperature/vibration fiber optic sensor with high precision and wide bandwidth
Zhan et al. Optimization of a distributed optical fiber sensor system based on phase sensitive OTDR for disturbance detection
US11204286B2 (en) Single mode fiber distributed temperature sensing with improved noise characteristics
CA2615327A1 (en) Optical fiber characteristic measuring system
JP7077887B2 (en) Vibration detection Optical fiber sensor and vibration detection method
Fomiryakov et al. Influence of Laser Phase Noise on the Operation of a Coherent Reflectometer Using Fiber with Arrays of Artificial Reflectors
Bengalskii et al. Effect of strong local stretching of sensing fibre on the operation of a phase-sensitive optical time-domain reflectometer
RU2566603C1 (en) Distributed sensor of acoustic and vibration impacts
RU123518U1 (en) FIBER OPTICAL DEVICE OF ACOUSTIC MONITORING OF LONG PROJECTS

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20160801

QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20161201

QC41 Official registration of the termination of the licence agreement or other agreements on the disposal of an exclusive right

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20161201

Effective date: 20190328

PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20200116