RU2482449C2 - Распределенный оптоволоконный датчик - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к оптоволоконному датчику для измерения температуры и деформации в продольном направлении измерительного волокна. Устройство измеряет величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и рэлеевском рассеянии, вызванные деформацией и температурой в оптическом волокне, в соответствии с которыми рассчитывает деформацию и температуру, сформированные в оптическом волокне. Технический результат - измерение деформации и температуры одновременно и независимо с высоким пространственным разрешением. 12 з.п. ф-лы, 48 ил., 1 табл.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к распределенному оптоволоконному датчику, который использует в качестве датчика оптическое волокно и который способен к измерению деформации и температуры в его продольном направлении с высокой точностью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Традиционно, в качестве технологии измерения деформации и температуры, есть способ, основанный на явлении рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, которое возникает в оптическом волокне. В этом способе оптическое волокно используется в качестве среды, из которой деформация и/или температура должны детектироваться в окружающей среде (объекте, который должен быть подвернут измерению), где должно быть установлено такое оптическое волокно.

Явление рассеяния Бриллюэна-Мандельштама относится к явлению, где мощность распространяется посредством акустического фонона в оптическом волокне, когда световой сигнал проникает в оптическое волокно, и есть явление вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, которое возникает в результате двух световых сигналов с взаимно разными частотами, проникающих в оптическое волокно, и на основании взаимодействия двух световых сигналов и явления естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, которое возникает в результате светового сигнала, проникающего в оптическое волокно, и на основании взаимодействия вышеупомянутого светового сигнала и акустического фонона, который вырабатывается тепловым шумом в оптическом волокне. Сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, который наблюдается во время явления рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, пропорционален скорости звука в оптическом волокне, а скорость звука зависит от деформации и температуры оптического волокна. Таким образом, деформация и/или температура могут измеряться посредством измерения сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама.

Показательными системами для измерения распределения деформации и температуры с использованием явления рассеяния Бриллюэна-Мандельштама являются BOTDA (Оптический анализ во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама) и BOTDR (Оптический рефлектометр во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама).

Прежде всего, при BOTDA используется явление вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, два лазерных пучка с взаимно разными частотами проникают в оптическое волокно детектирования встречным образом в качестве светового сигнала накачки и зондового светового сигнала, и оптическая интенсивность светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, выдаваемого с конца оптического волокна детектирования, в который проникал световой сигнал накачки, измеряется во временной области. При BOTDA акустический фонон возбуждается на основании взаимодействия светового сигнала накачки и зондового светового сигнала.

Между тем, при BOTDR, как только лазерный пучок проникает в качестве светового сигнала накачки с одного конца оптического волокна детектирования, световой сигнал, имеющий отношение к явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, выдаваемое с одного конца, детектируется оптическим полосовым фильтром, и оптическая интенсивность детектированного светового сигнала, имеющего отношение к явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, измеряется во временной области. При BOTDR используется акустический фонон, вырабатываемый тепловым шумом.

Впоследствии, с помощью BOTDA и BOTDR, описанных выше, эта разновидность измерения выполняется для каждой частоты наряду с последовательным изменением частоты светового сигнала накачки или, в случае BOTDA, частоты зондового светового сигнала, соответственно получаются спектры усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама (или спектры ослабления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама в BOTDA) соответственных участков вдоль продольного направления оптического волокна детектирования, и распределение деформации и/или распределение температуры по продольному направлению оптического волокна детектирования измеряется на основании вышеупомянутого результата измерения. В качестве вышеупомянутого светового сигнала накачки, при нормальных условиях, используется световой импульс с прямоугольной оптической интенсивностью, а в качестве зондового светового сигнала в BOTDA используется непрерывный световой сигнал (световой сигнал CW).

Здесь, при BOTDA, наряду с тем, что спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама детектируется посредством побуждения частоты светового сигнала накачки быть большей, чем частота зондового светового сигнала, в качестве опорного сигнала с одной стороны, спектр ослабления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама детектируется побуждением частоты зондового светового сигнала быть выше, чем частота светового сигнала накачки. Более того, при BOTDR детектируется спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама. При BOTDA деформация и/или температура могут получаться посредством использования спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама или спектра ослабления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама. В этом описании изобретения спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и спектр ослабления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама указываются ссылкой просто как «спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама» в качестве присущего при указании ссылкой на BOTDA.

Пространственное разрешение BOTDA и BOTDR ограничено длительностью импульса у светового импульса светового сигнала накачки, которое используется для измерения. Хотя скорость света в оптическом волокне будет слегка отличаться в зависимости от материала оптического волокна, при стандартном оптическом волокне, которое используется обычно, она отнимает приблизительно 28 нс для полного нарастания акустического фонона. Таким образом, спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама является кривой Лоренца вплоть до того, где длительность импульса у светового импульса имеет значение приблизительно 28 нс или более, и, если длительность светового импульса делается короче, чем вышеприведенная, он становится широкополосной кривой и приобретает плавную форму, которая теряет свою крутизну поблизости от центральной частоты. Таким образом, становится трудно отыскивать центральную частоту, и ее пространственное разрешение обычно упоминается являющимся приблизительно от 2 до 3 м.

Таким образом, изобретатели настоящего изобретения предложили в международной публикации № 2006/001071 способ измерения распределения деформации и/или температуры с высокой точностью (например, 200 με или меньше) и высоким пространственным разрешением (например, 1 м или меньше) посредством конфигурирования вышеупомянутого светового импульса из двух составляющих. Изобретатели настоящего изобретения указывают ссылкой эту систему как PPP-BOTDA/BOTDR (Импульсный предварительно накачанный BOTDA/BOTDR). Отметим, что 100 με соответствуют 0,01% (100 με=0,01%). Более того, сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама имеет значение приблизительно 500 МГц/% относительно деформации.

Тем не менее, поскольку величина сдвига частоты при рассеяние Бриллюэна-Мандельштама, которая измеряется с использованием явления рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, изменяется в зависимости от двух параметров деформации и температуры оптического волокна, параметр, который может измеряться с использованием явления рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, в своей основе, является одним из деформации или температуры, и невозможно отдельно и одновременно измерять деформацию и температуру.

[Патентный документ 1] Брошюра международной публикации под № 2006-001071.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель этого изобретения состоит в том, чтобы предложить распределенный оптоволоконный датчик, способный к измерению деформации и температуры объекта, который должен подвергаться измерению, одновременно и независимо с высоким пространственным разрешением.

Для того чтобы добиться вышеизложенной цели, распределенный оптоволоконный датчик согласно настоящему изобретению является распределенным оптоволоконным датчиком, который использует оптическое волокно в качестве датчика, содержащим блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама для измерения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, вызванной деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне, посредством использования явления рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, блок измерения рэлеевского рассеяния для измерения величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, вызванной деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне, посредством использования явления рэлеевского рассеяния, и блок вычисления для расчета деформации и температуры, сформированных в оптическом волокне, на основании величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, измеренной блоком измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, и величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, измеренной блоком измерения рэлеевского рассеяния.

Согласно этому распределенному оптоволоконному датчику, поскольку величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, вызванная деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне, измеряется посредством использования явления рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, а величина сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, вызванная деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне, измеряется посредством использования явления рэлеевском рассеяния, деформация и температура, сформированные в оптическом волокне, могут рассчитываться одновременно и независимо посредством использования двух сдвигов частоты, а деформация и температура объекта, который должен быть подвергнут измерению с помощью присоединенного оптического волокна, могут измеряться одновременно и независимо с высоким пространственным разрешением.

Таким образом, распределенный оптоволоконный датчик согласно настоящему изобретению может одновременно и независимо измерять деформацию и температуру объекта тестирования с высоким пространственным разрешением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - структурная схема, показывающая конфигурацию распределенного оптоволоконного датчика согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 - структурная схема, показывающая схематическую конфигурацию распределенного оптоволоконного датчика в случае эксплуатации распределенного оптоволоконного датчика, показанного на фиг. 1, на основании первого режима.

Фиг. 3 - структурная схема, показывающая схематическую конфигурацию распределенного оптоволоконного датчика в случае эксплуатации распределенного оптоволоконного датчика, показанного на фиг. 1, на основании второго режима.

Фиг. 4 - блок-схема последовательности операций способа, поясняющая операцию измерения деформации и температуры, выполняемую распределенным оптоволоконным датчиком, показанным на фиг. 1.

Фиг. 5 - схема, поясняющая конфигурацию и работу блока формирования световых импульсов, показанного на фиг. 1.

Фиг. 6 - схема, поясняющая конфигурацию светового сигнала накачки (вспомогательного светового импульса и основного светового импульса) и согласованного фильтра.

Фиг. 7 - схема, показывающая пример импульсного светового сигнала, который выдается из блока формирования световых импульсов, показанного на фиг. 1.

Фиг. 8 - схема, показывающая пример величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, измеренной распределенным оптоволоконным датчиком, показанным на фиг. 1.

Фиг. 9 - схема, поясняющая соотношение фактического измеряемого положения и заданного положения измерения.

Фиг. 10 - блок-схема последовательности операций способа, поясняющая операцию измерения деформации и температуры, выполняемую распределенным оптоволоконным датчиком, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 11 - схема, поясняющая способ выведения величины поправки.

Фиг. 12 - схема, показывающая пиковую частоту спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в соответственных положениях в продольном направлении оптического волокна детектирования, в котором разный тип волокна присоединен в его средней точке.

Фиг. 13 - схематическое представление, поясняющее соотношение опорного спектра рэлеевского рассеяния и измеренного спектра рэлеевского рассеяния.

Фиг. 14 - схема, показывающая опорный спектр рэлеевского рассеяния и измеренный спектр рэлеевского рассеяния.

Фиг. 15 - схема, показывающая соотношение порогового значения и коэффициента взаимной корреляции.

Фиг. 16 - схема, поясняющая способ определения диапазона сканирования для получения величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии из соотношения величины сдвига и коэффициента взаимной корреляции измеренного спектра рэлеевского рассеяния относительно опорного спектра рэлеевского рассеяния.

Фиг. 17 - схема, поясняющая эффект поправки на основании величины поправки.

Фиг. 18 - структурная схема, показывающая конфигурацию распределенного оптоволоконного датчика, когда распределенный оптоволоконный датчик, показанный на фиг. 1, сконфигурирован в качестве BOTDR.

Фиг. 19 - схема, поясняющая оптический полосовой фильтр с узкой шириной линии.

Фиг. 20 - схема, поясняющая способ получении сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама вычитанием составляющих элементов из полного спектра.

Фиг. 21 - схема, показывающая экспериментальный результат распределенного оптоволоконного датчика в случае светового сигнала накачки, имеющего конфигурацию, показанную на фиг. 6A.

Фиг. 22 - схема, поясняющая еще одну конфигурацию светового сигнала накачки (вспомогательного светового импульса и основного светового импульса).

Фиг. 23 - схема, показывающая экспериментальный результат распределенного оптоволоконного датчика в случае светового сигнала накачки, имеющего конфигурацию, показанную на фиг. 22B.

Фиг. 24 - схема, поясняющая еще одну другую конфигурацию светового сигнала накачки (вспомогательного светового импульса и основного светового импульса) и согласованного фильтра.

Фиг. 25 - схема, поясняющая конфигурацию и работу блока формирования световых импульсов для формирования светового сигнала накачки, имеющего конфигурацию, показанную на фиг. 24A.

Фиг. 26 - схема, показывающая форму сигнала вспомогательного светового импульса и основного светового импульса по еще одному примеру.

Фиг. 27 - схема, показывающая форму сигнала вспомогательного светового импульса и основного светового импульса по еще одному примеру.

Фиг. 28 - схема, показывающая форму сигнала вспомогательного светового импульса и основного светового импульса по еще одному примеру.

Фиг. 29 - схема, показывающая форму сигнала вспомогательного светового импульса и основного светового импульса по еще одному примеру.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Первый вариант осуществления распределенного оптоволоконного датчика согласно настоящему изобретению далее пояснен со ссылкой на прилагаемые чертежи. Отметим, что конфигурация, наделенная одинаковым номером ссылочной позиции на соответственных чертежах, показывает, что она является идентичной конфигурацией, и ее пояснение пропускается. Фиг. 1 - структурная схема, показывающая конфигурацию распределенного оптоволоконного датчика в первом варианте осуществления.

Распределенный оптоволоконный датчик FS, показанный на фиг. 1, включает в себя первый источник 1 света, оптические ответвители 2, 5, 8, 21, 23, 30, блок 3 формирования световых импульсов, оптические переключатели 4, 22, блок 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, оптические циркуляторы 7, 12, оптические разъемы 9, 26, 27, 28, первый блок 10 автоматического регулирования температуры (в дальнейшем указываемый ссылкой как «первый ATC»), первый блок 11 автоматического регулирования частоты (в дальнейшем указываемый ссылкой как «первый AFC»), управляющий блок 13 обработки, детектор 14 деформации и температуры, оптическое волокно 15 детектирования, блок 16 детектирования температуры, опорное оптическое волокно 17, второй блок 18 автоматического регулирования температуры (в дальнейшем указываемый ссылкой как «второй ATC»), второй блок 19 автоматического регулирования частоты (в дальнейшем указываемый ссылкой как «второй AFC»), второй источник 20 света, блок 24 настройки оптической интенсивности и 1×2 оптические переключатели 25, 29, 31.

Первый и второй источники 1, 20 света соответственно являются устройствами источника света, которые вырабатывают и выдают непрерывный свет (световой сигнал) предопределенной частоты, посредством поддержания приблизительно постоянным при предопределенной температуре, которая заблаговременно установлена первым и вторым ATC 10, 18, и посредством поддержания приблизительно постоянным при предопределенной частоте, которая заблаговременно установлена первым и вторым AFC 11, 19. Выходной терминал (терминал вывода) первого источника 1 света оптически связан с входным терминалом (терминалом ввода) оптического ответвителя 2. Выходной терминал (терминал вывода) второго источника 20 света оптически связан с входным терминалом (терминалом ввода) оптического ответвителя 21.

Первый и второй источники 1, 20 света соответственно сконфигурированы, например, включением в состав светоизлучающего элемента, элемента детектирования температуры (например, терморезистора, или тому подобного), расположенного поблизости от светоизлучающего элемента, и который детектирует температуру светоизлучающего элемента, первого светопринимающего элемента, который принимает один из световых сигналов, ответвленных оптическим ответвителем (например, полузеркалом, или тому подобным), который разветвляет обратный световой сигнал, выдаваемый сзади светоизлучающего элемента, надвое, через эталонный фильтр Фабри-Перо в качестве периодического фильтра, второго светопринимающего элемента, который принимает другой световой сигнал, ответвленный оптическим ответвителем, элемента настройки температуры и подложки, на которой расположены вышеупомянутые светоизлучающий элемент, элемент детектирования температуры, оптический ответвитель, первый и второй светопринимающие элементы, эталонный фильтр Фабри-Перо и элемент настройки температуры.

Светоизлучающий элемент является элементом, способным к испусканию светового сигнала предопределенной частоты с узкой шириной линии и изменению длины волны генерации (частоты генерации) посредством изменения температуры элемента или тока возбуждения, и, например, является полупроводниковым лазером с переменной длиной волны (полупроводниковым лазером с переменной частотой), таким как (с распределенной обратной связью, DFB) РОС-лазер с многоквантовой карманной структурой или лазер с брэгговскими зеркалами и переменным распределением длин волн. Соответственно, первый источник 1 света также функционирует в качестве источника света с переменной частотой.

Соответственные элементы детектирования температуры в первом и втором источниках 1, 20 света соответственно выдают соответственные детектированные температуры в первый и второй ATC 10, 18. Первый и второй светопринимающие элементы в первом и втором источниках 1, 20 света, например, включают в себя элемент фотоэлектрического преобразования, такой как фотодиод, и соответственно выдают соответственные выходные сигналы приема светового сигнала согласно оптическим интенсивностям приема света в первый и второй AFC 11, 19. Элемент настройки температуры является компонентом для настройки температуры подложки посредством выработки тепла или поглощения тепла и, например, сконфигурирован включением в состав элемента термоэлектрического преобразования, такого как элемент Пельтье или элемент Зеебека.

Первый и второй ATC 10, 18 соответственно являются схемами, которые автоматически поддерживают температуру соответственных подложек приблизительно постоянной при предопределенной температуре, управляя соответственными элементами настройки температуры на основании соответственных детектированных температур соответственных элементов детектирования температуры в первом и втором источниках 1, 20 света согласно управлению управляющего блока 13 обработки. Температура соответственных светоизлучающих элементов в первом и втором источниках 1, 20 света, в силу этого, поддерживается приблизительно постоянной при предопределенной температуре. Таким образом, если частота света, испускаемого светоизлучающим элементом, имеет температурную зависимость, такая температурная зависимость подавляется.

Первый и второй AFC 11, 19 соответственно являются схемами, которые автоматически поддерживают частоту светового сигнала, испускаемого соответственными светоизлучающими элементами, приблизительно постоянной при предопределенной частоте и качают частоту светового сигнала в предопределенном диапазоне частот, управляя соответственными светоизлучающими элементами на основании соответственных выходных сигналов приема светового сигнала первого и второго светопринимающих элементов в первом и втором источниках 1, 20 света согласно управлению управляющего блока 13 обработки.

Оптический ответвитель, эталонный фильтр Фабри-Перо и первый и второй светопринимающий элемент в первом и втором источниках 1, 20 света, и первый и второй AFC 11, 19 соответственно конфигурируют так называемый локер длины волны, который приблизительно фиксирует длину волны (частоту) светового сигнала, испускаемого светоизлучающим элементом в первом и втором источниках 1, 20 света.

Оптические ответвители 2, 5, 21, 23 являются оптическими элементами, которые соответственно распределяют падающий световой сигнал, который проникал с одного входного терминала, на два световых сигнала и соответственно выводят такие два световых сигнала в два выходных терминала. Оптический ответвитель 8 является оптическим компонентом, который выводит падающий свет, который проник с одного входного терминала из двух входных терминалов, в один выходной терминал и выводит падающий свет, который проник из другого входного терминала в вышеупомянутый выходной терминал. Оптический ответвитель 30 является оптическим компонентом, который соединяет два падающих световых сигнала, которые проникали с двух входных терминалов, и выдает соединенный световой сигнал из двух выходных терминалов. В качестве оптических ответвителей 2, 5, 21, 23, 8, 30, например, может использоваться оптический шлейфный ответвитель типа микрооптического элемента, такой как полузеркало или оптический шлейфный ответвитель оптоволоконного типа, либо оптический шлейфный ответвитель типа оптического волновода из сплавленного волокна.

Один выходной терминал оптического ответвителя 2 оптически связан с входным терминалом блока 3 формирования световых импульсов, а другой выходной терминал оптически связан с входным терминалом оптического переключателя 31 1×2. Один выходной терминал оптического ответвителя 5 оптически связан с входным терминалом блока 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, а другой выходной терминал оптически связан с входным терминалом детектора 14 деформации и температуры. Один выходной терминал оптического ответвителя 21 оптически связан с входным терминалом оптического переключателя 22, а другой выходной терминал оптически связан с другим концом опорного оптического волокна 17 через оптический разъем 28. Один выходной терминал оптического ответвителя 23 оптически связан с входным терминалом блока 24 настройки оптической интенсивности, а другой выходной терминал оптически связан с входным терминалом детектора 14 деформации и температуры. Один входной терминал оптического ответвителя 8 оптически связан со вторым терминалом оптического циркулятора 7, а другой входной терминал оптически связан с другим выходным терминалом оптического переключателя 25 1×2, а выходной терминал оптически связан с одним концом оптического волокна 15 детектирования через оптический разъем 9. Один входной терминал оптического ответвителя 30 оптически связан с другим выходным терминалом оптического переключателя 31 1×2, другой входной терминал оптически связан с одним выходным терминалом оптического переключателя 29 1×2, а два выходных терминала оптически связаны с входным терминалом детектора 14 деформации и температуры.

Блок 3 формирования световых импульсов является устройством, в которое входит непрерывный свет, выдаваемый из первого источника 1 света, и которое вырабатывает основной световой импульс и вспомогательный световой импульс в качестве светового сигнала накачки из вышеупомянутого непрерывного света. Основной световой импульс является световым импульсом, использующим систему с расширенным спектром. В качестве системы с расширенным спектром, например, может использоваться система внутриимпульсной линейной частотной модуляции, которая изменяет частоту с помощью системы фазовой модуляции, которая модулирует фазу, или с помощью гибридной системы, которая комбинирует вышеупомянутые систему внутриимпульсной линейной частотной модуляции и систему фазовой модуляции.

В качестве системы внутриимпульсной частотной модуляции, например, может использоваться система монотонного изменения частоты; например, изменяющая частоту линейно. В качестве системы фазовой модуляции, например, может использоваться система фазовой модуляции с использованием (псевдошумовой) PN-последовательности. PN-последовательность является псевдослучайной числовой последовательностью, и, в качестве PN-последовательности, например, может использоваться M-последовательность (последовательности максимальной длины), золотая последовательность, или тому подобное. M-последовательность может формироваться схемой, сконфигурированной включением в состав многоступенчатого сдвигового регистра и логической схемы, которая возвращает в сдвиговый регистр логическое соединение соответственных состояний на соответственных ступенях из таких многочисленных ступеней. Более того, если Mi представляет последовательность, в которой 0 M-последовательности, сформированной n-ми примитивными многочленами F1(x) и F2(x), приведен в соответствие -1, а Mj представляет последовательность, в которой 1 M-последовательности приведена в соответствие +1, золотая последовательность может формироваться на основании произведения Mi•Mj этих двух. Более того, кодовая последовательность Голэя может использоваться в качестве псевдослучайной числовой последовательности системы фазовой модуляции. Кодовая последовательность Голэя обладает превосходными характеристиками, где боковой лепесток автокорреляционной функции становится точно 0. Вспомогательный световой импульс является немодулированным световым импульсом, который не был модулирован, и его максимальная оптическая интенсивность ниже, чем оптическая интенсивность основного светового импульса, а длительность импульса существенно больше, чем продолжительность существования акустического фонона.

Блок 3 формирования световых импульсов вырабатывает вспомогательный световой импульс и основной световой импульс из условия, чтобы основной световой импульс не проникал в оптическое волокно 15 детектирования по времени раньше вспомогательного светового импульса в Оптическом анализе во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDA) по этому варианту осуществления согласно управлению управляющего блока 13 обработки. Вспомогательный световой импульс и основной световой импульс в качестве светового сигнала накачки, вырабатываемого блоком 3 формирования световых импульсов, описаны позже.

Оптические переключатели 4, 22 являются оптическими компонентами, которые включают/выключают световой сигнал между входным терминалом и выходным терминалом согласно управлению управляющего блока 13 обработки. Световой сигнал пропускается, когда он включен, и световой сигнал блокируется, когда он выключен. В качестве оптических переключателей 4, 22, в этом варианте осуществления, например, используется модулятор оптической интенсивности, такой как оптический модулятор MZ или полупроводниковый оптический модулятор типа с электропоглощением, который модулирует оптическую интенсивность падающего светового сигнала. Оптические переключатели 4, 22 включают в себя схему возбуждения, которая управляется управляющим блоком 13 обработки и которая возбуждает модулятор оптической интенсивности. Схема возбуждения сконфигурирована включением в состав источника питания DC (постоянного тока), который вырабатывает сигнал напряжения DC для выключения модулятора оптической интенсивности в нормальном состоянии, генератор импульсов, который вырабатывает импульс напряжения для включения модулятора оптической интенсивности, который нормально выключен, и тактовый генератор, который управляет привязкой по времени выработки импульса напряжения. Выходной терминал оптического переключателя 4 оптически связан с входным терминалом оптического ответвителя 5. Выходной терминал оптического переключателя 22 оптически связан с входным терминалом оптического ответвителя 23.

Блок 6 настройки оптической интенсивности/поляризации является компонентом, который управляется управляющим блоком 13 обработки, который настраивает оптическую интенсивность падающего светового сигнала и случайным образом изменяет и выдает плоскость поляризации падающего светового сигнала. Выходной терминал блока 6 настройки оптической интенсивности/поляризации оптически связан с первым терминалом оптического циркулятора 7. Блок 6 настройки оптической интенсивности/поляризации сконфигурирован, например, включением в состав переменного оптического аттенюатора, способного к ослаблению и выдаче оптической интенсивности падающего светового сигнала и изменению его величины ослабления, и контроллер поляризации, способный к произвольному изменению и выводу плоскости поляризации падающего светового сигнала. Блок 6 настройки оптической интенсивности/поляризации совместно используется при измерении подвергнутого вынужденному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала и подвергнутого обратному рэлеевскому рассеянию светового сигнала, и произвольно изменяет плоскость поляризации светового сигнала.

Оптические циркуляторы 7, 12 являются необратимыми оптическими компонентами, в которых падающий световой сигнал и выходящий световой сигнал имеют рекуррентное соотношение по своим номерам терминалов. Более точно, световой сигнал, который проникает в первый терминал, выводится из второго терминала и не выводится из третьего терминала, световой сигнал, который проникает во второй терминал, выводится из третьего терминала и не выводится из первого терминала, а световой сигнал, который проникает в третий терминал, выводится из первого терминала и не выводится из второго терминала. Первый терминал оптического циркулятора 7 оптически связан с выходным терминалом блока 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, второй терминал оптически связан с одним входным терминалом оптического ответвителя 8, а третий терминал оптически связан с входным терминалом оптического переключателя 29 1×2. Первый терминал оптического циркулятора 12 оптически связан с одним выходным терминалом оптического переключателя 31 1×2, второй терминал оптически связан с одним концом опорного оптического волокна 17 через оптический разъем 27, а третий терминал оптически связан с входным терминалом детектора 14 деформации и температуры.

Оптические разъемы 9, 26, 27, 28 являются оптическими компонентами для оптического соединения оптических волокон или оптического компонента и оптического волокна.

Блок 24 настройки оптической интенсивности является компонентом, который управляется управляющим блоком 13 обработки и который настраивает и выдает оптическую интенсивность падающего светового сигнала. Выходной терминал блока 24 настройки оптической интенсивности оптически связан с входным терминалом оптического переключателя 25. Блок 24 настройки оптической интенсивности сконфигурирован, например, включением в состав переменного оптического аттенюатора, который ослабляет и выдает оптическую интенсивность падающего светового сигнала, и оптического вентиля, который пропускает световой сигнал только в одном направлении с входного терминала на выходной терминал. Падающий световой сигнал, который проникает в блок 24 настройки оптической интенсивности, выдается через оптический вентиль при настройке его оптической интенсивности на предопределенную оптическую интенсивность переменным оптическим аттенюатором. Оптический вентиль играет роль предотвращения распространения отраженного светового сигнала, сформированного на соединениях и тому подобном, соответственных оптических компонентов в распределенном оптоволоконном датчике FS и распространения вспомогательного светового импульса и основного светового импульса во второй источник 20 света.

Оптические переключатели 25, 29, 31 1×2 являются оптическими переключателями с 1 входом и 2 выходами, которые выдают, с одного из двух выходных терминалов, световой сигнал, который проникает с входного терминала, посредством переключения оптического тракта и, например, может использоваться механический оптический переключатель или оптический волноводный переключатель.

Один выходной терминал оптического переключателя 25 1×2 оптически связан с другим входным терминалом оптического ответвителя 8, а другой выходной терминал оптически связан с другим концом оптического волокна 15 детектирования через оптический разъем 26. При выполнении операции с первым режимом (измерения с обоих концов) оптического анализа во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDA) согласно управлению (или ручной операции) управляющего блока 13 обработки оптический переключатель 25 1×2 переключается, так что световой сигнал, который проникал с входного терминала, проникает в другой конец оптического волокна 15 детектирования через оптический разъем 26, а при выполнении операции с вторым режимом (измерения на одном конце) оптического анализа во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDA) оптический переключатель 25 1×2 переключается, так что световой сигнал, который проникал с входного терминала, проникает в один конец оптического волокна 15 детектирования через оптический ответвитель 8 и оптический разъем 9.

Один выходной терминал оптического переключателя 29 1×2 оптически связан с другим входным терминалом оптического ответвителя 30, а другой выходной терминал оптически связан с детектором 14 деформации и температуры. При выполнении операции с первым режимом оптического анализа во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDA) или вторым режимом оптического анализа во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDA) согласно управлению (или ручной операции) управляющего блока 13 обработки оптический переключатель 29 1×2 переключается, так что световой сигнал, который проникал с входного терминала, проникает в детектор 14 деформации и температуры, а при выполнении операции в качестве когерентного оптического рефлектометра во временной области (COTDR) с использованием явления рэлеевского рассеяния оптический переключатель 29 1×2 переключается, так что световой сигнал, который проникал с входного терминала, проникает в другой входной терминал оптического ответвителя 30.

Один выходной терминал оптического переключателя 31 1×2 оптически связан с первым терминалом оптического циркулятора 12, а другой выходной терминал оптически связан одним выходным терминалом оптического ответвителя 30. При выполнении операции с первым режимом оптического анализа во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDA) или вторым режимом оптического анализа во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDA) согласно управлению (или ручной операции) управляющего блока 13 обработки оптический переключатель 31 1×2 переключается, так что световой сигнал, который проникал с входного терминала, проникает в оптический циркулятор 12, а при выполнении операции в качестве когерентного оптического рефлектометра во временной области (COTDR) с использованием явления рэлеевского рассеяния оптический переключатель 31 1×2 переключается, так что световой сигнал, который проникал с входного терминала, проникает в один входной терминал оптического ответвителя 30.

Оптическое волокно 15 детектирования является оптическим волокном для использования в качестве датчика, который детектирует деформацию и температуру, и, при BOTDA, вспомогательный световой импульс и основной световой импульс, а также непрерывный световой сигнал проникают в оптическое волокно 15 детектирования, и световой сигнал, который подвергается действию явления вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, выводится из него. Более того, при использовании явления рэлеевского рассеяния импульсный световой сигнал проникает в оптическое волокно 15 детектирования, и световой сигнал, который подвергнут действию явления рэлеевского рассеяния, выводится из него. Здесь, при измерении деформации и температуры, сформированных в объекте, который должен быть подвергнут измерению, таком как система трубопроводов, нефтепромысловые трубы, мост, туннель, плотина, здание или другие конструкции или основание, оптическое волокно 15 детектирования прикреплено к объекту, который должен быть подвергнут измерению, клеем, элементом прикрепления или тому подобным.

Опорное (эталонное) оптическое волокно 17 является оптическим волокном, которое используется для настройки частоты соответственных световых сигналов и соответственно выдаваемых из первого и второго источников 1, 20 света, и является оптическим волокном, в котором соотношение разности частот в первом и втором световых сигнала, которые вызывают явление вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, и оптическая интенсивность светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, известны заранее. Более того, опорное оптическое волокно 17 также может использоваться для настройки светового сигнала, которое используется для измерения подвергнутого обратному рэлеевскому рассеянию светового сигнала.

Блок 16 детектирования температуры является схемой для выявления температуры опорного оптического волокна 17 и выдает детектированную температуру в управляющий блок 13 обработки.

Детектор 14 деформации и температуры сконфигурирован включением в состав светопринимающего элемента, оптического переключателя, схемы усиления, аналого-цифрового преобразователя, схемы обработки сигналов, анализатора спектра, компьютера и тому подобного. Детектор 14 деформации и температуры управляет соответственными компонентами распределенного оптоволоконного датчика FS, вводя и выводя сигналы в и из управляющего блока 13 обработки. Детектор 14 деформации и температуры получает оптическую интенсивность светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, которое проникало во входной терминал через оптический разъем 27 и оптический циркулятор 12 и которое выводилось из опорного оптического волокна 17, и выдает полученную оптическую интенсивность в управляющий блок 13 обработки.

Более того, детектор 14 деформации и температуры управляет соответственными компонентами распределенного оптоволоконного датчика FS, вводя и выводя сигналы в и из управляющего блока 13 обработки, оптический переключатель 29 1×2 связывает оптический циркулятор 7 и детектор 14 деформации и температуры, и световой сигнал, имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, проникает в светопринимающий элемент с одним входным терминалом для подвергнутого вынужденному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала в детекторе 14 деформации и температуры. Детектор 14 деформации и температуры получает спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама соответственных отрезков участка оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования посредством соединения светопринимающего элемента для подвергнутого вынужденному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала и схемы усиления внутренним переключателем и детектирования светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, принятого в предопределенных интервалах выборки отсчетов, и получает величину сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама соответственных отрезков участка на основании спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама каждой из полученных отрезков участка.

Более того, детектор 14 деформации и температуры управляет соответственными компонентами распределенного оптоволоконного датчика FS, вводя и выводя сигналы в и из управляющего блока 13 обработки, оптический переключатель 29 1×2 связывает оптический циркулятор 7 и оптический ответвитель 30, и световой сигнал, имеющий отношение к явлению рэлеевского рассеяния, проникает в светопринимающий элемент с двумя входными терминалами для подвергнутого рэлеевскому рассеянию светового сигнала в детекторе 14 деформации и температуры через оптический ответвитель 30. Детектор 14 деформации и температуры получает спектр рэлеевского рассеяния соответственных отрезков участка оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования посредством соединения светопринимающего элемента для подвергнутого рэлеевскому рассеянию светового сигнала и схемы усиления внутренним переключателем и детектирования светового сигнала, имеющего отношение к явлению рэлеевского рассеяния, принятого в предопределенных интервалах выборки отсчетов, и получает величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии соответственных отрезков участка на основании спектра рэлеевского рассеяния Бриллюэна-Мандельштама каждой из полученных отрезков участка.

В дополнение, детектор 14 деформации и температуры одновременно и независимо детектирует распределение деформаций и распределение температур оптического волокна 15 детектирования по величине сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и величине сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, полученным, как описано выше.

Соответственные падающие световые сигналы, которые проникали с соответственных входных терминалов детектора 14 деформации и температуры, соответственно преобразуются в электрический сигнал согласно величине принятого светового сигнала светопринимающим элементом, который выполняет фотоэлектрическое преобразование. Падающий световой сигнал, который проникал в качестве светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, непосредственно детектируется в результате преобразования в электрический сигнал светопринимающим элементом, отфильтрованный согласованным фильтром, преобразованный в цифровой электрический сигнал аналого-цифровым преобразователем и используемый для получения спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама. Падающий световой сигнал, который проникал в качестве светового сигнала, имеющего отношение к явлению рэлеевского обратного рассеяния, непосредственно детектируется в результате преобразования в электрический сигнал светопринимающей схемой, отфильтрованный согласованным фильтром, преобразованный в цифровой электрический сигнал аналого-цифровым преобразователем и используемый для получения спектра рэлеевского рассеяния. Более того, по необходимости, электрический сигнал усиливается схемой усиления перед цифровым преобразованием.

Управляющий блок 13 обработки, например, включает в себя микропроцессор, рабочую память и память для хранения различных данных, требуемых для измерения распределения деформации и температуры оптического волокна 15 детектирования с высоким пространственным разрешением. Управляющий блок 13 обработки является электронной схемой, которая управляет первым и вторым источниками 1, 20 света, первым и вторым ATC 10, 18, первым и вторым AFC 11, 19, блоком 3 формирования световых импульсов, оптическими переключателями 4, 22, блоком 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, оптическими переключателями 25, 29, 31 1×2 и блоком 24 настройки оптической интенсивности, с тем чтобы измерять распределение деформации и температуры оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования с высоким пространственным разрешением и на большом расстоянии, вводя и выводя сигналы в и из детектора 14 деформации и температуры.

Управляющий блок 13 обработки функционально включает в себя блок хранения, который заблаговременно сохраняет соотношение разности частот в первом и втором световых сигналах, которые вызывают явление вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, и оптическую интенсивность светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в опорном оптическом волокне 17, и блок установки частоты для управления первым AFC 11 и/или вторым AFC 19, так что разность частот соответственных световых сигналов, испускаемых первым и вторым светоизлучающими элементами в первом и втором источниках 1, 20 света, на основании оптической интенсивности светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, полученного детектором 14 деформации и температуры, и вышеупомянутого известного соотношения в опорном оптическом волокне 17, становится предопределенной разностью частот, которая установлена заранее. Более того, управляющий блок 13 обработки функционально включает в себя блок установки частоты для управления первым AFC 11, с тем чтобы выдавать световой сигнал, который вызывает явление обратного рэлеевского рассеяния в опорном оптическом волокне 17.

Отметим, что первый и второй источники 1, 20 света, первый и второй ATC 10, 18, первый и второй AFC 11, 19, блок 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, блок 24 настройки оптической интенсивности и модулятор оптической интенсивности описаны в Брошюре международной публикации под № 2006/001071.

Далее пояснен сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама в случае использования системы с расширенным спектром для светового сигнала, которое проникает в оптическое волокно детектирования.

Система с расширенным спектром или система сжатия импульсов используется для расширения измеряемого расстояния в так называемой области радаров. Эти системы детектируют расстояние до целевого объекта по рассеянию спектра импульса посредством использования частотной модуляции или фазовой модуляции в пределах импульса, который излучается в открытое пространство, для обнаружения целевого объекта, и выполнения демодуляции, указываемой ссылкой как сжатие импульсов, в отношении отраженной волны, которая была отражена от целевого объекта. В силу этого, можно увеличивать энергию импульса и расширять измеряемое расстояние. Спектральное расширение должно намеренно расширять полосу пропускания, чтобы была шире, чем полоса пропускания, которая фундаментально требуется для отправки сигналов.

При применении системы с расширенным спектром к BOTDA или BOTDR, поскольку сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама будет возникать посредством нелинейного процесса, если спектр светового импульса расширяется (рассеивается), это, во-первых, заставляет расширяться спектр возбужденного акустического фонона, а во-вторых, заставляет расширяться спектр в сигнале временного ряда отраженной волны для каждой частоты, тем самым, вызывая двойное расширение спектра. Таким образом, невозможно просто применять код спектрального расширения к BOTDA или BOTDR. Таким образом, изобретатели настоящего изобретения обнаружили, что, как проанализировано ниже, система с расширенным спектром может применяться к BOTDA или BOTDR посредством конфигурирования светового импульса из основного светового импульса и вспомогательного светового импульса и использования системы с расширенным спектром для основного светового импульса.

Хотя случай применения этого к BOTDA пояснен ниже, подобный анализ может быть выполнен для BOTDR.

При BOTDA световой сигнал накачки проникает с одного конца (z=0) оптического волокна детектирования, зондовый световой сигнал частоты, которая отлична от частоты светового сигнала накачки, проникает с другого конца, и обратное рассеяние возбужденного акустического фонона наблюдается в концевой точке z=0. Спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама (BGS) является приращением мощности зондового светового сигнала.

Прежде всего, световой сигнал A_p(0, t) накачки делается световым импульсом, в котором комплексная огибающая имеет форму, которая представлена формулой (1).

Здесь, P_p представляет мощность светового сигнала накачки, а f(t) - функция, представляющая амплитуду светового сигнала накачки в момент t времени, и нормализована, так что ее максимальное абсолютное значение становится 1.

Более того, при определении функции по формуле (2) ее преобразование Фурье представляется формулой (3). В вышеупомянутом случае спектр V(t, ν) усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама является двухмерной сверткой и представлен формулой (4). Первый член по правую сторону формулы (4) является меняющимся во времени спектром Лоренца.

Здесь, верхний индекс * представляет, что он является комплексно сопряженным, а i - комплексная единица (i²=-1). Более того, γ - коэффициент усиления, а ν_B(z) - сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама в положении z. В дополнение, G(ν) - спектр Лоренца, а v_g - групповая скорость светового сигнала накачки. Оператор * представляет свертку, а его верхние индексы t, ν представляют, что он является двухмерной сверткой относительно этих переменных. Отметим, что указание оператора • умножения было опущено.

Здесь, в идеале, наблюдается сам меняющийся во времени спектр Лоренца первого члена по правую сторону формулы (4), но, в реальности, наблюдается спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, затененный сверткой с точечно разбросанной функцией ψ(t, ν). Таким образом, необходимо, чтобы точечно разбросанная функция ψ(t, v) была двухмерной дельта-функцией или приблизительно ею. Таким образом, предпочтительно, ψ (t, ν)≒δ(t) δ(ν).

Здесь, световой сигнал накачки сконфигурирован из основного светового импульса f₁(t) и вспомогательного светового импульса f₂(t). Более точно, амплитуда f(t) светового сигнала накачки становится формулой (5).

Вспомогательный световой импульс действует, чтобы возбуждать акустический фонон для основного светового импульса. Длительность D_sub импульса вспомогательного светового импульса установлена, чтобы быть по меньшей мере в достаточной степени длиннее по сравнению с продолжительностью существования акустического фонона. Продолжительность существования акустического фонона обычно имеет значение около 5 нс.

Основной световой импульс действует, чтобы передавать энергию, которая была рассеяна акустическим фононом, зондовому световому сигналу. Основной световой импульс делится на множество секций для предопределенной длительности в направлении времени, и превращается в широкую полосу частот посредством использования системы с расширенным спектром. Широкая полоса частот является эталоном при сравнении с шириной спектральной линии (приблизительно от 30 до 40 МГц) акустического фонона. Длительность секций определяет пространственное разрешение BOTDA, а ее обратная величина становится шириной спектра. Например, если ширина секции (длительность секции) имеет значение 0,1 нс, пространственным разрешением будет 1 см, а ширина спектра составит 10 ГГц. Длительность D импульса у основного светового импульса определяет величину энергии, которая должна выдаваться в световой сигнал накачки для расширения измеряемого расстояния. Здесь, поскольку пространственное разрешение BOTDA определяется шириной секции основного светового импульса, как описано выше, длительность D импульса основного светового импульса может быть установлена независимо от пространственного разрешения BOTDA. Соответственно, длительность D импульса у основного светового импульса может быть установлена произвольно согласно заданному измеряемому расстоянию. Таким образом, измеряемое расстояние может быть расширено дальше по сравнению с традиционной технологией.

Когда световой сигнал накачки сконфигурирован двумя составляющими, как описано выше, спектр V(t, ν) усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама сконфигурирован из трех компонентов и представлен формулой (6) и формулой (7) (с формулы (7-1) по формулу (7-3)).

В дополнение, точечно разбросанная функция ψ(t, ν) представлена формулой (8), и, поскольку световой сигнал накачки сконфигурирован из основного светового импульса и вспомогательного светового импульса, точечно-разбросанная функция ψ(t, ν) представлена формулой (9) и формулой (10).

Здесь, в системе с расширенным спектром, согласованный фильтр, применяемый к такой системе с расширенным спектром, используется для его демодуляции, и импульсной характеристикой h(t) согласованного фильтра будет f₁(D-1) (h(t)=f₁(D-t)). Согласованный фильтр используется для получения свертки с входным сигналом согласованного фильтра посредством инвертирования по времени сигнала (при использовании кодовой последовательности для спектрального расширения, а затем такого кода), который использовался для спектрального расширения.

Поскольку основной световой импульс использует систему с расширенным спектром, а вспомогательный световой импульс является немодулированным и его длительность импульса достаточно велика, компонент ψ_1,2(t, ν) точечно разбросанной функции ψ(t, ν) может быть приближенно выражен, как показано в формуле (11), и становится удобной формой, описанной выше.

Здесь, C_p - отношение амплитуд основного светового импульса и вспомогательного светового импульса.

Соответственно, соответствующий спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама представлен формулой (12).

Отметим, что другие компоненты V_1,1(t, ν) и V_2,1(t, ν) в спектре V(t, ν) усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама становятся плоским спектром, когда основной световой импульс подвергается спектральному расширению с псевдослучайным числом. Более того, другие компоненты V_2,2(t, ν) подавляются согласованным фильтром во время демодуляции.

Более того, компоненты V_1,1(t, ν) и V_2,2(t, ν) в спектре V(t, ν) усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама могут извлекаться измерением спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама посредством конфигурирования светового сигнала накачки только основным световым импульсом или конфигурирования его только вспомогательным световым импульсом.

На основании вышеупомянутого анализа распределенный оптоволоконный датчик может независимо устанавливать пространственное разрешение и измеряемое расстояние посредством конфигурирования светового импульса для проникновения в оптическое волокно детектирования из двух составляющих; а именно основного светового импульса, использующего систему с расширенным спектром, и немодулированного вспомогательного светового импульса. Таким образом, распределенный оптоволоконный датчик может расширять измеряемое расстояние и осуществлять измерение вплоть до более удаленного расстояния наряду с предоставлением возможности измерения деформации и температуры с высоким пространственным разрешением.

Распределенный оптоволоконный датчик FS, показанный на фиг. 1, функционирует в качестве BOTDA при измерении величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и действует в качестве первого режима (измерения с обоих концов) посредством переключения оптических переключателей 25, 29, 31 1×2. Фиг. 2 - структурная схема, показывающая схематическую конфигурацию распределенного оптоволоконного датчика в случае эксплуатации распределенного оптоволоконного датчика, показанного на фиг. 1, на основании первого режима.

Как показано на фиг. 2, во время измерения с обоих концов, распределенный оптоволоконный датчик FS побуждает вспомогательный световой импульс и основной световой импульс, вырабатываемые источником LS_P света со световыми импульсами в качестве светового сигнала накачки, проникать с одного конца оптического волокна 15 детектирования для детектирования деформации и температуры, и побуждает непрерывный световой сигнал, вырабатываемый источником LS_CW света с непрерывным световым сигналом в качестве зондового светового сигнала, проникать с другого конца оптического волокна 15 детектирования.

Распределенный оптоволоконный датчик FS измеряет величину сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, принимая световой сигнал, имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, порожденному в оптическом волокне 15 детектирования, детектором 14 деформации и температуры и выполняя анализ во временной области спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама (B^Gain-OTDA) или анализ во временной области спектра ослабления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама (B^Loss-OTDA) детектором 14 деформации и температуры.

В источнике LS_p света со световыми импульсами, основной световой импульс, использующий систему с расширенным спектром, формируется в результате лазерного пучка, выдаваемого из источника LD лазерного светового сигнала, подвергаемого фазовой модуляции с псевдослучайным числом из генератора RG псевдослучайных чисел в генераторе OSG оптических сигналов. Псевдослучайное число, сформированное генератором RG псевдослучайных чисел, сообщается в детектор 14 деформации и температуры для демодуляции. В детекторе 14 деформации и температуры, величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама измеряется в результате светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, выдаваемого из оптического волокна 15 детектирования, фильтруемого согласованным фильтром MF согласно псевдослучайному числу из генератора RG случайных чисел, и обработки сигналов BOTDA, выполняемой сигнальным процессором SP.

Отметим, что в последующем пояснении, анализ во временной области спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама или анализ во временной области спектра ослабления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, как предопределено, сокращен в качестве оптического анализа во временной области при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама. В оптическом анализе во временной области при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, свет, имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, является светом, который подвергался усилению или ослаблению при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама.

Более того, распределенный оптоволоконный датчик FS, показанный на фиг. 1, функционирует в качестве BOTDA при измерении величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, и действует в качестве второго режима (измерения с одного конца) посредством переключения оптических переключателей 25, 29, 31. Фиг. 3 - структурная схема, показывающая схематическую конфигурацию распределенного оптоволоконного датчика в случае эксплуатации распределенного оптоволоконного датчика, показанного на фиг. 1, на основании второго режима.

Как показано на фиг. 3, во время измерения с одного конца, распределенный оптоволоконный датчик FS побуждает вспомогательный световой импульс и основной световой импульс, вырабатываемые источником LS_P света со световыми импульсами в качестве светового сигнала накачки, и непрерывный световой сигнал, вырабатываемый источником LS_CW света с непрерывным световым сигналом в качестве зондового светового сигнала, проникать с одного конца оптического волокна 15 детектирования. Отметим, что система с расширенным спектром используется для основного светового импульса.

Распределенный оптоволоконный датчик FS измеряет величину сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, принимая световой сигнал, имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, порожденному в оптическом волокне 15 детектирования, детектором 14 деформации и температуры и выполняя анализ во временной области спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама (B^Gain-OTDA) или анализ во временной области спектра ослабления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама (B^Loss-OTDA) детектором 14 деформации и температуры.

Далее пояснена работа распределенного оптоволоконного датчика FS. Прежде всего, при запуске измерения, соответственные частоты соответственных непрерывных световых сигналов, выдаваемых из первого и второго источников 1, 20 света, соответственно настраиваются (калибруются) посредством использования опорного оптического волокна 17.

Более точно, управляющий блок 13 обработки побуждает первый и второй источники 1, 20 света соответственно испускать соответственные непрерывные световые сигналы на соответственных предопределенных частотах, соответственно управляя первым ATC 10 и первым AFC 11, а также вторым ATC 18 и вторым AFC 19, и побуждает соответственные непрерывные световые сигналы проникать в опорное оптическое волокно 17 взаимно противоположным образом. Непрерывный световой сигнал из первого источника 1 света и непрерывный световой сигнал из второго источника 20 света порождают явление вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в опорном оптическом волокне 17, и световой сигнал, имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, проникает в детектор 14 деформации и температуры из опорного оптического волокна 17 через оптический циркулятор 12.

Детектор 14 деформации и температуры принимает световой сигнал, имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, выявляет оптическую интенсивность принятого светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, и сообщает выявленную оптическую интенсивность в управляющий блок 13 обработки. В управляющем блоке 13 обработки соотношение разности частот в первом и втором световых сигналах, которые вызывают явление вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в опорном оптическом волокне 17, и оптической интенсивности светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, заранее сохранено в блоке хранения. Когда управляющий блок 13 обработки принимает вышеупомянутое сообщение, он получает, из вышеизложенного соотношения, опорную оптическую интенсивность Pa, соответствующую предопределенной разности fa частот, которая должна быть установлена блоком установки частоты для соответственных световых сигналов, которые испускаются первым и вторым светоизлучающими элементами в первом и втором источниках 1, 20 света, и управляет первым AFC 11 и вторым AFC 19, так чтобы измеренная оптическая интенсивность Pd, детектированная датчиком 14 деформации и температуры, совпадала с опорной оптической интенсивностью Pa. Разность частот соответственных световых сигналов, которые испускаются первым и вторым светоизлучающими элементами в первом и втором источниках 1, 20 света, в силу этого, настраивается в предопределенную разность частот fa, которая должна быть установлена. Отметим, что, в этом варианте осуществления, оптическая интенсивность Pd задается в качестве значения напряжения, которое подвергалось фотоэлектрическому преобразованию светопринимающим элементом, а опорная оптическая интенсивность Pa становится значением напряжения, соответствующим опорной оптической интенсивности Pa.

Здесь, соотношение разности частот в первом и втором световых сигналах, которые вызывают явление вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в опорном оптическом волокне 17, и оптической интенсивности светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, обычно имеет температурную зависимость. В этом варианте осуществления, при настройке, управляющий блок 13 обработки использует блок 16 детектирования температуры для детектирования температуры опорного оптического волокна 17 и осуществляет поправку вышеупомянутого соотношения в опорном оптическом волокне 17 согласно детектированной температуре. Таким образом, настройка может выполняться с более высокой точностью.

В результате выполнения вышеупомянутой операции настраиваются соответственные частоты соответственных непрерывных световых сигналов, испускаемых первым и вторым источниками 1, 20 света. Эта разновидность настройки может выполняться каждый раз, когда частота изменяется для качания при получении спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама с ракурса дополнительного улучшения точности измерения, или выполняться каждый раз, когда измеряются деформация и температура, с ракурса сокращения времени измерения, или выполняться для каждого истечения предопределенного периода, либо выполняться для каждого запуска распределенного оптоволоконного датчика FS.

Далее пояснена операция измерения деформации и температуры. Фиг. 4 - блок-схема последовательности операций способа, поясняющая операцию измерения деформации и температуры, выполняемую распределенным оптоволоконным датчиком FS, показанным на фиг. 1.

Прежде всего, на этапе S1, детектор 14 деформации и температуры оценивает величину Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, определяет диапазон качания частоты для измерения величины Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и выдает команду управляющему блоку 13 обработки для испускания соответственных непрерывных световых сигналов из первого и второго источников 1, 20 света в определенном диапазоне качания. Оценка величины Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, в этом случае, например, выполняется на основании предопределенных максимального изменения температуры и максимального изменения деформации. Отметим, что, поскольку диапазон качания частоты для измерения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама узок, этот диапазон качания частоты может легко оцениваться.

Впоследствии, на этапе S2, детектор 14 деформации и температуры измеряет величину Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама. Например, величина Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама может быть получена на основании следующей обработки.

Прежде всего, управляющий блок 13 обработки побуждает первый и второй источники 1, 20 света соответственно испускать соответственные непрерывные световые сигналы на соответственных предопределенных частотах, управляя первым ATC 10 и первым AFC 11, а также вторым ATC 18 и вторым AFC 19. Непрерывный световой сигнал, выдаваемый из первого источника 1 света, проникает в блок 3 формирования световых импульсов через оптический ответвитель 2, а непрерывный световой сигнал, выдаваемый из второго источника 20 света, проникает в оптический переключатель 22 через оптический ответвитель 21.

Впоследствии, управляющий блок 13 обработки вырабатывает предопределенный световой сигнал накачки (вспомогательный световой импульс и основной световой импульс), управляя блоком 3 формирования световых импульсов. Более точно, управляющий блок 13 обработки вырабатывает световой сигнал накачки, например, побуждая блок 3 формирования световых импульсов работать, как изложено ниже.

Фиг. 5 - схема, поясняющая конфигурацию и работу блока 3 формирования световых импульсов, показанного на фиг. 1. Фиг. 6 - схема, поясняющая конфигурацию светового сигнала накачки (вспомогательного светового импульса и основного светового импульса) и согласованного фильтра, при этом фиг. 6(A) показывает конфигурацию светового сигнала накачки, а фиг. 6(B) показывает согласованный фильтр.

Блок 3 формирования световых импульсов, например, сконфигурирован включением в состав, как показано на фиг. 5, модулятора 101 интенсивности LN для модуляции оптической интенсивности падающего светового сигнала, источника 102 питания DC, умножителя 103 и генератора 104 тактовых импульсов, которые конфигурируют первую схему возбуждения для возбуждения модулятора 101 интенсивности LN, фазового модулятора 111 LN для модуляции фазы падающего светового сигнала, источника 112 питания DC, умножителя 113 и генератора 114 псевдослучайных чисел, которые конфигурируют вторую схему возбуждения для возбуждения фазового модулятора 111 LN, активированного эрбием волоконного усилителя 121 (EDFA), модулятора 131 интенсивности LN для модуляции оптической интенсивности падающего светового сигнала, источника 132 питания DC, умножителя 133 и генератора 134 тактовых импульсов, которые конфигурируют третью схему возбуждения для возбуждения модулятора 131 интенсивности LN.

Фазовый модулятор 111 LN является устройством, которое, например, сконфигурировано оптическим волноводом, а также сигнальным электродом и заземляющим электродом, являющимися сформированными на подложке из ниобата лития, имеющей электрооптический эффект, и которое модулирует фазу падающего светового сигнала посредством использования, изменение фазы, сопровождающее изменение показателя преломления, вызванное электрооптическим эффектом, который возникает в результате прикладывания предопределенного сигнала между обоими электродами.

Модуляторы 101, 131 интенсивности LN являются устройствами для модуляции оптической интенсивности падающего светового сигнала, например, посредством конфигурирования интерферометра Маха-Цендера и замены изменения фазы, сопровождающего изменение показателя преломления, вызванное электрооптическим эффектом, на изменение интенсивности. Отметим, что, для модуляторов 101, 131 интенсивности LN и фазового модулятора 111 LN, в замену для подложки из ниобата лития, например, могут использоваться другие подложки, имеющие электрооптический эффект, изготовленные из твердого раствора танталата лития или ниобата лития/танталата лития.

В первой схеме возбуждения источник 102 питания DC является схемой источника питания, которая вырабатывает напряжение DC, которое должно прикладываться к сигнальному электроду модулятора 101 интенсивности LN для выполнения модуляции интенсивности, генератор 104 тактовых импульсов является схемой формирования импульсов, которая вырабатывает рабочий тактовый импульс для побуждения функционировать модулятор 101 интенсивности LN, а умножитель 103 является схемой, которая перемножает напряжение DC, введенное из источника 102 питания DC, и рабочий тактовый импульс, введенный из генератора 104 тактовых импульсов, и выдает напряжение DC согласно рабочему тактовому импульсу в модулятор 101 интенсивности LN.

Во второй схеме возбуждения источник 112 питания DC является схемой источника питания, которая вырабатывает напряжение DC, которое должно прикладываться к сигнальному электроду фазового модулятора 111 LN для выполнения фазовой модуляции, генератор 114 псевдослучайных чисел является схемой формирования псевдослучайных чисел, которая вырабатывает псевдослучайное число на рабочем такте для побуждения функционировать фазовый модулятор 111 LN, с тем чтобы модулировал падающий световой сигнал системой с расширенным спектром, а умножитель 113 является схемой, которая перемножает напряжение DC, введенное из источника 112 питания DC, и псевдослучайное число, введенное из генератора 114 псевдослучайных чисел, и выдает напряжение DC согласно псевдослучайному числу в фазовый модулятор 111 LN.

EDFA 121 является оптическим компонентом, который сконфигурирован включением в состав оптического волокна, активированного эрбием, и усиливает и выдает падающий световой сигнал. EDFA 121 усиливает падающий световой сигнал с предопределенным коэффициентом усиления, который установлен заранее для достижения оптической интенсивности, которая пригодна для детектирования деформации и температуры в оптическом волокне 15 детектирования. Следовательно, если какая-нибудь потеря происходит во время распространения из первого источника 1 света в оптическое волокно 15 детектирования, такая потеря также компенсируется, и, тем самым, задействуется предопределенный диапазон измерения.

В третьей схеме возбуждения источник 132 питания DC является схемой источника питания, которая вырабатывает напряжение DC, которое должно прикладываться к сигнальному электроду модулятора 131 интенсивности LN для побуждения модулятора 131 интенсивности LN выполнять модуляцию интенсивности, с тем чтобы осуществлять управление включением/выключением, генератор 134 тактовых импульсов является схемой формирования импульсов, которая вырабатывает рабочий тактовый импульс для побуждения функционировать модулятор 131 интенсивности LN, а умножитель 133 является схемой, которая перемножает напряжение DC, введенное из источника 132 питания DC, и рабочий тактовый импульс, введенный из генератора 134 тактовых импульсов, и выдает напряжение DC согласно рабочему тактовому импульсу в модулятор 131 интенсивности LN.

В результате работы этого варианта блока 3 формирования световых импульсов, например, может вырабатываться световой сигнал накачки, имеющий конфигурацию, показанную на фиг. 6A.

Световой сигнал накачки, показанный на фиг. 6A, сконфигурирован из основного светового импульса, кодированного системой с расширенным спектром, и немодулированного вспомогательного светового импульса, который по времени предшествует основному световому импульсу, не перекрываясь с основным световым импульсом. Основной световой импульс поделен на множество секций предопределенной длительности (ширине секции), и, в этом варианте осуществления, соответственные секции модулируются (кодируются) двоичным кодом M-последовательности. Ширина секции устанавливается согласно заданному пространственному разрешению, а длительность импульса у основного светового импульса устанавливается согласно заданному расстоянию измерения. Более того, вспомогательный световой импульс установлен в длительность импульса, способную к побуждению акустического фонона полностью возрастать, и, с примером, показанным на фиг. 6A, он имеет оптическую интенсивность такого же уровня, как оптическая интенсивность основного светового импульса.

Вспомогательный световой импульс и основной световой импульс являются непрерывными во времени в примере, показанном на фиг. 6A, но они также могут быть разнесены по времени. Если они разнесены по времени, предпочтительно, основной световой импульс устанавливается во временной интервал, который влияет на акустический фонон до того, как исчезает акустический фонон, который был вызван вспомогательным световым импульсом. Поскольку продолжительность существования акустического фонона имеет значение приблизительно 5 нс при нормальных условиях, временной интервал вспомогательного светового импульса и основного светового импульса предпочтительно находится в пределах приблизительно 5 нс.

Для того чтобы вырабатывать световой сигнал накачки, имеющий конфигурацию, показанную на фиг. 6A, на фиг. 5, прежде всего, непрерывный световой сигнал L1, выведенный из первого источника 1 света, проникает в модулятор 101 интенсивности LN блока 3 формирования световых импульсов через оптический ответвитель 2.

В блоке 3 формирования световых импульсов, с привязкой по времени формирования светового пучка накачки, рабочий тактовый импульс длительностью (D_sub+D) импульса, соответствующей длительности D_sub импульса вспомогательного светового импульса и длительности D импульса основного светового импульса, выводится из генератора 104 тактовых импульсов в умножитель 103, перемножается с напряжением DC, введенным из источника 102 питания DC, и напряжение DC длительностью (D_sub+D) импульса прикладывается к сигнальному электроду модулятора 101 интенсивности LN. Модулятор 101 интенсивности LN, в силу этого, включен в течение длительности (D_sub+D), соответствующей его длительности (D_sub+D) импульса, согласно рабочему тактовому импульсу, и непрерывный свет L1 выдается в качестве светового импульса L2 длительностью (D_sub+D) импульса модулятором 101 интенсивности LN.

Впоследствии, в блоке 3 формирования световых импульсов, с привязкой по времени формирования основного светового импульса, псевдослучайное число последовательно выдается из генератора 114 псевдослучайных чисел в умножитель 113 с временным тактированием ширины секции в течение длительности D, соответствующей длительности D импульса основного светового импульса, перемножается с напряжением DC, введенным из источника 112 питания DC, и напряжение DC, которое модулировалось двоичным кодом M-последовательности, последовательно прикладывается к сигнальному электроду фазового модулятора 111 LN с временным тактированием ширины секции в течение длительности D от привязки по времени формирования основного светового импульса.

Более точно, напряжение DC, которое модулировалось двоичным кодом M-последовательности, является значением напряжения, которое заставляет фазу светового сигнала, выдаваемого из фазового модулятора 111 LN, когда соответствующее напряжение DC приложено к фазовому модулятору 111 LN, в случаях, где двоичный код M-последовательности имеет значение «+», и фазу светового сигнала, выдаваемого из фазового модулятора 111, когда соответствующее напряжение DC приложено к фазовому модулятору 111 LN, в случаях, где двоичный код M-последовательности имеет значение «-», взаимно отличаться на 180 градусов. Световой импульс 12, в силу этого, выдается в качестве светового импульса L3, сконфигурированного из немодулированной части (соответствует вспомогательному световому импульсу) и части, которая была модулирована двоичным кодом M-последовательности (соответствует основному световому импульсу) на основании фазового модулятора 111 LN.

Впоследствии, в EDFA 121, световой импульс L3 усиливается до тех пор, пока он не соответствует предопределенной оптической интенсивности, а затем выдается в качестве светового импульса L4.

В дополнение, в блоке 3 формирования световых импульсов, согласно привязке по времени формирования светового сигнала накачки, рабочий тактовый импульс длительностью (D_sub + D) импульса, соответствующей длительности D_sub импульса вспомогательного светового импульса и длительности D импульса основного светового импульса, выводится из генератора 134 тактовых импульсов в умножитель 133, перемножается с напряжением DC, введенным из источника 132 питания DC, и напряжение DC длительностью (D_sub + D) импульса прикладывается к сигнальному электроду модулятора 131 интенсивности LN. Световой импульс L4, в силу этого, выдается в качестве светового сигнала L5 накачки, сконфигурированного из немодулированного вспомогательного светового импульса, имеющего длительность D_sub импульса, и основного светового импульса, кодированного системой с расширенным спектром и имеющего длительность D импульса, после того как шум, такой как усиленное спонтанное излучение (ASE), ассоциативно связанное со световым импульсом L4 в EDFA 121, удаляется модулятором 131 интенсивности LN.

Впоследствии, управляющий блок 13 обработки включает оптический переключатель 4 и оптический переключатель 22 согласно привязке по времени формирования светового пучка накачки (светового импульса L4 вспомогательного светового импульса и основного светового импульса) в блоке 3 формирования световых импульсов. Управляющий блок 13 обработки сообщает привязку по времени формирования светового сигнала накачки (вспомогательного светового импульса и основного светового импульса) в детектор 14 деформации и температуры.

Когда оптический переключатель 4 включен, световой пучок накачки (вспомогательный световой импульс и основной световой импульс) проникает в оптический ответвитель 5 и разветвляется на два световых пучка накачки. Один из ответвленных световых пучков накачки проникает в блок 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, его оптическая интенсивность настраивается блоком 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, произвольным образом настраивается его направление поляризации, и проникает в один конец оптического волокна 15 детектирования через оптический циркулятор 7, оптический ответвитель 8 и оптический разъем 9. Между тем, другие, вспомогательный световой импульс и основной световой импульс, ответвленные оптическим ответвителем 5, проникают в детектор 14 деформации и температуры.

Детектор 14 деформации и температуры измеряет спектр светового пучка накачки (вспомогательный световой импульс и основной световой импульс) и сообщает частоту и оптическую интенсивность светового пучка накачки в управляющий блок 13 обработки. Когда управляющий блок 13 обработки принимает вышеупомянутое сообщение, он управляет первым ATC 10, первым AFC 11 и блоком 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, по необходимости, для того чтобы получить оптимальный результат измерения.

Между тем, когда включен оптический переключатель 22, непрерывный свет (световой сигнал) (зондовый световой сигнал) проникает в оптический ответвитель 23 и разветвляется на два зондовых световых сигнала. Один из ответвленных зондовых световых сигналов (непрерывный световой сигнал) проникает в блок 24 настройки оптической интенсивности, его оптическая интенсивность настраивается блоком 24 настройки оптической интенсивности, и проникает в оптический переключатель 25 1×2. Оптический переключатель 25 1×2 переключается так, что, когда оптический анализ во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDA) выполняется на основании первого режима, световой сигнал, который проникал с входного терминала, проникает в другой конец оптического волокна 15 детектирования через оптический разъем 26, а зондовый световой сигнал (непрерывный световой сигнал) проникает в другой конец оптического волокна 15 детектирования через оптический разъем 26.

Оптический переключатель 25 1×2 переключается так, что, когда оптический анализ во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDA) выполняется на основании второго режима, световой сигнал, который проникал с входного терминала, проникает в один конец оптического волокна 15 детектирования через оптический ответвитель 8 и оптический разъем 9, а зондовый световой сигнал (непрерывный световой сигнал) проникает в один конец оптического волокна 15 детектирования через оптический ответвитель 8 и оптический разъем 9. Между тем, другой зондовый свет (зондовый световой сигнал) (непрерывный световой сигнал), который ответвлялся оптическим ответвителем 23, проникает в детектор 14 деформации и температуры.

Детектор 14 деформации и температуры измеряет спектр зондового светового сигнала (непрерывного светового сигнала) и сообщает частоту и оптическую интенсивность зондового светового сигнала в управляющий блок 13 обработки. Когда управляющий блок 13 обработки принимает вышеупомянутое сообщение, он управляет вторым ATC 18, вторым AFC 19 и блоком 24 настройки оптической интенсивности, по необходимости, для того чтобы получить оптимальный результат измерения.

При оптическом анализе во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама первого режима, световой сигнал накачки (вспомогательный световой импульс и основной световой импульс), который проникал с одного конца оптического волокна 15 детектирования, распространяется с одного конца на другой конец оптического волокна 15 детектирования с формированием явления вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама зондовым световым сигналом (непрерывным световым сигналом), который проникал с другого конца оптического волокна 15 детектирования и который распространяется по оптическому волокну 15 детектирования. При оптическом анализе во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама второго режима световой сигнал накачки (вспомогательный световой импульс и основной световой импульс), который проникал с одного конца оптического волокна 15 детектирования, распространяется с одного конца на другой конец оптического волокна 15 детектирования наряду с формированием явления вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама зондовым световым сигналом (непрерывным световым сигналом), который проникал с другого конца оптического волокна 15 детектирования и который распространяется по оптическому волокну 15 детектирования, отражаясь от другого конца оптического волокна 15 детектирования. Привязка по времени включения/выключения в оптическом переключателе 4 и оптическом переключателе 22 настраивается управляющим блоком 13 обработки на основании вышеупомянутого взаимодействия светового сигнала накачки и зондового светового сигнала.

Оптический переключатель 29 1×2 переключается так, что, когда оптический анализ во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDA) выполняется на основании первого режима или второго режима, световой сигнал, который проникал с входного терминала, проникает в датчик 14 деформации и температуры. Соответственно, световой сигнал, имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, выводится с одного конца оптического волокна 15 детектирования и проникает в детектор 14 деформации и температуры через оптический разъем 9, оптический ответвитель 8, оптический циркулятор 7 и оптический переключатель 29 1×2.

В детекторе 14 деформации и температуры световой сигнал, имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, детектируется и извлекается непосредственно, как описано выше, преобразуется в электрический сигнал светопринимающим элементом и фильтруется согласованным фильтром. Согласованный фильтр, например, как показано на фиг. 6B, является фильтром обратной схемы фазовой модуляции (P_nP_n-1...P₃P₂P₁), полученной реверсированием во времени схемы фазовой модуляции (P₁P₂P₃...P_n-1P_n), которая подвергалась фазовой модуляции на основании двоичного кода M-последовательности фазовым модулятором 111 LN блока 3 формирования световых импульсов.

Например, если соответственные секции основного светового импульса модулируются по схеме фазовой модуляции «+ - + + - +... + -», основанной на двоичном коде M-последовательности, согласованный фильтр становится обратной схемой «-+... + - + + - + », полученной реверсированием по времени вышеизложенной схемы фазовой модуляции. В результате использования этой разновидности согласованного фильтра можно точно детектировать световой сигнал, имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, вызванному основным световым импульсом, который подвергался кодированию с расширением спектра. Детектор 14 деформации и температуры выполняет анализ во временной области в отношении принятого светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, на основании привязки по времени формирования, сообщенной из управляющего блока 13 обработки, и измеряет распределение оптической интенсивности светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования.

Здесь, уровень взаимодействия между световым пучком накачки (вспомогательным световым импульсом и основным световым импульсом) и зондовым световым сигналом (непрерывным световым сигналом), имеющим отношение к эффекту вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, зависит от относительного взаимного расположения плоскости поляризации соответственных световых сигналов. Однако, с распределенным оптоволоконным датчиком FS по этому варианту осуществления, поскольку плоскость поляризации светового сигнала накачки изменяется случайным образом блоком 6 настройки оптической интенсивности/поляризации для каждого измерения, вышеупомянутая зависимость может по существу устраняться посредством выполнения измерения множество раз и принятием его среднего значения. Таким образом, можно точно получать распределение оптической интенсивности света, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама.

Распределение оптической интенсивности светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования может измеряться на соответственных частотах с высокой точностью и высоким пространственным разрешением посредством качания частоты зондового светового сигнала (непрерывного светового сигнала), выдаваемого из второго источника 20 света, в предопределенном диапазоне частот с предопределенным частотным интервалом, на основании управления управляющего блока 13 обработки. Следовательно, спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама на соответственных отрезках участка в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования может получаться с высокой точностью и высоким пространственным разрешением.

Впоследствии, детектор 14 деформации и температуры получает, с высокой точностью и высоким пространственным разрешением, величину сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на соответственных отрезках оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении соответственным получением разности между частотой, соответствующей пику спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама на соответственных отрезках участка в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования, в состоянии, где не сформировано никакой деформации, и частотой, соответствующей пику спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама отрезка участка, соответствующего соответственным отрезкам участка в состоянии, где никакой деформации не сформировано в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования, в состоянии, где формируется деформация.

Еще раз возвращаясь к фиг. 4, детектор 14 деформации и температуры впоследствии оценивает, на этапе S3, величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии по величине Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, полученной на основании вышеизложенной обработки, а на этапе S4, определяет диапазон качания частоты импульсного светового сигнала для измерения подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала по оцененной величине Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии.

Здесь, величина Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии представлены следующими формулами, когда изменением деформации является Δε, а изменением температуры является ΔT. В следующих формулах, B11≒0,05×10^-3 ГГц/με, B12≒1,07×10^-3 ГГц/°C, R11≒-0,15 ГГц/με, R12≒-1,25 ГГц/°C.

При сравнении вышеизложенных формул, очевидно, что чувствительность величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии чрезвычайно высока по сравнению с величиной Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама. Это чрезвычайно действенно для улучшения точности измерения, но, когда диапазон качания частоты для измерения величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии определяется как с диапазоном качания частоты для измерения величины Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, диапазон качания частоты для измерения величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии будет становиться крайне широким, и для измерения потребуется много времени.

Таким образом, в этом варианте осуществления величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии оценивается по ранее измеренной величине Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама. Например, если величина Δνb=300 МГц сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама получена на основании измерения, прежде всего, при условии, что все изменения вызваны влиянием температуры, Δε=0, и ΔT=300°C получается из формулы (13). Когда эта ΔT=300°C подставляется в формулу (14), получается Δνr=-375 ГГц.

Затем, при условии, что все изменения вызваны влиянием деформации, ΔT=0, и Δε=6000 με получается из формулы (13). Когда эта Δε=6000 подставляется в формулу (14), получается Δνr=-900 ГГц. В вышеупомянутом случае, диапазон от -375 ГГц до -900 ГГц определяется в качестве диапазона качания частоты для измерения величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии. Соответственно, если качанию подвергается от окрестности -375 ГГц до окрестности -900 ГГц, величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии может быть измерена за короткое время. Отметим, что в качестве диапазона качания частоты две частоты, полученные, как описано выше, могут использоваться как таковые или могут по-разному изменяться, к примеру, произвольным добавлением предопределенного допустимого отклонения измерения, или сужением диапазона качания на предопределенную величину, для того чтобы сократить время измерения. Более того, в этом примере был пояснен случай при условии, что нижним пределом изменения температуры является 0°C, а величина деформации является неограниченной, но диапазон в изменении температуры или размере деформации может изменяться согласно применяемой задачи устройства. Даже в случаях, где верхний предел и нижний предел предполагаются для изменения температуры, и верхний предел предполагается для размера деформации, диапазон качания частоты при рэлеевском рассеянии определяется соответствующим образом.

Впоследствии, на этапе S5, детектор 14 деформации и температуры использует диапазон качания частоты, определенный, как описано выше, и измеряет величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии. Например, величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии может быть получена на основании следующей обработки.

Прежде всего, управляющий блок 13 обработки побуждает первый источник 1 света испускать непрерывный свет (световой сигнал) на предопределенной частоте, управляя первым ATC 10 и первым AFC 11. Непрерывный свет (световой сигнал), выдаваемый из первого источника 1 света, проникает в блок 3 формирования световых импульсов и оптический переключатель 31 1×2 через оптический ответвитель 2, и оптический переключатель 31 1×2 выводит непрерывный световой сигнал, который был введен из первого источника 1 света, в оптический ответвитель 30. Отметим, что во время измерения величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии оптический переключатель 22 выключен, и световой сигнал не проникает с другого конца оптического волокна 15 детектирования.

Далее, управляющий блок 13 обработки вырабатывает импульсный свет (импульсный световой сигнал) для использования явления рэлеевского рассеяния, управляя блоком 3 формирования световых импульсов. Более точно, управляющий блок 13 обработки вырабатывает импульсный световой сигнал, побуждая блок 3 формирования световых импульсов работать, как изложено ниже.

Фиг. 7 - схема, показывающая пример импульсного светового сигнала, который выдается из блока 3 формирования световых импульсов, показанного на фиг. 1, при этом фиг. 7A показывает длину волны импульсного светового сигнала, а фиг. 7B показывает форму сигнала импульсного светового сигнала. Импульсный световой сигнал, показанный на фиг. 7B, является прямоугольной волной предопределенного уровня и, как показано на фиг. 7A, его цикл последовательно увеличивается на предопределенную частоту для каждого предопределенного количества импульсов. Отметим, что на фиг. 7A, хотя частота схематически показана в качестве увеличивающейся линейно для упрощения иллюстрации, строго говоря, его частота увеличивается для каждых нескольких импульсов, и частота импульсного светового сигнала увеличивается ступенями. Более того, если усреднение, описанное позже, не выполняется, более точно, если подвергнутый рэлеевскому обратному рассеянию световой сигнал измеряется одним импульсом, его частота может увеличиваться для каждого импульса.

Отметим, что импульсный световой сигнал не является, в частности, ограниченным вышеизложенным примером, и различные виды светового сигнала могут использоваться до тех пор, пока может использоваться явление рэлеевского рассеяния. Более того, различные способы, такие как модуляция (кодирование), основанная на двоичном коде M-последовательности, также могут применяться к световому сигналу, использующему явление рэлеевского рассеяния, как с вышеупомянутым световым сигналом, который должен использоваться для явления вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама.

Для того чтобы вырабатывать импульсный световой сигнал, показанный на фиг. 7, непрерывный световой сигнал, выведенный из первого источника 1 света, проникает в модулятор 101 интенсивности LN блока 3 формирования световых импульсов через оптический ответвитель 2. В блоке 3 формирования световых импульсов, с привязкой по времени формирования импульсного светового сигнала, рабочий тактовый импульс, соответствующий длительности импульса импульсного светового сигнала, выводится из генератора 104 тактовых импульсов в умножитель 103, перемножается с напряжением DC, введенным из источника 102 питания DC, и напряжение DC длительности импульса прикладывается к сигнальному электроду модулятора 101 интенсивности LN. Следовательно, модулятор 101 интенсивности LN включен в течение длительности, соответствующей его длительности импульса, согласно рабочему тактовому импульсу, и непрерывный световой сигнал выдается в качестве светового импульса длительности импульса, показанной на фиг. 7B. Импульсный световой сигнал, после этого, проникает в EDFA 121 через фазовый модулятор 111 LN, усиливается до тех пор, пока световой импульс не соответствует предопределенной оптической интенсивности, и выдается в оптический переключатель 4 через модулятор 131 интенсивности LN.

Далее, управляющий блок 13 обработки включает оптический переключатель 4 согласно привязке по времени формирования импульсного светового сигнала в блоке 3 формирования световых импульсов, и сообщает привязку по времени формирования импульсного светового сигнала в детектор 14 деформации и температуры.

Когда оптический переключатель 4 включен, импульсный световой сигнал проникает в оптический ответвитель 5 и разветвляется на два импульсных световых сигнала. Один из ответвленных импульсных световых сигналов проникает в блок 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, его оптическая интенсивность настраивается блоком 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, произвольным образом настраивается его направление поляризации, и проникает в один конец оптического волокна 15 детектирования через оптический циркулятор 7, оптический ответвитель 8 и оптический разъем 9. Между тем, другой импульсный световой сигнал, ответвленный оптическим ответвителем 5, проникают в детектор 14 деформации и температуры.

Детектор 14 деформации и температуры измеряет спектр импульсного светового сигнала и сообщает частоту и оптическую интенсивность импульсного светового сигнала в управляющий блок 13 обработки. Когда управляющий блок 13 обработки принимает вышеупомянутое сообщение, он управляет первым ATC 10, первым AFC 11 и блоком 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, по необходимости, для того чтобы получить оптимальный результат измерения.

Импульсный световой сигнал, который проникал в один конец оптического волокна 15 детектирования, рассеивается в пределах волокна 15 детектирования и вызывает явление рэлеевского рассеяния, световой сигнал, имеющий отношение к явлению рэлеевского рассеяния, выдается с одного конца оптического волокна 15 детектирования и проникает в оптический ответвитель 30 через оптический разъем 9, оптический ответвитель 8, оптический циркулятор 7 и оптический переключатель 29 1×2. Следовательно, два световых сигнала, смешанных оптическим ответвителем 30, проникают в детектор 14 деформации и температуры.

Как описано выше, первый источник 1 света функционирует в качестве изменяемого по длине волны источника света и изменяет длину волны импульсного светового сигнала со временем, блок 3 формирования световых импульсов функционирует в качестве модулятора оптической интенсивности, оптического усилителя и модулятора оптической интенсивности и создает импульс предопределенной длительности импульса, а блок 6 настройки оптической интенсивности/поляризации функционирует в качестве быстродействующего скремблера поляризации и применяет случайную плоскость поляризации к соответственным импульсным световым сигналам. Оптический ответвитель 30 смешивает непрерывную волну из первого источника 1 света и подвергнутый рэлеевскому обратному рассеянию световой сигнал из оптического волокна 15 детектирования, а светопринимающий элемент детектора 14 деформации и температуры принимает вышеупомянутые световые сигналы гомодинным образом.

Здесь, поскольку случайная плоскость поляризации применяется к соответственным импульсным световым сигналам блоком 6 настройки оптической интенсивности/поляризации для каждого измерения, детектор 14 деформации и температуры может получать гладкий подвергнутый рэлеевскому обратному рассеянию световой сигнал добавлением подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала в объеме изменения длины волны и взятием его среднего значения, а потеря соответственных расстояний может преобразовываться из уровня подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала.

Распределение оптической интенсивности светового сигнала, имеющего отношение к явлению рэлеевского рассеяния, в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования может измеряться на соответственных частотах с высокой точностью и высоким пространственным разрешением посредством качания частоты импульсного светового сигнала в предопределенном диапазоне частот на основании управления управляющего блока 13 обработки. Следовательно, спектр рэлеевского рассеяния на соответственных отрезках участка в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования может получаться с высокой точностью и высоким пространственным разрешением.

Далее, детектор 14 деформации и температуры получает, с высокой точностью и высоким пространственным разрешением, величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии в соответственных частях оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении соответственным расчетом коэффициента взаимной корреляции спектра рэлеевского рассеяния на соответственных отрезках участка в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования, в состоянии, где не сформировано никакой деформации, и спектром рэлеевского рассеяния отрезки участка, соответствующей соответственным отрезкам участка в состоянии, где никакой деформации не сформировано в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования, в состоянии, где формируется деформация.

Фиг. 8 - схема, показывающая пример величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, измеренной распределенным оптоволоконным датчиком FS, показанным на фиг. 1. Фиг. 8A показывает спектр рэлеевского рассеяния в случае, где есть деформация, и в случае, где деформации нет, а фиг. 8B показывает коэффициент взаимной корреляции в случае, где есть деформация, и в случае, где деформации нет.

Как показано на фиг. 8A, спектр рэлеевского рассеяния в случае с деформацией показан сплошной линией на фиг. 8, а спектр рэлеевского рассеяния в случае без деформации показан прерывистой линией на фиг. 8, и, при расчете коэффициента взаимной корреляции этих двух, он становится таким, как показанный на фиг. 8B, а величина Δνr смещения пика коэффициентов взаимной корреляции этих двух становится величиной сдвига частоты при рэлеевском рассеянии.

Если спектр рэлеевского рассеяния (сплошная линия) в случае с деформацией, перемещается на величину Δνr, он становится таким, как показанный на фиг. 8C, а спектр рэлеевского смещения (сплошная линия) в случае с деформацией и спектр рэлеевского рассеяния (прерывистая линия) в случае без деформации приблизительно совпадают, и очевидно, что величина сдвига частоты при рэлеевском рассеянии была получена с высокой точностью и высоким пространственным разрешением.

В заключение, на этапе S6, детектор 14 деформации и температуры детектирует деформацию и температуру соответственных частей оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении по величине Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и величине Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, полученным, как описано выше.

Более точно, при нахождении изменения Δε деформации и изменения ΔT температуры из вышеизложенных формулы (13) и формулы (14), это будет происходить, как изложено ниже. В следующих формулах, C11≒-12755,102 με/ГГц, C12≒-10,918 με/ГГц, C21≒1530,612 °C/ГГц, C22=0,510 °C/ГГц.

Детектор 14 деформации и температуры подставляет величину Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии соответственных отрезков участка в вышеизложенных формулах, получает изменение Δε деформации и изменение ΔT температуры на соответственных отрезках участка в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования и прибавляет полученные изменение Δε деформации и изменение ΔT температуры к предопределенным опорной деформации и опорной температуре, для того чтобы, в конечном счете, получать деформацию и температуру с высокой точностью и высоким пространственным разрешением. Полученное распределение деформации и температуры на соответственных отрезках участка в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования выдается в блок вывода, не показанный, такой как устройство отображения на ЭЛТ (электронно-лучевой трубке, CRT), либо работающий в декартовых координатах графопостроитель или принтер.

Согласно вышеупомянутой конфигурации, с распределенным оптоволоконным датчиком FS по этому варианту осуществления, поскольку величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, вызванная деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне 15 детектирования, измеряется посредством использования явления рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, а величина сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, вызванная деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне 15 детектирования, измеряется посредством использования явления рэлеевского рассеяния, деформация и температура, сформированные в оптическом волокне 15 детектирования, могут рассчитываться одновременно и независимо посредством использования двух величин сдвига частоты, а деформация и температура объекта, который должен быть подвергнут измерению, с прикрепленным к нему оптическим волокном 15 детектирования, могут измеряться одновременно и независимо с высоким пространственным разрешением. Следовательно, было возможно детектировать деформацию и температуру с пространственным разрешением приблизительно в 0,1 м и точностью приблизительно ±15 με или менее.

Второй вариант осуществления распределенного оптоволоконного датчика согласно настоящему изобретению далее пояснен со ссылкой на прилагаемые чертежи. Отметим, что одинаковый номер ссылки используется для такой же конфигурации, как у вышеизложенного первого варианта осуществления, и его подробное пояснение пропускается, а подробно поясняются только отличные конфигурации.

Распределенный оптоволоконный датчик согласно второму варианту осуществления включает в себя, как в первом варианте осуществления, первый источник 1 света, оптические ответвители 2, 5, 8, 21, 23, 30, блок 3 формирования световых импульсов, оптические переключатели 4, 22, блок 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, оптические циркуляторы 7, 12, оптические разъемы 9, 26, 27, 28, первый ATC 10, первый AFC 11, управляющий блок 13 обработки, детектор 14 деформации и температуры, оптическое волокно 15 детектирования, блок 16 детектирования температуры, опорное оптическое волокно 17, второй ATC 18, второй AFC 19, второй источник 20 света, блок 24 настройки оптической интенсивности и оптические переключатели 25, 29, 31 1×2 (обратитесь к фиг. 1).

Детектор 14 деформации и температуры сконфигурирован включением в состав светопринимающего элемента, оптического переключателя, схемы усиления, аналого-цифрового преобразователя, схемы обработки сигналов, анализатора спектра, компьютера (ЦПУ (центрального процессорного устройства), CPU), памяти и тому подобного.

Когда свет (световой сигнал), имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, из оптического волокна 15 детектирования, приложенного к объекту, который должен подвергаться измерению, и которое находится в состоянии (исходном состоянии), где никакое тепло или внешняя сила не прикладываются из такого объекта, который должен подвергаться измерению, проникает в светопринимающий элемент для подвергнутого вынужденному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала в детекторе 14 деформации и температуры, детектор 14 деформации и температуры получает спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама соответственных отрезков участка (фактических измеряемых положений) оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования посредством соединения светопринимающего элемента для подвергнутого вынужденному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала и схемы усиления внутренним переключателем и детектирования светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, который принимался в предопределенном интервале выборки отсчетов. Впоследствии, детектор 14 деформации и температуры получает частоту (опорную пиковую частоту), соответствующую его пику, из полученного спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама соответственных отрезков участка (фактических измеряемых положений) и сохраняет полученную опорную пиковую частоту соответственных отрезков участка (фактических измеряемых положений) в памяти.

Более того, когда световой сигнал, имеющий отношение к явлению рэлеевского обратного рассеяния, из оптического волокна 15 детектирования исходного состояния проникает в светопринимающий элемент для подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала в детекторе 14 деформации и температуры, детектор 14 деформации и температуры получает спектр рэлеевского рассеяния (опорный спектр рэлеевского рассеяния) соответственных отрезков участка (фактических измеряемых положений) оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования посредством соединения светопринимающего элемента для подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала и схемы усиления внутренним переключателем и детектирования светового сигнала, имеющего отношение к явлению рэлеевского обратного рассеяния, который принимался в предопределенном интервале выборки отсчетов. Далее, детектор 14 деформации и температуры сохраняет полученный опорный спектр рэлеевского рассеяния соответственных отрезков участка (фактических измеряемых положений) в памяти.

Более того, детектор 14 деформации и температуры выводит, с помощью ЦПУ, величину поправки из опорной пиковой частоты соответственных фактических измеряемых положений, сохраненной в памяти, и пиковой частоты спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, полученной из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала из каждого из фактических измеряемых положений в оптическом волокне 15 детектирования в состоянии (состоянии измерения), где измеряются температура и деформация объекта, который должен быть подвергнут измерению.

Далее пояснены величина поправки, фактическое измеряемое положение и заданное положение измерения. Фиг. 9 - схема, поясняющая соотношение фактического измеряемого положения и заданного положения измерения. Фиг. 9A показывает состояние, где объект, который должен быть подвергнут измерению, не деформирован вследствие тепла или тому подобного, а фиг. 9B показывает состояние, где объект, который должен быть подвергнут измерению, деформирован.

Величина поправки используется при коррекции сдвига между фактическим измеряемым положением и заданным положением измерения и оценивании пиковой частоты спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, полученного из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала из заданного положения измерения, на основании пиковой частоты спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, полученного из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала из фактического измеряемого положения. Более того, величина поправки используется при оценивании спектра рэлеевского рассеяния, полученного из подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала из заданного положения измерения, на основании спектра рэлеевского рассеяния, полученного из подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала из фактического измеряемого положения.

Фактическое измеряемое положение является положением, где фактически измеряются спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и спектр рэлеевского рассеяния, в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования посредством вышеупомянутого распределенного оптоволоконного датчика FS (обратитесь к черным кружкам на фиг. 9A и фиг. 9B). В этом варианте осуществления, например, фактические измеряемые положения являются положениями, которые выровнены на интервалах 5 см с одного конца в оптическом волокне 15 детектирования. В распределенном оптоволоконном датчике FS подвергнутый обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама световой сигнал измеряется на основании времени, которое свет распространяется через оптическое волокно 15 детектирования. Однако, поскольку скорость распространения через оптическое волокно 15 детектирования не будет изменяться, даже если оптическое волокно 15 детектирования растягивается или сокращается, фактическое измеряемое положение в оптическом волокне 15 детектирования, при условии подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала, измеренного на основании вышеупомянутого времени, не будет изменяться (перемещаться), даже если оптическое волокно 15 детектирования растягивается или сокращается (снова обратитесь к кружкам на фиг. 9B). Более точно, расстояние от одного конца оптического волокна 15 детектирования, прикрепленного к объекту, который должен подвергаться измерению, до соответственных фактических измеряемых положений будет постоянным независимо от расширения и сжатия оптического волокна 15 детектирования.

Между тем, заданное положение измерения является положением, которое установлено на оптическом волокне 15 детектирования и которое перекрывается с фактическим измеряемым положением в исходном состоянии (обратитесь к точечной линии на фиг. 9A и фиг. 9B). Поскольку заданное положение измерения является положением на оптическом волокне 15 детектирования, оно будет смещаться от фактического измеряемого положения в соответствии с деформацией (расширением и сжатием) оптического волокна 15 детектирования, основанной на деформации объекта, который должен подвергаться измерению (обратитесь к прерывистой линии на фиг. 9B). Более точно, расстояние от одного конца оптического волокна 15 детектирования, прикрепленного к объекту, который должен подвергаться измерению, до соответственных заданных положений измерения будет изменяться в соответствии с расширением и сжатием оптического волокна 15 детектирования.

Детектор 14 деформации и температуры использует вышеупомянутую величину поправки и оценивает пиковую частоту спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама заданного положения измерения, соответствующего фактическому измеряемому положению, по пиковой частоте спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама соответственных фактических измеряемых положений в оптическом волокне 15 детектирования в состоянии измерения. Более того, детектор 14 деформации и температуры использует вышеупомянутую величину поправки и оценивает спектр рэлеевского рассеяния заданного положения измерения, соответствующего фактическому измеряемому положению, по спектру рэлеевского рассеяния соответственных фактических измеряемых положений в оптическом волокне 15 детектирования в состоянии измерения.

Детектор 14 деформации и температуры выводит (измеряет) величину Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании опорной пиковой частоты соответственных фактических измеряемых положений и пиковой частоты заданного положения измерения, соответствующего соответственным фактическим измеряемым положениям. Более того, детектор 14 деформации и температуры выводит (измеряет) величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии на основании опорного спектра рэлеевского рассеяния соответственных фактических измеряемых положений и спектра рэлеевского рассеяния заданного положения измерения, соответствующего соответственным фактическим измеряемым положениям.

Далее пояснена операция измерения деформации и температуры распределенного оптоволоконного датчика FS согласно второму варианту осуществления. Фиг. 10 - блок-схема последовательности операций способа, поясняющая операцию измерения деформации и температуры, выполняемую распределенным оптоволоконным датчиком FS, согласно второму варианту осуществления.

Прежде всего, перед началом измерения (считывания) деформации и температуры объекта, который должен подвергаться измерению, на этапе S11, детектор 14 деформации и температуры определяет, хранится ли в памяти пиковая частота (опорная пиковая частота) спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и спектра рэлеевского рассеяния (опорный спектр рэлеевского рассеяния) фактических измеряемых положений, когда оптическое волокно 15 детектирования находится в исходном состоянии (например, если оптическое волокно 15 детектирования прикреплено к производственному оборудованию или тому подобное, в состоянии, когда производственное оборудование не функционирует).

Если вышеприведенное не хранится в памяти, прежде всего, на этапе S12, детектор 14 деформации и температуры оценивает величину Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, как с этапом S1 по первому варианту осуществления, определяет диапазон качания частоты для измерения величины Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и выдает команду управляющему блоку 13 обработки для испускания соответственных непрерывных световых сигналов из первого и второго источников 1, 20 света в определенном диапазоне качания. Отметим, что, если опорная пиковая частота и опорный спектр рэлеевского рассеяния соответственных фактических измеряемых положений хранятся в памяти, процедура переходит на этап S15.

На этапе S13, детектор 14 деформации и температуры измеряет опорную пиковую частоту спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама. Например, как при последовательности операций измерения распределения оптической интенсивности светового сигнала (подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала), имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования, выполняемой на этапе S2 по первому варианту осуществления, детектор 14 деформации и температуры измеряет распределение оптической интенсивности, имеющей отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, получает спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама соответственных отрезков участка в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования по его результату измерения и выводит опорную пиковую частоту из соответственных спектров рассеяния Бриллюэна-Мандельштама. В этом варианте осуществления, соответственно измеряются опорные пиковые частоты спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама фактических измеряемых положений, установленных на интервалах 5 см в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования.

Опорные пиковые частоты спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в соответственных фактических измеряемых положениях, которые измерялись, как описано выше (в этом варианте осуществления, фактических измеряемых положений, выровненных по интервалам 5 см), соответственно сохраняются в памяти детектора 14 деформации и температуры.

Впоследствии, на этапе S14, детектор 14 деформации и температуры измеряет опорный спектр рэлеевского рассеяния. Например, детектор 14 деформации и температуры измеряет спектр рэлеевского рассеяния, как при последовательности операций измерения распределения оптической интенсивности светового сигнала, имеющего отношение к явлению рэлеевского рассеяния, в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования, выполняемой на этапе S5 по первому варианту осуществления. В этом варианте осуществления соответственно измеряются опорные спектры рэлеевского рассеяния фактических измеряемых положений, установленных на интервалах 5 см в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования. Отметим, что, предпочтительно, диапазон качания частоты установлен, чтобы быть как можно более широким, при измерении спектра рэлеевского рассеяния в пределах диапазона, который допускается емкостью памяти для хранения полученных данных (спектра рэлеевского рассеяния и тому подобного).

Опорные спектры рэлеевского рассеяния в соответственных фактических измеряемых положениях, которые измерялись, как описано выше, соответственно сохраняются в памяти детектора 14 деформации и температуры.

Далее, деформация и температура объекта, который должен подвергаться измерению, измеряются в состоянии, где опорные пиковые частоты и опорные спектры рэлеевского рассеяния в соответственных фактических измеряемых положениях оптического волокна 15 детектирования, полученные из оптического волокна 15 детектирования в исходном состоянии, соответственно хранятся в памяти. Здесь, оптическое волокно 15 детектирования находится в состоянии (состоянии измерения), где деформация объекта, который должен подвергаться измерению, либо внешняя сила или тепло, основанные на изменении температуры, могли бы быть приложены к оптическому волокну 15 детектирования.

Детектор 14 деформации и температуры переключается в режим измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама. Более точно, на этапе S15, детектор 14 деформации и температуры оценивает величину Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, как на этапе S11, определяет диапазон качания частоты для измерения величины Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и выдает команду управляющему блоку 13 обработки для побуждения первого и второго источников 1, 20 света испускать соответственные непрерывные световые сигналы в определенном диапазоне качания.

Впоследствии, на этапе S16, детектор 14 деформации и температуры измеряет пиковую частоту спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в соответственных фактических измеряемых положениях оптического волокна 15 детектирования, как на этапе S13.

Впоследствии, на этапе S17, детектор 14 деформации и температуры извлекает опорные пиковые частоты, хранимые в памяти, и выводит величину поправки, которая должна использоваться для коррекции пиковой частоты, измеренной из оптического волокна 15 детектирования в состоянии измерения, на основании вышеупомянутых опорных пиковых частот и пиковых частот, полученных из оптического волокна 15 детектирования в состоянии измерения. Величина поправки, например, может быть выведена на основании следующей обработки. Фиг. 11A и фиг. 11B - схемы, показывающие пример способа выведения величины поправки.

Прежде всего, детектор 14 деформации и температуры делит оптическое волокно 15 детектирования в исходном состоянии на множество участков в продольном направлении и устанавливает один из таких участков в качестве контрольного участка rz, и устанавливает участок sz поправки длины, соответствующей контрольному участку rz на части продольного направления оптического волокна 15 детектирования в состоянии измерения. Детектор 14 деформации и температуры рассчитывает коэффициент взаимной корреляции формы сигнала (обратитесь к участку внутри rz на фиг. 11A), в которой значения опорных пиковых частот соответственных фактических измеряемых положений, включенных в контрольный участок rz, выровнены в продольном направлении, и формы сигнала (обратитесь к участку внутри sz на фиг. 11(A)), в которой значения пиковых частот соответственных фактических измеряемых положений, включенных в контрольный участок sz, выровнены в продольном направлении. Детектор 14 деформации и температуры многократно рассчитывает коэффициент взаимной корреляции наряду с перемещением контрольного участка sz с предопределенными интервалами (sz1, sz2, sz3, ... на фиг. 11A) вдоль продольного направления и графически отображает его результаты (обратитесь к фиг. 11B). Длина перемещения (величина смещения), при которой коэффициент взаимной корреляции становится максимальным, является величиной поправки.

Это использует явление, где, как показано на фиг. 12, уникальная форма сигнала для каждого оптического волокна детектирования получается вследствие остаточной деформации (начальной остаточной деформации) в оптическом волокне 15 детектирования в результате выравнивания, по порядку в продольном направлении, пиковых частот спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в соответственных фактических измеряемых положениях в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования, и характеристики этих форм сигнала не теряются, даже если оптическое волокно 15 детектирования растягивается или сокращается. Здесь, фиг. 12 - схема, показывающая пиковую частоту спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в отрезках участка (фактических измеряемых положениях) в продольном направлении оптического волокна детектирования, в котором разный тип волокна присоединен в его средней точке.

Отметим, что способ выведения величины поправки не ограничен способом выведения величины поправки посредством использования контрольного участка rz и участка sz поправки, в которых диапазон в продольном направлении является равным, как описано выше. Например, диапазон в продольном направлении участка поправки может быть установлен, чтобы быть большим или меньшим, чем контрольный участок rz, на основании растяжения и сокращения оптического волокна 15 детектирования. В силу этого, можно измерять величину сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии с даже еще более высокой точностью.

Детектор 14 деформации и температуры повторяет вышеизложенное выведение величины поправки с каждым из множества участков, на которые оптическое волокно 15 детектирования в исходном состоянии было поделено в продольном направлении, в качестве контрольного участка rz. Тем самым, выводится величина поправки относительно всех фактических измеряемых положений оптического волокна детектирования.

Впоследствии, на этапе S18, детектор 14 деформации и температуры оценивает соответственные пиковые частоты в заданном положении измерения, соответствующем соответственным фактическим измеряемым положениям, по пиковым частотам, полученным с соответственными фактическими измеренными значениями. Например, пиковые частоты заданного положения измерения могут быть получены на основании следующей обработки.

Детектор 14 деформации и температуры выводит соответственные заданные положения измерения, соответствующие соответственным фактическим измеряемым положениям, из таких фактических измеряемых положений на основании величины поправки, которая была выведена для каждого контрольного участка, как описано выше. Между тем, детектор 14 деформации и температуры интерполирует измеренные значения (пиковые частоты) взаимно смежных фактических измеряемых положений, так что значения пиковых частот, которые были получены дискретно в продольном направлении (в этом варианте осуществления, на интервалах 5 см в продольном направлении), становятся следующими одно за другим в продольном направлении. В этом варианте осуществления вышеупомянутая интерполяция выполняется с помощью метода B-сплайновой интерполяции, но способ не ограничен этим, и также могут использоваться другие методы интерполяции и метод наименьших квадратов или тому подобное.

Детектор 14 деформации и температуры оценивает соответственные пиковые частоты, полученные из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала из заданных положений измерения на основании таких заданных положений измерения и интерполированных значений, полученных, как описано выше.

Впоследствии, на этапе S19, детектор 14 деформации и температуры выводит (измеряет) соответственные величины Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама по разности между опорными пиковыми частотами в соответственных измеряемых положениях оптического волокна 15 детектирования в эталонном состоянии, хранения в памяти и пиковыми частотами при заданном положении измерения, соответствующим каждому из вышеупомянутых фактических измеряемых положений, которые оценивались на основании вышеизложенной обработки.

Когда величина Δνb сдвига частоты Бриллюэна-Мандельштама выводится, как описано выше, детектор 14 деформации и температуры переключается с режима измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама на режим измерения рэлеевского рассеяния.

Прежде всего, как на этапах S3 и S4 по первому варианту осуществления, детектор 14 деформации и температуры оценивает, на этапе S20, величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии по величине Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, полученной на основании вышеизложенной обработки, и, на этапе S21, определяет диапазон качания частоты импульсного светового сигнала для измерения подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала по оцененной величине Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии.

Далее, на этапе S22, детектор 14 деформации и температуры измеряет спектр рэлеевского рассеяния в соответственных фактических измеряемых положениях оптического волокна 15 детектирования, как на этапе S5 по первому варианту осуществления. Впоследствии, на этапе S23, детектор 14 деформации и температуры оценивает соответственные спектры рэлеевского рассеяния в заданном положении измерения, соответствующем соответственным фактическим измеряемым положениям, по спектру рэлеевского рассеяния, полученному в соответственных фактических измеряемых положениях. Например, спектр рэлеевского рассеяния в заданном положении измерения может быть получен на основании следующей обработки.

Детектор 14 деформации и температуры выводит соответственные заданные положения измерения, соответствующие соответственным измеряемым положениям, на основании величины поправки, которая была выведена для каждого контрольного участка на этапе S17. Между тем, детектор 14 деформации и температуры интерполирует измеренные значения (спектры рэлеевского рассеяния) взаимно смежных фактических измеряемых положений, так что спектры рэлеевского рассеяния, которые были получены дискретно в продольном направлении (в этом варианте осуществления, на интервалах 5 см в продольном направлении), становятся следующими один за другим в продольном направлении. Детектор 14 деформации и температуры оценивает соответственные спектры рэлеевского рассеяния, полученные из подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала из соответственных заданных положений измерения на основании соответственных положений измерения и интерполированных значений, полученных, как описано выше.

Впоследствии, на этапе S24, детектор 14 деформации и температуры выводит (измеряет) соответственные величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, как на этапе S5 по первому варианту осуществления, на основании опорного спектра рэлеевского рассеяния в соответственных фактических измеряемых положениях, хранимого в памяти, и спектров рэлеевского рассеяния в заданном положении измерения, соответствующем фактическим измеряемым положениям, которые оценивались на основании вышеизложенной обработки.

Здесь, если величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии достаточно мала по сравнению с диапазоном частот (полосой пропускания) измеренного спектра рэлеевского рассеяния, как на этапе S5 по первому варианту осуществления, величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии может легко выводиться на основании коэффициента взаимной корреляции опорного спектра рэлеевского рассеяния в соответственных фактических измеряемых положениях, хранимого в памяти, и спектра рэлеевского рассеяния (в дальнейшем также указываемого ссылкой как «соответствующий спектр рэлеевского рассеяния»), измеренного в заданном положении измерения, соответствующем соответственным фактическим измеряемым положениям. Тем не менее, если величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии недостаточно мала в качестве вышеупомянутой величины сдвига (то есть если она довольно велика) по сравнению с диапазоном частот опорного спектра рэлеевского рассеяния или диапазоном частот соответствующего спектра рэлеевского рассеяния, надежность выведенного коэффициента взаимной корреляции будет уменьшаться (то есть будет увеличиваться погрешность), поскольку будет уменьшаться соответствующий диапазон (перекрывающаяся часть) опорного спектра рэлеевского рассеяния и соответствующего спектра рэлеевского рассеяния при выведении коэффициента взаимной корреляции, и, поэтому, становится трудным выводить величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии.

Более точно, если величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии достаточно мала по сравнению с диапазоном частот опорного спектра рэлеевского рассеяния и диапазоном частот соответствующего спектра рэлеевского рассеяния, на графике (обратитесь к фиг. 8A) с горизонтальной осью в качестве частоты и вертикальной осью в качестве уровня спектра, величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии может легко выводиться посредством выведения коэффициента взаимной корреляции формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния и формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния в соответственных относительных положениях взаимным и относительным перемещением формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния и формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния в направлении оси частот (левом и правом направлении на фиг. 8) (обратитесь к фиг. 8B). Отметим, что, в этом варианте осуществления, детектор 14 деформации и температуры выводит коэффициент взаимной корреляции в соответственных положениях (соответственных величинах сдвига), фиксируя форму сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния наряду с боковым перемещением (смещением) формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния.

Между тем, если величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, как показано на фиг. 13, относительно велика по сравнению с диапазоном частот опорного спектра рэлеевского рассеяния или диапазоном частот соответствующего спектра рэлеевского рассеяния (диапазоном Ra на фиг. 13), хранимым в памяти детектора 14 деформации и температуры, поскольку перекрывающаяся часть (диапазон в направлении оси частот, показанный полужирной линией на фиг. 13) мала, даже если формы сигнала обоих спектров в пределах диапазона Ra измеренных частот относительно перемещаются, надежность коэффициента взаимной корреляции, выведенного в соответственных относительных положениях, будет уменьшаться.

Более точно, когда величина сдвига относительно возрастает по отношению к диапазону частот обоих спектров, в части Co2 формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния, соответствующей части Co1 (части верхней формы сигнала, показанной сплошной на фиг. 13) формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния в диапазоне Ra измеряемой частоты, только ее часть (перекрывающаяся часть: часть нижней формы сигнала, показанная полужирной линией на фиг. 13) будет подпадать под диапазон Ra частот. В дополнение, поскольку растяжение или сокращение оптического волокна 15 детектирования не является равномерным (то есть оно неравномерное) в соответственных частях в продольном направлении и направлении, которое ему ортогонально, взаимно соответствующие части Co1 и Co2 формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния и формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния также не будут идеально совпадать. Таким образом, даже если коэффициент взаимной корреляции в соответственных положениях выводится наряду с относительным перемещением формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния в пределах диапазона Ra измеряемой частоты и формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния в направлении оси частот, это не обязательно означает, что коэффициент взаимной корреляции, когда перекрывающиеся части перекрываются, будет становиться максимальным (обратитесь к фиг. 8B), и выведение величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, в силу этого, становится затруднительным.

Здесь, также можно устранять вышеупомянутое затруднение достаточным увеличением диапазона частот опорного спектра рэлеевского рассеяния и диапазона частот соответствующего спектра рэлеевского рассеяния относительно величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии. Тем не менее, если диапазон частоты, которая должна измеряться, увеличен, в дополнение к увеличению времени, требуемому для измерения, время, требуемое для выведения коэффициента взаимной корреляции в соответственных положениях наряду с перемещением формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния в пределах диапазона Ra измеряемой частоты и формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния в направлении оси частот, также будет увеличиваться, и есть проблема по той причине, что требуется слишком много времени.

Таким образом, если величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии относительно велика по сравнению с диапазоном частот опорного спектра рэлеевского рассеяния или диапазоном частот соответствующего спектра рэлеевского рассеяния, детектор 14 деформации и температуры использует предопределенное пороговое значение для определения величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии и пытается выводить величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, сравнивая вышеупомянутое предопределенное пороговое значение и коэффициент взаимной корреляции в соответственных положениях в направлении оси частот формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния и формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния. С этим детектором 14 деформации и температуры, поскольку величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии выводится на основании сравнения предопределенного порогового значения и коэффициента взаимной корреляции в соответственных относительных положениях; то есть на основании размера числового значения, величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии может легко выводиться.

В продольном направлении оптического волокна 15 детектирования форма сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния, фактически измеренного в предопределенном временном интервале в конкретном фактическом измеряемом положении, и форма сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния в заданном положении измерения, соответствующем вышеупомянутому конкретному фактическому измеряемому положению, например, будут принимать форму, показанную на фиг. 14. Когда форма сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния и форма сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния на фиг. 14 относительно перемещаются в направлении оси частот и коэффициент взаимной корреляции в соответственных относительных положениях выводится и графически изображается, получается график, показанный на фиг. 15. Как показано на фиг. 15, при фактическом измерении, есть случаи, где многочисленные пики будут возникать, поскольку растяжение, деформация и тому подобное в соответственных положениях оптического волокна 15 детектирования становятся неравномерными.

В вышеупомянутом случае детектор 14 деформации и температуры использует предопределенное пороговое значение «th», как показано на фиг. 15, которое заранее сохранено в памяти, и пытается выводить величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, сравнивая пороговое значение «th» и коэффициент взаимной корреляции.

Это пороговое значение «th» становится наименьшей величиной, когда величина сдвига формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния в направлении оси частот относительно формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния при получении коэффициента взаимной корреляции имеет значение 0, и становится большим значением по мере того, как величина сдвига увеличивается. Это происходит потому, что, поскольку перекрывающаяся часть соответственной части формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния и формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния в предопределенном диапазоне частот становится больше по мере того, как становится меньше величина сдвига, надежность выведенного коэффициента взаимной корреляции высока, даже если степень совпадения обеих форм сигнала (размер коэффициента взаимной корреляции) низка по сравнению со случаями, когда величина сдвига велика. Между тем, если величина сдвига велика, поскольку перекрывающаяся часть в соответствующей части форм сигнала обоих спектров будет уменьшаться, невозможно получать такой же уровень надежности, как когда величина сдвига мала, если степень совпадения (коэффициент взаимной корреляции) обоих форм сигнала невысок по сравнению со случаями, когда величина сдвига мала.

Более точно, пороговое значение «th» основано на вероятности (вероятности ложной тревоги) касательно надежности коэффициента взаимной корреляции опорного спектра рэлеевского рассеяния и соответствующего спектра рэлеевского рассеяния и задается так, что вероятность ложной тревоги становится постоянной для каждой величины сдвига соответствующего спектра рэлеевского рассеяния относительно опорного спектра рэлеевского рассеяния (или величины сдвига опорного спектра рэлеевского рассеяния относительно соответствующего спектра рэлеевского рассеяния). Здесь, вероятность ложной тревоги является вероятностью, где значение коэффициента взаимной корреляции будет превышать пороговое значение, когда величина сдвига не является надлежащим значением (то есть когда соответствующие части формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния и формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния не являются перекрывающимися). Вероятность ложной тревоги получается логически для каждого порогового значения по соответственным величинам сдвига, принимая во внимание случай, где опорный спектр рэлеевского рассеяния и соответствующий спектр рэлеевского рассеяния являются некоррелированными. Соответственно, пороговое значение для каждой величины сдвига может быть получено назначением вероятности ложной тревоги (обратитесь к пороговому значению «th» на фиг. 15).

В результате использования этой разновидности порогового значения «th», даже если многочисленные пики появляются на графике коэффициента взаимной корреляции в соответственных относительных положениях (соответственных величинах сдвига), посредством сравнения значений порогового значения «th» и коэффициента взаимной корреляции, если есть коэффициент взаимной корреляции, который превышает пороговое значение «th» (стрелка α на фиг. 15), величина сдвига соответствующего спектра рэлеевского рассеяния в направлении оси частот относительно формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния, когда получался вышеупомянутый коэффициент взаимной корреляции, может легко выводиться в качестве величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии.

Более того, для того чтобы выводить величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии даже еще более надежно, в замену коэффициента взаимной корреляции опорного спектра рэлеевского рассеяния и соответствующего спектра рэлеевского рассеяния, также может использоваться коэффициент взаимной корреляции квадратного корня опорного спектра рэлеевского рассеяния и квадратного корня соответствующего спектра рэлеевского рассеяния. Более точно, детектор 14 деформации и температуры также может быть сконфигурирован так, что он получает коэффициент взаимной корреляции квадратного корня опорного спектра рэлеевского рассеяния и квадратного корня соответствующего спектра рэлеевского рассеяния для каждой величины сдвига, и выводит величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии из положения пика коэффициента взаимной корреляции, который превышает пороговое значение «th», при котором вероятность ложной тревоги становится постоянной на соответственных величинах сдвига. В вышеупомянутом случае вероятность ложной тревоги будет уменьшаться, поскольку уровень коэффициента взаимной корреляции в случаях, где квадратный корень опорного спектра рэлеевского рассеяния и квадратный корень соответствующего спектра рэлеевского рассеяния являются взаимно некоррелированными, будет уменьшаться, и пороговое значение «th», при котором вероятность ложной тревоги становится постоянной на соответственных величинах сдвига, также будет уменьшаться. Следовательно, достоверность детектирования правильной величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии может быть улучшена. Причина, по которой вероятность ложной тревоги уменьшается при использовании скорее квадратного корня спектра, нежели самого спектра, имеет место потому, что, тогда как распределение вероятностей значения спектра становится показательным распределением, распределение вероятностей значения квадратного корня становится распределением Рэлея, и показательное распределение становится длиннее на хвосте кривой распределения.

Соответственно, если величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии относительно велика по сравнению с диапазоном частот опорного спектра рэлеевского рассеяния или диапазоном частот соответствующего спектра рэлеевского рассеяния, детектор 14 деформации и температуры использует вышеупомянутое пороговое значение «th» и детектирует величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии.

Тем не менее, есть случаи, где детектор 14 деформации и температуры неспособен выводить величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии даже при использовании вышеупомянутого порогового значения «th» (случаи, где множество коэффициентов взаимной корреляции превышает пороговое значение «th», или когда ни один из них не превышает пороговое значение «th»). В вышеизложенном случае детектор 14 деформации и температуры выводит величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии посредством дополнительного выполнения следующей обработки.

При измерении (выведении) величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии величина Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама была предварительно измерена (выведена) на этапе S19. Здесь, поскольку измерение выполнялось с использованием подвергнутого рассеянию светового сигнала у светового сигнала, полученного из одного и того же оптического волокна 15 детектирования, есть предопределенное отношение соответствия между величиной Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и величиной Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии. Таким образом, если детектор 14 деформации и температуры неспособен выводить величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии даже при использовании порогового значения «th», он пытается выводить величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии посредством использования предварительно выведенной величины Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама.

Более точно, детектор 14 деформации и температуры использует следующие формулу (13) и формулу (14), которые использовались при оценивании величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии по величине Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на этапе S20 (этапе S3 в первом варианте осуществления), и определяет диапазон Sa сканирования на фиг. 16A, показывающей соотношение относительного положения формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния и формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния (в этом варианте осуществления величина сдвига формы сигнала соответствующего спектра рэлеевского рассеяния в направлении оси частот относительно формы сигнала опорного спектра рэлеевского рассеяния) и коэффициент взаимной корреляции, и получает величину Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии в диапазоне Sa1 сканирования (обратитесь к фиг. 16B) на основании вышеупомянутого диапазона Sa сканирования.

Более точно, детектор 14 деформации и температуры предполагает, что все изменения основаны на влиянии температуры в формуле (13) и формуле (14). Следовательно, получается следующее.

Далее, детектор 14 деформации и температуры предполагает, что все изменения основаны на влиянии деформации. Следовательно, получается следующее.

Детектор 14 деформации и температуры подставляет, в полученную формуле (17), значение величины Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, измеренной на этапе S19, и конкретные значения B11, R11 (например, в первом варианте осуществления, B11=0,05×10^-3 ГГц/με, R11≒-0,15 ГГц/με), и выводит значение нижнего предела диапазона Sa сканирования (сплошная линия на левой стороне на фиг. 16A), и подставляет, в полученную формулу (18), значение величины Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и конкретные значения B12, R12 (например, в первом варианте осуществления, B12≒1,07×10^-3 ГГц/°C, R12≒-1,25 ГГц/°C), и выводит значение верхнего предела диапазона Sa сканирования (сплошная линия на правой стороне на фиг. 16A). После определения значения верхнего предела и значения нижнего предела диапазона Sa сканирования, как описано выше, детектор 14 деформации и температуры добавляет предопределенное допустимое отклонение (точечная линия на фиг. 16A), принимая во внимание погрешности. Детектор 14 деформации и температуры получает значение относительного положения (величины сдвига) с наибольшим коэффициентом взаимной корреляции в диапазоне из диапазона Sa1 сканирования, включающего в себя предопределенное допустимое отклонение, и выводит значение этого относительного положения в качестве величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии.

Отметим, что детектор 14 деформации и температуры не ограничен способом использования порогового значения «th» или способом использования значения предварительно полученной величины Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, а также формулы (13) и формулы (14), и может быть сконфигурирован для выведения величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии из данных (опорного спектра рэлеевского рассеяния и соответствующего спектра рэлеевского рассеяния), содержащих большое количество шумов, используя другие способы и или используя один за другим оба, вышеизложенный способ и другой способ.

Когда величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии соответственно выведены (измерены) на этапе S24, как описано выше, в заключение, на этапе S25, детектор 14 деформации и температуры детектирует деформацию и температуру соответственных частей оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении по величине Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и величине Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии на основании вышеизложенной обработки.

На основании вышеизложенной конфигурации с распределенным оптоволоконным датчиком FS по этому варианту осуществления, даже если оптическое волокно 15 детектирования является длинным, либо изменение температуры или изменение деформации велики, а смещение между фактическим измеряемым положением и заданным положением измерения, следовательно, велики в состоянии измерения, посредством выведения величины поправки касательно вышеупомянутого смещения из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала и использования величины поправки, величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и величина сдвига частоты при рэлеевском рассеянии могут точно детектироваться. Более того, в частности, в результате использования этой величины поправки, детектирование (измерение рэлеевского рассеяния) величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии может выполняться надежно. Это происходит потому, что, поскольку спектр рэлеевского рассеяния сильно зависит от длительности основного импульсного светового сигнала, корреляция исходного состояния и состояния измерения при измерении рэлеевского рассеяния, не может быть получена, если положение не подвергнуто поправке (поправке фактического измеряемого положения и заданного положения измерения, соответствующего ему) с точностью уровня ширины (10 см в этом варианте осуществления) основного импульсного светового сигнала.

Например, если оптическое волокно 15 детектирования бывает в трех разных состояниях, результаты, показанные на фиг. 17A, получались при измерении соответственных пиковых частот спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама. На основании этих результатов, если величина Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и величина Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии измеряются, и внешняя сила, приложенная от объекта, который должен подвергаться измерению, к оптическому волокну 15 детектирования, получается без осуществления какой бы то ни было коррекции на величину поправки, как при вышеизложенной конфигурации, получались результаты, показанные пунктирной линией по фиг. 17C. Между тем, результаты, показанные на фиг. 17B, получались коррекцией результатов, полученных, как показано на фиг. 17A, получением величины поправки для коррекции смещения между фактическим измеряемым положением и заданным положением измерения, ассоциативно связанного с растяжением и сокращением оптического волокна 15 детектирования, как при вышеизложенной конфигурации. Результаты, показанные сплошной линией по фиг. 17C, получались посредством использования вышеупомянутых результатов для измерения величины Δνb сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и величины Δνr сдвига частоты при рэлеевском рассеянии и получения внешней силы, приложенной от объекта, который должен подвергаться измерению, к оптическому волокну 15 детектирования. Как очевидно из фиг. 17C, в результате коррекции смещения между фактическим измеряемым положением и заданным положением измерения, ассоциативно связанного с растяжением и сокращением оптического волокна 15 детектирования, шум, вызванный растяжением и сокращением, уменьшался, и получались результаты с низким отклонением.

Отметим, что распределенный оптоволоконный датчик FS с конфигурацией, показанной на фиг. 1, также может конфигурировать BOTDR частью своих составляющих элементов.

Фиг. 18 - структурная схема, показывающая конфигурацию распределенного оптоволоконного датчика, когда распределенный оптоволоконный датчик, показанный на фиг. 1, сконфигурирован в качестве BOTDR. Отметим, что на фиг. 18 показаны только блоки, которые требуются для конфигурирования BOTDR, а иллюстрация некоторых блоков была опущена.

На фиг. 18 распределенный оптоволоконный датчик FS BOTDR сконфигурирован включением в состав первого источника 1 света, блока 3 формирования световых импульсов, оптического переключателя 4, оптического ответвителя 5, блока 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, оптического циркулятора 7, оптического разъема 9, первого ATC 10, первого AFC 11, управляющего блока 13 обработки, детектора 14 деформации и температуры и оптического волокна 15 детектирования. Отметим, что на фиг. 18 поскольку оптический ответвитель 2, вставленный между первым источником 1 света и блоком 3 формирования световых импульсов, и оптический ответвитель 8, вставленный между оптическим циркулятором 7 и оптическим разъемом 9, по существу не функционируют, когда распределенный оптоволоконный датчик FS, показанный на фиг. 1, сконфигурирован в качестве BOTDR, их иллюстрация опущена, а непоказанный оптический переключатель 29 1×2 соединяет оптический циркулятор 7 и детектор 14 деформации и температуры.

В случае BOTDR, детектор 14 деформации и температуры управляет соответственными компонентами распределенного оптоволоконного датчика FS, вводя и выводя сигналы в и из управляющего блока 13 обработки, получает соответственные спектры усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама соответственных отрезков участка оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования посредством детектирования светового сигнала, имеющего отношение к явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, который принимался в предопределенном интервале выборки отсчетов, и получает соответственные величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама соответственных отрезков участка на основании полученных спектров усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама соответственных отрезков участка.

Соответственные падающие световые сигналы, которые проникали с входных терминалов детектора 14 деформации и температуры, преобразуются в электрический сигнал светопринимающим элементом, который выполняет фотоэлектрическое преобразование согласно величине принятого света (светового сигнала), этот электрический сигнал преобразуется в цифровой электрический сигнал аналого-цифровым преобразователем и используется для получения спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама. Здесь, используется оптический полосовой фильтр (в дальнейшем указываемый ссылкой как «оптический BPF»), и этот оптический BPF является оптическим компонентом предопределенной узкой полосы частот пропускания; соответственно, он является оптическим компонентом для пропускания светового сигнала предопределенной узкой полосы частот и блокирования светового сигнала полосы, исключающей вышеупомянутую предопределенную полосу частот, и, например, используется оптический полосовой фильтр с узкой шириной линии.

Фиг. 19 - схема, поясняющая оптический полосовой фильтр с узкой шириной линии. Фиг. 19A - структурная схема, показывающая конфигурацию оптического полосового фильтра с узкой шириной линии, а с фиг. 19B по 19D - схемы, поясняющие работу оптического полосового фильтра с узкой шириной линии.

Падающий световой сигнал, который проникал во входной терминал детектора 14 деформации и температуры из оптического циркулятора 7, фильтруется, например, оптическим BPF, показанным на фиг. 19, и, тем самым, извлекается световой сигнал, имеющий отношение к явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама. Более того, падающий световой импульс преобразуется в электрический сигнал светопринимающим элементом, фильтруется согласованным фильтром, преобразуется в цифровой электрический сигнал аналого-цифровым преобразователем и используется для получения спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама. Более того, по необходимости, электрический сигнал усиливается схемой усиления перед цифровым преобразованием.

Оптический BPF 310, например, сконфигурирован включением в состав, как показано на фиг. 19A, первого эталонного фильтра 311 Фабри-Перо (в дальнейшем указываемого ссылкой как «EF») и второго EF 312, который оптически связан с первым EF 311. Что касается первого EF 311, как показано на фиг. 19B, его длительность на уровне половины амплитуды, FWHM 1, установлена, чтобы иметь ширину захвата частот, соответствующую предопределенной полосе частот пропускания в оптическом BPF 310, и одна центральная частота fa1 его полосы частот пропускания установлена, чтобы совпадать с центральной частотой fa полосы частоты пропускания в оптическом BPF 310.

Что касается второго EF 312, как показано на фиг. 19C, его FSR 2 (свободный спектральный диапазон) установлен, чтобы быть шире, чем интервал частот между частотой светового импульса (вспомогательного светового импульса и основного светового импульса) и частотой подвергнутого естественному обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама, его длительность на уровне половины амплитуды, FWHM 2, установлена, чтобы быть большей, чем длительность на уровне половины амплитуды, FWHM 1, первого EF 311, так что его полоса частот пропускания будет включать в себя полосу частот пропускания первого EF 311, и одна центральная частота fa2 его полосы частот пропускания установлена, чтобы совпадать с центральной частотой fa полосы частот пропускания оптического BPF 310.

Что касается оптического BPF 310, сконфигурированного, как описано выше, световой сигнал частоты, соответствующей предопределенной полосе частот пропускания, пропускается через первый EF 311. Более точно, световой сигнал частоты, соответствующей длительности на уровне половины амплитуды, FWHM 1, передается для каждого FSR 1 первого EF 311. Впоследствии, среди световых сигналов, которые были пропущены через первый EF 311, только световой сигнал частоты, соответствующей полосе частот пропускания центральной частоты fa1 первого EF 311, пропускается через второй EF 312. Таким образом, частотные характеристики пропускания узкополосного оптического BPF 310 с вышеизложенной конфигурацией, становятся характеристиками, полученными синтезом частотных характеристик пропускания первого EF 311, показанных на фиг. 19B, и частотных характеристик пропускания второго EF 312, показанного на фиг. 19C, и, как показано на фиг. 19D, центральная частота fa его полосы частот пропускания становится частотой fa1 (= fa2), его длительность на уровне половины амплитуды, FWHM, становится длительностью на уровне половины амплитуды, FWHM 1, первого EF 311, и его FSR становится FSR 2 второго EF 312. Отметим, что первый EF 311 и второй EF 312 также могут быть оптически связаны в обратном направлении.

Более того, в случае BOTDR, управляющий блок 13 обработки управляет первым источником 1 света, первым ATC 10, первым AFC 11, блоком 3 формирования световых импульсов, оптическим переключателем 4 и блоком 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, вводя и выводя сигналы в и из детектора 14 деформации и температуры, так что распределение деформации и температуры оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении оптического волокна 15 детектирования может измеряться с высоким пространственным разрешением и для больших расстояний.

Что касается распределенного оптоволоконного датчика FS BOTDR, сконфигурированного, как описано выше, вспомогательный световой импульс и основной световой импульс, выработанные первым источником 1 света и блоком 3 формирования световых импульсов, проникают с одного конца оптического волокна 15 детектирования через оптический переключатель 4, оптический ответвитель 5, блок 6 настройки оптической интенсивности/поляризации, оптический циркулятор 7 и оптический разъем 9. Система с расширенным спектром используется для основного светового импульса. Световой сигнал (подвергнутый естественному обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама световой сигнал), который был подвергнут действию явления естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в оптическом волокне 15 детектирования, выдается из одного конца оптического волокна 15 детектирования и принимается детектором 14 деформации и температуры. Впоследствии, анализ отражений во временной области спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама (B^Gain-OTDR) выполняется детектором 14 деформации и температуры, и, тем самым, выявляется величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама. Отметим, что световой сигнал, имеющий отношение к явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, является подвергнутым естественному обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама световым сигналом.

Даже с распределенным оптоволоконным датчиком FS BOTDR, сконфигурированным, как описано выше, поскольку пространственное разрешение и измеряемое расстояние могут быть независимо установлены конфигурированием светового импульса из основного светового импульса, использующего систему с расширенным спектром, и вспомогательного светового импульса, измеряемое расстояние может быть расширено даже еще дальше и измеряться наряду с предоставлением возможности измерения деформации и температуры с высоким пространственным разрешением.

Фиг. 20 - схема, поясняющая способ получения сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама вычитанием составляющих элементов из полного спектра. На фиг. 20 горизонтальная ось представляет частоту, представленную в единицах МГц, а вертикальная ось имеет значение усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, представленное в единицах мВт. Фиг. 20A показывает с первого по третий спектры рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, а фиг. 20B показывает результаты при вычитании второго и третьего спектров рассеяния Бриллюэна-Мандельштама из полного спектра. Сплошная линия по фиг. 20A показывает первый спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в качестве полного спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, а прерывистая линия показывает сумму второго спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и третьего спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в качестве его составляющих элементов.

Отметим, что, в распределенном оптоволоконном датчике FS BOTDA согласно этому варианту осуществления, прежде всего, вспомогательный световой импульс и основной световой импульс в качестве светового сигнала накачки и непрерывный световой сигнал в качестве зондового светового сигнала побуждаются проникать в оптическое волокно 15 детектирования на основании управления управляющего блока 3 обработки, и детектор 14 деформации и температуры получает первый спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама на основании светового сигнала, имеющего отношение к первому явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, который выдается из оптического волокна 15 детектирования в вышеупомянутом случае. Впоследствии, основной световой импульс в качестве светового сигнала накачки и непрерывный световой сигнал в качестве зондового светового сигнала побуждаются проникать в оптическое волокно 15 детектирования на основании управления управляющего блока 13 обработки, и датчик 14 деформации и температуры получает второй спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама на основании светового сигнала, имеющего отношение к второму явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, который выдается из оптического волокна 15 детектирования в вышеупомянутом случае. Впоследствии, детектор 14 деформации и температуры может получать разность между первым спектром рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и вторым спектром рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, и измерять деформацию и температуру, сформированные в оптическом волокне 15 детектирования, на основании полученной разности.

Иначе, вспомогательный световой импульс в качестве светового сигнала накачки и непрерывный световой сигнал в качестве зондового светового сигнала побуждаются проникать в оптическое волокно 15 детектирования на основании управления управляющего блока 13 обработки, и датчик 14 деформации и температуры получает третий спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама на основании светового сигнала, имеющего отношение к третьему явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, который выдается из оптического волокна 15 детектирования в вышеупомянутом случае. Впоследствии, детектор 14 деформации и температуры может получать разность между первым спектром рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и третьим спектром рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, и измерять деформацию и температуру, сформированные в оптическом волокне 15 детектирования, на основании полученной разности.

В результате принятия вышеизложенной конфигурации ненужные составляющие спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама могут подавляться при получении величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама в BOTDA, и величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама может легко получаться с высокой точностью. Следовательно, деформация и температура, сформированные в оптическом волокне детектирования, могут легко получаться с высокой точностью.

Иначе, например, на фиг. 20, прежде всего, первый спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (сплошная линия по фиг. 20A) получается побуждением распределенного оптоволоконного датчика FS работать, как описано выше. Впоследствии, второй и третий спектры рассеяния Бриллюэна-Мандельштама соответственно получаются побуждением распределенного оптоволоконного датчика FS работать, как описано выше. Впоследствии, детектор 14 деформации и температуры получает разность (фиг. 20B) между первым спектром рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (сплошная линия по фиг. 20A) и суммой второго спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и третьего спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (прерывистая линия по фиг. 20A). Впоследствии, детектор 14 деформации и температуры может измерять деформацию и температуру, сформированные в оптическом волокне 15 детектирования, на основании полученной разности.

В результате принятия вышеизложенной конфигурации ненужные составляющие спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама могут подавляться при получении величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама в BOTDA, и величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама может легко получаться с высокой точностью. Следовательно, деформация и температура, сформированные в оптическом волокне детектирования, могут получаться даже еще легче с еще более высокой точностью.

Более того, в распределенном оптоволоконном датчике FS BOTDR согласно этому варианту осуществления, прежде всего, вспомогательный световой импульс и основной световой импульс побуждаются проникать в оптическое волокно 15 детектирования на основании управления управляющего блока 3 обработки, и детектор 14 деформации и температуры получает первый спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании светового сигнала, имеющего отношение к первому явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, который выдается из оптического волокна 15 детектирования, в вышеупомянутом случае. Далее, основной световой импульс побуждается проникать в оптическое волокно 15 детектирования на основании управления управляющего блока 13 обработки, и датчик 14 деформации и температуры получает второй спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании светового сигнала, имеющего отношение к второму явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, который выдается из оптического волокна 15 детектирования в вышеупомянутом случае. Далее, детектор 14 деформации и температуры может получать разность между первым спектром усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и вторым спектром усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, и измерять деформацию и температуру, сформированные в оптическом волокне 15 детектирования, на основании полученной разности.

Иначе, вспомогательный световой импульс побуждается проникать в оптическое волокно 15 детектирования на основании управления управляющего блока 13 обработки, и датчик 14 деформации и температуры получает третий спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании света (светового сигнала), имеющего отношение к третьему явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, который выдается из оптического волокна 15 детектирования в вышеупомянутом случае. Далее, детектор 14 деформации и температуры может получать разность между первым спектром усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и третьим спектром усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, и измерять деформацию и температуру, сформированные в оптическом волокне 15 детектирования, на основании полученной разности.

В результате принятия вышеизложенной конфигурации ненужные составляющие спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама могут подавляться при получении величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама в BOTDR, и величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама может легко получаться с высокой точностью. Следовательно, деформация и температура, сформированные в оптическом волокне детектирования, могут легко получаться с высокой точностью.

Иначе, при получении второго и третьего спектров усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, детектор 14 деформации и температуры получает разность между первым спектром усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и суммой второго спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и третьего спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, и измеряет деформацию и температуру, сформированные в оптическом волокне 15 детектирования на основании полученной разности.

В результате принятия вышеизложенной конфигурации ненужные составляющие спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама могут подавляться при получении величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама в BOTDR, и величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама может легко получаться с высокой точностью. Следовательно, деформация и температура, сформированные в оптическом волокне детектирования, могут получаться даже еще легче с еще более высокой точностью.

Далее пояснены экспериментальные результаты в распределенном оптоволоконном датчике FS, использующем световой импульс, сконфигурированный из вышеупомянутых немодулированного вспомогательного светового импульса и основного светового импульса, использующего систему с расширенным спектром. Эти экспериментальные результаты, например, были получены посредством получения первого спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и суммы второго спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и третьего спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в BOTDA, и измерения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, вызванной деформацией, сформированной в оптическом волокне детектирования, на основании полученной разности.

Фиг. 21 - схема, показывающая экспериментальный результат распределенного оптоволоконного датчика в случае светового сигнала накачки, имеющего конфигурацию, показанную на фиг. 6A. Фиг. 21A показывает спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, а фиг. 21B показывает сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама. Ось x по фиг. 21A представляет частоту (МГц), ось y имеет усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама (нВт), а ось z - расстояние (м) оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении. Горизонтальной осью по фиг. 21B является расстояние (м) оптического волокна 15 детектирования в продольном направлении, а вертикальной осью - пиковая частота (МГц). Сплошная линия показывает измеренную пиковую частоту, а прерывистая линия показывает сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама.

В этом эксперименте световой сигнал накачки сконфигурирован, как показано на фиг. 6(A), из вспомогательного светового импульса с длительностью импульса 30 нс и основного светового импульса с длительностью импульса 12,7 нс, который является последовательно следующим за вспомогательным световым импульсом, и основной световой импульс поделен на 127 секций с шириной секции в 0,1 нс, и соответственные секции модулируются (кодируются) двоичным кодом M-последовательности, а затем подвергаются кодированию с расширением спектра.

В оптическом волокне 15 детектирования, как показано в таблице 1, деформация 80 МГц (приблизительно = 1600 με) на основании преобразования сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама заранее предусмотрена для соответственных зон из первой зоны от z=100 см до z=101 см, второй зоны от z=200 см до z=202 см, третьей зоны от z=300 см до z=303 см и четвертой зоны от z=400 см до z=404 см.

Таблица 1
Длительность	100	1	99	2	98	3	97	4	96
Сдвиг частоты [МГц]	0	80	0	80	0	80	0	80	0
(1600 με)

Когда световой сигнал накачки, который частично использует систему с расширенным спектром, побуждается проникать в вышеупомянутое оптическое волокно 15 детектирования и измеряется, получается спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, показанный на фиг. 21A, и, следовательно, получается сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, показанный на фиг. 21B. Как показано на фиг. 21, величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, основанная на деформации размера, который предусмотрен заранее, измеряется в соответственных положениях деформации, показанных в таблице 1, и может быть понятно, что деформация получается с высокой точностью и высоким пространственным разрешением.

Как описано выше, деформация может быть получена с высокой точностью и с высоким пространственным разрешением даже при использовании системы с расширенным спектром в основном световом импульсе. В дополнение, как описано выше, в результате конфигурирования светового сигнала накачки из основного светового импульса, использующего систему с расширенным спектром, и вспомогательного светового импульса, пространственное разрешение и измеряемое расстояние могут устанавливаться независимо. Таким образом, измеряемое расстояние может быть расширено даже еще дальше и измеряться наряду с предоставлением возможности измерения деформации с высоким пространственным разрешением.

Отметим, что, хотя вышеизложенные варианты осуществления использовали световой сигнал накачки (вспомогательный световой импульс и основной световой импульс) режима, показанного на фиг. 6, конфигурация не ограничена ими и, например, также может использоваться световой сигнал накачки (вспомогательный световой импульс и основной световой импульс) режима, показанного на фиг. 22.

Фиг. 22 - схема, поясняющая еще одну конфигурацию светового сигнала накачки (вспомогательного светового импульса и основного светового импульса), при этом фиг. 22A показывает первую конфигурацию в качестве еще одной конфигурации светового сигнала накачки, а фиг. 22B показывает вторую конфигурацию в качестве еще одной конфигурации светового сигнала накачки.

Со световым сигналом накачки, показанным на фиг. 6A, оптическая интенсивность вспомогательного светового импульса была таким же уровнем, как оптическая интенсивность основного светового импульса, и, например, как показано на фиг. 22A, световой сигнал накачки может быть таким, что оптическая интенсивность вспомогательного светового импульса является меньшей, чем оптическая интенсивность основного светового импульса. Поскольку вспомогательный световой импульс играет роль вынуждения акустического фонона нарастать по времени до основного светового импульса, как описано выше, большая оптическая интенсивность, как у основного светового импульса, не требуется и может быть меньшей, чем оптическая интенсивность основного светового импульса.

Более того, соответственные световые пучки накачки (световые сигналы накачки), показанные на фиг. 6A и фиг. 22A, конфигурируются так, что вспомогательный световой импульс по времени предшествует основному вспомогательному импульсу, не перекрываясь с основным вспомогательным импульсом. Однако, например, как показано на фиг. 22B, световой сигнал накачки также может иметь часть, где основной световой импульс и вспомогательный основной импульс перекрываются во времени. При световом сигнале накачки, имеющем эту разновидность конфигурации, с точки зрения побуждения акустического фонона нарастать на основании вспомогательного светового импульса посредством предшествования во времени основному световому импульсу, предпочтительно, чтобы часть вспомогательного светового импульса, которая не перекрывается с основным световым импульсом, предшествовала по времени основному световому импульсу, а более предпочтительно, чтобы часть вспомогательного светового импульса, которая не перекрывается с основным световым импульсом, была большей, чем время, которое необходимо, чтобы акустический фонон нарастал полностью; например, приблизительно 30 нс или более.

Далее пояснены экспериментальные результаты в случаях использования, в распределенном оптоволоконном датчике FS, светового сигнала накачки, сконфигурированного из основного светового импульса, использующего систему с расширенным спектром, и вспомогательного светового импульса с частью, перекрывающейся с основным световым импульсом. Как с экспериментальными результатами, показанными на фиг. 21, эти экспериментальные результаты, например, были получены посредством получения разности между первым спектром рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и суммой второго спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и третьего спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в BOTDA, и измерения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, вызванной деформацией, сформированной в оптическом волокне детектирования, на основании полученной разности.

Фиг. 23 - схема, показывающая экспериментальный результат распределенного оптоволоконного датчика в случае светового сигнала накачки, имеющего конфигурацию, показанную на фиг. 22B. Фиг. 23A показывает спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, а фиг. 23B показывает сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама. Соответственные оси на фиг. 23A и фиг. 21B являются такими же, как таковые на фиг. 21A и фиг. 21B.

В этом эксперименте световой пучок накачки (световой сигнал накачки) сконфигурирован, как показано на фиг. 22B, из вспомогательного светового импульса с длительностью импульса 132,3 нс и основного светового импульса с длительностью импульса 102,3 нс, который перекрывается с вспомогательным световым импульсом, будучи задержанным во времени на 30 нс относительно вспомогательного светового импульса, и основной световой импульс поделен на 1023 секции с шириной секции в 0,1 нс, и соответственные секции модулируются (кодируются) двоичным кодом M-последовательности, а затем подвергаются кодированию с расширением спектра.

В оптическом волокне 15 детектирования идентичным образом, описанным выше, и как показано в таблице 1, деформация 80 МГц (приблизительно = 1600 με), основанная на преобразовании сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, предусмотрена заранее для соответственных зон из с первой по четвертую зон.

Когда световой пучок накачки (световой сигнал накачки), который сконфигурирован, как показано на фиг. 22B, побуждается проникать в вышеупомянутое оптическое волокно 15 детектирования и измеряется, получается спектр усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, показанный на фиг. 23A, и, следовательно, получается сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, показанный на фиг. 23B. Как показано на фиг. 23, величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, основанная на деформации размера, который предусмотрен заранее, измеряется в соответственных положениях деформации, показанных в таблице 1, и может быть понятно, что деформация получается с высокой точностью и высоким пространственным разрешением.

Как описано выше, деформация может быть получена с высокой точностью и с высоким пространственным разрешением, даже когда имеется перекрывающаяся часть вспомогательного светового импульса и основного светового импульса. В дополнение, как описано выше, в результате конфигурирования светового сигнала накачки из основного светового импульса, использующего систему с расширенным спектром, и вспомогательного светового импульса, пространственное разрешение и измеряемое расстояние могут устанавливаться независимо. Таким образом, измеряемое расстояние может быть расширено даже еще дальше и измеряться наряду с предоставлением возможности измерения деформации с высоким пространственным разрешением.

Далее пояснен еще один режим светового сигнала накачки (вспомогательного светового импульса и основного светового импульса), который используется в распределенном оптоволоконном датчике FS по этому варианту осуществления.

Фиг. 24 - схема, поясняющая еще одну другую конфигурацию светового сигнала накачки (вспомогательного светового импульса и основного светового импульса) и согласованного фильтра, при этом фиг. 24A показывает конфигурацию светового сигнала накачки, а фиг. 24B показывает согласованный фильтр. Фиг. 25 - схема, поясняющая конфигурацию и работу блока формирования световых импульсов для формирования светового сигнала накачки, имеющего конфигурацию, показанную на фиг. 24A.

Световой сигнал накачки, сконфигурированный, как показано на фиг. 22B, конфигурировался из вспомогательного светового импульса с частью, которая перекрывается с основным световым импульсом, имеющего часть, которая по времени предшествует основному световому импульсу, и основного светового импульса. Однако, как показано на фиг. 24A, световой сигнал накачки, также может быть сконфигурирован из вспомогательного светового импульса, который по времени полностью перекрывается с основным световым импульсом, не имея части, которая по времени предшествует основному световому импульсу, и основного светового импульса. Более точно, привязка по времени нарастания и привязка по времени спада вспомогательного светового импульса, соответственно, совпадают с привязкой по времени нарастания и привязкой по времени спада основного светового импульса.

Эта разновидность светового сигнала накачки, сконфигурированного, как показано на фиг. 24A, например, может вырабатываться из блока 3 формирования световых импульсов, сконфигурированного, как показано на фиг. 25. При блоке 3 формирования световых импульсов, сконфигурированном, как показано на фиг. 25, его конфигурация совпадает с конфигурацией блока 3 формирования световых импульсов и оптического переключателя 4, показанной на фиг. 5, а его работа отличается от работы блока 3 формирования световых импульсов, показанного на фиг. 5. Таким образом, пояснение такой конфигурации опущено, и пояснена только его работа.

Прежде всего, для того чтобы формировать световой сигнал накачки, сконфигурированный, как показано на фиг. 24A, модулятор 101 интенсивности LN включается, так что предопределенный уровень светового сигнала (пропускаемого светового сигнала) пропускается (выводится), для того чтобы формировать вспомогательный световой импульс.

Непрерывный световой сигнал L11 (=L1), выведенный из первого источника 1 света, проникает в модулятор 101 интенсивности блока 3 формирования световых импульсов через оптический ответвитель 2. Когда вводится непрерывный световой сигнал L11, модулятор 101 интенсивности LN выводит пропущенный свет.

В блоке 3 формирования световых импульсов, с привязкой по времени формирования светового сигнала накачки, рабочий тактовый импульс длительностью D импульса, соответствующей длительности D импульса основного светового импульса, выводится из генератора 104 тактовых импульсов в умножитель 103, перемножается с напряжением DC, введенным из источника 102 питания DC, и напряжение DC длительностью D импульса прикладывается к сигнальному электроду модулятора 101 интенсивности LN. Следовательно, непрерывный световой сигнал L11 выдается в качестве светового импульса L12, в котором световой импульс длительностью D импульса, наложен на пропущенный световой сигнал, на основании модулятора 101 интенсивности LN.

Далее, в блоке 3 формирования световых импульсов, с привязкой по времени формирования основного светового импульса, псевдослучайное число последовательно выдается из генератора 114 псевдослучайных чисел в умножитель 113 с временным тактированием ширины секции в течение длительности D, соответствующей длительности D импульса основного светового импульса, перемножается с напряжением DC, введенным из источника 112 питания DC, и напряжение DC, которое модулировалось двоичным кодом M-последовательности, последовательно прикладывается к сигнальному электроду фазового модулятора 111 LN с временным тактированием ширины секции в течение длительности D от привязки по времени формирования основного светового импульса. Следовательно, световой импульс L12 выдается в качестве светового импульса L13, в котором часть (соответствует основному световому импульсу), модулированная двоичным кодом M-последовательности, накладывается на пропущенный световой сигнал на основании модулятора 111 интенсивности LN.

Впоследствии, в EDFA 121, световой импульс L13 усиливается до тех пор, пока он не соответствует предопределенной оптической интенсивности, и выдается в качестве светового импульса L14.

В дополнение, в блоке 3 формирования световых импульсов, согласно привязке по времени формирования светового сигнала накачки, рабочий тактовый импульс длительностью D_sub (=D) импульса, соответствующей длительности D_sub (=длительности D импульса у основного светового импульса) импульса у вспомогательного светового импульса выводится из генератора 134 тактовых импульсов в умножитель 133, перемножается с напряжением DC, введенным из источника 132 питания DC, и напряжение DC длительностью D_sub (=D) импульса прикладывается к сигнальному электроду модулятора 131 интенсивности LN. Световой импульс L14, в силу этого, выводится в качестве светового сигнала L15 накачки, сконфигурированного из немодулированного вспомогательного светового импульса, имеющего длительность D_sub (=D) импульса, и основного светового импульса, кодированного системой с расширенным спектром и имеющего длительность D (=D_sub) импульса, и в котором основной световой импульс по времени и полностью наложен на вспомогательный световой импульс после того, как шум, такой как усиленное спонтанное излучение, ассоциативно связанное со световым импульсом L14 в EDFA 121, удаляется модулятором 131 интенсивности LN, и удален световой сигнал (пропущенный световой сигнал, усиленный посредством EDFA 121), вызванный пропущенным световым сигналом до и после светового импульса L14.

Световой импульс (вспомогательный световой импульс и основной световой импульс), сконфигурированный, как показано на фиг. 6A, фиг. 22(A), фиг. 22(B) и фиг. 24(A), также может использоваться в распределенном оптоволоконном датчике BOTDR, как с распределенным оптоволоконным датчиком BOTDA. Отметим, что, при BOTDR, поскольку используется акустический фонон, который возбужден тепловым шумом, как описано выше, вспомогательный световой импульс не обязательно должен предшествовать по времени основному световому импульсу. Не приходится и говорить, что вспомогательный световой импульс также может предшествовать во времени основному световому импульсу.

Более того, в качестве светового пучка накачки (светового сигнала накачки) (вспомогательного светового импульса и основного светового импульса), в дополнение к ступенчатому импульсу, описанному в Брошюре международной публикации под № 2006/001071, также может использоваться следующий импульс.

Фиг. 26 - схема, показывающая форму сигнала вспомогательного светового импульса и основного светового импульса по еще одному примеру. Горизонтальная ось соответственных чертежей, приведенных ниже, представляет собой время, представленное в единицах нс, а вертикальная ось - оптическую интенсивность. В примере, показанном на фиг. 26, основной световой импульс OPm имеет форму прямоугольника с первой предопределенной оптической интенсивностью P1 в течение первой предопределенной длительности D1 импульса (оптическая интенсивность P постоянна в качестве первой предопределенной оптической интенсивности P1 между первыми предопределенными длительностями D1 импульсов), а вспомогательный световой импульс OPs имеет форму прямоугольника со второй предопределенной оптической интенсивностью P2 в течение второй предопределенной длительности D2 импульса (оптическая интенсивность P постоянна в качестве второй предопределенной оптической интенсивности P2 между вторыми предопределенными длительностями D2 импульса). В дополнение, предопределенное время свободно между вспомогательным световым импульсом OPs и основным световым импульсом OPm. Таким образом, вторая предопределенная длительность D2 импульса вспомогательного светового импульса OPs имеет длительность, которая короче, чем время от нарастания вспомогательного светового импульса OPs до нарастания основного светового импульса OPm.

Например, основной световой импульс OPm имеет длительность D1 импульса в 1 нс и оптическую интенсивность P1 в 0,062, вспомогательный световой импульс OPs имеет длительность D2 импульса в 5 нс и оптическую интенсивность P2 в 0,005, и время в 7 нс не занято между вспомогательным световым импульсом OPs и основным световым импульсом OPm (от спада вспомогательного светового импульса OPs до нарастания основного светового импульса OPm).

Фиг. 27 - схема, показывающая форму сигнала вспомогательного светового импульса и основного светового импульса по еще одному примеру. В примере, показанном на фиг. 27, основной световой импульс OPm имеет форму прямоугольника с первой предопределенной оптической интенсивностью P1 в течение первой предопределенной длительности D1 импульса, вспомогательный световой импульс OPs имеет форму правильного треугольника, которая нарастает со второй предопределенной оптической интенсивностью (максимальной оптической интенсивностью) P2 в течение второй предопределенной длительности D2 импульса, и в которой оптическая интенсивность P постепенно уменьшается по истечению времени, а основной световой импульс OPm нарастает приблизительно непосредственно после завершения вспомогательного светового импульса OPs. Например, основной световой импульс OPm имеет длительность D1 импульса в 1 нс и оптическую интенсивность P1 в 0,062, а вспомогательный световой импульс OPs имеет длительность D2 импульса в 13 нс и оптическую интенсивность P2 нарастания в 0,005.

Фиг. 28 - схема, показывающая форму сигнала вспомогательного светового импульса и основного светового импульса по еще одному примеру. В примере, показанном на фиг. 28(A), основной световой импульс OPm имеет форму прямоугольника с первой предопределенной оптической интенсивностью P1 в течение первой предопределенной длительности D1 импульса, вспомогательный световой импульс OPs имеет форму правильного треугольника, в которой оптическая интенсивность P постепенно увеличивается по истечению времени вплоть до второй предопределенной оптической интенсивности (максимальной оптической интенсивности) P2 в течение второй предопределенной длительности D2 импульса, и первый световой импульс OPm нарастает приблизительно непосредственно после завершения второго светового импульса OPs. Например, основной световой импульс OPm имеет длительность D1 импульса в 1 нс и оптическую интенсивность P1 в 0,062, а вспомогательный световой импульс OPs имеет длительность D2 импульса в 13 нс и оптическую интенсивность P2 спада в 0,005.

В примере, показанном на фиг. 28B, основной световой импульс OPm имеет форму прямоугольника с первой предопределенной оптической интенсивностью P1 в течение первой предопределенной длительности D1 импульса, вспомогательный световой импульс OPs имеет форму равнобедренного треугольника, в которой оптическая интенсивность P постепенно увеличивается вплоть до второй предопределенной оптической интенсивности (максимальной оптической интенсивности) P2 по истечению времени в течение второй предопределенной длительности D2 импульса, а после этого постепенно уменьшается по истечению времени, и основной световой импульс OPm нарастает приблизительно непосредственно после завершения вспомогательного светового импульса OPs. Например, основной световой импульс OPm имеет длительность D1 импульса в 1 нс и оптическую интенсивность P1 в 0,062, а вспомогательный световой импульс OPs имеет длительность D2 импульса в 13 нс и максимальную оптическую интенсивность P2 в центре импульса 0,005.

В примере, показанном на фиг. 28(C), основной световой импульс OPm имеет форму прямоугольника с первой предопределенной оптической интенсивностью P1 в течение первой предопределенной длительности D1 импульса, вспомогательный световой импульс OPs имеет форму кривой Гаусса, в которой оптическая интенсивность P постепенно увеличивается вплоть до второй предопределенной оптической интенсивности (максимальной оптической интенсивности) P2 по истечению времени в течение второй предопределенной длительности D2 импульса, а после этого постепенно уменьшается по истечении времени. В дополнение, предопределенное время не занято между вспомогательным световым импульсом OPs и основным световым импульсом OPm. Таким образом, вторая предопределенная длительность D2 импульса вспомогательного светового импульса OPs является длительностью, которая короче, чем время от нарастания вспомогательного светового импульса OPs до нарастания основного светового импульса OPm. Например, основной световой импульс OPm имеет длительность D1 импульса в 1 нс и оптическую интенсивность P1 в 0,062, вспомогательный световой импульс OPs имеет длительность D2 импульса в 5 нс и максимальную оптическую интенсивность P2 в 0,005, и время в 4,5 нс не занято между вспомогательным световым импульсом OPs и основным световым импульсом OPm (от спада вспомогательного светового импульса OPs до нарастания основного светового импульса OPm).

Фиг. 29 - схема, показывающая форму сигнала вспомогательного светового импульса и основного светового импульса по еще одному примеру. В примере, показанном на фиг. 29, длительность импульса и оптическая интенсивность первого и второго световых импульсов OPw1, OPw2 одинаковы, и предопределенное время не занято между первым световым импульсом OPw1 и вторым световым импульсом OPw2. Например, первый и второй световые импульсы OPw1, OPw2 имеют длительность импульса 1 нс и оптическую интенсивность 0,062, и предопределенное время 5 нс.

Отметим, что с распределенным оптоволоконным датчиком FS BOTDA в вышеизложенных вариантах осуществления, хотя спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама измерялся фиксацией частоты светового сигнала накачки (вспомогательного светового импульса и основного светового импульса) и качанием частоты зондового светового сигнала (непрерывного светового сигнала) в предопределенном диапазоне частот, спектр рассеяния Бриллюэна-Мандельштама также может измеряться фиксацией частоты зондового светового сигнала и качанием частоты светового сигнала накачки в предопределенном диапазоне частот.

Более того, в вышеизложенных вариантах осуществления распределенный оптоволоконный датчик конфигурировался так, что как целая часть могут выполняться распределенный оптоволоконный датчик для оптического анализа во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDA), распределенный оптоволоконный датчик для анализа отражения во временной области спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (BOTDR), и когерентный оптический рефлектометр во временной области (COTDR) с использованием явления рэлеевского рассеяния. Однако распределенный оптоволоконный датчик, способный к выполнению оптического анализа во временной области рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, распределенный оптоволоконный датчик, способный к выполнению анализа отражения во временной области спектра рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, и распределенный оптоволоконный датчик, использующий явление рэлеевского рассеяния, могут быть соответственно сконфигурированы по отдельности или частично совместно используемыми.

Более того, с распределенным оптоволоконным датчиком по этому варианту осуществления, ширина секции может быть установлена с произвольной длительностью (в секундах). В вышеизложенном эксперименте, ширина секции была установлена в 0,1 нс (наносекунд), но она также может быть установлена даже еще более короткой, например порядка пикосекунды, или тому подобной. Соответственно, распределенный оптоволоконный датчик FS по этому варианту осуществления способен к осуществлению сверхвысокого разрешения, порядка миллиметра, и может применяться для измерения деформации оптического компонента, например деформации оптического волновода.

Настоящее изобретение было надлежащим образом и в достаточной мере пояснено выше на основании вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, для того чтобы раскрыть настоящее изобретение, должно быть понятно, что специалист в данной области техники может легко модифицировать и/или улучшить вышеизложенные варианты осуществления. Соответственно, для специалистов должно быть понятно, что до тех пор, пока форма модификации или улучшения специалистом в данной области техники имеет уровень, который не отклоняется от объема формулы изобретения, приведенной ниже, такая форма модификации или улучшения должна интерпретироваться в качестве охватываемой объемом формулы настоящего изобретения.

Настоящее изобретение, поясненное выше, может быть обобщено, как изложено ниже.

Более точно, распределенный оптоволоконный датчик согласно настоящему изобретению является распределенным оптоволоконным датчиком, который использует оптическое волокно в качестве датчика, и содержит блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама для измерения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, вызванной деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне, посредством использования явления рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, блок измерения рэлеевского рассеяния для измерения величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, вызванной деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне, посредством использования явления рэлеевского рассеяния, и блок вычисления для расчета деформации и температуры, сформированных в оптическом волокне, на основании величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, измеренной блоком измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, и величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, измеренной блоком измерения рэлеевского рассеяния.

Согласно этому распределенному оптоволоконному датчику, поскольку величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, вызванная деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне, измеряется посредством использования явления рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, а величина сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, вызванная деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне, измеряется посредством использования явления рэлеевского рассеяния, деформация и температура, сформированные в оптическом волокне, могут рассчитываться одновременно и независимо посредством использования двух сдвигов частоты, а деформация и температура объекта, который должен быть подвергнут измерению, соединенного с оптическим волокном, могут измеряться одновременно и независимо с высоким пространственным разрешением.

Более того, блок измерения рэлеевского рассеяния по этому изобретению также может измерять величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, определяя диапазон качания частоты импульсного светового сигнала для измерения подвергнутого обратному рэлеевскому рассеянию светового сигнала на основании величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, измеренной блоком измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, и измерения подвергнутого обратному рэлеевскому рассеянию светового сигнала качанием импульсного светового сигнала в определенном диапазоне качания.

В вышеупомянутом случае, поскольку диапазон качания частоты импульсного светового сигнала для измерения подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала определен из измеренной величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, и подвергнутый рэлеевскому обратному рассеянию световой сигнал измеряется качанием импульсного светового сигнала в определенном диапазоне качания, можно качать импульсный световой сигнал в необходимом и достаточно узком диапазоне качания и измерять, за короткое время, величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии с чрезвычайно высокой чувствительностью по сравнению с чувствительностью величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама.

Более того, блок измерения рэлеевского рассеяния по этому изобретению также может устанавливать, в качестве первой частоты, первую величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, рассчитанную на основании изменения температуры, когда полная величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, измеренная блоком измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, считается величиной сдвига, вызванной температурой, и устанавливать, в качестве второй частоты, вторую величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, рассчитанную на основании изменения деформации, когда полная величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, измеренная блоком измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, считается величиной сдвига, вызванной деформацией, и определять диапазон качания на основании первой частоты и второй частоты.

В вышеупомянутом случае, поскольку диапазон качания частоты импульсного светового сигнала для измерения подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию сигнала может определяться легко и за короткое время из измеренной величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, можно измерять, за короткое время, величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии с чрезвычайно высокой чувствительностью по сравнению с чувствительностью величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама.

Более того, блок измерения рэлеевского рассеяния по этому изобретению также может измерять величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии по коэффициенту взаимной корреляции спектра рэлеевского рассеяния из оптического волокна в предопределенном исходном состоянии и спектра рэлеевского рассеяния из оптического волокна в состоянии измерения деформации и температуры, сформированных в оптическом волокне в исходном состоянии, и по пороговому значению, основанному на вероятности касательно надежности коэффициента взаимной корреляции.

В вышеупомянутом случае, в результате использования порогового значения, основанного на вероятности касательно надежности коэффициента взаимной корреляции, даже если деформация и температура формируются неравномерно в оптическом волокне и, следовательно, появляется множество пиков коэффициента взаимной корреляции, можно выбирать правильный пик коэффициента взаимной корреляции, сравнивая множество пиков и пороговое значение.

Более того, блок измерения рэлеевского рассеяния также может измерять величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии по коэффициенту взаимной корреляции квадратного корня спектра рэлеевского рассеяния из оптического волокна в предопределенном исходном состоянии и квадратного корня спектра рэлеевского рассеяния из оптического волокна в состоянии измерения деформации и температуры, сформированных в оптическом волокне в исходном состоянии, и по пороговому значению, основанному на вероятности касательно надежности коэффициента взаимной корреляции.

Посредством использования скорее квадратного корня спектра, чем самого спектра, уровень коэффициентов взаимной корреляции в случаях, где они являются взаимно некоррелированными, может быть уменьшен, а потому можно надежно выбирать правильный пик из множества пиков коэффициента взаимной корреляции.

Более того, один из блока измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и блока измерения рэлеевского рассеяния по этому изобретению также могут выводить величину поправки касательно фактического измеряемого положения, которое определяется на основании времени распространения светового сигнала, распространяющегося в оптическом волокне, и заданного положения измерения в оптическом волокне, которое сдвигается от фактического измеряемого положения в соответствии с расширением и сжатием оптического волокна, и использовать величину поправки для измерения одной из величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама или величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, а другой блок измерения также может использовать величину поправки, выведенную одним блоком измерения, для измерения другой из величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама или величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии.

В вышеупомянутом случае, даже если есть большой сдвиг между положением (фактическим измеряемым положением) в оптическом волокне при условии подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала (или подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала), которое должно измеряться фактически, и положением (заданным положением измерения) в оптическом волокне, для которого измеренное значение подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала (или подвергнутого рэлеевскому рассеянию светового сигнала) должно быть получено для выведения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама (или величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии), величина поправки касательно этого сдвига может выводиться из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала (или подвергнутого рэлеевскому обратному рассеянию светового сигнала), и эта величина поправки может использоваться для точного выведения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама и величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии.

Более того, блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама по этому изобретению также может выводить величину поправки с использованием подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала из оптического волокна в предопределенном исходном состоянии и подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала из оптического волокна в состоянии измерения деформации и температуры, сформированных в оптическом волокне в исходном состоянии.

В вышеупомянутом случае пиковая частота может выводиться легко и с высокой точностью из распределения (измеренного значения) оптической интенсивности подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала, измеренного из оптического волокна в состоянии измерения, и распределения (измеренного значения) оптической интенсивности подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала, измеренного из оптического волокна в исходном состоянии, а потому величина поправки может выводиться легко и с высокой точностью на основании пиковой частоты в соответственных состояниях измерения.

Более того, блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама по этому изобретению также может включать в себя блок хранения для хранения опорного измеренного значения, полученного из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала из оптического волокна в исходном состоянии, и блок выведения величины поправки для выведения величины поправки на основании опорного измеренного значения, хранимого в блоке хранения, и измеренного значения, полученного из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала из оптического волокна в состоянии измерения.

В вышеупомянутом случае, величина поправки может выводиться с даже еще более высокой точностью, поскольку можно сохранять опорное измеренное значение, которое измерялось после прикрепления оптического волокна к объекту, который должен подвергаться измерению, и, следовательно, могут точно измеряться деформация и температура объекта, который должен подвергаться измерению, к которому прикреплено оптическое волокно.

Более того, фактическое измеряемое положение может быть установлено много раз с интервалами вдоль продольного направления оптического волокна, блок хранения может хранить множество опорных измеренных значений, полученных из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала из соответственных фактических измеряемых положений оптического волокна в исходном состоянии, и блок выведения величины поправки может устанавливать контрольный участок на части в продольном направлении оптического волокна в исходном состоянии и выводить величину поправки на основании опорных измеренных значений фактических измеряемых положений на контрольном участке, хранимых в блоке хранения, и измеренных значений, полученных из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала из соответственных фактических измеряемых положений в оптическом волокне в состоянии измерения.

В вышеупомянутом случае, в результате установки контрольного участка на части в продольном направлении оптического волокна в исходном (эталонном) состоянии и выведения величины поправки на основании измеренного значения, полученного из фактического измеряемого положения, включенного в контрольный участок, и измеренного значения, полученного из оптического волокна в состоянии измерения, величина поправки может выводиться надежно и за короткое время по сравнению со случаем выведения величины поправки на основании всех измеренных значений, полученных из оптического волокна в исходном (эталонном) состоянии, и всех измеренных значений, полученных из оптического волокна в состоянии измерения.

Более того, в результате сдвига частоты контрольный участок вдоль продольного направления оптического волокна, величина поправки относительно всех фактических измеряемых положений оптического волокна также могут надежно выводиться независимо от длины оптического волокна.

Более того, блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама по этому изобретению дополнительно может включать в себя блок интерполяции для интерполяции, на основании измеренных значений, полученных из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из соответственных фактических измеряемых положений оптического волокна в состоянии измерения, измеренных значений фактических измеряемых положений, которые являются взаимно смежными в продольном направлении, так что множество измеренных значений становятся последовательными один за другим в продольном направлении оптического волокна, блок оценки для соответственного выведения заданных положений измерения, соответствующих множеству фактических измеряемых положений из соответственных фактических измеряемых положений, включенных в контрольный участок, на основании величины поправки, выведенной блоком выведения величины поправки, и оценивания оцененного измеренного значения, полученного из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из соответственных заданных положений измерения на основании заданных положений измерения и значений, интерполированных блоком интерполяции, и блок выведения величины сдвига для выведения величины сдвига при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании оцененного измеренного значения, оцененного блоком оценки, и измеренное значение, полученное из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из фактического измеряемого положения оптического волокна в исходном (эталонном) состоянии, соответствующем заданному положению измерения, в котором было оценено оцененное измеренное значение.

В вышеизложенном случае, в результате множества измеренных значений, которые могут быть получены всего лишь дискретно в продольном направлении оптического волокна, будучи интерполированными, измеренное значение, полученное из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из заданного положения измерения, соответствующего фактическому измеряемому положению, может легко оцениваться.

Более того, распределенный оптоволоконный датчик по этому изобретению дополнительно может содержать блок управления поляризацией для произвольного изменения плоскости поляризации света (светового сигнала), а блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и блок измерения рэлеевского рассеяния могут совместно использовать блок управления поляризацией для измерения подвергнутого вынужденному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала и подвергнутого обратному рэлеевскому рассеянию светового сигнала.

В вышеизложенном случае, поскольку блок управления поляризацией совместно используется при измерении подвергнутого вынужденному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама светового сигнала и подвергнутого обратному рэлеевскому рассеянию светового сигнала, можно упростить конфигурацию распределенного оптоволоконного датчика и уменьшить себестоимость устройства.

Более того, блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама по этому изобретению может включать в себя источник света со световыми импульсами для формирования основного светового импульса с использованием системы с расширенным спектром, и немодулированного вспомогательного светового импульса, источник света с непрерывным световым сигналом для формирования непрерывного света, оптическое волокно детектирования, в которое вспомогательный световой импульс и основной световой импульс проникают, из условия чтобы основной световой импульс не проникал по времени раньше вспомогательного светового импульса, в которое проникает непрерывный световой сигнал, и в котором возникает явление рассеяния Бриллюэна-Мандельштама между вспомогательным световым импульсом и основным световым импульсом, и непрерывным световым сигналом, согласованный фильтр, который применяется к системе с расширенным спектром и детектирует световой сигнал, имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, фильтрацией светового сигнала, испускаемого из оптического волокна детектирования, и блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама для получения спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама или спектра ослабления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании светового сигнала, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, детектированного согласованным фильтром, и измерения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании полученного спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама или спектра ослабления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама.

В вышеизложенном случае, распределенный оптоволоконный датчик может функционировать в качестве BOTDA, и, наряду с предоставлением возможности измерения деформации и температуры с высоким пространственным разрешением, измеряемое расстояние может быть расширено, чтобы обеспечить возможность измерения для более удаленных расстояний.

Более того, блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама по этому изобретению может включать в себя источник света со световыми импульсами для формирования основного светового импульса с использованием системы с расширенным спектром и немодулированного вспомогательного светового импульса, оптическое волокно детектирования, в которое проникают вспомогательный световой импульс и основной световой импульс и в котором возникает явление естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама вследствие звуковой волны, вызванной тепловым шумом во вспомогательном световом импульсе и основном световом импульсе, согласованный фильтр, который применяется к системе с расширенным спектром и детектирует световой сигнал, имеющий отношение к явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, посредством фильтрации светового сигнала, испускаемого из оптического волокна детектирования, и блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама для получения спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании светового сигнала, имеющего отношение к явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, детектированного согласованным фильтром, и измерения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании полученного спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама.

В вышеизложенном случае, распределенный оптоволоконный датчик может функционировать в качестве BOTDR, и, наряду с предоставлением возможности измерения деформации и температуры с высоким пространственным разрешением, измеряемое расстояние может быть расширено, чтобы обеспечить возможность измерения для более удаленных расстояний.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Как описано выше, распределенный оптоволоконный датчик согласно настоящему изобретению полезен в качестве распределенного оптоволоконного датчика для измерения деформации и температуры объекта испытаний, и пригоден для измерения деформации и температуры объекта испытаний одновременно и независимо с высоким пространственным разрешением.

Claims (13)

1. Распределенный оптоволоконный датчик, который использует оптическое волокно в качестве датчика, содержащий:
блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама для измерения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, вызванной деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне посредством использования явления рассеяния Бриллюэна-Мандельштама;
блок измерения рэлеевского рассеяния для измерения величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, вызванной деформацией и температурой, сформированными в оптическом волокне посредством использования явления рэлеевского рассеяния; и
блок вычисления для расчета деформации и температуры, сформированных в оптическом волокне, на основании величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, измеренной блоком измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, и величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, измеренной блоком измерения рэлеевского рассеяния.

2. Распределенный оптоволоконный датчик по п.1,
в котором блок измерения рэлеевского рассеяния измеряет величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, определяя диапазон качания частоты импульсного света для измерения подвергнутого обратному рэлеевскому рассеянию света на основании величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, измеренной блоком измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, и измерения подвергнутого обратному рэлеевскому рассеянию света качанием импульсного света в определенном диапазоне качания.

3. Распределенный оптоволоконный датчик по п.2,
в котором блок измерения рэлеевского рассеяния устанавливает в качестве первой частоты первую величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, рассчитанную на основании изменения температуры, когда полная величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, измеренная блоком измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, считается величиной сдвига, вызванной температурой, и устанавливает в качестве второй частоты вторую величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, рассчитанную на основании изменения деформации, когда полная величина сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама, измеренная блоком измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, считается величиной сдвига, вызванной деформацией, и определяет диапазон качания на основании первой частоты и второй частоты.

4. Распределенный оптоволоконный датчик по любому одному из пп.1-3, в котором блок измерения рэлеевского рассеяния измеряет величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии по коэффициенту взаимной корреляции спектра рэлеевского рассеяния из оптического волокна в предопределенном исходном состоянии и спектра рэлеевского рассеяния из оптического волокна в состоянии измерения деформации и температуры, сформированных в оптическом волокне в исходном состоянии, и по пороговому значению, основанному на вероятности касательно надежности коэффициента взаимной корреляции.

5. Распределенный оптоволоконный датчик по любому одному из пп.1-3, в котором блок измерения рэлеевского рассеяния измеряет величину сдвига частоты при рэлеевском рассеянии по коэффициенту взаимной корреляции корня квадратного из спектра рэлеевского рассеяния из оптического волокна в предопределенном исходном состоянии и корня квадратного из спектра рэлеевского рассеяния из оптического волокна в состоянии измерения деформации и температуры, сформированных в оптическом волокне в исходном состоянии, и по пороговому значению, основанному на вероятности касательно надежности коэффициента взаимной корреляции.

6. Распределенный оптоволоконный датчик по любому одному из пп.1-3, в котором один из блока измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и блока измерения рэлеевского рассеяния выводит величину поправки касательно фактического измеряемого положения, которое определяется на основании времени распространения света, распространяющегося в оптическом волокне, и заданного положения измерения в оптическом волокне, которое сдвигается от фактического измеряемого положения в соответствии с расширением и сжатием оптического волокна, и использует величину поправки для измерения одной из величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама или величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии, а другой блок измерения использует величину поправки, выведенную одним блоком измерения, для измерения другой из величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама или величины сдвига частоты при рэлеевском рассеянии.

7. Распределенный оптоволоконный датчик по п.6, в котором блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама выводит величину поправки с использованием подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из оптического волокна в предопределенном исходном состоянии и подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из оптического волокна в состоянии измерения деформации и температуры, сформированных в оптическом волокне в исходном состоянии.

8. Распределенный оптоволоконный датчик по п.7,
в котором блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама включает в себя:
блок хранения для хранения опорного измеренного значения, полученного из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из оптического волокна в исходном состоянии; и
блок выведения величины поправки для выведения величины поправки на основании опорного измеренного значения, хранимого в блоке хранения, и измеренного значения, полученного из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из оптического волокна в состоянии измерения.

9. Распределенный оптоволоконный датчик по п.8,
в котором фактическое измеряемое положение установлено много раз с интервалами вдоль продольного направления оптического волокна,
блок хранения хранит множество опорных измеренных значений, полученных из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из соответственных фактических измеряемых положений оптического волокна в исходном состоянии; и
блок выведения величины поправки устанавливает контрольный участок на части в продольном направлении оптического волокна в исходном состоянии и выводит величину поправки на основании опорных измеренных значений фактических измеряемых положений на контрольном участке, хранимых в блоке хранения, и измеренных значений, полученных из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из соответственных фактических измеряемых положений в оптическом волокне в состоянии измерения.

10. Распределенный оптоволоконный датчик по п.9,
в котором блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама дополнительно включает в себя:
блок интерполяции для интерполяции на основании измеренных значений, полученных из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из соответственных фактических измеряемых положений оптического волокна в состоянии измерения, измеренных значений фактических измеряемых положений, которые являются взаимно смежными в продольном направлении, так что множество измеренных значений становятся следующими друг за другом в продольном направлении оптического волокна;
блок оценки для соответственного выведения заданных положений измерения, соответствующих множеству фактических измеряемых положений из соответственных фактических измеряемых положений, включенных в контрольный участок, на основании величины поправки, выведенной блоком выведения величины поправки, и оценки оцененного измеренного значения, полученного из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из соответственных заданных положений измерения на основании заданных положений измерения и значений, интерполированных блоком интерполяции; и
блок выведения величины сдвига для выведения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании оцененного измеренного значения, оцененного блоком оценки, и измеренного значения, полученного из подвергнутого обратному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света из фактического измеряемого положения оптического волокна в исходном состоянии, соответствующем заданному положению измерения, в котором было оценено оцененное измеренное значение.

11. Распределенный оптоволоконный датчик по п.1, дополнительно содержащий:
блок управления поляризацией для произвольного изменения плоскости поляризации света,
при этом блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама и блок измерения рэлеевского рассеяния совместно используют блок управления поляризацией для измерения подвергнутого вынужденному рассеянию Бриллюэна-Мандельштама света и подвергнутого обратному рэлеевскому рассеянию света.

12. Распределенный оптоволоконный датчик по п.1,
в котором блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама включает в себя:
источник света со световыми импульсами для формирования основного светового импульса с использованием системы с расширенным спектром и немодулированного вспомогательного светового импульса;
источник света с непрерывным светом для формирования непрерывного света,
оптическое волокно детектирования, в которое проникают вспомогательный световой импульс и основной световой импульс, из условия, чтобы основной световой импульс не проникал по времени раньше вспомогательного светового импульса, в которое проникает непрерывный световой сигнал, и в котором явление вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама возникает между вспомогательным световым импульсом и основным световым импульсом, и непрерывным светом;
согласованный фильтр, который применяется к системе с расширенным спектром и детектирует свет, имеющий отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, посредством фильтрации света, испускаемого из оптического волокна детектирования; и
блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама для получения спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама или спектра ослабления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании света, имеющего отношение к явлению вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, детектированному согласованным фильтром, и измерения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании полученного спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама или спектра ослабления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама.

13. Распределенный оптоволоконный датчик по п.1,
в котором блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама включает в себя:
источник света со световыми импульсами для формирования основного светового импульса с использованием системы с расширенным спектром и немодулированного вспомогательного светового импульса;
оптическое волокно детектирования, в которое проникают вспомогательный световой импульс и основной световой импульс, и в котором возникает явление естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама вследствие звуковой волны, вызванной тепловым шумом во вспомогательном световом импульсе и основном световом импульсе;
согласованный фильтр, который применяется к системе с расширенным спектром и детектирует свет, имеющий отношение к явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, посредством фильтрации света, испускаемого из оптического волокна детектирования; и
блок измерения рассеяния Бриллюэна-Мандельштама для получения спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании света, имеющего отношение к явлению естественного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама, детектированному согласованным фильтром, и измерения величины сдвига частоты при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама на основании полученного спектра усиления при рассеянии Бриллюэна-Мандельштама.

Images