RU2800632C1 - System and method for correcting optical radiation signal distortions - Google Patents
System and method for correcting optical radiation signal distortions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2800632C1 RU2800632C1 RU2022111488A RU2022111488A RU2800632C1 RU 2800632 C1 RU2800632 C1 RU 2800632C1 RU 2022111488 A RU2022111488 A RU 2022111488A RU 2022111488 A RU2022111488 A RU 2022111488A RU 2800632 C1 RU2800632 C1 RU 2800632C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- optical radiation
- reflectogram
- stokes
- fiber
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
[0001] Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в средствах для распределенного измерения температуры, а также для измерения температурного распределения вдоль оптоволоконного кабеля в протяженных объектах, применяемых в сферах, связанных с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях; термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности нефтяных и газовых скважин; обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей; контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах; обнаружение утечек на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах и во многих других. Уровень техники[0001] The present invention relates to the field of measuring technology and can be used in means for distributed temperature measurement, as well as for measuring temperature distribution along a fiber optic cable in extended objects used in areas related to safety, for example, fire alarm systems in automobiles, railway or service tunnels; thermal control of power cables and overhead transmission lines to optimize industrial relations; improving the efficiency of oil and gas wells; ensuring the safe working condition of industrial induction melting furnaces; control of tightness of containers with liquefied natural gas on ships in unloading terminals; detection of leaks on dams and impoundments; temperature control in chemical processes; detection of leaks in pipelines and in many others. State of the art
[0002] Волоконно-оптические системы пригодны не только для передачи информации, но и в качестве локальных распределенных измерительных датчиков. Физические величины измерения, например, температура или давление, а также сила растяжения могут воздействовать на оптическое волокно и менять свойства световодов в определенном месте. В результате затухания света в стеклянных волокнах за счет рассеяния место внешнего физического воздействия может быть точно определено, благодаря чему возможно применение оптоволокна в качестве линейного датчика.[0002] Fiber optic systems are suitable not only for information transmission, but also as local distributed measuring sensors. Physical measurement quantities, such as temperature or pressure, as well as tensile force, can act on the optical fiber and change the properties of the optical fibers at a particular location. As a result of the attenuation of light in glass fibers due to scattering, the location of external physical influence can be accurately determined, which makes it possible to use the fiber as a linear sensor.
[0003] Для измерения температуры с помощью оптоволоконных кабелей особенно подходит применение комбинационного рассеяния. В отличие от падающего на оптоволокно света, в его обратном рассеянии, помимо доли упругого рассеяния (рэлеевское рассеяние) на той же длине волны, что и излучаемый свет, обнаруживаются дополнительные компоненты на других длинах волн, которые связаны с колебаниями молекул оптоволокна и, следовательно, с локальной температурой. Однако, ввиду деградации оптоволокна во время его эксплуатации за счет проникновения в его сердцевину атомарного водорода, в рефлектограммах компонент рассеяния появляются шумовые паттерны.[0003] The use of Raman scattering is particularly suitable for temperature measurement using fiber optic cables. In contrast to the light incident on the optical fiber, in its backscattering, in addition to the share of elastic scattering (Rayleigh scattering) at the same wavelength as the emitted light, additional components are found at other wavelengths, which are associated with vibrations of the fiber molecules and, therefore, with local temperature. However, due to fiber degradation during its operation due to the penetration of atomic hydrogen into its core, noise patterns appear in the reflectograms of the scattering components.
[0004] Классическая распределенная термометрия не способна работать с оптическим волокном, в котором наблюдаются спектрально зависимые потери. В рамках термометрии основной проблемой, связанной с спектрально зависимыми потерями, является меняющаяся концентрация соединений водорода, спектральная область поглощения которого находится на длинах волн рассеяния, на которых работает распределенная термометрия. Не равномерный вклад в коэффициенты затухания на длинах волн стокса и антистокса приводит к искажению рефлектограмм и искажению расчета температуры.[0004] Classical distributed thermometry is not capable of working with optical fiber, which exhibits spectrally dependent losses. Within the framework of thermometry, the main problem associated with spectrally dependent losses is the changing concentration of hydrogen compounds, the spectral absorption region of which is at the scattering wavelengths at which distributed thermometry operates. The non-uniform contribution to the attenuation coefficients at the Stokes and anti-Stokes wavelengths leads to distortion of the reflectograms and distortion of the temperature calculation.
[0005] Для определения температуры необходимо решать систему уравнений, в которой имеется три неизвестные: потери в волокне, температура волокна, концентрация водорода. Классическая термомтерия зачастую принимает во внимание лишь две компоненты рассеяния для расчета температуры, т.е. две переменные: рефлектограмма стокса и рефлектограмма антистокса. Превышение количества неизвестных над количеством аргументов (переменных) делает задачу не решаемой.[0005] To determine the temperature, it is necessary to solve a system of equations in which there are three unknowns: fiber loss, fiber temperature, hydrogen concentration. Classical thermometry often takes into account only two scattering components to calculate temperature, i.e. two variables: the Stokes reflectogram and the anti-Stokes reflectogram. The excess of the number of unknowns over the number of arguments (variables) makes the problem unsolvable.
[0006] Из уровня техники известно техническое решение, раскрытое в патенте №US 9322721 В2 (опубл.: 26.04.2016 г., МПК: G01K 11/00; G01K 11/32). В представленном патенте описывается система распределенных датчиков температуры по оптическому волокну, имеющая функцию автоматической коррекции, а также способ измерения температуры с использованием этой системы, в котором автоматически скорректированная температура может быть измерена с использованием одного источника света и одним оптическим детектором.[0006] The technical solution disclosed in patent No. US 9322721 B2 (published: 04/26/2016, IPC: G01K 11/00; G01K 11/32) is known from the prior art. The present patent describes an optical fiber distributed temperature sensor system having an automatic correction function, as well as a temperature measurement method using this system, in which the automatically corrected temperature can be measured using one light source and one optical detector.
[0007] Недостатком данного технического решения является то, что в нем не предусмотрено наличие трех отдельных оптических каналов для рэлеевской, стоксовой и антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния соответственно. Весь рассеянный свет детектируется одним фотодетектором. Ввиду этого сложно разделить полученную рефлектограмму по компонентам для дальнейшего анализа и расчета температуры. Также в аналоге не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений. Еще одним недостатком описанного технического решения является то, что излучение перед анализом проходит через множество оптических и электронных компонент системы. Рамановские методы измерения температуры сопровождаются слабыми световыми сигналами комбинационного обратного рассеяния. Из-за слабого сигнала детектора допуски оптических компонентов (лазеры, фотодетекторы, фильтры и т.д.) и электронных компонентов (усилители, смесители, фильтры и т.д.) оказывают заметное влияние на качество обратного рассеяния и, следовательно, на температурные кривые. Точно так же нелинейное поведение оптических и электронных компонентов приводит к искажению частотных данных. В результате возникают нелинейные искажения по профилю температуры, что снижает точность системы измерения температуры.[0007] The disadvantage of this technical solution is that it does not provide for the presence of three separate optical channels for the Rayleigh, Stokes and anti-Stokes components of Raman scattering, respectively. All scattered light is detected by a single photodetector. In view of this, it is difficult to separate the obtained reflectogram into components for further analysis and temperature calculation. Also, the analog does not take into account measurement errors caused by fiber degradation during operation, which significantly reduces the measurement accuracy. Another disadvantage of the described technical solution is that the radiation passes through many optical and electronic components of the system before analysis. Raman methods of temperature measurement are accompanied by weak Raman backscattering light signals. Due to the weak detector signal, the tolerances of optical components (lasers, photodetectors, filters, etc.) and electronic components (amplifiers, mixers, filters, etc.) have a marked effect on the quality of the backscatter and therefore on the temperature curves . Similarly, non-linear behavior of optical and electronic components results in distortion of frequency data. As a result, non-linear distortions occur along the temperature profile, which reduces the accuracy of the temperature measurement system.
[0008] Также известен способ получения распределенного измерения по патенту № ЕР 1616161 В1 (опубл.: 12.09.2007 г., МПК: G01K 11/32). Способ включает развертывание оптического волокна в интересующей области измерения и запуск в него первого оптического сигнала на первой длине волны λ0 и высоком уровне мощности, второго оптического сигнала на второй длине волны λ-1 и третьего оптического сигнала с первой длиной волны λ0 и низким уровнем мощности. Эти оптические сигналы генерируют обратно рассеянный свет на второй длине волны λ-1, возникающий из-за комбинационного рассеяния первого оптического сигнала, который указывает на измеряемый параметр, на первой длине волны λ0, возникающий из-за рэлеевского рассеяния первого оптического сигнала, на второй на длине волны λ-1, возникающей из-за рэлеевского рассеяния второго оптического сигнала, и на первой длине волны λ0, возникающей из-за рэлеевского рассеяния третьего оптического сигнала. Обратно рассеянный свет обнаруживается для генерации четырех выходных сигналов, а окончательный выходной сигнал получается путем нормализации сигнала рамановского рассеяния по функции, полученной из трех сигналов рэлеевского рассеяния, которая устраняет эффекты зависимых от длины волны и нелинейных потерь.[0008] Also known is a method for obtaining a distributed measurement according to patent No. EP 1616161 B1 (publ.: 12.09.2007, IPC: G01K 11/32). The method includes deploying an optical fiber in the measurement area of interest and launching into it the first optical signal at the first wavelength λ0 and a high power level, the second optical signal at the second wavelength λ-1, and the third optical signal with the first wavelength λ0 and a low power level. These optical signals generate backscattered light at a second wavelength λ-1 due to the Raman scattering of the first optical signal, which indicates the parameter to be measured, at the first wavelength λ0 due to the Rayleigh scattering of the first optical signal, at the second wavelength at a wavelength λ-1 due to the Rayleigh scattering of the second optical signal, and at a first wavelength λ0 due to the Rayleigh scattering of the third optical signal. The backscattered light is detected to generate four outputs, and the final output is obtained by normalizing the Raman signal to a function derived from the three Rayleigh scattering signals, which removes the effects of wavelength dependent and non-linear loss.
[0009] Недостатком данного технического решения является то, что для измерения температуры применяется два источника излучения. Проблема такого способа заключается в том, что это влечет за собой потребность в множестве дополнительных оптических элементом, таких, как дополнительный источник света, оптический переключатель и оптический детектор и др. Эти компоненты не только значительно усложняют систему и увеличивают ее себестоимость, но и вносят нелинейности в измерения, понижающие точность измерения температуры. Также недостатком аналога является то, что излучение перед анализом проходит через множество оптических и электронных компонент системы. Рамановские методы измерения температуры сопровождаются слабыми световыми сигналами комбинационного обратного рассеяния. Из-за слабого сигнала детектора допуски оптических компонентов (лазеры, фотодетекторы, фильтры и т.д.) и электронных компонентов (усилители, смесители, фильтры и т.д.) оказывают заметное влияние на качество обратного рассеяния и, следовательно, на температурные кривые. Точно так же нелинейное поведение оптических и электронных компонентов приводит к искажению частотных данных. В результате возникают нелинейные искажения по профилю температуры, что снижает точность системы измерения температуры. Помимо этого, в аналоге не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений.[0009] The disadvantage of this technical solution is that two radiation sources are used to measure the temperature. The problem with this method is that it entails the need for many additional optical elements, such as an additional light source, an optical switch and an optical detector, etc. These components not only significantly complicate the system and increase its cost, but also introduce nonlinearities. into measurements that reduce the accuracy of temperature measurement. Also, the disadvantage of the analogue is that the radiation passes through many optical and electronic components of the system before analysis. Raman methods of temperature measurement are accompanied by weak Raman backscattering light signals. Due to the weak detector signal, the tolerances of optical components (lasers, photodetectors, filters, etc.) and electronic components (amplifiers, mixers, filters, etc.) have a marked effect on the quality of the backscatter and therefore on the temperature curves . Similarly, non-linear behavior of optical and electronic components results in distortion of frequency data. As a result, non-linear distortions occur along the temperature profile, which reduces the accuracy of the temperature measurement system. In addition, the analog does not take into account measurement errors caused by fiber degradation during operation, which significantly reduces the measurement accuracy.
[0010] Известна также система калибровки измерения оптического FMCW-рассеяния, раскрытая в патенте № KR 101040032 В1 (опубл. 10.06.2011 г., МПК: G01K 11/32). Система включает блок оценки и возбуждения и датчик, расположенный в продольном направлении, причем датчик имеет первый конец и второй конец. Блок возбуждения и оценки выполнен с возможностью возбуждения светового сигнала модулированной частоты с частотой модуляции fin и для оценки сигнала датчика, полученного от первого конца датчика, при этом датчик выполнен с возможностью захвата сигнала данных на основе модулированной частоты световой сигнал, физические параметры которого могут быть извлечены из пространственно-распределенных точек измерения датчика по его длине между первым и вторым концами.[0010] Also known is a calibration system for measuring optical FMCW scattering, disclosed in patent No. KR 101040032 B1 (publ. 10.06.2011, IPC: G01K 11/32). The system includes an evaluation and excitation unit and a sensor located in the longitudinal direction, the sensor having a first end and a second end. The drive and evaluation unit is configured to drive a modulated frequency light signal with a modulation frequency fin and to evaluate a sensor signal received from the first end of the sensor, wherein the sensor is configured to capture a data signal based on the frequency modulated light signal, the physical parameters of which can be extracted from spatially distributed measurement points of the sensor along its length between the first and second ends.
[0011] Недостатком данного технического решения является то, что в нем не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений.[0011] The disadvantage of this technical solution is that it does not take into account measurement errors caused by fiber degradation during operation, which significantly reduces the measurement accuracy.
[0012] Помимо этого, в заявке № US 20110231135 А1 (опубл. 22.09.2011 г.; МПК: G01K 15/00; G06F 19/00) раскрыт метод автокоррекции для повышения точности измерений распределенной температуры в оптоволокне, полученных на основе комбинационного обратного рассеяния, с использованием двух источников света с разными длинами волн, за счет соответствующего выбора длин волн двух источников, использования схемы модуляции одного импульса для двух источников света и использование одного из источников света в качестве основной измерительной системы и второго источника света в качестве случайного корректирующего источника.[0012] In addition, in application No. US 20110231135 A1 (publ. 22.09.2011; IPC: G01K 15/00; G06F 19/00) an auto-correction method is disclosed to improve the accuracy of measurements of distributed temperature in an optical fiber obtained on the basis of Raman inverse scattering, using two light sources with different wavelengths, by appropriately selecting the wavelengths of the two sources, using a single pulse modulation scheme for the two light sources, and using one of the light sources as the main measuring system and the second light source as a random corrective source .
[0013] Недостатком данного технического решения является то, что для измерения температуры применяется два источника излучения. Проблема такого способа заключается в том, что это влечет за собой потребность в множестве дополнительных оптических элементом, таких, как дополнительный источник света, оптический переключатель и оптический детектор и др. Эти компоненты не только значительно усложняют систему и увеличивают ее себестоимость, но и вносят нелинейности в измерения, понижающие точность измерения температуры. Также недостатком аналога является то, что излучение перед анализом проходит через множество оптических и электронных компонент системы. Рамановские методы измерения температуры сопровождаются слабыми световыми сигналами комбинационного обратного рассеяния. Из-за слабого сигнала детектора допуски оптических компонентов (лазеры, фотодетекторы, фильтры и т.д.) и электронных компонентов (усилители, смесители, фильтры и т.д.) оказывают заметное влияние на качество обратного рассеяния и, следовательно, на температурные кривые. Точно так же нелинейное поведение оптических и электронных компонентов приводит к искажению частотных данных. В результате возникают нелинейные искажения по профилю температуры, что снижает точность системы измерения температуры. Помимо этого, в аналоге не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений.[0013] The disadvantage of this technical solution is that two radiation sources are used to measure the temperature. The problem with this method is that it entails the need for many additional optical elements, such as an additional light source, an optical switch and an optical detector, etc. These components not only significantly complicate the system and increase its cost, but also introduce nonlinearities. into measurements that reduce the accuracy of temperature measurement. Also, the disadvantage of the analogue is that the radiation passes through many optical and electronic components of the system before analysis. Raman methods of temperature measurement are accompanied by weak Raman backscattering light signals. Due to the weak detector signal, the tolerances of optical components (lasers, photodetectors, filters, etc.) and electronic components (amplifiers, mixers, filters, etc.) have a noticeable effect on the quality of the backscatter and therefore on the temperature curves . Similarly, non-linear behavior of optical and electronic components results in distortion of frequency data. As a result, non-linear distortions occur along the temperature profile, which reduces the accuracy of the temperature measurement system. In addition, the analog does not take into account measurement errors caused by fiber degradation during operation, which significantly reduces the measurement accuracy.
[0014] В патенте № US 7126680 В2 (опубл. 24.10.2006 г.; МПК: G01N 21/00) описаны способы калибровки и выполнения измерений с использованием волоконно-оптических датчиков раскрыты с использованием длин волн обратного рассеяния и независимых датчиков. В раскрытии излагаются способы, применимые к волоконно-оптическим датчикам либо в петле, либо в линейной конфигурации и полезные для измерений, включая измерения температуры.[0014] US Pat. No. 7,126,680 B2 (publ. 10/24/2006; IPC: G01N 21/00) describes methods for calibrating and performing measurements using fiber optic sensors disclosed using backscatter wavelengths and independent sensors. The disclosure sets forth methods applicable to fiber optic sensors, either in a loop or in a linear configuration, and useful for measurements, including temperature measurements.
[0015] Недостатком данного технического решения является то, что в нем используется брэгговская решетка. Волоконный фильтр на брэгговской решетке является нестабильным элементом, на который оказывают влияние температурные факторы, что ведет к снижению надежности работы устройства. При этом при использовании фильтра на брэгговской решетке спектр работы лазера должен подходить к рабочему спектру (брэгговские решетки должны иметь ту же длину волны, что и импульсный лазер). Спектры импульсных лазеров, а также спектры решеток определяются при производстве и порой могут немного отходить от ожидаемых значений. Это ухудшает технологичность прибора, так как необходимо проводить измерения спектров лазеров, спектров решеток и подбирать пары «лазер-фильтр». Спектры решеток зависят от натяжения волокна, которое в процессе сборки трудно контролировать, что также ухудшает технологичность прибора. Использование брэгговских решеток не позволяет использовать различные типы лазеров. Еще одним недостатком данного технического решения является то, что для измерения температуры применяется два источника излучения. Проблема такого способа заключается в том, что это влечет за собой потребность в множестве дополнительных оптических элементом, таких, как дополнительный источник света, оптический переключатель и оптический детектор и др. Эти компоненты не только значительно усложняют систему и увеличивают ее себестоимость, но и вносят нелинейности в измерения, понижающие точность измерения температуры. Также недостатком аналога является то, что излучение перед анализом проходит через множество оптических и электронных компонент системы. Рамановские методы измерения температуры сопровождаются слабыми световыми сигналами комбинационного обратного рассеяния. Из-за слабого сигнала детектора допуски оптических компонентов (лазеры, фотодетекторы, фильтры и т.д.) и электронных компонентов (усилители, смесители, фильтры и т.д.) оказывают заметное влияние на качество обратного рассеяния и, следовательно, на температурные кривые. Точно так же нелинейное поведение оптических и электронных компонентов приводит к искажению частотных данных. В результате возникают нелинейные искажения по профилю температуры, что снижает точность системы измерения температуры. Помимо этого, в аналоге не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений.[0015] The disadvantage of this technical solution is that it uses a Bragg grating. The fiber filter on the Bragg grating is an unstable element, which is affected by temperature factors, which leads to a decrease in the reliability of the device. In this case, when using a filter on a Bragg grating, the spectrum of the laser operation must match the working spectrum (the Bragg gratings must have the same wavelength as the pulsed laser). The spectra of pulsed lasers, as well as the spectra of gratings, are determined during production and can sometimes deviate slightly from the expected values. This worsens the manufacturability of the device, since it is necessary to measure the spectra of lasers, the spectra of gratings and to select pairs of "laser-filter". The grating spectra depend on the fiber tension, which is difficult to control during the assembly process, which also worsens the manufacturability of the device. The use of Bragg gratings does not allow the use of different types of lasers. Another disadvantage of this technical solution is that two radiation sources are used to measure the temperature. The problem with this method is that it entails the need for many additional optical elements, such as an additional light source, an optical switch and an optical detector, etc. These components not only significantly complicate the system and increase its cost, but also introduce nonlinearities. into measurements that reduce the accuracy of temperature measurement. Also, the disadvantage of the analogue is that the radiation passes through many optical and electronic components of the system before analysis. Raman methods of temperature measurement are accompanied by weak Raman backscattering light signals. Due to the weak detector signal, the tolerances of optical components (lasers, photodetectors, filters, etc.) and electronic components (amplifiers, mixers, filters, etc.) have a marked effect on the quality of the backscatter and therefore on the temperature curves . Similarly, non-linear behavior of optical and electronic components results in distortion of frequency data. As a result, non-linear distortions occur along the temperature profile, which reduces the accuracy of the temperature measurement system. In addition, the analog does not take into account measurement errors caused by fiber degradation during operation, which significantly reduces the measurement accuracy.
[0016] Известно устройство для измерения распределения температуры оптического волокна, раскрытое в патенте № US 8858069 В2 (опубл. 14.10.2014 г.; МПК: G01K 15/00; G01K 11/00; G01K 11/32). Устройство для измерения распределения температуры оптического волокна измеряет распределение температуры вдоль оптического волокна с использованием обратного комбинационного рассеяния света, генерируемого в оптическом волокне. Устройство включает в себя: термометр эталонной температуры, расположенный вблизи оптического волокна для измерения эталонной температуры оптического волокна; арифметический контроллер, который вычисляет температуру оптического волокна на основе обратного комбинационного рассеяния света; и корректор температуры, который корректирует вычисленную температуру на основе формулы коррекции, содержащей эталонную температуру в качестве параметра.[0016] A device for measuring the temperature distribution of an optical fiber is known, disclosed in US Pat. An optical fiber temperature distribution measuring device measures a temperature distribution along an optical fiber using back Raman scattering of light generated in the optical fiber. The device includes: a reference temperature thermometer located near the optical fiber to measure the reference temperature of the optical fiber; an arithmetic controller that calculates the temperature of the optical fiber based on the inverse Raman scattering of light; and a temperature corrector that corrects the calculated temperature based on a correction formula containing the reference temperature as a parameter.
[0017] Недостатком данного технического решения является то, что в нем не предусмотрено наличие трех отдельных оптических каналов для рэлеевской, стоксовой и антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния соответственно. Весь рассеянный свет детектируется одним фотодетектором. Ввиду этого сложно разделить полученную рефлектограмму по компонентам для дальнейшего анализа и расчета температуры. Также в аналоге не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений. Еще одним недостатком данного технического решения является то, что для измерения температуры применяется два источника излучения. Проблема такого способа заключается в том, что это влечет за собой потребность в множестве дополнительных оптических элементом, таких, как дополнительный источник света, оптический переключатель и оптический детектор и др. Эти компоненты не только значительно усложняют систему и увеличивают ее себестоимость, но и вносят нелинейности в измерения, понижающие точность измерения температуры. Также недостатком аналога является то, что излучение перед анализом проходит через множество оптических и электронных компонент системы. Рамановские методы измерения температуры сопровождаются слабыми световыми сигналами комбинационного обратного рассеяния. Из-за слабого сигнала детектора допуски оптических компонентов (лазеры, фотодетекторы, фильтры и т.д.) и электронных компонентов (усилители, смесители, фильтры и т.д.) оказывают заметное влияние на качество обратного рассеяния и, следовательно, на температурные кривые. Точно так же нелинейное поведение оптических и электронных компонентов приводит к искажению частотных данных. В результате возникают нелинейные искажения по профилю температуры, что снижает точность системы измерения температуры.[0017] The disadvantage of this technical solution is that it does not provide for the presence of three separate optical channels for the Rayleigh, Stokes and anti-Stokes components of Raman scattering, respectively. All scattered light is detected by a single photodetector. In view of this, it is difficult to separate the obtained reflectogram into components for further analysis and temperature calculation. Also, the analog does not take into account measurement errors caused by fiber degradation during operation, which significantly reduces the measurement accuracy. Another disadvantage of this technical solution is that two radiation sources are used to measure the temperature. The problem with this method is that it entails the need for many additional optical elements, such as an additional light source, an optical switch and an optical detector, etc. These components not only significantly complicate the system and increase its cost, but also introduce nonlinearities. into measurements that reduce the accuracy of temperature measurement. Also, the disadvantage of the analogue is that the radiation passes through many optical and electronic components of the system before analysis. Raman methods of temperature measurement are accompanied by weak Raman backscattering light signals. Due to the weak detector signal, the tolerances of optical components (lasers, photodetectors, filters, etc.) and electronic components (amplifiers, mixers, filters, etc.) have a marked effect on the quality of the backscatter and therefore on the temperature curves . Similarly, non-linear behavior of optical and electronic components results in distortion of frequency data. As a result, non-linear distortions occur along the temperature profile, which reduces the accuracy of the temperature measurement system.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
[0018] Задачей настоящего изобретения является создание и разработка системы и способа коррекции искажений сигнала оптического излучения, обеспечивающих эффективное удаление искажений и шумов в полученном сигнале оптического излучения. [0019] Данная задача решается заявляемым изобретением за счет достижения таких технических результатов, как эффективное удаление искажений и шумов в полученном сигнале оптического излучения, за счет чего значительно повышается точность и достоверность измерений, производимых при помощи оптического излучения. Заявленный технический результат достигается в том числе, но не ограничиваясь, благодаря:[0018] The objective of the present invention is to create and develop a system and method for correcting optical radiation signal distortions, providing effective removal of distortions and noise in the received optical radiation signal. [0019] This problem is solved by the claimed invention by achieving such technical results as the effective removal of distortions and noise in the received signal of optical radiation, thereby significantly increasing the accuracy and reliability of measurements made using optical radiation. The claimed technical result is achieved including, but not limited to, due to:
• применению рэлеевской компоненты Рамановского рассеяния для оценки степени деградации оптоволокна;• the use of the Rayleigh component of Raman scattering to assess the degree of fiber degradation;
• вычислению искажений на основе оценки степени деградации оптоволокна;• calculation of distortions based on the assessment of the degree of fiber degradation;
• использованию оптических и цифровых каналов для измерения в количестве равном количеству измеряемых компонент.• the use of optical and digital channels for measurement in an amount equal to the number of measured components.
[0020] Более полно, технический результат достигается системой коррекции искажений сигнала оптического излучения, включающей источник сфокусированного излучения, оптическую схему, фотоприемники, аналого-цифровой преобразователь, блок корректировки и блок расчета температуры. Причем, оптическая схема подключена к источнику оптического излучения посредством оптоволокна и сконфигурирована с возможностью разделения сфокусированного оптического излучения на компоненты рассеяния, включая рэлеевскую компоненту рассеяния. Каждый из фотоприемников также подключен к оптической схеме посредством оптоволокна и сконфигурирован с возможностью регистрации отдельной компоненты рассеяния. Блок корректировки, в свою очередь, сконфигурирован с возможностью учета степени деградации оптоволокна, а блок расчета температуры - с возможностью расчета температуры на основании рефлектограммы. Причем оптическая схема, фотоприемники, аналого-цифровой преобразователь и блок корректировки соединены друг с другом оптическими каналами, каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния.[0020] More fully, the technical result is achieved by an optical radiation signal distortion correction system, including a source of focused radiation, an optical circuit, photodetectors, an analog-to-digital converter, a correction unit, and a temperature calculation unit. Moreover, the optical circuit is connected to the source of optical radiation by means of an optical fiber and is configured to separate the focused optical radiation into scattering components, including the Rayleigh scattering component. Each of the photodetectors is also connected to the optical circuit via an optical fiber and is configured to detect a separate scattering component. The correction unit, in turn, is configured to take into account the degree of fiber degradation, and the temperature calculation unit is configured to calculate the temperature based on the reflectogram. Moreover, the optical circuit, photodetectors, analog-to-digital converter and correction unit are connected to each other by optical channels, each of which is intended for a separate scattering component.
[0021] Источник сфокусированного лазерного излучения необходим для генерации излучения, попадающего на оптоволокно. Это позволяет измерять температуру волоконно-оптическими методом. Оптическая схема, которая подключена к источнику сфокусированного оптического излучения посредством оптоволокна, необходима для выделения компонент рассеяния из оптического излучения посредством комбинационного рассеяния (эффекта Рамана), в том числе рэлеевской компоненты рассеяния. Благодаря выделению компоненты Рэлей становится возможным учитывать степень деградации оптоволокна, что, в свою очередь, позволяет достичь более высокой точности в последующем расчете температуры. Фотоприемники необходимы для регистрации каждой из компонент рассеяния. Отдельная регистрация каждой компоненты, проходящей по отдельному оптоволокну, в последующем позволяет вычислять температуру с учетом каждой компоненты, что, в свою очередь, повышает точность и достоверность измерений. Аналого-цифровой преобразователь необходим для преобразования полученных аналоговых рефлектограмм в цифровые рефлектограммы. Это позволяет впоследствии произвести корректировку искажений полученных рефлектограмм. Блок корректировки, в свою очередь, необходим для учета степени деградации оптоволокна и самой корректировки искажений с учетом этой деградации. Блок расчета температуры необходим для расчета температуры на основании рефлектограмм с скорректированными искажениями. То, что оптическая схема, фотоприемники, аналого-цифровой преобразователь и блок корректировки соединены друг с другом тремя оптическими каналами, каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния, позволяет учитывать степень деградации оптоволокна, что увеличивает достоверность и точность рассчитанной по этим данным температуры.[0021] A source of focused laser radiation is needed to generate radiation that hits the optical fiber. This allows the temperature to be measured by the fiber optic method. An optical circuit, which is connected to a source of focused optical radiation via an optical fiber, is necessary to isolate the scattering components from optical radiation by means of Raman scattering (Raman effect), including the Rayleigh scattering component. By extracting the Rayleigh component, it becomes possible to take into account the degree of fiber degradation, which, in turn, makes it possible to achieve higher accuracy in the subsequent temperature calculation. Photodetectors are needed to register each of the scattering components. Separate registration of each component passing through a separate fiber, subsequently allows you to calculate the temperature taking into account each component, which, in turn, increases the accuracy and reliability of measurements. An analog-to-digital converter is required to convert the received analog traces into digital traces. This allows you to subsequently correct the distortions of the obtained reflectograms. The correction block, in turn, is necessary to take into account the degree of fiber degradation and the distortion correction itself, taking into account this degradation. The temperature calculation block is required to calculate the temperature based on reflectograms with corrected distortions. The fact that the optical circuit, photodetectors, analog-to-digital converter and correction unit are connected to each other by three optical channels, each of which is intended for a separate scattering component, makes it possible to take into account the degree of fiber degradation, which increases the reliability and accuracy of the temperature calculated from these data.
[0022] Оптическая схема может быть сконфигурирована с возможностью разделения сфокусированного оптического излучения на стоксовую, антистоксовую и рэлеевскую компоненты рассеяния.[0022] The optical design may be configured to separate the focused optical radiation into Stokes, anti-Stokes, and Rayleigh scattering components.
[0023] Блок корректировки может включать модуль алгебраической корректировки, сконфигурированный с возможностью вычисления корректирующих коэффициентов. Это позволяет произвести правильный сдвиг и наклон полученной рефлектограммы, что дополнительно увеличивает точность вычисляемой температуры на основании этой рефлектограммы.[0023] The correction unit may include an algebraic correction module configured to calculate correction coefficients. This allows you to make the correct shift and slope of the obtained reflectogram, which further increases the accuracy of the calculated temperature based on this reflectogram.
[0024] Также блок корректировки может включать модуль нормировки, сконфигурированный с возможностью нормирования рефлектограммы. Это может позволить сравнивать данные из разных диапазонов значений, приводя их единому виду.[0024] Also, the correction unit may include a normalization module configured to normalize the trace. This can make it possible to compare data from different ranges of values, bringing them together.
[0025] Помимо этого, блок корректировки может включать модуль аппроксимации, сконфигурированный с возможностью вычисления функции, приближенной к полученной рефлектограмме. Таким образом, может стать возможным вычесть приближенную функцию из полученной рефлектограммы, в результате чего можно получить шумовой паттерн для каждой отдельной рефлектограммы. Причем, вычисленная функция может являться кривой, спадающей по логарифму. Это может позволить вычислить наиболее приближенную функцию.[0025] In addition, the correction unit may include an approximation module configured to calculate a function that approximates the received trace. Thus, it may be possible to subtract an approximate function from the acquired trace, resulting in a noise pattern for each individual trace. Moreover, the calculated function can be a curve that falls off in a logarithm. This may allow the calculation of the most approximate function.
[0026] Блок корректировки может включать также и модуль логарифмизации, сконфигурированный с возможностью приведения размерности рефлектограммы в логарифмический масштаб. Это позволяет привести размерность рефлектограммы в условные единицы.[0026] The correction block may also include a logarithmization module configured to bring the dimension of the trace to a logarithmic scale. This allows you to bring the dimension of the reflectogram into conventional units.
[0027] Также блок корректировки может включать модуль вычисления отношения, сконфигурированный с возможностью деления рефлектограммы стоксовой компоненты рассеяния на рефлектограмму антистоксовой компоненты рассеяния и вычисления результата деления. Помимо этого, блок корректировки может включать модуль вычитания шума, сконфигурированный с возможностью вычета шума из результата деления. Причем, блок расчета температуры при наличии этих блоков может дополнительно быть сконфигурирован с возможностью расчета температуры на основании рефлектограммы без шума и корректирующих коэффициентов. Так становится возможным вычислять температуру с большей точностью, т.к. расчет температуры производят на основании рефлектограмм без шумового паттерна.[0027] Also, the correction unit may include a ratio calculation module configured to divide the trace of the Stokes scattering component by the trace of the anti-Stokes scattering component and calculate the division result. In addition, the corrector may include a noise subtractor configured to subtract noise from the division result. Moreover, the temperature calculation unit in the presence of these units can be additionally configured with the ability to calculate the temperature based on the reflectogram without noise and correction factors. This makes it possible to calculate the temperature with greater accuracy, because the temperature is calculated on the basis of reflectograms without a noise pattern.
[0028] Источник сфокусированного излучения может быть сконфигурирован с возможностью генерации оптического излучения с частотой от 1 до 4 кГц и с длительностью от 2 до 80 не.[0028] The source of focused radiation can be configured to generate optical radiation with a frequency of 1 to 4 kHz and a duration of 2 to 80 ns.
[0029] Аналого-цифровой преобразователь может дополнительно включать память, сконфигурированную с возможностью сохранения и накопления полученных рефлектограмм.[0029] The analog-to-digital converter may further include a memory configured to store and store acquired traces.
[0030] Также источник сфокусированного излучения может быть дополнительно подключен к аналого-цифровому преобразователю посредством электронной линии. Это может быть необходимо для автоматического запуска аналого-цифрового преобразователя при начале измерений.[0030] Also, the source of focused radiation can be additionally connected to the analog-to-digital converter via an electronic line. This may be necessary to automatically start the analog-to-digital converter when measurements are started.
[0031] Помимо этого, источник сфокусированного оптического излучения может дополнительно включать тактовый генератор, сконфигурированный с возможностью опроса оптической схемы.[0031] In addition, the source of focused optical radiation may further include a clock oscillator configured to poll the optical circuitry.
[0032] Также технический результат достигается способом коррекции искажений сигнала оптического излучения. Согласно способу, сначала генерируют сфокусированное оптическое излучение в направлении оптоволокна, подключенного к оптической схеме. Затем разделяют сфокусированное оптическое излучение на компоненты рассеяния, в том числе на рэлеевскую компоненту, при помощи оптической схемы. После этого регистрируют каждую компоненту рассеяния, каждая из которых проходит по отдельному оптоволокну и попадает в отдельный фотоприемник. Далее отправляют каждую зарегистрированную компоненту рассеяния в аналого-цифровой преобразователь по отдельным каналам, после чего преобразуют каждую компоненту рассеяния в цифровую рефлектограмму. Цифровые рефлектограммы каждой компоненты рассеяния отправляют в блок корректировки по отдельным каналам. На основании полученных рефлектограмм учитывают степень деградации оптоволокна. В результате рассчитывают температуру на основе рефлектограммы с учетом степени деградации оптоволокна.[0032] Also, the technical result is achieved by a method for correcting optical radiation signal distortions. According to the method, first, focused optical radiation is generated in the direction of an optical fiber connected to the optical circuit. Then the focused optical radiation is separated into scattering components, including the Rayleigh component, using an optical scheme. After that, each scattering component is recorded, each of which passes through a separate optical fiber and enters a separate photodetector. Next, each registered scattering component is sent to an analog-to-digital converter via separate channels, after which each scattering component is converted into a digital reflectogram. Digital reflectograms of each scattering component are sent to the correction unit via separate channels. Based on the obtained reflectograms, the degree of fiber degradation is taken into account. As a result, the temperature is calculated based on the reflectogram, taking into account the degree of fiber degradation.
[0033] Генерация сфокусированного оптического излучения в направлении оптоволокна, подключенного к оптической схеме необходима для измерения температуры волоконно-оптическими методом. При этом подключение к оптической схеме, а также разделение сфокусированного оптического излучения на стоксовую, антистоксовую и рэлеевскую компоненты рассеяния при помощи оптической схемы необходимы для выделения компонент Рэлей, Стоке и Антистокс из оптического излучения посредством комбинационного рассеяния (эффекта Рамана). Благодаря выделению компоненты Рэлей становится возможным учитывать степень деградации оптоволокна, что, в свою очередь, позволяет достичь более высокой точности в последующем расчете температуры. Регистрация каждой компоненты, каждая из которых проходит по отдельному оптоволокну и попадает в отдельный фотоприемник, в последующем также позволяет вычислять температуру с учетом каждой компоненты, что, в свою очередь, повышает точность и достоверность измерений. Отправка каждой зарегистрированный компоненты в аналого-цифровой преобразователь оп отдельным каналам и преобразование рефлектограмм каждой зарегистрированной компоненты в цифровые рефлектограммы необходимо для последующей обработки данных цифровыми вычислительными средствами. Отправка цифровых рефтограмм в блок корректировки по отдельным каналам, а также учет степени деградации оптоволокна на основании полученных рефлектограмм необходимы для непосредственной коррекции искажений, возникших, в том числе, в результате деградации оптоволокна, в полученных рефлектограммах. Расчет температуры на основе рефлектограммы с учетом степени деградации оптоволокна необходим для повышения точности и достоверности вычисленной температуры.[0033] The generation of focused optical radiation in the direction of the optical fiber connected to the optical circuit is necessary for temperature measurement by the fiber optic method. In this case, connection to the optical scheme, as well as the separation of focused optical radiation into Stokes, anti-Stokes and Rayleigh scattering components using an optical scheme, is necessary to isolate the Rayleigh, Stokes and Anti-Stokes components from optical radiation by means of Raman scattering (Raman effect). By extracting the Rayleigh component, it becomes possible to take into account the degree of fiber degradation, which, in turn, makes it possible to achieve higher accuracy in the subsequent temperature calculation. Registration of each component, each of which passes through a separate optical fiber and enters a separate photodetector, subsequently also allows you to calculate the temperature taking into account each component, which, in turn, increases the accuracy and reliability of measurements. Sending each registered component to an analog-to-digital converter on separate channels and converting the reflectograms of each registered component into digital reflectograms is necessary for subsequent data processing by digital computing means. Sending digital refractograms to the correction unit via individual channels, as well as taking into account the degree of fiber degradation based on the received reflectograms, is necessary for direct correction of distortions that have arisen, including as a result of fiber degradation, in the received reflectograms. The calculation of temperature based on the reflectogram, taking into account the degree of degradation of the optical fiber, is necessary to improve the accuracy and reliability of the calculated temperature.
[0034] На этапе учета степени деградации оптоволокна могут осуществлять следующее. Сначала могут отправлять рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния в модуль алгебраической корректировки. Затем могут вычислять корректирующие коэффициенты на основании рефлектограммы стоксовой компоненты рассеяния. Вычисленные корректирующие коэффициенты могут отправлять в модуль нормировки и в блок расчета температуры. Также могут отправлять рефлектограммы каждой компоненты рассеяния в модуль нормировки и в модуль аппроксимации. После этого могут нормировать рефлектограмму каждой компоненты рассеяния. Нормированные рефлектограммы могут отправлять в модуль логарифмизации. Затем могут приводить размерности рефлектограмм каждой компоненты рассеяния в логарифмический масштаб. Нормированные рефлектограммы в логарифмическом масштабе могут отправлять в модуль вычисления отношения. Рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния могут делить на рефлектограмму антистоксовой компоненты рассеяния и вычислять результат деления. Для каждой полученной рефлектограммы в модуле аппроксимации могут вычислять функции, приближенные к полученной рефлектограмме, вычисляя таким образом шумовой паттерн. После этого могут отправлять вычисленный шумовой паттерн и результат деления стоксовой компоненты рассеяния на антистоксовую компоненту рассеяния в модуль вычитания шума. В нем могут вычитать из отношения стоксовой и антистоксовой компонент рассеяния шумовой паттерн. Так, возможно вычитать шумовой паттерн, вызванный деградацией оптоволокна, из рефлектограмм. При применении этого способа учета деградации оптоволокна температуру могут рассчитывать на основе корректировочных коэффициентов и рефлектограммы без шума. Таким образом, возможно еще больше повысить точность и достоверность расчета температуры.[0034] At the stage of considering the degree of degradation of the optical fiber, the following can be performed. First, the reflectogram of the Stokes scattering component can be sent to the algebraic correction module. Correction coefficients can then be calculated based on the reflectogram of the Stokes scattering component. The calculated correction factors can be sent to the normalization module and to the temperature calculation unit. They can also send reflectograms of each scattering component to the normalization module and to the approximation module. After that, the reflectogram of each scattering component can be normalized. Normalized reflectograms can be sent to the logarithmization module. Then, the dimensions of the reflectograms of each scattering component can be reduced to a logarithmic scale. Normalized reflectograms on a logarithmic scale can be sent to the ratio calculation module. The reflectogram of the Stokes scattering component can be divided by the reflectogram of the anti-Stokes scattering component and the result of division can be calculated. For each received reflectogram, the approximation module can calculate functions that are close to the received reflectogram, thus calculating the noise pattern. After that, the calculated noise pattern and the result of dividing the Stokes scattering component by the anti-Stokes scattering component can be sent to the noise subtraction module. It can subtract the noise pattern from the ratio of the Stokes and anti-Stokes scattering components. Thus, it is possible to subtract the noise pattern caused by fiber degradation from the traces. With this method of accounting for fiber degradation, the temperature can be calculated based on correction factors and a noise-free trace. Thus, it is possible to further improve the accuracy and reliability of the temperature calculation.
[0035] На этапе генерации сфокусированного оптического излучения могут генерировать излучение с частотой от 1 до 4 кГц и с длительностью от 2 до 80 не.[0035] At the stage of generating focused optical radiation, radiation with a frequency of 1 to 4 kHz and a duration of 2 to 80 ns can be generated.
[0036] После преобразования каждой компоненты рассеяния в цифровую рефлектограмму могут сохранять цифровую рефлектограмму в память аналого-цифрового преобразователя.[0036] After converting each scatter component to a digital trace, the digital trace may be stored in the memory of the analog-to-digital converter.
[0037] Параллельно с генерацией оптического излучения могут подавать электронный сигнал по электронной линии на аналого-цифровой преобразователь при помощи источника сфокусированного оптического излучения. Это может быть необходимо для автоматического запуска аналого-цифрового преобразователя при начале измерений.[0037] In parallel with the generation of optical radiation, an electronic signal can be supplied via an electronic line to an analog-to-digital converter using a source of focused optical radiation. This may be necessary to automatically start the analog-to-digital converter when measurements are started.
[0038] Также могут периодически опрашивать оптическую систему при помощи такового генератора источника сфокусированного оптического излучения.[0038] The optical system can also be interrogated periodically using such a generator of a source of focused optical radiation.
Описание чертежейDescription of drawings
[0039] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:[0039] The subject matter of the present application is described point by point and clearly stated in the claims. The objects, features and advantages of the invention mentioned above will be apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, which show:
[0040] На Фиг. 1 представлен схематичный вид системы коррекции искажений сигнала оптического излучения согласно настоящему изобретению.[0040] In FIG. 1 is a schematic view of an optical emission signal distortion correction system according to the present invention.
[0041] На Фиг. 2 представлен схематичный вид системы коррекции искажений сигнала оптического излучения согласно настоящему изобретению.[0041] In FIG. 2 is a schematic view of an optical emission signal distortion correction system according to the present invention.
[0042] На Фиг. 3 представлен схематичный вид системы коррекции искажений сигнала оптического излучения с дополнительными элементами согласно настоящему изобретению.[0042] In FIG. 3 is a schematic view of an optical emission signal distortion correction system with additional elements according to the present invention.
[0043] Данные фигуры поясняются следующими позициями:[0043] These figures are explained by the following positions:
Позиция 1 - источник сфокусированного оптического излучения;Position 1 - source of focused optical radiation;
Позиция 2 - оптическая схема;Position 2 - optical scheme;
Позиция 3 - оптоволокно;Position 3 - optical fiber;
Позиция 41- первый фотоприемник;Position 41 - the first photodetector;
Позиция 42 - второй фотоприемник;Position 42 - the second photodetector;
Позиция 43 - третий фотоприемник;Position 43 - the third photodetector;
Позиция 5 - аналого-цифровой преобразователь;Position 5 - analog-to-digital converter;
Позиция 6 - блок корректировки;Position 6 - correction block;
Позиция 61- модуль алгебраической корректировки;Position 61 - algebraic correction module;
Позиция 62 - модуль нормировки;Position 62 - normalization module;
Позиция 63 - модуль аппроксимации;Position 63 - approximation module;
Позиция 64 - модуль логарифмизации;Position 64 - logarithmization module;
Позиция 65 - модуль вычисления отношения;Position 65 - ratio calculation module;
Позиция 66 - модуль вычитания шума;Position 66 - noise subtraction module;
Позиция 7 - блок расчета температуры.Position 7 - temperature calculation block.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
[0044] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.[0044] In the following detailed description of an implementation of the invention, numerous implementation details are provided to provide a clear understanding of the present invention. However, it will be obvious to one skilled in the art how the present invention can be used, both with and without these implementation details. In other cases, well-known methods, procedures, and components are not described in detail so as not to unnecessarily obscure the features of the present invention.
[0045] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.[0045] In addition, from the foregoing it is clear that the invention is not limited to the above implementation. Numerous possible modifications, alterations, variations, and substitutions that retain the spirit and form of the present invention will be apparent to those skilled in the art.
[0046] Используемые в описании технического решения термины «модуль», «блок» и подобные используются для обозначения компьютерных сущностей, которые могут являться аппаратным обеспечением/оборудованием (например, устройством, инструментом, аппаратом, аппаратурой, составной частью устройства, например, процессором, микропроцессором, интегральной схемой, печатной платой, в том числе электронной печатной платой, макетной платой, материнской платой и т.д., микрокомпьютером и так далее), программным обеспечением (например, исполняемым программным кодом, скомпилированным приложением, программным модулем, частью программного обеспечения или программного кода и так далее) и/или микропрограммой (в частности, прошивкой). Так, например, блок может быть процессом, выполняющимся на процессоре (процессором), объектом, исполняемым кодом, программным кодом, файлом, программой/приложением, функцией, методом, (программной) библиотекой, подпрограммой, сопрограммой и/или вычислительным устройством (например, микрокомпьютером или компьютером) или комбинацией программных или аппаратных компонентов. Так, в частном случае, если блок является печатной платной с множеством подключенных друг к другу микропроцессоров и микроконтроллеров, модуль как раз представляет микропроцессор или микроконтроллер (или другой аппаратный элемент) с встроенной программой. В случае же, если блок является программой, то модуль может являться одной и функций этой программы. Блок/модуль может располагаться на одном вычислительном устройстве (например, микрокомпьютере, микропроцессоре, печатной плате и т.д.) и/или может быть распределен/разделен между несколькими вычислительными устройствами.[0046] As used in the description of a technical solution, the terms "module", "block" and the like are used to refer to computer entities that can be hardware / equipment (for example, a device, tool, apparatus, equipment, an integral part of a device, for example, a processor, microprocessor, integrated circuit, printed circuit board, including electronic printed circuit board, breadboard, motherboard, etc., microcomputer, and so on), software (for example, executable program code, compiled application, software module, piece of software or program code, etc.) and/or firmware (in particular, firmware). For example, a block can be a process running on a processor (processor), an object, an executable code, program code, a file, a program/application, a function, a method, a (software) library, a subroutine, a coroutine, and/or a computing device (e.g., microcomputer or computer) or a combination of software or hardware components. So, in a particular case, if the block is a printed circuit board with many microprocessors and microcontrollers connected to each other, the module just represents a microprocessor or microcontroller (or other hardware element) with a built-in program. If the block is a program, then the module can be one of the functions of this program. The block/module may reside on a single computing device (eg, microcomputer, microprocessor, printed circuit board, etc.) and/or may be distributed/shared among multiple computing devices.
[0047] На Фиг. 1 представлен схематичный вид системы коррекции искажений сигнала оптического излучения согласно настоящему изобретению. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения включает источник сфокусированного излучения 1, оптическую схему 2, три фотоприемника (41, 42, 43), аналого-цифровой преобразователь 5, блок корректировки 6 и блок расчета температуры 7. Причем, оптическая схема 2 подключена к источнику оптического излучения 1 посредством оптоволокна 3 и сконфигурирована с возможностью разделения сфокусированного оптического излучения на компоненты рассеяния: Сток, Антистокс и Рэлей. Каждый из фотоприемников (41, 42, 43) также подключен к оптической схеме 2 посредством оптоволокна 3. При этом первый фотоприемник 41 сконфигурирован с возможностью регистрации стоксовой компоненты рассеяния, второй 42 - антистоксовой компоненты, а третий 43 - рэлеевской компоненты рассеяния. Блок корректировки 6, в свою очередь, сконфигурирован с возможностью учета степени деградации оптоволокна 3, а блок расчета температуры 7 - с возможностью расчета температуры на основании рефлектограммы. Причем оптическая схема 2, три фотоприемника (41, 42, 43), аналого-цифровой преобразователь 5 и блок корректировки 6 соединены друг с другом тремя оптическими каналами, каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния. На Фиг. 1 сфокусированное оптическое излучение изображено сплошной волнистой линией, антистоксовая компонента рассеяния и каналы, по которым она распространяется, изображены штриховой линией, стоксовая компонента и каналы, по которым она распространяется, - штрихпунктирной линей, а рэлеевская компонента и соответствующие ей каналы передачи - штрихпунктирной линией с двумя точками.[0047] In FIG. 1 is a schematic view of an optical emission signal distortion correction system according to the present invention. The optical radiation signal distortion correction system includes a source of
[0048] На Фиг. 2 представлен схематичный вид системы, показанной на Фиг. 1, но с указанием типов передаваемых сигналов. Так, штриховой линией изображено передаваемое по оптоволокну 3 оптическое излучение; штрихпунктирной линией -зарегистрированный фотоприемниками (41, 42, 43) аналоговый сигнал для каждой компоненты рассеяния; а штрихпунктирной линией с двумя точками - цифровые данные, полученные в том числе благодаря преобразованию аналоговых рефлектограмм в цифровые с помощью аналого-цифрового преобразователя 5.[0048] In FIG. 2 is a schematic view of the system shown in FIG. 1, but indicating the types of transmitted signals. So, the dashed line shows the optical radiation transmitted through the
[0049] Представленная на Фиг. 1 и Фиг. 2 система позволяет осуществлять коррекцию спектрально зависимых потерь (искажений) в оптоволокне 3, связанных с неоднородной концентрацией водорода в оптоволокне 3, в рамках задач распределенной термометрии. В обычных условиях (не идеальных) при измерении температуры волоконно-оптическим методом возникают три неизвестные: потери в оптоволокне 3, температура оптоволокна 3 (измеряемая величина) и концентрация водорода. Именно водород, а именно атомарный водород, вызывает деградацию оптоволокна 3. Вследствие проникновения атомарного водорода нарушается кристаллическая решетка оптоволокна 3, что, в свою очередь, вызывает замутнения и приводит к шумам и потерям сигнала. Точное решение этой задачи возможно лишь при введении трех переменных, в качестве которых в настоящем изобретении используются рефлектограммы стоксовой, антистоксовой и рэлеевской компонент рассеяния. Использование третьей рефлектограммы при наличии спектра поглощения водорода позволяет оценить концентрацию водорода вдоль оптического волокна 3. Концентрация позволяет учесть вклад в коэффициент затухания для разных длин волн стокса и антистокса путем добавления поправки. Таким образом, крайне важным для достижения заявленного технического результата является использование трех отдельных каналов (в том числе оптоволоконных), каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния, а также возможность учета деградации оптоволокна 3 блоком корректировки 6.[0049] Shown in FIG. 1 and FIG. 2, the system makes it possible to correct spectrally dependent losses (distortions) in
[0050] Источник сфокусированного оптического излучения 1 необходим для генерации излучения, попадающего на оптоволокно 3. На этом основывается распределенная термометрия. Физические параметры измерения, такие как, например, температура, могут влиять на оптоволокна 3 и локально изменять характеристики светопропускания в оптоволокне 3. В результате затухания света в волокнах за счет рассеяния может быть определено местоположение внешнего физического воздействия, так что оптическое волокно 3 может быть использовано в качестве линейного датчика.[0050] A source of focused
[0051] В качестве источника сфокусированного оптического излучения 1 может использоваться лазер любого типа, способный генерировать сфокусированное видимое излучение. Помимо лазера могут использоваться и другие источники оптического излучения, в том числе расфокусированного, при условии, что расфокусированное излучение будет сначала направляться в дополнительную оптическую схему, сконфигурированную с возможностью фокусировки такого излучения. При этом важно отметить, что как в случае лазера, так и в случае иного источника, фокусировка должна быть такой, что ширина спектральной линии излучения одного порядка с диаметром оптоволокна 3. Так, сфокусированное излучение может полностью или практически полностью попадать на поверхность оптоволокна 3, благодаря чему возможно избежать значительных потерь оптического сигнала. При этом, источник сфокусированного оптического излучения 1 может быть сконфигурирован с возможностью генерации оптического излучения с частотой от 1 до 4 кГц и с длительностью от 2 до 80 не. При этом также возможно, чтобы оптическое излучение имело длину волны 1550 нм или 1000 нм.[0051] The source of focused
[0052] Оптоволокно 3, подключенное к оптической схеме 2, предпочтительно изготавливать из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой форму диоксида кремния (SiO2) с аморфной твердой структурой. Тепловые эффекты вызывают колебания решетки внутри твердого тела. Когда свет падает на эти термически возбужденные молекулярные колебания, происходит взаимодействие между частицами света (фотонами) и электронами молекулы. Рассеяние света, также известное как комбинационное рассеяние (эффект Рамана), происходит в оптическом волокне 3 при попадании на него сфокусированного оптического излучения, генерируемое источником сфокусированного оптического излучения 1. В отличие от падающего света, этот рассеянный свет претерпевает спектральный сдвиг на величину, эквивалентную резонансной частоте колебаний решетки. Таким образом, свет, рассеянный обратно от оптоволокна 3, содержит три различные спектральные доли: Рэлеевское рассеяние с длиной волны используемого источника сфокусированного оптического излучения 1; компоненты линии Стокса, излучаемой фотонами, чья длина волны сдвинута на более длинную длину волны относительно длины волны излучения источника сфокусированного оптического излучения 1 (более низкая частота); а компоненты линии Антистокса сдвинуты на более короткую длину волны (более высокая частота), чем рассеяние Рэлея, т.е. относительно длины волны излучения источника сфокусированного оптического излучения 1. Интенсивность так называемой антистоксовой компоненты зависит от температуры, в то время как стоксова компонента практически не зависит от температуры. Локальная температура оптического волокна 3 определяется соотношением антистоксовой и стоксовой интенсивностей света.[0052] The
[0053] Зачастую оптоволокно 3 изготавливается из кварца с большим количеством примесей. Однако, предпочтительно минимизировать количество примесей, т.к. они ускоряют деградацию используемого оптоволокна 3.[0053] Often the
[0054] Оптическая схема 2 может быть сконфигурирована различными известными способами и состоять из известных в данной области техники оптических элементов. Важно, чтобы при этом оптическая схема 2 была сконфигурирована с возможностью разделения каждой компоненты рассеяния по отдельным каналам. Это может быть реализовано, например, с помощью частотных фильтров, т.е. каждая из компонент имеет разную частоту излучения. Как уже было сказано ранее, именно выделение каждой компоненты и их отдельная передача по отдельным каналам позволяет сделать измерение температуры и последующий ее расчет более точным и достоверным.[0054]
[0055] Каждый из фотоприемников (41, 42, 43) сконфигурирован с возможностью регистрации поступающего на него оптического излучения. Они представляют собой «датчики света». Фотоприемники могут быть классифицированы по их механизму детектирования. Например, могут использоваться фотоэмиссионные или фотоэлектрические фотоприемники, полупроводниковые и другие. При этом предпочтительно, чтобы каждый из фотоприемников (41, 42, 43) был сконфигурирован с возможностью работы по одному одинаковому механизму детектирования. Так будет возможно избежать дополнительных искажений рефлектограмм, связанных с разными методами детектирования. Однако, фотоприемник, в целом, предназначен для преобразования поступающего на него оптического сигнала в электрический (аналоговый) сигнал. При этом в фотоприемник может дополнительно быть встроен усилитель сигнала.[0055] Each of the photodetectors (41, 42, 43) is configured to detect the optical radiation coming to it. They are "light sensors". Photodetectors can be classified according to their detection mechanism. For example, photoemission or photoelectric photodetectors, semiconductor and others can be used. At the same time, it is preferable that each of the photodetectors (41, 42, 43) be configured to operate on one identical detection mechanism. Thus, it will be possible to avoid additional distortions of reflectograms associated with different detection methods. However, the photodetector, in general, is designed to convert the optical signal incoming to it into an electrical (analogue) signal. In this case, a signal amplifier can be additionally built into the photodetector.
[0056] Аналого-цифровой преобразователь 5 (АЦП) представляет собой устройство, преобразующее входной аналоговый (непрерывный) сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). АЦП различаются разрешением и разрядностью. Предпочтительно применять АЦП с более высоким разрешением, т.к. так возможно будет снизить потерю данных, вызванную преобразованием. Это связано с тем, что любое преобразование непрерывного сигнала в дискретный влечет за собой потери. В целом, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре аналогового сигнала.[0056] Analog-to-digital converter 5 (ADC) is a device that converts the input analog (continuous) signal into a discrete code (digital signal). ADCs differ in resolution and bit depth. It is preferable to use an ADC with a higher resolution, because. so it will be possible to reduce the data loss caused by the conversion. This is due to the fact that any conversion of a continuous signal into a discrete one entails losses. In general, to uniquely reconstruct the original signal, the sampling rate must be more than twice the highest frequency in the analog signal spectrum.
[0057] Преобразование аналогового сигнала в цифровой позволяет осуществлять цифровую обработку данных. Это является крайне важной функцией системы, т.к. удаление шумового паттерна из аналогового сигнала является достаточно трудоемким. Цифровые и компьютеризированные методы выделения и удаления шумового паттерна из цифрового сигнала (цифровой рефлектограммы), в свою очередь, позволяют сделать это проще и точнее, что непосредственно влияет на точность и достоверность рассчитанной впоследствии температуры.[0057] Converting an analog signal to digital allows digital data processing. This is an extremely important function of the system, because Removing the noise pattern from an analog signal is quite laborious. Digital and computerized methods for extracting and removing a noise pattern from a digital signal (digital reflectogram), in turn, make it easier and more accurate, which directly affects the accuracy and reliability of the subsequently calculated temperature.
[0058] Блок корректировки 6 предназначен для расчета поправки. Поправка необходима для непосредственной коррекции искажений сигнала, связанных с деградацией оптоволокна 3. Для расчета этой поправки (удаления шумового паттерна из сигнала) используются все три рефлектограммы. При этом блок корректировки 6 может включать память, в которой хранятся база данных спектрально зависимых затуханий водорода (спектр поглощения водорода) для каждой из компонент рассеяния, а также база данных калибровочных коэффициентов. При этом вычисляются поправки для стоксовой и антистоксовой рефлектограмм. Использование третей рефлектограммы при наличии спектра поглощения водорода позволяет оценить концентрацию водорода вдоль оптического волокна 3. Концентрация позволяет учесть вклад в коэффициент затухания для разных длин волн стокса и антистокса, путем добавления поправки. Таким образом, рефлектограммы стокса и антистокса становятся более точными и достоверными, т.к. из них вычитается шумовой паттерн, связанный с деградацией оптоволокна 3.[0058]
[0059] Блок расчета температуры 7 получает на вход скорректированные рефлектограммы Стокса и Антистокса и рассчитывает температуру оптоволокна 3 на их основании.[0059] The
[0060] Система коррекции искажений сигнала оптического излучения, показанная на Фиг. 1 и Фиг. 2, работает следующим образом. Источник сфокусированного оптического излучения 1 генерирует сфокусированное оптическое излучение на оптоволокно 3. В оптоволокне 3 происходит комбинационное рассеяние оптического излучения. Обратное рассеяния содержит три компоненты: Стоке, Антистокс и Рэлей. В оптической схеме 2 они разделяются по трем отдельным, образованным оптоволокном 3, и попадают в фотоприемники (41, 42, 43). Там оптическое излучение регистрируется и преобразуется в электрический (аналоговый сигнал), который далее передают в аналого-цифровой преобразователь 5. В нем аналоговый сигнал преобразуется в цифровые рефлектограммы отдельно для каждой компоненты рассеяния. Цифровые рефлектограммы передают в блок корректировки 6 по отдельным каналам. Там из рефлектограмм Стокса и Антистокса убирают шумовой паттерн, вызванный деградацией оптоволокна 3 посредством вычисления поправки к рефлектограммам на основании рефлектограмм всех трех компонент рассеяния. Рефлектограммы Стокса и Антистокса без шумового паттерна передают в блок расчета температуры 7, где на основании их производят расчет температуры оптоволокна 3. Таким образом, в результате работы системы получают более точную и достоверную температуру в оптоволокне 3. Это, в свою очередь, позволяет продлить срок эксплуатации оптоволокна 3, т.к. при использовании иной системы для расчета температуры деградация оптоволокна 3 не учитывается при расчете температуры. Ввиду этого, когда оптоволокно 3 деградировало настолько, что погрешность измерений становится существенной, оптоволокно 3 заменяют на новое. В данной системе это не является необходимым, т.к. влияние деградации оптоволокна 3 не отражается на рефлектограммах, используемых при расчете. Так, если без учета деградации оптоволокна 3 его эксплуатацию осуществляют на протяжении одного-двух лет, то при учете степени деградации оптоволокна 3 становится возможным эксплуатировать одно и то же оптоволокно 3 по крайней мере три-пять лет в зависимости от процентного содержания водорода в среде измерения, например, в нефтяной скважине.[0060] The optical emission signal distortion correction system shown in FIG. 1 and FIG. 2 works as follows. The source of focused
[0061] Учет степени деградации оптоволокна 3 может осуществляться посредством нижеописанных модулей, включающихся в блок корректировки 6.[0061] Accounting for the degree of degradation of the
[0062] Блок корректировки 6 может включать модуль алгебраической корректировки 61, сконфигурированный с возможностью вычисления корректирующих коэффициентов рефлектограммы. Это позволяет произвести правильный сдвиг и наклон полученной рефлектограммы, что дополнительно увеличивает точность вычисляемой температуры на основании этой рефлектограммы.[0062] The
[0063] Также блок корректировки 6 может включать модуль нормировки 62, сконфигурированный с возможностью нормирования рефлектограммы. Это может позволить сравнивать данные из разных диапазонов значений, приводя их единому виду. Под нормированием понимается приведение диапазона значений в относительные единицы от 0 до 1.[0063] Also, the
[0064] Помимо этого, блок корректировки 6 может включать модуль аппроксимации 63, сконфигурированный с возможностью вычисления функции, приближенной к полученной рефлектограмме. Таким образом, может стать возможным вычесть приближенную функцию из полученной рефлектограммы, в результате чего можно получить шумовой паттерн для каждой отдельной рефлектограммы. Причем, вычисленная функция может являться кривой, спадающей по логарифму. Это может позволить вычислить наиболее приближенную функцию. Также возможно аппроксимировать рефлектограммы полиномами, однако, аппроксимация полиномами будет являться менее точной, т.к. рефлектограммы данных компонент более близки к логарифмической зависимости.[0064] In addition, the
[0065] Блок корректировки 6 может включать также и модуль логарифмизации 64, сконфигурированный с возможностью приведения размерности рефлектограммы в логарифмический масштаб. Это позволяет привести размерность рефлектограммы в условные единицы.[0065] The
[0066] Также блок корректировки 6 может включать модуль вычисления отношения 65, сконфигурированный с возможностью деления рефлектограммы стоксовой компоненты рассеяния на рефлектограмму антистоксовой компоненты рассеяния и вычисления результата деления. Помимо этого, блок корректировки 6 может включать модуль вычитания шума 66, сконфигурированный с возможностью вычета шума из результата деления. Причем, блок расчета температуры 7 при наличии этих блоков (65, 66) может дополнительно быть сконфигурирован с возможностью расчета температуры на основании рефлектограммы без шума и корректирующих коэффициентов. Так становится возможным вычислять температуру с большей точностью, т.к. расчет температуры производят на основании рефлектограмм без шумового паттерна.[0066] Also, the
[0067] В целом, вычисление шумового паттерна может производиться и иными способами, например, посредством сопоставления полученных рефлектограмм с эталонными рефлектограммами и вычитанию эталонных из полученных. Однако, в том случае необходимо проводить измерения в одинаковых условиях одновременно с помощью оптоволокна, подвергшегося деградации и впервые эксплуатируемого оптоволокна. Тогда также предпочтительно, чтобы эталонное оптоволокно и измерительное оптоволокно состояли из кварца с долей примесей не более 10%.[0067] In general, the calculation of the noise pattern can be performed in other ways, for example, by comparing the received reflectograms with the reference reflectograms and subtracting the reference ones from the received ones. However, in this case it is necessary to carry out measurements under the same conditions simultaneously with the degraded fiber and the first-time used fiber. Then it is also preferable that the reference fiber and the measuring fiber consist of quartz with an impurity content of not more than 10%.
[0068] Аналого-цифровой преобразователь 5 может дополнительно включать память, сконфигурированную с возможностью сохранения и накопления полученных рефлектограмм. Это может быть необходимо в случае, если обработку рефлектограмм и расчет температуры осуществляют позднее. Также это может быть необходимо, если к системе подключен механизм машинного обучения. Тогда, при помощи машинного обучения будет возможно анализировать рефлектограммы, вычисленный на их основании шумовой паттерн, а также рассчитанную на их основании температуру, благодаря чему системой со временем будет достигаться еще более высокая точность и достоверность измерений.[0068] The analog-to-
[0069] Также источник сфокусированного излучения 1 может быть дополнительно подключен к аналого-цифровому преобразователю 5 посредством электронной линии. Это может быть необходимо для автоматического запуска аналого-цифрового преобразователя 5 при начале измерений. Это может быть важно в том случае, если источник сфокусированного оптического излучения 1, оптическая схема 2 и фотоприемники (41, 42, 43) пространственно отдалены от аналого-цифрового преобразователя 5. Например, если первые три упомянутых элемента находятся в среде измерения температуры или в непосредственной близости от нее, а аналого-цифровой преобразователь 5 расположен удаленно. Так при запуске источника сфокусированного оптического излучения 1 он будет посылать соответствующий сигнал на аналого-цифровой преобразователь 5, содержащий команду запуска.[0069] Also, the source of
[0070] Помимо этого, источник сфокусированного оптического излучения 1 может дополнительно включать тактовый генератор, сконфигурированный с возможностью опроса оптической схемы 2. Этот опрос может производиться с заранее определенной и заданной частотой.[0070] In addition, the source of focused
[0071] На Фиг. 3 представлен схематичный вид системы коррекции искажений сигнала оптического излучения со всеми вышеперечисленными дополнительными элементами, согласно настоящему изобретению. Система коррекции искажений сигнала оптического излучения включает источник сфокусированного излучения 1, оптическую схему 2, три фотоприемника (41, 42, 43), аналого-цифровой преобразователь 5, блок корректировки 6 и блок расчета температуры 7. Причем, оптическая схема 2 подключена к источнику оптического излучения 1 посредством оптоволокна 3 и сконфигурирована с возможностью разделения сфокусированного оптического излучения на компоненты рассеяния: Сток, Антистокс и Рэлей. Каждый из фотоприемников (41, 42, 43) также подключен к оптической схеме 2 посредством оптоволокна 3. При этом первый фотоприемник 41 сконфигурирован с возможностью регистрации стоксовой компоненты рассеяния, второй 42 - антистоксовой компоненты, а третий 43 - рэлеевской компоненты рассеяния. Блок корректировки 6, в свою очередь, сконфигурирован с возможностью учета степени деградации оптоволокна 3, а блок расчета температуры 7 - с возможностью расчета температуры на основании рефлектограммы. Причем оптическая схема 2, три фотоприемника (41, 42, 43), аналого-цифровой преобразователь 5 и блок корректировки 6 соединены друг с другом тремя оптическими каналами, каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния. Источник сфокусированного оптического излучения 1 дополнительно подключен к аналого-цифровому преобразователю 5. При этом блок корректировки 6 включает модуль алгебраической корректировки 61, модуль нормировки 62, модуль аппроксимации 63, модуль логарифмизации 64, модуль вычисления отношения 65 и модуль вычитания шума 66. Причем аналого-цифровой преобразователь 5 подключен к модулю нормировки 62 посредством трех каналов, каждый из которых предназначен для отдельной компоненты рассеяния, а модуль нормировки 62, в свою очередь, подключен к модулю логарифмизации 64 аналогичным образом по трем отдельным каналам. При этом аналого-цифровой преобразователь также подключен к модулю аппроксимации 63 по трем отдельным каналам и к модулю алгебраической корректировки 61 по каналу стоксовой компоненты рассеяния. Модуль аппроксимации 63, в свою очередь, подключен к модулю вычитания шума 66. Модуль логарифмизации 64 подключен к модулю вычисления отношения 65, а модуль вычисления отношения 65 - к модулю вычитания шума 66. Модуль вычитания шума 66 и модуль алгебраической корректировки 61 подключены к блоку расчета температуры 7. На Фиг. 3 сфокусированное оптическое излучение изображено сплошной волнистой линией, антистоксовая компонента рассеяния и каналы, по которым она распространяется, изображены штриховой линией, стоксовая компонента и каналы, по которым она распространяется, - штрихпунктирной линей, а рэлеевская компонента и соответствующие ей каналы передачи - штрихпунктирной линией с двумя точками.[0071] In FIG. 3 is a schematic view of an optical distortion correction system with all the above additional elements, according to the present invention. The optical radiation signal distortion correction system includes a source of
[0072] Система коррекции искажений сигнала оптического излучения, показанная на Фиг. 3, работает следующим образом. Источник сфокусированного оптического излучения 1 генерирует сфокусированное оптическое излучение на оптоволокно 3 и параллельно подает электронный сигнал запуска на аналого-цифровой преобразователь 5. В оптоволокне 3 происходит комбинационное рассеяние оптического излучения. Обратное рассеяния содержит три компоненты: Стоке, Антистокс и Рэлей. В оптической схеме 2 они разделяются по трем отдельным, образованным оптоволокном 3, и попадают в фотоприемники (41, 42, 43). Там оптическое излучение регистрируется и преобразуется в электрический (аналоговый сигнал), который далее передают в аналого-цифровой преобразователь 5. В нем аналоговый сигнал преобразуется в цифровые рефлектограммы отдельно для каждой компоненты рассеяния. Цифровые рефлектограммы передают в блок корректировки 6 по отдельным каналам, а именно в модуль нормировки 62 и в модуль аппроксимации 63. Также параллельно в модуль алгебраической корректировки 61 отправляют рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния по каналу передачи стоксовой компоненты. В модуль нормировки 62 рефлектограммы нормируют и передают в модуль логарифмизации 63, где рефлектограммы приводят в логарифмический масштаб. Оттуда их передают в модуль вычисления отношения 65, в котором вычисляют отношение рефлектограммы стокса и антистокса. Вычисленное отношение затем передают в модуль вычитания шума 66. В модуле аппроксимации 63 производят вычисление функции, спадающей по логарифму и приближенной к полученным рефлектограммам, вычитают ее из полученных рефлектограмм и вычисляют таким образом шумовой паттерн. Вычисленный шумовой паттерн отправляют в модуль вычитания шума 66. В модуле вычитания шума вычитают шумовой паттерн из отношения стокса к антистоксу. В модуле алгебраической корректировки 61, в свою очередь, на основании полученной рефлектограммы стокса вычисляют корректирующие коэффициенты для рефлектограмм, а именно сдвиг и наклон. Вычисленные корректирующие коэффициенты, а также отношение стокса к антистоксу без шумового паттерна отправляют в блок расчета температуры 7. Там на основании полученных данных производят расчет температуры оптоволокна 3. Таким образом, в результате работы системы получают более точную и достоверную температуру в оптоволокне 3. Это, в свою очередь, позволяет продлить срок эксплуатации оптоволокна 3, т.к. при использовании иной системы для расчета температуры деградация оптоволокна 3 не учитывается при расчете температуры. Ввиду этого, когда оптоволокно 3 деградировало настолько, что погрешность измерений становится существенной, оптоволокно 3 заменяют на новое. В данной системе это не является необходимым, т.к. влияние деградации оптоволокна 3 не отражается на рефлектограммах, используемых при расчете. Так, если без учета деградации оптоволокна 3 его эксплуатацию осуществляют на протяжении одного-двух лет, то при учете степени деградации оптоволокна 3 становится возможным эксплуатировать одно и то же оптоволокно 3 по крайней мере три-пять лет в зависимости от процентного содержания водорода в среде измерения, например, в нефтяной скважине.[0072] The optical emission signal distortion correction system shown in FIG. 3 works as follows. The source of focused
[0073] Важно отметить, что дополнительные элементы системы, описанные выше, могут использоваться в системе коррекции искажений сигнала оптического излучения как по отдельности, все вместе, так и в любом сочетании. Помимо этого, могут использоваться и иные элементы. При этом будут достигаться дополнительные технические результаты и дополнительные улучшения. Учет степени деградации оптоволокна 3 может быть реализован и посредством других операций над рефлектограммами, однако, как уже говорилось ранее, важным является выделение рэлеевской компоненты рассеяния.[0073] It is important to note that the additional elements of the system described above can be used in the optical radiation signal distortion correction system either individually, all together, or in any combination. In addition, other elements may be used. This will achieve additional technical results and additional improvements. Accounting for the degree of
[0074] Также заявленный технический результат достигается способом коррекции искажений сигнала оптического излучения. Согласно способу, сначала генерируют сфокусированное оптическое излучение в направлении оптоволокна 3, подключенного к оптической схеме 2. Затем разделяют сфокусированное оптическое излучение на стоксовую, антистоксовую и рэлеевскую компоненты рассеяния при помощи оптической схемы. После этого регистрируют каждую компоненту рассеяния, каждая из которых проходит по отдельному оптоволокну 3 и попадает в отдельный фотоприемник (41, 42, 43). Далее отправляют каждую зарегистрированную компоненту рассеяния в аналого-цифровой преобразователь 5 по отдельным каналам, после чего преобразуют каждую компоненту рассеяния в цифровую рефлектограмму. Цифровые рефлектограммы каждой компоненты рассеяния отправляют в блок корректировки 6 по отдельным каналам. На основании полученных рефлектограмм учитывают степень деградации оптоволокна 3. В результате рассчитывают температуру на основе рефлектограммы с учетом степени деградации оптоволокна 3.[0074] Also, the claimed technical result is achieved by a method for correcting optical radiation signal distortions. According to the method, first, focused optical radiation is generated in the direction of
[0075] На этапе учета степени деградации оптоволокна 3 могут осуществлять следующее. Сначала могут отправлять рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния в модуль алгебраической корректировки 61. Затем могут вычислять корректирующие коэффициенты на основании рефлектограммы стоксовой компоненты рассеяния. Вычисленные корректирующие коэффициенты могут отправлять в модуль нормировки 62 и в блок расчета температуры 7. Также могут отправлять рефлектограммы каждой компоненты рассеяния в модуль нормировки 62 и в модуль аппроксимации 63. После этого могут нормировать рефлектограмму каждой компоненты рассеяния. Нормированные рефлектограммы могут отправлять в модуль логарифмизации 64. Затем могут приводить размерности рефлектограмм каждой компоненты рассеяния в логарифмический масштаб. Нормированные рефлектограммы в логарифмическом масштабе могут отправлять в модуль вычисления отношения 65. Рефлектограмму стоксовой компоненты рассеяния могут делить на рефлектограмму антистоксовой компоненты рассеяния и вычислять результат деления. Для каждой полученной рефлектограммы в модуле аппроксимации 63 могут вычислять функции, приближенные к полученной рефлектограмме, вычисляя таким образом шумовой паттерн. После этого могут отправлять вычисленный шумовой паттерн и результат деления стоксовой компоненты рассеяния на антистоксовую компоненту рассеяния в модуль вычитания шума 66. В нем могут вычитать из отношения стоксовой и антистоксовой компонент рассеяния шумовой паттерн. Так, возможно вычитать шумовой паттерн, вызванный деградацией оптоволокна 3, из рефлектограмм. При применении этого способа учета деградации оптоволокна 3 температуру могут рассчитывать на основе корректировочных коэффициентов и рефлектограммы без шума. Таким образом, возможно еще больше повысить точность и достоверность расчета температуры.[0075] At the stage of considering the degree of degradation of the
[0076] На этапе генерации сфокусированного оптического излучения могут генерировать излучение с частотой от 1 до 4 кГц и с длительностью от 2 до 80 не. Важно при этом, чтобы длина волны излучения была больше, чем характерный размер изменения плотности сердцевины оптоволокна 3. В противном случае, комбинационное рассеяние не будет иметь места, ввиду чего будет невозможным измерение температуры.[0076] At the stage of generating focused optical radiation, radiation with a frequency of 1 to 4 kHz and a duration of 2 to 80 ns can be generated. It is important that the radiation wavelength be greater than the characteristic size of the change in the density of the core of the
[0077] После преобразования каждой компоненты рассеяния в цифровую рефлектограмму могут сохранять цифровую рефлектограмму в память аналого-цифрового преобразователя 5. Это может быть необходимо в случае, если обработку рефлектограмм и расчет температуры осуществляют позднее. Также это может быть необходимо, если к системе подключен механизм машинного обучения. Тогда, при помощи машинного обучения будет возможно анализировать рефлектограммы, вычисленный на их основании шумовой паттерн, а также рассчитанную на их основании температуру, благодаря чему системой со временем будет достигаться еще более высокая точность и достоверность измерений. Однако, если обработка осуществляется сразу и в способе не предполагается машинное обучение, то рефлектограммы возможно хранить лишь во временной памяти на время их обработки и расчета температуры на их основании.[0077] After converting each scattering component into a digital trace, the digital trace can be stored in the memory of the analog-to-
[0078] Параллельно с генерацией оптического излучения могут подавать электронный сигнал по электронной линии на аналого-цифровой преобразователь 5 при помощи источника сфокусированного оптического излучения 1. Это может быть необходимо для автоматического запуска аналого-цифрового преобразователя 5 при начале измерений. Благодаря этому становится возможным упросить процесс запуска и избежать рассинхронизации. Так, например, при отсутствии автоматического запуска могут быть потеряны данные, направленные в аналого-цифровой преобразователь 5, если он был отключен.[0078] In parallel with the generation of optical radiation, an electronic signal can be supplied via an electronic line to the analog-to-
[0079] Также могут периодически опрашивать оптическую схему 2 при помощи такового генератора источника сфокусированного оптического излучения 1.[0079] They can also periodically interrogate the
[0080] Вышеописанные дополнительные этапы способа коррекции искажений сигнала оптического излучения могут использоваться в способе коррекции искажений сигнала оптического излучения как по отдельности, все вместе, так и в любом сочетании. Помимо этого, могут использоваться и иные этапы. При этом будут достигаться дополнительные технические результаты и дополнительные улучшения. Учет степени деградации оптоволокна 3 может быть реализован и посредством других операций над рефлектограммами, однако, как уже говорилось ранее, важным является выделение рэлеевской компоненты рассеяния.[0080] The above-described additional steps of the optical radiation signal distortion correction method can be used in the optical radiation signal distortion correction method either individually, all together, or in any combination. In addition, other steps may be used. This will achieve additional technical results and additional improvements. Accounting for the degree of
[0081] Также важно отметить, что все дополнительные этапы способа могут считаться дополнительными для функционирования системы этапами. Аналогично все дополнительные элементы системы могут применяться для реализации способа.[0081] It is also important to note that all additional steps of the method can be considered additional steps for the operation of the system. Similarly, all additional elements of the system can be used to implement the method.
[0082] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.[0082] The present application materials provide a preferred disclosure of the implementation of the claimed technical solution, which should not be used as limiting other, private embodiments of its implementation, which do not go beyond the scope of the requested legal protection and are obvious to specialists in the relevant field of technology.
Claims (46)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2800632C1 true RU2800632C1 (en) | 2023-07-25 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7585107B2 (en) * | 2006-01-17 | 2009-09-08 | Weatherford/Lamb, Inc. | Corrected DTS measurements based on Raman-Stokes signals |
| US7890280B2 (en) * | 2007-07-20 | 2011-02-15 | Lios Technology Gmbh | Method and a system for determining a physical property as a function of position |
| US8005323B2 (en) * | 2003-02-12 | 2011-08-23 | Sensornet Limited | Method and apparatus for generation and transmission of high energy optical pulses for long range measurements |
| US8858069B2 (en) * | 2010-06-22 | 2014-10-14 | Yokogawa Electric Corporation | Optical fiber temperature distribution measuring device |
| JP2015114227A (en) * | 2013-12-12 | 2015-06-22 | 横河電機株式会社 | Optical fiber temperature distribution measurement device |
| RU2626078C1 (en) * | 2016-10-27 | 2017-07-21 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | Method of measuring distribution of mechanical deformations by length of optical fiber |
| US11280687B2 (en) * | 2018-08-31 | 2022-03-22 | Viavi Solutions Inc. | Dual wavelength distributed temperature sensing with built-in fiber integrity monitoring |
| EP4097422A1 (en) * | 2020-01-31 | 2022-12-07 | Fotech Group Limited | Distributed optical fibre sensor |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8005323B2 (en) * | 2003-02-12 | 2011-08-23 | Sensornet Limited | Method and apparatus for generation and transmission of high energy optical pulses for long range measurements |
| US7585107B2 (en) * | 2006-01-17 | 2009-09-08 | Weatherford/Lamb, Inc. | Corrected DTS measurements based on Raman-Stokes signals |
| US7890280B2 (en) * | 2007-07-20 | 2011-02-15 | Lios Technology Gmbh | Method and a system for determining a physical property as a function of position |
| US8858069B2 (en) * | 2010-06-22 | 2014-10-14 | Yokogawa Electric Corporation | Optical fiber temperature distribution measuring device |
| JP2015114227A (en) * | 2013-12-12 | 2015-06-22 | 横河電機株式会社 | Optical fiber temperature distribution measurement device |
| RU2626078C1 (en) * | 2016-10-27 | 2017-07-21 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | Method of measuring distribution of mechanical deformations by length of optical fiber |
| US11280687B2 (en) * | 2018-08-31 | 2022-03-22 | Viavi Solutions Inc. | Dual wavelength distributed temperature sensing with built-in fiber integrity monitoring |
| EP4097422A1 (en) * | 2020-01-31 | 2022-12-07 | Fotech Group Limited | Distributed optical fibre sensor |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| /QEL16436. - EDN UXTGWJ. * |
| Ultralong fibre-optic distributed Raman temperature sensor / A. G. Kuznetsov, D. S. Kharenko, S. A. Babin [et al.] // Quantum Electronics. - 2017. - Vol. 47, No. 10. - P. 967-970. - * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7742892B2 (en) | Calibrating an optical FMCW backscattering measurement system | |
| JP5983779B2 (en) | Gas absorption spectroscopy apparatus and gas absorption spectroscopy method | |
| US8858069B2 (en) | Optical fiber temperature distribution measuring device | |
| GB2414796A (en) | Optical wavelength determination using multiple measurable features | |
| JP4421229B2 (en) | Fiber Bragg Grating Physical Quantity Measuring Method and Apparatus | |
| Dyer et al. | Fundamental limits in fiber Bragg grating peak wavelength measurements | |
| KR102022730B1 (en) | Spectral characteristic measurement apparatus and spectral characteristic measurement method | |
| GB2453264A (en) | Optical fiber temperature distribution measuring apparatus, optical fiber temperature distribution measuring method and system | |
| JP5347983B2 (en) | Gas analyzer | |
| JP7215060B2 (en) | Spectroscopic analysis light source, spectroscopic analysis device and spectroscopic analysis method | |
| US9002152B2 (en) | Mitigation of radiation induced attenuation | |
| RU2800632C1 (en) | System and method for correcting optical radiation signal distortions | |
| JP5351742B2 (en) | Method for measuring dust concentration in gas and operation method for combustion equipment | |
| JP4175870B2 (en) | Optical fiber grating physical quantity measurement system | |
| Zhang et al. | Improving spatial resolution in fiber Raman distributed temperature sensor by using deconvolution algorithm | |
| JP2016191628A (en) | Gas analysis system | |
| US11041803B2 (en) | Feed-forward spectral calibration methodology for line-scanned tunable laser absorption spectroscopy | |
| Jiang et al. | Highly sensitive FBG temperature measurement based on a wavelength pumped multiplexing filter and two optical channels | |
| Bogachkov | Improved data processing algorithms in Brillouin reflectometers for determining the strain of optical fibers | |
| JP7192626B2 (en) | Temperature measuring device, temperature measuring method and temperature measuring program | |
| RU2701182C1 (en) | Sensitive element polling device | |
| Grigor’Ev et al. | Quasi-distributed measuring system based on bragg sensors of mechanical stress with increased sample rate | |
| JP2004163154A (en) | Wavelength-measuring apparatus | |
| Kim et al. | Demodulation of FBG sensors embedded in a fiber optic Sagnac loop | |
| CN110806396A (en) | Gas concentration compensation device and method |