CZ308822B6 - Distribuovaný optický vláknový senzorický systém - Google Patents
Distribuovaný optický vláknový senzorický systém Download PDFInfo
- Publication number
- CZ308822B6 CZ308822B6 CZ2019628A CZ2019628A CZ308822B6 CZ 308822 B6 CZ308822 B6 CZ 308822B6 CZ 2019628 A CZ2019628 A CZ 2019628A CZ 2019628 A CZ2019628 A CZ 2019628A CZ 308822 B6 CZ308822 B6 CZ 308822B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- coupler
- photodetector
- interferometer
- electric
- sensor system
- Prior art date
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 38
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 23
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 16
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 8
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/247—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet using distributed sensing elements, e.g. microcapsules
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Distribuovaný optický vláknový senzorický systém je složen ze dvou jednotek – hlavní a vzdálené. Hlavní jednotka obsahuje první vazební člen (11) a druhý vazební člen (12), přičemž první vazební člen (11) zajišťuje interferenci signálů z referenčního a snímacího ramene šířících se CCW směrem, frekvenčně posunutý od nosné frekvence laserového zdroje (2) záření. Přes jeden vstupní port prvního vazebního členu (11) je navázán signál z laserového zdroje (2) záření napájeného napájecím modulem (5) do obou ramen interferometru. Druhý vazební člen (12) slouží k získání odraženého výsledku CW interferometru od reflektoru (17), jeho detekci prvním fotodetektorem (3) a k získání přesného frekvenčního posunu generovaného pomocí akusto-optického modulátoru (15) a oscilátoru (16) ve vzdálené jednotce. Oba signály, jak filtrovaný z prvního fotodetektoru (3), tak demodulovaný signál z druhého fotodetektoru (4) jsou propojeny s řídicí jednotkou (1), kde dochází k jejich digitalizaci a zpracování.
Description
Distribuovaný optický vláknový senzorický systém
Oblast techniky
Technické řešení se týká distribuovaného optického vláknového systému na principu duálního Machova-Zehnderova interferometru umožňující lokalizaci událostí za využití jednoho páru optických vláken. Systém nalezne uplatnění jako distribuovaný akustický senzor sloužící k ochraně perimetrů a spadá do oblasti optoelektrických vláknových senzorů.
Dosavadní stav techniky
Distribuované optické vláknové senzory spadají do kategorie intrinsických senzorů a jsou charakteristické tím, že modulace světla snímaným jevem probíhá přímo v optickém vlákně, zatímco je světlo vláknem vedeno. V současné době se ke snímání akustických/mechanických vibrací v okolí optických vláken využívá hlavně technik na principu reflektometrie, nebo na principu interferometrie. V případně reflektometrických systémů jsou to Rayleighův rozptyl a Brillouinův rozptyl, u interferometrických systémů využívají systémy Machova-Zehnderova, Michelsonova, případně Sagnacova interferometru. Právě interferometrické systémy jsou konstrukčně jednodušší a nabízí vyšší citlivost, nicméně pro lokalizaci události je nutné využít tří samostatných vláken nebo kombinaci více zapojení, což je značně neekonomické a neefektivní.
Při vhodném zapojení distribuované systémy umožňují detekci a lokalizaci událostí v blízkém okolí optických vláken/kabelů na vzdálenost až sto kilometrů s rozlišením desítky metrů, přestože je hloubka uložení mnohdy až jeden metr.
Současný výzkum se tedy převážně zaměřuje na optimalizaci zapojení, redukci frekvenčního šumu, zvětšení dosahu systému, optimalizaci v oblasti zpracování dat apod. Výhoda použití rozptylových jevů, ať už Rayleighův nebo Brillouinův rozptyl, jev relativně snadné lokalizaci události, využití pouze jednoho standardního telekomunikačního vlákna pro měření a v možnosti měření pouze z jedné strany vlákna. Nevýhodou je pak vysoká komplexnost zapojení a složité signálové zpracování, což má za následek vysoké pořizovací náklady. Typicky systémy pracují do vzdálenosti 40 až 100 km s prostorovým rozlišením 1 až 100 metrů. Rozlišovací schopnost tlaku/deformace vlákna běžně dosahuje hodnot 0,1 με3 při frekvenčním rozsahu 0,01 až 50 kHz.
Interferometry pracují na principu interference, což znamená, že se porovnává rozdíl šíření drah optického svazku mezi měřicím a referenčním ramenem. Fáze světla se může měnit při působení vnějších vlivů na optické vlákno, proto je možné změny fáze světla využít pro detekci fyzikálních veličin, jako jsou například i akustické vibrace, či elektromagnetické signály. Mezi nejběžnější zapojení patří Machův-Zehnderův interferometr a Michelsonův interferometr.
Použití Machova-Zehnderova interferometru (MZI) pro měření vibrací našlo velké využití z důvodu jednoduchého zapojení. MZI je považován za cenově efektivní řešení distribuovaného optického vláknového snímání. Zdrojem světlaje obvykle vysoce koherentní laserová dioda, dále zapojení obsahuje vazební člen pro rozdělení světelného paprsku do dvou ramen. Vnější vibrace jsou aplikovány na měřicí rameno, zatímco referenční rameno je izolováno od vnějších vibrací. Změny délky a indexu lomu tedy způsobují fázovou modulaci mezi měřicím ramenem a referenčním ramenem. Následně se fázové modulace převedou na modulaci intenzity pomocí druhého vazebního členu a převedou na elektrický signál pomocí fotodetektoru. V základním zapojení je možné pouze detekovat události. Aby bylo možné lokalizovat místo vzniku události je nutné kombinovat MZI s jinou metodou. Běžné je například zapojení duálního MZI. U duálního MZI je signál rovnoměrně rozdělen do dvou cest — CW (clockwise) a CCW (counterclockwise), přičemž u CW je signál navázán přímo a u CCW je signál navázán z opačného konce vlákna. Jakmile se na měřicí rameno přivede vnější vibrace, vytvoří se v odpovídajícím bodě fázová změna
- 1 CZ 308822 B6 mezi oběma rameny. Na obou koncích jsou signály přijímány fotodetektory. Díky tomu, že na stejná vlákna jsou nasazeny dva interferometry šířící se protichůdně, může být bod vibrací, kde dochází k vnějším vibracím, dopočítán. Aby mohl být signál navázán z opačného konce vlána, je nutné použít třetí vlákno, které slouží jen k transportu optického svazku na druhý konec interferometru.
Michelsonův interferometr (MI) je stejně jako Machův-Zehnderův interferometr široce používanou technikou. Typické zapojení MI používá signál z vysoce koherentního laserového zdroje, který je prostřednictvím prvního vazebního členu rozdělen na dva paprsky, které jsou navázány do dvou vláken - referenční a měřicí. Na konci vláken jsou umístěny FRM (Farrday rotator mirror) zrcátka, na kterých jsou signály odraženy zpět a následně jsou rekombinovány ve stejném vazebním členu. Důležité je, aby rozdíl optických drah mezi těmito dvěma paprsky byl menší než koherenční délka laseru. Stejně jako u Machova-Zehnderova interferometru není možné v základním zapojení určit lokaci vzniklé události, proto je nutná kombinace s jinou metodou.
Výhoda použití optických vláknových interferometrů je v relativně snadném zapojení i následném signálovém zpracování. Nevýhodou však je složitá lokalizace události, kdy je nutné použít tří samostatných telekomunikačních vláken nebo kombinovat více metod, což má za následek vysoké náklady. Typicky systémy pracují do vzdálenosti 50 až 200 km s prostorovým rozlišením 1 až 100 metrů. Frekvenční rozsah je omezen pouze parametry použitých komponent.
Ve světě existují společnosti nabízející systémy pro detekci akustických/mechanických vibrací, jako např.:
- nej významnější společnost v oblasti distribuovaných optických vláknových systémů nabízí několik typů systémů pro měření až do vzdálenosti 100 km. Všechny jsou převážně určeny pro ropný a těžařský průmysl;
- další významný představitel v oblasti snímaní na dlouhé vzdálenosti pro ropovody, plynovody, apod. snímá namáhání a teplotu pomocí Brillouinova rozptylu;
- další řešení umožňuje detekci napětí a teploty podél optického vlákna na vzdálenost 30 km s využíváním Brillouinova roptylu;
- další řešení umožňuje detekci napětí podél optického vlákna na vzdálenost 20 km s využíváním Rayleighova rozptylu;
- další řešení umožňuje detekci napětí podél optického vlákna na vzdálenost až 50 km s využíváním Rayleighova rozptylu.
Řešení zmiňovaná například v dokumentu US 8923663 B2 Hill et al využívají reflektometrické zapojení na principu Rayleighova rozptylu pro měření akustických vibrací v okolí optických vláken. Zařízení pracuje se dvěma rozdílnými prostorovými rozlišeními. Vysílací i přijímací části systému jsou modifikovány tak, aby bylo možné detekovat dvě prostorová rozlišení, například změnou trvání pulsů nebo pomocí prostorového rozlišení. První i druhé prostorové rozlišení lze navíc generovat simultánně nebo sekvenčně. Tyto systémy obsahují nákladné komponenty. Řešení využívá složitý systém generování dvou vstupních pulsů, což má za následek i složité a nákladné zpracování.
Je rovněž známé řešení dle GB 2289331 A Jackson, které slouží k měření teploty a tlaku v okolí optických vláken. Řešení navrhuje použití páru vláken v zapojení do smyčky, čímž de facto vzniká Sagnacův interferometr. Zapojení využívá složitého generátoru stimulovaného Brillouinovského rozptylu, který generuje frekvenčně posunuté pulsy šířící se opačným směrem než hlavní signál. Tím vzniká duální Sagnacův interferometr. Značnou nevýhodou Sagnacova interferometru je citlivost na změny, jako jsou i akcelerace nebo rotace, kde i pohyb Země může ovlivňovat výsledné
-2 CZ 308822 B6 měření. Další nevýhodou řešení je omezení minimální délky vlákna z důvodu nutnosti generování Brillouinova rozptylu.
Podstata vynálezu
Jak již bylo uvedeno, hlavním nedostatkem interferometrických systémů v základním provedení je nemožnost lokalizace události v základním zapojení a nutnost kombinace více technik, nebo nutnost využití tří vláken v případě požadavku na lokalizaci. Tyto nedostatky řeší distribuovaný optický vláknový senzorický systém na principu duálního Machova-Zehnderova interferometru s využitím frekvenčního posuvu nemodulovaného CCW signálu, podle tohoto vynálezu. Systém se skládá z hlavní a vzdálené jednotky. Hlavní zařízení obsahuje první a druhý optický vazební člen, vzdálená jednotka obsahuje třetí a čtvrtý optický vazební člen. Výstup prvního vazebního členu je spojen se vstupy druhého a třetího vazebního členu za pomocí referenčního a snímacího vlákna. Současně je na vstupu propojen s prvním detektorem záření a se zdrojem vysoce koherentního záření, který je opatřen drátovým komunikačním rozhraním obsahujícím bezpečnostní prvky pro vypnutí zdroje záření v případě rozpojení smyčky interlock a je napájen ze stabilního zdroje napětí. Druhý vstup druhého vazebního členu je propojen s druhým detektorem a výstup je propojen se vstupem čtvrtého vazebního členu. Najeden výstup čtvrtého vazebního členu je připojen reflektor, který odráží výstup CW interferometru zpět do hlavní jednotky. Druhý výstup je propojen s výstupem akusto-optického modulátoru, který je řízen oscilátorem odpovídající frekvence a posouvá frekvenci laseru o frekvenci oscilátoru. O napájení oscilátoru se stará napájecí modul. Vstup akusto-optického modulátoru je připojen na výstup třetího vazebního členu. Podstatou nového řešení je, že signál pro CCW interferometr není na vzdálený konec přenášen dedikovaným vláknem, ale pomocí třetího vazebního členu je vydělena část signálu z CW interferometru. Tento signál je následně posunut o definovanou frekvenci za využití akusto-optického modulátoru a přes čtvrtý vazební člen je tento nový signál navázán do referenčního a snímacího vlákna. Tím je vytvořen CCW interferometr.
V případě vzniku události v okolí optického kabelu dojde k detekci události u obou interferometrů, jak CW, tak CCW. Vzhledem k rozdílnému směru šíření obou interferometrů lze pomocí vzorce dopočítat lokaci vzniklé události. Výhodou navrhovaného řešení je rovněž umístění výstupů z obou interferometrů v hlavní vysílací jednotce, čímž je zajištěna správná synchronizace výstupů.
Ve výhodném provedení je řídicí jednotka včetně modulu drátového komunikačního rozhraní a akvizičního modulu tvořena jednodeskovým průmyslovým počítačem bez pohyblivých částí.
Napájecí modul je s výhodou redundantní.
S výhodou lze využít jeden pár optických vláken ze stejného optického kabelu.
Výhodou takto realizovaného duálního interferometru pro detekci a lokalizaci událostí v okolí optických vláken je, že oproti běžně komerčně dostupným systémům využívá pouze jednoho páru optických vláken a obsahuje pouze jeden zdroj vysoce koherenčního záření. Ostatní optické komponenty, tedy vazební členy, detektory, reflektor a akusto-optický modulátor jsou navíc dobře integrovatelné. V předkládaném řešení, je stejně jako u US 8923663 B2 i GB 2289331 A použit zdroj vysoce koherenčního záření. Stejně jako US 8923663 B2 navrhované řešení využívá akustooptický modulátor, nicméně zapojení neobsahuje žádné optické vláknové zesilovače, které limitují spektrální použitelnost, a vysoce citlivé detektory, které obojí zvyšují náklady na realizaci systému. Na rozdíl od GB 2289331 A navrhované řešení není limitováno minimální délkou vlákna a neobsahuje složitý generátor stimulovaného Brillouinovského rozptylu. Použité komponenty jsou navíc komerčně dostupné od mnoha výrobců a splňují náročné požadavky obvyklé pro bezpečnostní průmysl. Zařízení dále neobsahuje žádné nákladné vysokofrekvenční elektrické obvody a nevznikají problémy s elektromagnetickou kompatibilitou. Zařízení dále umožňuje
-3CZ 308822 B6 nasazení na vlákna s aktivním datovým přenosem, jelikož CW i CCW interferometry mohou být provozovány pouze v jednom DWDM kanále i při minimální šířce kanálu 50 GHz.
Objasnění výkresů
Podstata uvedeného řešení je dále vysvětlena a popsána na konkrétním příkladu provedení s pomocí připojeného výkresu, který znázorňuje blokové schéma zařízení v jeho nej úplnějším provedení. Na přiloženém výkrese jsou plnými čarami naznačena optická propojení a přerušovanými čarami propojení elektrická.
Příklady uskutečnění vynálezu
Zapojení distribuovaného optického vláknového senzorického systému na principu duálního Machova-Zehnderova interferometru s využitím frekvenčního posuvu CCW signálu je uvedeno na přiloženém výkrese ve formě blokového schéma. Zařízení tak, jak je nakresleno, je určeno pro monitorování akustických/mechanických vibrací v blízkém okolí optického kabelu, ve kterém jsou umístěna, jak referenční, tak snímací vlákno. Vzdálená jednotka zajišťuje odraz CW interferenčního obrazce zpět do hlavní jednotky a současně je zde pomocí akusto-optického modulátoru vytvářen frekvenční posun nosné frekvence laseru pro CCW interferometr. Technika dvou interferometrů totiž umožňuje určit lokaci místa vibrace díky známé rychlosti šíření signálů optickým vláknem. Detekce výstupů obou interferometrů v hlavní jednotce zajišťuje i přesnou synchronizaci obou signálů. Zařízení pak lze využít pro detekci, lokalizaci, případně i klasifikaci událostí s vysokou přesností.
Zařízení je složeno ze dvou interferometrů pracujících proti sobě a využívající pouze jeden zdroj 2 záření. První interferometr, CW, obsahuje první vazební člen 11. který slouží k rozdělení a navázání signálu z laserového zdroje 2 záření, připojeného na první vstup vazebního členu 11. do dvou ramen interferometru. Čtvrtý vazební člen 14 ve vzdálené jednotce zajišťuje rekombinaci signálů z referenčního a snímacího ramene přivedené na první a druhý port a díky připojenému reflektoru 17 na třetí port je výsledný modulovaný signál odražen zpět do obou ramen interferometru pro následné zpracování v hlavní řídicí jednotce 1. Aby nedošlo k další rekombinaci již modulovaného signálu v prvním vazebním členu 11, je tento signál vydělen ve druhém vazebním členu 12 a přiveden na první fotodetektor 3. Základní signál pro druhý interferometr, CCW, je získán vydělením části signálu z jednoho ramene CW interferometru za pomoci třetího vazebního členu 13. Získaný signál je frekvenčně posunut v akusto-optickém modulátoru 15 o frekvenci danou externím oscilátorem 16 napájeného z napájecího modulu 18. Nový frekvenčně posunutý signál je přes čtvrtý port čtvrtého vazebního členu 14 navázán do dvou ramen interferometru. Rekombinace výsledného signálu CCW interferometru probíhá v prvním vazebním členu JT, na jehož druhý port je připojen druhý fotodetektor 4, který zajišťuje konverzi optické signálu na signál elektrický.
Zapojení distribuovaného optického vláknového senzorického systému je tvořeno jak optickou částí, tak částí elektrickou. Základem je, že obě jednotky obsahují napájecí moduly potřebného napájení pro jednotlivé optoelektrické a elektrické komponenty. První napájecí modul 5 zajišťuje napájení hlavní řídicí jednotky 1, laserového zdroje 2 záření a prvního fotodetektoru 3 a druhého fotodetektoru 4, zatímco druhý napájecí modul slouží k napájení pouze oscilátoru.
Optické signály z obou interferometrů jsou detekovány na prvním fotodetektoru 3 a druhém fotodetektoru 4 a následně jsou převedeny do elektrické podoby. V případě CW interferometru obsahuje signál na prvním fotodetektoru 3 i frekvenčně posunutý signál interferometru CCW, který je od hlavní frekvence posunut v rozsahu desítek MHz. Proto není možné filtraci provést v optické doméně a je nutné provést filtraci až za prvním fotodetektorem 3, tedy v elektrické doméně. Výsledný signál je nutné filtrovat od frekvenčně posunutého signálu pomocí druhého filtru 7 typu
-4CZ 308822 B6 dolní propust a digitalizovat v řídicí jednotce 1. Vzhledem ktomu, že frekvence posunutého signálu vyděleného z jednoho ramene senzorického systému odpovídá frekvenci generované oscilátorem 16, je možné elektrickým rozbočovačem 10 vydělit část signálu a s výhodou tento signál po filtraci prvním filtrem 8 typu pásmová propust využít jako lokální oscilátor pro demodulaci výsledného CCW signálu ve frekvenčním mixeru 9. Signál ze CCW interferometru je rovněž nutné filtrovat od signálu prvního interferometru pomocí třetího filtru 6 typu pásmová propust, navíc je nutné provést demodulaci, tedy posun do základního pásma, k čemuž slouží frekvenční mixer 9. Výsledný demodulovaný signál je nutné digitalizovat v řídicí jednotce 1 pro následné zpracování.
Řídicí jednotka 1 je napájena z napájecího modulu 5, který může být v jednom možném výhodném provedení redundantní. Řídicí jednotka 1 je vybavena modulem drátového komunikačního rozhraní a může být, jak bylo již uvedeno, s výhodou tvořena jednodeskovým průmyslovým počítačem bez pohyblivých částí.
V jednom výhodném provedení reflektor 17 otáčí polarizaci odraženého signálu, a tak dochází k minimalizaci vlivu polarizace na užitečný signál. V dalším výhodném provedení je oscilátor 16 tepelně stabilizován, čím se sníží kolísání jeho výstupní frekvence. Ještě v dalším výhodném provedení jsou použity nenákladné první fotodetektory 3 a druhé fotodetektory 4, jejichž šířka pásma odpovídá pouze frekvenci oscilátoru 16.
Výhodné je také provedení, ve kterém vhodným výběrem šířky pásma prvních filtrů 8, druhých filtrů 7 a třetích filtrů 6 se zvýší strmost výsledné filtrace, a tedy se navýší odstup signálu šumu (SNR) a to tak, že třetí elektrický filtr 6 a první filtr 8 mají shodnou šířku pásma, například 20 MHz a současně druhý elektrický filtr 7 má šířku pásma stejnou právě 20 MHz, přičemž frekvence oscilátoru nesmí být menší než 40 MHz.
Ve výhodném provedení pracují elektrický směšovač signálů - frekvenční mixer 9 a elektrický rozbočovač 10 na frekvenci oscilátoru 16 a frekvencí vibrací působící najedno nebo obě ramena interferometru, aby bylo možné vhodně demodulovat signál.
Také je výhodné provedení, které minimalizuje nároky na laserový zdroj 2 a tím jeho cenu, ve kterém se rozdíl délky prvního ramene a druhého ramene interferometru co nejvíce blíží, v krajním případě rovná koherenční délce laserového zdroje 2.
Řídicí jednotka 1 obsahuje software, který měří napěťové úrovně získané na jednotlivých prvních fotodetektorech 3 a druhých fotodetektorech 4, Software detekuje vznik nových událostí v blízkosti optických vláken tímto způsobem: pokud je na prvním fotodetektoru 3 detekována změna výkonu, pak je provedena frekvenční analýza signálu. Totéž platí pro druhý fotodetektor 4. V případě detekce signálů o stejných frekvencích na vstupu obou prvním fotodetektoru 3 a druhém fotodetektoru 4, dojde ke zjištění časového rozdílu mezi detekovanými signály. Ze známé rychlosti světla šířícího se optickým vláknem a z časového rozdílu mezi detekovanými signály z jednotlivých prvním fotodetektoru 3 a druhém fotodetektoru 4, lze následně určit polohu nově vzniklé události. Z frekvenční charakteristiky lze rovněž klasifikovat nově vzniklou událost. Díky podmínce detekce události oběma interferometry současně je zajištěna minimalizace falešně pozitivních alarmů. Software řídicí jednotky 1 zpřístupňuje informace o výkonech a časových značkách přes drátové komunikační rozhraní nadřízenému systému.
Průmyslová využitelnost
Toto technické řešení je průmyslově dobře využitelné zejména pro monitoring akustických/mechanických vibrací v blízkém okolí telekomunikačních optických kabelů, na vláknech s aktivním datovým provozem. Díky použití kontinuálního záření o malém výkonu nedochází k interakci s datovým provozem ve vedlejších kanálech. S využitím vzdálené jednotky
-5CZ 308822 B6 je vytvořen protichůdně se šířící signál frekvenčně posunutý od nosného signálu laseru, čímž je vytvořen druhý interferometr ve stejném páru optických vláken, čímž je umožněna lokalizace událostí. Ve srovnání se známými řešeními zařízení využívá pouze jeden pár vláken, kromě laseru s dostatečně dlouhou koherenční délkou neobsahuje žádné nákladné a složité komponenty a je využitelné ve všech pracovních vlnových délkách použitých vláken. Technické řešení zahrnuje také vzdálený monitoring včetně sledování zpracovávaných optických signálů. Navržené řešení je založeno na běžně dostupných komponentech.
Claims (5)
1. Distribuovaný optický vláknový senzorický systém složený ze dvou jednotek - hlavní a vzdálené, kde hlavní jednotka obsahuje první vazební člen (11) a druhý vazební člen (12), první fotodetektor (3) a druhý fotodetektor (4), laserový zdroj (2) záření, první napájecí modul (5) a řídicí jednotku (1) a vzdálená jednotka obsahuje třetí vazební člen (13) a čtvrtý vazební člen (14) a jednotky jsou propojeny prvním ramenem a druhým ramenem interferometru, přičemž laserový zdroj (2) záření je spojen s prvním vazebním členem (11), který je dále spojen se vstupem druhého fotodetektoru (4), druhým vazebním členem (12) a prvním ramenem interferometru a druhý vazební člen (12) je propojen se vstupem prvního fotodetektoru (3) a druhým ramenem interferometru a dále první rameno interferometru je propojeno se třetím vazebním členem (13) a řídicí jednotka (1) je propojena s laserovým zdrojem (2) záření a napájecí modul (5) je propojen s prvním fotodetektorem (3) a druhým fotodetektorem (4), s řídicí jednotkou (1) a dále s laserovým zdrojem (2) záření, vyznačující se tím, že hlavní jednotka dále obsahuje elektrický rozbočovač (10), první elektrický filtr (8) typu pásmová propust, druhý elektrický filtr (7) typu dolní propust, třetí elektrický filtr (6) typu pásmová propust a elektrický frekvenční mixer (9) a vzdálená jednotka dále obsahuje čtvrtý vazební člen (14), reflektor (17), akusto-optický modulátor (15), oscilátor (16) a druhý napájecí modul (18), přičemž výstup prvního fotodetektoru (3) je připojen ke vstupu elektrického rozbočovače (10), jeho první výstup je připojen ke vstupu druhého elektrického filtru (7) a druhý výstup elektrického rozbočovače (10) je připojen k prvnímu vstupu elektrického frekvenčního mixeru (9), kde výstup druhého fotodetektoru (4) je připojen ke vstupu třetího elektrického filtru (6) a jeho výstup je připojen ke druhému vstupu elektrického frekvenčního mixeru (9) a výstup druhého elektrického filtru (7) je připojen k řídicí jednotce (1) a výstup elektrického frekvenčního mixeru (9) je také připojen k řídicí jednotce (1) a dále čtvrtý vazební člen (14) je propojen s prvním ramenem interferometru a dále se třetím vazebním členem (13) a akusto-optickým modulátorem (15), přičemž třetí vazební člen (13) je dále propojen s reflektorem (17) a s akusto-optickým modulátorem (15) a výstup druhého napájecího modulu (18) je připojen na vstup oscilátoru (16) avýstup oscilátoru (16) je připojen na vstup akusto-optického modulátoru (15).
2. Distribuovaný optický vláknový senzorický systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že reflektor (17) je nastaven pro otáčení polarizace odraženého světla o 90°.
3. Distribuovaný optický vláknový senzorický systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že první napájecí modul (5) a druhý napájecí modul (18) jsou redundantní.
4. Distribuovaný optický vláknový senzorický systém podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že oscilátor (16) je tepelně stabilizovaný.
5. Distribuovaný optický vláknový senzorický systém podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že šířka pásma prvního fotodetektoru (3) a druhého fotodetektoru (4) odpovídá frekvenci generované oscilátorem (16).
6. Distribuovaný optický vláknový senzorický systém podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že první elektrický filtr (8) a třetí elektrický filtr (6) mají shodnou šířku pásma 20 MHz a současně druhý elektrický filtr (7) má shodnou šířku pásma 20 MHz, přičemž frekvence oscilátoru (16) není menší než 40 MHz.
7. Distribuovaný optický vláknový senzorický systém podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že elektrický frekvenční mixer (9) a elektrický rozbočovač (10) pracují na frekvenci oscilátoru (16) a frekvencí vibrací působící najedno nebo obě ramena interferometru.
-7 CZ 308822 B6
8. Distribuovaný optický vláknový senzorický systém podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že řídicí jednotka (1) je tvořena jednodeskovým průmyslovým počítačem bez pohyblivých částí.
5 9. Distribuovaný optický vláknový senzorický systém podle kteréhokoliv z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že rozdíl délky prvního ramene a druhého ramene interferometru se blíží koherenční délce laserového zdroje (2) záření.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2019628A CZ308822B6 (cs) | 2019-10-09 | 2019-10-09 | Distribuovaný optický vláknový senzorický systém |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2019628A CZ308822B6 (cs) | 2019-10-09 | 2019-10-09 | Distribuovaný optický vláknový senzorický systém |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2019628A3 CZ2019628A3 (cs) | 2021-04-21 |
| CZ308822B6 true CZ308822B6 (cs) | 2021-06-16 |
Family
ID=75488670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2019628A CZ308822B6 (cs) | 2019-10-09 | 2019-10-09 | Distribuovaný optický vláknový senzorický systém |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ308822B6 (cs) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4552457A (en) * | 1983-02-01 | 1985-11-12 | Giallorenzi Thomas G | Fiber optic interferometer using two wavelengths or variable wavelength |
| JP2004061407A (ja) * | 2002-07-31 | 2004-02-26 | Hitachi Cable Ltd | マッハ・ツェンダ干渉計光センサ |
| CN104316106A (zh) * | 2014-10-28 | 2015-01-28 | 天津理工大学 | 一种基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器 |
| US20190011253A1 (en) * | 2016-03-29 | 2019-01-10 | Tianjin University | Distributed measuring device and method for simultaneously measuring strain and temperature based on optical frequency domain reflection |
-
2019
- 2019-10-09 CZ CZ2019628A patent/CZ308822B6/cs unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4552457A (en) * | 1983-02-01 | 1985-11-12 | Giallorenzi Thomas G | Fiber optic interferometer using two wavelengths or variable wavelength |
| JP2004061407A (ja) * | 2002-07-31 | 2004-02-26 | Hitachi Cable Ltd | マッハ・ツェンダ干渉計光センサ |
| CN104316106A (zh) * | 2014-10-28 | 2015-01-28 | 天津理工大学 | 一种基于马赫增德尔干涉和光纤布拉格光栅的光纤传感器 |
| US20190011253A1 (en) * | 2016-03-29 | 2019-01-10 | Tianjin University | Distributed measuring device and method for simultaneously measuring strain and temperature based on optical frequency domain reflection |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2019628A3 (cs) | 2021-04-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sun et al. | Distributed fiber-optic vibration sensor using a ring Mach-Zehnder interferometer | |
| EP2435796B1 (en) | Optical sensor and method of use | |
| CN102538846B (zh) | 一种传感光纤位置计算方法 | |
| US8873064B2 (en) | Fiber-optic disturbance detection using combined Michelson and Mach-Zehnder interferometers | |
| US10162245B2 (en) | Distributed acoustic sensing system based on delayed optical hybrid phase demodulator | |
| US8395782B2 (en) | Detection and location of boundary intrusion, using composite variables derived from phase measurements | |
| CN102506913B (zh) | 干涉型光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法 | |
| AU2020102296A4 (en) | A distributed optical fiber sensing system based on heterodyne detection technology | |
| CN101441092B (zh) | 基于相干光时域反射技术的周界防护传感定位系统 | |
| CN110864714B (zh) | 基于Michelson-Sagnac光纤干涉仪的分布式传感系统 | |
| CN101625258B (zh) | 基于马赫-泽德干涉仪的光纤振动传感系统及传感方法 | |
| CN103575379B (zh) | 随机位置点光纤分布式声波传感器 | |
| CN105371941B (zh) | 基于光环形器的分布式光纤振动传感检测方法 | |
| RU2530244C2 (ru) | Распределенная когерентная рефлектометрическая система с фазовой демодуляцией (варианты) | |
| CN111780859A (zh) | 一种分布式光纤传感检测系统 | |
| CN110806259A (zh) | 一种用于光纤传感高频扰动定位与检测的装置 | |
| CN102496231B (zh) | 长距离干线安全光纤波分复用式预警系统 | |
| CZ308822B6 (cs) | Distribuovaný optický vláknový senzorický systém | |
| CZ34280U1 (cs) | Distribuovaný optický vláknový senzorický systém | |
| CN115901043A (zh) | 基于分布式光纤传感的电力电缆外力监测系统及方法 | |
| CN212391107U (zh) | 一种分布式光纤传感检测系统 | |
| He et al. | Distributed vibration sensing with high frequency response based on frequency division multiplexing | |
| CN110058198A (zh) | 一种基于分布式光纤传感器的水下定位方法 | |
| AU2015201357B2 (en) | Optical sensor and method of use | |
| Wu et al. | A novel Sagnac fiber optic sensor employing time delay estimation for distributed detection and location |