CZ34280U1 - Distributed optical fibre sensor system - Google Patents
Distributed optical fibre sensor system Download PDFInfo
- Publication number
- CZ34280U1 CZ34280U1 CZ2019-36722U CZ201936722U CZ34280U1 CZ 34280 U1 CZ34280 U1 CZ 34280U1 CZ 201936722 U CZ201936722 U CZ 201936722U CZ 34280 U1 CZ34280 U1 CZ 34280U1
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- coupler
- photodetector
- interferometer
- electric
- sensor system
- Prior art date
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims description 36
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 13
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 2
- 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
- 230000001902 propagating effect 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
- G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
Distribuovaný optický vláknový senzorický systémDistributed optical fiber sensor system
Oblast technikyField of technology
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.The technical solution relates to a distributed optical fiber system based on the principle of a dual Mach-Zehnder interferometer enabling the localization of events using one pair of optical fibers. The system finds application as a distributed acoustic sensor used to protect perimeters and falls into the field of optoelectric fiber sensors.
Dosavadní stav technikyPrior art
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.Distributed optical fiber sensors fall into the category of intrinsic sensors and are characterized in that the modulation of light by the sensed phenomenon takes place directly in the optical fiber while the light is guided through the fiber. At present, techniques based on the principle of reflectometry or the principle of interferometry are mainly used to detect acoustic / mechanical vibrations in the vicinity of optical fibers. In the case of reflectometric systems it is Rayleigh scattering and Brillouin scattering, in interferometric systems they use Mach-Zehnder, Michelson or Sagnac interferometer systems. It is the interferometric systems that are structurally simpler and offer higher sensitivity, however, it is necessary to use three separate fibers or a combination of multiple connections to locate the event, which is very uneconomical and inefficient.
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.With the right connection, distributed systems enable the detection and localization of events in the immediate vicinity of optical fibers / cables at a distance of up to one hundred kilometers with a resolution of tens of meters, although the storage depth is often up to one meter.
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.The current research is mainly focused on connection optimization, frequency noise reduction, increasing system range, optimization in data processing, etc. The advantage of using scattering phenomena, whether Rayleigh or Brillouin scattering, the phenomenon of relatively easy event localization measurement and in the possibility of measuring only from one side of the fiber. The disadvantage is the high complexity of the connection and the complex signal processing, which results in high acquisition costs. Typically, the systems operate up to a distance of 40 to 100 km with a spatial resolution of 1 to 100 meters. The fiber pressure / deformation resolution normally reaches values of 0.1 με 3 in the frequency range 0.01 to 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.The interferometers work on the principle of interference, which means that the difference in the propagation of the optical beam paths between the measuring and the reference arm is compared. The phase of the light can change under the influence of external influences on the optical fiber, therefore it is possible to use the changes of the light phase for the detection of physical quantities, such as acoustic vibrations or electromagnetic signals. The most common connections are the Mach-Zehnder interferometer and the Michelson interferometer.
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 au CCW je signál navázán z opačného konce vlákna. Jakmile se na měřicí rameno přivede vnější vibrace, vytvoří se v odpovídajícím bodě fázováThe use of a Mach-Zehnder interferometer (MZI) for measuring vibrations has found great use due to its simple connection. MZI is considered a cost-effective solution for distributed optical fiber scanning. The light source is usually a highly coherent laser diode, further the circuit comprises a coupling member for dividing the light beam into two arms. External vibrations are applied to the measuring arm, while the reference arm is isolated from external vibrations. Thus, changes in length and refractive index cause phase modulation between the measuring arm and the reference arm. Subsequently, the phase modulations are converted to intensity modulations by means of a second coupler and converted into an electrical signal by means of a photodetector. In the basic connection, it is only possible to detect events. In order to locate the place of occurrence of the event, it is necessary to combine the MZI with another method. For example, the involvement of a dual MZI is common. In dual MZI, the signal is evenly divided into two paths - CW (clockwise) and CCW (counterclockwise), while in CW the signal is bound directly and in CCW the signal is bound from the opposite end of the fiber. As soon as an external vibration is applied to the measuring arm, a phase is created at the corresponding point
- 1 CZ 34280 U1 změna 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.- 1 CZ 34280 U1 change between both arms. At both ends, signals are received by photodetectors. Due to the fact that two interferometers propagating opposite each other are mounted on the same fibers, the vibration point where external vibrations occur can be calculated. In order for the signal to be coupled from the opposite end of the wave, it is necessary to use a third fiber, which only serves to transport the optical beam to the other end of the interferometer.
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.The Michelson interferometer (MI), like the Mach-Zehnder interferometer, is a widely used technique. A typical MI circuit uses a signal from a highly coherent laser source, which is split into two beams via a first coupler, which are connected to two fibers - a reference and a measuring. At the end of the fibers, FRM (Farrday rotator mirror) mirrors are placed, on which the signals are reflected back and subsequently recombined in the same coupler. It is important that the difference in optical paths between the two beams be less than the coherence length of the laser. As with the Mach-Zehnder interferometer, it is not possible to determine the location of the event in the basic circuit, so a combination with another method is necessary.
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.The advantage of using optical fiber interferometers is the relatively easy connection and subsequent signal processing. However, the disadvantage is the complex location of the event, when it is necessary to use three separate telecommunication fibers or combine several methods, which results in high costs. Typically, the systems operate at a distance of 50 to 200 km with a spatial resolution of 1 to 100 meters. The frequency range is limited only by the parameters of the components used.
Ve světě existují společnosti nabízející systémy pro detekci akustických/mechanických vibrací, jako např.:There are companies in the world offering systems for detecting acoustic / mechanical vibrations, such as:
- 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.- the most important company in the field of distributed optical fiber systems offers several types of systems for measuring up to a distance of 100 km. All are mainly intended for the oil and mining industry.
- další významný představitel v oblasti snímaní na dlouhé vzdálenosti pro ropovody, plynovody apod. snímá namáhání a teplotu pomocí Brillouinova rozptylu;- another important representative in the field of long-distance sensing for oil and gas pipelines, etc., senses stress and temperature using Brillouin scattering;
- další řešení umožňuje detekci napětí a teploty podél optického vlákna na vzdálenost 30 km s využíváním Brillouinova roptylu;- another solution allows the detection of voltage and temperature along the optical fiber at a distance of 30 km using Brillouin's roptyl;
- další řešení umožňuje detekci napětí podél optického vlákna na vzdálenost 20 km s využíváním Rayleighova rozptylu;- another solution allows the detection of voltage along the optical fiber at a distance of 20 km using Rayleigh scattering;
- další řešení umožňuje detekci napětí podél optického vlákna na vzdálenost až 50 km s využíváním Rayleighova rozptylu.- another solution allows the detection of stress along the optical fiber at a distance of up to 50 km using Rayleigh scattering.
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.The solutions mentioned, for example, in US 8923663 B2 Hill et al use a Rayleigh scattering reflectometric circuit to measure acoustic vibrations in the vicinity of optical fibers. The device works with two different spatial resolutions. The transmitting and receiving parts of the system are modified so that two spatial resolutions can be detected, for example by changing the pulse duration or by using spatial resolution. In addition, the first and second spatial resolutions can be generated simultaneously or sequentially. These systems contain expensive components. The solution uses a complex system of generating two input pulses, which results in complex and expensive processing.
Je rovněž známé řešení dle GB 2289331 B 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 SagnacovaThere is also a known solution according to GB 2289331 B Jackson, which is used to measure the temperature and pressure around optical fibers. The solution proposes the use of a pair of fibers in a loop, which de facto creates a Sagnac interferometer. The circuit uses a complex generator of stimulated Brillouin scattering, which generates frequency-shifted pulses propagating in the opposite direction to the main signal. This creates a dual Sagnac interferometer. A significant disadvantage of Sagnacova
-2 CZ 34280 U1 interferometru je citlivost na změny, jako jsou i akcelerace nebo rotace, kde i pohyb Země může ovlivňovat výsledné měření. Další nevýhodou řešení je omezení minimální délky vlákna z důvodu nutnosti generování Brillouinova rozptylu.-2 CZ 34280 U1 interferometer is the sensitivity to changes such as acceleration or rotation, where the movement of the Earth can affect the resulting measurement. Another disadvantage of the solution is the limitation of the minimum fiber length due to the need to generate Brillouin scattering.
Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution
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 technického řešení. 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.As already mentioned, the main disadvantage of interferometric systems in the basic embodiment is the impossibility of locating an event in the basic circuit and the necessity of combining several techniques, or the necessity of using three fibers in case of localization requirement. These shortcomings are solved by a distributed optical fiber sensor system based on the principle of a dual Mach-Zehnder interferometer using the frequency shift of the unmodulated CCW signal, according to this technical solution. The system consists of a master and a remote unit. The main device includes first and second optical couplers, the remote unit includes third and fourth optical couplers. The output of the first coupler is connected to the inputs of the second and third couplers by means of a reference and sensing fiber. At the same time, it is connected at the input to the first radiation detector and to a source of highly coherent radiation, which is provided with a wired communication interface containing safety elements for switching off the radiation source in case of interlock loop interruption and is supplied from a stable voltage source. The second input of the second coupler is connected to the second detector and the output is connected to the input of the fourth coupler. A reflector is connected to one output of the fourth coupler, which reflects the output of the CW interferometer back to the main unit. The second output is connected to the output of the acousto-optical modulator, which is controlled by an oscillator of the corresponding frequency and shifts the laser frequency by the frequency of the oscillator. The power supply of the oscillator is taken care of by the power supply module. The input of the acousto-optical modulator is connected to the output of the third coupler. The essence of the new solution is that the signal for the CCW interferometer is not transmitted to the far end by a dedicated fiber, but a part of the signal from the CW interferometer is divided by the third coupler. This signal is then shifted by a defined frequency using an acousto-optical modulator, and this new signal is coupled to the reference and sensing fibers via a fourth coupler. This creates a CCW interferometer.
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.In the event of an event in the vicinity of the optical cable, the event will be detected on both interferometers, both CW and CCW. Due to the different direction of propagation of both interferometers, the location of the event can be calculated using a formula. The advantage of the proposed solution is also the location of the outputs from both interferometers in the main transmission unit, which ensures the correct synchronization of the outputs.
Ve výhodném provedení je řídící jednotka včetně modulu drátového komunikačního rozhraní a akvizičního modulu tvořena jednodeskovým průmyslovým počítačem bez pohyblivých částí.In a preferred embodiment, the control unit, including the wired communication interface module and the acquisition module, is formed by a single-board industrial computer without moving parts.
Napájecí modul je s výhodou redundantní.The power supply module is preferably redundant.
S výhodou lze využít jeden pár optických vláken ze stejného optického kabelu.Advantageously, one pair of optical fibers from the same optical cable can be used.
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 B použit zdroj vysoce koherenčního záření. Stejně jako US 8923663 B2 navrhované řešení využívá akusto-optický 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 B 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 vysokofrekvenčníThe advantage of such a dual interferometer for detecting and locating events in the vicinity of optical fibers is that, compared to commonly commercially available systems, it uses only one pair of optical fibers and contains only one source of highly coherent radiation. In addition, the other optical components, i.e. the couplers, the detectors, the reflector and the acousto-optical modulator, can be easily integrated. In the present solution, as in US 8923663 B2 and GB 2289331 B, a source of highly coherent radiation is used. Like US 8923663 B2, the proposed solution uses an acousto-optical modulator, however, the circuit does not include any optical fiber amplifiers that limit spectral applicability and highly sensitive detectors, both of which increase the cost of implementing the system. Unlike GB 2289331 B, the proposed solution is not limited by the minimum fiber length and does not include a complex generator of stimulated Brillouin scattering. In addition, the components used are commercially available from many manufacturers and meet the demanding requirements common to the security industry. Furthermore, the device does not contain any expensive high-frequency
-3 CZ 34280 U1 elektrické obvody a nevznikají problémy s elektromagnetickou kompatibilitou. Zařízení dále umožňuje 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.-3 GB 34280 U1 electrical circuits and there are no problems with electromagnetic compatibility. The device also allows deployment on fibers with active data transmission, as both CW and CCW interferometers can be operated in only one DWDM channel, even with a minimum channel width of 50 GHz.
Objasnění výkresůExplanation of drawings
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.The essence of the mentioned solution is further explained and described on the basis of a specific exemplary embodiment with the help of the attached drawing, which shows a block diagram of the device in its most complete embodiment. In the accompanying drawing, the solid lines indicate the optical connections and the dashed lines the electrical connections.
Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solution
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.The connection of the distributed optical fiber sensor system on the principle of a dual Mach-Zehnder interferometer using the frequency shift of the CCW signal is shown in the attached drawing in the form of a block diagram. The device as shown is intended for monitoring acoustic / mechanical vibrations in the immediate vicinity of an optical cable in which both the reference and sensing fibers are located. The remote unit ensures the reflection of the CW interference pattern back into the main unit and at the same time a frequency shift of the laser carrier frequency for the CCW interferometer is created here by means of an acousto-optical modulator. The technique of two interferometers makes it possible to determine the location of the place of vibration due to the known speed of signal propagation through the optical fiber. Detection of the outputs of both interferometers in the main unit also ensures accurate synchronization of both signals. The device can then be used for detection, localization, or even classification of events with high accuracy.
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 JT, do dvou ramen interferometru. Čtvrtý vazební člen 13 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 řídící 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 14. 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 13 navázán do dvou ramen interferometru. Rekombinace výsledného signálu CCW interferometru probíhá v prvním vazebním členu 11, na jehož druhý port je připojen druhý fotodetektor 4, který zajišťuje konverzi optické signálu na signál elektrický.The device consists of two interferometers working against each other and using only one source 2 of radiation. The first interferometer, CW, comprises a first coupler 11, which serves to divide and bind the signal from the laser radiation source 2, connected to the first input of the coupler JT, to the two arms of the interferometer. The fourth coupler 13 in the remote unit ensures the recombination of signals from the reference and sensing arm fed to the first and second ports and thanks to the connected reflector 17 to the third port the resulting modulated signal is reflected back to both arms of the interferometer for further processing in the main control unit 1. to further recombine the already modulated signal in the first coupler 11, this signal is divided in the second coupler 12 and fed to the first photodetector 3. The basic signal for the second interferometer, CCW, is obtained by dividing part of the signal from one arm of the CW interferometer by the third coupler. The obtained signal is frequency shifted in an acousto-optical modulator 15 at a frequency given by an external oscillator 16 supplied from the power supply module 18. The new frequency shifted signal is coupled to the two arms of the interferometer via the fourth port of the fourth coupler 13. The recombination of the resulting CCW signal of the interferometer takes place in a first coupler 11, to the second port of which a second photodetector 4 is connected, which ensures the conversion of the optical signal into an electrical signal.
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 řídící jednotky 1, laserového zdroje 2 záření a prvního fotodetektoru 3 a druhého fotodetektoru 4, zatímco druhý napájecí modul slouží k napájení pouze oscilátoru.The connection of the distributed optical fiber sensor system consists of both an optical part and an electrical part. The basis is that both units contain the power supply modules of the necessary power supply for the individual optoelectric and electrical components. The first power supply module 5 supplies power to the main control unit 1, the laser radiation source 2 and the first photodetector 3 and the second photodetector 4, while the second power supply module serves to supply only the oscillator.
Optické signály zobou interferometrů jsou detekovány na prvním fotodetektoru a 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 elektrickéOptical signals from both interferometers are detected on the first photodetector 3 and the second photodetector 4 and are subsequently converted into electrical form. In the case of a CW interferometer, the signal on the first photodetector 3 also contains a frequency-shifted signal of the interferometer CCW, which is shifted from the main frequency in the range of tens of MHz. Therefore, it is not possible to perform the filtration in the optical domain and it is necessary to perform the filtration only after the first photodetector 3, ie in the electrical
-4 CZ 34280 U1 doméně. Výsledný signál je nutné filtrovat od frekvenčně posunutého signálu pomocí druhého filtru 7 typu dolní propust a digitalizovat v řídicí jednotce L Vzhledem k tomu, 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.-4 CZ 34280 U1 domain. The resulting signal must be filtered from the frequency-shifted signal by means of a second low-pass filter 7 and digitized in the control unit L. Since the frequency of the shifted signal divided from one arm of the sensor system corresponds to the frequency generated by oscillator 16, it is possible to divide part of the signal by electric splitter 10. and preferably this signal after filtering by the first bandpass filter 8 is used as a local oscillator for demodulation of the resulting CCW signal in the frequency mixer 9. The signal from the CCW interferometer must also be filtered from the first interferometer signal by the third bandpass filter 6. demodulation, i.e. a shift to the baseband, for which the frequency mixer 9 is used. The resulting demodulated signal must be digitized in the control unit 1 for subsequent processing.
Řídící jednotka 1 je napájena z napájecího modulu 5, který může být v jednom možném výhodném provedení redundantní. Řídící jednotka 1 je vybavena modulem drátového komunikačního rozhraní a může být, jak bylo již uvedeno, s výhodou tvořena jednodeskovým průmyslovým počítačem bez pohyblivých částí.The control unit 1 is supplied from the power supply module 5, which can be redundant in one possible preferred embodiment. The control unit 1 is equipped with a wired communication interface module and can, as already mentioned, preferably be formed by a single-board industrial computer without moving parts.
V jednom výhodném provedení reflektor 17 otáčí polarizaci odraženého signálu, atak 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 fotodetektory, jejichž šířka pásma odpovídá pouze frekvenci oscilátoru 16.In one preferred embodiment, the reflector 17 rotates the polarization of the reflected signal, thus minimizing the effect of polarization on the useful signal. In another preferred embodiment, the oscillator 16 is thermally stabilized, thereby reducing fluctuations in its output frequency. In yet another preferred embodiment, inexpensive photodetectors are used, the bandwidth of which corresponds only to the frequency of the oscillator 16.
Výhodné je také provedení, ve kterém vhodným výběrem šířky pásma filtrů se zvýší strmost výsledné filtrace, a tedy se navýší odstup signál šum (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.An embodiment is also preferred in which a suitable selection of the filter bandwidth increases the steepness of the resulting filtering and thus increases the signal-to-noise ratio (SNR) such that the third electric filter 6 and the first filter 8 have the same bandwidth, e.g. 20 MHz and at the same time, the second electric filter 7 has a bandwidth of exactly 20 MHz, the frequency of the oscillator not being less than 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.In a preferred embodiment, the electric signal mixer 9 and the electric splitter 10 operate on the frequency of the oscillator 16 and the frequency of the vibrations acting on one or both arms of the interferometer, in order to be able to demodulate the signal properly.
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.Also advantageous is an embodiment which minimizes the demands on the laser source 2 and thus its cost, in which the difference between the length of the first arm and the second arm of the interferometer is as close as possible, in the extreme case equal to the coherence length of the laser source 2.
Řídící jednotka 1 obsahuje software, který měří napěťové úrovně získané na jednotlivých fotodetektorech. 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 fotodetektorů 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 fotodetektorů 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 řídící jednotky j. zpřístupňuje informace o výkonech a časových značkách přes drátové komunikační rozhraní nadřízenému systému.The control unit 1 contains software that measures the voltage levels obtained on the individual photodetectors. The software detects the occurrence of new events in the vicinity of the optical fibers in the following way: if a change in power is detected on the first photodetector 3, then a frequency analysis of the signal is performed. The same applies to the second photodetector 4. If signals of the same frequencies are detected at the input of both photodetectors, a time difference between the detected signals is detected. From the known speed of the light propagating through the optical fiber and from the time difference between the detected signals from the individual photodetectors, the position of the newly generated event can be determined. A new event can also be classified from the frequency response. Thanks to the condition of event detection by both interferometers at the same time, the minimization of false positive alarms is ensured. The software of the control unit j. Makes the information on outputs and time stamps available via the wired communication interface to the superior system.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
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 jednotkyThis technical solution is industrially well usable especially for monitoring acoustic / mechanical vibrations in the vicinity of telecommunication optical cables, on fibers with active data traffic. Thanks to the use of low-power continuous radiation, there is no interaction with data traffic in the side channels. Using a remote unit
-5 CZ 34280 U1 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 aje 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.-5 CZ 34280 U1 a counter-propagating signal is generated which is frequency-shifted from the laser carrier signal, whereby a second interferometer is formed in the same pair of optical fibers, thus enabling the localization of events. Compared to known solutions, the device uses only one pair of fibers, apart from a laser with a sufficiently long coherence length, it does not contain any expensive and complex components and can be used in all working wavelengths of the fibers used. The technical solution also includes remote monitoring, including monitoring of processed optical signals. The proposed solution is based on commonly available components.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2019-36722U CZ34280U1 (en) | 2019-10-09 | 2019-10-09 | Distributed optical fibre sensor system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2019-36722U CZ34280U1 (en) | 2019-10-09 | 2019-10-09 | Distributed optical fibre sensor system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CZ34280U1 true CZ34280U1 (en) | 2020-08-11 |
Family
ID=72048621
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CZ2019-36722U CZ34280U1 (en) | 2019-10-09 | 2019-10-09 | Distributed optical fibre sensor system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CZ (1) | CZ34280U1 (en) |
-
2019
- 2019-10-09 CZ CZ2019-36722U patent/CZ34280U1/en not_active IP Right Cessation
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 | |
US8873064B2 (en) | Fiber-optic disturbance detection using combined Michelson and Mach-Zehnder interferometers | |
CN102538846B (en) | Method for calculating location of sensor fibre | |
US8395782B2 (en) | Detection and location of boundary intrusion, using composite variables derived from phase measurements | |
AU2020102296A4 (en) | A distributed optical fiber sensing system based on heterodyne detection technology | |
CN101441092B (en) | Perimeter protection sensing positioning system based on coherent light time domain reflection | |
CN110864714B (en) | Distributed sensing system based on Michelson-Sagnac fiber optic interferometer | |
CN103575379B (en) | Random site point optical fiber distributed type sonic sensor | |
CN101625258A (en) | Optical fiber vibration sensing system based on Mach-Zehnder interferometer and sensing method | |
RU2530244C2 (en) | Distributed coherent reflectometric system with phase demodulation (versions) | |
CN102564476B (en) | Multipoint disturbance positioning method | |
CN111780859A (en) | Distributed optical fiber sensing detection system | |
CN102496231B (en) | Long-distance trunk line safety fiber wavelength division multiplexing type warning system | |
CZ34280U1 (en) | Distributed optical fibre sensor system | |
CZ308822B6 (en) | Distributed optical fibre sensor system | |
CN110058198A (en) | A kind of Underwater Navigation method based on distributed fiberoptic sensor | |
WO2008027959A2 (en) | Detection and location of boundary intrusion, using composite variables derived from phase measurements | |
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 | |
CN214748030U (en) | Distributed optical fiber vibration and temperature sensing system | |
Luo et al. | Distributed fiber optic perturbation locating sensor based on dual Mach-Zehnder interferometer | |
Fasano et al. | Fiber Interferometric Sensors for Monitoring the Telecom Infrastructure Integrity | |
Xu et al. | A novel frequency-domain location method based on phase generated carrier | |
CN115950482A (en) | Time division multiplexing temperature and vibration measurement optical fiber sensing system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG1K | Utility model registered |
Effective date: 20200811 |
|
MK1K | Utility model expired |
Effective date: 20231009 |