RU2650853C1 - Fiber-optical distribution vibroacoustic sensor based on phase-sensitive reflectometer and method of improving its characteristics of sensitivity - Google Patents
Fiber-optical distribution vibroacoustic sensor based on phase-sensitive reflectometer and method of improving its characteristics of sensitivity Download PDFInfo
- Publication number
- RU2650853C1 RU2650853C1 RU2017105275A RU2017105275A RU2650853C1 RU 2650853 C1 RU2650853 C1 RU 2650853C1 RU 2017105275 A RU2017105275 A RU 2017105275A RU 2017105275 A RU2017105275 A RU 2017105275A RU 2650853 C1 RU2650853 C1 RU 2650853C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- frequency
- optical
- radiation
- channels
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к распределенным виброакустическим волоконно-оптическим сенсорным системам. Изобретение может быть использовано в системах мониторинга протяженных объектов, в системах охраны периметров, в системах каротажа нефтяных скважин, в системах контроля и диагностики железнодорожного транспорта, в системах мониторинга вибрации промышленных объектов.The invention relates to distributed vibro-acoustic fiber optic sensor systems. The invention can be used in monitoring systems of long objects, in perimeter security systems, in oil well logging systems, in railway transportation monitoring and diagnostics systems, in vibration systems for monitoring industrial objects.
Уровень техникиState of the art
Принципы работы распределенных виброакустических волоконно-оптических систем основаны на методе фазочувствительной оптической рефлектометрии. Метод позволяет регистрировать изменения фазовых соотношений обратнорассеянного излучения. В отличие от широко распространенных методов некогерентной рефлектометрии, применяемых для диагностики повреждений оптических волокон, регистрация изменения фазовых соотношений обратнорассеянного сигнала становится возможна благодаря применению узкополосного источника излучения, из которого формируются сканирующие импульсы, вследствие чего обратнорассеянные волны складываются когерентно, с учетом фазовых соотношений. На изменение фазовых соотношений обратнорассеянных волн влияет изменение оптического пути. Оптический путь представляет собой произведение геометрического пути на показатель преломления оптического волокна. При вибрационном или акустическом воздействии на оптическое волокно изменяются как геометрическая длина, так и показатель преломления.The operating principles of distributed vibro-acoustic fiber optic systems are based on the method of phase-sensitive optical reflectometry. The method allows you to record changes in phase ratios of backscattered radiation. In contrast to the widespread methods of incoherent reflectometry used to diagnose damage to optical fibers, registration of a change in the phase relations of the backscattered signal becomes possible due to the use of a narrow-band radiation source from which scanning pulses are formed, as a result of which backscattered waves are added coherently, taking into account phase relations. A change in the phase relations of backscattered waves is affected by a change in the optical path. The optical path is the product of the geometric path and the refractive index of the optical fiber. When vibrating or acoustic impact on an optical fiber, both the geometric length and the refractive index change.
Сигналом является излучение обратного рассеяния от неоднородностей оптического волокна и в качестве датчика используется все оптическое волокно. Для выделения определенных участков волокна используются методы импульсной рефлектометрии, в которых пространственное разрешение определяется полушириной зондирующего оптического импульса, а временная задержка сигнала обратного рассеяния соответствует удаленности участка оптического волокна от места ввода зондирующего импульса. Термин «распределенный волоконно-оптический датчик» подразумевает использование всего оптического волокна в качестве датчика и при этом не требуется использование каких-либо специальных точечных датчиков.The signal is backscattering radiation from the inhomogeneities of the optical fiber, and the entire optical fiber is used as a sensor. To isolate certain sections of the fiber, pulse reflectometry methods are used, in which the spatial resolution is determined by the half-width of the probe optical pulse, and the time delay of the backscattering signal corresponds to the remoteness of the section of the optical fiber from the point of introduction of the probe pulse. The term "distributed fiber optic sensor" means the use of all of the optical fiber as a sensor, and it does not require the use of any special point sensors.
Временная зависимость сигнала обратного рассеяния от единичного сканирующего импульса называется рефлектограммой. При отсутствии виброакустического воздействия на оптическое волокно, рефлектограммы от импульса к импульсу меняются на величину нестабильности компонентов оптической и электронной схемы прибора. Основной вклад, как правило, вносит нестабильность длины волны узкополосного источника излучения, а длина волны обратно пропорциональна частоте излучения (λ=с/(n⋅ν), где λ - длина волны света, ν - частота излучения). В таком случае изменения от одной рефлектограммы к другой составляют доли процента. При наличии виброакустического воздействия на оптическое волокно в местах, где происходит воздействие, изменение от одной рефлектограммы к другой может составлять до 100%.The time dependence of the backscattering signal on a single scanning pulse is called a trace. In the absence of vibro-acoustic effects on the optical fiber, the trace from pulse to pulse change by the amount of instability of the components of the optical and electronic circuits of the device. The main contribution, as a rule, is made by the instability of the wavelength of a narrow-band radiation source, and the wavelength is inversely proportional to the radiation frequency (λ = c / (n⋅ν), where λ is the wavelength of light, ν is the radiation frequency). In this case, changes from one trace to another account for a fraction of a percent. In the presence of vibro-acoustic effects on the optical fiber in places where the impact occurs, the change from one trace to another can be up to 100%.
Регистрация виброакустических воздействий вышеуказанным методом предполагает размещение в зоне вибрационных воздействий волоконно-оптического кабеля. Оптическое волокно используется в качестве распределенного чувствительного элемента. В оптическое волокно посылаются короткие световые импульсы с периодом, большим или равным времени прохождения светом удвоенной оптической длины оптического волокна. Временная зависимость мощности обратнорассеянного излучения регистрируется при помощи фотодетектора, с которого сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Оцифрованный сигнал подвергается цифровой обработке, в результате которой выделяются места виброакустического воздействия, в зависимости от алгоритмов обработки могут определяться типы воздействий, их временные и спектральные характеристики.The registration of vibro-acoustic effects by the above method involves the placement of a fiber-optic cable in the zone of vibrational effects. Optical fiber is used as a distributed sensing element. Short light pulses are sent to the optical fiber with a period greater than or equal to the time the light travels twice the optical length of the optical fiber. The time dependence of the power of backscattered radiation is recorded using a photodetector, from which the signal is fed to an analog-to-digital converter (ADC). The digitized signal is subjected to digital processing, as a result of which the places of vibroacoustic impact are allocated, depending on the processing algorithms, the types of effects, their temporal and spectral characteristics can be determined.
Известен один из базовых патентов на изобретение в области устройств и метода когерентной рефлектометрии для регистрации виброакустических воздействий - патент США US 5194847 Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing (МПК G01H 9/00; G01L 1/24; G01L 11/02; G08B 13/12; G08B 13/186; (IPC1-7): G08B 13/10; G08B 13/18, опубл. 1993-03-16), в котором описан распределенный волоконно-оптический датчик для обнаружения вибрационных воздействий на оптическое волокно. Базовому методу соответствуют базовые схемы устройств реализации метода, а также и множество производных схем устройств когерентной рефлектометрии. Дальнейшее развитие вариаций метода когерентной рефлектометрии, близких к предлагаемым решениям в данном патенте, отражено, например, в патенте США US 8248589 (B2) Phase Based Sensing (МПК G01N 21/00, опубл. 2012-08-21); патенте США US 8923663 (B2) Distributed Fibre Optic Sensing (МПК G01D 5/353; G02B 6/00, опубл. 2014-12-30).One of the basic patents for the invention in the field of devices and a method of coherent reflectometry for recording vibroacoustic effects is known - US patent US 5194847 Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing (IPC
К недостаткам работы оптико-электронных схем в указанных патентах относится неравномерная чувствительность распределенного волоконно-оптического датчика. Неравномерность чувствительности обусловлена случайным, статистическим характером сложения обратнорассеянных волн по фазе. В результате картина обратного рассеяния представляет неравномерную зависимость мощности излучения от расстояния вдоль оптического волокна. Неравномерность мощности обратнорассеянного излучения приводит к неравномерности чувствительности системы к виброакустическому воздействию на оптический кабель. Неравномерность достигает 100% с минимальными значениями мощности обратнорассеянного излучения, равными нулю. Период неравномерности соизмерим с половиной длительности сканирующего импульса. Например, для импульсов длительностью в 40 метров (что соответствует длительности по времени 200 нс, исходя из соотношения , где lИ - длительность импульса в метрах, с - скорость света в вакууме, n - показатель преломления кварца оптического волокна, τИ - длительность импульса в секундах), период неравномерности может составлять от 5 до 20 метров. Следует отметить, что требуется использование стабильного по частоте (или по центральной длине волны) источника излучения, что при отсутствии виброакустического воздействия на оптическое волокно обуславливает стабильную во времени зависимость мощности обратнорассеянного излучения от длины оптического волокна. Период времени, в течение которого распределение локальных минимумов и максимумов не изменяется, составляет десятки и сотни секунд. Неравномерность чувствительности вдоль оптического волокна приводит к неравномерному отклику на виброакустическое воздействие. В случае применения такой системы для мониторинга вибраций от объектов, формирующих виброакустическое поле больше периода неравномерности чувствительности, отклик системы на единичное воздействие легко спутать с откликом на множественное воздействие. В случае мониторинга вибраций от объектов, формирующих виброакустическое поле меньше периода неравномерности чувствительности, существует вероятность, что отклика системы на такое воздействие не будет вообще.The disadvantages of the operation of optoelectronic circuits in these patents include the uneven sensitivity of the distributed fiber-optic sensor. The unevenness of sensitivity is due to the random, statistical nature of the addition of backscattered waves in phase. As a result, the backscattering pattern represents an uneven dependence of the radiation power on the distance along the optical fiber. Uneven power backscattered radiation leads to uneven sensitivity of the system to vibro-acoustic effects on the optical cable. The non-uniformity reaches 100% with a minimum backscattered radiation power of zero. The period of unevenness is commensurate with half the duration of the scanning pulse. For example, for pulses lasting 40 meters (which corresponds to a time duration of 200 ns, based on the ratio , where l И is the pulse duration in meters, s is the speed of light in vacuum, n is the refractive index of quartz of the optical fiber, τ И is the pulse duration in seconds), the irregularity period can be from 5 to 20 meters. It should be noted that the use of a frequency-stable (or central wavelength) radiation source is required, which, in the absence of a vibro-acoustic effect on the optical fiber, causes a time-stable dependence of the backscattered radiation power on the length of the optical fiber. The period of time during which the distribution of local minima and maxima does not change is tens and hundreds of seconds. The uneven sensitivity along the optical fiber leads to an uneven response to vibroacoustic impact. In the case of using such a system to monitor vibrations from objects forming a vibroacoustic field for more than a period of non-uniformity of sensitivity, the response of the system to a single effect is easily confused with the response to multiple effects. In the case of monitoring vibrations from objects forming a vibro-acoustic field less than the period of non-uniformity of sensitivity, there is a possibility that the system will not respond to such an impact at all.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) предлагаемым техническим решением выбраны устройство и реализованный в нем способ, описанные в патенте РФ на изобретение №2562689 Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий (МПК G01D 5/353, G01H 9/00, опубл. 10.09.2015 г.). Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий содержит чувствительный элемент в виде оптического волокна, находящегося в волоконно-оптическом кабеле, и оптически соединенный с волокном через интерфейс фазочувствительный оптический рефлектометр. Также датчик содержит соединенный с интерфейсом источник периодической последовательности оптических тестирующих сигналов, выполненный в виде последовательно оптически соединенных непрерывного лазера, акустооптического модулятора (АОМ) на бегущей акустической волне, и приемник рассеянного излучения. Указанный источник выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде пары импульсов равной длительности с задержкой второго импульса относительно первого и периодически изменяемой разностью фаз оптической несущей волны второго импульса относительно фазы оптической несущей волны первого импульса.As the closest analogue (prototype), the proposed technical solution selected the device and the method implemented in it described in the patent of the Russian Federation for invention No. 2562689 Distributed sensor of acoustic and vibration effects (IPC G01D 5/353, G01H 9/00, published on 09/10/2015, .). The distributed acoustic and vibration sensor contains a sensing element in the form of an optical fiber located in a fiber optic cable, and a phase-sensitive optical reflectometer optically connected to the fiber through an interface. The sensor also contains a source of a periodic sequence of optical test signals connected to the interface, made in the form of a serially optically connected cw laser, an acousto-optical modulator (AOM) on a traveling acoustic wave, and a scattered radiation receiver. The specified source is configured to generate test signals in the form of a pair of pulses of equal duration with a delay of the second pulse relative to the first and periodically variable phase difference of the optical carrier wave of the second pulse relative to the phase of the optical carrier wave of the first pulse.
Недостатками известного устройства прототипа являются сниженная и неравномерная чувствительность к виброакустическому воздействию и сравнительно малая дальность действия. В указанном устройстве оптический импульс формируется из излучения узкополосного источника малой мощности, а затем усиливается оптическим эрбиевым усилителем. Следствием такого решения является нестабильность формы импульса на выходе оптического эрбиевого усилителя, работающего в импульсном режиме. Кроме того, оптический эрбиевый усилитель, находящийся непосредственно перед входом в оптическую линию, испускает в нее излучение спонтанной эмиссии, что также приводит к дополнительной нестабильности сигнала обратного рассеяния, что, в свою очередь, приводит к уменьшению чувствительности системы.The disadvantages of the known device of the prototype are reduced and uneven sensitivity to vibroacoustic effects and a relatively short range. In this device, an optical pulse is generated from the radiation of a narrow-band low-power source, and then amplified by an optical erbium amplifier. The consequence of this solution is the instability of the pulse shape at the output of an optical erbium-based amplifier operating in a pulsed mode. In addition, an optical erbium amplifier located directly in front of the entrance to the optical line emits spontaneous emission radiation into it, which also leads to additional instability of the backscattering signal, which, in turn, leads to a decrease in the sensitivity of the system.
В способе, реализованном в указанном устройстве прототипа, в линию оптического волокна посылают пачки из двух импульсов, причем второй импульс в пачке отличается по фазовой задержке радиочастотного сдвига, вносимого АОМ в оптический сигнал. Такая схема является критичной к фазовой неопределенности (джиттеру) задающих генераторов, формирующих сигналы, подаваемые на АОМ и на АЦП. Также эта схема критична к джиттеру электронной схемы, формирующей последовательность из двух импульсов, к джиттеру сигнала генератора, подаваемого на цифровую схему демодуляции. Как следствие, чувствительность к вибрационному воздействию устройства, описанного в патенте на изобретение РФ №2562689, оказывается в несколько раз хуже, чем у предлагаемого устройства.In the method implemented in the specified prototype device, packets of two pulses are sent to the optical fiber line, the second pulse in the packet being different in phase delay of the radio frequency shift introduced by the AOM into the optical signal. Such a circuit is critical to phase uncertainty (jitter) of the master oscillators, which form the signals supplied to the AOM and to the ADC. Also, this circuit is critical to the jitter of the electronic circuit, forming a sequence of two pulses, to the jitter of the generator signal supplied to the digital demodulation circuit. As a result, the sensitivity to vibration effects of the device described in the patent for the invention of the Russian Federation No. 2562689, is several times worse than that of the proposed device.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей изобретения является улучшение характеристик чувствительности волоконно-оптического распределенного виброакустического датчика на основе фазочувствительного рефлектометра, а именно: уменьшение неравномерности чувствительности распределенной виброакустической системы вдоль оптического волокна на всем его протяжении и устранение так называемого «замирания сигнала» или «слепых зон» (зон нечувствительности).The objective of the invention is to improve the sensitivity characteristics of a fiber-optic distributed vibroacoustic sensor based on a phase-sensitive reflectometer, namely: reducing the unevenness of the sensitivity of the distributed vibroacoustic system along the optical fiber throughout its length and eliminating the so-called "signal fading" or "blind zones" (dead zones) .
Технический результат - существенное улучшение характеристик чувствительности, а именно увеличение равномерности чувствительности к виброакустическому воздействию на чувствительный элемент, увеличение чувствительности к слабым виброакустическим воздействиям на чувствительный элемент, существенное уменьшение вероятности возникновения замирания сигнала и, как следствие, улучшение чувствительности, возможность увеличения длины чувствительного элемента датчика.The technical result is a significant improvement in the sensitivity characteristics, namely, increasing the uniformity of sensitivity to vibroacoustic effects on the sensing element, increasing the sensitivity to weak vibroacoustic effects on the sensing element, significantly reducing the likelihood of signal fading and, as a result, improving the sensitivity, the possibility of increasing the length of the sensor .
Технический результат достигается за счет того, что распределенный волоконно-оптический виброакустический датчик большой протяженности для регистрации вибрационных воздействий акустического частотного диапазона включает в себя узкополосный источник излучения (обычно это лазер с шириной полосы менее 35 кГц), волоконно-оптический усилитель, усиливающий излучение источника (обычно до мощности в 1 Вт), АОМ, работающий в импульсном режиме и вносящий частотный доплеровский сдвиг в оптическое излучение, волоконно-оптический разветвитель на М-каналов (если канал только один, то разветвитель не нужен), каждый канал состоит из чувствительного элемента - оптического волокна, циркулятора, волоконно-оптического эрбиевого усилителя в приемной части канала, после усилителя узкополосного оптического фильтра и далее фотоприемного модуля с выходом на канал М-канального АЦП. Выходы всех каналов подсоединены к модулю М-канального АЦП, на выходе которого последовательно друг за другом установлены цифровой процессор формирования управляющих импульсов, управления, обработки и передачи данных, плата частотно-импульсного формирователя и драйвер АОМ для регулирования работы АОМ. Все волокна М-каналов проложены рядом друг с другом.The technical result is achieved due to the fact that a long-distance distributed fiber-optic vibro-acoustic sensor for recording vibration effects of the acoustic frequency range includes a narrow-band radiation source (usually a laser with a bandwidth of less than 35 kHz), a fiber-optic amplifier that amplifies the source radiation ( usually up to a power of 1 W), AOM operating in a pulsed mode and introducing a frequency Doppler shift into optical radiation, a fiber optic splitter on M-channels (if there is only one channel, then a splitter is not needed), each channel consists of a sensitive element - an optical fiber, a circulator, an Erbium fiber optic amplifier in the receiving part of the channel, after a narrow-band optical filter amplifier and then a photodetector module with output to the channel M-channel ADC. The outputs of all channels are connected to the M-channel ADC module, at the output of which a digital processor for generating control pulses, control, processing and data transmission, a pulse-frequency driver board, and an AOM driver are installed to control the operation of the AOM. All fibers of the M channels are laid next to each other.
Способ выравнивания характеристик чувствительности этого распределенного волоконно-оптического виброакустического датчика заключается в изменении частоты одиночных импульсов, посылаемых в чувствительный элемент - оптическое волокно. Длительность сканирующих импульсов составляет ТИМ=50-500 нс. Ширина спектра импульсов в первом приближении определяется из соотношения , то есть диапазон ΔƒИМ=20-2 МГц. При этом ширина спектра рефлектограммы практически равна ширине спектра сканирующих импульсов , так как ширина спектра непрерывного излучения узкополосного источника излучения много меньше ширины спектра сканирующих импульсов ΔƒИCТ<<ΔƒИМ (обычно это лазер с шириной полосы менее 35 кГц). Центральная частота излучения зондирующих импульсов для оптической схемы датчика складывается из центральной частоты источника излучения и допплеровского увеличения частоты, вносимой АОМ. Изменение частоты излучения зондирующих импульсов на величину, большую 1/ТИМ (ΔƒCЧ≤1/ТИМ), приводит к формированию новой статистической картины сигналов обратного рассеяния. В результате чего на участках волокна, на которых чувствительность была минимальна, характеристика чувствительности будет больше минимальной. От каждого импульса с определенной центральной частотой формируется рефлектограмма, статистически отличная от рефлектограммы, формируемой импульсом на другой центральной частоте, тем самым вероятность перекрытия «слепых зон» (зон нечувствительности) увеличивается в раз (где K - количество частот) после формирования комбинированной (составной) рефлектограммы, составленной из участков с максимальными чувствительностями отдельных рефлектограмм. Также возможно применение не одного, а нескольких чувствительных оптических волокон (проложенных рядом друг с другом) в М-каналах. Рефлектограммы оптических волокон каналов с принципиально отличными друг от друга характеристиками также имеют различные статистические характеристики, что в итоге после формирования из отдельных рефлектограмм комбинированной (составной) рефлектограммы увеличивает вероятность перекрытия «слепых зон» в раз, где N=K*M.The way to equalize the sensitivity characteristics of this distributed fiber-optic vibroacoustic sensor is to change the frequency of single pulses sent to the sensing element - optical fiber. The duration of the scanning pulses is T MI = 50-500 ns. The width of the spectrum of pulses in a first approximation is determined from the relation , that is, the range Δƒ MI = 20-2 MHz. The width of the spectrum of the trace is almost equal to the width of the spectrum of the scanning pulses , since the width of the continuous emission spectrum of a narrow-band radiation source is much smaller than the spectrum width of the scanning pulses Δƒ ИТТ << Δƒ ИМ (usually a laser with a bandwidth of less than 35 kHz). The central radiation frequency of the probe pulses for the optical circuit of the sensor is the sum of the central frequency of the radiation source and the Doppler frequency increase introduced by the AOM. A change in the radiation frequency of the probe pulses by an amount greater than 1 / T IM (Δƒ SCh ≤1 / T IM ) leads to the formation of a new statistical picture of backscattering signals. As a result, in the areas of the fiber where the sensitivity was minimal, the sensitivity characteristic will be greater than the minimum. A trace is formed from each pulse with a certain central frequency, which is statistically different from a trace generated by a pulse at a different central frequency, thereby increasing the probability of overlapping “blind zones” (dead zones) times (where K is the number of frequencies) after the formation of the combined (composite) trace composed of sections with the maximum sensitivities of individual reflectograms. It is also possible to use not one, but several sensitive optical fibers (laid next to each other) in the M-channels. OTDR traces of channel optical fibers with fundamentally different characteristics also have different statistical characteristics, which, after forming combined (composite) OTDR traces from individual OTDR traces, increases the probability of overlapping “blind zones” in times where N = K * M.
Таким образом, можно отметить следующие существенные отличия предлагаемого технического решения от прототипа:Thus, we can note the following significant differences of the proposed technical solution from the prototype:
1. АОМ, формирующий зондирующие импульсы, в предлагаемой схеме расположен после оптического эрбиевого усилителя, исключая излучение спонтанной эмиссии оптического усилителя в оптическую линию. Данное решение позволяет увеличить отношение сигнал/шум и тем самым увеличить чувствительность системы.1. AOM, generating probing pulses, in the proposed scheme is located after the optical erbium amplifier, excluding the emission of spontaneous emission of the optical amplifier into the optical line. This solution allows you to increase the signal-to-noise ratio and thereby increase the sensitivity of the system.
2. В оптическое волокно посылают одиночные импульсы (а в прототипе используют пачки из пар импульсов с изменяемой фазой), тем самым исключая в принципе влияние фазовой нестабильности (джиттера) между импульсами, который приводит к ухудшению отношения сигнал/шум в прототипной схеме. Причем в оптическое волокно посылают по очереди несколько (К) одиночных зондирующих импульсов с частотами, отличающимися друг от друга на величину ΔƒCЧ≤1/ТИМ, где ΔƒCЧ - смещение по частоте, ТИМ - длительность зондирующего импульса. От каждого зондирующего импульса формируется рефлектограмма, статистически отличная от рефлектограммы, формируемой импульсом на другой частоте, тем самым вероятность перекрытия «слепых зон» (зон нечувствительности) увеличивается в раз после формирования комбинированной (составной) рефлектограммы, составленной из участков с максимальными чувствительностями отдельных рефлектограмм. Кроме того, возможно применение не одного, а проложенных рядом друг с другом нескольких чувствительных оптических волокон в М-каналах. Рефлектограммы оптических волокон каналов с принципиально отличными друг от друга характеристиками также имеют различные статистические характеристики, что в итоге после формирования из отдельных рефлектограмм комбинированной (составной) рефлектограммы, составленной из участков с максимальными чувствительностями отдельных рефлектограмм, увеличивает вероятность перекрытия «слепых зон» уже в раз, где N=K*М.2. Single pulses are sent to the optical fiber (and the prototype uses packs of pairs of pulses with a variable phase), thereby eliminating, in principle, the influence of phase instability (jitter) between pulses, which leads to a deterioration of the signal-to-noise ratio in the prototype circuit. Moreover, several (K) single probe pulses are sent to the optical fiber in turn with frequencies different from each other by Δƒ SCh ≤1 / T IM , where Δƒ SCh is the frequency offset, T IM is the duration of the probe pulse. A reflectogram is generated from each probe pulse, which is statistically different from a trace generated by a pulse at a different frequency, thereby increasing the probability of overlapping “blind zones” (dead zones) times after the formation of a combined (composite) trace, composed of sections with maximum sensitivities of individual reflectograms. In addition, it is possible to use not one, but several sensitive optical fibers laid in the M channels adjacent to each other. OTDR traces of optical fibers of channels with fundamentally different characteristics from each other also have different statistical characteristics, which, as a result, after the formation of individual OTDR traces of a combined (composite) OTDR trace composed of areas with the maximum sensitivity of individual OTDRs, increases the probability of overlapping “blind zones” already in times where N = K * M.
Перечень фигурList of figures
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого волоконно-оптического распределенного виброакустического датчика на основе фазочувствительного рефлектометра (оптико-электронная схема когерентного рефлектометра) с улучшенной характеристикой чувствительности.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed fiber-optic distributed vibroacoustic sensor based on a phase-sensitive reflectometer (optoelectronic circuit of a coherent reflectometer) with an improved sensitivity characteristic.
На фиг. 2 представлена функциональная схема частотно-импульсного формирователя.In FIG. 2 shows a functional diagram of a pulse-frequency driver.
На фиг. 3 представлен пример формирования графика комбинированной составной рефлектограммы из графиков четырех отдельных рефлектограмм при N=4 (возможные комбинации К и М при этом: К=4, М=1 или К=2, М=2).In FIG. Figure 3 shows an example of the formation of a graph of a combined composite reflectogram from the graphs of four separate reflectograms at N = 4 (possible combinations of K and M in this case: K = 4, M = 1 or K = 2, M = 2).
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из узкополосного источника излучения 1 (лазера с шириной полосы частот менее 35 кГц), волоконно оптического эрбиевого усилителя 2, усиливающего излучение источника до мощности 1 Вт, АОМ 3, работающего в импульсном режиме и вносящего частотный сдвиг в оптическое излучение, волоконно-оптического разветвителя (на М-каналов) 4, каждый из М-каналов состоит из чувствительного элемента - оптического волокна 5, циркулятора 6, волоконно-оптического эрбиевого усилителя 7 в приемной части канала, после него узкополосного оптического фильтра 8, далее фотоприемного модуля 9, выход которого соединен со своим канальным входом модуля многоканального (не менее М-каналов) АЦП 10, выход которого соединен со входом цифрового процессора формирования управляющих импульсов, управления, обработки и передачи данных 11, далее частотно-импульсного формирователя 12 и специализированного драйвера 13 акустооптического модулятора 13. Каждый из М-каналов содержит компоненты: 5, 6, 7, 8, 9. В таких каналах можно использовать стандартное одномодовое оптическое волокно (например, марки G652, G657) и серийно выпускаемый волоконно-оптический кабель для линий связи. Все волокна М-каналов проложены вдоль друг друга рядом.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed device. The device consists of a narrow-band radiation source 1 (a laser with a frequency bandwidth of less than 35 kHz), a fiber-
Устройство работает следующим образом. В чувствительный элемент - оптическое волокно 5 (фиг. 1) - посылаются зондирующие импульсы разной частоты, которые формирует АОМ 3 из непрерывного излучения узкополосного лазера 1. Особенностью предлагаемой оптической схемы является то, что АОМ, формирующий зондирующие импульсы, расположен после оптического эрбиевого усилителя, исключая излучение спонтанной эмиссии оптического усилителя в оптическую линию. Данное решение позволяет увеличить отношение сигнал/шум и тем самым увеличить чувствительность системы. Для достижения достаточного уровня мощности излучение узкополосного лазера 1 усиливается с помощью оптического эрбиевого усилителя 2 до значений 200-1000 мВт, после чего поступает на АОМ 3. После АОМ 3 импульсное излучение поступает на разветвитель 4, и по каждому из каналов разветвителя импульсное излучение поступает на свой циркулятор 6 и далее в оптическое волокно 5. В оптическом волокне 5 импульсное излучение рассеивается на неоднородностях показателя преломления волокна, и часть его возвращается обратно назад и поступает на циркулятор 6. После циркулятора 6 обратнорассеянное излучение поступает на оптический эрбиевый усилитель 7, далее излучение отфильтровывается узкополосным оптическим фильтром 8 и поступает на фотоприемник 9. После фотоприемника излучение, преобразованное в электрический сигнал, поступает на свой вход многоканального АЦП 10. От АЦП оцифрованный электрический сигнал приходит на процессор 11, обеспечивающий синхронное формирование зондирующих импульсов и синхронный прием оцифрованного обратнорассеянного сигнала. Формирование зондирующих импульсов на различных частотах происходит в процессоре 11 и реализуется благодаря применению частотно-импульсного формирователя 12 и драйвера 13 АОМ 3.The device operates as follows. At the sensing element - optical fiber 5 (Fig. 1) - probing pulses of different frequencies are sent, which form the
АОМ 3 формирует оптический импульс за счет создания Брэгговской дифракционной решетки в диоксиде теллура посредством бегущей акустической волны. Дифракционная решетка отклоняет световой пучок в первый максимум дифракции Брэгга, где находится коллиматор. Бегущая акустическая волна может формироваться на частоте от 40 до 200 МГц и на эту частоту, за счет доплеровского эффекта, возрастает центральная частота проходящего через диоксид теллура оптического излучения. Сложение радиочастоты, подаваемой на АОМ, с оптической частотой используется для изменения суммарной частоты излучения. Следует иметь в виду, что изменение радиочастоты, подаваемой на АОМ 3, приводит к изменению периода наведенной брэгговской дифракционной решетки, что, в свою очередь, приводит к изменению угла дифракции Брэгга. Изменение угла дифракции Брэгга приводит к тому, что в выводящий излучение коллиматор, установленный из расчета конкретной частоты, приходит не весь световой пучок. Таким образом, меняя частоту подаваемого на АОМ радиочастотного сигнала, не только изменяют частоту выходящего из АОМ излучения, но и изменяют вносимые потери. АОМ позволяет изменять собственную центральную частоту в пределах ΔƒAOM±10% при увеличении вносимых потерь не более чем на 3 дБ.
Для решения задачи существенного уменьшения зон нечувствительности используется процессор 11 обработки, который обеспечивает:To solve the problem of a significant reduction of dead zones, a
- формирование зондирующих импульсов с различными частотами посредством коммутации соответствующих частотных выходов частотно-импульсного формирователя 12;- the formation of probe pulses with different frequencies by switching the corresponding frequency outputs of the frequency-
- прием и формирование рефлектограмм для зондирующих импульсов с различными частотами;- reception and formation of reflectograms for probing pulses with different frequencies;
- формирование в реальном масштабе времени комбинированной составной рефлектограммы на основе отдельных N-рефлектограмм, полученных от зондирующих импульсов на разных частотах и, возможно, из оптических волокон нескольких каналов.- the formation in real time of a combined composite reflectogram based on individual N-reflectograms obtained from probe pulses at different frequencies and, possibly, from optical fibers of several channels.
На фиг. 2 представлена функциональная схема частотно-импульсного формирователя 12. От процессора обработки 11 на частотно-импульсный формирователь приходит управляющий сигнал 12.1, поступающий на логическую схему 12.2, которая вырабатывает сигнал формирования импульса 12.3 и сигнал выбора частотного канала 12.4. Сигнал выбора частотного канала 12.4 поступает на мультиплексор 12.6, который производит переключения частотных сигналов, поступающих на него от синтезатора частот 12.5. От мультиплексора 12.6 на драйвер 13 АОМ 3 поступает сигнал частотного канала 12.7. Сигнал формирования импульса 12.3 и сигнал частотного канала 12.7 поступают на драйвер 13 АОМ 3 синхронно.In FIG. 2 is a functional diagram of a frequency-
После АОМ 3 в оптическое волокно 6 (или в волокна 6 после разветвителя 4, если каналов и волокон несколько) посылают последовательно K одиночных зондирующих импульсов (например, для N=K*M=4 возможны две комбинации: K=4, М=1 или K=2, М=2, где K - количество частот, М - количество волокон) на частотах, отличающихся от импульса к импульсу на величину, большую ΔƒСЧ≤1/ТИМ, где ΔƒСч - смещение по частоте, ТИМ - длительность зондирующего импульса. Пришедшие из оптических волокон от каждого импульса сигналы обратного рассеяния сохраняют в оперативном запоминающем устройстве цифрового процессора 11 в виде пришедших друг за другом N рефлектограмм с их пространственной зависимостью по длине их волокон.After
На фиг. 3 представлен пример реализации способа формирования графика комбинированной составной рефлектограммы из графиков отдельных рефлектограмм при N=4 (верхние 4 графика - отдельные рефлектограммы, нижний график - итоговая составная комбинированная рефлектограмма, овалами на графиках отдельных рефлектограмм выделены участки максимальной чувствительности, из которых можно составлять комбинированную рефлектограмму). Для обработки отдельных N рефлектограмм волокно, с которого получены рефлектограммы, математически делится на равные интервалы по длине волокна. Длину интервала выбирают в зависимости от периода (длины) повторения локальных максимумов рефлектограммы, который зависит от длительности зондирующего импульса (примерно, в четыре раза меньше полуширины зондирующего импульса, то есть примерно, от 5 до 10 м). Для каждого интервала волокна проводят сравнение интервалов N рефлектограмм и выбирают интервал той рефлектограммы, который имеет наибольший уровень сигнала, а значит, и наибольший отклик при возможном виброакустическом воздействии на заданном интервале оптического волокна. Последовательно проводят сравнительный анализ всех интервалов и формируют составную комбинированную рефлектограмму. При этом в сформированной составной рефлектограмме в раз снижена вероятность нахождения участков, на которых отсутствует отклик на виброакустическое воздействие на оптическое волокно.In FIG. Figure 3 shows an example of the implementation of the method for generating a graph of a combined composite trace from the graphs of individual reflectograms at N = 4 (the top 4 graphs are individual reflectograms, the lower graph is the final composite trace, the sections of maximum sensitivity are highlighted with ovals on the graphs of individual reflectograms, from which it is possible to compose a combined trace ) To process individual N reflectograms, the fiber from which the reflectograms are obtained is mathematically divided into equal intervals along the length of the fiber. The length of the interval is selected depending on the period (length) of the repetition of the local maximums of the trace, which depends on the duration of the probe pulse (approximately four times less than the half-width of the probe pulse, i.e., approximately 5 to 10 m). For each fiber interval, the intervals of N reflectograms are compared and the interval of that trace is selected that has the highest signal level, and therefore, the greatest response with possible vibro-acoustic exposure at a given interval of the optical fiber. A comparative analysis of all intervals is carried out sequentially and a composite combined reflectogram is formed. Moreover, in the formed composite trace in times reduced the likelihood of finding areas in which there is no response to vibro-acoustic effects on the optical fiber.
После формирования составной рефлектограммы очередной цикл повтора ее формирования требуется производить до изменения спекл-картины рефлектограммы, и этот промежуток времени может составлять от десятков до сотен секунд в зависимости от условий эксплуатации. Стоит отметить, что при периоде формирования составной рефлектограммы в 10 секунд, не может возникнуть трудностей с дальнейшей обработкой сигналов от составной рефлектограммы, так как полоса частот рабочего виброакустического сигнала у фазочувствительного рефлектометра находится в диапазоне от единиц герц и выше практически до нескольких сотен килогерц.After the formation of a composite reflectogram, the next cycle of repeating its formation is required to be performed until the speckle pattern of the reflectogram changes, and this period of time can be from tens to hundreds of seconds depending on operating conditions. It should be noted that with the period of formation of a composite reflectogram of 10 seconds, there can be no difficulties with further processing of signals from a composite reflectogram, since the frequency band of the working vibroacoustic signal of a phase-sensitive reflectometer is in the range from units of hertz and higher to almost several hundred kilohertz.
Предлагаемые волоконно-оптический распределенный виброакустический датчик на основе фазочувствительного рефлектометра и способ улучшения его характеристик чувствительности получены в ходе выполнения прикладных научных исследовательских экспериментальных разработок (ПНИЭР) в рамках Соглашения о предоставлении субсидии №14.577.21.0224 между Министерством образования и науки Российской Федерации и МГТУ им. Н.Э. Баумана.The proposed fiber-optic distributed vibroacoustic sensor based on a phase-sensitive reflectometer and a method for improving its sensitivity characteristics were obtained during the implementation of applied scientific research experimental development (PNIER) under the Agreement on the provision of subsidy No. 14.577.21.0224 between the Ministry of Education and Science of the Russian Federation and MSTU im. N.E. Bauman.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017105275A RU2650853C1 (en) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | Fiber-optical distribution vibroacoustic sensor based on phase-sensitive reflectometer and method of improving its characteristics of sensitivity |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017105275A RU2650853C1 (en) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | Fiber-optical distribution vibroacoustic sensor based on phase-sensitive reflectometer and method of improving its characteristics of sensitivity |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2650853C1 true RU2650853C1 (en) | 2018-04-17 |
Family
ID=61976490
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017105275A RU2650853C1 (en) | 2017-02-17 | 2017-02-17 | Fiber-optical distribution vibroacoustic sensor based on phase-sensitive reflectometer and method of improving its characteristics of sensitivity |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2650853C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU5030U1 (en) * | 1996-04-25 | 1997-09-16 | Российский научно-исследовательский институт "Электронстандарт" | OPTICAL ABSORPTION GAS ANALYZER |
RU2437063C1 (en) * | 2010-06-08 | 2011-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Fibre-optic sensor system |
US8120775B2 (en) * | 2004-07-30 | 2012-02-21 | Hartmut Hillmer | Sensor device and for determining a physical value |
RU2498226C1 (en) * | 2012-06-01 | 2013-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) | Fiber-optic sensor system |
RU2503879C1 (en) * | 2012-08-07 | 2014-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Т8" (ООО "Т8") | Control device of object movement in pipeline |
-
2017
- 2017-02-17 RU RU2017105275A patent/RU2650853C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU5030U1 (en) * | 1996-04-25 | 1997-09-16 | Российский научно-исследовательский институт "Электронстандарт" | OPTICAL ABSORPTION GAS ANALYZER |
US8120775B2 (en) * | 2004-07-30 | 2012-02-21 | Hartmut Hillmer | Sensor device and for determining a physical value |
RU2437063C1 (en) * | 2010-06-08 | 2011-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Fibre-optic sensor system |
RU2498226C1 (en) * | 2012-06-01 | 2013-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) | Fiber-optic sensor system |
RU2503879C1 (en) * | 2012-08-07 | 2014-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Т8" (ООО "Т8") | Control device of object movement in pipeline |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10935398B2 (en) | Distributed acoustic sensing | |
EP1747445B1 (en) | Evaluating the position of a time-varying disturbance | |
US9146151B2 (en) | Pulse labeling for high-bandwidth fiber-optic distributed acoustic sensing with reduced cross-talk | |
EP2435796B1 (en) | Optical sensor and method of use | |
EP1867072B1 (en) | Communicating information | |
EP2976603B1 (en) | Brillouin optical distributed sensing device and method with improved tolerance to sensor failure | |
CN103842782A (en) | Distributed optical fiber sound wave detection device | |
CN110470376B (en) | Interference distributed optical fiber acoustic sensing device and sensing method thereof | |
CN102612639A (en) | Phase based sensing | |
JP2016191659A (en) | Optical fiber distortion measuring apparatus and optical fiber distortion measuring method | |
KR101817295B1 (en) | Fiber-Optic Distributed Acoustic Sensor | |
JP6814180B2 (en) | Distributed optical fiber vibration measuring device and distributed optical fiber vibration measuring method | |
CN106768277B (en) | A kind of demodulation method of distributed optical fiber vibration sensing device | |
JP7435160B2 (en) | Optical fiber vibration detection device and vibration detection method | |
Iida et al. | High-frequency distributed acoustic sensing faster than repetition limit with frequency-multiplexed phase-OTDR | |
JP2019203859A (en) | Device and method for measuring brillouin frequency shift | |
JP5148420B2 (en) | Optical fiber testing equipment | |
KR101889351B1 (en) | Spatially-selective brillouin distributed optical fiber sensor with increased effective sensing points and sensing method using brillouin scattering | |
US10816368B2 (en) | Method and system for high sensitivity in distributed fiber sensing applications | |
JP5849056B2 (en) | Optical pulse test apparatus and optical pulse test method | |
JP6085573B2 (en) | Branch optical line characteristic analysis apparatus and branch optical line characteristic analysis method | |
RU2650853C1 (en) | Fiber-optical distribution vibroacoustic sensor based on phase-sensitive reflectometer and method of improving its characteristics of sensitivity | |
CN116576897A (en) | Multi-parameter optical fiber distributed sensing system and method thereof | |
Li et al. | A high-performance DAS system using point-backscattering-enhanced fiber and study of its noise characteristics | |
RU2695058C1 (en) | Multichannel fiber-optic device for recording vibration effects with one receiving registration module |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190620 Effective date: 20190620 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200218 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20220121 |