FR3099952A1 - Système de détection acoustique distribuée à fibre optique - Google Patents
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Abstract
La présente demande propose un système de détection acoustique distribuée à fibre optique, qui comprend une source de pompage directe, un multiplexeur à division de longueur d'onde, une matrice de réseaux actifs de déphasage, une source de pompage inverse et un dispositif de démodulation et de traitement de données ; dans lequel la matrice de réseaux actifs de déphasage comprend une pluralité de réseaux actifs de déphasage gravés sur une même fibre optique, chaque réseau actif de déphasage ayant une même longueur d'onde d'excitation; la matrice de réseaux actifs de déphasage reçoit une impulsion de pompage directe et une impulsion de la lumière de pompage inverse incidente depuis la source de pompage inverse, ce qui permet à chaque réseau actif de déphasage générer une lumière d'excitation directe et une lumière d'excitation inverse, et permet à deux réseaux actifs de déphasage adjacents de générer une auto-interférence de la lumière d'excitation dans le même temps d'impulsion; le dispositif de démodulation et de traitement de données détecte l'interférence de la phase de fibre optique entre deux réseaux actifs de déphasage adjacents afin de mesurer le signal acoustique agissant sur la fibre optique. Le système selon la présente demande adopte un mécanisme d'interférence de la lumière d'excitation active pour remplacer le mécanisme d'interférence de lumière réfléchie passive, ce qui permet de fournir une haute intensité et une haute stabilité du signal de la lumière d'excitation, et d’améliorer l'adaptabilité environnementale. Figure pour l’abrégé : Fig 4
Description
La présente demande concerne le domaine de technologie de détection à fibre optique, en particulier un système de détection acoustique distribuée à fibre optique.
Contexte technique
La technologie de détection acoustique est une technologie de détection destinée à détecter et surveiller les signaux acoustiques, et acquérir en temps réel la fréquence, la phase et l’amplitude de vibration d’ondes acoustiques variables rapidement. La technologie de détection acoustique basée sur la détection à fibre optique présente les avantages tels qu'une bande large, une haute sensibilité, une bonne résistance à haute température et une immunité à l’interférence causée par le champ électromagnétique, et donc est utilisée dans nombreux domaines telles que l’exploitation et la mise en valeur du gaz naturel et du pétrole, la surveillance de génies civils comme des installations civiles telles que des ponts et des grands bâtiments, la domaine militaire, etc. En raison de ses avantages tels qu’un domaine d’utilisation large, un haut rapport de bénéfice-coût et une haute efficacité d’acquisition d’information, la technologie de détection distribuée à fibre optique devient progressivement un point-clé dans les recherches sur la détection à fibre optique.
Selon les fibres optiques de détection, les systèmes de détection acoustique distribuée à fibre optique existants peuvent être divisés en deux catégories principaux : l’une consiste à utiliser un dispositif laser de rétroaction distribuée à fibre optique à largeur de raie étroit（DFB-FL, Distributed Feedback- Fiber Laser) en tant qu’une source de lumière, et à utiliser une diffusion Rayleigh vers l'arrière à l’intérieur de la fibre optique, de sorte que les lumières de diffusion Rayleigh renvoyées à différents moments correspondent aux différentes positions de la fibre de détection, afin d’obtenir les informations du champ acoustique externe aux différentes positions par la démodulation de phase ; et l’autre consiste à utiliser un dispositif laser de rétroaction distribuée à fibre optique à largeur de raie étroit (DFB-FL，Distributed Feedback- Fiber Laser) en tant qu’une source de lumière, et utiliser les réseaux passives à fibre optique faible identiques pour insérer un grand nombre de réseaux passives à fibre optique faible identiques ayant une réflectivité inférieure à un millième dans la fibre optique au lieu de la diffusion Rayleigh, afin d’améliorer considérablement la stabilité de la lumière de diffusion vers l'arrière.
Cependant, pour la première solution ci-dessus, la diffusion Rayleigh de la fibre optique présente les inconvénients tels que sa nature inhérente d’un processus aléatoire, une intensité très faible et une fluctuation aléatoire, bien que la stabilité de démodulation peut être améliorée par la technique de démodulation de phase, le problème d’évanouissement de polarisation résiste toujours ; pour la deuxième solution ci-dessus, les réseaux passives à fibre optique faible identiques présente un inconvénient de sa longueur d'onde de réflexion susceptible de dériver sous effets de la température et les contraintes locales, ce qui risque d’entraîner les « cavités vides » dans les lumières réfléchies à certaines positions de la fibre optique dans les conditions de non-modification de la longueur d'onde de la lumière incidente, en ce cas, les signaux du champ acoustique externe à ces positions ne peuvent être ni recueillis ni démodulés, ce qui rend l’adaptabilité environnementale de cette solution médiocre. Il existe donc un besoin pour un système de détection acoustique distribuée à fibre optique avec une haute intensité de signal, une stabilité de signal et une bonne adaptabilité environnementale.
Description de l’invention
Pour résoudre les problèmes techniques ci-dessus, la présente demande fournit un système de détection acoustique distribuée à fibre optique.
La présente demande fournit un système de détection acoustique distribuée à fibre optique, qui comprend une source de pompage directe, un multiplexeur à division de longueur d'onde, une matrice de réseaux actifs de déphasage, une source de pompage inverse et un dispositif de démodulation et de traitement de données ; dans lequel le multiplexeur à division de longueur d'onde est configuré pour recevoir une impulsion de pompage directe incidente depuis la source de pompage directe, transmettre l’impulsion de pompage directe vers la matrice de réseaux actifs de déphasage, et transmettre le signal de la lumière d'excitation renvoyé par la matrice de réseaux actifs de déphasage vers le dispositif de démodulation et de traitement de données ; la matrice de réseaux actifs de déphasage comprend une pluralité de réseaux actifs de déphasage gravés sur une même fibre optique, chaque réseau actif de déphasage ayant une même longueur d'onde d'excitation ;
la matrice de réseaux actifs de déphasage est configurée pour recevoir ladite impulsion de pompage directe et la lumière de pompage inverse incidente depuis la source de pompage inverse, de sorte que chaque réseau actif de déphasage génère une lumière d'excitation directe et une lumière d'excitation inverse, et que les deux réseaux actifs de déphasage adjacents gênent une auto-interférence de la lumière d’excitation dans le même temps d’impulsion ;
le dispositif de démodulation et de traitement de données est configuré pour détecter l'interférence de la phase de fibre optique entre deux réseaux actifs de déphasage adjacents afin de mesurer le signal acoustique agissant sur la fibre optique.
Éventuellement, la longueur théoriquelde l'impulsion de pompage directe est supérieure à la distanceΔlentre les réseaux actifs de déphasage dans ladite matrice de réseaux actifs de déphasage ; oùl= cw /2n f , aveccest la vitesse de lumière à vide,west la largeur d'impulsion de l'impulsion de pompage directe etn f est l'indice de réfraction de la fibre optique.
Éventuellement, l'auto-interférence de la lumière d'excitation comprend :
Lorsque les fenêtres de transmission des réseaux actifs de déphasageieti+1se chevauchent ou se chevauchent partiellement, les lumières d'excitation inverse des réseaux actifs de déphasageieti+1s’interfèrent, où 1<i≦N, avec N est le nombre total de réseaux actifs de déphasage dans la matrice de réseaux actifs de déphasage.
Éventuellement, l'auto-interférence de la lumière d'excitation comprend :
Lorsque les fenêtres de transmission des réseaux actifs de déphasageieti+1ne se chevauchent pas, la lumière d'excitation inverse du réseau actif de déphasageiet la lumière d'excitation directe du réseau actif de déphasagei+1renvoyée par le réseau actif de déphasage s’interfèrent, où 1<i≦N, avec N est le nombre total de réseaux actifs de déphasage dans la matrice de réseaux actifs de déphasage.
Éventuellement, le dispositif de démodulation et de traitement de données comprend un coupleur, un interféromètre, trois détecteurs principaux et un module d'acquisition et de traitement de données ; dans lequel l'entrée du détecteur principal est connectée au port au premier côté du coupleur, l’interféromètre est connecté au port au deuxième côté du coupleur, le module d’acquisition et de traitement de données est connecté à la sortie du détecteur principal ; le coupleur est configuré pour coupler un signal optique d’excitation renvoyé par la matrice de réseaux à déphasage actif au interféromètre, et couper un signal optique renvoyé par l’interféromètre au détecteur principal ; le détecteur principal est configuré pour mesurer un signal optique renvoyé par l'interféromètre, et le module d'acquisition et de traitement de données est configuré pour acquérir les résultats de mesure données par le détecteur principal et calculer la pression acoustique du signal acoustique.
Éventuellement, le dispositif de traitement et de démodulation de données comprend en outre un détecteur de surveillance de polarisation, dans lequel l'entrée du détecteur de surveillance de polarisation est connectée au port au deuxième côté du coupleur et la sortie du détecteur de surveillance de polarisation est connectée au module d'acquisition et de traitement de données ; le détecteur de surveillance de polarisation est configuré pour acquérir un état de polarisation de l'interféromètre en fonction du signal optique renvoyé par l'interféromètre et puis envoyer l'état de polarisation de l'interféromètre vers le module d'acquisition et de traitement de données.
Éventuellement, le système comprend en outre un modulateur pour moduler la lumière de pompage directe émise par la source de pompage directe en une impulsion de pompage directe.
Éventuellement, le dispositif de démodulation et de traitement de données comprend en outre un amplificateur, un filtre et un circulateur, dans lequel l'entrée de l'amplificateur est connectée au multiplexeur à division de longueur d'onde, la sortie de l'amplificateur est connectée à l'entrée du filtre, la sortie du filtre est connectée au premier port du circulateur, le deuxième port du circulateur est connecté au port au premier côté du coupleur, et le troisième port du circulateur est connecté à un détecteur principal.
Éventuellement, le système comprend en outre une pluralité de structures en cascade en série, chacune des structures en cascade comprenant un combinateur de faisceaux, une source de pompage inverse supplémentaire et une pluralité de réseaux actifs de déphasage supplémentaires. Le combinateur de faisceaux est connecté à la source de pompage inverse supplémentaire, et une pluralité de réseaux actifs de déphasage supplémentaires sont connectées entre les combinateurs de faisceaux de deux structures en cascade adjacentes.
Les effets bénéfiques de la présente demande sont les suivants : dans le présente demande, une matrice de réseaux actifs de déphasage identiques ayant une même longueur d’onde de la lumière d’excitation est utilisé pour remplacer les fibres optiques communes / les réseaux passives à fibre optique faible identiques existants, en outre, la source de pompage est utilisée en tant qu’une source de lumière pour remplacer le dispositif laser de rétroaction distribuée à fibre optique à largeur de raie étroit, et la source de pompage directe et la source de pompage inverse sont disposées en même temps. La source de pompage directe peut être une source de pompage à impulsions, ou permet que la lumière de pompage directe émise par la source de pompage directe puisse être modulée en une impulsion de pompage directe par le modulateur, et que la lumière de pompage inverse émise par la source de pompage inverse peut être une lumière continue. Lorsqu'une impulsion de pompage est incidente au réseau actif de déphasage, le réseau actif de déphasage généra activement une lumière d'excitation haute cohérente, les deux réseaux actifs de déphasage adjacents génèrent une auto-interférence de la lumière d'excitation dans le même temps d'impulsion, de sorte de détecter les signaux acoustiques par la démodulation de phase. Dans la présente demande, le mode de détection existant utilisant l’interférence de la lumière réfléchie passive est remplacé, et le signal de la lumière d'excitation présente une haute intensité et une haute stabilité par rapport à la diffusion Rayleigh ; comparé avec les réseaux passives à fibre optique faible identiques, la longueur d'onde de la lumière d'excitation de la présente demande est variable en fonction de l'environnement, sans cavité vide, ce qui permet d’améliorer l'adaptabilité environnementale, et la fiabilité et la précision de la détection acoustique distribuée à fibre optique.
Description des figures
Les exemples de la présente invention ou les solutions techniques de techniques existantes apparaissent plus clairement au cours de la description détaillée qui va suivre, en référence aux figures annexés. Les figures ci-dessous sont données seulement à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et les modifications et les variantes peuvent être obtenus par l’homme de l’art sans travail créatif.
Modes de réalisation
Les solutions techniques sur lesquelles les exemples de la présente invention sont basés seront décrits de manière claire et détaille par la description suivante en référant les figures, dans lesquelles lesdites exemples ne sont qu’une partie d’exemples au lieu de tous exemples. Les autres exemples basés sur les exemples de la présente invention et obtenus par l’homme de l’art sans travail créatif doivent être inclus dans le cadre de la protection de la présente invention.
Montré comme la figure 1, un exemple de la présente demande fournit un système de détection acoustique distribuée à fibre optique, qui comprend une source de pompage directe, un multiplexeur à division de longueur d'onde (Wavelength Division Multiplexing, WDM), une matrice de réseaux actifs de déphasage, une source de pompage inverse et un dispositif de démodulation et de traitement de données. La source de pompage est une source de lumière pour émettre une lumière de pompage, dans laquelle la direction d’incidence de la lumière de pompage émise par la source de pompage directe vers la matrice de réseaux actifs de déphasage est opposée à celle émise par la source de pompage inverse. La matrice de réseaux actifs de déphasage est obtenue par graver les réseaux actifs de déphasage sur une même fibre optique dopée en erbium à l’intervalleΔl, soit l’intervalle entre les réseaux est deΔl, chaque réseau actif de déphasage ayant une même longueur d'onde d'excitation. Le réseau actif de déphasage (active phase-shifted fiber Bragg gratings, apsFBG) est un réseau dont la cavité résonante est obtenue par graver sur une fibre optique dopée en erbium, ayant un déphasageπ. Lorsqu'une lumière de pompage est incidente, le réseau actif de déphasage généra une lumière d'excitation haute cohérente. La longueur d'onde de la lumière d'excitation est différente de la longueur de la lumière de pompage, et les deux peuvent être couplées et séparées par WDM.
Éventuellement, la source de pompage directe peut être une source de pompage à impulsions, ou le système comprend en outre un modulateur, dans lequel la source de pompage directe est connectée à WDM via le modulateur, pour moduler la lumière de pompage directe émise par la source de pompage directe en une impulsion de pompage directe. La lumière de pompage inverse émise par la source de pompage inverse peut être une lumière continue.
Lorsqu'une impulsion de pompage ayant une largeur d'impulsion deωest incidente sur la matrice de réseaux actifs de déphasage, les réseaux actifs de déphasage est excité un par un dans le temps et une lumière d'excitation directe et une lumière d'excitation inverse sont générées simultanément au cours d'excitation de chaque réseau actif de déphasage. Lorsque la longueur théoriqueldel'impulsion de pompage directe est supérieure à la distanceΔlentre les réseaux actifs de déphasage dans la matrice de réseaux actifs de déphasage, oùl = cw /2n f ，aveccest la vitesse de lumière à vide,west la largeur de l'impulsion de pompage directe etn fest l'indice de réfraction de la fibre optique, pour l’auto-interférence de la lumière d'excitation montrée dans la figure 2, lorsque les fenêtres de transmission des réseaux actifs de déphasageieti+1se chevauchent ou se chevauchent partiellement, les lumières d'excitation inverse des réseaux actifs de déphasageieti+1s’interfèrent directement, et pour l’auto-interférence de la lumière d'excitation montré dans la figure 3, lorsque les fenêtres de transmission des réseaux actifs de déphasageieti+1ne se chevauchent pas, la lumière d'excitation inverse du réseau actif de déphasage, le réseau actif de déphasagei+1peut être considéré comme un réseau commun à fibres optique, le réseau actif de déphasagei+1sert à un miroir de réflexion de réseau pour réfléchir la lumière d'excitation directe du réseau actif de déphasage i, de sorte que la lumière d'excitation directe et la lumière d'excitation inverse du réseau actif de déphasageis’interfèrent où 1<i≦N, et N est le nombre total de réseaux actifs de déphasage dans la matrice de réseaux actifs de déphasage.
Montrés comme la figure 2 et la figure 3, lorsque la longueur théoriquelde l'impulsion de pompage directe est supérieure à la distanceΔlentre les réseaux actifs de déphasage dans la matrice de réseaux actifs de déphasage, selon la présente demande et pour les réseaux actifs de déphasage identiques ou non identiques dans la matrice de réseaux actifs de déphasage, deux réseaux actifs de déphasage adjacents génèrent une auto-interférence de la lumière d'excitation dans le même temps d'impulsion, ce mécanisme d’auto-interférence de la matrice de réseaux actifs de déphasage permet d’assurer une interférence générée à tout moment. Par « identique », on entend au sens de cet exemple tous réseaux actifs de déphasage dans une matrice de réseaux actifs de déphasage sont identiques.
Le multiplexeur à division de longueur d'onde reçoit une impulsion de pompage directe incidente depuis la source de pompage directe, transmet l’impulsion de pompage directe vers la matrice de réseaux actifs de déphasage ; la matrice de réseaux actifs de déphasage reçoit ladite impulsion de pompage directe et la lumière de pompage inverse continue incidente depuis la source de pompage inverse, de sorte que les deux réseaux actifs de déphasage adjacents génèrent une auto-interférence, montrée comme la figure 2 et la figure 3 ; le multiplexeur à division de longueur d'onde transmet le signal de la lumière d'excitation renvoyé par la matrice de réseaux actifs de déphasage vers le dispositif de démodulation et de traitement de données ; le dispositif de démodulation et de traitement de données détecte l'interférence de la phase de fibre optique entre deux réseaux actifs de déphasage adjacents afin de mesurer le signal acoustique agissant sur la fibre optique.
Selon la présente demande, une matrice de réseaux actifs de déphasage ayant une même longueur d’onde de lumière d’excitation est utilisé pour remplacer les fibres optiques communes / les réseaux passives à fibre optique faible identiques existants, en outre, une source de pompage est utilisée comme une source de lumière pour remplacer le dispositif laser de rétroaction distribuée à fibre optique à largeur de raie étroit, et la source de pompage directe et la source de pompage inverse sont disposées en même temps. Lorsqu'une impulsion de pompage est incidente au réseau actif de déphasage, ce dernier généra activement une lumière d'excitation haute cohérente, en ce cas, le réseau actif de déphasage peut être considéré comme « une source de lumière » dans la fibre optique de détection, qui peut générer activement une lumière d'excitation et permet à deux réseaux actifs de déphasage adjacents de générer une auto-interférence de la lumière d'excitation dans le même temps d'impulsion, de sorte de mesurer le changement de phase dans la fibre optique entre deux réseaux actifs de déphasage adjacents en utilisant l’interférence, afin de mesurer la pression acoustique du signal acoustique. Le signal de la lumière d'excitation selon la présente solution a une haute intensité et une haute stabilité par rapport à la diffusion Rayleigh ; comparé avec le mécanisme d'interférence de lumière réfléchie passive des réseaux passives à fibre optique faible identiques, la présente demande adopte un mécanisme d'interférence de la lumière d'excitation active, la longueur d'onde de la lumière d'excitation étant variable en fonction de l'environnement, sans cavité vide, ce qui permet d’améliorer l'adaptabilité environnementale, la fiabilité et la précision de la détection acoustique distribuée à fibre optique.
Le principe du signal acoustique du système est le suivant : l’onde acoustique est une onde de pression et la fibre optique dans un champ acoustique est soumise à une pression, soit une pression acoustique. Lorsqu'un faisceau de lumière parcourt une distance L dans la direction axiale le long de la fibre optique, la phase Φ de l'onde lumineuse est :
oùn f est l'indice de réfraction de la fibre etλest la longueur d'onde de la lumière incidente. Lorsque la fibre est soumise à une pression, la phase de la lumière se propageant dans la fibre optique changera et le changement de phasecorrespondant sera :
où,ΔLest le changement de la longueur de la fibre optique dû à la déformation provoquée par la pression,
est le déphasage provoqué par le changement de la longueur de la fibre optique ;Δ n f est le changement de l'indice de réfraction provoqué par les effets élasto-optiques de la fibre optique,
est le déphasage provoqué par le changement de la constante de propagation.
Pour un déphasage provoqué par le changement de la constante de propagation, la formule suivante peut être donné : le changement du tenseur diélectrique inverseΔβ m est exprimé comme suivant :
oùQest la matrice de coefficients élasto-optiques ;Sest la composante de déformation de la fibre optique, soit la déformation de la fibre optique dans diverses directions. Une fibre optique n’étant pas soumise aux contraintes peut être considérée comme un milieu isotrope à six dimensions de mouvement, et la matrice de coefficients élasto-optiquesQpeut être exprimée comme suivante :
où, [Math7]
p 11 ,p 12 etp 44 sont les composantes de la matrice des coefficients élasto-optiques.
Lorsque la fibre optique est soumise à une pression acoustiqueP, la composante de déformationSde la fibre optique peut être exprimée comme suivante :
où S1-S6 sont six composantes de déformation correspondant à la matrice de coefficients élasto-optiques Q,Eest le module de Young de la fibre optique etμest le coefficient de Poisson de la fibre optique, donc le changement du tenseur diélectrique inverseΔβ m peut être exprimé comme suivant :
dans la formule [Math10]
Δ n m est le changement de l'indice de réfraction de la fibre optique provoqué par le changement du tenseur diélectrique inverse dans certain sens de mouvement, où m = 1 - 6, et le changement de l'indice de réfraction peut être obtenu :
oùΔ n 1 est le changement de l'indice de réfraction correspondant à la première dimension etΔ n 2 est le changement de l'indice de réfraction correspondant à la deuxième dimension. Compte tenu de la propagation de lumière dans la direction axiale, le changement total de l'indice de réfractionΔn f est :Δn f =Δn 1 +Δn 2 .
Compte tenu en outre que la déformation axiale de la fibre optique estS 3 =2μP/E, le changement de la longueur de la fibre optique est ΔL=2LμP/E, et le changement de phase ΔΦ ainsi obtenu est :
Pour la fibre optique de quartz, p11=0,13, p12=0,28, nf=1,46,E=7,2×1010N/m2,μ=0,17,λ=1550nm, et la relation de réponse entre le changement de phase ΔΦLde la fibre optique pour la longueur unitaire et la pression acoustiquePest :
En conséquence, le dispositif de démodulation et de traitement de données peut acquérir le changement de phase dans la fibre optique entre deux réseaux actifs de déphasage adjacents en démodulant la phase, afin de mesurer la pression acoustique du signal acoustique. Le principe de base de la démodulation de phase consiste à ce que : au cours de la propagation des ondes lumineuses dans un champ d’énergie, la transformation de phase se produit dans une fibre optique à monomode sensible, le changement de phase peut être transformé en un changement d’intensité lumineuse en utilisant l’effet du champ d’énergie mesuré et la technique de mesure d’ interférence, de sorte de représenter ainsi le paramètre physique de pression acoustique à détecter dans la présente demande.
Montré comme la figure 4, un autre exemple de la présente demande fournit un système de détection acoustique distribuée à fibre optique, qui comprend basé sur la structure du système ci-dessus en outre un coupleur, un interféromètre, trois détecteurs principaux et un module d'acquisition et de traitement de données. L'entrée du détecteur principal est connectée au port au premier côté du coupleur, l’interféromètre est connecté au port au deuxième côté du coupleur, le module d’acquisition et de traitement de données est connecté à la sortie du détecteur principal ; le coupleur est configuré pour coupler un signal optique d’excitation renvoyé par la matrice de réseaux actifs de déphasage au interféromètre, et couper un signal optique renvoyé par l’interféromètre au détecteur principal ; le détecteur principal est configuré pour mesurer un signal optique renvoyé par l'interféromètre, le module d'acquisition et de traitement de données est configuré pour acquérir les résultats de mesure données par le détecteur principal et calculer la pression acoustique du signal acoustique. L'interféromètre dans cet exemple comprend deux miroirs rotatif Faraday (Faraday Rotator Mirror, FRM) comme le bras de détection et le bras de référence de l'interféromètre, et les deux FRM sont connectés au coupleur par deux fibres optiques à longueurs différentes, dans lequel la différence de demi-longueur de bras est de S, de sorte de former un interféromètre Michelson. L'état de polarisation du faisceau d'interférence fluctue de manière aléatoire dans l'interféromètre et l'atténuation du signal provoquée par la polarisation peut être éliminée à l'aide du miroir FRM.
Pour résoudre le problème d’évanouissement de polarisation fréquent au cours d’une démodulation de phase classique，selon une solution optionnelle de cet exemple, le dispositif de traitement et de démodulation de données comprend en outre un détecteur de surveillance de polarisation, dans lequel l'entrée du détecteur de surveillance de polarisation est connectée au port au deuxième côté du coupleur et la sortie du détecteur de surveillance de polarisation est connectée au module d'acquisition et de traitement de données ; le détecteur de surveillance de polarisation est configuré pour acquérir un état de polarisation de l'interféromètre en fonction du signal optique renvoyé par l'interféromètre et puis envoyer l'état de polarisation de l'interféromètre vers le module d'acquisition et de traitement de données.
Sur la figure 4, un exemple du système équipé de trois détecteurs principaux PD1, PD2 et PD3 est fourni, correspondant à un coupleur 3x3. Le premier côté du coupleur 3 × 3 (côté gauche sur la figure 4) comprend trois ports connectés respectivement à l’entrée de chaque de PD1, PD2 et PD3, et la sortie de chaque de PD1, PD2 et PD3 est connectée au module d'acquisition et de traitement de données, PD1-PD3 et l’interféromètre étant disposés de part et d’autre du coupleur 3 × 3 et le signal optique réfléchi par l’interféromètre entre dans les trois détecteurs via le coupleur 3 × 3 ; le deuxième côté du coupleur 3 × 3 (côté droite sur la figure 4) comprend également trois ports connectés respectivement à l’entrée du premier FRM, l’entrée du deuxième FRM et l’entrée du PD4 de l’interféromètre Michelson, la sortie du PD4 est connectée au module d’acquisition et de traitement des données, l’interféromètre et PD4 sont disposés au même côté du coupleur 3 × 3, et PD4 sert à la fenêtre de surveillance de polarisation pour surveiller de manière dynamique la polarisation dans l'interféromètre afin de fournir des informations de commande à la rétroaction de polarisation, ce qui permet d’éviter le problème d’évanouissement de polarisation et assurer ainsi la fiabilité et la précision de la détection acoustique distribuée à fibre optique.
Éventuellement, le dispositif de démodulation et de traitement de données comprend en outre un amplificateur, un filtre et un circulateur, dans lequel l'amplificateur amplifie le signal de la lumière d'excitation de la matrice de réseaux actifs de déphasage et le filtre traite le signal de la lumière d'excitation amplifié pour une démodulation de phase ultérieure. Il faut noter que, dans cet exemple, des éléments d'autres types peuvent être utilisés pour traiter les signaux en fonction des besoins réels de l'application, pour les fonctions et les applications de composants de traitement de signaux tels que des amplificateurs et des filtres, on peut se référer aux technologies associées existantes, qui ne seront pas décrits ici. Le circulateur est un dispositif à multiport pour transmettre les signaux dans un circuit annulaire de manière unidirectionnelle, la direction opposée étant isolée. L'entrée de l'amplificateur est connectée au WDM, la sortie de l'amplificateur est connectée à l'entrée du filtre, la sortie du filtre est connectée au premier port du circulateur, le deuxième port du circulateur est connecté au port au premier côté du coupleur, et le troisième port du circulateur est connecté à un détecteur principal.
Sur la figure 4, le signal de la lumière d'excitation entre dans le dispositif de démodulation et de traitement de données via le WDM, puis passe par l'amplificateur, le filtre et le premier port du circulateur, entre dans le coupleur via le deuxième port du circulateur, enfin entre dans l'interféromètre et le PD4 via le coupleur ; pour le signal optique renvoyé par l'interféromètre, sa premier branche entre dans le PD1 via le premier port au premier côté du coupleur et le troisième port du circulateur, sa deuxième branche entre dans le PD2 via le deuxième port au premier côté du coupleur, et sa troisième branche entre dans le PD3 via le troisième port au premier côté du coupleur. La présente demande concerne un système de détection acoustique distribuée à fibre optique de type d’interférence, qui transforme un changement de phase d'ondes lumineuses en un changement d'intensité d’ondes lumineuse en utilisant une démodulation passive de phase basée sur un coupleur de fibre optique 3 × 3 montré comme figure 4, de sorte de réaliser une démodulation de phase homodyne présentant les avantages tels qu'une large plage de mesure, une facilité de jugement directionnel, une haute sensibilité et une haute possibilité de disposition de fibres optiques. PD1, PD2 et PD3 détectent respectivement l'intensité de l’onde lumineuse de sortie de chaque des trois ports au premier côté du coupleur 3 × 3, et PD1, PD2 et PD3 envoient respectivement les résultats de détection I1, I2et I3au module d'acquisition et de traitement de données ; le module d'acquisition et de traitement de données acquiert I1, I2et I3, puis traite et calcule les données, afin d’obtenir des données de détection de la pression acoustique. Il faut noter que le procédé de démodulation passive de phase basée sur un coupleur de fibre optique 3 × 3 est un procédé de démodulation de phase existant, et l'homme du métier peut se référer aux descriptions des techniques connues, qui ne seront pas décrits ici.
Compte tenu de la perte due à l'impulsion de pompe directe et à l'impulsion de pompe inverse, le nombre de réseaux actifs de déphasage pouvant être pris en charge par une seule source de pompe inverse est limité, ce qui limite la distance détectable du système. Pour cela, selon la solution éventuelle de cet exemple, une connexion en cascade est utilisée pour augmenter la capacité du réseau actif de déphasage dans la matrice, montrée comme la figure 4, le système comprend en outre une pluralité de structures en cascade en série, chacune des structures en cascade comprenant un combinateur de faisceaux, une source de pompage inverse supplémentaire et une pluralité de réseaux actifs de déphasage supplémentaires. Le combinateur de faisceaux est connecté à la source de pompage inverse supplémentaire, et une pluralité de réseaux actifs de déphasage supplémentaires sont connectées entre les combinateurs de faisceaux de deux structures en cascade adjacente. Dans une structure en cascade selon la présente demande, une pluralité de réseaux actifs de déphasage et une source de pompage inverse correspondant à la pluralité de réseaux sont connectés par un combineur de faisceaux pour ajouter plus de réseaux et de sources de pompage inverse dans la matrice de réseaux actifs de déphasage, de sorte d’augmenter la capacité du réseau actif de déphasage et allonger la distance de surveillance du système.
Les caractéristiques d’excitation à impulsions de la matrice de réseaux actifs de déphasage sont vérifiées dans cet exemple, pour cela, deux réseaux actifs de déphasage identiques se connectent à un intervalle de 5 m, deux sources de pompage ayant même longueur d'onde d'excitation de 1480 nm sont utilisées comme la source de pompage directe et la source de pompage inverse à une fréquence de répétition du pompage d'impulsion directe de 500 kHz et une largeur d’impulsion de 50 ns. En ajustant la concentration en ions césium de la fibre optique et en équilibrant les effets de pompage et d'auto-pulsation, les résultats sont illustrés aux figures 5 (a) et 5 (b), il est vérifié que la matrice de réseaux actifs de déphasage identiques peut être excitée par impulsions en conservant la caractéristique de largeur de raie étroite, la largeur d’une seule impulsion étant d’environ 50 kHz, ce qui permet de répondre aux besoins de la détection d'interférence et permettre ainsi la détection des ondes acoustiques.
Dans ce exemples selon la présente demande, une matrice de réseaux actifs de déphasage ayant une même longueur d’onde de lumière d’excitation est utilisée pour remplacer les fibres optiques communes / les réseaux passives à fibre optique faible identiques existants, en outre, la source de pompage directe et la source de pompage inverse sont utilisées comme la source de lumière pour remplacer le dispositif laser de rétroaction distribuée à fibre optique à largeur de raie étroit, de sorte de réaliser une auto-interférence active de la lumière d'excitation, ce mécanisme d’auto-interférence de la matrice de réseaux actifs de déphasage permet d’assurer une interférence générée à tout moment, et de fournir une haute intensité et une haute stabilité du signal de la lumière d'excitation. Comparé avec le mécanisme classique, soit l'interférence de lumière réfléchie passive, ce mécanisme selon la présente demande permet d’éviter la formation de cavité vide, et d’améliorer l'adaptabilité environnementale, la fiabilité et la précision de la détection acoustique distribuée à fibre optique. PD4 permet de réaliser une surveillance de polarisation, de surveiller de manière dynamique la polarisation à l’intérieur de l’interféromètre et d’éviter le problème d’évanouissement de polarisation fréquent cours d’une démodulation de phase. Une connexion en cascade peut être utilisée pour augmenter la capacité du réseau actif de déphasage dans la matrice, de sorte de réaliser une détection d'ondes acoustique à une longue distance.
Il faut noter que la structure du dispositif de démodulation et de traitement de données est basée sur la structure du système représentée sur la figure 1 mais n'est pas limitée à celle représentée sur la figure 4. Dans des applications pratiques, l’homme de l’art peut sélectionner, ajouter, remplacer ou combiner les éléments de traitement de signal, l'interféromètre et le dispositif de démodulation de phase. Dans cet exemple, pour les fonctions, les principes et les modes de fonctionnement des éléments concernés par le dispositif de démodulation et de traitement de données, on peut se référer aux techniques connues.
L’homme d’art peut obtenir autres modes de réalisation basée sur la description et la réalisation. La présente demande est destinée à couvrir toutes changements, utilisations ou changement d’adaptation de la présente invention, qui doivent conformer aux principes généraux de la présente invention et concerner les connaissances générales ou les moyens connus dans le domaine technique conventionnelle et non mentionnée par la présente invention. La description et les exemples ne sont qu’à titre illustratif, et la domaine et l’esprit de la présente invention doivent être proposés dans les revendications.
Il convient de comprendre que la présente invention n’est pas limitée aux structures décrites ci-dessus et montées dans figures, les variantes et modifications sont possibles en respectant le domaine de la présente invention. Le domaine de la présente invention sont limitées par les revendications.
Claims (9)
- Système de détection acoustique distribuée à fibre optique, caractérisé en ce qu’il comprend une source de pompage directe, un multiplexeur à division de longueur d'onde, une matrice de réseaux actifs de déphasage, une source de pompage inverse et un dispositif de démodulation et de traitement de données ; dans lequel le multiplexeur à division de longueur d'onde est configuré pour recevoir une impulsion de pompage directe incidente depuis la source de pompage directe, transmettre l’impulsion de pompage directe vers la matrice de réseaux actifs de déphasage, et transmettre le signal de la lumière d'excitation renvoyé par la matrice de réseaux actifs de déphasage vers le dispositif de démodulation et de traitement de données ; la matrice de réseaux actifs de déphasage comprend une pluralité de réseaux actifs de déphasage gravés sur une même fibre optique, chaque réseau actif de déphasage ayant une même longueur d'onde d'excitation ;
la matrice de réseaux actifs de déphasage est configurée pour recevoir l’impulsion de pompage directe et la lumière de pompage inverse incidente depuis la source de pompage inverse, de sorte que chaque réseau actif de déphasage génère une lumière d'excitation directe et une lumière d'excitation inverse, et que les deux réseaux actifs de déphasage adjacents gênent une auto-interférence de la lumière d’excitation dans le même temps d’impulsion ;
le dispositif de démodulation et de traitement de données est configuré pour détecter l'interférence de la phase de fibre optique entre deux réseaux actifs de déphasage adjacents afin de mesurer le signal acoustique agissant sur la fibre optique. - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la longueur théoriquelde l'impulsion de pompage directe est supérieure à la distanceΔlentre les réseaux actifs de déphasage dans ladite matrice de réseaux actifs de déphasage ; oùl=cw/2n f , aveccest la vitesse de lumière à vide,west la largeur d'impulsion de l'impulsion de pompage directe etn f est l'indice de réfraction de la fibre optique.
- Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que, l'auto-interférence de la lumière d'excitation comprend :
lorsque les fenêtres de transmission des réseaux actifs de déphasageieti+1se chevauchent ou se chevauchent partiellement, les lumières d'excitation inverse des réseaux actifs de déphasageieti+1s’interfèrent, où 1<i≦N, avec N est le nombre total de réseaux actifs de déphasage dans la matrice de réseaux actifs de déphasage. - Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que, l'auto-interférence de la lumière d'excitation comprend :
lorsque les fenêtres de transmission des réseaux actifs de déphasageieti+1ne se chevauchent pas, la lumière d'excitation inverse du réseau actif de déphasageiet la lumière d'excitation directe du réseau actif de déphasagei+1renvoyée par le réseau actif de déphasage s’interfèrent, où 1<i≦N, avec N est le nombre total de réseaux actifs de déphasage dans la matrice de réseaux actifs de déphasage. - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le dispositif de démodulation et de traitement de données comprend un coupleur, un interféromètre, trois détecteurs principaux et un module d'acquisition et de traitement de données ; dans lequel l'entrée du détecteur principal est connectée au port au premier côté du coupleur, l’interféromètre est connecté au port au deuxième côté du coupleur, le module d’acquisition et de traitement de données est connecté à la sortie du détecteur principal ; le coupleur est configuré pour coupler un signal optique d’excitation renvoyé par la matrice de réseaux à déphasage actif au interféromètre, et couper un signal optique renvoyé par l’interféromètre au détecteur principal ; le détecteur principal est configuré pour mesurer un signal optique renvoyé par l'interféromètre, et le module d'acquisition et de traitement de données est configuré pour acquérir les résultats de mesure données par le détecteur principal et calculer la pression acoustique du signal acoustique.
- Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que, le dispositif de traitement et de démodulation de données comprend en outre un détecteur de surveillance de polarisation, dans lequel l'entrée du détecteur de surveillance de polarisation est connectée au port au deuxième côté du coupleur et la sortie du détecteur de surveillance de polarisation est connectée au module d'acquisition et de traitement de données ; le détecteur de surveillance de polarisation est configuré pour acquérir un état de polarisation de l'interféromètre en fonction du signal optique renvoyé par l'interféromètre et puis envoyer l'état de polarisation de l'interféromètre vers le module d'acquisition et de traitement de données.
- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que, ledit système comprend en outre un modulateur pour moduler la lumière de pompage directe émise par la source de pompage directe en une impulsion de pompage directe.
- Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que, le dispositif de démodulation et de traitement de données comprend en outre un amplificateur, un filtre et un circulateur, dans lequel l'entrée de l'amplificateur est connectée au multiplexeur à division de longueur d'onde, la sortie de l'amplificateur est connectée à l'entrée du filtre, la sortie du filtre est connectée au premier port du circulateur, le deuxième port du circulateur est connecté au port au premier côté du coupleur, et le troisième port du circulateur est connecté à un détecteur principal.
- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le système comprend en outre une pluralité de structures en cascade en série, chacune des structures en cascade comprenant un combinateur de faisceaux, une source de pompage inverse supplémentaire et une pluralité de réseaux actifs de déphasage supplémentaires, le combinateur de faisceaux est connecté à la source de pompage inverse supplémentaire, et une pluralité de réseaux actifs de déphasage supplémentaires sont connectées entre les combinateurs de faisceaux de deux structures en cascade adjacente.
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