RU2568416C1 - Method to monitor field of vibrations and device for its realisation - Google Patents
Method to monitor field of vibrations and device for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2568416C1 RU2568416C1 RU2014131628/28A RU2014131628A RU2568416C1 RU 2568416 C1 RU2568416 C1 RU 2568416C1 RU 2014131628/28 A RU2014131628/28 A RU 2014131628/28A RU 2014131628 A RU2014131628 A RU 2014131628A RU 2568416 C1 RU2568416 C1 RU 2568416C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplitude
- pulse
- frequency
- noise level
- photocurrent
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может применяться для вибромониторинга протяженных, площадных или объемных (трехмерных) объектов в различных областях промышленности и строительства (мониторинг трубопроводов, мостов и т.д.) и охраны периметров.The invention relates to information-measuring systems and can be used for vibration monitoring of extended, areal or volumetric (three-dimensional) objects in various fields of industry and construction (monitoring of pipelines, bridges, etc.) and perimeter protection.
Известно техническое решение, в котором распределенная волоконно-оптическая система регистрации виброакустических сигналов содержит кабельную или отдельную волоконно-оптическую измерительную линию на одномодовом оптическом волокне длиной Lи от ~10 м до ~100 км с установленным на ее удаленном конце френелевским зеркалом или фарадеевским отражателем с одной стороны и присоединенную с другой стороны к оптоэлектронному блоку системы, состоящему из одночастотного непрерывного и малошумящего лазерного источника с волоконным выходом, с узкой спектральной линией и большой длиной когерентности Lк=1-10 км излучения, оптически соединенного с одним первым входом направленного одномодового разветвителя X-типа, первый выход которого оптически присоединен к указанной измерительной волоконной линии, а второй выход оптически присоединен к звукоизолированной катушке из одномодового волокна длиной плеча опорного канала длиной Lo, примерно равной по длине плечу измерительной кабельной волоконной линии Lo≈Lи с разницей длин меньше длины когерентности излучения лазерного источника Lи-Lo≤Lк, последовательно присоединенной к френелевскому или фарадеевскому отражателю на втором конце, образующие разомкнутую двухплечевую схему волоконного интерферометра Майкельсона, сигналы с которого поступают со второго входа/выхода направленного волоконного разветвителя на малошумящий фотоприемник и регистратор виброакустических сигналов; при этом в качестве локальных датчиков вибрационных сигналов, используются линейные отрезки одномодового оптического волокна в волоконно-оптической измерительной линии, непосредственно укрепленные на вибрирующей поверхности объекта, а в качестве датчиков акустических сигналов используется по меньшей мере одна малогабаритная катушка из одномодового оптического волокна или по меньшей мере один многовитковый элемент из одномодового оптического волокна в волоконно-оптической измерительной линии (заявка RU 2011125945, 2012).A technical solution is known in which a distributed fiber-optic system for recording vibro-acoustic signals contains a cable or a separate fiber-optic measuring line on a single-mode optical fiber with a length L and from ~ 10 m to ~ 100 km with a Fresnel mirror or a Faraday reflector mounted on its remote end with one side and connected on the other hand to the optoelectronic unit of the system, consisting of a single-frequency continuous and low noise laser source with a fiber output, with a narrow spectral line and a long coherence length Lк = 1-10 km of radiation optically connected to one first input of an X-type directional single-mode splitter, the first output of which is optically connected to the indicated measuring fiber line, and the second output is optically connected to a soundproof coil of single-mode fiber the length of the arm of the reference channel with a length Lo, approximately equal to the length of the shoulder of the measuring cable fiber line Lo≈L and with a difference in lengths less than the coherence length of the radiation of the laser source Li-Lo Lc sequentially attached to the Fresnel or Faraday reflector at a second end forming an open circuit dual cantilever fiber Michelson interferometer whose output signals are fed to the second input / output fiber directional coupler to a low-noise photoreceiver and recorder vibroacoustic signals; in this case, as local sensors of vibrational signals, linear segments of a single-mode optical fiber are used in the fiber-optic measuring line directly mounted on the vibrating surface of the object, and at least one small-sized coil of single-mode optical fiber or at least one is used as acoustic signal sensors one multi-turn element of single-mode optical fiber in a fiber-optic measuring line (application RU 2011125945, 2012).
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности определения координаты воздействия, а также разделения сигналов при множественном воздействии на чувствительный элемент.A disadvantage of the known technical solution is the inability to determine the coordinates of the impact, as well as the separation of signals with multiple effects on the sensing element.
Известен способ (патент US 5194847, 1993), состоящий в генерировании когерентных лазерных импульсов, вводе этих импульсов в чувствительное волокно, соединенное с контролируемым объектом, приеме рассеянного в обратном направлении излучения и выработке сигналов воздействия на основе изменений в обратно рассеянном сигнале. В описании указывается, что предпочтительно использование задающего лазера с предельно узким спектром. Соответствующее устройство называют когерентным или фазочувствительным рефлектометром, который позволяет определять наличие вибраций во множестве виртуальных каналов дальности (Горшков Б.Г., Парамонов В.М., Курков А.С., Кулаков А.Т., Зазирный М.В. Распределенный датчик внешнего воздействия на основе фазочувствительного волоконного рефлектометра. Квантовая электроника. 2006. Т. 36. №10. С. 963-965).A known method (patent US 5194847, 1993), which consists in generating coherent laser pulses, introducing these pulses into a sensitive fiber connected to a controlled object, receiving backscattered radiation and generating signal signals based on changes in the backscattered signal. The description indicates that it is preferable to use a master laser with an extremely narrow spectrum. The corresponding device is called a coherent or phase-sensitive reflectometer, which allows you to determine the presence of vibrations in many virtual range channels (Gorshkov B.G., Paramonov V.M., Kurkov A.S., Kulakov A.T., Zazirny M.V. Distributed sensor external influence based on a phase-sensitive fiber reflectometer. Quantum Electronics. 2006. V. 36. No. 10. S. 963-965).
Недостаток указанного способа состоит в том, что каждый из виртуальных каналов измерения (по дальности) обладает собственной, в общем случае случайной абсолютной чувствительностью, связанной с двумя случайными параметрами: крутизной модуляционной характеристики и положением рабочей точки на этой характеристике.The disadvantage of this method is that each of the virtual measurement channels (in range) has its own, in the general case, random absolute sensitivity associated with two random parameters: the steepness of the modulation characteristic and the position of the operating point on this characteristic.
Известен также способ (патент RU 2287131, 2006) мониторинга состояния протяженных объектов, включающий оснащение чувствительным оптическим волокном протяженного объекта, производство последовательности когерентных оптических импульсов длительностью T с шириной спектра порядка 1/T и временным интервалом T1 между импульсами, организацию рефлектометрического канала и подачу указанных импульсов в чувствительное оптическое волокно длиной L, регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния, сравнительный анализ указанных сигналов обратного рассеяния в последовательных рефлектограммах и выделение в них локальных изменений, указывающих на наличие факта воздействия на протяженный объект, а координату местоположения воздействия, обусловленного наличием выделенных локальных изменений, по длине чувствительного оптического волокна определяют положением этих изменений на рефлектограмме, при этом соблюдают условие, согласно которому длина L чувствительного оптического волокна такова, что временной интервал T1 между импульсами превосходит величину 2L/v, где v - скорость света в чувствительном оптическом волокне, а регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния осуществляют фотоприемником с временным разрешением не хуже длительности импульса Т.There is also known a method (patent RU 2287131, 2006) for monitoring the state of extended objects, including equipping an extended object with a sensitive optical fiber, producing a sequence of coherent optical pulses of duration T with a spectral width of the order of 1 / T and a time interval T1 between pulses, organizing the reflectometry channel and supplying these pulses into a sensitive optical fiber of length L, registration of the amplitude of the backscattering signals, a comparative analysis of the indicated signals of the backward p sowing in successive reflectograms and isolating local changes in them, indicating the presence of an effect on an extended object, and the coordinate of the location of the effect due to the presence of distinguished local changes along the length of the sensitive optical fiber is determined by the position of these changes on the reflectogram, while observing the condition according to which the length L of the sensitive optical fiber is such that the time interval T1 between pulses exceeds 2L / v, where v is the speed of light in ity optical fiber, and recording backscattered signal amplitude photodetector performed with a time resolution better than the pulse duration T.
Известны модификации указанного способа, позволяющие управлять положением рабочей точки виртуального интерферометра (патент RU 2477838, 2013), а также бороться с нелинейными искажениями сигналов (патент WO 2010/136810 по заявке PCT/GB 2010/050889). Однако и в том, и в другом случае чувствительность может существенно (в десятки раз) различаться от канала к каналу, что снижает ценность получаемой информации и при выполнении, например, охранных функций повышает вероятность ложных срабатываний системы или снижает вероятность правильного обнаружения искомого воздействия.Modifications of this method are known that make it possible to control the position of the operating point of a virtual interferometer (patent RU 2477838, 2013), as well as to combat non-linear distortion of signals (patent WO 2010/136810 according to PCT / GB 2010/050889). However, in both cases, the sensitivity can vary significantly (by a factor of ten) from channel to channel, which reduces the value of the information received and, when performing, for example, security functions, increases the probability of false alarms of the system or reduces the likelihood of correct detection of the desired effect.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа, позволяющего произвести выравнивание чувствительности к вибрационным воздействиям по всем виртуальным измерительным каналам.The objective of the present invention is to develop a method that allows alignment of sensitivity to vibration influences across all virtual measuring channels.
Технический результат состоит в повышении достоверности результатов мониторинга путем выравнивания чувствительности по виртуальным каналам дальности, что выражается при выполнении вибромониторинга или охранных функций в снижении вероятности ложных срабатываний при обнаружении вибрационных воздействий и/или повышении вероятности правильного обнаружения таких воздействий.The technical result consists in increasing the reliability of monitoring results by equalizing sensitivity on virtual distance channels, which is expressed when performing vibration monitoring or security functions in reducing the likelihood of false alarms when detecting vibration effects and / or increasing the probability of correct detection of such effects.
Технический результат в отношении объекта изобретения - способа достигается тем, что способ контроля поля вибраций протяженного, площадного или объемного объекта заключается в размещении оптического волокна в механической связи с контролируемым объектом, генерировании оптических импульсов длительностью T, близкой к 2L/с, где L - требуемое пространственное разрешение; c - скорость света в оптическом волокне, со стабильностью частоты от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)T-1, вводе указанных импульсов в указанное оптическое волокно, фотоприеме рассеянного в обратном направлении оптического излучения, разделении сигналов фототока по виртуальным каналам дальности, определении значения амплитуды сигналов фототока, выявлении уровня шума в каждом из сигналов фототока и коррекции амплитуды сигналов фототока в каждом виртуальном канале дальности с учетом выявленного уровня шума.The technical result in relation to the object of the invention - the method is achieved by the fact that the method of controlling the vibration field of an extended, areal or volumetric object consists in placing the optical fiber in mechanical communication with the controlled object, generating optical pulses of duration T close to 2L / s, where L is the required spatial resolution; c is the speed of light in the optical fiber, with frequency stability from pulse to pulse within (0.001-0.1) T -1 , inputting the indicated pulses into the specified optical fiber, photo-reception of backscattered optical radiation, separation of the photocurrent signals through virtual channels range, determining the amplitude of the photocurrent signals, identifying the noise level in each of the photocurrent signals and correcting the amplitude of the photocurrent signals in each virtual range channel, taking into account the detected noise level.
Способствует достижению технического результата то, что:Contributes to the achievement of the technical result that:
- в процессе генерирования оптических импульсов со стабильностью частоты от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)Т-1 осуществляют случайное изменение указанной частоты в указанных пределах либо осуществляют изменение частоты четных импульсов относительно нечетных. Причем случайное изменение указанной частоты в указанных пределах либо изменение частоты четных импульсов относительно нечетных осуществляют изменением тока инжекции задающего диодного лазера в процессе их генерирования. Также случайное изменение указанной частоты в указанных пределах либо изменение частоты четных импульсов относительно нечетных может быть осуществлено фазовым модулятором, включенным после задающего лазерного диода;- in the process of generating optical pulses with frequency stability from pulse to pulse within (0.001-0.1) T -1 randomly change the specified frequency within the specified limits or change the frequency of even pulses relative to odd ones. Moreover, a random change in the specified frequency within the specified limits or a change in the frequency of even pulses relative to odd ones is carried out by changing the injection current of the master diode laser during their generation. Also, a random change in the indicated frequency within the specified limits or a change in the frequency of even pulses relative to odd ones can be carried out by a phase modulator that is turned on after the master laser diode;
- коррекцию амплитуды сигналов фототока в каждом виртуальном канале дальности с учетом выявленного уровня шума осуществляют путем деления значения амплитуды сигнала фототока на среднеквадратичное отклонение (СКО) амплитуды шума;- correction of the amplitude of the photocurrent signals in each virtual range channel, taking into account the detected noise level, is carried out by dividing the amplitude of the photocurrent signal by the standard deviation (RMS) of the noise amplitude;
- коррекцию амплитуды сигналов фототока в каждом виртуальном канале дальности с учетом выявленного уровня шума осуществляют путем деления значения амплитуды сигнала фототока на СКО амплитуды шума, скорректированное на уровень мощности шума фотоприемника.- correction of the amplitude of the photocurrent signals in each virtual range channel, taking into account the detected noise level, is carried out by dividing the amplitude of the photocurrent signal by the standard deviation of the noise amplitude, corrected by the noise power level of the photodetector.
Технический результат в отношении объекта изобретения - устройства достигается тем, что устройство для контроля поля вибраций протяженного, площадного или трехмерного объекта содержит оптическое волокно, находящееся в механической связи с контролируемым объектом, связанный с оптическим волокном через ответвитель или циркулятор импульсный источник лазерного излучения и блок оценки уровня шума в каждом из сигналов фототока отдельных виртуальных каналов дальности и последующей коррекции амплитуды упомянутых сигналов фототока, выполненный в виде подключенного к ответвителю или циркулятору фотоприемника, связанного с вычислителем через аналого-цифровой преобразователь сигнала фототока.The technical result in relation to the object of the invention - the device is achieved in that the device for controlling the vibration field of an extended, areal or three-dimensional object contains an optical fiber that is in mechanical communication with the controlled object, connected to the optical fiber through a coupler or circulator, a pulsed laser radiation source and an evaluation unit the noise level in each of the photocurrent signals of individual virtual range channels and the subsequent correction of the amplitude of the mentioned photocurrent signals, It is connected in the form of a photodetector connected to a coupler or circulator, connected to a computer through an analog-to-digital converter of the photocurrent signal.
Способствует достижению технического результата то, что:Contributes to the achievement of the technical result that:
- в качестве импульсного источника лазерного излучения применен узкополосный лазер, а устройство снабжено связанным с импульсным источником лазерного излучения блоком управления частотой упомянутого узкополосного лазера;- a narrow-band laser is used as a pulsed source of laser radiation, and the device is equipped with a frequency control unit for said narrow-band laser connected to a pulsed source of laser radiation;
- импульсный источник лазерного излучения выполнен в виде последовательно соединенных непрерывного полупроводникового лазерного диода, импульсного амплитудного модулятора и волоконного усилителя, либо в другом случае импульсный источник лазерного излучения может быть выполнен в виде последовательно соединенных непрерывного полупроводникового лазерного диода, импульсного амплитудного модулятора, фазового модулятора и волоконного усилителя.- a pulsed laser radiation source is made in the form of a series-connected continuous semiconductor laser diode, a pulse amplitude modulator and a fiber amplifier, or in another case, a pulsed laser radiation source can be made in the form of a series-connected continuous semiconductor laser diode, a pulse amplitude modulator, phase modulator and fiber amplifier.
Группа изобретений иллюстрируется чертежами, на которых на фиг. 1 показана иллюстрация предложенного способа, согласно которому в координатах фазовый сдвиг - сигнал в рефлектограмме (фототок) приведены (показаны жирными линиями поз. 1 и поз. 2) характерные состояния модуляционной характеристики виртуального интерферометра; на фиг. 2 приведена возможная модификация способа, когда в процессе генерирования оптических импульсов со стабильностью частоты от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)T-1 осуществляют изменение частоты четных импульсов относительно нечетных; на фиг. 3 показано схематически устройство, реализующее предложенный способ; на фиг. 4 - устройство, в котором источник 10 лазерного излучения выполнен в виде последовательно соединенных непрерывного полупроводникового лазерного диода 17, импульсного амплитудного модулятора 18, фазового модулятора 16 и волоконного усилителя 19.The group of inventions is illustrated by the drawings, in which in FIG. 1 shows an illustration of the proposed method, according to which the phase shift — signal in the trace (photocurrent) coordinates are shown (shown in bold lines in pos. 1 and pos. 2) the characteristic states of the modulation characteristic of a virtual interferometer; in FIG. Figure 2 shows a possible modification of the method when, in the process of generating optical pulses with frequency stability from pulse to pulse, within the range of (0.001-0.1) T -1 , the frequency of even pulses is changed relative to odd ones; in FIG. 3 shows schematically a device that implements the proposed method; in FIG. 4 is a device in which the
Параметры лазерного импульса, а именно стабильность частоты, ограничивается определенными пределами, при этом в виртуальных каналах дальности возникает шумоподобный сигнал (частотный шум), пропорциональный чувствительности в данный момент времени в каждом из каналов. Таким образом, оценивая уровень шума в каждом канале дальности, можно произвести нормировку чувствительности и в значительной мере выровнять чувствительность во всех каналах. Использование высококогерентных источников, имеющих стабильность частоты на уровне единиц кГц (при разрешении L=5 м), не предоставляет такой возможности, поскольку частотный шум заглушается тепловым или дробовым шумом фотоприемника и в этом случае информацию о чувствительности отдельных виртуальных каналов становится получить невозможно.The parameters of the laser pulse, namely the stability of the frequency, are limited to certain limits, while in the virtual range channels a noise-like signal (frequency noise) occurs, which is proportional to the sensitivity at a given time in each channel. Thus, estimating the noise level in each range channel, it is possible to normalize the sensitivity and to a significant extent equalize the sensitivity in all channels. The use of highly coherent sources with frequency stability at the level of units of kHz (with a resolution of L = 5 m) does not provide such an opportunity, since the frequency noise is drowned out by the thermal or shot noise of the photodetector and in this case it becomes impossible to obtain information on the sensitivity of individual virtual channels.
Таким образом, предложенный способ контроля поля вибраций протяженного, площадного или трехмерного объекта включает в себя следующие операции:Thus, the proposed method of controlling the vibration field of an extended, areal or three-dimensional object includes the following operations:
- размещение оптического волокна в механической связи с контролируемым объектом;- placement of the optical fiber in mechanical communication with the controlled object;
- генерирование оптических импульсов длительностью T, близкой к 2L/c, где: L - требуемое пространственное разрешение; c - скорость света в оптическом волокне, со стабильностью частоты оптического излучения от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)Т-1;- the generation of optical pulses of duration T close to 2L / c, where: L is the required spatial resolution; c is the speed of light in the optical fiber, with the stability of the frequency of the optical radiation from pulse to pulse within (0.001-0.1) T-1;
- ввод указанных импульсов в указанное оптическое волокно;- the input of these pulses into the specified optical fiber;
- фотоприем рассеянного в обратном направлении оптического излучения;- photo-reception of backscattered optical radiation;
- разделение сигналов фототока по виртуальным каналам дальности;- separation of the photocurrent signals on the virtual range channels;
- определение значения амплитуды сигналов фототока;- determination of the amplitude value of the photocurrent signals;
- выявление уровня шума в каждом из указанных сигналов фототока;- identification of the noise level in each of the indicated photocurrent signals;
- коррекция амплитуды сигналов фототока в каждом канале дальности с учетом выявленного уровня шума.- correction of the amplitude of the photocurrent signals in each range channel, taking into account the detected noise level.
Техническая сущность предложенного способа иллюстрируется фиг. 1, на которой в координатах фазовый сдвиг - сигнал в рефлектограмме (фототок) приведены (показаны жирными линиями поз. 1 и поз. 2) характерные состояния модуляционной характеристики виртуального интерферометра. Изображение иллюстрирует, что модуляционная характеристика представляет собой периодическую функцию, близкую к синусоиде, с периодом, соизмеримым с половиной длины волны в оптическом волокне 9 (для длины волны 1550 нм в кварцевых волокнах это примерно 500 нм). При этом фаза и размах модуляционной характеристики от канала к каналу измерения являются случайными и нестабильными во времени. В итоге измеряемое воздействие 3 преобразуется характеристикой 1 в сигнал 4 значительного размаха, а то же воздействие 3 при преобразовании характеристикой 2 преобразуется в сигнал 5 существенно меньшего размаха. Это обстоятельство является существенным недостатком, который преодолевается в настоящем изобретении следующим образом. Изменение частоты лазера импульсного источника 10 лазерного излучения приводит к перемещению рабочей точки виртуальных интерферометров. При этом при условии стабильности частоты оптического излучения от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)T-1 можно считать, что на вход поступает фазовый шум незначительной амплитуды, обозначенный на графике поз. 6. В зависимости от положения рабочей точки этот шум преобразуется в шум с размахом, пропорциональным крутизне модуляционной характеристики (поз. 7 и поз. 8). Видно, что уровень шума несет информацию о крутизне модуляционной характеристики, и эта информация позволяет выровнять чувствительность виртуальных измерительных каналов и тем самым снизить вероятность ложных срабатываний при обнаружении вибрационных воздействий и/или повысить вероятность правильного обнаружения таких воздействий.The technical nature of the proposed method is illustrated in FIG. 1, in which the phase shift in the coordinates of the signal in the trace (photocurrent) is shown (shown by bold lines in pos. 1 and pos. 2) the characteristic states of the modulation characteristic of the virtual interferometer. The image illustrates that the modulation characteristic is a periodic function close to a sinusoid, with a period commensurate with half the wavelength in the optical fiber 9 (for a wavelength of 1550 nm in quartz fibers, this is approximately 500 nm). In this case, the phase and the amplitude of the modulation characteristic from the channel to the measurement channel are random and unstable in time. As a result, the measured
Модифицированный в рамках предложенного способа способ предполагает в процессе генерирования оптических импульсов со стабильностью частоты от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)T-1 изменение частоты четных импульсов относительно нечетных, как показано на фиг. 2, где поз. 1 обозначена мгновенная модуляционная характеристика, поз. 3 - принимаемый сигнал, поз. 19 - искусственный шумовой сигнал, в частном случае изменение частоты от импульса к импульсу, поз. 20 - получаемый в результате приема сигнал, содержащий искусственный шумовой сигнал, который может быть легко отфильтрован фильтром нижних частот, а также оценен для получения цифровой характеристики уровня шума.Modified in the framework of the proposed method, the method involves in the process of generating optical pulses with frequency stability from pulse to pulse within (0.001-0.1) T -1 the frequency change of even pulses relative to odd ones, as shown in FIG. 2, where pos. 1 indicates the instantaneous modulation characteristic, pos. 3 - received signal, pos. 19 - artificial noise signal, in the particular case, the change in frequency from pulse to pulse, pos. 20 is a signal received as a result of reception, containing an artificial noise signal, which can be easily filtered by a low-pass filter, and also evaluated to obtain a digital noise level characteristic.
В качестве конкретного примера реализации способа можно привести следующие данные: при требуемом пространственном разрешении 10 м для стандартных телекоммуникационных волокон длительность импульса T имеет порядок 100 нс, частота оцифровки обратно рассеянного сигнала не менее 20 МГц, стабильность частоты от импульса к импульсу должна быть в пределах 0,01-1 Мгц. В коррекции предусматривается деление амплитуды сигнала фототока на среднеквадратичное отклонение (СКО) шума.As a specific example of the implementation of the method, the following data can be cited: at the required spatial resolution of 10 m for standard telecommunication fibers, the pulse duration T is of the order of 100 ns, the frequency of digitization of the backscattered signal is at least 20 MHz, the frequency stability from pulse to pulse should be within 0 , 01-1 MHz The correction provides for dividing the amplitude of the photocurrent signal by the standard deviation (RMS) of the noise.
В другом случае предлагается деление амплитуды сигнала фототока на СКО шума за вычетом из уровня шума компоненты, обусловленной шумами фотоприемника, которая одинакова для всех виртуальных каналов. В более общем случае коррекция осуществляется путем деления упомянутого сигнала на среднеквадратичное отклонение шума, скорректированное на шум фотоприемника.In another case, it is proposed to divide the amplitude of the photocurrent signal by the standard deviation of the noise minus the component due to the noise of the photodetector from the noise level, which is the same for all virtual channels. In a more general case, the correction is carried out by dividing the signal by the standard deviation of the noise, adjusted for the noise of the photodetector.
Для разграничения сигнала и шума могут быть применены различные алгоритмы, в частности, для обнаружения и оценки воздействий импульсного характера, например, при проведении вертикального сейсмического профилирования уровень шума может вычисляться за некий промежуток времени с временной задержкой. В другом случае ограничивают прием сигналов вибрации по частоте, а уровень шума оценивают на высоких частотах, где невозможно появление полезных сигналов фототока в силу физических ограничений.Various algorithms can be used to distinguish between signal and noise, in particular, for detecting and evaluating impacts of a pulsed nature, for example, when conducting vertical seismic profiling, the noise level can be calculated over a certain period of time with a time delay. In another case, the reception of vibration signals is limited in frequency, and the noise level is evaluated at high frequencies, where the appearance of useful photocurrent signals is impossible due to physical limitations.
Устройство, реализующее предложенный способ (фиг. 3), содержит оптическое волокно 9 значительной длины, имеющее механическую связь с объектом вибромониторинга. Импульсный источник 10 лазерного излучения (импульсный лазер) связан через направленный ответвитель (или циркулятор) 11 с указанным волокном 9. Фотоприемник 12 входом также связан с волокном 9 через направленный ответвитель (или циркулятор) 11, а выходом - через аналого-цифровой преобразователь 13 сигнала фототока с вычислителем 14. Указанные фотоприемник 12, аналого-цифровой преобразователь 13 сигнала фототока и вычислитель 14 связаны между собой последовательно и образуют блок оценки уровня шума в каждом из сигналов фототока отдельных виртуальных каналов дальности и последующей коррекции амплитуды упомянутых сигналов фототока.A device that implements the proposed method (Fig. 3), contains an optical fiber 9 of considerable length, having a mechanical connection with the object of vibration monitoring. The pulsed laser radiation source 10 (pulsed laser) is connected through a directional coupler (or circulator) 11 to the specified fiber 9. The
В соответствии с настоящим предложением к стабильности частоты импульсного лазера 10 предъявляются определенные требования, а именно: стабильность частоты оптического излучения от импульса к импульсу должна находиться в пределах (0,001-0,1)T-1, где T - длительность импульса; вычислитель 14 должен производить разделение сигналов по виртуальным каналам дальности, определять уровень шума в каждом из указанных сигналов и осуществлять коррекцию амплитуды сигналов в каждом канале дальности с учетом указанного уровня шума. В одном из частных случаев в качестве импульсного источника 10 лазерного излучения может быть применен узкополосный лазер, а устройство при этом должно быть дополнительно снабжено связанным с импульсным источником 10 лазерного излучения блоком 15 управления частотой упомянутого узкополосного лазера.In accordance with this proposal, certain requirements are imposed on the frequency stability of a
В частном случае импульсный источник 10 лазерного излучения может быть выполнен в виде последовательно соединенных непрерывного полупроводникового лазерного диода (задающего лазерного диода) 17, импульсного амплитудного модулятора 18 и волоконного усилителя 19.In the particular case of a pulsed source of
Еще в одном частном случае импульсный источник 10 лазерного излучения может быть выполнен в виде последовательно соединенных непрерывного полупроводникового лазерного диода 17, импульсного амплитудного модулятора 18, фазового модулятора 16 и волоконного усилителя 19. Стабильность частоты от импульса к импульсу в этом случае определяется шириной полосы оптического излучения непрерывного лазера и для лазеров с распределенной обратной связью или внешним резонатором при современном уровне техники находится в пределах 1 кГц-20 МГц. Для удовлетворения соответствующих предложенному способу требований необходимо использовать лазерный диод, удовлетворяющий условию: ширина полосы должна находиться в пределах (0,001-0,1)T-1, где T - длительность импульса, формируемого амплитудным модулятором.In another particular case, the pulsed source of
Устройство работает следующим образом. Импульсный лазер 10 генерирует лазерное излучение со стабильностью частоты от импульса к импульсу в пределах (0,001-0,1)T-1. Это излучение посредством, например, направленного ответвителя 11 вводится в оптическое волокно 9, имеющее механическую связь с объектом мониторинга. Рассеянное в обратном направлении излучение после фотоприема представляет собой изрезанную рефлектограмму, при отсутствии воздействия неизменную от импульса к импульсу при полном отсутствии вариации частоты от импульса к импульсу. При флуктуациях частоты в указанных выше пределах в каждом из виртуальных каналов дальности возникает шумоподобное поведение - частотный шум. Для учета этого шума рефлектограмма оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 13 сигнала фототока, а результаты оцифровки вводятся в вычислитель 14. Последний выполняет операции разделения сигналов по виртуальным каналам дальности, определения уровня шума в каждом из указанных сигналов и коррекции амплитуды сигналов в каждом канале дальности с учетом указанного уровня шума. При этом достигается технический результат, состоящий в эффективном выравнивании чувствительности отдельных виртуальных каналов дальности, что в конечном итоге повышает качество мониторинга объектов. В частности, снижается вероятность ложных тревог и/или повышается вероятность правильного обнаружения событий.The device operates as follows. The
В случае если задающий лазер (непрерывный полупроводниковый лазерный диод) 17 имеет более узкую полосу частот, чем предписывается условием (0,001-0,1)T-1, предлагаемый способ может быть реализован добавлением в устройство блока управления 15 частотой лазера 10, который связан электрически с лазером 10 и обеспечивает случайное (шумоподобное) изменение частоты лазера 10 в указанных пределах.If the master laser (continuous semiconductor laser diode) 17 has a narrower frequency band than prescribed by the condition (0.001-0.1) T -1 , the proposed method can be implemented by adding a
Кроме того, изменение частоты лазера 10 в указанных пределах может быть выполнено, например, повышением (или понижением) частоты на четных импульсах относительно нечетных.In addition, a change in the frequency of the
Управление частотой задающего лазерного диода в указанных пределах обеспечивается незначительным (единицы мкА) изменением его тока инжекции, что обеспечивается блоком управления 15, при этом выходная мощность с точностью до долей процента не изменяется. Второй вариант управления частотой предусматривает использование фазового модулятора 16.The frequency control of the master laser diode within the specified limits is provided by a small (unit μA) change in its injection current, which is provided by the control unit 15, while the output power does not change to within a fraction of a percent. The second frequency control option involves the use of a
Применение изобретения позволяет повысить достоверность результатов вибромониторинга протяженных, площадных или объемных объектов, снизить вероятность ложных срабатываний при выполнении охранных функций, повысить качество информации при сейсморазведке, в частности при вертикальном сейсмическом профилировании нефтяных и газовых скважин.The use of the invention improves the reliability of the results of vibration monitoring of extended, areal or volumetric objects, reduces the likelihood of false positives when performing security functions, improves the quality of information during seismic exploration, in particular with vertical seismic profiling of oil and gas wells.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014131628/28A RU2568416C1 (en) | 2014-07-31 | 2014-07-31 | Method to monitor field of vibrations and device for its realisation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014131628/28A RU2568416C1 (en) | 2014-07-31 | 2014-07-31 | Method to monitor field of vibrations and device for its realisation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2568416C1 true RU2568416C1 (en) | 2015-11-20 |
Family
ID=54597962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014131628/28A RU2568416C1 (en) | 2014-07-31 | 2014-07-31 | Method to monitor field of vibrations and device for its realisation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2568416C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4577508A (en) * | 1983-10-25 | 1986-03-25 | International Business Machines Corporation | Optical vibration analyzer |
| RU2271446C1 (en) * | 2004-07-27 | 2006-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроЛайт" | Vibroacoustic elongated object characteristics monitoring device |
| RU2287131C1 (en) * | 2005-09-06 | 2006-11-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроЛайт" | Method for monitoring status of extensive objects, primarily, product lines, and device for realization of said method |
| RU2477838C1 (en) * | 2011-10-28 | 2013-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | Coherent optical reflectometer for detecting vibration action |
| RU2012128666A (en) * | 2012-07-09 | 2014-01-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | METHOD AND SYSTEM FOR OBSERVING LAND MOVEMENT OF MOBILE OBJECTS WITHIN THE ESTABLISHED AERODROME ZONE |
-
2014
- 2014-07-31 RU RU2014131628/28A patent/RU2568416C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4577508A (en) * | 1983-10-25 | 1986-03-25 | International Business Machines Corporation | Optical vibration analyzer |
| RU2271446C1 (en) * | 2004-07-27 | 2006-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроЛайт" | Vibroacoustic elongated object characteristics monitoring device |
| RU2287131C1 (en) * | 2005-09-06 | 2006-11-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроЛайт" | Method for monitoring status of extensive objects, primarily, product lines, and device for realization of said method |
| RU2477838C1 (en) * | 2011-10-28 | 2013-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | Coherent optical reflectometer for detecting vibration action |
| RU2012128666A (en) * | 2012-07-09 | 2014-01-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | METHOD AND SYSTEM FOR OBSERVING LAND MOVEMENT OF MOBILE OBJECTS WITHIN THE ESTABLISHED AERODROME ZONE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105547460B (en) | Merge the dipulse phase sensitive optical time domain reflectometer and its method of weak reflecting grating | |
| US9140582B2 (en) | Optical sensor and method of use | |
| JP6718513B2 (en) | A method to increase the signal-to-noise ratio of distributed acoustic sensing by spatial averaging | |
| Sun et al. | Distributed fiber-optic vibration sensor using a ring Mach-Zehnder interferometer | |
| US10247584B2 (en) | Fibre optic distributed sensing | |
| Chen et al. | Distributed fiber-optic acoustic sensor with sub-nano strain resolution based on time-gated digital OFDR | |
| KR20110075680A (en) | Apparatus and method of distributed fiber sensor using brillouin optical time domain analysis based on brillouin dynamic grating | |
| Wang et al. | Distributed fiber-optic dynamic-strain sensor with sub-meter spatial resolution and single-shot measurement | |
| Tong et al. | High-speed Mach-Zehnder-OTDR distributed optical fiber vibration sensor using medium-coherence laser | |
| CN114543973B (en) | Distributed ultrahigh frequency vibration signal measurement method and optical fiber sensor | |
| RU2530244C2 (en) | Distributed coherent reflectometric system with phase demodulation (versions) | |
| US11143528B2 (en) | Optical fiber sensor and analysis method | |
| US8797541B2 (en) | Optical network configuration with intrinsic delay for swept-wavelength interferometry systems | |
| GB2523319A (en) | Distributed optical sensing with two-step evaluation | |
| Sun et al. | Wideband fully-distributed vibration sensing by using UWFBG based coherent OTDR | |
| RU2532562C1 (en) | Distributed sensor of acoustic and vibration actions | |
| Zhou et al. | A lateral locating method for optical fiber distributed intrusion sensing system | |
| JP7238507B2 (en) | Vibration detection optical fiber sensor and vibration detection method | |
| RU2568416C1 (en) | Method to monitor field of vibrations and device for its realisation | |
| CN111868482A (en) | Method for the sign-correct determination of a change in a physical parameter and device having an optical fiber | |
| RU2624594C1 (en) | Method of estimation of vibration or acoustic signals along the expansion of objects on the basis of the fiber optic coherent reflectometer with the amplitude and phase modulation of the probing radiation | |
| US5446533A (en) | Fiber optic measuring apparatus and method | |
| RU2568417C1 (en) | Method to monitor field of vibrations and device for its realisation | |
| Lu et al. | Distributed acoustic sensing to monitor ground motion/movement at multi-frequency bands | |
| Novotný et al. | Optical Fiber Based Distributed Mechanical Vibration Sensing |